본 연구에서는 다짐 재료의 강도특성에 나타나는 이방성과 그 정도를 명확히 밝히기 위해 다짐 재료로 널리 사용되는 화강풍화토를 이용해 포화, 불포화 상태에서 삼축압축시험을 실시했다. 공시체는 다짐도 $D_c$=90%가 되도록 다짐한 후 ${\sigma}_1$ 방향과 퇴적면이 이루는 각도로 정의되는 ${\delta}$가 $0^{\circ}C$, $45^{\circ}C$, $90^{\circ}C$가 되도록 제작되었다. 실험결과, 불포화토의 전단강도에 미치는 흡입력(suction)의 기여율에는 ${\delta}$ 의존성이 확인되지 않았고, 다짐재료의 전단강도에 나타나는 이방성은 포화시보다 불포화시에 현저히 나타나는 것으로 평가되었다. 또한 실험을 통해 도출된 결과를 이용해, ${\sigma}_1$ 방향과 퇴적면과 이루는 각도 ${\delta}$가 서로 다른 불포화토의 전단강도를 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 다짐 재료의 강도특성에 나타나는 이방성과 그 정도를 명확히 밝히기 위해 다짐 재료로 널리 사용되는 화강풍화토를 이용해 포화, 불포화 상태에서 삼축압축시험을 실시했다. 공시체는 다짐도 $D_c$=90%가 되도록 다짐한 후 ${\sigma}_1$ 방향과 퇴적면이 이루는 각도로 정의되는 ${\delta}$가 $0^{\circ}C$, $45^{\circ}C$, $90^{\circ}C$가 되도록 제작되었다. 실험결과, 불포화토의 전단강도에 미치는 흡입력(suction)의 기여율에는 ${\delta}$ 의존성이 확인되지 않았고, 다짐재료의 전단강도에 나타나는 이방성은 포화시보다 불포화시에 현저히 나타나는 것으로 평가되었다. 또한 실험을 통해 도출된 결과를 이용해, ${\sigma}_1$ 방향과 퇴적면과 이루는 각도 ${\delta}$가 서로 다른 불포화토의 전단강도를 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.
In order to investigate the strength anisotropy of compacted materials, a series of unsaturated and saturated-drained triaxial compression tests was performed. Three different orientation angles of the axial direction of samples with respect to the horizontal plane were investigated: ${\delta}=...
In order to investigate the strength anisotropy of compacted materials, a series of unsaturated and saturated-drained triaxial compression tests was performed. Three different orientation angles of the axial direction of samples with respect to the horizontal plane were investigated: ${\delta}=0$, 45 and 90 degrees. As the results showed, the suction rate on the strength of the unsaturated specimen was not influenced by ${\delta}$. And the effect of the angle ${\delta}$ on the strength was more pronounced on unsaturated specimen as compared to saturated specimen. Moreover, a new procedure was proposed to take into account the effect of the angle ${\delta}$ on the shear strength of unsaturated soils.
In order to investigate the strength anisotropy of compacted materials, a series of unsaturated and saturated-drained triaxial compression tests was performed. Three different orientation angles of the axial direction of samples with respect to the horizontal plane were investigated: ${\delta}=0$, 45 and 90 degrees. As the results showed, the suction rate on the strength of the unsaturated specimen was not influenced by ${\delta}$. And the effect of the angle ${\delta}$ on the strength was more pronounced on unsaturated specimen as compared to saturated specimen. Moreover, a new procedure was proposed to take into account the effect of the angle ${\delta}$ on the shear strength of unsaturated soils.
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문제 정의
본 연구에서는 다짐한 성토구조물의 강도특성에 나타나는 이방성과 그 역학 메커니즘을 명확히 하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 위하여 성토재료로 널리 사용되는 화강풍 화토를 대상으로 포화, 불포화상태에서 삼축압축시험을 실시했다. 또한 실내시험으로부터 얻어진 결과를 통해 강도특성에 나타나는 이방성을 정량적으로 추정할 수 있는 방법을 제안하였고, 그 적용성을 평가하였다.
제안 방법
우선, 본 연구에서 제작한 직방체 몰드(200mm×100mm×200mm, 사진 1 참조)에 시료를 9층으로 채운 후, 2kg의 램머를 사용하여 각 층 당 16회씩 다짐을 실시한다.
본 연구에서는 다짐한 성토구조물의 강도특성에 나타나는 이방성과 그 역학 메커니즘을 명확히 하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 위하여 성토재료로 널리 사용되는 화강풍 화토를 대상으로 포화, 불포화상태에서 삼축압축시험을 실시했다. 또한 실내시험으로부터 얻어진 결과를 통해 강도특성에 나타나는 이방성을 정량적으로 추정할 수 있는 방법을 제안하였고, 그 적용성을 평가하였다. 다짐재료의 전단강도에 나타나는 이방성을 명확히 하는 것은 성토구조물의 안정성해석에 있어서 중요한 정보를 제공할 수 있는 의미 있는 연구라고 할 수 있다.
초기 흡입력 측정에는 δ가 0°, 45°, 90°인 3종류의 동결시킨 공시체(이하 freezing이라고 기술함)와 비교를 위해 초기 함수비를 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 90%로 조절하여 다짐도 Dc=90%가 되도록 동적으로 다짐 제작한 직경 50mm, 높이 30mm의 공시체(이하 Not freezing이라고 기술 함)를 사용하였다.
전단강도에 미치는 흡입력의 영향정도를 조사하기 위하여 불포화시료를 이용하여 흡입력시험을 실시하였다. 초기 흡입력은 페디스털 위에 불포화 공시체를 설치한 후 하부 페디스털의 세라믹 디스크와 연결되어 있는 반도체압력변환기를 이용하여 마이너스 간극수압으로 측정된다.
삼축압축시험 장치에 제작된 불포화공시체를 설치하고 20kPa의 구속압을 부가하여 자립시킨 후, 해동을 위해 8 시간 방치시킨다. 불포화 공시체는 해동이 끝난 후 곧바로 등방압밀을 실시하였고, 포화공시체는 해동 후 진공압 30kPa을 가하고 배압을 200kPa 작용시켜 B값이 0.95 이상이 된 것을 확인한 후 등방압밀을 실시하였다. 등방압밀 후 측압일정 변형율속도 0.
과의 관계를 나타내고 있다. 불포화공시체는 전단시험 중 배수량과 체적변화량의 관계를 조사하기 위하여 포화공시체와 동일한 방법으로 뷰렛의 배수량을 측정하였다.
본 연구에서는 일반적인 실내삼축압축시험에 사용되는 δ=90°의 포화공시체의 강도정수와 불포화공시체의 흡입력시험결과를 이용하여, 여러 가지 지반요소를 모사한 δ 가 서로 다른 불포화공시체의 전단 강도를 추정하는 방법을 제안하였다.
또한, 여러 가지 지반요소를 모사한, δ가 서로 다른 불포화토의 전단강도를, 실내실험에서 일반적으로 사용되는 δ=90° 포화공시체로부터 얻은 강도정수와 흡입력을 이용하여 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 성토재료로 널리 이용되는 화강풍화토를 다짐도 Dc=90%가 되도록 다짐한 후, 포화, 불포화상태에서 CD시험을 실시하여, 강도특성에 나타나는 이방성을 조사하였다. 또한, 여러 가지 지반요소를 모사한, δ가 서로 다른 불포화토의 전단강도를, 실내실험에서 일반적으로 사용되는 δ=90° 포화공시체로부터 얻은 강도정수와 흡입력을 이용하여 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.
그 후 직방체 몰드로부터 다짐된 시료를 분리하여 -20°C의 온도로 동결시킨 후, 그림 3과 같이 σ1 방향과 퇴적면과 이루는 각도로 정의되는 δ가 0°, 45°, 90°가 되도록 Murata 등(1985)이 제작한 core bit machine을 사용해 직경 50mm, 높이 100mm의 원주형공시체를 제작한다.
대상 데이터
삼축압축시험에서 사용되는 공시체는 JIS A 1210에 준하여 실시한 다짐실험의 결과(그림 2 참조) 로부터 얻어진 최적함수비(wopt=13%)와 다짐도 Dc=90%(ρd=1.60g/cm3)가 되도록 제작되었으며, 구체적인 공시체 제작방법은 다음과 같다.
본 연구에서는 일본 야마구치현(山口縣) 시모노세키시(下關市)에서 채취한 2mm체를 통과한 화강풍화토를 시료로 사용하였다. 사용된 시료의 물리적 특성은 표 1과 같다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 삼축압축시험기는 Bishop 등(1961)이제안한 이중 셀 타입의 삼축시험 장치로, 불포화공시체의체적변화는 공시체의 체적변화로 인한 내부 셀의 수위변화(수두압 변화)와 외부에 설치되어 있는 기준수위의 수두압 차를 이용하여 측정된다. 본 연구에서는 미소변형율에서의 거동특성을 조사하기 위하여 비접촉변형계(gap sensor)를 이용하였다.
본 연구에서 사용된 삼축압축시험기는 Bishop 등(1961)이제안한 이중 셀 타입의 삼축시험 장치로, 불포화공시체의체적변화는 공시체의 체적변화로 인한 내부 셀의 수위변화(수두압 변화)와 외부에 설치되어 있는 기준수위의 수두압 차를 이용하여 측정된다. 본 연구에서는 미소변형율에서의 거동특성을 조사하기 위하여 비접촉변형계(gap sensor)를 이용하였다. 삼축압축시험기의 계통도를 그림 5에 나타내고 있다.
본 연구에서는 Bishop and Donald(1961)와 동일한 방법으로 δ가 서로 다른 화강풍화토의 χ를 조사했다.
그 후 직방체 몰드로부터 다짐된 시료를 분리하여 -20°C의 온도로 동결시킨 후, 그림 3과 같이 σ1 방향과 퇴적면과 이루는 각도로 정의되는 δ가 0°, 45°, 90°가 되도록 Murata 등(1985)이 제작한 core bit machine을 사용해 직경 50mm, 높이 100mm의 원주형공시체를 제작한다. core bit machine을 이용하여 공시체를 제작하는 과정에서 마찰열로 인해 시료가 융해되는 것을 방지하기 위하여 村田 등(1985)이 제안한 방법을 이용하여 절토가 끝날 때까지 상부로부터 액체질소를 일정응력(80kPa)으로 공급한다. core bit machine을 사용한 일련의 공시체 제작과정을 사진 2에 나타내고 있다.
성능/효과
또한 포화, 불포화공시체 모두 δ 값이 클수록 연성적 거동특성을 보이며 명확한 피크 강도를 나타내고 있다.
또한, 축변형율 0.005% 이상의 q − εa곡선에서는 포화도와 δ 값의 변화에 의해 서로 다른 거동특성을 나타내며, δ 값이 동일한 포화, 불포화 공시체에서는, 포화공시체보다 불포화공시체에 있어 축변형률이 0.005% 부근부터 높은 전단응력을 나타내는 것으로 평가되었다.
전단시험 실시 직후 모든 공시체에 있어 축변형률 0.005%부근까지는 거의 동일한 거동특성을 나타내며 포화도와 δ 의 의존성은 확인되지 않았다.
체적변형률과 축변형률과의 관계에서는, 불포화공시체는 δ 에 관계없이 수축에서 팽창으로 전환되는 거동을 보이는 반면, 포화 공시체는 수축에서 팽창으로 전환되는 변상점이 δ 가 증가할수록 큰 변형율값에서 나타나는 것으로 확인되었다.
체적변형률과 축변형률과의 관계에서는, 불포화공시체는 δ 에 관계없이 수축에서 팽창으로 전환되는 거동을 보이는 반면, 포화 공시체는 수축에서 팽창으로 전환되는 변상점이 δ 가 증가할수록 큰 변형율값에서 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 불포화공시체의 배수량과 축변형률 관계에서는, 체적팽창과정과 피크강도가 나타나는 변형률에 있어 모두 흡입과정에 있는 것을 확인할 수 있다.
4. 내부마찰각(φ)의 의존성과 Bishop이 제안한 불포화토 유효응력식을 이용하여, σ가 90o인 공시체의 강도정수로부터 δ가 서로 다른 포화·불포화공시체의 전단강도를 정량적으로 추정하는 방법을 제안하였고, 그 적용성이 확인되었다.
3. 불포화공시체의 전단강도가 δ에 의존하는 것은 내부마찰각(φ)의 δ 의존성에 기인한다.
1. 초기흡입력은, δ가 서로 다른, 동결된 시료, 동결되지 않은 시료 모두 동일한 수분특성곡선 상에 존재하고 흡입력에 보이는 δ의 의존성은 매우 작다.
2. 다짐재료의 전단강도에 보이는 이방성은 포화시보다 불포화시에 현저하게 나타나며, 주로 겉보기 점착력으로 나타난다.
후속연구
이로써 초기흡입력에 보이는 δ 의존성은 미소한 것으로 평가할 수 있다. 이 결과에 대해서는 차후 여러 가지 시료를 이용한 검증이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제방과 도로, 철도 등 인공적으로 다짐한 성토구조물의 토립자는 그 구축과정이나 응력이력으로 인해 무엇을 갖는가?
제방과 도로, 철도 등 인공적으로 다짐한 성토구조물의 토립자는 그 구축과정이나 응력이력으로 인해 이방적인 구조를 갖는다. 이것은 중력효과에 의해 발생되는 고유이방성과 구별되며 응력유도이방성이라고 한다(Casagrande, 1944).
강도 이방성의 도입은 무엇을 의미하는가?
지반의 강도특성이 이방적인 성질을 나타내는 것은 지반공학 분야에서는 일반적인 사실로 다루어지고 있다. 그러나 강도 이방성의 도입은, 역학파라미터가 증가되는 것을 의미하며, 반드시 토공구조물의 해석 정밀도를 직접적으로 높인다고 판단하기 어려운 이유로 현재까지 설계에 직접 적용되지 않고 있다. 더욱이 역학파라미터를 등방적으로 가정하여 얻어진 결과가 실무상 큰 문제없이 적용되어 온 것 또한 사실이다.
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