고로 수쇄슬래그는 선철의 제철과정에서 생산되는 부산물로서 자연 해성모래와 유사한 입자형상을 가지고 경량이며 큰 전단강도와 투수성을 나타낸다. 특히, 고로 수쇄슬래그는 시간경과와 더불어 경화하는 잠재수경성을 가진다. 따라서 고로 수쇄슬래그가 안벽이나 옹벽의 뒷채움 재료로 사용 되어졌을 때, 경화에 의한 전단강도의 증가로 토압감소가 기대되며, 결과적으로 항만구조물의 건설비용이 감소하게 된다. 본 연구에서는 모형토조를 이용하여 고로 수쇄슬래그와 Toyoura sand에 대해 토압, 벽 마찰력, 가동벽체 표면에서의 토압분포를 측정하는 모형실험을 실시하였다. 실험에서 상대밀도는 25%, 55% 및 70%로 설정하였으며 벽체는 저점을 중심으로 주동 및 수동토압측으로 회전시켰다. 벽체 상부에서의 최대 수평변위는 ${\pm}2mm$로 설정하였다. 모형실험 결과, 고로 수쇄슬래그에서 얻어진 주동토압이 Toyoura sand보다 작음을 알았다.
고로 수쇄슬래그는 선철의 제철과정에서 생산되는 부산물로서 자연 해성모래와 유사한 입자형상을 가지고 경량이며 큰 전단강도와 투수성을 나타낸다. 특히, 고로 수쇄슬래그는 시간경과와 더불어 경화하는 잠재수경성을 가진다. 따라서 고로 수쇄슬래그가 안벽이나 옹벽의 뒷채움 재료로 사용 되어졌을 때, 경화에 의한 전단강도의 증가로 토압감소가 기대되며, 결과적으로 항만구조물의 건설비용이 감소하게 된다. 본 연구에서는 모형토조를 이용하여 고로 수쇄슬래그와 Toyoura sand에 대해 토압, 벽 마찰력, 가동벽체 표면에서의 토압분포를 측정하는 모형실험을 실시하였다. 실험에서 상대밀도는 25%, 55% 및 70%로 설정하였으며 벽체는 저점을 중심으로 주동 및 수동토압측으로 회전시켰다. 벽체 상부에서의 최대 수평변위는 ${\pm}2mm$로 설정하였다. 모형실험 결과, 고로 수쇄슬래그에서 얻어진 주동토압이 Toyoura sand보다 작음을 알았다.
Granulated Blast Furnace Slag (GBFS) is produced in the manufacture process of pig-iron and shows a similar particle formation to that of natural sea sand and also shows light weight, high shear strength, well permeability, and especially has a latent hydraulic property by which GBFS is solidified w...
Granulated Blast Furnace Slag (GBFS) is produced in the manufacture process of pig-iron and shows a similar particle formation to that of natural sea sand and also shows light weight, high shear strength, well permeability, and especially has a latent hydraulic property by which GBFS is solidified with time. Therefore, when GBFS is used as a backfill material of quay or retaining walls, the increase of shear strength induced by the hardening is presumed to reduce the earth pressure and consequently the construction cost of harbor structures decreases. In this study, using the model sand box (50 cm$\times$50 cm$\times$100 cm), the model wall tests were carried out on GBFS and Toyoura standard sand, in which the resultant earth pressure, a wall friction and the earth pressure distribution at the movable wall surface were measured. In the tests, the relative density was set as Dr=25, 55 and 70% and the wall was rotated at the bottom to the active earth pressure side and followed by the passive side. The maximum horizontal displacement at the top of the wall was set as ${\pm}2mm$. By these model test results, it is clarified that the resultant earth pressure obtained by using GBFS is smaller than that of Toyoura sand, especially in the active-earth pressure.
Granulated Blast Furnace Slag (GBFS) is produced in the manufacture process of pig-iron and shows a similar particle formation to that of natural sea sand and also shows light weight, high shear strength, well permeability, and especially has a latent hydraulic property by which GBFS is solidified with time. Therefore, when GBFS is used as a backfill material of quay or retaining walls, the increase of shear strength induced by the hardening is presumed to reduce the earth pressure and consequently the construction cost of harbor structures decreases. In this study, using the model sand box (50 cm$\times$50 cm$\times$100 cm), the model wall tests were carried out on GBFS and Toyoura standard sand, in which the resultant earth pressure, a wall friction and the earth pressure distribution at the movable wall surface were measured. In the tests, the relative density was set as Dr=25, 55 and 70% and the wall was rotated at the bottom to the active earth pressure side and followed by the passive side. The maximum horizontal displacement at the top of the wall was set as ${\pm}2mm$. By these model test results, it is clarified that the resultant earth pressure obtained by using GBFS is smaller than that of Toyoura sand, especially in the active-earth pressure.
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문제 정의
본 연구는 고로 수 쇄 슬래그를 옹벽이나 안벽의 뒷 채움재로 사용하였을 때의 토압 경감효과를 명확히 하기 위하여 모형토조를 이용한 정적.지진 시 및 습윤상태에 대한 토압 모형실험을 수행하고, 그 결과를 일본의 표준 사인 Toyoura sand와 비교.
본 연구에서는 미 경화 상태의 고로 수 쇄 슬래그와 일본의 표준모래인 Toyoura sand에 대해 정적 및 지진 시 의 토압 및 습윤상태에서의 정적토압과 벽체 변위의 관계를 명확히 밝히고자 한다. 이를 위해 실험으로 정적 및 지진 시의 주동토압을 측정하기 위해 저점을 힌지로 한 벽체의 상부를 주동 및 수동 측으로 ±2mm 변위 시의 토압 및 벽면 마찰력의 변화를 4회 반복하여 측정하였다(-부호가 주동, +부호가 수동 측).
또한, 수동 측의 토압은 변위 사이클의 증가와 더불어 증가함을 알 수 있다. 본 연구에서는 토압 계 용량의 제한으로 극한 상태에 도달한 후의 수동토압은 계측이 불가능하였으나 수동 측으로 변위를 증가 시 키면 일정한 값의 수동토압이 얻어지리라 판단된다.
제안 방법
본 연구에서 수행한 건조상태의 정적 및 지진 시 토압 실험의 시험 조건은 Table 2와 같다. 공기 건조 상태의 고로 수 쇄 슬래그 및 Toyoura sand의 모형지반의 조성은 전체 토 조 높이가 50cm이므로 층당 5cm씩 총 10층으로 나누어 각 층에 대하여 실험 조건에서 설정한 소정의 상대 밀도가 얻어지도록 양을 조절하여 다짐을 행하였다. 모형지반 조성을 위한 다짐은, 시험 전에 토조의 50cm 높이를 10층으로 분할하여 Table 2에 나타낸 재료 투입량을 10으로 나누어 상대 밀도가 낮은 고로 수 쇄 슬래그의 15%, 25% 및 Toyoura sand의 25%에 대해서는 공중낙하법에 의해 각각 5cm마다 소정의 투입량을 확인하고, 상 대밀 도가 높은 조건에 대해서는 170mmxi24.
다음으로 지진 시 토압과 벽체 변위와의 관계를 알아보기 위하여 모형토조에 시료를 다져 넣은 후, 소정의 수평 진도가 얻어지도록 토조를 경사시킨 후에 모형실험을 실시한 결과를 나타낸다. Fig.
이를 위해 실험으로 정적 및 지진 시의 주동토압을 측정하기 위해 저점을 힌지로 한 벽체의 상부를 주동 및 수동 측으로 ±2mm 변위 시의 토압 및 벽면 마찰력의 변화를 4회 반복하여 측정하였다(-부호가 주동, +부호가 수동 측). 또한 이들 실험 결과를 Toyoura sand를 이용한 실험 결과와 비교하여 옹벽이나 안벽의 뒷채움 재료로서 고로 수 쇄 슬래그를 이용한 경우의 토압 경감 효과에 대한 실험을 실시하였다.
공기 건조 상태의 고로 수 쇄 슬래그 및 Toyoura sand의 모형지반의 조성은 전체 토 조 높이가 50cm이므로 층당 5cm씩 총 10층으로 나누어 각 층에 대하여 실험 조건에서 설정한 소정의 상대 밀도가 얻어지도록 양을 조절하여 다짐을 행하였다. 모형지반 조성을 위한 다짐은, 시험 전에 토조의 50cm 높이를 10층으로 분할하여 Table 2에 나타낸 재료 투입량을 10으로 나누어 상대 밀도가 낮은 고로 수 쇄 슬래그의 15%, 25% 및 Toyoura sand의 25%에 대해서는 공중낙하법에 의해 각각 5cm마다 소정의 투입량을 확인하고, 상 대밀 도가 높은 조건에 대해서는 170mmxi24.7mm(2.512kg)의 사각형 중추를 이용하여 다짐을 행하고 각 층마다 투입량을 확인하여 소정의 상대 밀도로 조성하였다. Toyoura sand의 다짐 후의 평균 건조 단위체 적중량은 상대 밀도 25, 55%에.
본 연구에서는 미 경화 상태의 고로 수 쇄 슬래그와 일본의 표준모래인 Toyoura sand에 대해 정적 및 지진 시 의 토압 및 습윤상태에서의 정적토압과 벽체 변위의 관계를 명확히 밝히고자 한다. 이를 위해 실험으로 정적 및 지진 시의 주동토압을 측정하기 위해 저점을 힌지로 한 벽체의 상부를 주동 및 수동 측으로 ±2mm 변위 시의 토압 및 벽면 마찰력의 변화를 4회 반복하여 측정하였다(-부호가 주동, +부호가 수동 측). 또한 이들 실험 결과를 Toyoura sand를 이용한 실험 결과와 비교하여 옹벽이나 안벽의 뒷채움 재료로서 고로 수 쇄 슬래그를 이용한 경우의 토압 경감 효과에 대한 실험을 실시하였다.
본 연구는 고로 수 쇄 슬래그를 옹벽이나 안벽의 뒷 채움재로 사용하였을 때의 토압 경감효과를 명확히 하기 위하여 모형토조를 이용한 정적.지진 시 및 습윤상태에 대한 토압 모형실험을 수행하고, 그 결과를 일본의 표준 사인 Toyoura sand와 비교. 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
61kg) 을 10 등분으로 분할한 각 고로 수 쇄 슬래그에 대해 표에 나타낸 함수비에 해당하는 증류 수량을 10으로 나누어 각 분할 슬래그 시료에 투입하여 일정하게 되도록 섞은 후, 젖은 천으로 증발을 방지한 상태로 4시간 이상 방치 후, 건조상태와 같은 방법으로 토조를 조성하였다. 지진 시의 토압시험은 Mononobe(1952)와 Okabe(1924)가 제안한 옹벽 벽체와 뒷 채움재가 중력과 지진력에 의해서 발생하는 합성력에 대한 경사 a만큼 옹벽의 전면으로 기울어진 상태를 고려하여 수평 진도 kh=0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.3에 대해서 수행하였다. 본 연구에서 수직 진도 kv는 고려하지 않았으며 지 진시의 토압 개념도를 Fig.
또한, 고로 수 쇄 슬래그를 대상으로 수행한 습윤상태의 정적 토압실험(白元珍 등 2006)의 시험 조건을 Table 3에 나타내었다. 표에 나타낸 함수비 상태를 유지하기 위하여 상대 밀도 25%에 해당하는 슬래그량(273.61kg) 을 10 등분으로 분할한 각 고로 수 쇄 슬래그에 대해 표에 나타낸 함수비에 해당하는 증류 수량을 10으로 나누어 각 분할 슬래그 시료에 투입하여 일정하게 되도록 섞은 후, 젖은 천으로 증발을 방지한 상태로 4시간 이상 방치 후, 건조상태와 같은 방법으로 토조를 조성하였다. 지진 시의 토압시험은 Mononobe(1952)와 Okabe(1924)가 제안한 옹벽 벽체와 뒷 채움재가 중력과 지진력에 의해서 발생하는 합성력에 대한 경사 a만큼 옹벽의 전면으로 기울어진 상태를 고려하여 수평 진도 kh=0.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 시료는 입도를 조정한 고로 수 쇄 슬래그(건조 상태에서 2mm 체를 통과한 시료, 2004년 출하)와 Toyoura sand이며, 밀도시험(JIS A1202:1999), 최대.최소 간극비 시험(JIS A1224:2000) 및 정적 삼 축 압축시험의 결과를 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
(1) 고로 수 쇄 슬래그는 벽체의 변위 사이클의 증가와 더불어 주동 측의 토압합력의 감소가 나타났다. 이는 벽체의 변위 사이클이 주동 측(-2mm)으로 변위— 원점-수동 측(+2mm)-원점으로의 사이클의 반복 과정에서 가동 벽체 부근의 입자의 다짐효과에 의한 내부마찰각의 증가에 기인한 것으로 사료된다.
(2) 고로 수 쇄 슬래그의 주동 및 수동토압은 Toyoura sand보다 작게 나타났다. 이는 고로 수 쇄 슬래그의 큰 내부마찰각과 입자 형상 및 입자 내부에 포함된 기포에 의한 경량성에 의해 토압이 감소한 것으로 판단된다.
(3) 고로 수 쇄 슬래그의 벽면 마찰력은 큰 내부마찰각과 입자 형상에 기인한 입자 사이의 인터록킹 효과에 의해 Toyoura sand보다 큰 값을 나타낸다.
(4) 고로 수 쇄 슬래그 및 Toyoura sand에서의 상대 밀도 의 증가에 따른 주동토압의 변화는 고로 수 쇄 슬래 그의 상대 밀도 70%를 제외하고는 거의 나타나지 않았으며, 이는 상대 밀도의 증가에 의한 단위체적중 량의 증가보다 내부마찰각의 증가로 인한 토압감소의 영향이 크기 때문으로 판단된다.
(5) 수평 진도의 증가와 함께 주동 측의 토압의 합력은 직선적으로 증가하며, 지진 시의 주동토압에 있어서도 고로 수 쇄 슬래그가 Toyoura sand보다 적게 나타난다. 이는 고로 수 쇄 슬래그가 토압 경감효과가 충분히 있음을 나타낸다.
(6) 습윤상태에 대한 고로 수 쇄 슬래그의 토압실험 결과, 함수비 5%에서 겉보기 점착력의 생성으로 인해 토 압합력이 감소한 것으로 판단된다.
이는 토조에 작용하는 관성력의 증가에 의한 수평력의 증가에 기인한다. 또한, 수평 진도 kh=0.2와 0.3에 대해서는 변위 사이클에 관계없이 일정한 루프를 형성하고 있음을 알 수 있으며, Toyoura sand에 대해서도 동일한 결과가 얻어졌다.
8mm 벽체가 변위를 일으킨 후에 토압은 거의 일정한 값을 나타내고 있으며, 벽체가 주동상태 로 고려되어지는 토압이 얻어졌다. 또한, 주동토압은 변 위 사이클의 증가에 따른 차이는 극히 적으며, 변위 사이클 제1 사이클에서 의상 대밀도에 따른 차이는 Dr=28%에서 0.326kN/m, Dr=54%에서 0.334kN/m로서 미소하며, 이는 상대 밀도의 증가(제1 사이클 종료후의 토조 상부표 면의 가동 벽체 근방에서의 침하로부터 확인)에 따른 내 부 마찰각의 증가에 기인한 것으로 사료된다. 또한, 수동 측의 토압은 변위 사이클의 증가와 더불어 증가함을 알 수 있다.
8mm 정도 벽체 변위가 일어난 후에 토압은 거의 일정한 값을 나타내고 있으며, 벽체가 주동 상태로 고려되어지는 토 압이 얻어졌다. 또한, 주동토압은 변위 사이클의 증가에 따른 차이는 극히 적으며, 변위 사이클 제1 사이클에서 의 상대 밀도에 따른 차이는 Dr=28%에서 0.224kN/m, Dr=54%에서 0.228kN/m로서 미소하며, 이는 상대 밀도 의 증가에 따른 내부마찰각의 증가에 기인한 것으로 사료된다. 또한, 주동토압이 상대 밀도의 변화에 따른 단위 체적중량의 증가에도 불구하고 토압의 차이가 미소한 이유로서는 상대 밀도가 증가함에 따른 내부마찰각의 증가로 토압이 감소되 었기 때문으로 판단된다.
9는 이에 대한 일례로서 고로 수 쇄 슬래그에 대한 상대 밀도가 55(±2)%인 경우 지진 시의 실험 결과를 나타낸 것이다. 본 토조시험 결과로부터 수평 진도의 증가와 더불어 큰 주동토압이 얻어짐을 알 수 있다. 이는 토조에 작용하는 관성력의 증가에 의한 수평력의 증가에 기인한다.
후속연구
12(b)로부터 직선 근사시킨 선형관계에서 수평 진도에 따른 증가량이 Fig. 12(a)보다 약간 적게 나타남을 알 수 있으며 이와 같은 결과로부터 고로 수 쇄 슬래그가 옹벽이나 안벽의 뒷채움재로서 사용한 천연 모래에 비해 토압 경감 효과를 기대할 수 있으리라 판단된다. 또한, Matsuda등(2000)의 연구 결과에서도 알 수 있는 바와 같이 고로 수 쇄 슬래그는 시간 경과와 더불어 수화반응에 의한 잠재 수경성의 발현으로 경화하여 점착력이 생성되므로 뒷채움재로서 적용할 경우 시간 경 과와 더불어 토압 경감 효과가 기대된다.
또한, 고로 수 쇄 슬래그가 갖는 특성 중의 하나인 잠재 수경성(佐藤勝久 1978; 松田博 2000)을 최대한으로 이용할 수 있는 방법으로서 항만구조물의 안벽이나 옹벽의 뒷채움 재료로서 적용할 경우, 고로 수 쇄 슬래그의 고강도 경량성 및 큰 투수성과 시간 경과에 따른 잠재수경 성의 발현은 토압의 경감, 지진 시의 액상화 저항 및 구 조 물의 안정성 증대에 크게 기여할 것으로 기대된다. Fig.
이는 고로 수 쇄 슬래그가 토압 경감효과가 충분히 있음을 나타낸다. 또한, 본 연구에서의 지진 시 토압실험의 경우 벽체를 경사 시킨 상태에서 행해진 결과로, 실제 지진 시의 수평 진도를 가한 상태의 진 동대 실험에 의한 지진 시 토압에 대한 연구의 필요성이 요구된다.
상기와 같은 결과로부터, 고로 수 쇄 슬래그의 지 반공 학적 재료 특성이 양호하며, 표준사에 비해 내부마찰각 및 경량성, 입자 형상에 기인한 토압 경감효과가 기대되므로 안벽이나 옹벽의 천연 모래의 대체 재료로서의 적 용성이 기대되어진다.
Matsuda, H., Kitayama, N., Shinozaki, H. and Takamiya, K. (2003a), 'Application of granulated blast furnace slag in the sand compaction pile method', Proceedings of the international conference organized by British Geotechnical Association and held in Dundee, pp.593-601
Matsuda, H., Ohira, N., Takamiya, K., Shinozaki, H., Kitayama, N. and Murakami, M. (2003b), 'Application of granulated blast furnace slag to light weight embankment', Proceedings of the international conference organized by British Geotechnical Association and held in Dundee, pp.603-611
Mononobe, O. (1952), 'Earthquake resistant design of civil engineering structures', Riko, Reserved Edition
Okabe, S. (1924), 'General theory on earthquake and seismic stability of retaining walls and dams', Journal of the Japan Society of Civil Engineers, Vo1.10, pp.1277-1327
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