[논문]낙동강 모래와 건설재료간의 직접전단시험에 의한 마찰각 특성

김영수; 김대만

doi:10.7843/kgs.2009.25.4.105

문제 정의

본 논문에서는 낙동강 유역의 모래와 여러 건설재료들로 직접전단시험을 실시하여 그 결과로부터 표면 마찰각을 산정하여 제시하고자 한다. 시료 채취장소인 낙동강 유역은 영남지방의 중앙저지를 흘러 부산 을숙도에 이르는 모래 지반이 넓은 지역에 걸쳐 분포되어있다.
본 연구에서는 낙동강 유역에 분포하는 모래의 내부마찰각과 모래와 건설재료들과의 접촉면에서 발생되는 표면 마찰각의 특성을 파악하기 위하여 모래의 상대 밀도와 전단속도를 변화시켜 목재, 강재, 몰탈, 그리고 역청 재와 같은 건설재료에 대하여 일련의 직접 전단시험을 실시하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
상대적 거칠기 정도는 몰탈, 거친면 목재, 역청재, 매끈면 목재, 강재순으로 나타났다. 이 시험을 통하여 각 재료들의 정확한 거칠기는 구할 수는 없지만 본 연구에서 각 재료들 간의 상대적 거칠기 정도를 정량적으로 비교하기 위하여 실시하였다.

제안 방법

각 건설재료의 상대적 표면거칠기 정도를 정량적으로 평가하기 위하여 tilting test를 실시하였다. 사진 4와 같이 시험기 바닥에 건설재료를 놓고 고정시킨 후 그 위에 건설재료들과 같은 크기의 직경 9cm, 무게 약 1kg 의 매끈한 강재료를 얹은 다음 기울기를 차츰 증가시켜 강 재료가 움직 일 때의 각도를 측정하였다.
낙동강 모래의 간극비 혹은 상대밀도에 따른 모래의 내부마찰각과 그리고 건설재료들의 표면마찰각 변화를 살펴보기 위하여 일반적으로 가장 많이 사용되는 전단 속도 1%/min의 경우에 대하여 그림 7과 같이 간극비(e)와 상대밀도(Dr)의 변화에 따른 마찰각을 도시하였으며, 또한 낙동강 모래의 간극비와 상대밀도로부터 내부마찰각과 건설재료간의 표면마찰각을 산정할 수 있는 식을 제시하였다. 제시된 식을 통하여 낙동강 모래 지반의 상태와 건설재료에 따라 마찰각을 간단히 구할 수 있어 낙동강 유역에 건설되는 다양한 구조물의 기초설계 시 도움이 되리라 생각된다.
5, 1.0, 그리고 ZOkg/cm? 로 가하였으며, 수직응력을 준 뒤 모래의 재정렬에 따른 압축이 모두 발생될 때까지 기다린 후 전단을 실시하였다. 전단 시 전단속도의 영향을 알아보기 위하여 0.
하였다. 몰탈은 전단상자의 규격과 같은 링을 거푸집으로 사용하여 7일간의 양생 후 사용하였다. 그리고 역청 재료는 아스팔트 포장에 사용하는 것으로 역청 재료만으로는 모래와의 직접전단시험을 할 수 없기 때문에 목재에 역청을 입혀 시험을 실시하였는데, 나뭇결의 영향을 제거하기 위하여 역청재료를 충분히 두텁게 하였다.
평가하기 위하여 tilting test를 실시하였다. 사진 4와 같이 시험기 바닥에 건설재료를 놓고 고정시킨 후 그 위에 건설재료들과 같은 크기의 직경 9cm, 무게 약 1kg 의 매끈한 강재료를 얹은 다음 기울기를 차츰 증가시켜 강 재료가 움직 일 때의 각도를 측정하였다. 각 재료마다 3번씩 측정을 실시한 후 평균값을 구하였으며, 그리고 가장 작은 거칠기를 보인 강재를 기준하여 각 재료의 상대적 거칠기 정도를 표 3에 나타내었다.
0, 그리고 ZOkg/cm? 로 가하였으며, 수직응력을 준 뒤 모래의 재정렬에 따른 압축이 모두 발생될 때까지 기다린 후 전단을 실시하였다. 전단 시 전단속도의 영향을 알아보기 위하여 0.1, 1.0%/min 두 가지의 전단속도로 하였고 모든 시험에서 변위는 재료 직경의 15%인 13.5mm까지 전단을 실시하였다.
전단속도의 영향을 파악하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태의 모래에 대하여 0.1, 1.0%/min의 두 가지 전단 속도로 시험을 실시하였다.
따라서 낙동강 모래와 다양한 건설재료들과의 접촉면에서 발생되는 표면마찰각을 정량적으로 분석함으로써 낙동강 유역에 건설되는 다양한 지반구조물의 설계 시 도움이 될 것으로 생각된다. 표면마찰 각의 변화를 살펴보기 위하여 모래의 상대밀도, 수직 응력, 그리고 전단속도를 변화시켜 목재, 강재, 몰탈, 그리고 역청재료와의 직접 전단시험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 사용된 모래는 낙동강 중류 지역의 모래로 채취 후 균질한 모래에 대한 시험을 위하여 #20체 ~#200체 사이의 잔류모래를 흐르는 물에 씻어서 clean sand로 만들어 시험에 사용하였다. 사진 2와 같이 입자는 약간 모나거나 둥글며, 균등계수는 1.
사진 1은 시험기와 전단 상자를 나타낸 것으로 사용되는 시료의 크기는 직경 9cm, 높이 4.5cm이다. 전단시 전단상자간의 마찰을 최소화시키기위하여 사진 1에서 보듯이 상부 전단상자에 나사가 설치되어 있어 상자간의 간격을 0.
시험에 사용된 건설재료는 목재, 강재, 몰탈 그리고 역청 재료로서 목재의 경우 거친면과 매끈한 면을 가진 두 종류의 목재를 사용하였다 거친면은 절단 톱을 사용한 면을 그대로 사용하였고, 매끈한 면은 절단 뒤 사포를 통하여 표면을 부드럽게 처리하였다 강재는 일반 합금강을 사용하였고, 표면은 매끈하게 연마처리 하였다. 몰탈은 전단상자의 규격과 같은 링을 거푸집으로 사용하여 7일간의 양생 후 사용하였다.
시험에 사용된 시험기기는 수직응력을 air-actuator로 재하하고 수평응력은 모터로 변위를 제어할 수 있는 자동 직접 전단 시험기이다. 사진 1은 시험기와 전단 상자를 나타낸 것으로 사용되는 시료의 크기는 직경 9cm, 높이 4.

이론/모형

시험에 사용된 모든 모래시료는 건조 퇴적법(坷 deposition method)으로 성형하였다. Oda 등(1972)과 Yamamuro 등(1999)의 연구에 의하면 건조 퇴적법은 자연적으로 퇴적된 모래와 유사한 입자구조를 만들고 시료에 매우 낮은 퇴적에너 지를 가하므로 이는 실제 호수나 강바닥의 퇴적 상태를 재현한 느슨하고 압축성의 시료를 성형할 수 있다고 하였다.

성능/효과

(1) 모래의 내부마찰각이 모래와 건설재료간의 표면 마찰각보다 항상 크게 나타났다. 건설재료의 표면 마찰각 크기는 상부모래가 느슨한 상태의 전단속단 0.
(2) 기존의 연구결과와 마찬가지로 전단속도에 따른 마찰각을 비교한 결과 평균적으로 느슨한 모래에서는 1.0%/min의 결과가 0.1%/min의 결과보다 약 1.9%, 조밀한 모래에서는 약 2.5%정도 크게 나타나 전단 속도가 빠를수록 마찰각의 조금 증가되었고, 또한 느슨한 모래보다 조밀한 모래에서 전단속도에 대한 영향이 더 크게 미치는 것을 알 수 있었다.
(3) 모래의 간극비가 작아짐에 의한 조밀화에 따라 모든 경우에서 마찰각 증가는 선형적으로 비례하여 증가하였으며, 간극비와 상대밀도의 변화에 따른 낙동강 모래의 내부마찰각과 건설재료간의 표면 마찰각을 산정할 수 있는 식을 제시하였다.
항상 크게 나타났다. 건설재료의 표면 마찰각 크기는 상부모래가 느슨한 상태의 전단속단 0.1%/min일 때를 제외하고는 모두 몰탈, 거친면 목재, 역청재, 매끈면 목재, 그리고 강재의 순으로 크게 나타났으며, 이는 각 건설재료의 상대적 표면 거칠기 크기의 순서와 동일하여 표면거칠기가 표면 마찰각에 큰 영향을 미치는 주요인자임을 알 수 있었다.
그리고 매끈(smooth)면과 거친(rough)면 목재의 경우 매끈면 목재는 2~3mm에서 최대전단응력이 발생하였으나 거친면 목재에서는 3~5mm의 변형에서 최대전단응력이 발생하였다. 따라서 건설재료의 표면이 거친 재료일수록 최대전단응력 발생 시의 변형은 표면이 매끈한 재료에 비하여 크게 나타나는 경향이 있었으며, 또한 전단속도가 빠를수록 최대전단응력이 빨리발생되고 파괴 이후의 잔류변형도 비교적 일정하게 나타났다.
각 재료마다 3번씩 측정을 실시한 후 평균값을 구하였으며, 그리고 가장 작은 거칠기를 보인 강재를 기준하여 각 재료의 상대적 거칠기 정도를 표 3에 나타내었다. 상대적 거칠기 정도는 몰탈, 거친면 목재, 역청재, 매끈면 목재, 강재순으로 나타났다. 이 시험을 통하여 각 재료들의 정확한 거칠기는 구할 수는 없지만 본 연구에서 각 재료들 간의 상대적 거칠기 정도를 정량적으로 비교하기 위하여 실시하였다.
감소를 고려하지 않았다. 전단시험 결과 대부분 수직 응력이 클수록 최대전단응력(peak)이 뚜렷이 나타났으며, 최대전단응력 이후 잔류변형은 소성변형의 형태로 진행되었다. 몰탈의 경우에서는 비교적 큰 변형인 5mm 정도에서 최대전단응력이 나타난 반면, 강재의 경우는 1mm 정도의 작은 변형에서 최대전단응력이 나타나고 그 후 잔류변형은 완전소성변형의 형태로 진행되었으며, 최대전단응력과 잔류전단응력이 거의 비슷하였다.
1%/min 일 때 보다 전반적으로 약간 크게 나타났다. 평균적으로 느슨한 모래에서는 1.0%/min의 결과가 0.1%/min의 결과보다 약 1.9%, 조밀한 모래에서는 약 2.5%정도 크게 나타나 전단 속도가 빠를수록 마찰각의 조금 증가되 었고, 또한 느슨한 모래보다 조밀한 모래에서 전단속도에 대한 영향이 더 크게 미치는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이러한 지역에 크고 작은 제방, 댐 그리고 교량을 비롯한 많은 토목 구조물뿐만 아니라 대단위 주택단지를 포함한 건축 구조물들이 건설되어 있고, 더욱이 2012년까지 14조원을 투입해 낙동강을 포함한 4대강 정비 사업을 실시할 계획이어서 앞으로도 많은 구조물의 시공이 예상되는 지역이다. 따라서 낙동강 모래와 다양한 건설재료들과의 접촉면에서 발생되는 표면마찰각을 정량적으로 분석함으로써 낙동강 유역에 건설되는 다양한 지반구조물의 설계 시 도움이 될 것으로 생각된다. 표면마찰 각의 변화를 살펴보기 위하여 모래의 상대밀도, 수직 응력, 그리고 전단속도를 변화시켜 목재, 강재, 몰탈, 그리고 역청재료와의 직접 전단시험을 실시하였다.
제시하였다. 제시된 식을 통하여 낙동강 모래 지반의 상태와 건설재료에 따라 마찰각을 간단히 구할 수 있어 낙동강 유역에 건설되는 다양한 구조물의 기초설계 시 도움이 되리라 생각된다.

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