포화토의 개념과 원리로는 실제 지반에서 발생하는 현상과 거동이 제대로 해석되지 않는 많은 공학적 문제들이 있다. 불포화토는 부간극수압의 영향으로 겉보기점착력을 보임과 동시에 물의 흐름에 있어서 간극 속에 공기의 함입으로 투수성이 저하하는 등 포화토와는 다른 거동특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서 흙 속의 수분 함량에 따른 공학적 특성을 규명하는 것은 지반강도의 산정, 구조물의 안정성 등을 판단하는데 있어서 중요한 자료를 제공하므로 많은 연구와 노력이 필요하다. 특히, 하천복원 프로젝트인 "4대강 살리기"중 한 곳인 낙동강유역에는 모래 지반이 넓은 지역에 걸쳐 분포하고 있으며, 중소규모의 댐, 홍수조절지, 하천변 저류지 및 저수지 재개발 등 많은 토목구조물이 건설되고 있다. 본 연구에서는 낙동강유역 내 불포화상태에 있는 지반구조물의 설계 시공 및 안정성 검토에 기초적 자료를 제공하고자 낙동강 중하류 실트질 모래를 대상으로 불포화 삼축압축시험을 실시하였다. 시험 결과 최대축차응력은 구속압과 흡인력이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한 점착력은 흡인력의 증가에 따라 비선형적으로 증가하였으나, 내부마찰각은 크게 변하지 않는 것으로 나타났다.
포화토의 개념과 원리로는 실제 지반에서 발생하는 현상과 거동이 제대로 해석되지 않는 많은 공학적 문제들이 있다. 불포화토는 부간극수압의 영향으로 겉보기점착력을 보임과 동시에 물의 흐름에 있어서 간극 속에 공기의 함입으로 투수성이 저하하는 등 포화토와는 다른 거동특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서 흙 속의 수분 함량에 따른 공학적 특성을 규명하는 것은 지반강도의 산정, 구조물의 안정성 등을 판단하는데 있어서 중요한 자료를 제공하므로 많은 연구와 노력이 필요하다. 특히, 하천복원 프로젝트인 "4대강 살리기"중 한 곳인 낙동강유역에는 모래 지반이 넓은 지역에 걸쳐 분포하고 있으며, 중소규모의 댐, 홍수조절지, 하천변 저류지 및 저수지 재개발 등 많은 토목구조물이 건설되고 있다. 본 연구에서는 낙동강유역 내 불포화상태에 있는 지반구조물의 설계 시공 및 안정성 검토에 기초적 자료를 제공하고자 낙동강 중하류 실트질 모래를 대상으로 불포화 삼축압축시험을 실시하였다. 시험 결과 최대축차응력은 구속압과 흡인력이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한 점착력은 흡인력의 증가에 따라 비선형적으로 증가하였으나, 내부마찰각은 크게 변하지 않는 것으로 나타났다.
There are many technical problems, which can not be resolved by the concept of saturated soil mechanics. Unsaturated soils show an apparent cohesion due to negative pore pressure and relatively lower permeability due to entrapped air compared to saturated soils. The determination of engineering prop...
There are many technical problems, which can not be resolved by the concept of saturated soil mechanics. Unsaturated soils show an apparent cohesion due to negative pore pressure and relatively lower permeability due to entrapped air compared to saturated soils. The determination of engineering properties of soils with various moisture content is very important to evaluate shear strength and stability of natural and engineered soils. So various researches should be made on unsaturated soils. Especially, sandy soils are widely distributed near Nakdong river, one of the four rivers where Restoration Projects were carried out. Many structures such as dams, flood control facilities, detention facilities and reservoirs have been built in this area. In this study, unsaturated triaxial compressive tests were conducted on sands or silty sands at Nakdong river in order to provide their fundamental characteristics for design and construction of geotechnical structures. As a result of the tests, the maximum deviator stress increased as the confining stress and matric suction increased. The cohesion increased non-linearly as the matric suction increased, but the angle of internal friction was marginally changed.
There are many technical problems, which can not be resolved by the concept of saturated soil mechanics. Unsaturated soils show an apparent cohesion due to negative pore pressure and relatively lower permeability due to entrapped air compared to saturated soils. The determination of engineering properties of soils with various moisture content is very important to evaluate shear strength and stability of natural and engineered soils. So various researches should be made on unsaturated soils. Especially, sandy soils are widely distributed near Nakdong river, one of the four rivers where Restoration Projects were carried out. Many structures such as dams, flood control facilities, detention facilities and reservoirs have been built in this area. In this study, unsaturated triaxial compressive tests were conducted on sands or silty sands at Nakdong river in order to provide their fundamental characteristics for design and construction of geotechnical structures. As a result of the tests, the maximum deviator stress increased as the confining stress and matric suction increased. The cohesion increased non-linearly as the matric suction increased, but the angle of internal friction was marginally changed.
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문제 정의
본 연구는 낙동강 지역에 넓게 분포하고 있는 실트질 모래의 전단강도특성을 규명하고자 낙동강 중류지역의 모래와 실트를 채취하여 배기-비배수 조건에서의 불포화 삼축압축실험을 수행하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
불포화토의 강도특성을 알기위해 본 연구에서는 일반 삼축시험기를 불포화토의 실험에 알맞도록 개량 제작하였다. 이용된 삼축압축시험장비는 Fig.
이에 본 연구에서는 낙동강 유역 모래의 불포화 전단강도특성을 분석하여 낙동강유역 내에 시공되는 지반구조물의 보다 경제적인 설계·시공 및 안정성 검토가 이루어지도록 기초적 자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
Chamber Cell에 시료가 준비되면 시료의 밑판을 통하여 탈기수를 주입하여 시료를 포화시킨다. 포화도는 Skempton의 B값 측정하여 포화도가 95%이상이 되면 완전포화가 되었다고 가정하였다. 소정의 포화도에 이르면 삼축압축 셀에 소정의 응력조건으로 압력을 가하여 주어진 구속압(σ3 -ua)과 흡인력(ua -uw)의 상태로 압밀시킨다.
제안 방법
(1978)은 마찰력을 전응력의 함수와 간극수압의 함수로 나누어 전단강도식을 발표하였다. Mohr-Coulomb의 파괴규준을 불포화토에 적용할 수 있도록 확장하여 전단강도를 표현하기 위하여 모관흡인력 항을 도입하였다. 이를 적용하기 위하여 실험결과로 부터 겉보기 점착력과 내부마찰각을 구하여 Table 4에 나타내었다.
본 연구에서는 여러 가지 실험의 종류 중 배기-비배수 상태에서 전단시험을 시행하였다. 또한 포화공시체와 불포화 공시체의 전단강도를 비교하고자 포화시료를 이용하여 삼축압축시험을 실시하였다. 배기-비배수 시험이므로 간극수압이 간극압에 영향을 받아 균일하게 유지되므로 비배수전단실험과 유사하다고 판단하여 전단속도를 0.
또한 포화공시체와 불포화 공시체의 전단강도를 비교하고자 포화시료를 이용하여 삼축압축시험을 실시하였다. 배기-비배수 시험이므로 간극수압이 간극압에 영향을 받아 균일하게 유지되므로 비배수전단실험과 유사하다고 판단하여 전단속도를 0.05%/min으로 하였다. 실험조건은 Table 3에 나타내었다.
0∼200kPa 사이의 흡수력 범위에서는 ASTM D2325-68(ASTM 1990a)에 따라 압력판 추출기(volume pressure plate extractor, 이하 VPPE)를 사용하고, 가해진 흡수력이 디스크의 공기함입 저항치를 초과하는 범위에 대해서는 데시케이터 실험을 이용하여 삼투흡입력(osmotic suction)을 적용하여 구할 수 있다. 본 논문에 적용된 함수특성곡선은 Fig. 2와 같이 공기함입치와 잔류함수비 범위를 적절하게 나누어 흡인력의 범위를 정하였다. 실험결과 실트함유율에 따른 흡인력의 변화는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 50Hz로 10분 동안 진동시켰다. 실트함유량 0%, 5%, 10%, 20%, 30%에 대한 상대밀도 80%시의 간극비와 단위중량을 산정하여 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는 여러 가지 실험의 종류 중 배기-비배수 상태에서 전단시험을 시행하였다. 또한 포화공시체와 불포화 공시체의 전단강도를 비교하고자 포화시료를 이용하여 삼축압축시험을 실시하였다.
삼축압축 셀은 시료에 모관흡인력을 재현시키기 위하여 공기압과 수압을 시료의 상부 및 하부 pedestal을 통하여 가하였으며, 물을 통과시키고 공기의 이동을 제한하기 위하여 삼축압축셀의 하부 시료받침대에 500kPa의 높은 공기 유입치를 갖는 세라믹 디스크(Ceramic disk)를 설치하였다.
실트의 경우도 낙동강 중류 지역에서 채취한 후 깨끗한 물에 씻어 #200체 위의 시료를 제거한 뒤 남은 시료를 자연 건조시켜 사용하였다. 시료준비 후 모래와 실트를 0%, 5%, 10%, 20%, 30% 비율로 섞어 시료를 준비하였다. 실험에 사용한 시료의 기본 물성치는 Table 1과 같으며 각각의 입도조정 시료 및 실트에 대한 입도는 Fig.
쌍곡선식은 초기 기울기와 최대 점근값으로 표현되는 것을 이용해 모관흡인력에 대한 겉보기 점착력값을 초기기울기와 최대 점근값으로 수식화 하였다. 이를 이용해 흡인력에 따른 겉보기 점착력의 비선형적인 변화를 설명할 수 있다.
대상 데이터
낙동강 실트질 모래의 함수특성곡선(SWCC : Soil Water Characteristic Curve)은 압력판 추출실험과 데시케이터 실험을 병행하여 구할 수 있다. 0∼200kPa 사이의 흡수력 범위에서는 ASTM D2325-68(ASTM 1990a)에 따라 압력판 추출기(volume pressure plate extractor, 이하 VPPE)를 사용하고, 가해진 흡수력이 디스크의 공기함입 저항치를 초과하는 범위에 대해서는 데시케이터 실험을 이용하여 삼투흡입력(osmotic suction)을 적용하여 구할 수 있다.
낙동강 중류 지역의 실트질 모래를 채취한 후 깨끗한 모래에 대한 시험을 위하여 #20체∼#200체 사이의 잔류모래를 흐르는 물에 씻어서 깨끗한 모래(clean sand)로 만들어 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 성토재로 많이 사용되고 있는 낙동강 중류 충적 실트질 모래를 실험에 사용하였다. 낙동강 중류 지역의 실트질 모래를 채취한 후 깨끗한 모래에 대한 시험을 위하여 #20체∼#200체 사이의 잔류모래를 흐르는 물에 씻어서 깨끗한 모래(clean sand)로 만들어 실험에 사용하였다.
실트의 경우도 낙동강 중류 지역에서 채취한 후 깨끗한 물에 씻어 #200체 위의 시료를 제거한 뒤 남은 시료를 자연 건조시켜 사용하였다. 시료준비 후 모래와 실트를 0%, 5%, 10%, 20%, 30% 비율로 섞어 시료를 준비하였다.
불포화토의 강도특성을 알기위해 본 연구에서는 일반 삼축시험기를 불포화토의 실험에 알맞도록 개량 제작하였다. 이용된 삼축압축시험장비는 Fig. 4와 같으며 시스템의 구성은 삼축압축셀과 가압장치로 재하 장비, 가압장비(Ⅰ), (Ⅱ), 공기압축기, 측정장치 및 제어장치로 등으로 구성되어 있다.
이론/모형
0∼200kPa 사이의 흡수력 범위에서는 ASTM D2325-68(ASTM 1990a)에 따라 압력판 추출기(volume pressure plate extractor, 이하 VPPE)를 사용하고, 가해진 흡수력이 디스크의 공기함입 저항치를 초과하는 범위에 대해서는 데시케이터 실험을 이용하여 삼투흡입력(osmotic suction)을 적용하여 구할 수 있다.
그러나 이러한 방식으로 성형할 경우, 시료의 하층부로 갈수록 밀도가 커지는 경향이 있으므로, 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 단위중량을 목표로 5층의 과소다짐법(under compaction)을 적용하였다. 과소다짐법은 각 층에 대해 동일한 시료무게를 서로 다른 다짐높이로 성형하여 시료 전체에 균일한 건조단위중량을 확보하는 시료성형방법이다.
본 연구에 적용된 모든 시료는 ASTM(D4253-00, D4254-00)에서 규정한 실험방법에 의하여 상대밀도를 산정하였으며, 공시체 성형방법은 습윤다짐법으로 성형하였다.
흡인력에 따른 겉보기 점착력의 변화를 보다 자세히 확인하고자 기존의 연구에서 Fredlund(1978)이 제시한 식인 쌍곡선식을 이용하였다. Fredlund et al.
성능/효과
(1) 응력-변형률곡선에서 흡인력에 상관없이 모든 조건에서 최대축차응력에 도달한 후 응력이 일정하게 유지되는 전형적인 정규압밀 시료의 거동양상을 나타냄을 확인하였다. 또한 흡인력, 구속압이 일정한 상태에서 축차응력은 구속압, 흡인력의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 분석결과 유일한 한계상태선에 도달하는 응력경로거동을 보였다. 동일 실트함유율에서 흡인력이 증가에 따라 기울기 M값은 대체적으로 감소하거나 비슷한 값을 가지는 것으로 나타났으며, 동일 흡인력에서는 실트함유율이 증가함에 따라 기울기 M값은 감소하는 것으로 나타났다.
(3) Mohr-Coulomb의 파괴규준을 통해 흡인력에 따른 겉보기 점착력과 내부마찰각을 구한 결과 겉보기 점착력은 선형적으로 나타나지 않고 비선형적으로 나타났으며 특히 쌍곡선식을 통해 표현함이 더 타당한 것으로 나타났다.
(4) 실트함유율이 5, 10, 20%로 증가함에 따라서는 최대 겉보기 점착력의 증가율이 168.5%, 154.4%, 74.3%로 감소하는 것으로 나타났으며, 절대값으로 본 최대 겉보기 점착력 값도 구속압이 증가함에 따라 14.9, 11.6, 12.2, 8.6kPa로 나타나 실트함유율이 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있다. 본 연구위 경우 내부마찰각의 경우는 흡인력의 변화에 따른 큰 변화는 나타나지 않았다.
(2) 분석결과 유일한 한계상태선에 도달하는 응력경로거동을 보였다. 동일 실트함유율에서 흡인력이 증가에 따라 기울기 M값은 대체적으로 감소하거나 비슷한 값을 가지는 것으로 나타났으며, 동일 흡인력에서는 실트함유율이 증가함에 따라 기울기 M값은 감소하는 것으로 나타났다.
3%로 감소함을 확인할 수 있다. 또한 절대값으로 본 최대 겉보기 점착력값도 구속압이 증가함에 따라 14.9, 11.6, 12.2, 8.6kPa로 대체적으로 실트함유율이 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있다. 내부마찰각의 경우는 흡인력의 변화에 따른 큰 변화는 나타나지 않았다.
(1) 응력-변형률곡선에서 흡인력에 상관없이 모든 조건에서 최대축차응력에 도달한 후 응력이 일정하게 유지되는 전형적인 정규압밀 시료의 거동양상을 나타냄을 확인하였다. 또한 흡인력, 구속압이 일정한 상태에서 축차응력은 구속압, 흡인력의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
쌍곡선식의 경우 초기기울기와 최대 점근값으로 작은 흡인력에서 전단강도의 큰 변화를 잘 설명하였다. 삼축시험시 적용된 흡인력이 함수특성곡선 실험결과를 바탕으로 공기함입치와 잔류함수비 범위를 적용한 결과 모든 경우에서 흡인력 150kPa일대 겉보기 점착력이 쌍곡선식의 최대 점근값으로 구한 최대 겉보기 점착력과는 큰 차이가 나지 않아 본 연구에서 적용한 흡인력의 범위가 유효함도 알 수 있다.
6에 실트함유율 10%에 대한 응력경로를 나타내었으며 Table 4에 한계상태선의 기울기 M값을 정리하였다. 시험결과 모두 흡인력과 실트함유율에 상관없이 유일한 한계상태선에 도달하는 응력경로 거동을 보였다. 동일한 실트함유율에서 포화상태인 흡인력 0kPa의 기울기 M값과 비교하였을 때 흡인력이 증가하면 기울기 M값은 약간 감소하지만 큰 변화는 나타나지 않는다.
0kPa로 나타났다. 실트함유율이 5, 10, 20%로 증가함에 따라서는 최대 겉보기 점착력의 증가율이 168.5%, 154.4%, 74.3%로 감소함을 확인할 수 있다. 또한 절대값으로 본 최대 겉보기 점착력값도 구속압이 증가함에 따라 14.
2와 같이 공기함입치와 잔류함수비 범위를 적절하게 나누어 흡인력의 범위를 정하였다. 실험결과 실트함유율에 따른 흡인력의 변화는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
흡인력 0인 경우에 비하여 흡인력이 증가함에 따라 최대축차응력이 실트함량 0%에서는 2.45∼34.67%, 5%에서는 2.13∼25.93%, 10%에서는 1.44∼26.22%, 20%에서는 1.82∼20.71%로 증가하는 것으로 나타났으나, 실트함유량이 높을수록 그 증가폭은 감소하는 것으로 나타났다.
5에는 흡인력에 따른 축차응력과 축변형률의 관계를 나타내었다. 흡인력과 실트함유율의 변화에 상관없이 모든 조건에서 최대축차응력에 도달한 후 응력이 일정하게 유지되는 전형적인 정규압밀 시료의 거동양상을 나타냈으며 모두 유효구속압이 증가할수록 최대 축차응력에 도달하는 축변형률이 증가하였다. 흡인력 0인 경우에 비하여 흡인력이 증가함에 따라 최대축차응력이 실트함량 0%에서는 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
습윤다짐법은 어떤 경향을 가지고 있는가?
그러나 이러한 방식으로 성형할 경우, 시료의 하층부로 갈수록 밀도가 커지는 경향이 있으므로, 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 단위중량을 목표로 5층의 과소다짐법(under compaction)을 적용하였다. 과소다짐법은 각 층에 대해 동일한 시료무게를 서로 다른 다짐높이로 성형하여 시료 전체에 균일한 건조단위중량을 확보하는 시료성형방법이다.
지반 구조물의 안정해석에서는 포화상태에서 얻어진 지반강도정수를 적용하는 이유는?
하지만 최근까지 댐, 제방, 사면, 교량 기초 등 지반 구조물의 안정해석에서는 포화상태에서 얻어진 지반강도정수를 적용해 오고 있는 실정이다. 이는 포화토 측면에서 구조물을 설계하는 것이 이론적으로 접근이 용이하고 안전측 설계가 가능며, 또한 불포화토를 연구하기 위해 소요되는 비용과 시간 등의 어려움이 많이 따르기 때문이다(Lee et al., 2009; Lee et al.
습윤다짐법은 어떻게 공시체를 성형을 하는 것인가?
또한, 입자 크기의 차이가 큰 경우 다지기 전 미리 물을 첨가하여 시료를 섞기 때문에 입자 분포가 균질한 시료를 만들 수 있다. 습윤다짐법은 시료를 다질 때 각 층의 높이를 일정하게 되도록 다짐한 후, 다음 층을 성형한다.
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