[논문]선행압축이론을 이용한 화강풍화토의 다짐 후의 간극비로부터 지반강도정수 추정 방법

함태규

doi:10.7843/kgs.2009.25.6.89

문제 정의

본 논문에서는 화강풍화토를 이용한 일차원압축시험과 불포화 삼축압축시험을 실시해 다짐재료의 간극비와 최대건조밀도의 물리적 지표와 내부마찰각, 점착력의 강도정수와의 관계를 평가하고, “선행압축이론, 을이 용하여 다짐 후의 밀도와 간극비로부터 지반 강도 정수를 추정하는 방법을 제시하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
본 연구는 다짐재료의 물리적인 지표와 역학적 정수와의 관계를 명확히 하고 설계에 필요한 역학정수를 간극비 및 건조밀도 등의 물리적 지표를 통해 간단히 추정하는 방법을 제시하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 다짐도가 서로 다른 화강풍화토를 이용한 일차원압축시험과 불포화삼축압축시험을 실시해 다짐재료의 간극비와 최대건조밀도의 물리적 지표와 내부마찰각, 점착력의 강도정수와의 관계를 평가하고, ''선행압축이론'' 을 이용한 다짐 후의 밀도와 간극비로부터 지반 강도 정수를 추정하는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 시료에 함유되어 있는 1차광물 및 점토광물의 종류를 조사하기 위하여 X선회절을 실시하였다(그림 1 참조). 그림 1로 부터 본 연구에서 사용한 화강풍화토는 석영, 장석 그리고 점토광물인 카올리나이트(kaolinite) 로 조성되어 있는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 시료의 다짐특성에 미치는 다짐 에너지의 영향을 조사하기 위하여 3종류의 화강풍화토에 대해, 25kg의 램머를 사용하여 1층당 다짐횟수를 15, 25, 35, 50회로 다짐에너지를 349kJ/m3, 581W/m3, 814kJ/m3, U62kJ/m3로 조절한 다짐시험을 실시하였다.
또한 그 적용성은 Yasuhuku 등 (1985)과 村田 등(1987)에 의해 확인되었다. 본 연구에서는 실험방법이 용이한 강열감량을 이용하여 본 연구에서 사용하는 화강풍화토의 풍화도를 조사하였다. 강열감량은 HS A 1226(KS F 2104)에 의거하여 실시되었고, 건조로에서 건조시킨 시료를 750笆의 강열감량형건조로에서 한 시간 건조시킨 후 강열전후의 질량 차를 조사하였다 그 결과를 표 1에 나타내었다’ 실험 결과로부터 강열감량은 SD, UBE, MA 순으로 SD의 풍화도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
5를 나타내는 것을 여러가지 사질토를 사용한 일차원압축시험을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 최적 함수비로 다짐된 화강풍화토에 있어서도 항복응력 이후의 압축지수 G 는 화강풍화토의 종류 및 상대밀도에 관계없이 동일한 값을 나타내는지를 확인하기 위하여, 풍화 도가 서로 다른 3종류의 화강풍화토를 이용하여 상대 밀도 £>尸60, 100, 140%를 목표로 최적함수비상태에서 탬핑법으로 공시체를 제작하였다.

제안 방법

삼축압축시험에 사용한 공시체는 "를 그림 5에 나타내는 것과 같이 다짐시험(JIS A 1210)을 통해 얻은 다짐 곡선으로부터 다짐도 Dc 가 80, 90, 95, 100%가 되도록 제작하였다. 제작방법은 직경 50mm, 높이 lOOrnn의 몰드안에 최적함수비상태의 시료를 5회에 걸쳐 충진시키고 각각 예비실험을 통해 결정된 재하하중 a 을 사진 1의 프레스기를 이용해 재하시켜 목표의 다짐도가 되도록 신중히 시도되었다.
방법을 제시하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 다짐도가 서로 다른 화강풍화토를 이용한 일차원압축시험과 불포화삼축압축시험을 실시해 다짐재료의 간극비와 최대건조밀도의 물리적 지표와 내부마찰각, 점착력의 강도정수와의 관계를 평가하고, ''선행압축이론'' 을 이용한 다짐 후의 밀도와 간극비로부터 지반 강도 정수를 추정하는 방법을 제시하였다.
40으로 거의 동일한 값으로 평가되었다. 이러한 결과로부터 본 연구에서는 다짐으로 인해 증가되는 선행압축응력 Po' 이론을 이용하여 간극비 및 건조밀도의 물리적 지표로부터 강도 정수。, 切를 추정하는 방법을 제안하였다.
먼저, 다짐재료의 압축지수 Cc 와 팽창지수 G, 선행 압축응력 Po' 를 산출하기 위한 일차원압축시험을 실시한다. 본 연구에서는 그림 14와 같이 M仏를 이용해 최적 함수비(w°pt=10%)에서 상대밀도 玖=130%가 되도록 다짐한 공시체를 이용하여 실시한 일차원압축시험 결과로부터 Po' 를 정의하였다.
본 연구에서 실시한 일차원압축시험의 재하속도는 O.lmm/min로 최대하중 90MPa까지 시험을 실시하였다. 일차원압축시험 에 사용된 공시체의 초기상대밀도 ;為, 초기간극비 e° 는 표 2와 같다.
본 연구에서는 공시체를 30, 60, 120kPa의 3종류의 구속압으로 압밀한 후, 변형률속도 O.lmm/min로 잔류상태 확인을 위해 축변형률 30%까지 불포화삼축압축시험을 실시하였다. 각 시험의 구속압 次, 공시체의 다짐도 Dc, 초기상대밀도 Dm, 초기간극비 e° 는 표 3과 같다.
제작하였다. 제작방법은 직경 50mm, 높이 lOOrnn의 몰드안에 최적함수비상태의 시료를 5회에 걸쳐 충진시키고 각각 예비실험을 통해 결정된 재하하중 a 을 사진 1의 프레스기를 이용해 재하시켜 목표의 다짐도가 되도록 신중히 시도되었다.

대상 데이터

1 참조). 그림 1로 부터 본 연구에서 사용한 화강풍화토는 석영, 장석 그리고 점토광물인 카올리나이트(kaolinite) 로 조성되어 있는 것을 알 수 있다.
또한 a, 6 는 실험정수로 재료의 종류에 따라서 다르다고 할 수 있다. 본 연구에서 사용한 MA의 실험 정수 a =0.026, 6=0.564 인 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 3종류의 화강풍화토의 2mm체 통과분을 일차원압축시험에 사용하였다. 사용된 화강풍화토는인천시 송도에서 채취한 송도화강풍화토, 일본 야마구치현(山口県) 우베시(宇部市)에서 채취한 우베화강풍화토, 그리고 일본 시마네현(島根県) 마츠에시(松江市)에서 채취한 마츠에화강풍화토로 이하 3종류의 화강풍화토를 “SD” EBE” “MA” 라고 칭한다.
본 연구에서는 3종류의 화강풍화토의 2mm체 통과분을 일차원압축시험에 사용하였다. 사용된 화강풍화토는인천시 송도에서 채취한 송도화강풍화토, 일본 야마구치현(山口県) 우베시(宇部市)에서 채취한 우베화강풍화토, 그리고 일본 시마네현(島根県) 마츠에시(松江市)에서 채취한 마츠에화강풍화토로 이하 3종류의 화강풍화토를 “SD” EBE” “MA” 라고 칭한다. 표 1에 본 연구에서 사용된 시료의 물리적 특성을 나타내었다.

이론/모형

많다. 본 연구에서는 이러한 화강풍화토의 입도분포를 보다 정확히 파악하기 위하여 입도분포실험에 일반적으로 사용되는 체분석(이흐卜, dry method라고 칭함)과, 체분석 중 물을 흘려보내어 단입화(団粒化) 되어 있는 입자를단입자(単粒子)로 분류하는 방법(이하 wet method 라고 칭함)을 사용하였다. wet method 에서는 입자 75p.

성능/효과

(5) 다짐 후의 간극비로부터 강도정수를 추정하는 방법을 제안하였고 본 연구에서 사용한 "는 선행 압축응력 Po' 와 _Cpeak및 _©peak는 양대수상 직선관계를 나타내며 그 기울기는 ©peak 가 0.026, Cpeak 는 0.564 인 것으로 평가되었다.
(1) 본 연구에서 사용한 화강풍화토 중 다짐횟수의 증가에 따른 최대건조밀도 증가량과 최적함수비의 감소량은 풍화도가 가장 높은 SD가 가장 크다. 이로써 본 연구에서 실시한 다짐에너지하에서는 다짐 횟수의 증가에 따른 최대건조밀도 증가정도와 최적 함수비의 감소정도는 풍화도에 의존하는 것으로 평가되었다.
(2) 화강풍화토의 최적함수비에서 실시한 일차원압축시험 결과 압축지수가 0.32~0.40인 것이 확인되었으며, Nakata 등(2001)이 실시한 건조상태의 시료보다는 약간 작은 값을 나타내고 있으나 재료와 상대 밀도에 관계없이 거의 동일한 값을 나타내는 것으로 평가되었다.
(3) 불포화 삼축압축실험결과 다짐도 Dc=90, 95, 100% 의 결과에서는 명확한 피크강도가 확인되는 조밀한 모래의 전형적인 취성파괴 거동을 나타내며, 구속압의 증가에 따라 응력비의 피크가 소실되는 구속압 의존성 특성이 확인되었다. 이로써 본 연구에서 사용한 화강풍화토에서는 다짐도의 증가에 따라 구속압 의존성 특성이 현격히 나타나는 것으로 평가되었다.
(4) 다짐으로 인해 공시체는 과압밀 상태에 이르고 다짐 에너지의 증가로 공시체의 강도정수도 증가 되며, 강도정수는 건조밀도와 간극비라고 하는 물리적 지수와 깊은 관계가 있다.
또한 표 4에 그 측정값을 나타내고 있다. 그림 8(a)로부터 SD는 다짐횟수 15회에서 50회의 증가에 따라 최대건조밀도가 0.18g/cm³, UBE는 O.O₈g/cm³, MA는 0.1g/cm³ 증가했으며, 그 증가 정도의 차이는 미세하나 본 연구에서 사용한 화강풍화토 중 풍화 도가 가장 높은 SD의 증가정도가 가장 큰 것으로 확인되었다. 또한 그림 8(b)로부터 SD는 다짐횟수 15회에서 50회의 증가에 따라 최적함수비가 4.
1g/cm³ 증가했으며, 그 증가 정도의 차이는 미세하나 본 연구에서 사용한 화강풍화토 중 풍화 도가 가장 높은 SD의 증가정도가 가장 큰 것으로 확인되었다. 또한 그림 8(b)로부터 SD는 다짐횟수 15회에서 50회의 증가에 따라 최적함수비가 4.6%, UBE는 2.6%, M仏는 2.9% 감소했으며, SD의 감소량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 이로써 본 연구에서 실시한 다짐 에너지 하에서는 다짐횟수의 증가에 따른 최대건조밀도 증가 정도와 최적함수비의 감소정도는 풍화도에 의존하는 것으로 평가되었다.
모두 명확한 최대건조밀도 Z?tax 가 확인되었고, 다짐 에너지 증가와 함께 최적함수비가 감소되고, 최대건조밀도가 증가되는 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 실험방법이 용이한 강열감량을 이용하여 본 연구에서 사용하는 화강풍화토의 풍화도를 조사하였다. 강열감량은 HS A 1226(KS F 2104)에 의거하여 실시되었고, 건조로에서 건조시킨 시료를 750笆의 강열감량형건조로에서 한 시간 건조시킨 후 강열전후의 질량 차를 조사하였다 그 결과를 표 1에 나타내었다’ 실험 결과로부터 강열감량은 SD, UBE, MA 순으로 SD의 풍화도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
그림으로부터 다짐도 Z)c=80%에 있어서는 변형률이 증가함에 따라 전단응력이 증가하여 명확한 피크강도가 확인되지 않는 전현적인 느슨한 모래의 연성파괴 거동을 나타내고 있다. 그에 반해 다짐도 Dc=90, 95, 100%의 결과에서는 명확한 피크강도가 확인되는 조밀한 모래의 전형적인 취성파괴 거동을 나타내며, 구속압의 증가에 따라 응력 비의 피크가 소실되는 구속압 의존성 특성이 확인되 었다. 이로써 본 연구에서 사용한 화강풍화토에서는 다짐도의 증가에 따라 구속압 의존성 특성이 현격히 나타나는 것으로 평가되었다.
본 연구에서 사용한 3종류의 화강풍화토에서도 압축 항복 응력이 확인되었고, 시료에 관계없이 압축 항복 응력 이후의 압축곡선의 기울기 Cc 는 0.32~0.40으로 거의 동일한 값으로 평가되었다. 이러한 결과로부터 본 연구에서는 다짐으로 인해 증가되는 선행압축응력 Po' 이론을 이용하여 간극비 및 건조밀도의 물리적 지표로부터 강도 정수。, 切를 추정하는 방법을 제안하였다.
5를 나타내고 있는 것은 Nakata 등(2001)에 의해 확인되었다. 본 연구에서 실시한 3종류의 화강풍화토의 최적 함수비에서 실시한 일차원압축시험 결과 압축지수가 0.32~0.40인 것이 확인되었으며, Nakata 등(2001)이 실시한 건조상태의 시료보다는 약간 작은 값을 나타내고 있으나 재료에 관계없이 거의 동일한 값을 나타내는 것으로 평가되었다.
그에 반해 다짐도 Dc=90, 95, 100%의 결과에서는 명확한 피크강도가 확인되는 조밀한 모래의 전형적인 취성파괴 거동을 나타내며, 구속압의 증가에 따라 응력 비의 피크가 소실되는 구속압 의존성 특성이 확인되 었다. 이로써 본 연구에서 사용한 화강풍화토에서는 다짐도의 증가에 따라 구속압 의존성 특성이 현격히 나타나는 것으로 평가되었다.
9% 감소했으며, SD의 감소량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 이로써 본 연구에서 실시한 다짐 에너지 하에서는 다짐횟수의 증가에 따른 최대건조밀도 증가 정도와 최적함수비의 감소정도는 풍화도에 의존하는 것으로 평가되었다.
9% 감소했으며, SD의 감소량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 이로써 본 연구에서 실시한 다짐 에너지 하에서는 다짐횟수의 증가에 따른 최대건조밀도 증가 정도와 최적함수비의 감소정도는 풍화도에 의존하는 것으로 평가되었다.
dry method 로구한 입도분포곡선보다 wet method 를 이용해 얻은 입도 분포곡선은 전체적으로 좌측으로 이동되어 있으며, 체분석 시 물을 흘려보냄으로 단류화 되어 있던 입자가 단일화되어 세립분이 증가되는 것을 알 수 있다. 이상 의결과는 화강풍화토의 입도분포를 조사하기 위해서는 체분석 시 물을 흘려보내어 단입화(団粒化) 되어 있는 입자를 단입자(単粒子)로 분류하는 방법이 효과적이라는 것을 시사한다. 그림 3에 wet method 로 조사한 전시료의 입도분포곡선을 나타내고 있다.
그림 13으로부터 다짐도 Dc 의증 가에 따라 점착력 Cpeak 과 내부마찰각 由妙 도 함께증가되며, 다짐으로 인해 공시체는 과압밀 상태에 이르며 다짐에너 지의 증가로 공시체의 강도정수도 증가되는 것을 의미한다. 이상의 결과는 강도정수는 다짐도에 의존하며 건조밀도와 간극비라고 하는 물리적지수와 깊은 관계가 있는 것으로 평가된다.
그러나 본 연구에서 사용하고 있는 화강풍화토(특히 장석)는 다짐에너지에 의해 입자파쇄가 발생되기 쉬운 재료로 알려져 있다(함태규 & 김욱기, 2008). 최대 최소밀도시험으로부터 얻은 최대밀도는 입자파쇄를 고려하지 않은 상태이므로 공시체 제작중 입자파쇄가 발생되면 최대최소밀도시험으로부터 얻은 최대밀도보다 큰 건조밀도를 얻게 되어 상대밀도가 100%를 넘는 공 시체의 제작이 가능하다고 할 수 있다.

후속연구

이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 방법을 통해 강도 정수인 점착력과 내부마찰각을 간극비라고 하는 물리적 지표를 이용해 간단히 추정할 수 있는 것을 확인하였으며, 향후 여러 재료를 이용한 관련 연구수행을 통한 검증을 통해 본 연구에서 제안한 방법의 신뢰성을 높인다면, 토공구조물에 역학정수를 이용한 보다 안정된 설계 및 현장관리가 가능할 것으로 사료된다.

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