기초 구조물, 옹벽 등 지반 구조물의 거동 평가에 사용되는 정지토압계수는 현장 응력상태를 나타내는 상태변수로 해석과 설계에 매우 중요하다. 정규 압밀된 사질토에서 일반적으로 널리 쓰이는 Jaky의 Ko식은 실험에서 획득 가능한 마찰각으로부터 응력상태를 유추하지만, 실무에서 마찰각 적용시 필수적인 입자 조건에 따른 영향과 기준에 대한 평가가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 주요한 영향 인자로서 상대밀도, 원마도, 표면 거칠기에 따른 Ko값의 변화 양상을 다양한 하중 단계별로 실험에 고려하였다. 변형계를 사용한 Ko측정기를 제작하여 주문진 표준사, 글라스 비드, 에칭 글라스 비드에 대해 재하-제하-재재하의 단계별로 Ko을 측정하였고 영향 요인별 분석을 실시하였다. 실험 결과 원마도와 무관하게 작은 상대밀도의 시편이 높은 Ko을 보였으며 표면 거칠기는 Ko에 큰 영향이 없었다. 또한 동일한 상대밀도에서 입자가 모난 형상에 가까울수록 낮은 Ko을 보였다. 본 연구에서 획득한 실험 결과를 바탕으로 경험식과 문헌에서 보고된 데이터를 이용하여 상대밀도에 따른 Ko과 마찰각의 특성을 분석하였다.
기초 구조물, 옹벽 등 지반 구조물의 거동 평가에 사용되는 정지토압계수는 현장 응력상태를 나타내는 상태변수로 해석과 설계에 매우 중요하다. 정규 압밀된 사질토에서 일반적으로 널리 쓰이는 Jaky의 Ko식은 실험에서 획득 가능한 마찰각으로부터 응력상태를 유추하지만, 실무에서 마찰각 적용시 필수적인 입자 조건에 따른 영향과 기준에 대한 평가가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 주요한 영향 인자로서 상대밀도, 원마도, 표면 거칠기에 따른 Ko값의 변화 양상을 다양한 하중 단계별로 실험에 고려하였다. 변형계를 사용한 Ko측정기를 제작하여 주문진 표준사, 글라스 비드, 에칭 글라스 비드에 대해 재하-제하-재재하의 단계별로 Ko을 측정하였고 영향 요인별 분석을 실시하였다. 실험 결과 원마도와 무관하게 작은 상대밀도의 시편이 높은 Ko을 보였으며 표면 거칠기는 Ko에 큰 영향이 없었다. 또한 동일한 상대밀도에서 입자가 모난 형상에 가까울수록 낮은 Ko을 보였다. 본 연구에서 획득한 실험 결과를 바탕으로 경험식과 문헌에서 보고된 데이터를 이용하여 상대밀도에 따른 Ko과 마찰각의 특성을 분석하였다.
At-rest lateral stress coefficient that is used for the evaluation of geotechnical structures such as foundations and retaining walls plays a significant role in the analysis and design, as a state variable of in-situ stress condition. In the widely applied Jaky's Ko equation stress condition can be...
At-rest lateral stress coefficient that is used for the evaluation of geotechnical structures such as foundations and retaining walls plays a significant role in the analysis and design, as a state variable of in-situ stress condition. In the widely applied Jaky's Ko equation stress condition can be inferred from the internal friction angle obtainable from the laboratory experimentation whereas the eguation mares it challenging to evaluate the influences and criteria of particle characteristics which is essential for the application of friction angles in practices. Thus, this study experimentally explored the behaviors of Ko depending on the relative density, particle shape, and surface roughness effect during a range of loading stages. The Ko values of Jumumjin sand, glass beads, and etched glass beads were measured using a customized Ko device housing strain gauges during loading-unloading-reloading steps, and the effect of dominant factors on Ko is analyzed. Results show that the high Ko prevails for both round and angular specimens with low relative density and the surface roughness has a nominal effect. The angular particles exhibit low Ko for specimens with similar relative density. The characteristics of relevance between Ko and friction angles with varying relative density are also investigated based on the experimental results using empirical correlations and previously reported values.
At-rest lateral stress coefficient that is used for the evaluation of geotechnical structures such as foundations and retaining walls plays a significant role in the analysis and design, as a state variable of in-situ stress condition. In the widely applied Jaky's Ko equation stress condition can be inferred from the internal friction angle obtainable from the laboratory experimentation whereas the eguation mares it challenging to evaluate the influences and criteria of particle characteristics which is essential for the application of friction angles in practices. Thus, this study experimentally explored the behaviors of Ko depending on the relative density, particle shape, and surface roughness effect during a range of loading stages. The Ko values of Jumumjin sand, glass beads, and etched glass beads were measured using a customized Ko device housing strain gauges during loading-unloading-reloading steps, and the effect of dominant factors on Ko is analyzed. Results show that the high Ko prevails for both round and angular specimens with low relative density and the surface roughness has a nominal effect. The angular particles exhibit low Ko for specimens with similar relative density. The characteristics of relevance between Ko and friction angles with varying relative density are also investigated based on the experimental results using empirical correlations and previously reported values.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 지반재료와 물성변화를 통해 지반요소의 정지토압계수에 대한 영향을 고찰하였다. 지반입자의 특성을 나타내는 요소 가운데 원마도와 거칠기 변화를 핵심인자로 선택하여 연구분석에 포함하였다.
본 연구에서는 정지토압계수에 영향을 주는 인자를 파악하기 위하여 다양한 시료에 대하여 하중 단계별로 정지토압계수를 측정하였다. 주문진 표준사, 글라스 비드, 에칭 글라스 비드를 활용하여 상대밀도, 원마도, 표면 거칠기를 달리한 시료를 얇은 탄성 실린더에 변형률계를 부착하여 재하-제하-재재하의 단계별로 수평응력을 측정하였다.
가설 설정
조밀한 시료의 경우 수직 방향으로 force chain이 잘 발달하여 수평 방향으로의 힘 전이가 느슨한 입자 시료보다 덜 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 또한 느슨한 시료의 경우 입자들의 미끄러짐에 의해 시료의 직경이 커지려는 경향이[JL1] 탄성변형에 의해 줄어드려는 크기보다 크기 때문에 초기 간극비가 증가함에 따라 정지토압계수가 증가함이 실험적으로 증명된 바 있다 (Andrawes과 El-Sohby, 1973; Edil과 Dhowian, 1981).
제안 방법
각 시편은 실린더에 목표한 상대 밀도를 갖도록 tapping과 tamping을 이용하여 조성되었고 재하-제하-재재하 과정간 총 3단계의 하중 단계별 수평응력 및 수직변위를 측정하였다. 최초 하중 16kPa를 시작으로 32, 48, 80, 111kPa까지 5단계에 걸쳐 재하를 하였고 최초 하중까지 다시 5단계에 걸쳐 제하를 하였다.
이후 재하단계와 동일한 하중단계를 거쳐 143kPa까지 총 6단계의 재재하 과정을 시편마다 적용하였다. 변형률계는 데이터로거를 통해 매 1초마다 전압의 변화를 지속적으로 기록하였고 각 하중 단계는 10분간 지속되었다. 하중 단계별 전압값은 평균값을 이용하여 식 (5)의 보정계수를 통해 수평응력으로 환산하고 정지토압계수를 산출하였다.
지반입자의 특성을 나타내는 요소 가운데 원마도와 거칠기 변화를 핵심인자로 선택하여 연구분석에 포함하였다. 이를 위해 일반 사질토와 글라스 비드(Glass bead)를 입자의 형상인자변화를 위해 사용하였으며 글라스 비드의 표면처리를 통해 거칠기 효과를 모사하였다. 실험을 위해 제작된 Ko 측정기가 사용되었으며 수평토압과 압축성, 응력이력의 변화 등이 실험에 고려되었다.
최초 하중 16kPa를 시작으로 32, 48, 80, 111kPa까지 5단계에 걸쳐 재하를 하였고 최초 하중까지 다시 5단계에 걸쳐 제하를 하였다. 이후 재하단계와 동일한 하중단계를 거쳐 143kPa까지 총 6단계의 재재하 과정을 시편마다 적용하였다. 변형률계는 데이터로거를 통해 매 1초마다 전압의 변화를 지속적으로 기록하였고 각 하중 단계는 10분간 지속되었다.
입자조건의 영향을 분석하기 위해 본 연구에서 고려된 인자는 모남(angularity)의 변화로 대변되는 원마도와 마이크로 및 미시 스케일에서 나타나는 표면 거칠기를 핵심인자로 선택하였다. 동일한 하중 조건에 대한 원마도에 따른 효과를 평가하기 위해 일반 사질토로 구분되는 주문진 표준사와 구형 형상으로 구성된 글라스 비드(Glass bead)를 사용하였으며 동일한 형상과 하중조건 하에서의 표면 거칠기의 영향은 표면 처리된 글라스 비드를 사용하였다.
본 연구에서는 정지토압계수에 영향을 주는 인자를 파악하기 위하여 다양한 시료에 대하여 하중 단계별로 정지토압계수를 측정하였다. 주문진 표준사, 글라스 비드, 에칭 글라스 비드를 활용하여 상대밀도, 원마도, 표면 거칠기를 달리한 시료를 얇은 탄성 실린더에 변형률계를 부착하여 재하-제하-재재하의 단계별로 수평응력을 측정하였다.
본 연구에서는 다양한 지반재료와 물성변화를 통해 지반요소의 정지토압계수에 대한 영향을 고찰하였다. 지반입자의 특성을 나타내는 요소 가운데 원마도와 거칠기 변화를 핵심인자로 선택하여 연구분석에 포함하였다. 이를 위해 일반 사질토와 글라스 비드(Glass bead)를 입자의 형상인자변화를 위해 사용하였으며 글라스 비드의 표면처리를 통해 거칠기 효과를 모사하였다.
각 시편은 실린더에 목표한 상대 밀도를 갖도록 tapping과 tamping을 이용하여 조성되었고 재하-제하-재재하 과정간 총 3단계의 하중 단계별 수평응력 및 수직변위를 측정하였다. 최초 하중 16kPa를 시작으로 32, 48, 80, 111kPa까지 5단계에 걸쳐 재하를 하였고 최초 하중까지 다시 5단계에 걸쳐 제하를 하였다. 이후 재하단계와 동일한 하중단계를 거쳐 143kPa까지 총 6단계의 재재하 과정을 시편마다 적용하였다.
6이다. 한 쌍의 변형률계를(120ohm, CEA-13-240UZ-120, Vishay사) 실린더의 옆면에 부착시키고 다른 한 쌍과 각각 직렬로 연결하였다. 이는 휘트스톤 브리지(Wheatston Bridge) 형태로 온도에 따른 변위 발생 효과를 최소화시킬 수 있으며 전압차 측정을 통해 변위 발생을 측정할 수 있다.
대상 데이터
입자조건의 영향을 분석하기 위해 본 연구에서 고려된 인자는 모남(angularity)의 변화로 대변되는 원마도와 마이크로 및 미시 스케일에서 나타나는 표면 거칠기를 핵심인자로 선택하였다. 동일한 하중 조건에 대한 원마도에 따른 효과를 평가하기 위해 일반 사질토로 구분되는 주문진 표준사와 구형 형상으로 구성된 글라스 비드(Glass bead)를 사용하였으며 동일한 형상과 하중조건 하에서의 표면 거칠기의 영향은 표면 처리된 글라스 비드를 사용하였다.
46) 일정양의 세립분과 조립분을 포함하고 있는 것으로 나타나고 있다. 본 연구에서는 20번 체를 통과하고 40번 체에 남은 시료만을 사용하였다. 이는 실험에 사용된 구형에 가까운 글라스 비드의 크기(직경0.
본 연구에서는 변형률계에 의한 수평 응력을 측정하고자 두께 0.13mm, 직경 66mm의 알루미늄 실린더를 이용하였다. 시료의 높이는 약 40mm로 높이와 직경의 비는 약 0.
이를 위해 일반 사질토와 글라스 비드(Glass bead)를 입자의 형상인자변화를 위해 사용하였으며 글라스 비드의 표면처리를 통해 거칠기 효과를 모사하였다. 실험을 위해 제작된 Ko 측정기가 사용되었으며 수평토압과 압축성, 응력이력의 변화 등이 실험에 고려되었다.
이론/모형
동일한 입자 형상에서 표면 거칠기의 효과를 측정하기 위해 본 연구에서는 글라스 비드의 표면에 화학적 에칭 기법을 적용하였다. 글라스 비드를 에칭 용액(염화 수소 HCl, pH~1.
Figure 3은 본 연구에서 수평 응력 측정을 위해 사용한 실린더 및 계측기를 나타낸다. 제작된 Ko-측정기를 검증하기 위해 물을 채워 측정된 수압을 이용하였다. 물은 등방유체의 성질을 나타내므로 수직과 수평방향의 정수압 비가 항상 1이며 제작된 측정기에서의 응력값 또한 수압비 1에 상응하는 값을 나타내어야 한다.
성능/효과
Michalowski(2005)는 이론적 접근을 통해 Jaky의 Ko식을 재해석하였으며 샌드파일(sand pile)의 해석적 접근을 통해 Jaky의 Ko식은 경험식이 아닌 이론식이며, 실제의 정지토압계수와 잘 부합함을 나타내었다. 그러나 유도과정에 포함된 임의적 가정사항과 현실성의 결여 등으로 인해 엄밀한 관점에서의 현상 설명에는 많은 불확실성이 아직 존재하는 것으로 확인되었다. 또한, 사질토의 경우 기존의 경험식과 비교하여 Jaky(1944)에 의한 Ko은 상위한계(Upper bound)에 근접함이 발표된 바 있다(Mesri과 Vardhanabhuti, 2007).
다양한 입자 조건이 정지토압계수에 영향을 끼치지만 특히 상대밀도가 정지토압계수를 결정하는 데 가장 지배적인 역할을 하고 있음을 실험 결과 확인하였다. 반면 표면 거칠기에 의한 정지토압계수의 변화는 없었으나, 제하시 정지토압계수 증가 양상은 매끈한 시료의 경우 그렇지 않은 시료에 비해 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
Mayne과 Kulhawy(1982)가 제안한 식과 실험 결과를 비교를 통해 느슨한 모래의 경우 기존의 식과 유사함을 확인하였고, 글라스 비드의 경우 매끈한 표면에 의한 억물림(interlocking) 효과가 상대적으로 적게 나타나는 것을 보였다. 마지막으로 본 연구와, 기존에 수행된 주문진 표준사의 연구를 통해 알려진 상대밀도와 마찰각의 관계가 대략적으로 선형을 갖게 됨을 규명하였다.
다양한 입자 조건이 정지토압계수에 영향을 끼치지만 특히 상대밀도가 정지토압계수를 결정하는 데 가장 지배적인 역할을 하고 있음을 실험 결과 확인하였다. 반면 표면 거칠기에 의한 정지토압계수의 변화는 없었으나, 제하시 정지토압계수 증가 양상은 매끈한 시료의 경우 그렇지 않은 시료에 비해 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 또 한 원마도에 따라서 상이한 force chain을 형성하게 되고 이로 인해 수직응력에 따른 지반재료의거동이 달라질 수 있음을 유추할 수 있다.
재재하간 Ko값은 재하간의 값으로 회복되며 선행압밀하중 단계 이후 일정한 값을 보인다. 본 실험에서 역시 정지토압계수는 모래의 상태가 조밀할 수록 작게 산출되었으며 상대밀도가 입자간 하중 전이 양상 및 그에 따른 정지토압계수에 큰 영향을 끼침을 알 수 있다.
이는 입자 표면이 매끄러워 마찰이 적으므로 하중에 의해 주변 입자들 사이의 간극에 조밀하게 위치했던 입자가 제하간 다소 쉽게 원 위치로 돌아가려 함에 기인한다. 본 실험에서 적용한 에칭 기법의 경우 표면 삭각 간격이 입자 크기의 약 2~5%로 표면 거칠기에 의한 입자간 억물림(interlocking) 효과는 정지토압계수에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
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