[논문]실트질 모래의 비배수 크리프특성 및 크리프 모델 비교연구

봉태호; 손영환; 노수각; 박재성

doi:10.5389/ksae.2012.54.1.019

실트질 모래의 비배수 크리프특성 및 크리프 모델 비교연구
Undrained Creep Characteristics of Silty Sands and Comparative Study of Creep model 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.54 no.1, 2012년, pp.19 - 26

봉태호 (서울대학교 조경.지역시스템공학부 대학원) , 손영환 (서울대학교 조경.지역시스템공학과, 서울대학교 농업생명과학연구원) , 노수각 (서울대학교 조경.지역시스템공학부 대학원) , 박재성 (서울대학교 조경.지역시스템공학부 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Soils exhibit creep behavior in which deformation and movement proceed under a state of constant stress or load. In this study, A series of triaxial tests were performed under constant principal stress in order to interpret the undrained creep characteristics of silty sands. Although samples are non-plastic silty sands, the results of tests show that the creep deformation increasing over time. Based on the results of test, Singh-Mitchell model parameters and Generalized model coefficients were calculated. Generalized model showed slightly larger deformation in the primary creep range but secondary creep deformation was almost identical. Although Singh-Mitchell model showed relatively large errors compared to Generalized model because it uses the average of test results, but Singh-Mitchell model can be easily represented by three creep parameters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실트질 모래의 시간의존적인 크리프 거동을 살펴보기 위하여 응력수준에 따른 크리프 실험을 수행하고 그 거동을 분석하였다. 또한 크리프 거동을 표현하는 모델의 적용성 및 차이점을 분석하기 위하여 현상학적 모델 및 유변학적 모델을 적용하여 크리프 방정식을 구성하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
따라서 비배수 조건에서 사질토의 크리프 거동을 파악하고 이를 규명하는 것은 중요하다고 할 수 있다. 사질토 지반의 크리프 거동의 해석은 장기적인 지반의 침하량을 예측하는 것뿐만 아니라 거동에 따른 1차 크리프 및 2차 크리프를 구분하고 이에 따른 변형률을 파악하는데 목적이 있다.

가설 설정

흙에서 외력이 작용할 때 생기는 응력-변형률이 시간에 따라 어떻게 영향을 받는가를 알아보기 위해서는 점탄성모델을 이용한다. 점탄성은 재료에 점성과 탄성이 동시에 존재하는 것을 의미하며 실존하는 모든 물질은 점탄성을 가진다고 가정할 수 있다. 점탄성체의 대표적인 특징은 유변물성이 시간의 함수로 나타난다는 것이다.

제안 방법

5 %의 함수비를 나타내었지만 평균 함수비에 맞추어 시료를 재성형할 경우 함수량이 높아 정적다짐 시 목표 단위중량에 도달하면 물이 새어나오며 시료추출 시 흐트러짐이 너무 커서 모든 시료를 동일한 상태로 재성형하는 것이 거의 불가능하였다. 따라서 시료 재성형에 따른 오차를 줄이기 위하여 목표 함수비를 25 %로 설정하였으며 함수비 차이에 따른 크리프 영향을 배제하기 위하여 모든 시료에 동일한 함수비를 적용하였다. 또한 S-4 시료의 경우 다른 시료에 비하여 입도분포가 고르지 않고 굵은 입자를 많이 포함하고 있어 동일한 단위중량으로 재성형이 어려워 목표 단위중량을 1.
본 연구에서는 실트질 모래의 시간의존적인 크리프 거동을 살펴보기 위하여 응력수준에 따른 크리프 실험을 수행하고 그 거동을 분석하였다. 또한 크리프 거동을 표현하는 모델의 적용성 및 차이점을 분석하기 위하여 현상학적 모델 및 유변학적 모델을 적용하여 크리프 방정식을 구성하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
크리프 시험은 시료에 일정한 하중을 적용하고 시간에 따른 변위를 측정해야 한다. 본 실험에서는 삼축압축시험기를 이용하여 구속압은 일정하게 유지하고 비배수 상태에서 최대축차응력을 기준으로 두 가지 응력수준의 축차응력을 응력제어방식을 통하여 시간에 따른 일정한 하중을 적용하여 시간에 따른 변위를 측정하였다. 각 응력수준에 대한 실험조건은 Table 5와 같다.
본 연구에서는 포항시 북구 영일만항 해저에서 채취한 퇴적토를 대상으로 크리프 시험을 수행하여 심도별 비배수 크리프 거동을 관찰하였으며 현상학적 모델인 Singh-Mitchell 크리프 모델 및 유변학적 모델 중 하나인 Generalized 모델을 적용하여 시간의존적인 거동을 해석하고 그 차이점을 비교 · 분석하였다.
또한, 시료에 하중이 재하된 직후에는 응력이 시료의 상, 하부에 집중되며 하중을 바로 제거하게 되면 탄성회복 등이 발생하므로 시료 내 응력이 고르게 분포하도록 하중을 가한 뒤 1～2 시간 후에 하중을 제거하였다. 시료는 함수비 변화 및 구속조건의 제거에 따른 변형을 최소화하기 위하여 시료추출기를 이용하여 추출한 후 바로 멤브레인을 씌워 압력셀에 세팅하였다.
시료의 재성형 방법은 동적다짐에 의한 시료의 파쇄영향을 배제하기 위하여 목표단위중량에 해당하는 흙을 몰드에 넣은 후 일축압축시험기를 이용하여 일정높이가 될 때까지 하중을 재하하여 다짐을 하는 정적다짐을 수행하였으며 시료의 크기는 지름 5 cm, 높이 10 cm이다. 또한, 시료에 하중이 재하된 직후에는 응력이 시료의 상, 하부에 집중되며 하중을 바로 제거하게 되면 탄성회복 등이 발생하므로 시료 내 응력이 고르게 분포하도록 하중을 가한 뒤 1～2 시간 후에 하중을 제거하였다.
본 연구에 사용된 시료는 포항시 북구 홍해읍의 영일만항 해저에서 채취한 퇴적토이다. 시료의 채취는 한 지점의 심도별 시료를 채취하기 위하여 시추조사를 수행하고 코어 샘플링을 통하여 연속적인 시료를 채취하였다. 심도별 코어시료는 Table 2와 같다.
재성형한 시료는 삼축압축시험에서 배압 160 kPa 이상으로 충분히 포화시킨 후 100 kPa로 등방압밀을 수행하였다. 압밀은 시간이 경과하여도 시료의 체적변화가 발생하지 않을 때까지 수행하였으며, 압밀 완료 후에 비배수상태에서 변형률 제어 방식을 적용하여 0.5 mm/min의 변형률속도로 축차응력을 가하여 최대 축차응력을 구하였다.
재성형한 시료는 삼축압축시험에서 배압 160 kPa 이상으로 충분히 포화시킨 후 100 kPa로 등방압밀을 수행하였다. 압밀은 시간이 경과하여도 시료의 체적변화가 발생하지 않을 때까지 수행하였으며, 압밀 완료 후에 비배수상태에서 변형률 제어 방식을 적용하여 0.
크리프 시험결과를 통하여 Singh-Mitchell의 크리프 정수를 구하기 위해 응력수준-변형률속도 관계와 시간-변형률속도 관계를 확인하였다. 이에 따라 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료는 포항시 북구 홍해읍의 영일만항 해저에서 채취한 퇴적토이다. 시료의 채취는 한 지점의 심도별 시료를 채취하기 위하여 시추조사를 수행하고 코어 샘플링을 통하여 연속적인 시료를 채취하였다.

이론/모형

Generalized 모델의 경우 Burgers 모델에 추가적으로 Kelvin-Voigt 모델을 직렬로 연결하여 방정식을 구성하므로 사용된 Kelvin-Voigt 모델의 수에 따라 점 · 탄성계수의 수가 달라지게 된다. 본 연구에서는 시료에 따라 2～4개의 Kelvin-Voigt 모델을 사용하여 해석을 실시하였으며 점 ․ 탄성계수는 successive residual method를 통하여 산정하였다. 각 시료에 따른 탄성계수 및 점성계수는 Table 7～8과 같다.
시료의 크리프 거동에 대하여 현상학적 모델인 Singh-Mitchell 방정식과 유변학적 모델인 Generalized 모델을 이용하여 크리프 방정식을 구성하였으며 각 시료에 따른 실측값 및 이론식을 통해 구한 값을 비교하면 Fig. 6과 같다.
입도분석은 오차를 줄이고 세립분의 분포를 보다 정확히 파악하기 위하여 레이저 회절 입도분석기 (mastersizer 2000)를 이용하여 해석을 실시하였으며 시료의 물리적 특성 및 입도분포곡선은 Table 3, Fig. 1과 같다.

성능/효과

4 가지 시료 모두 하중 재하 직후 20～30초 이내의 짧은 시간에 즉시침하가 발생하였으며 약 400～500분 동안 변형률 속도가 감소하는 점 · 탄성적 거동을 나타내었다.
Generalized 모델에 의한 크리프 변형은 실측값과 거의 일치하는 것으로 나타났으며 1차 크리프 거동은 실측값보다 약간 큰 값을 나타내었지만 2차 크리프 거동의 경우 실측값과 거의 차이를 보이지 않았다. Singh-Mitchell 방정식에 의한 크리프 변형은 Generalized 모델에 비하여 큰 오차를 나타내었으며 이는 응력수준에 따른 실험결과의 평균값을 통하여 크리프 정수를 산정하기 때문인 것으로 판단된다.
Generalized 모델을 적용한 결과, 각 시료에서 특정한 응력수준에 따른 점 · 탄성계수를 산정할 수 있었으며 2∼4개의 Kelvin-Voigt 모델을 추가함에 따라 실트질 모래의 비배수 크리프 거동을 효과적으로 표현할 수 있었다.
Generalized 모델이 Singh-Mitchell 방정식에 비하여 더 높은 정확도를 나타내었으며 Singh- Mitchell 방정식은 2차 크리프 변형만을 표현하는 반면 Generalized 모델은 1차 및 2차 크리프 변형을 모두 효과적으로 표현할 수 있었다.
현상학적 모델인 Singh-Mitchell 방정식의 경우 2차 크리프 거동을 나타내기 위하여 개발된 모델로 순간 변형률 및 1차 크리프에 의한 변형률은 초기값으로 설정되어 1차 크리프 거동을 나타낼 수 없는 단점을 가지고 있지만 크리프 정수에 응력수준에 따른 크리프 정수가 포함되어 있어 한 시료에 대한 크리프 거동은 응력수준에 관계없이 크리프 정수 3개로 구성된 한 개의 방정식을 통하여 나타낼 수 있었다. 따라서 구하고자 하는 임의의 응력수준 (30～80 %)과 시간을 입력하게 되면 그 때의 크리프 변형률을 예측할 수 있지만 응력수준에 따른 평균값을 통하여 정수를 산정함으로써 유변학적 모델에 비해 큰 오차를 나타내었다.
특히 점탄성 변형과 점성변형의 구분은 하중이 제거되었을 때 회복 가능한 변형률을 구분하는 기준으로 일반적으로 하중이 제거되었을 때 1차 크리프에 의한 변형은 회복가능하나 2차 크리프에 의한 변형은 영구변형으로 회복이 불가능한 것으로 알려져 있다 (Jaroslav Feda, 1992). 따라서 회복크리프의 거시적인 표현을 위해서는 거동에 따른 변형의 원인을 파악하는 것이 중요하며 실험결과 4가지 시료 모두 약 400～500분 후 2차 크리프가 발생하는 것으로 나타났다.
3에 나타내었다. 모든 심도에서 하중이 재하됨에 따라 큰 순간변형률이 발생하였으며 이후 최대축차응력의 50 % 수준의 낮은 응력 하에서도 시간이 지남에 따라 변형률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 시간에 따른 변형률속도는 응력수준이 클수록 크게 나타났으며 일정한 시간 경과 후에는 시간에 따른 변형률 변화가 일정한 2차 크리프 거동을 나타내었다.
모든 심도에서 하중이 재하됨에 따라 큰 순간변형률이 발생하였으며 이후 최대축차응력의 50 % 수준의 낮은 응력 하에서도 시간이 지남에 따라 변형률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 시간에 따른 변형률속도는 응력수준이 클수록 크게 나타났으며 일정한 시간 경과 후에는 시간에 따른 변형률 변화가 일정한 2차 크리프 거동을 나타내었다.
실트질 모래에 대하여 비배수 크리프 시험을 수행한 결과, 아터버그 한계 시험에서 비소성을 나타내었지만 시간에 따라 지속적인 변형이 발생하는 크리프 거동을 나타내었으며 시료의 점 · 탄성적인 거동을 확인할 수 있었다.
심도별 자연 함수비는 24∼36 %의 범위로 평균 32.5 %의 함수비를 나타내었지만 평균 함수비에 맞추어 시료를 재성형할 경우 함수량이 높아 정적다짐 시 목표 단위중량에 도달하면 물이 새어나오며 시료추출 시 흐트러짐이 너무 커서 모든 시료를 동일한 상태로 재성형하는 것이 거의 불가능하였다.
따라서 응력수준에 따라 각각 계수를 산정해주어야 하며 임의의 응력수준에 대하여 시험을 수행하지 않으면 크리프 거동을 예측하지 못한다는 단점을 가지고 있다. 하지만 2차 크리프 거동뿐만 아니라 1차 크리프 거동도 효과적으로 나타낼 수 있으며 Kelvin-Voigt 모델의 수를 적절히 증가시킴에 따라 모델의 정확도를 높일 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흙의 시간의존적인 거동의 특징은 무엇에 따라 달라지는가?	흙의 시간의존적인 거동은 흙의 종류, 응력이력, 함수비, 구속조건 등에 따라 다르게 나타나지만 흙의 종류에 따라 고유한 시간 의존적 특성을 가지고 있다. 흙의 시간 의존적 변형에 대한 연구는 초기에 대부분 시간 의존적 성질이 두드러지는 점토에 대한 연구가 수행되었으며 (Ronaldo, 1992) 이후 일부 학자들이 모래와 같은 입상토에 대한 시간 의존적 성질을 연구하기도 하였다 (Murayama et al.
	비배수 조건에서 사질토의 크리프 거동을 파악해야하는 이유는?	따라서 배수조건에서 사질토의 크리프거동은 간극수압에 따른 영향을 받지 않아 쉽게 관측될 수 있다. 하지만 비배수 조건의 경우 간극수압이 발생할 뿐만 아니라 겉보기 점착력 등의 발생으로 인하여 배수조건과 다른 크리프 거동을 나타낸다. 따라서 비배수 조건에서 사질토의 크리프 거동을 파악하고 이를 규명하는 것은 중요하다고 할 수 있다.
	사질토에서 배수조건의 경우 간극수압이 거의 발생하지 않는 이유는?	사질토 지반의 시간의존적인 거동은 다른 지반에 비하여 두드러지지 않으므로 시간에 따른 변형에 대하여 안정하다는 인식과 함께 현장이나 기초조사에서 중요하게 인식되지 않으며 이에 대한 많은 연구가 이루어지지 않았다. 사질토의 경우 투수성이 커서 배수조건의 경우 간극수압이 거의 발생하지 않는다. 또한 사질토의 잘 알려진 다른 특성 중 하나는 점착력이 존재하지 않는다는 것이며 이는 사질토의 흙 입자사이에 물리 · 화학적 결합력이 없다는 것을 의미한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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