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문제 정의
- 본 연구는 설계 동착강도를 산정하기 위한 기존 연구동향을 분석하고, 이를 바탕으로 동결온도와 지중응력의 영향을 고려할 수 있는 보다 합리적인 동착강도 산정방법의 제안을 목적으로 수행되었다. 본 논문은 기존에 제안되고 있는 동착강도 산정방법들의 특성을 정리하고 본 연구에서 수행한 직접전단시험의 구체적인 방법과 측정 결과를 정리한다. 이어서 실험을 통해 측정된 동착강도와 기존 동착강도 산정방법에 의해 추정된 결과들을 정량적으로 비교/분석하고, 실험결과를 바탕으로 추정된 전단 강도와 동착강도의 비 7■, 값을 이용하여 동결토의 전단 강도로부터 동착강도를 추정할 수 있는 방법을 제안한다.
- 한계가 있는 것으로 판단된다. 본 연구는 설계 동착강도를 산정하기 위한 기존 연구동향을 분석하고, 이를 바탕으로 동결온도와 지중응력의 영향을 고려할 수 있는 보다 합리적인 동착강도 산정방법의 제안을 목적으로 수행되었다. 본 논문은 기존에 제안되고 있는 동착강도 산정방법들의 특성을 정리하고 본 연구에서 수행한 직접전단시험의 구체적인 방법과 측정 결과를 정리한다.
- 1960년대 이후로 기초 설계를 위한 동착강도 산정을 위한 다양한 방법이 제안되어 왔으나 그 결과 값의 편차가 크고 마찰면에 수직 방향으로 작용하는 지중응력의 영향을 무시하는 등 실제 기초설계를 위한 정수산정방법으로 활용하기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 합리적인 동착강도 산정방안을 도출하기 위한 목적으로 사질토와 알루미늄 모형재료를 활용하여 1)동결 사질토 전단시험과 2) 알루미늄 모형재료-동결 사질토 전단시험을 수행하였고, 다음과 같은 연구결과를 도출하였다.
가설 설정
- 여기서, 상온에서의 실험결과는 토사가 동결하기 직정0 전, 즉 온도조건 o°c 직전까지 동일하다고 가정하였고 그래프 상에서는 0℃ 에 위치시켰다. 그림 9에서 횡축은 동결온도를, 종축은 전단강도와 동착강도를 나타내고 있으며, 실선(solid line)의 추세선으로 연결된 결과가 전단 강도를, 점선어ashed line)의 추세선으로 연결된 결과늠 <가 동착강도를 의미한다.
제안 방법
- 여기서, 비교에 활용된 부착력 a는 수직응력에 대한동착강도 그래프(그림 8참조)에서 1차원 회귀분석으로 추정된 직선과 종축이 만나는 교점에서 나타나는 동착강도를 의미한다. 기존 산정방법을 활용하여 동착강도를 추정할 때, 토사는 모두 사질토 조건을 선택하였고 말뚝 재료에 대한 수정계수는 본 실험시 활용된 알루미늄 모형재료와 가장 유사한 강재재료에 대한 수정계수 값을 활용하였으며, 동결토의 장기전단강도(%) 및 장기 점착력(cQ는 각각 최대 전단강도(叮) 및 점착력(c)로 대체하여 산정하였다 그 결과 -2℃ 조건에서는 Fang(1991)이 제안한 동착강도가 HOkPaS. 실험결과인 140kPa과 가장유시한 결과를 나타내었고 -5℃ 조건에서는 Bowles(1996)가 제안한 동착강도가 533kPa로 실험결과인 548kPa과 편차가 가장 적었으며 전반적인 경향은 Line"과 Lobacz(1980) 가 제안한 방식의 추정결과가 가장 유사한 경향을 나타냈다.
- 2) 알루미늄모형재료.동결 사질토 전단시험을 각각 상온(비동결 상태), -2℃, -5℃ 의 동결온도 조건에서 수행하였으며, 각 온도 조건별로 latm, 2atm, 3atrMlatm=98kPa)의 수직 응력을 재하하였다. 실험결과 동결온도 조건이 낮아질수록, 또는 수직응력이 커질수록 동결 사질토의 전단 강도 및 알루미늄 모형재료와 동결 사질토의 표면에서 작용하는 동착강도가 크게 나타나는 경향을 보였다.
- 동결된 시료의 전단 시, 수평변위로 인해 감소하는 실제 전단면의 면적에서 작용한 전단응력을 정확하게 측정하기 위하여 각 수평변위에 대하여 전단면 면적을 보정하였으며, 전단속도는 Parameswaran(1978)의 동착강도 측정실험에서 활용된 변위재하속도를 적용하여 분당 0.1%의 변형율이 발생하도록 O.lmm/mfai의 속도를 적용하였다.
- 알루미늄 모형재료-동결 사질토 전단시험을 위한 시료는 그림 6과 같이 평평한 면을 갖도록 제작된 알루미늄 모형을 하부 전단 박스에 삽입하고 상부전단박스에 토사를 채우는 방식으로 제작하였으며, 동결토 전단시험을 위한 시료와 마찬가지로 동결을 시작하기 전 1시간동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다. 동착강도가 발현되는 알루미늄 모형의 표면은 거칠기가 없도록 매끈하게 가공하였으며, 베어링을 삽입하여 상하부 전단박스의 거리를 0.3mm 간격으로 띄워 두 이질재료의 표면에서 순수한 동착강도가 발현될 수 있도록 하였다
- 본 연구에서 수행한 전단시험은 동토지역의 저온 환경을 모사하기 위하여 대형 냉동챔버 내에서 대기 온도를 영하로 유지한 상태에서 수행되었고 최저 -30℃의 온도 조건에서도 가동과 측정이 가능하도록 제작된 동결토 전단시험장비를 활용하였다. 동결토 전단시험기는 수평 하중, 수직변위, 수평변위를 각각 0.
- 66)를 기준으로 제작하였다. 시료는 주문 제작한 다짐봉을 사용한 3증다짐을 통하여 제작되었고, 동결을 시작하기 전 1시간 동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다. 알루미늄 모형재료-동결 사질토 전단시험을 위한 시료는 그림 6과 같이 평평한 면을 갖도록 제작된 알루미늄 모형을 하부 전단 박스에 삽입하고 상부전단박스에 토사를 채우는 방식으로 제작하였으며, 동결토 전단시험을 위한 시료와 마찬가지로 동결을 시작하기 전 1시간동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다.
- 시료는 주문 제작한 다짐봉을 사용한 3증다짐을 통하여 제작되었고, 동결을 시작하기 전 1시간 동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다. 알루미늄 모형재료-동결 사질토 전단시험을 위한 시료는 그림 6과 같이 평평한 면을 갖도록 제작된 알루미늄 모형을 하부 전단 박스에 삽입하고 상부전단박스에 토사를 채우는 방식으로 제작하였으며, 동결토 전단시험을 위한 시료와 마찬가지로 동결을 시작하기 전 1시간동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다. 동착강도가 발현되는 알루미늄 모형의 표면은 거칠기가 없도록 매끈하게 가공하였으며, 베어링을 삽입하여 상하부 전단박스의 거리를 0.
- 앞서 정리한 전단실험결과를 바탕으로 동결토의 전단 강도와 알루미늄 모형재료와 동결 사질토의 접촉면에서 작용하는 동착강도의 관계를 분석하기 위하여 동결온도 조건에 대한 강도를 그림 9와 같이 도시화하였다. 여기서, 상온에서의 실험결과는 토사가 동결하기 직정0 전, 즉 온도조건 o°c 직전까지 동일하다고 가정하였고 그래프 상에서는 0℃ 에 위치시켰다.
- 본 논문은 기존에 제안되고 있는 동착강도 산정방법들의 특성을 정리하고 본 연구에서 수행한 직접전단시험의 구체적인 방법과 측정 결과를 정리한다. 이어서 실험을 통해 측정된 동착강도와 기존 동착강도 산정방법에 의해 추정된 결과들을 정량적으로 비교/분석하고, 실험결과를 바탕으로 추정된 전단 강도와 동착강도의 비 7■, 값을 이용하여 동결토의 전단 강도로부터 동착강도를 추정할 수 있는 방법을 제안한다.
대상 데이터
- 36t/m3의 물리적 특성을 나타내는 주문진 표준사를 활용하였다. 동결 사질토 전단시험을 위한 시료는 공기 중의 습윤화를 방지하기 위하여 토사를 건조로에서 꺼낸 직 후에 중량을 측정함으로서 노건조 직후를 기준으로 제작되었으며, 상대밀도 76.9%(e=0.66)를 기준으로 제작하였다. 시료는 주문 제작한 다짐봉을 사용한 3증다짐을 통하여 제작되었고, 동결을 시작하기 전 1시간 동안 수침시켜 시료를 완전 포화시켰다.
- 본 연구에서는 1)동결 사질토 전단시험과 2) 알루미늄모형재료.동결 사질토 전단시험을 각각 상온(비동결 상태), -2℃, -5℃ 의 동결온도 조건에서 수행하였으며, 각 온도 조건별로 latm, 2atm, 3atrMlatm=98kPa)의 수직 응력을 재하하였다.
- 실험에 활용된 토사는 표 4에서 정리하고 있는 바와 같이 비중 267, 최대/최소 건조밀도는 각각 1.70t/m3과 1.36t/m3의 물리적 특성을 나타내는 주문진 표준사를 활용하였다. 동결 사질토 전단시험을 위한 시료는 공기 중의 습윤화를 방지하기 위하여 토사를 건조로에서 꺼낸 직 후에 중량을 측정함으로서 노건조 직후를 기준으로 제작되었으며, 상대밀도 76.
- 수평하중의 재하 및 로드 셀 (load cell) 최대 측정값은 각각 5ton이며, 수직변위계 (LVDT) 측정범위는 100mm이다. 전단박스는 가로 세로 크기가 100mm X 100mm이고 높이가 40mm인 정방형박스를 활용하였다. 그림 5는 동결토 전단시험기의 모습과 주요 구성요소들의 명칭을 나타내고 있다.
데이터처리
- 2차원 보간법을 활용하여 추정한 결과를 바탕으로 동결토의 동착강도와 전단강도의 비 七(=7臨/지 를 계산흐卜 였다. 그 결과 -2℃ 동결조건에서 수직응력 latm, 2atm, 3atm 조건에서 각각 0.
- 그림 10으로부터 -5℃~0℃의 동결온도 범위에서 각 수직응력조건에 따른 전단강도와 동착강도의 비 %를추정할 수 있다. 식 (5)의 방법을 통한 동착강도 산정 방법의 정확성을 확인하기 위하여 La混nyi와 Theriault(1990)의 기존 실험결과와 비교해 보았다. Ladanyi와 Theriault (1990)는 -2℃ 의 동결조건에서 수직응력 45, 105, 202, 225, 396kPa 조건에서 동결토 전단시험과 알루미늄 재료에 대한 동착강도 측정실험을 수행하였고 그 결과를 동착강도와 전단강도의 비로 나타내면 각각 0.
성능/효과
- 기존 산정방법을 활용하여 동착강도를 추정할 때, 토사는 모두 사질토 조건을 선택하였고 말뚝 재료에 대한 수정계수는 본 실험시 활용된 알루미늄 모형재료와 가장 유사한 강재재료에 대한 수정계수 값을 활용하였으며, 동결토의 장기전단강도(%) 및 장기 점착력(cQ는 각각 최대 전단강도(叮) 및 점착력(c)로 대체하여 산정하였다 그 결과 -2℃ 조건에서는 Fang(1991)이 제안한 동착강도가 HOkPaS. 실험결과인 140kPa과 가장유시한 결과를 나타내었고 -5℃ 조건에서는 Bowles(1996)가 제안한 동착강도가 533kPa로 실험결과인 548kPa과 편차가 가장 적었으며 전반적인 경향은 Line"과 Lobacz(1980) 가 제안한 방식의 추정결과가 가장 유사한 경향을 나타냈다. 하지만, 기존 동착강도 산정방법들은 같은 조건에서도 산정방법에 따라 동착강도의 편차가 비교적 크게 나타났으며, 실험결과를 통해 확인한 바와 같이 수직 응력이 커질수록 동착강도가 커지는 현상을 반영할 수 없어 소정깊이 이상의 지중에서 기초구조물에 작용하는 설계 동착강도를 산정하기 위한 방식으로는 적합하지 않은 것으로 판단되었다.
- (1) 실험결과 동결 사질토의 전단강도 行와 알루미늄 모형재료-동결 사질토 접촉면에서 작용하는 동착강도 7臨는 동결온도가 낮아질수록, 수직응력이 커질수록 증가하는 경향을 나타내었다.
- (2) 실험을 통해 측정된 동착강도와 기존에 제안된 산정 방법들로 추정한 동착강도를 비교해본 결과 같은 조건에서도 산정방법에 따라 동착강도의 편차가 비교적 크게 나타났다.
- (3) 2차원 보간법을 활용해 추정한 전단강도와 동착강도의 추세선을 바탕으로 동결토 전단강도와 동착강도의 비 七(=如/行)를 산정한 결과, 토사의 동결 직후 七 가 급격히 감소하다가 동결온도가 낮아질수록 수렴구간을 형성해가는 경향을 나타냈으며, 그래프로부터 결정된 命값을 활용하여 동결토 전단 강도로부터 동착강도를 추정할 수 있는 방법을 제안하였다
- (4) 본 연구에서 제안된 %는 -2℃ 의 동결온도 조건에서 기존 연구결과와 비교하여 상대적으로 편차가 작게 나타났으며 선형적인 관계를 나타냈다. 하지만 기존연구에서 측정된 결과들과 비교하여 전체적으로 큰 값을 나타내 본 연구결과의 정확성을 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 수행되어야 할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과 -2℃ 동결조건에서 수직응력 latm, 2atm, 3atm 조건에서 각각 0.15, 0.18, 0.22의 비를 나타냈으며, 동결온도가 -5℃ 조건으로 낮아질수록 %의 값이 약 0.25 로 수렴구간을 형성하는 경향을 나타냈다. 그림 10은 그림 9에 나타낸 동착강도와 전단강도 값의 비율을 동결온도에 대하여 나타낸 것으로 전반적으로 동결 직후 동착강도와 전단강도의 비 七 값이 급격히 감소하다가 동결온도가 낮아질수록 증가하며 수렴구간을 형성해 나가는 경향을 나타내고 있다.
- 그림 9에서 횡축은 동결온도를, 종축은 전단강도와 동착강도를 나타내고 있으며, 실선(solid line)의 추세선으로 연결된 결과가 전단 강도를, 점선어ashed line)의 추세선으로 연결된 결과늠 <가 동착강도를 의미한다. 그림 9에서 나타낸 추세선은 2차원 보간법 (polynomial inteimlatkm)을 사용하여 추정한 곡선으로 두 실험결과들은 각각 온도의 변화에 따라 전단강도의 경우 위로 볼록한 2차원 곡선 형태를 나타내며 증가하고 있으며, 동착강도의 경우 아래로 볼록한 2차원 곡선 형태를 나타내며 증가하는 경향을 보였다. 또한, 수직응력의 차이에 따라 일정한 비율의 간격을 두고 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
- Ladanyi와 Theriault(1990)의 실험 결과를 통해 측정된 동착강도와 전단강도의 비는 편차가 크고 비교적 산발적으로 나타나 이를 그림 11의 빗금 친 부분과 같이 범위로 제시하였으며, 문헌조사 결과 동착강도와 전단강도의 비를 활용한 동착강도 산정 식을 제안하지 않은 것으로 알려져 있다. 반면, 본 연구에서 측정된 %값은 그림 11의 본 연구결과에 나타낸 바와 같이 -2℃이 동결온도 조건에서 비교적 선형적인 관계를 나타냈으며 1차원 회귀분석으로 추정한 추세선으로부터 Ladamyi와 Theriault(1990)의 기존실험에서 측정된 수직응력조건에 따른 %값은 각각 0.11, 0.14, 0.18, 0.19, 0.24로 나타났다. 본 연구결과는 기존 실험결과와 비교하여 작게는 약 1.
- 24로 나타났다. 본 연구결과는 기존 실험결과와 비교하여 작게는 약 1.6배에서 크게는 3.7배의 차이를 나타냈으며, 기존 실험결과로부터 제안되고 있는 동착강도와 전단강도 비의 범위로부터 벗어나 전체적으로 크게 나타나고 있다. 하지만 기존 실험결과로부터 제안되고 있는 동착강도와 전단강도 비의 범위는 그 측정 결과 값의 편차가 크고, 제시하고 있는 범위가 넓어 수직 응력이 미치는 영향의 경향성을 분석하기위한 자료로는 신뢰성이 떨어지는 것으로 판단된다.
- 동결 사질토 전단시험을 각각 상온(비동결 상태), -2℃, -5℃ 의 동결온도 조건에서 수행하였으며, 각 온도 조건별로 latm, 2atm, 3atrMlatm=98kPa)의 수직 응력을 재하하였다. 실험결과 동결온도 조건이 낮아질수록, 또는 수직응력이 커질수록 동결 사질토의 전단 강도 및 알루미늄 모형재료와 동결 사질토의 표면에서 작용하는 동착강도가 크게 나타나는 경향을 보였다. 각 실험조건별 결과 값은 표 5에 구체적으로 나타내었다.
- 그림 8은 알루미늄 모형재료와 동결 사질토간의 동착강도시험 결과로, 시료 파괴 시점에서 나타난 동착강도 膈를 종축에, 해당 시료에 재하된 수직응력。를 횡축에 대하여 나타내고 있으며, 각 온도 조건별 측정결과에 대하여 1차원 회귀분석으로 추정한 직선으로부터 산정된 두 이질재료간 부착력 a와 마찰각 d의 값을 나타내고 있다. 여기서 각 온도조건별 1차원 회귀 분석 결과 동결토 전단강도의 경우 추세선의 결정계수 代2값이 평균 0.9968이며, 알루미늄과 동결 사질토의 동착강도의 경우 추세선의 /产값이 평균 0.9907로 비교적 안정적인 분석결과를 나타냈다.
- 없이 동결시켰다. 포화된 시료의 중심부까지 냉동챔버의 동결온도조건과 평형을 이루는 총 동결시간을 정확히 파악하기 위하여 중심부에 온도계를 삽입한 예비시료를 만들어 시료내부 온도를 측정하였고 수회에 걸친 온도측정결과 냉동챔버의 동결온도 -20 조건에서 약 10시간정도의 시간이 흐르면 냉동챔버 내부의 대기 온도와 시료중심부의 온도가 평형을 이룬다는 사실을 확인할 수 있었다. 이러한 경험을 바탕으로 본 실험에서는 시료를 약 24시간동안 충분히 동결시켰다.
- 실험결과인 140kPa과 가장유시한 결과를 나타내었고 -5℃ 조건에서는 Bowles(1996)가 제안한 동착강도가 533kPa로 실험결과인 548kPa과 편차가 가장 적었으며 전반적인 경향은 Line"과 Lobacz(1980) 가 제안한 방식의 추정결과가 가장 유사한 경향을 나타냈다. 하지만, 기존 동착강도 산정방법들은 같은 조건에서도 산정방법에 따라 동착강도의 편차가 비교적 크게 나타났으며, 실험결과를 통해 확인한 바와 같이 수직 응력이 커질수록 동착강도가 커지는 현상을 반영할 수 없어 소정깊이 이상의 지중에서 기초구조물에 작용하는 설계 동착강도를 산정하기 위한 방식으로는 적합하지 않은 것으로 판단되었다.
후속연구
- 하지만 기존 실험결과로부터 제안되고 있는 동착강도와 전단강도 비의 범위는 그 측정 결과 값의 편차가 크고, 제시하고 있는 범위가 넓어 수직 응력이 미치는 영향의 경향성을 분석하기위한 자료로는 신뢰성이 떨어지는 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구 결과와 Ladamyi와 Theriault(1990)의 기존 연구 결과의 일대일 비교결과는 향후 보다 다양한 수직응력 및 토사 조건에서의 추가적인 실험을 통해 축적된 데이터를 바탕으로 면밀하게 분석될 필요가 있을 것으로 판단된다. 두 연구.
- 필요로 한다. 또한, 본 연구에서 제안한 계수 %는 평평한 알루미늄 모형재료와 일정한 재하속도 및 토사 종류에 대한 것으로 기초구조물의 표면 거칠기에 대한 보정계수를 정량적으로 분석하고 활용할 수 있는 방안을 도출하기 위한 추가적인 연구가 필요하며 하중의 재하속도와 토사종류 등 다양한 인자들이 동착강도에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 말뚝구조물의 표면 거칠기를 정량적으로 분석하기 위해서는 재료 표면의 단면도를 활용하여 거칠기를 정량화 할 수 있는 프랙탈계수(firactal dimension)의 개념을 적용하는 방법이 효과적일 것으로 판단된다(Vallejo 와 Zhou, 1995).
- 본 연구는 한정된 동결온도 조건(-5℃~상온) 내에서 수행된 것으로 향후 연구결과의 폭넓은 활용을 위하여 동결온도 범위를 최저 -20℃ 까지 확대한 추가적인 실험을 필요로 한다. 또한, 본 연구에서 제안한 계수 %는 평평한 알루미늄 모형재료와 일정한 재하속도 및 토사 종류에 대한 것으로 기초구조물의 표면 거칠기에 대한 보정계수를 정량적으로 분석하고 활용할 수 있는 방안을 도출하기 위한 추가적인 연구가 필요하며 하중의 재하속도와 토사종류 등 다양한 인자들이 동착강도에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 제안한 동착강도 산정방법은 동결토 전단 강도를 기준점(reference point)으로 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 가능성을 제시하며, 향후 말뚝 재료의 표면거칠기, 재하속도 토사종류 등에 관한 추가적인 연구수행을 통하여 다양한 영향인자들을 다차원적으로 고려할 수 있는 합리적인 계수 七의 산정방안이 도출될 수 있을 것으로 사료된다.
- 선형적인 관계를 나타냈다. 하지만 기존연구에서 측정된 결과들과 비교하여 전체적으로 큰 값을 나타내 본 연구결과의 정확성을 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 수행되어야 할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
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