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문제 정의
- 그러나 이러한 각종 조건과 고결강도와의 상관관계는 서로독립적인 것이 아니기 때문에(Clough 등 1989; Huang and Airey 1998; Ismail 등 2002) 여러 조건의 상관관계에 의한 고결의 영향을 분석할 필요가 있다. 따라서, 본연구에서는 석고를 이용하여 국내에서 고결이 발생할가능성이 높은 부산 해사에 인위적 인 고결을 유발시켜시료의 고결정도 및 상대밀도에 따른 거동양상을 분석하였다.
- 본 연구에서는 고결(cementation)이 모래의 거동에 끼치는 영향을 알아보기 위해 석고를 고결 유발제로 사용하여 양생한 후 비배수 전단시험(CIU)을 실시하였다.
가설 설정
- 상대밀도 25, 40, 60% 별로 각각의 석고함유량에 따른 항복시 축차응력(q)과축변형율(&, ), 그리고 항복시 할선탄성계수(身)를 표 3에 정리하여 그림 8에 나타내었다. 이때 항복점이 불명확한 미고결 모래의 항복점은 간극수압이 감소하기 시작하는 상전이점 (phase transformation point)으로 가정하였다. 그림 8(a), (b)에서 동일한 상대밀도일지라도 고 결정도가 증가할수록 항복시 축차응력, 즉 항복강도과 할선탄성계수가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
제안 방법
- 그림 6은 SEM을 이용하여 150배확대된 고결된 모래의 사진이며, 모래입자의 표면과 접촉점에 석고입자가 수화되어 고결이 유발되었음을 확인할 수 있다. 고결된 모래시료를 삼축시험기에 거치하고 미고결 모래와 동일한 조건에서 탄산수와 deaired water를 이용하여 시료를 포화시킨 후, 배압을 400kPa 까지 증가시켜 0.95 이상의 간극수압계수(B value)를 확인하였다. 시료 포화 후 미고결 모래와 동일하게 200kPa 의 구속압으로 등방압밀시 킨 후 0.
- 본 시험기는 압력과 변위 및 체적변화를 5개의 계측 센서로 측정하여 디지털 신호로 컴퓨터에 저장하고, 이를 다시 D-A 변환기에서 아날로그 신호로 바꾸어 시스템의 압력을 조절하여 구속압 및 축차응력을 자동제어하는 원리로 작동한다. 또한 본 시험기는 등방, 비등방및 Ko 압밀을 수행하여 배수와 비배수조건으로 정적, 동적 전단을 유발시킬 수 있고 응력제어 및 변형율제어가가능하여 시료에 대한 다양한 조건의 거동을 분석할 수 있다. CKC 삼축장비의 전체적인 구성은 그림 4와 같다
- 조성된 시료에 55kPa의 상재구속압을 가한 뒤, 시료의 하부에서 적정압으로 증류수를 주입하여 석고의 수화를 유도한다. 모든 시료의 양생기간은 3일로 동일하게 유지시켰으며, 양생 후 몰드를 해체하고 시료의정확한 직경과 높이를 측정하여 최종적인 시료의 상대밀도를 결정하였다. 그림 6은 SEM을 이용하여 150배확대된 고결된 모래의 사진이며, 모래입자의 표면과 접촉점에 석고입자가 수화되어 고결이 유발되었음을 확인할 수 있다.
- 또한 본 삼축시험기는 축하중을 측정하기 위한 로드 셀(load cell), 연직침하량 측정을 위한 LVDT, 챔버압 (chamber pressure), 유효압(effective pressure), 체적변화 (volume change) 등을 탐지하기 위한 3개의 압력센서 (pressure transducer)등, 5개의 계측센서가 내장되어 있다. 본 시험기는 압력과 변위 및 체적변화를 5개의 계측 센서로 측정하여 디지털 신호로 컴퓨터에 저장하고, 이를 다시 D-A 변환기에서 아날로그 신호로 바꾸어 시스템의 압력을 조절하여 구속압 및 축차응력을 자동제어하는 원리로 작동한다. 또한 본 시험기는 등방, 비등방및 Ko 압밀을 수행하여 배수와 비배수조건으로 정적, 동적 전단을 유발시킬 수 있고 응력제어 및 변형율제어가가능하여 시료에 대한 다양한 조건의 거동을 분석할 수 있다.
- 본 연구에서는 전단시 발생하는 각 시료의 응력비 (stress ratio, M)로부터 마찰각을 결정하여 그림 13과 같이 고결정도 및 상대밀도에 따른 첨두마찰각(如, peak friction angle)으로 나타내었다. 이때 첨두마찰각이 나타나는 변형율은 고결된 시료의 항복이 발생하는 변형율과 거의 일치하는 것으로 나타났다.
- 95 이상의 간극수압계수(B value)를 확인하였다. 시료 포화 후 미고결 모래와 동일하게 200kPa 의 구속압으로 등방압밀시 킨 후 0.1%/min의 변형율 속도로 비배수 전단시험을 실시하였다.
- 97 이상이 되도록 하였다. 시료의 포화가 충분히 이루어진 상태에서 200kPa의 등방구속압을 가하여 압밀이 완료된 후, 0.1%/min의 변형율 속도로 비배수 전단시험(CIU)을 실시하였다.
- 조성된 시료는 10kPa의 구속압(cell pressure) 이 가해진 상태에서 이산화탄소로 포화된 탄산수를 7kPa의 압력으로 약 1시간정도 통과시켜 시료내의공기를 1차로 제거하였다. 시료의 포화를 위해 deaired water를 7kPa의 압력으로 통과시킨 후 10kPa의 유효응력 (effective pressure)을 유지시 키 면서 배압(back pressure)을 200kPa까지 증가시켜 간극수압계수(B value)가 0.97 이상이 되도록 하였다. 시료의 포화가 충분히 이루어진 상태에서 200kPa의 등방구속압을 가하여 압밀이 완료된 후, 0.
- 제작된 몰드는 횡방향 구속된 상재하중을 가한 상태에서 시료가 고결될 수 있도록 설계되었다. 원하는 중량의 모래시료와 모래중량비 5~20%에 해당하는 석고를 혼합한후 낙사법으로 직경 70mm, 높이 153mm의 시료를 조성하였다. 조성된 시료에 55kPa의 상재구속압을 가한 뒤, 시료의 하부에서 적정압으로 증류수를 주입하여 석고의 수화를 유도한다.
- 제작된 몰드는 횡방향 구속된 상재하중을 가한 상태에서 시료가 고결될 수 있도록 설계되었다. 원하는 중량의 모래시료와 모래중량비 5~20%에 해당하는 석고를 혼합한후 낙사법으로 직경 70mm, 높이 153mm의 시료를 조성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 모래는 부산 원해 욕지도 남단 50km지점에서 채취한 해사로써, 노건조시킨 후 #20체에 통과시켜 사용하였다. 시료의 물성치 및 입도곡선은 표 1, 그림 1과 같으며, 통일분류법(USCS)상 SP에 해당된다.
- 4의 능판상 또는 주상결정을 이루며 투명 또는 반투명을 나타낸다. 본 연구에서 고결유발제로 사용한 석고는 도자기형재용 석고(GM-10)로써, 습윤양생시 20MPa의 압축강도를 발현한다. 특히 양생시 팽창율이 0.
이론/모형
- 모래시료 조성용 원통형 몰드에 낙사법(pluviation method, Miura and Toki 1982)을 이용하여 상대밀도 25%, 40%, 60%인 미고결 시료를 직경 70mm, 높이 153mm 크기로 조성하였다. 조성된 시료는 10kPa의 구속압(cell pressure) 이 가해진 상태에서 이산화탄소로 포화된 탄산수를 7kPa의 압력으로 약 1시간정도 통과시켜 시료내의공기를 1차로 제거하였다.
성능/효과
- 그림 7(c)의 변형율에따른 간극수압 곡선에서 고결정도가 증가하여도 항복이 발생하기 이전의 간극수압 경향은 거의 일정하며 최대 간극수압도 비슷한 값을 나타내고 있다. 그러나 그림 8(c)와 같이 최대 간극수압을 항복강도로 정규화시켜나타냈을 경우, 고결정도가 증가할수록 입자의 결합력이 증가하여 가해지는 하중에 비해 간극수압 발생율이감소하였다. 따라서 고결정도가 증가할수록 전단시 유효응력은 전응력에 근접하게 되어, 그림 7(b)에서와 같이 유효응력 경로(effective stress path)가 오른쪽으로편향되는 현상이 발생한다.
- 전체적으로 상대밀도 및 고결정도의 증가에 의해 잔류마찰각이 증가하는 경향을 보였지만, 상대밀도의 변화보다는 고결정도의 변화가 잔류마찰각에 더 큰 영향을 주는 것으로 분석된다. 고결이 적게 유발된 시료(석고함유율 5%)는 상대적으로 고결유발제의 침전량이 적기 때문에 상대밀도에 관계없이 미고결 모래와 유사한 잔류마찰각을 나타내어 고결이 잔류상태 시료의 마찰각에 거의 영향을 주지 않지만, 석고함유율 10% 이상의 강한 고결이 발현된시료는 고결유발제가 입자 표면에 부착되어 입자와 입자사이의 마찰을 증가시켜 잔류마찰각이 뚜렷하게 증가하는 양상을 보였다.
- 그림 7의 고결정도에 따른 거동에서 미고결 모래는 뚜렷한 항복점이 나타나지 않지만, 고결된 모래는 항복점이 뚜렷하고, 항복시 급격한 취성파괴(bri비e failure) 양상을 보인다. 고결정도가 증가할수록 취성파괴 경향이 더욱 뚜렷지는데, 특히 석고함유량이 10%보다 큰 경우 그 경향이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 동일한 상대밀도의 시료일지라도 고 결정도에 따라 항복강도(yield strength)와 전단에 저항하는 강성 (stiffhess)에 큰 차이가 나타난다.
- 고결정도가 클수록 고결된 시료의 항복이후 거동은변형율 연화거동으로 나타나며, 반대로 고결정도가 작은 경우에는 변형율 경화거동으로 나타났다. 그러나 상대 밀도에 비해 고결정도가 작을지라도 고결 유발제가 시료의 공극을 충분히 채울 경우 변형율 연화거동이 나타나기도 한다.
- 그러나 상대 밀도에 비해 고결정도가 작을지라도 고결 유발제가 시료의 공극을 충분히 채울 경우 변형율 연화거동이 나타나기도 한다. 또한 고결유발제가 모래 입자의 접촉점 사이나 입자 표면에 부착되어 모래의 잔류마찰각이 증가하였으며, 상대밀도보다 고결정도에 의한 잔류마찰각의 증가 경향이 더 뚜렷하였다.
- 또한 그림 11과 같이 상대밀도 25%와 석고함유율 5%인시료를 기준으로 상대밀도 및 고결정도의 증가율에 따른 항복시 축차응력과 할선탄성계수의 증가율을 비교한 결과, 상대밀도가 25%에서 40%로 L6배 증가할 경우 1.35 ~ 1.57배, 60%로 2.4배 증가할 경우 1.74 ~2.4배의 항복강도가 증가하였다. 반면 석고함유율이 5%에서 10%로 2배 증가할 경우 1.
- 즉 고결정도가 증가할수록 항복시 축차응력 및 할선탄성계수의 증가율이 크게 나타나고, 유효응력 경로가 점점 전응력 경로에 근접하여 나타났지만, 동일한 고결정도에서는 상대밀도가 할선탄성계수에 미치는 영향은 상대적으로 적으며, 항복전 유효응력 경로의 기울기도 거의 동일하게 나타났다. 또한 모래의 첨두마찰각이고결정도와 상대밀도에 따라 증가하는 경향을 보였는데, 상대밀도에 비해 고결정도가 모래의 첨두마찰각에끼치는 영향이 더 크게 나타났다.
- 또한 본 연구에서는 고결정도 및 상대밀도에 따른 유효응력 경로를 비교하여 고결정도가 상대밀도보다 고결된 모래의 거동에 더 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 그림 7(b)의 고결정도에 따른 유효응력 경로에서는고결정도가 증가할수록 유효응력 경로가 뚜렷이 전응력 경로 쪽으로 편향되지만, 그림 9(b)의 상대밀도에 따른 석고함유율 10% 시료의 유효응력 경로에서는 상대밀도가 증가하여도 항복이전 유효응력 경로의 초기 기울기가 거의 일정한 것을 볼 수 있다.
- 그림 12의 상대밀도 25%인고결모래의 응력-변형율 곡선에서 고결정도가 증가할수록 변형율 연화경향이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 축변형율이 증가함에 따라 축차응력이 미고결 모래의 축차응력과 유사한 값으로 점근하는 것으로 나타났는데, 상대밀도 40%, 60%의 고결된 모래도 동일한 경향을 보였다. 그러나, 석고함유율 10%인 고결모래의 응력 -변형율 곡선을 통해 상대밀도가 증가할수록 변형율 경화 경향이 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 그림 2에 나타난 전자주사현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy)을 통한 관찰결과 모래입자는 비교적 둥근 형상을 나타내지만 입자표면은 거칠게 형성되어 있고, 이물질에 의한 첨착은 없지만 다량의 패각(조개껍데기)이 포함되어 있는 것이 확인되었다. 또한 표 2의 성분분석(XRF)결과 보통의 육지 모래에서는 검출되지 않는 CaO 성분이 검출되었고, SiO2 함유량이 큰실리카질 모래(silica sand) 인 것으로 나타났다.
- 7°, 1.5。로써, 상대밀도의 증가에 의해 완만한 첨두마찰각 증가경향을 보였다 즉 고결정도와 상대밀도의 증가는 고결된 모래의 첨두마찰각의 증가에 영향을 주지만 상대밀도보다는 고결에 의한 영향이 더 크며, 이는 고결된 모래의 일반적인 거동 양상과 일치한다.
- 상대밀도에 비해 고결정도가 큰 모래일수록 변형율연화거동이 지배적으로 발생하지만, 석고함유율 15%이고 상대밀도 40%인 시료는 변형율 경화거동이, 반대로석고함유율 15%이고 상대밀도가 더 큰 60% 시료는 변형율 연화거동이 발생하여 다른 거동을 나타내었다. 이는 상대밀도 60% 시료의 경우, 다량의 석고 침전물이모래입자의 공극을 채워 고결결합이 파괴되면서 급격한 전단파괴면(shear plane)이 형성되어 미끄러짐이 발생했기 때문인 것으로 판단된다.
- 일반적으로 고결정도가 증가할수록 모래의 항복강도및 강성이 증가하고 항복시 취성파괴 거동이 뚜렷하였으며, 또한 고결된 모래의 항복이전 거동은 상대밀도보다는 고결정도에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 확인되었다. 즉 고결정도가 증가할수록 항복시 축차응력 및 할선탄성계수의 증가율이 크게 나타나고, 유효응력 경로가 점점 전응력 경로에 근접하여 나타났지만, 동일한 고결정도에서는 상대밀도가 할선탄성계수에 미치는 영향은 상대적으로 적으며, 항복전 유효응력 경로의 기울기도 거의 동일하게 나타났다.
- 9。의 잔류마찰각이 증가하였는데, 상대밀도의 증가에 의해 동일한 고결정도로도 좀더 효율적인 고결이 발생하였기 때문으로 판단된다. 전체적으로 상대밀도 및 고결정도의 증가에 의해 잔류마찰각이 증가하는 경향을 보였지만, 상대밀도의 변화보다는 고결정도의 변화가 잔류마찰각에 더 큰 영향을 주는 것으로 분석된다. 고결이 적게 유발된 시료(석고함유율 5%)는 상대적으로 고결유발제의 침전량이 적기 때문에 상대밀도에 관계없이 미고결 모래와 유사한 잔류마찰각을 나타내어 고결이 잔류상태 시료의 마찰각에 거의 영향을 주지 않지만, 석고함유율 10% 이상의 강한 고결이 발현된시료는 고결유발제가 입자 표면에 부착되어 입자와 입자사이의 마찰을 증가시켜 잔류마찰각이 뚜렷하게 증가하는 양상을 보였다.
- 9~3.2。정도 증가하여 동일한 상대밀도일지라도 고결정도에 따른 잔류마찰각 증가경향이 나타났다. 또한 석고함유율 5% 시료는 25-40% 상대밀도에서 평균 34.
- 즉 고결정도가 증가할수록 항복시 축차응력 및 할선탄성계수의 증가율이 크게 나타나고, 유효응력 경로가 점점 전응력 경로에 근접하여 나타났지만, 동일한 고결정도에서는 상대밀도가 할선탄성계수에 미치는 영향은 상대적으로 적으며, 항복전 유효응력 경로의 기울기도 거의 동일하게 나타났다. 또한 모래의 첨두마찰각이고결정도와 상대밀도에 따라 증가하는 경향을 보였는데, 상대밀도에 비해 고결정도가 모래의 첨두마찰각에끼치는 영향이 더 크게 나타났다.
- 동일한 고결정도일지라도 상대밀도가 다르면 항복 이후 거동 양상은 뚜렷하게 구분됨을 그림 9를 통해 확인할 수 있다. 즉 상대밀도가 증가할수록 고결모래의 항복강도가 증가함에도 불구하고, 항복이전에는 동일한 간극수압 발생 경향을 보이며, 항복이 발생한 이후에는 상대 밀도가 클수록 더 큰 간극수압 감소경향을 나타내었는데, 이 같은 경향은 모래의 일반적인 비배수 거동과 일치한다.
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