본 논문에서는 주문진 표준사를 대상으로 개량된 반복삼축압축 시험장치를 이용하여 탄성계수와 감쇠비에 대한 변형특성을 분석하였다. 기존의 낮은 정밀도를 갖는 LVDT를 사용한 반복삼축시험기를 개량하여 정밀하고 넓은 영역의 동적변형특성을 얻기 위해서 전단변형률(${\gamma}$) $10^{-4}-10^{-1}%$ 범위의 측정을 제어하는 셀 외부 LDT와 내부의 시료에 LDT를 설치하여 사용하였다. 이러한 미소변형제어를 통하여 5가지의 재하속도 변화와 간극비를 구분하고 4가지의 구속응력 조건을 달리하여 반복삼축시험을 수행하였다. 시험결과를 바탕으로 전단탄성계수와 감쇠비를 여러 조건에 대하여 반복하중 및 변형률 크기의 영향을 비교하고 분석한 결과, 주문진 표준사의 기존(공진주 시험)의 동적변형특성 보다 넓은 구간에서 시험값들을 얻을 수 있었다. 또한, 공진주 시험에서 0.02% 이하의 미소변형률 구간에서 얻은 결과를 토대로 중간변형률 구간을 비선형 모델로 예측한 값들은 반복삼축시험으로 얻은 실험값들과 다른 변형특성을 나타내고 있음을 관찰할 수 있었다.
본 논문에서는 주문진 표준사를 대상으로 개량된 반복삼축압축 시험장치를 이용하여 탄성계수와 감쇠비에 대한 변형특성을 분석하였다. 기존의 낮은 정밀도를 갖는 LVDT를 사용한 반복삼축시험기를 개량하여 정밀하고 넓은 영역의 동적변형특성을 얻기 위해서 전단변형률(${\gamma}$) $10^{-4}-10^{-1}%$ 범위의 측정을 제어하는 셀 외부 LDT와 내부의 시료에 LDT를 설치하여 사용하였다. 이러한 미소변형제어를 통하여 5가지의 재하속도 변화와 간극비를 구분하고 4가지의 구속응력 조건을 달리하여 반복삼축시험을 수행하였다. 시험결과를 바탕으로 전단탄성계수와 감쇠비를 여러 조건에 대하여 반복하중 및 변형률 크기의 영향을 비교하고 분석한 결과, 주문진 표준사의 기존(공진주 시험)의 동적변형특성 보다 넓은 구간에서 시험값들을 얻을 수 있었다. 또한, 공진주 시험에서 0.02% 이하의 미소변형률 구간에서 얻은 결과를 토대로 중간변형률 구간을 비선형 모델로 예측한 값들은 반복삼축시험으로 얻은 실험값들과 다른 변형특성을 나타내고 있음을 관찰할 수 있었다.
In this study, the modified cyclic triaxial tests with Joomunjin standard sand are performed for dynamic deformation characteristics, such as Young's moduli and damping ratio. The cyclic triaxial test is equipped with Local Displacement Transducer (LDT) on the outside of a cell which has a range fro...
In this study, the modified cyclic triaxial tests with Joomunjin standard sand are performed for dynamic deformation characteristics, such as Young's moduli and damping ratio. The cyclic triaxial test is equipped with Local Displacement Transducer (LDT) on the outside of a cell which has a range from $10^{-4}$ to $10^{-1}$ of shear strains, ${\gamma}$ (%), instead of conventional cyclic triaxial test which has linear variable displacement transducer (LVDT) with low precision. With the small strain control, tests were carried out at various loading rates, void ratios, and effective confining pressures. Based on the test results, such as dynamic deformation characteristics, shear modulus, and damping ratio, it is found that the test can measure more range of medium strains (0.02-0.2%) than results obtained from conventional test (resonant column test). For the medium strain range, dynamic deformation characteristics investigated by the cyclic triaxial test are also different from those predicted by nonlinear model in conventional test.
In this study, the modified cyclic triaxial tests with Joomunjin standard sand are performed for dynamic deformation characteristics, such as Young's moduli and damping ratio. The cyclic triaxial test is equipped with Local Displacement Transducer (LDT) on the outside of a cell which has a range from $10^{-4}$ to $10^{-1}$ of shear strains, ${\gamma}$ (%), instead of conventional cyclic triaxial test which has linear variable displacement transducer (LVDT) with low precision. With the small strain control, tests were carried out at various loading rates, void ratios, and effective confining pressures. Based on the test results, such as dynamic deformation characteristics, shear modulus, and damping ratio, it is found that the test can measure more range of medium strains (0.02-0.2%) than results obtained from conventional test (resonant column test). For the medium strain range, dynamic deformation characteristics investigated by the cyclic triaxial test are also different from those predicted by nonlinear model in conventional test.
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문제 정의
본 연구에서는 상기의 문제점을 해결하고자 미소변형률 측정장치(Local Deformation Transducer)를 이용하여 반복삼축시험기를 개량하고, 개량된 반복삼축시험기의 검증과 향후 연구에서의 시험결과의 비교 및 평가를 위해서 주문진 표준사의 동적변형특성을 규명하고 전단변형계수 감소곡선과 감쇠비 곡선의 2차 변곡점까지의 데이터를 이용하여 기존의 비선형 해석모델에 비해 보다 실제에 근접한 신뢰성 있는 동적변형곡선들을 제시하고자 한다.
제안 방법
LDT의 검증은 1/100mm까지 측정 가능한 마이크로미터(micrometer)를 이용하였으며, Fig. 2와 같이 검증기구에 LDT를 설치하고 마이크로미터의 변위를 증가･감소 시켜가면서 앰프를 통해 증폭된 전압 값을 컴퓨터에서 확인할 수 있다. LDT 2개의 검정결과를 Fig.
모래 시료에 대한 공진주시험, 반복삼축시험 그리고 단순전단시험에서 얻은 데이터들을 정규화 곡선으로 제안한 Vucetic and Dobry(1991)의 결과와 일본의 표준사인 토요타 모래를 구속압 별로 시험을 수행하여 정규화 곡선으로 제시한 Kokusho(1980)의 곡선들을 나타내었다. 그리고, 지반재료의 동적변형특성의 기준으로 많이 인용되고 있는 Seed and Idriss(1970)의 연구결과와 본 연구 결과를 비교하였다.
Kim and Choo(2004, 2005)은 포화 및 배수조건에 따른 사질토 지반의 변형 특성을 비틂전단시험기를 이용하여 연구하였으며 간극수압증가와 동적변형특성 변화에 근거한 사질토 지반의 반복한계전단변형률에 대하여 제안하였다. 또한 간극비, 배수조건, 평균유효응력의 영향을 평가하고 대표적인 경험식을 도출하였다. 주문진 표준사의 대형 공진주시험기의 적용(Park et al.
이러한 범위에서 축변형률을 제어할 수 있는 기어형태의 정밀제어 반복삼축시험 장치가 사용되었다. 본 시험기를 이용하여 주문진 표준사의 동적변형특성에 대하여 연구를 수행하였고, 대상 시료에 대한 물리적 특성인 비중, 입도, 최대･최소 상대밀도 등을 알기 위한 기본물성에 대한 시험을 실시한 결과를 Table 1과 2에 나타내었으며 Fig. 5는 주문진 표준사의 입도분포곡선과 액상화 발생 가능성 범위를 나타내었다. 주문진 표준사의 입경에 따른 균등계수는 2.
본 연구에서 주문진 표준사를 대상으로 수행하였던 재하속도, 간극비, 그리고 구속압 변화에 따른 모든 동적변형특성들에서 편진폭변형률, (εa)SA 10-3%이하에서 Gmax를 결정하여 Geq/Gmax로 정규화한 결과들을 Fig. 15와 16에서 보여준다.
본 연구에서는 미소변형률에서의 제어 및 측정을 위한 LDT를 셀 내부와 외부에 장착한 반복삼축압축시험기를 이용하여 기존 비선형모델로 예측해왔던 부분을 실험값으로 직접 얻어서 저변형률에서 중간변형률(10-4-100%)까지의 동적변형특성을 검증하고 비교하였다. 본 연구의 실험결과로부터 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
앞장에서 언급한 외부 LDT에 의한 축변형률 제어, 내부 LDT에 의한 축변형률을 측정할 수 있는 반복삼축 시험장비를 이용하여 주문진 표준사에 대한 반복삼축 시험 및 단조재하 삼축압축시험을 실시하여 문헌의 시험 결과와의 비교를 통해 동적변형특성을 분석하였다. 주문진 표준사에 대한 반복삼축시험의 전단변형계수 감소곡선에서 요구되는 최소 전단변형률 0.
2Hz 범위에서 시험한 결과 변형계수(Eeq)와 감쇠비(h) 모두 진동주기에 상관없이 일정한 값을 나타내고 있다. 이러한 결과를 토대로 간극비와 구속압 변화에 따른 시험들은 편진폭 축변형률 0.0002%～0.05%까지 0.1Hz으로 시험을 실시하고, 0.1%에서는 0.05Hz, 0.2%에서는 0.02Hz로 서보모터의 기어비변경없이 반복삼축시험을 수행하였다.
7). 일본 지반공학회(지반재료의 변형 특성을 구하기 위한 반복삼축 시험방법, JGS 0542-2000) 기준에서는 외부 축변위계를 LVDT로 사용하는 것으로 규정되어 있으나, 본 연구의 시험장치 외부에 LDT를 추가 설치하여 미소변형률을 위해 축변형률 제어를 정밀하게 측정할 수 있도록 보완하였다.
앞장에서 언급한 외부 LDT에 의한 축변형률 제어, 내부 LDT에 의한 축변형률을 측정할 수 있는 반복삼축 시험장비를 이용하여 주문진 표준사에 대한 반복삼축 시험 및 단조재하 삼축압축시험을 실시하여 문헌의 시험 결과와의 비교를 통해 동적변형특성을 분석하였다. 주문진 표준사에 대한 반복삼축시험의 전단변형계수 감소곡선에서 요구되는 최소 전단변형률 0.001%을 기준으로 그 이하(0.0002%, 0.0005%)에서부터 0.001, 0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 마지막으로 0.2%의 중변형률 레벨까지 시험을 실시하였다. Fig.
주문진 표준사의 간극비에 따른 동적변형특성은 상대밀도에 따른 간극비(Table 2)를 기준으로 반복삼축시험을 실시하였다. 시험에서 구속압은 모두 100 kPa 고정하고 상대밀도 30%～80%에 해당하는 간극비 0.
또한 간극비, 배수조건, 평균유효응력의 영향을 평가하고 대표적인 경험식을 도출하였다. 주문진 표준사의 대형 공진주시험기의 적용(Park et al., 2009), 낙동강모래의 동적변형특성을 위한 공진주/비틂전단시험(Kim et al., 2009) 그리고 성토재료를 사용하여 대입경 조립재료를 가지고 대형 삼축압축시험장비로 동적변형특성(Lee et al., 2010)을 검증하였다. 이러한 연구 결과들은 대부분 공진주 시험기나 공진주/비틂전단 시험기를 통하여 실시되었으나, 국내 표준시험으로 많이 사용하는 지반재료인 주문진 표준사의 시험결과의 신뢰성 확보를 위한 교차검증을 할 수 있는 연구결과는 미흡한 실정이다.
대상 데이터
시험 장비에 대해서는 0.001%이하의 범위에서 축변형률을 제어할 수 있는 기어형태의 정밀제어 삼축압축 시험장치가 사용되었다. Fig.
반면에 미소변형률에서의 정밀제어는 서보모터의 감속기어 조절뿐만 아니라 재하/제하(loading/unloading)의 반전가능 한 최소 rpm의 설정 및 정밀한 축변형률 제어가 요구된다. 이러한 범위에서 축변형률을 제어할 수 있는 기어형태의 정밀제어 반복삼축시험 장치가 사용되었다. 본 시험기를 이용하여 주문진 표준사의 동적변형특성에 대하여 연구를 수행하였고, 대상 시료에 대한 물리적 특성인 비중, 입도, 최대･최소 상대밀도 등을 알기 위한 기본물성에 대한 시험을 실시한 결과를 Table 1과 2에 나타내었으며 Fig.
이론/모형
대상 시료의 최대･최소 상대밀도는 농촌공사 새만금사업단 시험실의 상대밀도 시험기를 이용하여 비점성토의 상대밀도 시험방법(KSF2345, 2010)으로 시험을 실시하였다. 반복삼축시험에 사용할 상대밀도에 따른 밀도와 간극비를 Table 2와 같이 정리하였다.
15에서는 지반의 액상화 해석에서 주로 사용되는 전단변형계수 감소곡선의 문헌들과 본 연구에서 실시한 시험결과들을 비교하였다. 모래 시료에 대한 공진주시험, 반복삼축시험 그리고 단순전단시험에서 얻은 데이터들을 정규화 곡선으로 제안한 Vucetic and Dobry(1991)의 결과와 일본의 표준사인 토요타 모래를 구속압 별로 시험을 수행하여 정규화 곡선으로 제시한 Kokusho(1980)의 곡선들을 나타내었다. 그리고, 지반재료의 동적변형특성의 기준으로 많이 인용되고 있는 Seed and Idriss(1970)의 연구결과와 본 연구 결과를 비교하였다.
성능/효과
(1) 주문진 표준사의 동적거동 평가시 요구되는 전단변형률 10-3%이하에서의 반복재하를 실시하기 위하여 외부에 설치한 LDT로 축변형률을 제어하고 시료에 부착한 내부 LDT의 시험결과 값들과 비교하여 동적변형특성을 위한 반복삼축시험의 정밀도 검증을 확인하였으며, 10-4%까지의 축차응력～축변형률 관계의 이력곡선을 적절하게 구할 수 있었다.
(2) 동적변형특성에서 진동주기가 0.01～0.2Hz 범위에서는 변형계수(Eeq)와 감쇠비(h) 모두 일정한 값들이 측정되었으나, 간극비가 감소할수록, 구속압이 증가할수록 변형계수는 증가하고 감쇠비는 감소하는 경향을 보였다.
(3) 본 연구에서는 구속압 50～400kPa, 간극비 0.677～0.851, 재하주파수 0.01～0.2Hz로 시험한 모든 결과들과 문헌들에서 제시된 결과들을 비교하였으며, 주문진 표준사는 Seed and Idriss(1970), Vucetic and Dobry(1991)가 제안한 곡선보다 우측에 위치하여 미소변형률 구간에서 선형구간이 길게 나타나고 있으며, 곡선의 기울기가 급경사를 이루고 있어 Toyoura 모래(Kokusho, 1980)와 유사한 경향을 보였다.
(4) 동적변형특성을 확인하기 위해 일반적으로 사용되는 공진주 시험은 0.0002～0.02%의 구간에서는 반복삼축시험의 결과와 유사한 경향을 보이나, 중간 변형률 구간을 예측하기 위하여 사용하는 비선형모델(Ramberg-Osgood, 1943)은 주문진 표준사 동적변형특성을 정확하게 표현하지 못하고 많은 오차가 발생하고 있음을 본 연구의 개량된 반복삼축시험장비 결과에서 확인할 수 있었다.
12에 나타내었다. Fig. 12에서 알 수 있듯이 간극비가 감소할수록 등가변형계수(Eeq)는 증가하였으며, 편진폭 축변형률 0.05%에서 간극비가 커질수록 대체적으로 감쇠비가 증가하고 있음을 보여주고 있다.
Vucetic and Dodry(1991)는 전단변형계수 감소곡선과 감쇠비곡선의 형태가 PI에 따라 변화한다고 발표하였고, 비소성 흙에 대하여 한 개의 대표곡선을 제안하였다. Seed와 그 동료 연구자들(1970, 1984)은 모래시료와 자갈시료 각각에 대하여 전단변형계수 감소곡선과 감쇠비곡선의 가능영역을 제안하였고, 제안된 결과에서는 모래시료의 전단변형계수 감소곡선이 자갈시료의 곡선보다 오른편으로 치우치는 경향을 보였다. Rollins et al.
3-4에 나타내었다. 검증곡선은 2차방정식으로 표현하였으며 변위의 증･감에 따른 편차는 거의 없는 것으로 나타났다.
02% 이후 예측한 결과와 반복삼축시험으로 직접 시험으로 수행하여 얻은 동적변형특성들(중간 평균곡선을 점선으로 표시)은 많은 오차를 발생하고 있음을 알 수 있다. 따라서 연구에서 얻어진 결과는 지반 재료의 동적변형특성을 정확히 제시하기 위해서 기존 실험방법으로 수행된 결과들을 통하여 Ramberg-Osgood(1943) 모델로 예측하는 중간변형률 부분을 LDT 장비로 직접 실험하여 얻을 수 있다는 장점을 보여주고 있다. 본 실험의 여러 가지 결과를 통하여 중간변형률 구간에서 2차 변곡점이 발견할 수 있었으며, 그에 대한 차이점은 지반 재료의 안정성 평가에 영향을 끼칠 수 있을 것이라 판단된다.
, 2009), Ramberg-Osgood(1943)의 비선형 모델을 이용해 회귀 분석한 결과와 본 연구의 시험결과를 비교한 것이다. 전단변형률 0.0002%～0.02%의 구간에서는 공진주시험과 반복삼축시험의 결과는 매우 잘 일치하고 있으므로 두가지의 시험내용에 대한 검증이 되었으나, 비선형 모델(Ramberg-Osgood, 1943)을 이용하여 공진주시험 결과를 전단변형률 0.02% 이후 예측한 결과와 반복삼축시험으로 직접 시험으로 수행하여 얻은 동적변형특성들(중간 평균곡선을 점선으로 표시)은 많은 오차를 발생하고 있음을 알 수 있다. 따라서 연구에서 얻어진 결과는 지반 재료의 동적변형특성을 정확히 제시하기 위해서 기존 실험방법으로 수행된 결과들을 통하여 Ramberg-Osgood(1943) 모델로 예측하는 중간변형률 부분을 LDT 장비로 직접 실험하여 얻을 수 있다는 장점을 보여주고 있다.
5는 주문진 표준사의 입도분포곡선과 액상화 발생 가능성 범위를 나타내었다. 주문진 표준사의 입경에 따른 균등계수는 2.05, 곡률계수는 0.89로 나타났으며 통일분류법(USCS)으로 SP로 분류되었다. Ishihara(1996)의 방법으로 대상토의 입도분포에 따른 액상화 발생 가능성을 Fig.
외부에 긴 파선은 액생화 발생 가능성의 범위이고, 내부의 짧은 파선의 범위는 액상화의 가능성이 높은 범위이다. 주문진 표준사의 입도분포 곡선은 액상화 가능성이 높은 범위에 매우 근접해서 나타나고 있어 액상화에 취약하다는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
따라서 연구에서 얻어진 결과는 지반 재료의 동적변형특성을 정확히 제시하기 위해서 기존 실험방법으로 수행된 결과들을 통하여 Ramberg-Osgood(1943) 모델로 예측하는 중간변형률 부분을 LDT 장비로 직접 실험하여 얻을 수 있다는 장점을 보여주고 있다. 본 실험의 여러 가지 결과를 통하여 중간변형률 구간에서 2차 변곡점이 발견할 수 있었으며, 그에 대한 차이점은 지반 재료의 안정성 평가에 영향을 끼칠 수 있을 것이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
삼축압축시험에서 LDT를 이용할 경우 무엇을 할 수 있는가?
Goto et al.(1991)은 삼축압축시험에서 축방향 미소변위 측정장치(LDT)를 이용할 경우 시료와 상･하부 캡 사이에서 발생하는 bedding error를 배제하고 시료의 평균적인 축변형률을 측정할 수 있다고 보고하였다. LDT는 휨강성이 작은 0.
개량된 반복삼축시험 장치의 보완된 점은 무엇인가?
개량된 반복삼축시험 장치는 일본(동경대)에서 사용했던 장비가 갖고 있는 단점을 보완한 장비이다. 보완된 점은 시험장치 내부에 설치된 미소변위 측정장치(LDT)로써, 전단탄성계수-감쇠비 곡선을 얻기 위해 필요한 미소변형률 측정과 축변형률 제어를 할 수 있도록 제작된 것이다(Fig. 7).
지반구조물의 설계에서 중요한 요인은?
1～1% 이하임을 보인다(Burland, 1989). 따라서 지반구조물의 설계에서는 미소변형 상태에서 획득된 전단탄성계수(shear modulus, G) 및 감쇠비(damping ratio, h)로 표현되는 지반의 동적물성치가 중요한 요인으로 작용한다. 지반재료의 동적변형특성 중 최대전단변형계수에 대한 많은 실험연구들이 수행되어 간극비, 과압밀비, 구속응력, 지질학적 연도, 소성지수(PI )등 다양한 요소들의 영향을 받는다는 연구결과들이 발표되었으며(Hardin and Richart, 1963; Hardin and Black, 1968; Dobry and Vucetic.
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