사질토의 상태정수를 현장시험으로부터 추정하기 위해 실내 챔버에 조성된 부산사에 대해 딜라토미터 시험을 수행하였다. 시험결과, 수평증폭계수($K_D/K_0$)와 상태정수($\Psi$)의 관계는 반대수축상에서 선형관계를 보였으나, 응력이력에 의한 잔류수평응력의 영향으로 과압밀 시료가 정규압밀 시료에 비하여 동일한 상태정수에서 수평증폭계수의 값이 작게 평가되었다. 유효응력으로 정규화된 딜라토미터 계수($E_D/\sigma_m'$)와 상태정수의 관계는 반대수축상에서 선형관계를 만족하였으며, 다소의 분산은 있으나 응력이력에 관계없이 하나의 관계식으로 표현 기능하였다. 다만 응력수준의 영향으로 과압밀 상태보다 정규압밀 상태의 분산이 약간 크게 발생되었으며 구속압이 증가할수록 관계곡선이 하향 이동하는 경향이 나타났다. 기존에 연구된 Ticino sand 및 Toyoura sand와 비교한 결과, $K_D/K_0-\Psi$ 관계는 혼재되어 분포하였으나, $E_D/\sigma_m'-\Psi$ 관계는 시료 압축성의 영향으로 Toyoura sand가 Ticino snad 및 부산사의 상부에 위치하였다.
사질토의 상태정수를 현장시험으로부터 추정하기 위해 실내 챔버에 조성된 부산사에 대해 딜라토미터 시험을 수행하였다. 시험결과, 수평증폭계수($K_D/K_0$)와 상태정수($\Psi$)의 관계는 반대수축상에서 선형관계를 보였으나, 응력이력에 의한 잔류수평응력의 영향으로 과압밀 시료가 정규압밀 시료에 비하여 동일한 상태정수에서 수평증폭계수의 값이 작게 평가되었다. 유효응력으로 정규화된 딜라토미터 계수($E_D/\sigma_m'$)와 상태정수의 관계는 반대수축상에서 선형관계를 만족하였으며, 다소의 분산은 있으나 응력이력에 관계없이 하나의 관계식으로 표현 기능하였다. 다만 응력수준의 영향으로 과압밀 상태보다 정규압밀 상태의 분산이 약간 크게 발생되었으며 구속압이 증가할수록 관계곡선이 하향 이동하는 경향이 나타났다. 기존에 연구된 Ticino sand 및 Toyoura sand와 비교한 결과, $K_D/K_0-\Psi$ 관계는 혼재되어 분포하였으나, $E_D/\sigma_m'-\Psi$ 관계는 시료 압축성의 영향으로 Toyoura sand가 Ticino snad 및 부산사의 상부에 위치하였다.
In this study, a series of flat dilatometer tests are performed for Busan sand reconstituted in a large calibration chamber to evaluate the state parameter ($\Psi$). Experimental result shows that the horizontal amplification factor ($K_D/K_0$) is linearly related with state pa...
In this study, a series of flat dilatometer tests are performed for Busan sand reconstituted in a large calibration chamber to evaluate the state parameter ($\Psi$). Experimental result shows that the horizontal amplification factor ($K_D/K_0$) is linearly related with state parameter in semi-logarithmic space, but the $K_D/K_0$ of OC specimen is smaller than that of NC specimen because of the horizontal residual stress by stress history of OC specimen. The relation between the normalized dilatometer modulus ($E_D/\sigma_m'$) and the state parameter is also linearly expressed in semi-logarithmic space, and the effect of stress history is relatively insignificant in this relation. However, the variation in $E_D/\sigma_m'-\Psi$ relation of NC state is slightly higher than that of OC state due to the effect of the stress level, and the correlation curve is descending with increase of confining stress. The comparison of test result with previous results of Ticino and Toyoura sands shows that the $E_D/\sigma_m'-\Psi$ relation of Toyoura sand is located on upper side than that of Busan and Tieino sands due to the effect of the higher compressibility, whereas the $K_D/K_0-\Psi$ relation of each sand is irregularly distributed.
In this study, a series of flat dilatometer tests are performed for Busan sand reconstituted in a large calibration chamber to evaluate the state parameter ($\Psi$). Experimental result shows that the horizontal amplification factor ($K_D/K_0$) is linearly related with state parameter in semi-logarithmic space, but the $K_D/K_0$ of OC specimen is smaller than that of NC specimen because of the horizontal residual stress by stress history of OC specimen. The relation between the normalized dilatometer modulus ($E_D/\sigma_m'$) and the state parameter is also linearly expressed in semi-logarithmic space, and the effect of stress history is relatively insignificant in this relation. However, the variation in $E_D/\sigma_m'-\Psi$ relation of NC state is slightly higher than that of OC state due to the effect of the stress level, and the correlation curve is descending with increase of confining stress. The comparison of test result with previous results of Ticino and Toyoura sands shows that the $E_D/\sigma_m'-\Psi$ relation of Toyoura sand is located on upper side than that of Busan and Tieino sands due to the effect of the higher compressibility, whereas the $K_D/K_0-\Psi$ relation of each sand is irregularly distributed.
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문제 정의
본 논문에서는 응력과 상태정수가 딜라토미터 시험결과에 미치는 영향을 평가하기 위하여 대형 챔버에 조성된 부산사 시료에 대하여 다양한 상대밀도와 응력 조건에서의 딜라토미터 시험을 수행하였다. 시험 결과와 기존자료를 비교분석하여 응력과 시료특성이 상태 정수와 수평증폭계수 관계에 미치는 영향을 확인하였다.
본 연구에서는 사질토 지반의 응력과 상태정수 그리고 딜라토미터 시험결과의 관계성을 연구하기 위하여 대형 챔버시스템을 이용한 부산사의 딜라토미터 시험을 수행하였으며, 문헌자료인 Ticino sand 및 Toyoura sand 결과와 비교분석하여 시료특성 및 응력수준에 따른 상태정수와 딜라토미터 계수와의 관계를 평가하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
시험 결과와 기존자료를 비교분석하여 응력과 시료특성이 상태 정수와 수평증폭계수 관계에 미치는 영향을 확인하였다. 이와 더불어 딜라토미터 변형계수와 구속응력 그리고 상태 정수의 시료 특성 및 응력이력에 따른 관계성을 연구하여 부산사의 상태정수와 딜라토미터 지수들 간의 관계를 제안하였다.
제안 방법
딜라토미터 멤브레인은 중심부 기준으로 시험 초기 약 20cm 깊이에 위치하며, Bellotti 등(1997)의 챔버실험과 같이 10cm 마다 단계적으로 관입시키면서 시료깊이 30~70cm에서 Po 와 日을 측정하였다. 각 시험결과를 평균하여 상대 밀도와 연직구속압에 따른 수평응력지수, 딜라토미터 계수, 재료지수를 결정하였다.
각각의 목표 상대밀도 40%, 60%, 80%로 조성된 시료에 연직구속압 100, 200, 400kPa로 가압한 정규압밀 시료와 연직구속압을 400kPa까지 가한 후 200, 100, 50kPa 까지 제하하여 과압밀비(OCR)가 2, 4, 8인 과 압밀 상태 시료에 대한 딜라토미터 시험을 수행하였다. 딜라토미터는 그림 8과 같이 폭 95mm, 두께 15mm, 길이 230mm 인 노 모양의 관입체에 60mm 직경의 강철 멤브레인이 장착된 구조로 딜라토미터 시험은 강철 멤브레인에 소정의 변위가 발생할 때의 압력을 측정하여, 이를 통하여 수평 방향 응력과 관련된 지반의 역학적 특성들을 추정한다.
1mm 팽창압력이며, w는 관입 전 간극수압, 은 연직유효응력이다. 딜라토미터 멤브레인은 중심부 기준으로 시험 초기 약 20cm 깊이에 위치하며, Bellotti 등(1997)의 챔버실험과 같이 10cm 마다 단계적으로 관입시키면서 시료깊이 30~70cm에서 Po 와 日을 측정하였다. 각 시험결과를 평균하여 상대 밀도와 연직구속압에 따른 수평응력지수, 딜라토미터 계수, 재료지수를 결정하였다.
특히 분산시스템은 기존의 분산체에 porous plate 를 추가하여 목표 상대밀도의 원활한 조성이 가능하도록 하였다(Choi 등 2010). 목표 상대밀도 40, 60, 80%의 시료를 조성하기 위하여 예비시험을 통하여 결정된 낙하 고에서 시료를 낙사시킨 후, 조성된 시료의 중량과 부피를 측정하여 시료의 최종 상대밀도를 결정하였다. 레이너 시스템을 이용하여 조성된 시료에 top plate를 덮고 시료 하부 split mold를 제거하여도 자립이 가능하도록 시료 내부에 부압을 작용시킨 후 split mold를 제거한다.
사질토의 시료특성이 딜라토미터 지수들과 상태정수 관계에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Ticino sand, Toyoura sand 및 부산사의 결과를 분석하였다. 먼저 상태정수와 딜라토미터 수평증폭계수의 관계는 그림 15와 같이 석영질로 구성되어 압축성이 상대적으로 낮은 Toyoura sand 의 Kd/Ko-屮는 대체적으로 부산사의 상부에 위치하였으며, Ticino sand는 상태정수의 절대값이 증가할수록 부산 사의 상부에 분포하였다.
시험 결과와 기존자료를 비교분석하여 응력과 시료특성이 상태 정수와 수평증폭계수 관계에 미치는 영향을 확인하였다. 이와 더불어 딜라토미터 변형계수와 구속응력 그리고 상태 정수의 시료 특성 및 응력이력에 따른 관계성을 연구하여 부산사의 상태정수와 딜라토미터 지수들 간의 관계를 제안하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 부산사는 부산근해 욕지도 남단 50km에서 준설된 해사로써, 입도분포는 그림 4와 같고, 표 1의 기본특성과 같이 평균입경 0.31mm, sub-angular— angular의 모난 정도를 가지며, 통일분류법에 의해 SP로 분류된다. 부산사의 X선 형광분석 (XRF; X-ray Fluorescence Spectrometry) 결과 주성분인 &。2의 함유량이 76.
본 연구에 사용된 챔버시스템은 그림 6과 같이 높이 1.0m, 직경 1.2m의 챔버셀(chamber cell)과 하부 피스톤, 그리고 각종 관입시험을 위한 아답터가 연결된 상판(如 plate)으로 구성되어 있다. 횡방향 경계조건을 조절할 수 있도록 측면의 챔버셀은 이중벽으로 구성되어 있고, 응력은 챔버의 내측셀, 외측셀 그리고 하부 피스톤과 연결된 제어판에서 조절한다.
성능/효과
(1) 수평응력지수(Kd)는 연직응력으로 정규화한 지수이므로 상대밀도와 응력이력이 주요 영향요인이며 연직 응력 보다는 수평응력의 영향이 지배적이기 때문에 응력이력에 민감하게 반응하였다. 반면 딜라토미터 계수(Ed)는 연직응력, 상대밀도 그리고 응력 이력의 영향이 모두 포함되어 결정되므로 수평 응력 지수에 비하여 응력이력에 의한 영향이 상대적으로 적게 반영되었다.
(2) 부산사의 수평증폭계수(Kd/Ko)와 상태정수(屮) 관계는 이전 연구결과와 유사하게 반대수축상에서 선형관계를 만족하였다. 잔류수평응력에 의한 영향으로 정규 압밀 시료에 비하여 과압밀시료의 수평 증폭 계수 값이 K/Ko-屮에서 약간 하부에 위치하였으나, 약간 과압밀부터 정규압밀 지반은 동일한 관계식을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 동일 상태정수에 대하여 딜라토미터 계수와 유효응력의 비는 비교적 일정하게 나타나며 상태 정수가 음(- )의 방향으로 증가할수록 딜라토미터 계수를 평균 유효 응력으로 나눈 값(Eo/Om')이 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 정규화한 딜라토미터 계수와 상태 정수는 ED/Om-aexp(-Pv) 형태의 관계식으로 표현되었다.
(4) 부산사의 정규화된 딜라토미터 계수와 상태정수 관계를 도시한 결과 약간의 분산은 있으나 정규 압밀과 과압밀 상태를 하나의 관계식으로 표현할 수 있었다. 다만, 응력수준의 영향으로 과압밀 시료보다 정규 압밀 시료의 분산이 다소 크게 발생하였다.
(5) 부산사, Ticino sand 그리고 Toyoura sand에 대한 정규화된 딜라토미터 계수와 상태정수의 관계를 분석한 결과, 상태정수가 음의 값으로 증가할수록 수평 증폭 계수가 증가하는 경향은 있으나 상관성은 다소 낮게 결정되었다. 주성분이 석영질인 Toyoura sand 가 정규화된 딜라토미터 계수와 상태정수 관계의 최상부에 위치하며, Ticino sand와 부산사는 비슷한 위치에 분포하여 시료특성(압축성)에 의한 영향이 존재하는 것으로 판단된다.
즉, 응력수준 변화에 대한 Eo/Om'의 대수축상 변화량과 상태정수의 자연 축 상의 변화량이 동일한 경우는 응력수준에 상관없이 하나의 관계식으로 표현할 수 있으나, 그림 12와 같이 응력수준 증가에 대한 정규화된 딜라토미터 계수의 대수축상 감소량이 상태정수의 변화량에 비하여 큰 경우는 응력수준이 증가할수록 관계곡선이 하향 이동하는 경향을 보이게 되는 것이다. 결과적으로 屮=0에서의 절편은연직응력이 50kPa일 때 160.68에서 400kPa인 경우 113.08 로 응력수준이 증가할수록 감소하며 관계곡선의 기울기 또한 400kPa인 경우를 제외하고 6.53(50kPa)에서 5.63 (200kPa)로 감소하는 것으로 분석되었다.
이와 같은 결과는 시료의 수평응력이 정지토압계수와 수평 응력 지수에 미치는 상대적 영향 때문으로 정지토압계수는 수평 응력과 수직응력의 비로써 과압밀에 따른 수평응력의 변화가 그대로 반영되나, 수평응력지수는 측정값 Po와 수직 응력의 비이며 P。에는 수평응력 뿐만 아니라 수직 응력의 영향도 일부분 포함되어 있으므로 과압밀에 따른 P。의 증가비가 수평응력 증가비에 비하여 상대적으로 작다. 결과적으로 과압밀에 의한 수평응력지수의 증가비가 정지토압계수의 증가비에 비하여 작기 때문에 OCR 이 증가할수록 동일 상태정수에 대한 수평증폭계수가 감소하는 경향이 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 그림 11과 같이 과압밀영역의 추세선이 정규압밀영역의 추세선에 비하여 하부에 위치하며 상태정수에 따른 수평 증폭 계수의 차이 또한 시험범위 내에서 최대 1.
나눈 값(Ed/Oh;)이 증가하는 경향을 나타내었다. 결론적으로 평균유효응력으로 정규화한 딜라토미터 계수와 상태정수 사이에는 일정한 관계가 성립함을 알 수 있다.
정규압밀 시료의 수평 응력 지수는 상대 밀도가 증가할수록 증가하는 것으로 분석되었으며, 동일 상대밀도일 경우 연직응력 증가에 관계없이 일정한 값을 가지거나 소폭 감소하는 경향을 나타내었다. 과 압밀 시료의 수평응력지수는 응력이력에 의한 잔류 수평 응력 증가의 영향으로 정규압밀시료에 비하여 증가하였으며 이러한 경향은 OCR이 증가할수록 현저하게 나타났다.
그림 12는 부산사의 챔버 딜라토미터 시험 결과를 평균 유효 응력과 상태정수에 따라 도시한 것으로, 동일 상태 정수에 대하여 딜라토미터 계수와 유효응력의 비가 비교적 일정한 값을 가지는 것으로 관찰되었다 또한 상태 정수가 음의 값으로 증가할수록 딜라토미터 계수를 평균 유효 응력으로 나눈 값(Ed/Oh;)이 증가하는 경향을 나타내었다. 결론적으로 평균유효응력으로 정규화한 딜라토미터 계수와 상태정수 사이에는 일정한 관계가 성립함을 알 수 있다.
Ticino sand 분포와 유사하다. 대상 자료 전체를 하나의 관계식으로 회귀분석한 결과 시료특성에 의한 분산의 영향으로 결정계수가 0.667로 상당히 낮은 것으로 평가되었다.
첫째, 동일한 상대 밀도의 시료에 대한 구속압과 딜라토미터 계수의 관계는 선형이 아니라, 구속압이 증가할수록 정규화된 딜라토미터 계수(Ed/福)는 감소하는 경향을 나타낸다. 둘째 동일한 응력 변화 조건(&%')에 대하여 상태정수 변화량과 비교하여 대수축상의 정규화된 딜라토미터 계수의 변화량이 상대적으로 크다. 즉, 응력수준 변화에 대한 Eo/Om'의 대수축상 변화량과 상태정수의 자연 축 상의 변화량이 동일한 경우는 응력수준에 상관없이 하나의 관계식으로 표현할 수 있으나, 그림 12와 같이 응력수준 증가에 대한 정규화된 딜라토미터 계수의 대수축상 감소량이 상태정수의 변화량에 비하여 큰 경우는 응력수준이 증가할수록 관계곡선이 하향 이동하는 경향을 보이게 되는 것이다.
표현하였다. 또한 Ticino sand와 Hokksund sand에 대한 챔버시험 결과를 분석하여 그림 3과 같이 딜라토미터 수평증폭계수(Kd/Ko)와 상태정수 관계가 응력이력 여부에 상관없이 양호한 것을 확인하였다.
분석되었다. 또한 정규화한 딜라토미터 계수와 상태 정수는 ED/Om-aexp(-Pv) 형태의 관계식으로 표현되었다.
먼저 상태정수와 딜라토미터 수평증폭계수의 관계는 그림 15와 같이 석영질로 구성되어 압축성이 상대적으로 낮은 Toyoura sand 의 Kd/Ko-屮는 대체적으로 부산사의 상부에 위치하였으며, Ticino sand는 상태정수의 절대값이 증가할수록 부산 사의 상부에 분포하였다. 상태정수 증감에 대한 수평 증폭 계수 변화의 경향성은 유사한 것으로 분석되었으나 전체 데이터를 하나의 관계식으로 표현한 결과, 시료 특성에 따른 상태정수와 수평증폭계수 관계의 편차가 발생하여 상관성이 다소 낮은 것으로 분석되었다(】=0.754).
또한, 콘저항치와 관련된 연구결과들(Been 등 1986, 1987; Kim 등 2007) 을 통하여 정규화된 콘저항치와 상태정수가 일정한 관계를 가짐을 확인할 수 있었다. 연구 결과를 종합하면 정규화된 콘저항치 - 상태정수의 관계와 유사하게 응력으로 정규화된 딜라토미터 계수 또한 상태정수 변화에 따른 관계성이 성립할 수 있을 것으로 판단된다.
만족하였다. 잔류수평응력에 의한 영향으로 정규 압밀 시료에 비하여 과압밀시료의 수평 증폭 계수 값이 K/Ko-屮에서 약간 하부에 위치하였으나, 약간 과압밀부터 정규압밀 지반은 동일한 관계식을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
관계이다. 정규압밀 시료의 수평 응력 지수는 상대 밀도가 증가할수록 증가하는 것으로 분석되었으며, 동일 상대밀도일 경우 연직응력 증가에 관계없이 일정한 값을 가지거나 소폭 감소하는 경향을 나타내었다. 과 압밀 시료의 수평응력지수는 응력이력에 의한 잔류 수평 응력 증가의 영향으로 정규압밀시료에 비하여 증가하였으며 이러한 경향은 OCR이 증가할수록 현저하게 나타났다.
종합하면, 수평증폭계수와 상태정수의 관계는 본 연구 결과만으로는 시료특성에 따른 뚜렷한 경향성을 파악할 수 없으나 정규화된 딜라토미터 계수와 상태 정수의 관계는 압축성에 의한 영향이 상당함을 알 수 있었다. 다양한 시료에 대한 시험자료 수집, 분석을 통하여 시료 특성 등을 합리적으로 고려한다면 딜라토미터 시험을 이용한 원지반 상태정수 평가의 신뢰성이 향상될 것으로 판단된다.
다음과 같은 원인에 의해 발생된다. 첫째, 동일한 상대 밀도의 시료에 대한 구속압과 딜라토미터 계수의 관계는 선형이 아니라, 구속압이 증가할수록 정규화된 딜라토미터 계수(Ed/福)는 감소하는 경향을 나타낸다. 둘째 동일한 응력 변화 조건(&%')에 대하여 상태정수 변화량과 비교하여 대수축상의 정규화된 딜라토미터 계수의 변화량이 상대적으로 크다.
후속연구
다양한 시료에 대한 시험자료 수집, 분석을 통하여 시료 특성 등을 합리적으로 고려한다면 딜라토미터 시험을 이용한 원지반 상태정수 평가의 신뢰성이 향상될 것으로 판단된다.
콘관입시험은 다양한 사질토에 대한 챔버시험 결과와 이를 분석하여 대상 사질토의 특성을 고려한 상태 정수를 결정할 수 있는 관계식이 제안되어있으나 딜라토미터 시험은 현재까지 챔버에서 시행된 시험결과가 한정적이므로 사질토의 조성광물과 압축성 등의 고유변수(intrinsic variable)를 고려하여 상태정수를 산정하는 것은 한계가 있다 그러나 향후 사질토에 대한 시험 결과들이 축적되고 이를 활용한 연구가 진행된다면 이러한 문제점들을 극복하고 딜라토미터 시험을 이용한 상태 정수 평가방법의 신뢰성이 향상될 것으로 사료된다.
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