대형삼축시험에 의한 상사입도 조립재료의 변형 및 전단강도 특성 Characteristics of Deformation and Shear Strength of Parallel Grading Coarse-grained Materials Using Large Triaxial Test Equipment원문보기
최근 시공기술이 발전함에 따라 댐 축조재료로 사용되는 조립재료의 최대입경은 수cm에서 1m이상에 달하고 있다. 실제 현장 원입도 시료에 대한 시험을 실시하는 것은 비용적으로 고가일 뿐만 아니라 기술적으로도 많은 문제가 존재하므로 일반적으로 상사입도 시료에 대하여 실내시험을 실시하고 그 결과를 실제 지반구조물의 설계 및 해석에 적용한다. 지반구조물에 대한 보다 정확한 거동특성을 예측하기 위해서는 입자크기에 따른 전단거동 특성의 변화를 파악하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 국내 B댐 현장 댐 축조시료인 하상 사력재에 대하여 최대입경을 서로 달리하여 재구성한 상사입도시료를 대상으로 같은 상대밀도로 공시체를 제작하여 대형삼축시험을 실시하였으며, 최대입경의 변화에 따른 상사입도시료의 응력-변형특성, 전단강도특성을 비교.분석하였다. 시험결과 조립재료는 전단과정에서 응력연화 및 체적팽창 거동을 나타내고, 상사입도 시료의 최대입경이 증가할수록 그 현상이 더욱 뚜렷한 것으로 나타났다. 내부마찰각, 전단강도는 상사입도 시료의 최대입경이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
최근 시공기술이 발전함에 따라 댐 축조재료로 사용되는 조립재료의 최대입경은 수cm에서 1m이상에 달하고 있다. 실제 현장 원입도 시료에 대한 시험을 실시하는 것은 비용적으로 고가일 뿐만 아니라 기술적으로도 많은 문제가 존재하므로 일반적으로 상사입도 시료에 대하여 실내시험을 실시하고 그 결과를 실제 지반구조물의 설계 및 해석에 적용한다. 지반구조물에 대한 보다 정확한 거동특성을 예측하기 위해서는 입자크기에 따른 전단거동 특성의 변화를 파악하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 국내 B댐 현장 댐 축조시료인 하상 사력재에 대하여 최대입경을 서로 달리하여 재구성한 상사입도시료를 대상으로 같은 상대밀도로 공시체를 제작하여 대형삼축시험을 실시하였으며, 최대입경의 변화에 따른 상사입도시료의 응력-변형특성, 전단강도특성을 비교.분석하였다. 시험결과 조립재료는 전단과정에서 응력연화 및 체적팽창 거동을 나타내고, 상사입도 시료의 최대입경이 증가할수록 그 현상이 더욱 뚜렷한 것으로 나타났다. 내부마찰각, 전단강도는 상사입도 시료의 최대입경이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
Along with the advanced construction technologies, the maximum size of coarse aggregate used for dam construction ranges from several cm to 1m. Testing the original gradation samples is not only expensive but also causes many technical difficulties. Generally, indoor tests are performed on the sampl...
Along with the advanced construction technologies, the maximum size of coarse aggregate used for dam construction ranges from several cm to 1m. Testing the original gradation samples is not only expensive but also causes many technical difficulties. Generally, indoor tests are performed on the samples with the parallel grading method after which the results are applied to the design and interpretation of the actual geotechnical structure. In order to anticipate the exact behavior characteristics for the geotechnical structure, it is necessary to understand the changes in the shear behavior. In this study, the Large Triaxial Test was performed on the parallel grading method samples that were restructured with river bed sand-gravel, with a different maximum size, which is the material that was used to construct Dam B in Korea. And the Stress - Strain characteristics of the parallel grading method samples and the characteristics of the shear strength were compared and analyzed. In the test results, the coarse-grained showed strain softening and expansion behavior of the volume, which became more obvious as the maximum size increased. The internal angle of friction and the shear strength appeared to increase as the maximum size of the parallel grading method sample increased.
Along with the advanced construction technologies, the maximum size of coarse aggregate used for dam construction ranges from several cm to 1m. Testing the original gradation samples is not only expensive but also causes many technical difficulties. Generally, indoor tests are performed on the samples with the parallel grading method after which the results are applied to the design and interpretation of the actual geotechnical structure. In order to anticipate the exact behavior characteristics for the geotechnical structure, it is necessary to understand the changes in the shear behavior. In this study, the Large Triaxial Test was performed on the parallel grading method samples that were restructured with river bed sand-gravel, with a different maximum size, which is the material that was used to construct Dam B in Korea. And the Stress - Strain characteristics of the parallel grading method samples and the characteristics of the shear strength were compared and analyzed. In the test results, the coarse-grained showed strain softening and expansion behavior of the volume, which became more obvious as the maximum size increased. The internal angle of friction and the shear strength appeared to increase as the maximum size of the parallel grading method sample increased.
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문제 정의
본 연구에서는 최대입경별 상사입도 시료에 대하여 일련의 실내 물성시험 및 압밀배수삼축압축(CD)시험을 수행하였다. 표 5는 삼축시험 결과를 요약한 것이다.
이에 본 연구에서는 국내 B댐 현장 댐 축조시료에 대하여 최대입경을 달리한 3가지 상사입도시료를 대상으로 같은 상대밀도의 공시체를 제작하고 대형삼축시험을 실시하였으며, 같은 상대밀도의 조건하에서 최대입경의 차이가 조립재료의 전단강도, 변형특성에 미치는 영향을 규명하는데 있어 기초적 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
공시체의 성형은 대형다짐 시험기를 이용하여 소정의 시료를 5등분하여 소정의 높이가 될 때까지 다져 균일한 밀도의 공시체가 성형되도록 하였으며 시료의 자립을 위하여 몰드해체 시 공시체 내부에 약 10Kpa의 부압을 가하였다. 성형된 공시체는 삼축압축셀에 설치한 후 약 10Kpa의 저압하에서 1.
본 연구의 대형삼축시험에서는 실제 현장시료를 시험 공시체의 크기에 맞추어 최대입경을 50mm, 20mm, 10mm로 축소시킨 후 상사입도법을 적용하여 그림 1과 같이 시험 시료를 재구성 하였다. 다음 재구성된 시료를 소정의 밀도(상대밀도 75%)로 다짐 성형한 후 포화, 압밀, 전단과정을 거쳐 시험을 실시하였다.
립재료의 변형거동 특성을 파악하기위해 조립재료의 거동특성을 비교적 잘 표현하는 Hyperbolic model의 parameter를 산정하였으며 산정된 parameter를 비교․분석하여 조립재료의 변형특성 고찰하였다. 산정된 주요계수는 ①비선형 계수 및 응력영향 계수 - Ei, Rf, K, n(Duncan & Chang, 1970), ②비탄성 체적변형계수 - B, Kb, m(Duncan 등 1980), ③초기 포아송비 - νi(Duncan, 1980) 이다.
본 연구에서는 JIS A1210과 ASTM E-12에 근거한 다짐시험 방법으로 최대, 최소단위중량을 각각 산정하였다. 최대건조단위중량은 대형다짐 시험기를 이용하여 일정한 다짐에너지로 다짐횟수를 증가하여 최대값에 수렴한 값으로 하였으며 식 (1)과 같이 쌍곡선(Hyperbola)에 근사시켜 이론적으로 가능한 최대 건조단위중량을 산정하였다.
본 연구에서는 국내 B댐 축조시료-하상 사력재에 대하여 최대입경을 50mm, 20mm, 10mm로 변화하여 재구성된 상사입도시료에 대하여 동일한 상대 밀도의 공시체를 제작하여 대형삼축압축시험을 실시하였으며, 상사 입도시료의 최대입경의 변화가 댐 축조재료의 변형, 전단강도특성에 미치는 영향을 고찰하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 시료의 최대입경의 크기를 각각 50mm, 30mm, 20mm, 10mm로 변화하여 재구성한 시료에 대하여 상대밀도 75%로 공시체를 성형하고 구속압을 달리하여 압밀 후 전단을 실시하였다.
본 연구에서는 최대입경 별 대형다짐 시험결과를 이용하여 대형삼축시험에 사용할 상대밀도 를 산정하였다. 표 3은 최대입경별 최대, 최소 밀도를 나타낸 것이며, 그림 3은 다짐 에너지, 다짐횟수와 건조밀도사의 관계를 도시한 것이다.
본 연구의 대형삼축시험에서는 실제 현장시료를 시험 공시체의 크기에 맞추어 최대입경을 50mm, 20mm, 10mm로 축소시킨 후 상사입도법을 적용하여 그림 1과 같이 시험 시료를 재구성 하였다. 다음 재구성된 시료를 소정의 밀도(상대밀도 75%)로 다짐 성형한 후 포화, 압밀, 전단과정을 거쳐 시험을 실시하였다.
810%의 축변형률 속도는 모래-자갈(sand-graver)질 시료의 응력-변형에 큰 영향을 미치지 않는다고 보고된 바 있다. 삼축압축시험은 배수압밀시험을 실시하였다. 표 3은 최대입경에 따른 공시체의 초기 상태 및 시험 조건을 나타낸 것이다.
6m의 수두차를 이용하여 24시간이상 통수시켜 포화하였다. 시료가 포화된 후에는 소정의 구속압으로 등방압밀시험을 실시하였으며 체적변화량이 일정하면 압밀이 끝난 것으로 간주하고 공시체를 3mm/min(0.5%/min)의 속도로 전단하였다. 기존의 연구결과에 따르면 0.
본 연구에서는 JIS A1210과 ASTM E-12에 근거한 다짐시험 방법으로 최대, 최소단위중량을 각각 산정하였다. 최대건조단위중량은 대형다짐 시험기를 이용하여 일정한 다짐에너지로 다짐횟수를 증가하여 최대값에 수렴한 값으로 하였으며 식 (1)과 같이 쌍곡선(Hyperbola)에 근사시켜 이론적으로 가능한 최대 건조단위중량을 산정하였다. 표 2는 다짐시험 조건을 나타낸 것이다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 대형삼축시험 장비는 직경 300mm, 높이 620mm크기의 공시체를 전단할 수 있는 대형시험 장비로서 정적, 동적하중 조건하에서 모두 동작 가능하다. 축방향의 하중은 전기유압서보 방식으로 최대 600KN까지의 재하 할 수 있으며, 재하속도는 0.
시험시료의 입도는 대형삼축압축 공시체의 직경이 300mm임을 고려하여 시험시료의 최대입경을 각각 50mm, 20mm, 10mm(이하 Dmax50, Dmax20, Dmax10이라 함)로 조정하여 사용하였다. 그림 1은 현장시료 및 시험시료의 입도분포곡선을 나타낸 것이다.
본 연구에서는 평행입자분포법(상사입도)을 적용하여 시험입도를 조정하였다. 시험에 사용된 조립재료는 B댐 축조재료 중 주를 이루는 Zone-3B 축조재료로서 댐 건설 현장 부근에서 채취된 하상골재이다. 현장 원입도 시료는 최대 직경이 500mm이며 통일분류법으로 분류하면 GW로 분류된다.
이론/모형
본 연구에서는 평행입자분포법(상사입도)을 적용하여 시험입도를 조정하였다. 시험에 사용된 조립재료는 B댐 축조재료 중 주를 이루는 Zone-3B 축조재료로서 댐 건설 현장 부근에서 채취된 하상골재이다.
성능/효과
(1) 동일한 다짐에너지 경우 최대입경이 증가에 따라 밀도도 증가하는 것을 알 수 있었으며, 같은 상대밀도에서 최대입경의 증가에 따라 간극비는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 조립재료 상사입도 시료에서 입자의 파쇄가 조립재료의 밀도를 지배하는 주요한 요인으로 작용하고 있음을 알 있었다.
(2) 상사입도시료는 동일한 시험조건(구속압)하에서 최대입경이 커질수록 최대축차응력은 증가하고 최대 축차응력 발현시의 축변형율은 감소하는 것으로 나타났다. 체적변형거동은 최대입경이 커짐에 따라 압축으로부터 다시 팽창되는 거동을 보이고 있다.
(3) 상사입도시료의 내부마찰각은 각각 Dmax10에서 38.675°, Dmax20에서 39.957°, Dmax50에서 41.537°로, Φ0는 Dmax10에서 41.5831°, Dmax20에서 42.990°, Dmax50에서 43.502°로 나타나 최대입경이 커짐에 따라 Φ와 Φ0는 증가하는 것으로 나타났다.
(4) 최대입경 10mm인 Dmax10 시료에 비하여 최대축차 응력은 Dmax20에서 평균 109.88%, Dmax50에서 평균 114.69% 증가하였으며, 축변형률은 Dmax20에서 평균 64.52%, Dmax50에서 평균 71.61%로 감소한 것으로 나타났다.
(5) 내부마찰각은 동일한 시험조건하에서 상사입도시료의 최대입경이 커질수록 증가하는 것으로 나타났으며, 전단강도는 최대입경이 커짐에 따라 구속압 200Kpa, 400Kpa에서는 증가하는 것으로 나타났으나 구속압 100Kpa에서는 거의 근접한 값을 나타내고 있다. 이로부터 내부마찰각 및 전단강도는 구속압 및 최대입경의 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
(6) Hyperbolic model parameter를 산정한 결과 초기 탄성계수 Ei와 할선 탄성계수 E50, 비탄성 체적변형계수 B는 최대입경의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타나 최대입경의 변화가 상사입도시료의 응력, 체적변형 특성에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다, 최대대입경이 작은 상사입도 시료에서 Ei와 E50이 B가 입경이 큰 시료에 비하여 작게 나타나는 것은 상대적으로 낮은 밀도와 세립분의 함량이 많은 것에서 기인한 것으로 사료된다.
)를 산정한 결과를 나타낸 것이다. 최대입경별 전단강도는 그림 9(a)에서 동일한 시료의 경우 구속압이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 그림 9(b)에서는 동일한 구속압하에서 전단강도는 최대입경이 커짐에 따라 구속압 100Kpa에서 적은 상승폭으로 증가하는 경향을 보이고, 구속압 200, 400Kpa하에서는 구속압 100Kpa에 비하여 상대적으로 큰 폭으로 증가는 것으로 나타나 전단강도는 구속압의 영향을 받고 있는 것을 알 수 있다.
시험 결과로부터 알 수 있듯이 상사입도시료의 초기 탄성계수 Ei와 할선 탄성계수 E50은 최대입경의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다. Dmax50과 Dmax20시료는 Dmax10에 비하여 Ei는 각각 평균 139.3%, 124.6%증가하였으며, E50은 각각 평균 141.3%, 135.4% 증가한 것으로 나타났다.
비탄성 체적변형계수 B는 재료의 체적변화거동을 나타내는 계수로서 상사입도시료의 최대입경의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다. Dmax50과 Dmax20시료는 Dmax10에 비하여 평균 171.3% 118.8% 증가한 것으로 나타났다. 최대입경이 큰 시료가 최대입경이 작은 시료에 비하여 상대적으로 큰 값을 가지는 것으로 나타나 최대 입경의 변화가 체적변형특성에 상당히 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다.
61%로 감소한 것으로 나타났다. 각 구속압에서의 내부마찰각은 Dmax20에서 102.05～107.03%로 평균 104.02%, Dmax50에서 102.76～109.81%로 평균 105.82%로 증가한 것으로 나타났다.
동일한 구속압하에서 최대입경이 커질수록 연화현상이 더욱 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있으나 세립토와 같이 현저하지 않고 최대축차응력 발현된 후에도 여전히 큰 응력상태를 유지하는 것으로 나타났다. 이는 조립토의 경우 시료의 밀도가 상대적으로 세립토에 비하여 큰 것에 기인하는 것으로 사료된다.
(1) 동일한 다짐에너지 경우 최대입경이 증가에 따라 밀도도 증가하는 것을 알 수 있었으며, 같은 상대밀도에서 최대입경의 증가에 따라 간극비는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 조립재료 상사입도 시료에서 입자의 파쇄가 조립재료의 밀도를 지배하는 주요한 요인으로 작용하고 있음을 알 있었다.
산정된 Hyperbolic model의 parameter를 표 6에 나타내었다. 시험 결과로부터 알 수 있듯이 상사입도시료의 초기 탄성계수 Ei와 할선 탄성계수 E50은 최대입경의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다. Dmax50과 Dmax20시료는 Dmax10에 비하여 Ei는 각각 평균 139.
시험 결과를 보면 Dmax50은 점착력 15.432Kpa, 내부마찰각 41.537°, Dmax20은 점착력 19.355Kpa, 내부마찰각 39.680°, Dmax10은 점착력 0.239kg/cm2, 내부마찰각 38.675°로 나타났다.
시험결과로부터 알 수 있듯이 내부마찰각은 각각 41.537°, 39.957°, 38.675°로 나타나 최대입경의 작아짐에 따라 내부마찰각도 감소하고 있음을 알 수 있다.
또한 그림 6과 같이 동일한 시험조건(구속압)하에서 최대입경이 커짐에 따라 최대축차응력은 증가하며 구속압이 커질수록 그 증가폭이 큰 것으로 나타났다. 최대 축차응력 발현시의 축변형률은 최대입경이 커짐에 따라 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 최대입경이 Dmax50, Dmax20, Dmax10에서 최대축차응력 발현시의 축 변형률은 6.
최대입경 10mm인 Dmax10 시료에 비하여 최대축차응력은 Dmax20에서 105.18～107.40%로 평균 109.88%, Dmax50에서 107.06～125.13%로 평균 114.69% 증가하였으며, 축변형률은 Dmax20에서 60.26～72.39%로 평균 64.52%, Dmax50에서 65.15～80.21%로 평균 71.61%로 감소한 것으로 나타났다. 각 구속압에서의 내부마찰각은 Dmax20에서 102.
최대 축차응력 발현시의 축변형률은 최대입경이 커짐에 따라 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 최대입경이 Dmax50, Dmax20, Dmax10에서 최대축차응력 발현시의 축 변형률은 6.7%～12.5% 범위로 나타났다.
후속연구
본 연구에서는 최대입경별 상사입도 시료에 대하여 변형, 전단강도 특성에 대하여 고찰한 것으로 추후 같은 밀도, 응력경로, 고구속압 등 시험조건에 따른 상사입도 시료의 거동, 시험과정 중의 시료 입자파쇄, 상사입도시료의 세립분의 함량이 전단거동에 미치는 영향 등에 대하여 추가적인 연구를 실시할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 조립재료라 함은 무엇을 말하는가?
일반적으로 조립재료(coarse materials)라 함은 입경이 0.075mm 내지는 300mm 이상인 모래, 자갈, 암석을 포함한 토질 및 암석 질 재료를 총칭한 것으로 주로 조립자로 구성된 점성이 없는 혼합시료, 혹은 점성시료 중대량의 조립자를 함유하고 있는 혼합토를 조립재료라 한다. 조립재는 시공 중 양호한 다짐특성, 투수특성, 큰 축조밀도, 높은 전단강도, 적은 침하변형, 높은 내하력, 내진특성뿐만 아니라 댐 건설 현장부근에서의 재료원 확보가 용이한 특성으로 인하여 최근 필댐의 건설, 고속철도 노반공사, 건축구조물의 기초지반, 항만 방파제, 인공섬의 축조 등 시공에 광범위하게 적용되고 있다(신동훈, 2001; QIN 등, 2004).
최근 시공기술의 발전함에 따라 댐 축조재료로 사용되는 조립재료의 최대입경은?
최근 시공기술의 발전함에 따라 댐 축조재료로 사용되는 조립재료의 최대입경은 수cm에서 1m이상에 달하고 있다. 하지만 현재 실제 현장시료 입도에 대한 시험을 실시하는 것은 비용적으로 고가일 뿐만 아니라 기술적으로도 많은 문제가 존재한다.
조립재료가 최근 필댐의 건설, 고속철도 노반공사, 건축구조물의 기초지반, 항만 방파제, 인공섬의 축조 등 시공에 광범위하게 적용되고 있는 이유는 무엇인가?
075mm 내지는 300mm 이상인 모래, 자갈, 암석을 포함한 토질 및 암석 질 재료를 총칭한 것으로 주로 조립자로 구성된 점성이 없는 혼합시료, 혹은 점성시료 중대량의 조립자를 함유하고 있는 혼합토를 조립재료라 한다. 조립재는 시공 중 양호한 다짐특성, 투수특성, 큰 축조밀도, 높은 전단강도, 적은 침하변형, 높은 내하력, 내진특성뿐만 아니라 댐 건설 현장부근에서의 재료원 확보가 용이한 특성으로 인하여 최근 필댐의 건설, 고속철도 노반공사, 건축구조물의 기초지반, 항만 방파제, 인공섬의 축조 등 시공에 광범위하게 적용되고 있다(신동훈, 2001; QIN 등, 2004).
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