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문제 정의
- 본 논문에서는 전단파를 이용한 지반 특성 파악의 적용을 다루었다. 본 연구에서의 전단파는 모두 벤더 엘 리먼트를 이용하여 발생 및 수신시키는 방식이 이용되었다.
가설 설정
- 우선 픽셀을 이용한 토모그래피 이미지는 직측선 (straight ray)이 가정되었으며, 최소제곱해에 라플라시안 스 무딩 (laplacian smoot仕ing)을 기초한 regularization 행렬을 계산하였다. Regularization 계수는 오차와 픽셀에서의 최대 및 최소값에서의 경향을 고려하여 산정된다.
제안 방법
- (2) 간극률, 전단파 속도와 압밀 하중 곡선에서 구속 응 력에 의한 응력 이력 현상을 확인하였다. 압밀 하중의 제하 시 전단파 속도는 수평방향 응력 구속 현상 으로 재하 시 동일한 크기의 압밀 응력에서의 전단 파 속도보다 더 크다.
- 타격에 의해 시편은 액상화가 유발되었으며, 각 타격 간 시간은 과잉간극수압의 소산과 침하를 고려하여 2분 이상으로 유지하였다. 가속도, 침하, 전기비저항, 간극 수압 전단파 속도와 크기를 측정하였다.
- 본 토모 그래피에서는 그림 13과 같이 각 기등에 8개의 벤더 엘 리먼트를 적용하였다. 강사법으로 모래 지반을 형성하 면서 팽창할 수 있는 튜브(초기 직경 35mm)를 지반에 설치한 후 튜브에 외부에서보다 더 큰 압력을 가한 후 압력 크기와 튜브 위치를 산정하는 토모그래피를 수행하였다. 이와 같은 시험은 터널, 현장 시험에서 사용되는 관입기(penetrometer), 말뚝 등을 모델링한 것으로 볼 수 있다.
- 낮은 전단파 속도 구간(low velocity inclusion)고} 높은 압력 지역(high pressure zone)을 토모그래피를 이용하여 해석하였다.
- 해성 점토를 이용하여 압밀 시험을 수행하면서 전단 파 속도를 측정하였다. 다음 단계의 하중 재하 기준을 결정하기 위하여 다이얼 게이지의 침하량과 전단파 속 도(유효응력)를 이용하였다. 그림 2에서와 같이 유효응 력은 하중 재하 후 240분 후 일정해지지만, 침하는 240 분 이후에도 계속 발생하고 있음을 알 수 있다.
- 두께가 3mml인 아크릴 판을 프레임 크기로 절단하고, 그림 11(a)와 같이 벤더 엘리먼트 위에 올려 놓고 토모 그래피를 수행하였다. 얇은 판이므로 전단파 대신 Lamb 파가 이용되었지만 원리는 동일하다.
- 첫 째, 벤더 엘리먼트가 많이 적용되고 있는 압밀시험에서 전단파 속도로 하중의 재하 및 제하시기 결정법을 다루 었으며, 벤더 엘리먼트로 산정된 전단파 속도를 이용하여 응력 이력을 평가하는 방법을 소개하였다. 둘째, 벤 더 엘리먼트를 이용하여 토모그래피를 수행할 경우, 이에 대한 여러가지 고려 사항과 적용 방법을 설명하였다. 마지막으로, 토모그래피가 수행되기 어려운 액상화 와 같은 현상을 관측하기 위해 새로 고안된 방법 중에 하나인 전단파 트랜스-일루미네이션을 구현하였다.
- 타격 동안과 타격 후 흙의 반응은 전단파 트랜스-일루미 네이션 기법과 다른 보완적인 방법을 이용하여 측정하였다. 또한 3개소에 설치된 가속도계를 이용하여 탱크 에 가해진 가속도를 측정하였다.
- 둘째, 벤 더 엘리먼트를 이용하여 토모그래피를 수행할 경우, 이에 대한 여러가지 고려 사항과 적용 방법을 설명하였다. 마지막으로, 토모그래피가 수행되기 어려운 액상화 와 같은 현상을 관측하기 위해 새로 고안된 방법 중에 하나인 전단파 트랜스-일루미네이션을 구현하였다.
- 매 타격마다 약 1.6초간 전단파를 측정하였다. 입력파 는 구형파가 이용되었으며 구형파는 신호 간섭을 고려하여 주기를 약 14ms로 결정하였으며 각 주기당 2번의 전단파를 측정할 수 있어 매 타격당 약 210회의 전단파 를 측정하였다.
- 모래와 점토를 벤더엘리먼트가 장착된 압밀 장비를 이용하여 압밀 시험을 수행하면서 전단파 속도를 측정하여 과잉간극수압의 소산을 고려하였으며, 이를 이용하여 하 중 재하 및 제하 시기를 결정하는 법을 제시하였다.
- 모래와 점토를 이용하여 압밀 시험을 수행하면서 전 단파 속도를 측정하여 선행 상재하중을 평가하였다.
- 본 논문에서는 전단파를 이용한 지반 특성 파악에 대한 적용으로써 크게 세 가지 적용 분야를 다루었다. 첫 째, 벤더 엘리먼트가 많이 적용되고 있는 압밀시험에서 전단파 속도로 하중의 재하 및 제하시기 결정법을 다루 었으며, 벤더 엘리먼트로 산정된 전단파 속도를 이용하여 응력 이력을 평가하는 방법을 소개하였다.
- 서해안 지역에서 채취한 비교란 점토시료를 이용하여 압밀 시험을 수행하면서 전단파 속도를 측정하였다. 그림 4는 압밀 시험 시 각 하중 단계에서 24시간 경과후 측정한 전단파 형상을 보여주고 있다.
- 액상화를 유발시키기 위해서 무게 4.4N추를 길이 540mm 막대에 연결한 후 35도 각도에서 자유 낙하시켜 탱크의 바닥을 타격하였다. 이 방법을 적용할 경우 다중 액상화를 동일한 에너지를 이용하여 유발시킬 수 있다.
- 아크릴 판에서 P 파의 속도는 2630m/s이고 S파의 속도는 1370m/s이고, 주파수가 9kHz정도이므로 Lamb 파의 속도는 625m/s로 산정된다(Achenbach 1973; Graff 1975). 우선 구멍이 없는 균질한 판으로 보정 실험을 실시한 후, 반경 52mm 의 구멍을 뚫어 낮은 전단파 속도 구간 을 인위적으로 제작하였다. 프레임 통해서 전파되는 진동을 최소화 시 키기 위하여 입력파로 단일정현파가 적용되었다.
- 발신용 벤더 엘리먼트에서 발생된 파는 프레임을 통하여 전파된 후 수신용 벤더 엘리먼트에서 측정될 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 구리로 제작된 볼트, 고무를 섞은 에폭시, 0-링과 와셔를 병행한 나일 론 볼트 등과 같은 여러가지 방법을 적용하였다. 측정된 신호는 그림 9에 나타내었다.
- 6초간 전단파를 측정하였다. 입력파 는 구형파가 이용되었으며 구형파는 신호 간섭을 고려하여 주기를 약 14ms로 결정하였으며 각 주기당 2번의 전단파를 측정할 수 있어 매 타격당 약 210회의 전단파 를 측정하였다. 바닥에 설치된 벤더 엘리먼트에 의해 측 정된 전단파의 스냅 사진(snapshot)을 그림 16에 나타내었다.
- 본 논문에서는 전단파를 이용한 지반 특성 파악에 대한 적용으로써 크게 세 가지 적용 분야를 다루었다. 첫 째, 벤더 엘리먼트가 많이 적용되고 있는 압밀시험에서 전단파 속도로 하중의 재하 및 제하시기 결정법을 다루 었으며, 벤더 엘리먼트로 산정된 전단파 속도를 이용하여 응력 이력을 평가하는 방법을 소개하였다. 둘째, 벤 더 엘리먼트를 이용하여 토모그래피를 수행할 경우, 이에 대한 여러가지 고려 사항과 적용 방법을 설명하였다.
- 이 방법을 적용할 경우 다중 액상화를 동일한 에너지를 이용하여 유발시킬 수 있다. 타격 동안과 타격 후 흙의 반응은 전단파 트랜스-일루미 네이션 기법과 다른 보완적인 방법을 이용하여 측정하였다. 또한 3개소에 설치된 가속도계를 이용하여 탱크 에 가해진 가속도를 측정하였다.
- 우선 구멍이 없는 균질한 판으로 보정 실험을 실시한 후, 반경 52mm 의 구멍을 뚫어 낮은 전단파 속도 구간 을 인위적으로 제작하였다. 프레임 통해서 전파되는 진동을 최소화 시 키기 위하여 입력파로 단일정현파가 적용되었다.
- 해성 점토를 이용하여 압밀 시험을 수행하면서 전단 파 속도를 측정하였다. 다음 단계의 하중 재하 기준을 결정하기 위하여 다이얼 게이지의 침하량과 전단파 속 도(유효응력)를 이용하였다.
대상 데이터
- 그림 13(a)과 같이 세 방향에서의 응력 조절이 가능한 진삼축상자를 이용하였다. 경계면 응력은 상자의 벽면 에 붙여 있는 블레이더 (bladder)로 조절하였다.
- 그러나 벤더 엘리먼트의 간격은 파의 이동 시간과 프레임 크기를 고려하여 결정되어야 한다. 본 연구에 사용된 프레임은 그림 8과 같으며 크로스홀 형상에서 벤 더 엘리먼트 끝단 간의 거리는 약 263mm, 벤더 엘리먼 트의 중심 간 이격 거리는 45mm이다. 보어 홀 형상에서 토모그래피를 구현하기 위하여 하부 프레임에도 벤더 엘리먼트를 설치하였다.
- 전단파 트랜스-일루미네이션 장비는 1g상태의 일차 원(1D) 액상화에서 평가되었다. 실험은 원형 실린더 탱 크(직경 170mm, 높이 270mm)에 그림 14와 같이 다섯층의 벤더 엘리먼트를 설치하여 실시하였다. 벤더 엘리 먼트의 형상은 토모그래피의 크로스홀과 동일하나, 발 신용 벤더 엘리먼트를 동시에 작동시켜 평면파를 발생 시킨 후, 흙을 통해서 전파된 전단파를 각각의 벤더 엘 리먼트를 통하여 측정하는 것이 토모그래피와 상이하 다.
데이터처리
- 전단파 속도에 대한 시간에 따른 전개를 그림 17에 나타내었다. Cross-correlation를 통해서 전단파의 속도 와 크기를 산정하였다. 전단파 속도는 시료 위보다 바닥 면에서 빨리 복원되며 이것은 solidification fieont의 상향 이동을 보여주는 것이다.
이론/모형
- (5) 전단파 속도를 이용하여 액상화 같은 현상 관측법 으로 전단파 트랜스-일루미네이션을 적용하였다. 전단파 속도와 크기의 감쇠는 액상화 동안 과잉간 극수압의 경향과 평행함을 알 수 있었다.
- 벤더 엘리 먼트의 형상은 토모그래피의 크로스홀과 동일하나, 발 신용 벤더 엘리먼트를 동시에 작동시켜 평면파를 발생 시킨 후, 흙을 통해서 전파된 전단파를 각각의 벤더 엘 리먼트를 통하여 측정하는 것이 토모그래피와 상이하 다. 모래 시료는 물 속에서 강사법을 적용하여 조성하였다.
- 본 논문에서는 전단파를 이용한 지반 특성 파악의 적용을 다루었다. 본 연구에서의 전단파는 모두 벤더 엘 리먼트를 이용하여 발생 및 수신시키는 방식이 이용되었다. 여러가지 적용의 예로써, 압밀시험 중 하중의 재 하 및 제하시기 결정, 응력이력 평가, 낮은 구속응력상태 와 높은 구속응력상태에서의 토모그래피, 그리고 토모 그래피를 적용할 수 없는 현상의 모니터링 수행할 때 적 용할 수 있는 전단파 트랜스-일루미네이션에 대하여 다 루었다.
성능/효과
- (1) 압밀 시험 시 모래 입자의 형상이 둥근 경우 하중 재하 후 1분이 경과하면 전단파 속도는 거의 일정하 게 산정되었으나, 각진 모래의 경우 시간이 약 3분 정도 더 소요되는 것으로 나타났다. 따라서 모래의 경우 입자형상에 따라 하중 재하 및 제하시기를 달 리하여야 한다.
- (3) 압밀 시험을 통하여 선행압밀하중을 산정할 경우, 전단파 속도(유효응력)로부터 산정한 값과 침하 량(간극률)으로부터 산정한 값은 비슷하지만 전 단파를 이용할 경우 fabric 변화를 감지하므로 침 하량에 의한 선행압밀하중보다 약간 작은 값을 산 정한다.
- 그림 5에서와 같이 전단파 속도를 이용하면, 고결화 제어 구 간(cemented controlled regime)과 응력 제어 구간(stress controlled regime)을 구별할 수 있다(Fernandez and Santamarina 2001). 본 논문에 적용된 공시체의 경우, 전 단파 속도로 약 50kPa를 기준으로 두 가지 영역을 구분 할 수 있으나 침하량에 따른 Casagrande 방법에 의해서 는 그림 6에서와 같이 선행압밀하중은 약 60kPa인 것으로 계산되었다. 두 방법에서 비슷한 선행압밀하중이 산 정되었으나 전단파로 산정한 방법이 약간 작게 산정되었다.
- (5) 전단파 속도를 이용하여 액상화 같은 현상 관측법 으로 전단파 트랜스-일루미네이션을 적용하였다. 전단파 속도와 크기의 감쇠는 액상화 동안 과잉간 극수압의 경향과 평행함을 알 수 있었다.
- 그림 3에 나타난 바와 같이 간극률 및 전단파 속도와 압밀 흐}중 곡선에서 수평방향 응력 구속에 의한 응력 이력 현상을 확인할 수 있다. 즉, 압밀 하중의 제하 시 전단파 속도는 수평방향 응력 구속 현상으로 재하 시 동일한 크기의 수직유효응력에 서의 전단파 속도보다 더 큼을 알 수 있다.
- 타격 횟수가 증가함에 따라 전단파의 속도가 증가하며 그림 19에서와 같이 타격회수 128회 이후 전단파의 속도는 액상화 실험을 실시하기 이전보다 약 50-70% 정도 증가하였다. 한편 간극률은 약 16~21% 정도 감소 하였다.
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