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문제 정의
- 그리고 측정된 흙-함수특성곡선(SWCC)을 이용하여 흡입응력특성곡선 (Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다. 건조 및 습윤과정에 따른 모래의 흙-함수특성곡선 (SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 토대로 불포화 상태에서 건조 및 습윤과정에서의 흡입응력을 비교 분석하고, 모관흡수력과 흡입응력의 관계를 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 모래(주문진 표준사)를 대상으로 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력의 이력현상이 불포화토의 흡입응력에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치 (Song et al.
제안 방법
- 본 연구에서는 모래(주문진 표준사)를 이용하여 시험을 수행하였다. ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 시료에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 측정하고 상대밀도 60%의 조건으로 시료를 성형하였다. 이와 같이 성형된 시료는 포화를 시킨 후 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 모관 흡수력과 체적함수비를 측정하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 플라스틱 봉으로 시료를 다져 상대밀도 60%의 시료를 성형하였다. 그리고 시료 상하 부에 다공석을 두어 포화시 시료내부에 물이 원활하게 흐를 수 있도록 하였다. 시료를 포화시키기 위하여 데시 케이터와 진공펌프를 활용하였다.
- 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten (1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성 곡선(SWCC)을 예측하고, 불포화 상태에서 모래의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다. 그리고 측정된 흙-함수특성곡선(SWCC)을 이용하여 흡입응력특성곡선 (Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다. 건조 및 습윤과정에 따른 모래의 흙-함수특성곡선 (SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 토대로 불포화 상태에서 건조 및 습윤과정에서의 흡입응력을 비교 분석하고, 모관흡수력과 흡입응력의 관계를 고찰하고자 한다.
- 그림에서 보는 바와 같이 건조과정에서는 모관흡수력이 증가함에 따라 간극수의 유출량은 증가하고, 습윤과정에서는 모관흡수력이 감소함에 따라 간극수의 유입량이 증가하는 것으로 나타났다. 단계별 모관흡수력을 조절하기 위하여 일정단계 모관흡수력 수준에서 간극수 유출 및 유입량이 수렴된 이후 다음 단계의 모관흡수력을 재하 혹은 제하하였다. 한편, 습윤과정의 시험시간이 건조과정의 시험시간보다 상대적으로 긴 것으로 나타났다.
- 앞서 설명한 바와 같이 Bishop (1959)과 Terzaghi (1943)의 유효응력 공식을 확장하여 Lu and Likos (2006)는 불포화토의 흡입응력을 식 (4)와 같이 제안하였다. 또한 van Genuchten (1980)의 유효포화도와 모관흡수력의 관계를 토대로 흡입응력특성곡선(SSCC)의 상관식을 유도하였으며, 식 (7) 혹은 식 (8)과 같이 유효포화도 혹은 유효체적함수비에 따른 흡입응력 산정식을 제안하였다.
- 본 시험에서는 먼저 시료를 포화시킨 후 공기압을 가하여 간극수를 배출하는 건조과정을 실시하게 된다. 플라스틱 몰드(직경 5.
- 본 연구에서는 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 상대밀도 60%인 주문진표준사에 대한 건조 및 습윤과정에서의 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 습윤과정이 건조과정에 비해 상대적으로 많은 시간이 소요되며, 이것은 건조과정에서 간극에 갇힌 독립된 공기에 의한 흐름 저항에 의한 것으로 판단된다.
- 그리고 건조과정과 포화과정에서의 흙-함수특성곡선(SSCC)이 일치하지 않는 이력현상이 발생되었다. 불포화 관련계수를 이용하여유효포화도와 흡입응력의 상관관계인 흡입응력특성곡선 (SSCC)을 예측하였다. 흡입응력은 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.
- ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 시료에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 측정하고 상대밀도 60%의 조건으로 시료를 성형하였다. 이와 같이 성형된 시료는 포화를 시킨 후 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 모관 흡수력과 체적함수비를 측정하였다. Fig.
- 6은 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 상대밀도 60%인 주문진표준사의 모관흡수력 재하 및 제하시 시간에 따른 간극수의 측정량을 나타낸 것이다. 즉, 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과, 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 그림에서 보는 바와 같이 건조과정에서는 모관흡수력이 증가함에 따라 간극수의 유출량은 증가하고, 습윤과정에서는 모관흡수력이 감소함에 따라 간극수의 유입량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 본 시험에서는 먼저 시료를 포화시킨 후 공기압을 가하여 간극수를 배출하는 건조과정을 실시하게 된다. 플라스틱 몰드(직경 5.05 cm, 높이 3.89 cm)와 플라스틱 봉을 이용하여 3층 다짐을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 2는 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 본 시험장치는 압력조절 장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울, 시료준비 장치, 측정시스템 등으로 구성되어 있다. 그리고 축변환 기법을 도입하여 압력을 0-300 kPa 범위까지 적용할 수 있다.
- 이때 공기압은 흙시료의 모관흡수력으로 작용하게 되며, 흙시료가 가지는 일정한 공기함입치를 넘어서게 되면 흙시료 내부에 있는 간극 수가 빠져나오기 시작한다. 본 실험에서는 모래의 경우1 bar, 실트의 경우 3 bar의 공기침입값을 갖는 HAE 디스크를 이용하였다.
- 본 연구에서는 모래(주문진 표준사)를 이용하여 시험을 수행하였다. ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 시료에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 측정하고 상대밀도 60%의 조건으로 시료를 성형하였다.
이론/모형
- 8. SWCCs estimated by the van Genuchten model.
- 본 연구에서는 모래의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 활용하였다(Song et al., 2012; Wayllace and Lu, 2012). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다.
- 본 연구에서는 모래(주문진 표준사)를 대상으로 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력의 이력현상이 불포화토의 흡입응력에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치 (Song et al., 2012; Wayllace and Lu, 2012)를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten (1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성 곡선(SWCC)을 예측하고, 불포화 상태에서 모래의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다.
- 측정된 모관흡수력과 간극수량을 토대로 van Genuchten (1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선 (SWCC)을 예측하였다. van Genuchten (1980)은 Mualem (1976)의 제안식을 토대로 유효포화도(Se)와 압력수두(h) 의 상관관계를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하였다.
- 습윤과정이 건조과정에 비해 상대적으로 많은 시간이 소요되며, 이것은 건조과정에서 간극에 갇힌 독립된 공기에 의한 흐름 저항에 의한 것으로 판단된다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten (1980) 의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하였다. 불포화 관련계수는 건조과정의 경우 α는 0.
- , 2012; Wayllace and Lu, 2012)를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten (1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성 곡선(SWCC)을 예측하고, 불포화 상태에서 모래의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다. 그리고 측정된 흙-함수특성곡선(SWCC)을 이용하여 흡입응력특성곡선 (Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다.
성능/효과
- 03이하의 구간에서는 모관흡수력은 감소하지만 흡입응력은 발생되지 않는 것으로 나타났다. 그 이후 유효포화도가 증가함에 따라 모관흡수력은 감소하지만 흡입응력은 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 그리고 유효포화도가 약 0.
- 모관흡수력이 공기함입치 이내로 작용할 경우 주문진표준사의 흡입응력은 포화시 흡입응력 상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 주문진표준사의 흡입응력은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력과 다른 값을 갖게 된다.
- 12(b)는 습윤과정에서 흙-함수특성곡선 (SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 비교한 것으로 건조과정에서의 거동과 유사함을 알 수 있다. 그러나 습윤과정의 경우 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)의 이력현상으로 인하여 건조과정에서와 다르게 유효포화도가 약 0.8이상의 구간에서 모관흡수력과 흡입응력이 모두 감소하는 것으로 나타났으며, 유효포화도가 약 0.94일 경우 모관흡수력과 흡입응력은 0의 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 그 이후 유효포화도가 증가함에 따라 모관흡수력은 감소하지만 흡입응력은 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 그리고 유효포화도가 약 0.9 이상의 구간에서는 모관흡수력과 흡입응력이 모두 감소하는 것으로 나타났으며, 유효포화도가 1인 경우 모관흡수력과 흡입응력은 0의 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 즉 흡입응력은 모관흡수력이 0 kPa인 포화영역과 8 kPa 이상의 Pendular 영역에서 존재하지 않는 것으로 나타났다. 그리고 흡입응력은 습윤과정에서보다 건조과정에서 더 크게 발생되는 것으로 나타났다. 이와 같은 흡입응력의 거동은 기존의 모래에 대한 시험결과(Schubert, 1975; Kim, 2001; Lu et al.
- 즉, 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과, 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 그림에서 보는 바와 같이 건조과정에서는 모관흡수력이 증가함에 따라 간극수의 유출량은 증가하고, 습윤과정에서는 모관흡수력이 감소함에 따라 간극수의 유입량이 증가하는 것으로 나타났다. 단계별 모관흡수력을 조절하기 위하여 일정단계 모관흡수력 수준에서 간극수 유출 및 유입량이 수렴된 이후 다음 단계의 모관흡수력을 재하 혹은 제하하였다.
- 11은 상대밀도 60%의 모래에서 모관흡수력에 따른 흡입응력과 포화시 흡입응력(σs = – (ua – uw))을 함께 도시한 것이다. 모관흡수력이 공기함입치 이내로 작용할 경우 주문진표준사의 흡입응력은 포화시 흡입응력 상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 주문진표준사의 흡입응력은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.
- 저울은 컴퓨터와 연결되어있으며 가해진 공기압과 측정된 간극수의 무게는 컴퓨터 프로그램을 통해 실시간으로 확인 및 저장이 가능하다. 본 프로그램을 통하여 실시간으로 간극수의 유출입을 그림을 통하여 보여줌으로써 다음 단계의 공기압을 가하는 시점을 정확하게 알 수 있다. 그리고 일정 공기압에서 간극수의 유출입이 수렴되는 과정을 실시간으로 확인할 수 있으며, 약 2시간 정도 간극수의 유출입이 없을 경우 다음 단계의 공기압을 재하 및 제하하였다.
- 이상의 결과를 토대로 유효포화도가 증가함에 따라모래의 흡입응력은 증가하였다가 감소함을 알 수 있다. 즉, 모래의 경우 지반내 물이 유입되면서 흡입응력은 증가하다가 감소하므로 유효응력도 증가하다가 감소하게 된다.
- 이상의 결과를 토대로 유효포화도가 증가함에 따라모래의 흡입응력은 증가하였다가 감소함을 알 수 있다. 즉, 모래의 경우 지반내 물이 유입되면서 흡입응력은 증가하다가 감소하므로 유효응력도 증가하다가 감소하게 된다.
- 그림에서 보는 바와 같이 시료내 체적함수비 혹은 유효포화도가 감소함에 따라 모관흡수력은 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 공기함입치 이후에는 작은 모관흡수력에 의해서도 체적함수비가 크게 변화하며, 동일한 체적함수비에서 건조과정의 모관흡수력은 습윤과정의 모관흡수력보다 크게 나타났다.
- Table 3은 건조 및 습윤과정에서의 최대흡입응력을 비교한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 건조과정에서의 흡입응력이 습윤과정에서의 흡입응력보다 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 불포화 관련계수를 이용하여유효포화도와 흡입응력의 상관관계인 흡입응력특성곡선 (SSCC)을 예측하였다. 흡입응력은 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력과 다른 값을 갖게 된다.
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