연약 지반의 거동 특성 평가를 위하여 전단파 속도와 전기저항을 측정할 수 있는 새로운 압밀셀을 개발하였다. 전단파의 발진과 수신을 위한 벤더엘리먼트는 압밀셀의 상 하부판 및 벽면에 설치하였다. 국부적인 간극비 변화를 평가하기 위하여 이중 쐐기 형식의 전기저항 탐침을 적용하였다. 벤더 엘리먼트와 전기저항 탐침은 나일론 재질의 스크류 안에 고정하였다. 나일론 재질의 스크류는 압밀셀과의 임피던스 차이로 인하여 압밀셀을 통한 파의 직접적 전달을 최소화하며, 고장난 벤더 엘리먼트와 전기저항 탐침을 쉽게 교환하게 해준다. 전기저항-대수 시간 곡선의 기울기 및 전단파 속도의 변화로부터 일차 압밀 시간을 평가하였다. 교란 효과가 적을 경우, 입자 배열은 전단파 속도에 영향을 미치며 이로부터 흙의 고유 이방성을 평가할 수 있었다. 압밀 실험동안 침하량으로 산정한 간극비와 전기저항으로부터 계산된 간극비는 거의 유사한 것으로 나타났다. 본 연구는 전단퐈 속도와 전기저항이 일차 압밀, 고유 이방성, 간극비 등 연약 지반의 압밀 특성 파악을 위한 보완적인 정보를 제공해 줌을 보여준다.
연약 지반의 거동 특성 평가를 위하여 전단파 속도와 전기저항을 측정할 수 있는 새로운 압밀셀을 개발하였다. 전단파의 발진과 수신을 위한 벤더엘리먼트는 압밀셀의 상 하부판 및 벽면에 설치하였다. 국부적인 간극비 변화를 평가하기 위하여 이중 쐐기 형식의 전기저항 탐침을 적용하였다. 벤더 엘리먼트와 전기저항 탐침은 나일론 재질의 스크류 안에 고정하였다. 나일론 재질의 스크류는 압밀셀과의 임피던스 차이로 인하여 압밀셀을 통한 파의 직접적 전달을 최소화하며, 고장난 벤더 엘리먼트와 전기저항 탐침을 쉽게 교환하게 해준다. 전기저항-대수 시간 곡선의 기울기 및 전단파 속도의 변화로부터 일차 압밀 시간을 평가하였다. 교란 효과가 적을 경우, 입자 배열은 전단파 속도에 영향을 미치며 이로부터 흙의 고유 이방성을 평가할 수 있었다. 압밀 실험동안 침하량으로 산정한 간극비와 전기저항으로부터 계산된 간극비는 거의 유사한 것으로 나타났다. 본 연구는 전단퐈 속도와 전기저항이 일차 압밀, 고유 이방성, 간극비 등 연약 지반의 압밀 특성 파악을 위한 보완적인 정보를 제공해 줌을 보여준다.
A new hybrid oedometer cell is designed and manufactured to investigate a behavior of soft soils by using elastic and electromagnetic waves during consolidation test. Bender elements, which generate and detect shear waves, are placed in the top cap and the bottom plate and mounted on the oedometer w...
A new hybrid oedometer cell is designed and manufactured to investigate a behavior of soft soils by using elastic and electromagnetic waves during consolidation test. Bender elements, which generate and detect shear waves, are placed in the top cap and the bottom plate and mounted on the oedometer wall. Double wedge type electrical resistance probe, which measures local void ratio change, is positioned onto the top cap of the oedometer cell. The bender elements and the electrical resistance probe are anchored into a nylon set screw with epoxy resin. The nylon set screw with epoxy resin minimizes directly transmited elastic waves through the oedometer cell due to impedence mismatch and allows for easy replacement of defected bender elements and electrical resistance probe. Primary consolidation time can be estimated from the slope of electrical resistance versus log time curve and the evolution of shear wave velocity. The shear wave velocity can be used to assess inherent anisotropy when disturbance effects are minimized because particle alignment affects the shear wave velocity. The void ratios evaluated by the electrical resistance probe are similar to those by the settlement during consolidation. This study suggests that the shear wave velocity and the electrical resistance can provide complementary imformations to understand consolidation characteristics such as primary consolidation, anisotropy, and void ratio.
A new hybrid oedometer cell is designed and manufactured to investigate a behavior of soft soils by using elastic and electromagnetic waves during consolidation test. Bender elements, which generate and detect shear waves, are placed in the top cap and the bottom plate and mounted on the oedometer wall. Double wedge type electrical resistance probe, which measures local void ratio change, is positioned onto the top cap of the oedometer cell. The bender elements and the electrical resistance probe are anchored into a nylon set screw with epoxy resin. The nylon set screw with epoxy resin minimizes directly transmited elastic waves through the oedometer cell due to impedence mismatch and allows for easy replacement of defected bender elements and electrical resistance probe. Primary consolidation time can be estimated from the slope of electrical resistance versus log time curve and the evolution of shear wave velocity. The shear wave velocity can be used to assess inherent anisotropy when disturbance effects are minimized because particle alignment affects the shear wave velocity. The void ratios evaluated by the electrical resistance probe are similar to those by the settlement during consolidation. This study suggests that the shear wave velocity and the electrical resistance can provide complementary imformations to understand consolidation characteristics such as primary consolidation, anisotropy, and void ratio.
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문제 정의
본 논문에서는 벤더 엘리먼트 및 전기저항 탐침의 설계와 설치 방법을 설명하고, 포화된 흙에서의 전기저항과 전 단파 속도를 측정하여, 연약 지반의 거동 특성을 분석하는 방법을 기술하였다.
본 연구의 목적은 압밀 시험 동안 전단파 속도와 전기저항을 측정할 수 있는 새로운 압밀 셀을 개발 및 이용하여 연약 지반의 압밀 특성을 파악하는 것이다. 본 논문에서는 벤더 엘리먼트 및 전기저항 탐침의 설계와 설치 방법을 설명하고, 포화된 흙에서의 전기저항과 전 단파 속도를 측정하여, 연약 지반의 거동 특성을 분석하는 방법을 기술하였다.
제안 방법
누화현상은 해성 점토와 같이 전도성 흙에서 중요한 요소이다(Lee and Santamarina, 2005; 이종섭 및 이창호, 2006a). 각 벤더 엘리먼트는 에폭시를 이용하여 방수 코팅을 하였으며, 누화현상을 방지하기 위하여 전도성 페인트를 얇게 바른 후 접지선과 연결하여 전기적 차폐를 하였다 또한 그림 3과 같이 압밀셀을 통해 직접 전파되는 파를 효과적으로 제거하기 위하여 셀과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 스크류에 에폭시를 이용하여 벤더 엘리먼트를 고정하였다(이종섭 및 이창호 2006b). Vs(VH)를 측정하기 위하여 압밀셀의 상.
254mm이다. 그림 4와 같이 얇은 금속 튜브(외부전도체) 내부에 부도체로 차폐시킨 내부 전도체(core electrode)를 삽입한 후 도넛 모양의 빈 공간에 부도체(epoxy)를 가득 채워 고정하였다. 또한 하중 증가에 따라 탐침이 시료 속으로 관입 될 때 탐침이 휘어지는 것을 방지하기 위하여 이중쐐기 모양으로 끝단을 연마하였다(Cho et al.
흙의 고유 이방성을 평가하기 위하여 압밀 시험 동안 벤더 엘리먼트를 이용하여 고유 이방성에 따른 전단파 속도를 측정하였다. 또한 점토 시료의 입자 배열을 확인하기 위하여, 건조 후 SEM(Scanning Electron Microscopic) 시험을 수행하였다. 그림 10에 나타난 바와 같이 점토 입자는 퇴적에 따른 영향으로 횡 방향 배열을 이루고 있다.
송신용 벤더 엘리먼트를 활용하여 전단파를 발생시킨 후 수신용 벤더 엘리먼트로 측정하였다. 벤더 엘리먼트는 흙과 트랜서듀서 간의 뛰어난 결합효과 및 적절한 작용 주파수를 가지는 전단파 트랜서듀서 이다 본 연구에서는 Piezo Systems사의 병렬 형식의 벤더 엘리먼트를 이용하였다.
발신 벤더 엘리먼트에서 발생한 전단 파는 시료를 통해 전파된 후 수신 벤더 엘리먼트에서 감지된다. 수신된 신호는 필터-증폭기(Krohm-Hite 3364) 에서 잡음을 제거하고 신호를 증폭시킨 후 오실로스코프 (Agilent 54624A)를 이용하여 전단파를 측정 및 저장하였다 고주파수 잡음을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 평균하였다. 전단파 속도는 도달 시간으로부터 계산 하였으며, 전단파의 이동 거리는 벤더 엘리먼트의 끝단 (tip) 간 거리(Dyvik and Madshus, 1985; Viggiani and Atkinson, 1995; Fernandez, 2000)를 이용하였다.
최소화하기 위히。여 황동 셀과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 특수한 소켓 안에 고정하였다 그리고, 압밀셀의 상, 하부판 및 벽면에 벤더 엘리먼트를 설치하였다. 국부적인 전기 저항의 변화를 평가하기 위하여 이중 쐐기 형식의 전기 저항 탐침을 적용하였다.
일차 압밀 시간, 이방성, 응력 이력에 따른 국부적인 전기저항의 변화 등의 평기를 위하여 전단파 속도와 전기저항을 측정할 수 있는 새로운 압밀셀을 개발하였다. 하중에 따른 전단파와 전기저항값의 측정은 하중 단계별 시료의 전단탄성계수의 획득 및 이방성 평가가 가능하게 하며, 기존 시험의 결과와 비교를 통하여 일차 압밀 종료시점, 응력이력, 그리고 평균값이 아닌 국부적인 간극비 평가 등 보완적인 결과를 제시할 수 있다.
5몰의 염화나트륨 수용액과 점토 슬러 리의 전기저항은 약 100kHz ~ 1000kHz에서 거의 일정한 값을 보인다. 작동 주파수의 선택 후 LCR meter(INSTEK, LCR- 819)를 이용하여 흙의 전기저항을 측정하였다(1.27V, 100kHz 단일정현파).
, 2004). 전기저항 탐침은 파손 시 교체가 간편하도록 나일론 스크류를 사용하여 그림 2와 같이 압밀셀의 상부판에 고정하였다. 시료 내부로 관입된 전기저항 탐침의 길이는 18.
전단파의 발진기와 수신기로 벤더엘리먼트를 이용하였다. 벤더 엘리먼트는 황동 셀을 통한 파의 직접적 전달을 최소화하기 위히。여 황동 셀과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 특수한 소켓 안에 고정하였다 그리고, 압밀셀의 상, 하부판 및 벽면에 벤더 엘리먼트를 설치하였다.
각 하중 단계는 과잉간극수압의 소산을 위하여 24시간이상 유지하였으며, 제하 과정(unloading)도 동일하게 반복하였다. 표준압밀시험(ASTM D 2435-04) 과 동일한 시간 간격으로 침하량을 측정하였으며, 침하량 측정 후 즉시 전단파와 전기저항을 측정하였다.
영향을 미친다. 흙의 고유 이방성을 평가하기 위하여 압밀 시험 동안 벤더 엘리먼트를 이용하여 고유 이방성에 따른 전단파 속도를 측정하였다. 또한 점토 시료의 입자 배열을 확인하기 위하여, 건조 후 SEM(Scanning Electron Microscopic) 시험을 수행하였다.
대상 데이터
20MHz 신호발생기(Agilent 33220A)에서 발생된 단일 정현파를 연직 및 횡방향 벤더 엘리먼트의 입력 신호로 사용하였다. 발신 벤더 엘리먼트에서 발생한 전단 파는 시료를 통해 전파된 후 수신 벤더 엘리먼트에서 감지된다.
벤더 엘리먼트는 흙과 트랜서듀서 간의 뛰어난 결합효과 및 적절한 작용 주파수를 가지는 전단파 트랜서듀서 이다 본 연구에서는 Piezo Systems사의 병렬 형식의 벤더 엘리먼트를 이용하였다. 벤더 엘리먼트의 치수는 11.0x4.0x0.6 (길이 X 너비 X 두께, mm)이며, 시료 속으로 돌출된 길이는 4mm이다(그림 3).
본 연구에서는 인천 S지구에서 채취한 해성 점토를 이용하였다. 점토의 자연 함수비는 약 25% ~ 47%, 단위 중량은 약 18.
제작하였다. 황동 재질의 압밀셀의 치수는 내경 74mm, 높이 63mm, 그리고 두께 16mm이다. 흙 시료의 높이는 37mm가 되도록 설계.
이론/모형
벤더 엘리먼트는 황동 셀을 통한 파의 직접적 전달을 최소화하기 위히。여 황동 셀과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 특수한 소켓 안에 고정하였다 그리고, 압밀셀의 상, 하부판 및 벽면에 벤더 엘리먼트를 설치하였다. 국부적인 전기 저항의 변화를 평가하기 위하여 이중 쐐기 형식의 전기 저항 탐침을 적용하였다.
수신된 신호는 필터-증폭기(Krohm-Hite 3364) 에서 잡음을 제거하고 신호를 증폭시킨 후 오실로스코프 (Agilent 54624A)를 이용하여 전단파를 측정 및 저장하였다 고주파수 잡음을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 평균하였다. 전단파 속도는 도달 시간으로부터 계산 하였으며, 전단파의 이동 거리는 벤더 엘리먼트의 끝단 (tip) 간 거리(Dyvik and Madshus, 1985; Viggiani and Atkinson, 1995; Fernandez, 2000)를 이용하였다. 초동 시간 細은 근접장 효과를 고려하여 선택하였다(Sdnchez-Salmero et al.
성능/효과
그림 9(a)와 같이 시간에 따른 간극비의 변화는 전형적인 곡선을 보여주며 log t 방법으로 얻은 1차 압밀 시간은 약 40분으로 나타났다. 그러나, 크립(creep) 효과로 인하여 동일한 하중 단계에서 간극비는 24시간 동안 지속적으로 감소하였다.
방향)이다. 2) Vs(HV): 파의 진행 방향이 수평 방향(H: 첫 번째 기호) 이고 입자 이동 방향이 연직방향(V: 두 번째 기호) 인 경우의 전단파 속도이다. 따라서, 흙의 고유이방성은 Vs(VH)와 Vs(HV)를 비교하여 평가 할 수 있다(이창호 외, 2006).
5몰의 염화나트륨 수용액과 혼합한 점토 슬러리 (함수비 3=72%)에서 얻은 스펙트럼(spectral) 결과를 보여준다. 두 탐침 모두 거의 동일한 스펙트럼 결과를 보이며, 0.5몰의 염화나트륨 수용액과 점토 슬러 리의 전기저항은 약 100kHz ~ 1000kHz에서 거의 일정한 값을 보인다. 작동 주파수의 선택 후 LCR meter(INSTEK, LCR- 819)를 이용하여 흙의 전기저항을 측정하였다(1.
따라서, 재재하 과정에서의 선행압밀하중은 315kPa이다. 본 연구에서 개발된 벤더 엘리먼트와 전기저항 탐침을 설치한 새로운 압밀셀, 벤더 엘리먼트와 전기비저항 탐침을 설치하지 않은 압밀셀, 그리고 표준압밀셀(직경: 63.5mm, 높이: 19mm) 3종류의 압밀셀을 이용하여 비교 실험을 실시한 결과, e - log((九/R) 곡선과 선행압밀하중 등 점토의 압밀 거동은 그림 6과 같이 서로 유사한 결과를 나타내었다.
일차 압밀 동안 전단파 속도는 대수 시간(log time)에 따라 선형적으로 증가하였으며, 크립 동안 거의 일정하게 유지되어, 하중 재흐上 후 시간에 따른 전단파 속도의 변화로부터 1차 압밀 시간을 평가할 수 있었다. 또한 전기저항-대수 시간 곡선의 기울기는 일차 압밀 시간의 끝 근처에서 변화하였다.
교란 효과가 적을 경우, 입자 배열은 전단파 속도에 영향을 미치며 이로부터 흙의 고유 이방성을 평가할 수 있었다. 침하량으로 산정한 시료 전체의 평균 간극비와 전기비저항으로부터 산정한 국부 간극비는 서로 유사한 값을 보임을 알 수 있었다
후속연구
따라서 추후 다른 하중 조건에서 더욱 세분화된 시간대별 전단파 속도 및 전기저항값을 측정하는 추가적인 실험을 수행하여 검증할 필요가 있다고 판단된다.
개발하였다. 하중에 따른 전단파와 전기저항값의 측정은 하중 단계별 시료의 전단탄성계수의 획득 및 이방성 평가가 가능하게 하며, 기존 시험의 결과와 비교를 통하여 일차 압밀 종료시점, 응력이력, 그리고 평균값이 아닌 국부적인 간극비 평가 등 보완적인 결과를 제시할 수 있다.
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