[논문]시험 방법에 따른 동결토의 인장강도

서영교; 강효섭

doi:10.7843/kgs.2008.24.4.57

문제 정의

인공동결공법을 이용한 지하구조물이나 터널공사 시 동결토의 인장강도는 매우 중요한 변수로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 흙의 종류, 함수비, 점토함량의 변화에 따른 인장강도를 살펴 보고” 파괴면의 형태가 다른 쪼갬인 장 시험과 일축관입시험의 인장강도 비교를 통해서 비 균질한 동결토의 강도가 어떻게 달라지는지 살펴보았다
본 연구에서는 기존에 널리 사용하는 간접인장시험인 쪼갬 인장시험과 더불어 일축관입시험을 통해 인장강도를 측정하였으며, 두 인장시험방법간의 비교를 통해서 동결토의 인장강도에 미치는 영향을 연구해 보았다. 그 요약 및 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 동결토의 쪼갬인장시험과 일축 관입시험을 통하여 동결토의 인장강도 특성을 분석하였다. 일축 관입시험은 Chen(1970)의 양면펀칭시험법을 개량하여 CBR(Califbmia bearing ratio)과 다짐시험을 활용하여 흙의 인장강도를 측정할 수 있도록 Fang 등(1981)에의 해 제시된 방법이다.

가설 설정

3(b)은 파괴메카니즘의 속도벡터 관계를 보여주고 있는 그림이다. 상대속도벡터(dw)은 내부마찰각®)과 함께 콘 파괴면의 각 점의 속도벡터를 의미하며, 厶R와 AD는 각각 상대속도 벡터。w)의 수평방향과 수직방향 성분이다.

제안 방법

6일간 동결시킨 시편은 시료를 추출하는데 동결과정에서 몰드와 시편 사이의 수분으로 인한 부착력이 크게 작용하기 때문에 다짐시험 시 사용되는 유압식시료추출기를 사용하여 추출하였다. 추출된 시료는 동결과정에서 시료 안에 포함된 수분에 의해 체적 팽창 현상이발생되었다.
C이d Room에서 동결되는 시편은 이론적으로 시편의 모든 부분이 균질하게 동결되었다고 가정되나 실질적으로 부동수분, 일관된 다짐, 함수비가 많은 시편의 경우 긴 동결시간에 의한 흙의 침전 현상 등으로 顶0% 균질하지 않기 때문에 추출된 시편은 실험의 일관성과 결과의 오차를 줄이기 위한 방법으로 동결시킬 때 위, 아래 방향을 표시하고 인장 시험을 실시하였다.
5kg 래머로 3츠 25회 표준 다짐을 실시하여 제작하였다. 동결 화강풍화토 인장 시험에서 함수비에 따른 강도 특성을 알아보기 위해서 함수비를 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 로 변화 시 켜 공시체를 제작하였고, 사질토혼합토의 경우에는 점토(10%, 20%, 30%)와 함수비 비율(7%, 15%, 20%)에 각각 나누어서 공시 체를 제작하였다. 시료는 일관된 결과 값을 얻기 위해서 표준사를 제외한 화강풍화토와 카오리나이트를 40번체에 걸러진 시료를 사용하였다 다짐된 시편은 동결과정에서 발생할 수 있는 수분 손실 및 체적팽창을 고려하여 랩으로 상하부분을 마감하였다.
지름.디스크, 공시체 높이-지름 높이에 대한 하중재하비율을 실험을 통하여 계수(K)를 제시하였다
화강풍화토와 표준사에 점토 비율이 섞인 기본시료의 기본 물성을 파악하기 위해 KS F 시험방법에 의해 체가름, 비중시험, 액.소성시험, 다짐시험, 투수시험을 수행하였다. 시료의 기본 물리적 성질은 Table 2와 Table 3에 나타내었다.
동결 화강풍화토 인장 시험에서 함수비에 따른 강도 특성을 알아보기 위해서 함수비를 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 로 변화 시 켜 공시체를 제작하였고, 사질토혼합토의 경우에는 점토(10%, 20%, 30%)와 함수비 비율(7%, 15%, 20%)에 각각 나누어서 공시 체를 제작하였다. 시료는 일관된 결과 값을 얻기 위해서 표준사를 제외한 화강풍화토와 카오리나이트를 40번체에 걸러진 시료를 사용하였다 다짐된 시편은 동결과정에서 발생할 수 있는 수분 손실 및 체적팽창을 고려하여 랩으로 상하부분을 마감하였다. 시편의 동결은 -15℃ 의 Cold Room에서 6일(144시간) 동안 동결시켰고, 동결온도와 동결시간에 따라 예민하게 달라질 수 있는 동토의 강도를 고려하여 모든 시편에 동일하게 적용 시 켰다.
97이란 값을 얻을 수 있었다. 이를 토대로 앞선 일축관입시험의 이론을 근거로 시험을 수행하였다.
그러나 축 방향으로는 1cm 내외로 시편의 위, 아래 부분으로 팽창하여 울퉁불퉁한 상태로 된다. 일축관입 시험 시 위, 아래 부분이 고르지 않으면 편심이 발생되어 정확한 값을 측정할 수 없으므로 수평자와 절단기를 사용하여 트리밍을 실시하였다.
일축관입시험시험을 위해 Photo 3에서처럼 UTM장비의 가압판과 하부 판을 자체 제작하였고, 공시체를 시험기에 설치할 때 편심을 줄이기 위해서 하부 판에 시료직경에 맞게 홈을 파고, 홈 부분에 반으로 잘려진 아크릴 원통을 꽂아서 시료의 중심을 맞추도록 하였다 재하속도는 시료 길이의 0.5%로 쪼갬 인장시험과 같은 Imm/min으로 하고, Table l(Fang and Fernandez, 1981) 에 제시한 시험조건에서 공시체와 디스크의 직경 비 (0.25), 공시체높이와 공시체의 직경 비(0.5)를 만족하기 위해 관입disk 크기를 25mm로 사용하였다. 그리고 인장강도를 계산할 때 필요한 계수(K)는 이론을 근거로 계산한 결과 0.
일축관입시험은 Chen(1970)의 양면펀칭시험법을 개량하여 CBR(Califdmia bearing ratio)과 다짐시험을 활용하여 흙의 인장강도를 측정할 수 있도록 Fang and Femandez(1981)에 의해 고안된 방법으로 일축 관입시험을 통한 인장강도 계산식을 다음과 같이 제시하였다.
쪼갬 인장시험은 Photo 2에서와 같이 원주형 공시 체에 대하여 연직 평면에 평행하게 작용하는 정적 압축 하중을 가함으로써 진행되었다. 하중 재하시 변형 속도는 lmm/mi血으로 고정하였고, 실험시 Cold Room의 온도를 ■15E 의 일정한 상태로 유지하면서 모든 시험을 수행하였다.
가함으로써 진행되었다. 하중 재하시 변형 속도는 lmm/mi血으로 고정하였고, 실험시 Cold Room의 온도를 ■15E 의 일정한 상태로 유지하면서 모든 시험을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시편은 직경 100mm, 길이 210mm 로 주문 제작된 아크릴 통을 몰드로 사용하고, 밀도를 균질하게 하기 위해 2.5kg 래머로 3츠 25회 표준 다짐을 실시하여 제작하였다. 동결 화강풍화토 인장 시험에서 함수비에 따른 강도 특성을 알아보기 위해서 함수비를 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 로 변화 시 켜 공시체를 제작하였고, 사질토혼합토의 경우에는 점토(10%, 20%, 30%)와 함수비 비율(7%, 15%, 20%)에 각각 나누어서 공시 체를 제작하였다.
본 연구에서 사용된 시료는 국내에 널리 분포하고 있는 화강풍화토와 주문진 표준사에 대표적인 점토인 카오리나이트를 중량비로 10%, 20%, 30%씩 섞어서 사용하였다. 화강풍화토와 표준사에 점토 비율이 섞인 기본시료의 기본 물성을 파악하기 위해 KS F 시험방법에 의해 체가름, 비중시험, 액.

이론/모형

일축관입 시험으로부터의 인장강도 추정이론은 소성 이론에 근거하며, 콘크리트와 암의 지지력 거동을 예측하기 위해 사용되었다(Chen 등, 1969; Chen, 1970). 이러한 시험방법을 Fang 등(1971)은 흙이나 비금속 건설재료에도 적용이 가능하며, 이는 콘크리트나 몰타르의 지지력 거동이 흙의 지지력 거동과 밀접하게 연관되어있기 때문이라고 밝히고 있다.

성능/효과

(1) 동결화강풍화토의 쪼갬인장강도는 함수비에 따라 0.14~1.96(MPa)의 분포를 나타내며, 일축관 입인 장강 도는 0.11 ~0.36(Wa)의 분포를 나타내었다. 동결 사질 혼합토의 경우 쪼갬인장강도는 함수비와 점토함량에 따라서 0.
(2) 인장시험 방법에 따른 강도 차이를 살펴 보면, 동결화강풍화토와 동결사질혼합토의 경우 모두 평균적으로 일축관입 시 험의 최대 인장강도가 쪼갬 인장시험의 최대인장강도보다 약 4배 정도 작은 강도를 나타나고 있다. 이는 공시체를 눕혀 측면을 가압하여 인장을 측정하는 방식과 시료를 세워 정중앙 부분을 가압하여 구하는 방법의 파괴에 이르는 응력 경로가 다른 두 인장시험을 통한 차이에서 나타난 결과라고 판단되어지며, 동결공시체가 균질하게 얼어있지 않고, 비균질한 상태로 얼어 있으며, 강도에 영향을 주는 것으로 판단된다.
(3) 함수비변화에 따른 강도의 변화를 살펴 보면, 함수비가 증가할수록 일축관입 인장강도와 쪼갬 인장강도가 모두 대체적으로 증가하는 양상을 보이고 있지만, 함수비가 커짐에 따라서 두 인장강도의 차이가 더욱 커짐을 알 수 있다.
(4) 점토함유량에 따른 강도의 변화를 살펴보면, 점토함량이 증가함에 따라 두 인장강도 모두 작아짐을 알 수 있다. 그리고 일축관입시험의 결과에서 최대인장강도의 뚜렷한 감소 양상이 나타남을 알 수 있다.
본 연구에서도 점토함유비가 많을수록 강도가 작아짐을 보이고 있으며, Fig. 9(a)의 점토함유비에 대한 쪼갬 인장강도 곡선에서 보듯이 점토함유비 10%~20%구간에서는 강도가 증가하는 현상을 보이고 있지만 전체적으로 감소함을 알 수 있다. Fig.
수 있다. 그리고 일축관입시험의 결과에서 최대인장강도의 뚜렷한 감소 양상이 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 동결토의 내부변화에 따른 강도가 일축관입시험에서 더욱 민감하게 반응하는 것으로 사료된다.
기존의 Fang 등(1981)의 쪼갬인장시험과 일축관입시험의 강도비교에서 강도차이가 거의 나지 않고 일치하게 나타나고 있고, 본 연구도 이와 같은 이론을 적용하기 위하여 비동결토를 이용한 두 인장시험간의 비교시험을 수행하였으며, 결론은 Fig. 기와 같이 두 인장강도가 거의 차이가 나지 않는 신뢰할 만한 결과를 보이고 있다.
8(MPa)범위의 최대인장강도를 나타내고 있다. 또한 4.1 절에서 동결화강풍화토의 쪼갬인장시험 결과와 동일하게 함수비가 증가할수록 쪼갬인장강도 또한 증가하고 있음을 보여준다. Fig.
81 (MPa) 의 강도로 분포함을 알 수 있으며, 함수비 15% 이후에는 강도가 감소되고 있음을 나타내고 있다. 또한 점토 함량이 증가할수록 강도는 전체적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. Fig.
일축 관입시험은 Chen(1970)의 양면펀칭시험법을 개량하여 CBR(Califbmia bearing ratio)과 다짐시험을 활용하여 흙의 인장강도를 측정할 수 있도록 Fang 등(1981)에의 해 제시된 방법이다. 일축관입시험에서 얻어진 인장강도는 흙, 몰타로 콘크리트 등의 쪼갬인장시험과의 비교를 통해서 거의 일치 하고 있음을 실험을 통하여 증명하였다. 국내에서는 정수정 등(2006)은 모래와 벤토나이트 혼합토를 이용한 실험에서 기존의 일축 관입시험의 측정오류 등을 개선한 개량일축관입시험을 실시하여 시험의 신뢰성을 증명해 보였다.

후속연구

(5) 인장시험방법에 따른 두 인장강도를 통해서 동결토의 인장강도특성에 대해서 알아보았으며, 향후 동결토 내부변화의 상태를 파악할 수 있는 추가적인 시험과 다양한 온도변화와 공시체 크기에 따른 연구가 필요하다.

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