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문제 정의
- 본 연구에서는 전단응력비(τ/τf) 개념을 도입, 국내에서 보편적으로 사용되고 있는 대표적 쇄석 보조기층재료에 대한 대형 반복 삼축압축시험을 통하여 영구변형 특성을 파악하였으며 이를 기초로 쇄석 보조기층재료 만을 위한 영구변형 모델의 수립에 필요한 모델 파라미터를 결정하는데 그 목적을 두었다.
- 본 연구에서는, 이러한 큰 입경의 재료로 구성된 대형 시편에 대한 영구변형시험을 실시할 수 있도록 대형반복삼축압축 시험장치를 구성하였다. 최근 도로교통하중의 증가로 포장설계시 하부구조구성층 중 비처리 입상보조기층의 두께가 점차 두꺼워 지는 추세를 보이고 있으며 이에 따라 해당층에서의 영구변형 발생특성을 정확하게 파악할 필요가 대두되었다.
제안 방법
- 따라서, 최적함수비에서 성형된 샘플에 가할 수 있는 구속응력 및 축차응력 등 재하응력조건을 먼저 결정하였다. 구속응력과 축차응력의 조합을 결정한 후 시편에 대한 반복재하중은 Haversine 파형으로써 0.1초의 하중재하와 0.9초의 휴지기를 하나의 싸이클(cycle)로 하여 각 하중 조합별 총 10,000회 씩의 축압축 반복재하를 가하였다.
- 국내에서 보조기층 재료로 사용되는 쇄석입상재료 중 경상도 및 강원도의 석산에서 생산된 재료를 입수하여 시방규정에서 요구하는 입도(표 3)가 되도록 재입도조정을 실시하였다. 표 4는 쇄석재료의 기본물성치, 표 5는 체가름 시험결과이다.
- 포장체의 정확한 공용성평가를 위해서는 포장하부층인 노상 및 입상보조기층에서의 영구변형 예측이 필요하다. 기 개발된 영구변형 예측모델은 반복삼축실험 등 실내시험에 의한 실험모델, 현장 실주행시험 등에 입각한 경험적 모델, 포장가속시험(APT)에 의한 역학-경험적 모델 및 이론 모델 등으로 구분된다. 이와 같은 영구변형 예측모델을 정리하면 표 1과 같다.
- 이와 같이 전단응력 비를 고려하면 포장체 입상층재료의 영구변형을 제어할 수 있는 허용응력을 결정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 영구변형시험을 위한 반복삼축압축시험에 앞서 시험 대상 입상보조기층재료에 대한 정삼축시험(CD)을 먼저 실시하여 쇄석재료의 강도정수를 결정하였다. 정삼축시험은 영구변형시험에 사용된 동일한 대형삼축쎌을 사용하여 실시하였다.
- 본 시험에서 사용된 입상 쇄석재료는 영구변형에 미치는 함수비의 영향이 크지 않은 것으로 판단된 바 있다. 따라서, 최적함수비에서 성형된 샘플에 가할 수 있는 구속응력 및 축차응력 등 재하응력조건을 먼저 결정하였다. 구속응력과 축차응력의 조합을 결정한 후 시편에 대한 반복재하중은 Haversine 파형으로써 0.
- , Resilient Modulus)시험에 대한 응력조건은 AASHTO T307-99(2002) 및 한국형포장 설계법(국토해양부, 2009) 등에 제시되어 있으나 영구변형 시험에 대한 응력조건은 국내외에 아직까지 통일된 방법이 확립되지 않았으므로, 본 연구에서는 유한요소해석으로 얻은 포장체의 응력 조건과 한국형포장설계법의 탄성계수모델 결정에 사용한 응력조건을 고려하여 응력 조합을 결정하였다. 먼저 시험하고자 하는 각 해당 구속 응력단계에서, 설정된 전단응력비에 해당하는 축차응력을 계산하고 이를 시험에 적용하였다. 시험에 사용된 구속응력과 전단응력비 및 이에 상응하여 소요되는 축차응력 및 응력조합하중반복횟수는 표 7 및 표 8과 같다.
- 먼저, 측정된 축변형량(δ)으로부터 축압축 영구변형률(ερ)을 계산하기 위하여 선형변위계(LVDT)로 측정된 축변형량에 대한 시편의 높이변화를 고려하여 총축압축변형률(εt)을 계산하고 각 하중재하횟수 별 회복변형률(εr)과 영구변형률(ερ)을 분리하여 계산하였다.
- 정삼축시험은 영구변형시험에 사용된 동일한 대형삼축쎌을 사용하여 실시하였다. 시험시의 샘플의 직경 D=30cm, 높이 h=60cm이었으며 최적 다짐조건을 구현하기 위하여 다짐시험(E-다짐)에서 사용한 다짐에너지를 고려하여 시료성형에 사용되는 다짐에너지와 이에 상응하는 다짐층당 램머의 타격횟수 및 다짐층수를 결정하였다. 정삼축 시험으로부터 확인된 쇄석재료의 전단강도 정수는 표 6과 같다.
- 입도조정된 국내 대표적인 쇄석보조기층재료에 대한 대형반복삼축시험을 실시한 실험결과 중 영구변형률~반복재하횟수 사이의 상관성을 비교, 분석하여 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 초기 결정된 구속응력에 대하여 전단응력비 0.3 또는 0.5 및 0.7에 해당하는 축차응력을 계산하고 이를 이용하여 5,000회의 반복하중을 선행하여 가한 후 계속하여 전단응력비 0.5 또는 0.7에 해당하는 축차응력으로 증압하거나 연속하여 5,000회 추가 재하하는 방법으로 시험을 실시하였다(표 7 참조).
- 회복탄성계수 (ER, Resilient Modulus)시험에 대한 응력조건은 AASHTO T307-99(2002) 및 한국형포장 설계법(국토해양부, 2009) 등에 제시되어 있으나 영구변형 시험에 대한 응력조건은 국내외에 아직까지 통일된 방법이 확립되지 않았으므로, 본 연구에서는 유한요소해석으로 얻은 포장체의 응력 조건과 한국형포장설계법의 탄성계수모델 결정에 사용한 응력조건을 고려하여 응력 조합을 결정하였다. 먼저 시험하고자 하는 각 해당 구속 응력단계에서, 설정된 전단응력비에 해당하는 축차응력을 계산하고 이를 시험에 적용하였다.
데이터처리
- Power 모델과 VESYS 모델을 이용하여 본 연구에서 실시한 영구변형 시험 결과로 국내 쇄석재료에 대한 모델의 적합성을 판단하고 최적의 모델파라미터를 획득하기 위해 회귀분석을 실시하였다. 그림 6은 경상도 화강암 쇄석재료에 대한 시험데이터 중 구속응력 69kPa에서 전단응력비 변화에 따라 측정된 영구변형률을 Power 모델 및 VESYS 모델을 이용한 예측결과와 비교한 것이다.
이론/모형
- Tseng and Lytton(1989)에 의해 제안된 TTI 모델은 AASHTO 2002(MEPDG) 설계지침에 채택된 모델로서 비처리 된 쇄석기층 및 보조기층 등의 입상재료와 노상재료에 공히 적용할 수 있도록 제시되었다(식 3).
성능/효과
- 1. 쇄석보조기층재료의 경우 구속응력과 전단응력비의 영구변형에 미치는 영향이 큰 것을 확인하였다. 이는 얇은 포장하부층에서 구속응력이 작고 전단강도에 근접한 전단응력이 발생할 경우 영구변형의 발생이 커 질수 있음을 의미한다.
- 2. 반복재하 횟수가 증가할수록, 전단응력비가 클수록, 구속압이 작을수록 영구변형률이 더 많이 발생하는 경향을 확인할 수 있었으며 반복재하횟수의 증가에 따른 영구변형률의 발생경향은 쌍곡선(hyperbolic)함수와 같은 형태의 비선형적 증가특성을 보였다.
- 3. 전단응력비가 클수록 영구변형률이 반복재하 초기에 집중적으로 발생하며 일정 반복재하횟수를 넘어서면 추가적인 영구변형률의 발생은 감소추세를 보였다.
- 4. 동일시료, 동일구속압력에서 전단응력비를 한 단계 증가(반복재하횟수 5,000회 이후)시키면 영구변형률이 급격히 증가되는 특성을 보였다.
- 5. 초기 전단응력비가 클 경우(예, τ/τf=0.7)에는 초기 전단응력비가 작다가 증가되는 경우(τ/τf=0.3, 0.5에서 τ/τf=0.7로 각 5,000회 재하후 전단응력비 증가)에 비하여 10,000회 반복재하후의 최종 영구변형률이 더 크게 발생함을 확인하였다.
- 6. 강도정수 값이 큰 강원도 변성암의 경우 강도정수 값이 작은 경상도 화강암에 비하여 구속압의 영구변형에 미치는 영향이 더 작게 나오는 경향을 보였다.
- Power 모델 및 VESYS 모델 모두 낮은 영구변형률에서는 예측값과 실험값에 차이가 있었으나 반복재하회수가 증가할수록 예측값과 실험값이 잘 일치하는 경향을 보여주었다. 2개의 모델은 비교적 양호한 영구변형 예측수준을 보여주었다(표 9 참조).
- 이와 같이 계산된 영구변형률을 재료별, 응력조합별 및 전단응력비에 따라 정리하면 그림 2~그림 3과 같다. 각 석산재료별, 각 구속압 단계에서 3개씩의 샘플에 대한 시험결과를 정리한 것으로서 반복재하횟수가 증가할수록, 전단응력비가 클수록 및 구속압이 작을수록 영구변형률이 더 많이 발생하는 경향을 확인할 수 있었으며 반복재하횟수의 증가에 따른 영구변형률의 발생경향은 쌍곡선 (hyperbolic) 함수와 같은 형태의 비선형적 증가특성을 보였다. 특히, 전단응력비가 클수록 영구변형률이 반복재하 초기에 집중적으로 발생하며 일정 반복재하횟수를 넘어서면 추가적인 영구변형률의 발생(영구변형률 발생률 : ε*=dε/dt)은 점차적인 감소추세를 보였다.
- 각 재료별 특성을 살펴보면, 경상도 화강암재료의 경우 초기 전단응력비가 0.3/0.7인 경우 5,000회 반복재하 이후 0.7로 전단응력비를 증가시키면 급격한 영구변형률의 상승을 보였으며 최종영구변형률이 초기 전단응력비가 0.5/0.7일 때의 최종영구변형률보다 더 큰 결과를 보였다. 이와 같은 경향은 구속압의 차이와 상관없이 발생하였다.
- 이와 같은 경향은 구속압의 차이와 상관없이 발생하였다. 또한 강원도 변성암재료의 경우에도 초기 전단응력비가 0.3/0.7과 같이 작을 경우 5,000회 반복 재하 이후 0.7로 전단응력비를 증가시키면 급격한 영구 변형률의 상승을 보였으나 총 10,000회 반복재하 이후의 최종영구변형률은 초기 전단응력비가 0.5/0.7일 때의 최종영구변형률에 비하여 다소 작거나 거의 비슷한 결과를 보였다. 이와 같은 경향은 구속압이 작을수록 더 뚜렷(σ3=35kPa)하였다.
- 또한 동일시료, 동일구속압력에서 반복재하횟수 5,000회 이후 전단응력비를 한 단계 증가시키면 영구 변형률이 급격히 증가되었다. 특히, 이와 같은 경향은 구속압력이 작을수록, 초기 전단응력비가 작을수록 더 뚜렷하였다.
- 95 이상의 매우 높은 수준의 상관도를 보였다. 또한 영구변형률이 작을 때는 예측값과 측정값 사이에 일치성이 부족하였으나 변형률이 증가됨에 따라 이와 같은 차이는 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
- 또한 초기 전단응력비가 가장 클 경우(예, τ/τf=0.7)에는 초기 전단응력비가 작다가 증가되는 경우(τ/τf=0.3, 0.5에서 τ/τf=0.7로 각 5,000회 재하후 전단응력비 증가시)에 비하여 10,000회 반복재하후의 최종 영구변형률이 더 크게 발생함을 확인하였다.
- 그림 6은 경상도 화강암 쇄석재료에 대한 시험데이터 중 구속응력 69kPa에서 전단응력비 변화에 따라 측정된 영구변형률을 Power 모델 및 VESYS 모델을 이용한 예측결과와 비교한 것이다. 본질적으로 Power 모델과 VESYS 모델은 동일하므로 Power 모델의 경우만 비교하였으며 시험값과 예측값이 미세한 차이는 있으나 대체적으로 R2=0.95 이상의 매우 높은 수준의 상관도를 보였다. 또한 영구변형률이 작을 때는 예측값과 측정값 사이에 일치성이 부족하였으나 변형률이 증가됨에 따라 이와 같은 차이는 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
- 특히, 전단응력비가 클수록 영구변형률이 반복재하 초기에 집중적으로 발생하며 일정 반복재하횟수를 넘어서면 추가적인 영구변형률의 발생(영구변형률 발생률 : ε*=dε/dt)은 점차적인 감소추세를 보였다.
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