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문제 정의
- 본 연구에서는 풍화토의 시간의존적인 크리프 변형을 살펴보기 위하여 응력수준을 달리하며 크리프 실험을 수행하고 그 거동을 분석하였다. 그리고 실험결과를 현상학적 해석모델인Singh-Mitchell의 크리프 모델에 적용하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 즉, 풍화토 지반은 즉시침하가 일어난 이후에는 점토와 같이 지속적인 침하가 발생하는데 본 연구에서는 이러한 풍화토의 크리프 거동을 분석하기 위하여 서로 다른 지역의 시료를 채취하여 크리프 시험을 수행하였다. 또한, 풍화토 지반에 구조물 설계 시 크리프 변형을 정략적으로 예측하여 설계에 반영할수 있도록 풍화토 크리프 실험결과를 바탕으로 현상학적 모델인 Singh-Mitchell 크리프 방정식의 적용성을 평가하였다.
제안 방법
- Singh과 Mitchell의 크리프 정수를 구하기 위해서 응력수준-변형률속도 관계와 시간-변형률속도관계를 확인하였다. 여러 가지 시간에 대한 응력수준-변형률속도 관계를 그래프로 나타내면 Fig.
- 따라서 이 모델의 적용범위는 최대축차 응력의 약 30～80% 응력수준 (#)을 적용할 때이다. 그러므로 본 연구에서는 최대축차응력의 40%에서 80%까지 다양한 축차응력을 적용하여 크리프 실험을 수행하였다.
- 본 실험에서는 삼축시험기를 이용하여 구속압을 일정하게 유지하였다. 또한, 비배수 상태에서 최대축차응력을 기준으로 두가지 응력수준의 축차응력을 적용하여 시간에 따른 변위를 측정하였다. 각 응력수준에 대한 실험조건은 Table 2와 같다.
- 즉, 풍화토 지반은 즉시침하가 일어난 이후에는 점토와 같이 지속적인 침하가 발생하는데 본 연구에서는 이러한 풍화토의 크리프 거동을 분석하기 위하여 서로 다른 지역의 시료를 채취하여 크리프 시험을 수행하였다. 또한, 풍화토 지반에 구조물 설계 시 크리프 변형을 정략적으로 예측하여 설계에 반영할수 있도록 풍화토 크리프 실험결과를 바탕으로 현상학적 모델인 Singh-Mitchell 크리프 방정식의 적용성을 평가하였다.
- 본 실험에서는 삼축시험기를 이용하여 구속압을 일정하게 유지하였다. 또한, 비배수 상태에서 최대축차응력을 기준으로 두가지 응력수준의 축차응력을 적용하여 시간에 따른 변위를 측정하였다.
- 시료는 표준 A 다짐 (KS F 2312)을 통하여 구한 OMC를 기준으로 하여 재성형하였다. 시료의 크기는 지름 5 cm, 높이 10 cm이며, 시료의 파쇄를 최소화하기 위해 정적다짐을 적용 하였다. 또한, 응력이 고르게 분포하도록 시료에 하중을 가한뒤 3시간 후에 하중을 제거하였다.
- 압밀은 시간이 경과하여도 시료의 체적변화가 발생하지 않을 때까지 수행하였다. 압밀이 완료된 후, 비배수상태에서 변형률 제어 방식을 적용하였으며, 4.8 mm/hr의 변형률속도를 적용하여 최대축차응력을 구하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시료 A는 경기도 화성지역에서 채취하였으며 시료 B, C 그리고 D는 전남 남원지역에서 채취하였다. 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
- 시료는 표준 A 다짐 (KS F 2312)을 통하여 구한 OMC를 기준으로 하여 재성형하였다. 시료의 크기는 지름 5 cm, 높이 10 cm이며, 시료의 파쇄를 최소화하기 위해 정적다짐을 적용 하였다.
데이터처리
- 각 시간에 대한 응력-변형률속도 관계를 회귀분석을 통하여 회귀식과 크리프 정수 A와 α를 구하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 풍화토의 시간의존적인 크리프 변형을 살펴보기 위하여 응력수준을 달리하며 크리프 실험을 수행하고 그 거동을 분석하였다. 그리고 실험결과를 현상학적 해석모델인Singh-Mitchell의 크리프 모델에 적용하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험 결과를 통하여 구한 크리프 정수를 Singh-Mitchell의 크리프 방정식에 적용하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 재성형한 풍화토 시료에 최대축차응력에 따른 여러 가지응력수준의 축차응력을 적용하여 크리프 실험을 수행한 결과, 시간이 경과함에 따라 변형률 속도는 감소하였지만 변형률은 계속 증가하는 경향을 나타내었다.
- 2. 시료의 변형은 응력수준이 클수록 높게 나타났지만 흙의 종류 및 조건에 따라서 응력수준에 따른 크리프 변형률의 차이는 시료마다 다른 것으로 나타났다.
- 3. 최대축차응력의 45~80%의 여러 가지 응력수준을 적용한 결과 크리프에 의한 급격한 파괴는 발생하지 않았지만 시간이 지남에 따라 시료의 변형이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 4. 크리프 정수 α는 시료에 따라서는 다른 값을 나타내었으나 시간에 따른 차이는 거의 발생하지 않았으며, 크리프 정수m도 시료에 따라서는 다른 값을 나타내었으나 응력수준에 대해서 차이가 거의 발생하지 않아 흙의 고유한 성질을 나타내는 특성치임을 알 수 있다.
- 5. Singh-Mitchell의 이론식을 통하여 구한 값과 실험결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며 응력수준이 최대축차응력의 30~80%인 경우 Singh-Mitchell의 크리프 방정식을 통하여 시간에 따른 풍화토의 크리프 거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1과 같다. Soil A의 경우 축차응력이 증가해도 시료의 급격한 파괴는 발생하지 않고 시료의 변형이 계속 증가하는 경향이 나타났으며 Soil B, C, D의 경우 축차응력이 증가함에 따라 시료의 변형은 계속 증가하다 일정 변형률 이상이 되면 시료의 파괴가 발생하여 축차응력이 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
- 5는 각 시료의 시간-변형률 속도와 시간-변형률의 관계에서 실험값과 Singh-Mitchell의 크리프 방정식에 의한 이론값을 비교한 그래프이다. 각 응력수준 에 대하여 실험값과 이론식을 통해 구한 값은 비교적 잘 일치 하였다.
- 특히 Case 1과 Case 4 시료의 경우 응력수준 차이에 따른 시료의 변형이 비슷한 응력수준 차이를 가지고 있는 Case 2와 Case 3의 경우에 비하여 매우 큰 차이가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 크리프 변형은 응력수준에 따른 변형률의 차이뿐만 아니라 흙의 종류와 구조, 입도 분포 및 풍화도, 함수비 등 시료의 특성에 따라서도 영향을 받는 것을 확인 할 수 있다.
- 시료에 따른 크리프 변형을 비교해보면 응력수준에 따른 변형의 차가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 특히 Case 1과 Case 4 시료의 경우 응력수준 차이에 따른 시료의 변형이 비슷한 응력수준 차이를 가지고 있는 Case 2와 Case 3의 경우에 비하여 매우 큰 차이가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 4개의 시료 모두 낮은 응력수준 하에서도 시간이 지남에 따라 변형률이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 응력수준이 커지면 시료의 시간에 따른 변형도 더 크게 나타났다.
- 응력이 증가할수록 변형률 속도는 증가하였으며 같은 응력수준에서 시간이 경과함에 따라 변형률속도는 감소하였다. 각 시간에 대한 응력-변형률 속도 그래프는 반대수용지에 나타내었을 때 직선으로 나타낼 수 있으며, 시간에 관계없이 거의 일정한 기울기를 갖는다.
- 크리프 정수 α의 평균값은 Soil A의 경우 0431, Soil B의 경우 0.0029, Soil C의 경우 0.0067, Soil D의 경우 0.0173의 값을 나타냈으며 시간에 따른 차이가 거의 발생하지 않아 시간에 관계없는 흙의 크리프 특성치임을 알 수 있었다.
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