본 연구는 포화-압밀-전단 제어형 링전단시험장치를 이용하여 (i) 전단시간에 따른 전단응력 특성, (ii) 구속압과 전단속도에 따른 전단특성 및 (iii) 전단속도에 따른 전단응력 특성에 대한 연구를 수행하였다. 이질 재료간의 전단특성을 살펴보고자 낙동강 모래와 해안 점토를 사용하였다. 본 연구에서는 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단특성을 살펴보고자 비배수 조건에서 특정 구속압(50과 100kPa)에 대한 실험을 1차적으로 수행하였다. 모든 실험은 특정 구속압에 대해 300sec 동안 자동 압밀조건을 거친 후 전단실험을 수행하였다. 2차 실험으로 세 시료에 대한 수직응력 변화에 따른 전단응력 특성을 살펴보고자 수직응력을 20~150kPa까지 단계별로 높여가며 실험을 수행하였다. 마지막으로 특정 구속압에 대해 전단속도를 0.01, 0.1, 1, 10, 100mm/sec까지 5 단계로 나누어 실험을 수행하였다. 이질재료 간의 전단응력은 특정 구속압 하에서 모래-점토의 전단응력(최대전단응력과 잔류전단응력)은 모래-모래보다는 작고, 점토-점토보다는 약간 큰 것으로 나타났다. 전단응력은 구속압과 전단속도에 의해 전단면에서 발생하는 입자 파쇄와 젖음현상에 의존하는 것으로 나타났다.
본 연구는 포화-압밀-전단 제어형 링전단시험장치를 이용하여 (i) 전단시간에 따른 전단응력 특성, (ii) 구속압과 전단속도에 따른 전단특성 및 (iii) 전단속도에 따른 전단응력 특성에 대한 연구를 수행하였다. 이질 재료간의 전단특성을 살펴보고자 낙동강 모래와 해안 점토를 사용하였다. 본 연구에서는 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단특성을 살펴보고자 비배수 조건에서 특정 구속압(50과 100kPa)에 대한 실험을 1차적으로 수행하였다. 모든 실험은 특정 구속압에 대해 300sec 동안 자동 압밀조건을 거친 후 전단실험을 수행하였다. 2차 실험으로 세 시료에 대한 수직응력 변화에 따른 전단응력 특성을 살펴보고자 수직응력을 20~150kPa까지 단계별로 높여가며 실험을 수행하였다. 마지막으로 특정 구속압에 대해 전단속도를 0.01, 0.1, 1, 10, 100mm/sec까지 5 단계로 나누어 실험을 수행하였다. 이질재료 간의 전단응력은 특정 구속압 하에서 모래-점토의 전단응력(최대전단응력과 잔류전단응력)은 모래-모래보다는 작고, 점토-점토보다는 약간 큰 것으로 나타났다. 전단응력은 구속압과 전단속도에 의해 전단면에서 발생하는 입자 파쇄와 젖음현상에 의존하는 것으로 나타났다.
The shear stress characteristics of landslide materials can be affected by various factors. We examined the shear stress characteristics of two different soils using ring-shear apparatus, in which saturation-consolidation-shearing speed can be easily controlled. This paper presents (i) shear stress-...
The shear stress characteristics of landslide materials can be affected by various factors. We examined the shear stress characteristics of two different soils using ring-shear apparatus, in which saturation-consolidation-shearing speed can be easily controlled. This paper presents (i) shear stress-time characteristics, (ii) shear stress depending on normal stress and shear speed and (iii) shear stress as a function of shearing speed. Materials used in this paper were the Nakdong River sand and muds taken from Jinhae coastal area in Korea. Samples were prepared in three types: Sand (upper)-Sand (lower), Clay (upper)-Clay (lower) and Sand (upper)-Clay (lower). The upper and lower indicate the samples placed in upper and lower ring shear boxes, respectively. For given normal stresses (50 and 100 kPa) and shearing speed (0.1 mm/sec), we performed ring shear tests. Then the failure lines were determined in the second test. Last, we determined the shear stress characteristics depending on different shearing speeds, such as 0.01, 0.1, 1, 10, 100 mm/sec. As a result, we found that shear stress characteristics are strongly dependent on above three factors. The shear stress of Sand (upper)-Clay (lower) is smaller than that of Sand (upper)-Sand (lower), but slightly larger than that of Clay (upper)-Clay (lower). The shear stress is also characterized by grain crushing and wetting process at slip surface.
The shear stress characteristics of landslide materials can be affected by various factors. We examined the shear stress characteristics of two different soils using ring-shear apparatus, in which saturation-consolidation-shearing speed can be easily controlled. This paper presents (i) shear stress-time characteristics, (ii) shear stress depending on normal stress and shear speed and (iii) shear stress as a function of shearing speed. Materials used in this paper were the Nakdong River sand and muds taken from Jinhae coastal area in Korea. Samples were prepared in three types: Sand (upper)-Sand (lower), Clay (upper)-Clay (lower) and Sand (upper)-Clay (lower). The upper and lower indicate the samples placed in upper and lower ring shear boxes, respectively. For given normal stresses (50 and 100 kPa) and shearing speed (0.1 mm/sec), we performed ring shear tests. Then the failure lines were determined in the second test. Last, we determined the shear stress characteristics depending on different shearing speeds, such as 0.01, 0.1, 1, 10, 100 mm/sec. As a result, we found that shear stress characteristics are strongly dependent on above three factors. The shear stress of Sand (upper)-Clay (lower) is smaller than that of Sand (upper)-Sand (lower), but slightly larger than that of Clay (upper)-Clay (lower). The shear stress is also characterized by grain crushing and wetting process at slip surface.
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문제 정의
먼저, 각기 다른 수직응력을 가한 두 종류의 공시체로부터 최대 전단응력을 측정하여 이질 재료 간의 전단응력-시간 특성을 관찰하였다. 그리고, 동일한 공시체에 여러 수직응력을 가한 다음 각각에 대한 전단응력을 측정하여 마찰각을 구하고자 하였다. 파괴선(Failure line)을 결정하는 방법으로 시험장치에 무리가 가지 않는 범위내에서 수직응력과 전단속도를 순차적으로 올려가며 최대전단응력과 잔류전단응력을 측정하였다.
마지막으로 여섯 종류의 공시체에 전단속도를 변화시키면서 최대전단응력과 잔류전단응력을 측정하였다. 두 번째 및 세 번째 실험을 수행한 이유는 물론 매번 새로운 시료를 사용하는 것이 바람직하지만 시료성형에 오랜 시간이 걸리므로 동일한 시료를 이용하여 다양한 종류의 실험을 수행하여 이로부터 합리적인 결과를 얻을 수 있는지 검토하기 위함이다.
1, 1, 10, 100mm/sec로 증가시키면서 전단거동을 관찰함으로 전단속도에 따른 흙의 전단거동을 관찰하였다. 따라서 본 연구에서는 각기 다른 이질재료 간의 전단응력-전단시간 특성, 파괴선 및 전단속도 의존특성에 관한 연구로 나누어 살펴보고자 한다.
하지만 삼축시험이나 직접전단시험은 이러한 토사의 전단속도를 조절하기 어려울 뿐 아니라 산사태에서 발생하는 상부 퇴적층(풍화층, 붕적층)과 기반암층 사이의 대변형 거동을 실현하기 어려운 시험장치이다. 따라서 본 연구에서는 산사태나 토석류와 같이 토사 대변형 현상과 전단속도 변화에 따른 전단강도를 측정할 수 있는 링전단시험 장치를 이용하여 공학적 성질이 서로 다른 흙 사이의 전단특성을 연구하였다. 대표적인 흙인 모래와 점토 사이의 마찰력과 전단속도에 따른 이들 상호간의 전단거동에 대하여 비교 분석하였다.
1mm/sec일 때 수직응력 50과 100kPa에 대한 제한된 실험결과이다. 따라서 연구대상재료인 이질재료에 대해 전단속도와 수직응력의 변화를 고려하여 전단응력 특성을 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 공학적 성질이 확연히 다른 모래와 점토를 사용하여 이들 간의 마찰저항에 대해 연구하였다. 모래는 낙동강 모래를 0.
본 연구에서는 링전단시험장치를 이용하여 공학적 성질이 서로 다른 재료 간의 마찰저항을 연구하기 위하여 높이 70mm인 공시체의 상부와 하부를 각기 다른 재료로 성형한 다음 아래와 같은 실험을 수행하였다. 링전단시험장치 공시체의 두께(높이)는 상하부 각각 35mm로 모래의 경우 목표 단위중량에 해당하는 양의 모래를 넣고 다져서 공시체를 제작하였다.
본 연구에서는 링전단시험장치를 이용하여 이질재료 간의 전단응력 특성에 대한 연구를 수행하였다. 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단특성을 (i) 전단시간에 따른 전단응력 특성, (ii) 수직응력에 따른 전단특성, (iii) 전단속도에 따른 전단특성 및 (iv) 전단면의 특성 등으로 나누어 살펴보았으며, 그 결과는 아래와 같다.
본 연구에서는 수직응력 20→40→60→80→100→150kPa로 단계별로 높여가며 전단특성을 살펴보고자 하였다.
6(a-b)에서 보이듯, 실험결과는 최대전단응력과 잔류전단응력은 모두 유사한 전단응력-시간 특성을 보였다. 최초 수직응력을 가한 실험(1차 실험, Table 2)이후 수행된 연속 실험결과이기 때문에 공시체에 선행 수직응력 50과 100kPa로 나누어 살펴보고자 한다.
가설 설정
(4) 이질재료에 대한 전단특성은 전단면의 입자간 마찰력과 파쇄특성과 관련된다. 특정 구속압과 전단속도에 따른 전단응력의 변화는 입자크기에 따라 상이한 특성을 보이는데, 모래-모래보다 큰 입자크기를 가진 재료에 대해서는 입자파쇄가 주된 원인이 될 것이다.
제안 방법
(1) 세 시료에 대해 동일한 전단속도(0.1mm/sec)에서 수직응력을 50과 100kPa로 나누어 구속하였을 경우, 전단응력의 변화를 관찰하였다. 모래-모래의 경우를 제외하면, 최대전단응력과 잔류전단응력이 뚜렷이 나타났다.
(2) 세 시료에 대해 동일한 전단속도(0.1mm/sec)에서 수직응력을 20→40→60→80→100→150kPa로 단계별로 높여가며 전단특성을 관찰하였다.
(3) 세 시료에 대해 특정 구속압 조건하에서 0.01, 0.1, 1, 10, 100mm/sec로 각기 다른 전단속도를 적용하여 전단을 실시하여 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 관찰하였다. 그 결과 연구대상재료의 입자크기와 특정 구속압에 관계없이 전단속도가 커질수록 전단응력은 커지는 것으로 나타났다.
1차 실험이 완료되면 Table 3과 같이 일정 전단속도 (0.1mm/sec)에서 여섯 종류의 공시체에 대해 수직응력을 20, 40, 60, 80, 100, 150kPa로 높이면서 전단시험을 실시하였다. 이때 모래-모래, 점토-점토 및 모래-점토에 대해 각각의 최초 수직응력(50kPa와 100kPa)을 가한 공시체의 최대전단응력과 잔류전단응력을 비교분석함으로써 파괴선을 얻을 수 있었다.
즉, 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단응력을 구하였다. Fig. 5는 전단회전속도를 0.1mm/sec에 대한 실험결과로 모래-모래, 점토-점토 및 모래-점토에 대해 수직응력이 50과 100kPa일 때 최대전단응력과 잔류전단응력에 대해 각각 구하였다. 최대전단응력은 초기 곡선부 최대값을 보이는 구간에서 얻었고, 잔류전단응력은 시험장비에 무리가 가지 않는 조건에서 최소 전단응력 값을 선택하였다.
1mm/sec에 대해 전단실험을 실시하였다. 그리고 최초 전단시험이 완료되면 동일한 공시체에 전단속도(0.1mm/sec)에서 수직응력을 20, 40, 80, 100, 150kPa로 변화시켜 각각의 수직응력에 따른 전단응력을 관찰하였다. 이를 통해 전단속도와 수직응력에 따른 파괴선(Failure line)을 결정하였다.
따라서 본 연구에서는 산사태나 토석류와 같이 토사 대변형 현상과 전단속도 변화에 따른 전단강도를 측정할 수 있는 링전단시험 장치를 이용하여 공학적 성질이 서로 다른 흙 사이의 전단특성을 연구하였다. 대표적인 흙인 모래와 점토 사이의 마찰력과 전단속도에 따른 이들 상호간의 전단거동에 대하여 비교 분석하였다.
01～180mm/sec)에 따라 전단상자 상부에 위치된 두 개의 토크측정장치(Torque-L과 Torque-R)를 통해 토크를 측정한다. 링전단상자 상부 가압판에 위치된 다수의 밸브를 통해 간극수압 게이지를 연결하고 전단시 발생하는 전단면에서의 간극수압을 측정한다. 전단상자는 외경이 250mm, 내경이 110mm, 높이가 70mm의 크기로 시험대상재료를 점토에서 큰 자갈까지 다양한 입자크기에 대한 실험이 가능하다.
2). 링전단상자내 시험하고자 하는 대상시료를 위치하고, 세 개의 피스톤을 통해 상부로부터 수직응력을 제어하고, 시험하고자 하는 배수조건을 결정한 다음 사용자에 의해 지정된 전단속도(0.01～180mm/sec)에 따라 전단상자 상부에 위치된 두 개의 토크측정장치(Torque-L과 Torque-R)를 통해 토크를 측정한다. 링전단상자 상부 가압판에 위치된 다수의 밸브를 통해 간극수압 게이지를 연결하고 전단시 발생하는 전단면에서의 간극수압을 측정한다.
링전단시험의 상하부를 동질 재료뿐만 아니라 서로 다른 재료를 사용하여 전단응력을 비교하였다. 즉, 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단응력을 구하였다.
본 연구에서는 링전단시험장치를 이용하여 공학적 성질이 서로 다른 재료 간의 마찰저항을 연구하기 위하여 높이 70mm인 공시체의 상부와 하부를 각기 다른 재료로 성형한 다음 아래와 같은 실험을 수행하였다. 링전단시험장치 공시체의 두께(높이)는 상하부 각각 35mm로 모래의 경우 목표 단위중량에 해당하는 양의 모래를 넣고 다져서 공시체를 제작하였다. 점토의 경우에는 Fig.
이것은 상대적으로 아주 큰 전단속도에서부터 실험을 수행하게 될 때 공시체의 전단파괴면을 통한 입자의 완전 재배열을 최소화하기 위함이다. 마지막으로 여섯 종류의 공시체에 전단속도를 변화시키면서 최대전단응력과 잔류전단응력을 측정하였다. 두 번째 및 세 번째 실험을 수행한 이유는 물론 매번 새로운 시료를 사용하는 것이 바람직하지만 시료성형에 오랜 시간이 걸리므로 동일한 시료를 이용하여 다양한 종류의 실험을 수행하여 이로부터 합리적인 결과를 얻을 수 있는지 검토하기 위함이다.
본 연구에서는 Table 2에 나와 있는 여섯 종류의 공시체에 대하여 세 가지 실험을 수행하였다. 먼저, 각기 다른 수직응력을 가한 두 종류의 공시체로부터 최대 전단응력을 측정하여 이질 재료 간의 전단응력-시간 특성을 관찰하였다. 그리고, 동일한 공시체에 여러 수직응력을 가한 다음 각각에 대한 전단응력을 측정하여 마찰각을 구하고자 하였다.
본 연구에 사용한 공시체는 Table 2와 같이 상하부가 모두 모래인 경우(모래-모래), 점토인 경우(점토-점토), 상부가 모래이고 하부가 점토인 경우(모래-점토) 세 종류로 각각의 공시체에 수직응력을 50kPa와 100kPa 두 종류를 가한 다음 전단속도 0.1mm/sec에 대해 전단실험을 실시하였다. 그리고 최초 전단시험이 완료되면 동일한 공시체에 전단속도(0.
본 연구에서는 Table 2에 나와 있는 여섯 종류의 공시체에 대하여 세 가지 실험을 수행하였다. 먼저, 각기 다른 수직응력을 가한 두 종류의 공시체로부터 최대 전단응력을 측정하여 이질 재료 간의 전단응력-시간 특성을 관찰하였다.
시료성형, 포화, 압밀 단계가 끝나면 배수조건을 선택하고 전단속도에 따라 하부 링 전단상자를 무제한 회전시킴으로써 실험을 수행한다. 본 연구에서는 전단속도를 0.01～100mm/sec로 저속에서 고속까지 조정하여 실험을 수행하였다.
이를 통해 전단속도와 수직응력에 따른 파괴선(Failure line)을 결정하였다. 세 번째 전단시험은 각각의 공시체에 전단속도를 0.01, 0.1, 1, 10, 100mm/sec로 증가시키면서 전단거동을 관찰함으로 전단속도에 따른 흙의 전단거동을 관찰하였다. 따라서 본 연구에서는 각기 다른 이질재료 간의 전단응력-전단시간 특성, 파괴선 및 전단속도 의존특성에 관한 연구로 나누어 살펴보고자 한다.
세 시료에 대해 전단속도에 따른 전단응력을 최대값(최대)과 최소값(잔류)으로 나누어 살펴보았다(Fig. 9). 앞서 분석한 동일한 방법으로 세 시료에 대해 각각 구속압을 50과 100kPa로 나누고 각 시료에 대한 최대전단응력과 잔류전단응력의 변화를 그림으로 도시하였다.
세 종류의 시료에 대하여 두 종류의 수직응력을 가한다음 전단속도를 0.01, 0.1, 1, 10, 100mm/sec로 하여 전단을 실시하였으며 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 관찰하였다. Fig.
하중은 일정시간 동안 하중이 도달되도록 시간을 조절해야 하며, 상대적으로 느린 속도(예를 들어, 50kPa의 경우 하중도달시간을 300～500sec로 선택)로 하중이 시료에 가해진 후 최종 하중을 임의의 시간까지 일정하게 유지한다. 시료성형, 포화, 압밀 단계가 끝나면 배수조건을 선택하고 전단속도에 따라 하부 링 전단상자를 무제한 회전시킴으로써 실험을 수행한다. 본 연구에서는 전단속도를 0.
전단상자는 외경이 250mm, 내경이 110mm, 높이가 70mm의 크기로 시험대상재료를 점토에서 큰 자갈까지 다양한 입자크기에 대한 실험이 가능하다. 시험 방법은 시료성형, 포화, 압밀, 배수, 전단 순으로 이루어진다. 시료 성형은 현장조건을 맞추기 위해 층다짐을 통한 성형을 우선적으로 고려한다.
9). 앞서 분석한 동일한 방법으로 세 시료에 대해 각각 구속압을 50과 100kPa로 나누고 각 시료에 대한 최대전단응력과 잔류전단응력의 변화를 그림으로 도시하였다. 예상했던 것과 같이, 전단속도가 점진적으로 증가함에 있어 세 시료 모두 전단응력이 증가함을 알 수 있었다.
1mm/sec)에서 여섯 종류의 공시체에 대해 수직응력을 20, 40, 60, 80, 100, 150kPa로 높이면서 전단시험을 실시하였다. 이때 모래-모래, 점토-점토 및 모래-점토에 대해 각각의 최초 수직응력(50kPa와 100kPa)을 가한 공시체의 최대전단응력과 잔류전단응력을 비교분석함으로써 파괴선을 얻을 수 있었다. 여기서 최초 수직응력이란 1차 실험(Table 2)에서 처음으로 공시체에 가한 수직응력을 의미한다.
하지만, 입자크기가 작을수록 입자파쇄현상보다는 미끄러짐과 젖음현상(wetting process)에 의해 응력이 감소한다. 이러한 현상은 비배수 조건일 경우 더욱 두드러지며 세 시료에 대해 전단시험 종료후 링전단상자 전단면 특성을 확인하였다. Fig.
1mm/sec)에서 수직응력을 20, 40, 80, 100, 150kPa로 변화시켜 각각의 수직응력에 따른 전단응력을 관찰하였다. 이를 통해 전단속도와 수직응력에 따른 파괴선(Failure line)을 결정하였다. 세 번째 전단시험은 각각의 공시체에 전단속도를 0.
링전단시험의 상하부를 동질 재료뿐만 아니라 서로 다른 재료를 사용하여 전단응력을 비교하였다. 즉, 모래와 모래, 점토와 점토, 모래와 점토끼리의 전단응력을 구하였다. Fig.
그리고, 동일한 공시체에 여러 수직응력을 가한 다음 각각에 대한 전단응력을 측정하여 마찰각을 구하고자 하였다. 파괴선(Failure line)을 결정하는 방법으로 시험장치에 무리가 가지 않는 범위내에서 수직응력과 전단속도를 순차적으로 올려가며 최대전단응력과 잔류전단응력을 측정하였다. 이것은 상대적으로 아주 큰 전단속도에서부터 실험을 수행하게 될 때 공시체의 전단파괴면을 통한 입자의 완전 재배열을 최소화하기 위함이다.
대상 데이터
2)는 한국지질자원연구원에서 2011년 국내 처음으로 구축한 비배수전단강도 측정용 시험장비이다(Jeong 등, 2013). 링전단시험장치는 전단상자, 수직하중 제어장치, 수직변위계, 토크측정장치, 간극수압측정장치 등으로 구성된다(Fig. 2). 링전단상자내 시험하고자 하는 대상시료를 위치하고, 세 개의 피스톤을 통해 상부로부터 수직응력을 제어하고, 시험하고자 하는 배수조건을 결정한 다음 사용자에 의해 지정된 전단속도(0.
본 연구에서는 공학적 성질이 확연히 다른 모래와 점토를 사용하여 이들 간의 마찰저항에 대해 연구하였다. 모래는 낙동강 모래를 0.075～0.25mm 사이로 체분석하여 사용하였다. 모래의 기본 특성은 Table 1과 같으며, SEM 사진은 Fig.
, 1992, 1997, 2004), 강우나 지진으로 인한 산사태 연구 분야에 활용되고 있다. 본 연구에서 사용한 링전단시험장치(Fig. 2)는 한국지질자원연구원에서 2011년 국내 처음으로 구축한 비배수전단강도 측정용 시험장비이다(Jeong 등, 2013). 링전단시험장치는 전단상자, 수직하중 제어장치, 수직변위계, 토크측정장치, 간극수압측정장치 등으로 구성된다(Fig.
3과 같다. 점토는 진해 인근 해안에서 채취하였으며 비중은 2.6이고, 액성한계와 소성한계는 각각 50%과 20%이다.
성능/효과
모래-점토의 경우 1차 수직응력의 재하크기에 관계없이 유사한 응력거동을 보였으나, 최대전단응력과 잔류전단응력의 차이가 확연히 나타났다. 결과적으로 특정 구속압에 대해 모래-점토의 전단응력은 모래-모래보다는 작고, 점토-점토 보다는 약간 큰 것을 알 수 있다.
8은 상부와 하부 시료가 각기 다른 공시체에 구속압이 50과 100kPa로 각기 다른 경우에 대한 실험 결과이다. 결론적으로 입자크기에 관계없이 전단속도가 커질수록 전단응력이 크게 나타났다. 그림에서 보이듯, 본 연구결과는 전단속도를 300sec내로 제한하였다.
이것은 미소변형에 따른 모래 입자들간의 초기 입자재배열과 맞물림에 따른 응력상태 변화와 관련되며 상대적으로 낮은 전단속도와 구속압 조건에서 공시체내 주어진 임의의 전단면을 통해 시료가 파괴상태에 완전히 도달하지 못하였음을 의미한다. 구속압을 100kPa로 재하할 경우, 구속압 50kPa에 비해 10sec 빠른 전단시간 50sec에서 최대전단응력을 보였으며 거의 유사한 응력수준(stress level)에 도달되었다. 흥미롭게도 구속압이 50kPa인 경우, 전단이 시작된 이후 일시적 응력발휘 구간(45-65sec)에 도달하기까지 전단지연시간(0-45sec)이 존재한다.
1, 1, 10, 100mm/sec로 각기 다른 전단속도를 적용하여 전단을 실시하여 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 관찰하였다. 그 결과 연구대상재료의 입자크기와 특정 구속압에 관계없이 전단속도가 커질수록 전단응력은 커지는 것으로 나타났다. 상기 실험결과는 전단속도를 300sec까지 제한적으로 적용한 결과이며, 전단속도가 낮을수록 상대적으로 긴 시간 동안 전단이 필요하고, 전단속도가 높아질수록 상대적으로 짧은 전단이 필요함으로 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것이다.
6kPa의 전단응력을 보였다(하지만, 300sec 이상 전단을 가할 경우, 흙 시료에 의한 마찰저항이 아닌, 고무링에 의한 마찰저항이 고려되므로 본 실험결과에서는 생략하기로 한다). 또한 전단속도를 높일수록, 최초 전단응력이 발휘되는 구간이 점차 짧아지고, 전단속도가 1mm/sec이상일 경우, 전단과 동시에 최대전단응력을 보이는 경향이 관측되었다.
다만, 마찰력은 거의 동일한 것을 알 수 있다. 마지막으로, 모래-점토의 경우 가해진 1차 수직응력의 크기에 관계없이 거의 유사한 응력특성을 보이지만, 최대전단응력과 잔류전단응력의 차이가 확연히 나타났다. 이러한 점들을 종합적으로 살펴볼 때, 전단응력은 특정 구속압과 입자크기에 따라 달라짐을 알 수 있다.
다시 말해, 입자크기가 작을수록 두 값의 차이가 크지 않았다. 모래-점토의 경우, 최대전단응력과 잔류전단응력은 특정 수직응력의 변화에 대한 영향이 적은 것으로 나타났다.
, 1996; Tika and Hutchinson, 1999; Jeong, 2010). 모래-점토의 경우, 특정 수직응력에 관계없이 최대전단응력과 잔류전단응력을 보였고 전단거동 역시 거의 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 전단속도에 따른 입자파쇄 및 입자재배열 특성에 기인하는 것으로 전단속도에 따른 입자파쇄 특성에서 다루기로 한다.
하지만 모래-모래에 대한 실험결과와 비교하여 동일한 전단속도에 대해 최대전단응력과 잔류전단응력은 상대적으로 작음을 알 수 있다. 무한변형이 가해지는 상부 링의 모래와 하부 링의 점토 간 혼합층의 전단거동은 점토보다는 크고 모래보다는 작은 전단강도 특성을 보였다.
, 2007). 본 연구에서는 모래-모래의 경우, 전단속도 0.01mm/sec에 대해 주어진 전단시간 내에서 큰 전단응력의 변화가 관측되지 않았다. 수직응력 50kPa을 적용하였을 때, 전단시간 300sec까지 대략 0.
23%였다. 수직응력 100kPa로 증가하였을 경우, 상부 링과 하부링에 측정된 함수비는 각각 39.97%와 39.72%였으며, 전단면의 함수비는 40.92%로 나타났다. 함수비의 변화가 상대적으로 크지 않은 것은 실험 종류 후 공시체내 잔존하는 간극수를 공기압을 통해 제거한 후 측정된 값이기 때문이다.
하지만 입자크기가 작을수록 입자파쇄 현상보다는 전단면 파괴와 미끄러짐에 의해 응력감소가 발생한다. 실험종료 후 전단면 분석결과, 입자크기에 관계없이 뚜렷한 전단면이 형성되었음을 육안으로 확인할 수 있다. 모래-모래의 경우, 상부층과 하부층 사이에 대략 1cm의 전단면이 존재하였고, 점토-점토의 경우, 상부와 하부가 완전 분리되었으며, 모래-점토의 경우, 1cm 정도의 모래와 점토의 혼합구간이 존재하며 전단응력의 감소를 야기시켰다.
앞서 분석한 동일한 방법으로 세 시료에 대해 각각 구속압을 50과 100kPa로 나누고 각 시료에 대한 최대전단응력과 잔류전단응력의 변화를 그림으로 도시하였다. 예상했던 것과 같이, 전단속도가 점진적으로 증가함에 있어 세 시료 모두 전단응력이 증가함을 알 수 있었다. 또한 주어진 전단속도에 대해 세 시료 모두 최대전단응력과 잔류전단응력은 각각 비슷한 결과값을 얻었다.
이 교착부분은 전단이 진행되는 동안 서로 다른 이질층의 입자들이 재배열되어 모래-모래보다는 작고 점토-점토보다는 상대적으로 큰 전단응력을 보인 이유로 판단된다. 이때의 함수비는 상부 및 하부 링의 교란의 영향을 상대적으로 적게 받은 시료에 대해 20.04%(모래)와 40.55%(점토)로 나타났으며, 전단면에 있어서는 수직응력 50kPa일 때 24.50%, 수직응력 100kPa일 때 32.44%로 상대적으로 큰 함수비의 변화를 보였다. 즉, 전단에 따른 입자들의 재배열은 전단응력의 변화와 관련된다.
수직응력 100kPa로 증가함에 따라 전단응력은 커졌으나 수직응력 50kPa에서 보인 결과와 유사한 결과를 얻었다. 전단시간이 대략 50sec에서 전단응력 65.36kPa이 관측되었으나, 실제 최대전단응력은 71sec 일 때 74.74kPa, 90sec 일 때 최소값인 73.68kPa을 보였으며 이후 다시금 증가하였다. 최대전단응력과 잔류전단응력의 차이는 수직응력 50과 100kPa에 대해 0.
1mm/sec에 대한 실험결과로 모래-모래, 점토-점토 및 모래-점토에 대해 수직응력이 50과 100kPa일 때 최대전단응력과 잔류전단응력에 대해 각각 구하였다. 최대전단응력은 초기 곡선부 최대값을 보이는 구간에서 얻었고, 잔류전단응력은 시험장비에 무리가 가지 않는 조건에서 최소 전단응력 값을 선택하였다. 모래-모래의 경우 수직응력이 50kPa에 대해 최대(잔류)전단응력은 51.
후속연구
(5) 실제 산사태 현장에서 쉽게 찾아볼 수 있는 토사의 입자크기는 다양하다. 따라서 본 연구를 바탕으로 향후 점토～자갈까지 다양한 입자크기에 대한 이질재료간 전단강도 특성연구가 수행되어야 할 것이다.
1mm/sec가 적용될 경우 전단회전속도에 따른 전단응력이 잔류상태에 도달하지 못하였거나 또는 수직응력에 따른 회전시 링전단상자 회전부 마찰증가로 인해 전단저항이 일시적으로 높게 발생하기 때문일 것이다. 따라서 최대 및 잔류 상태의 전단응력에 대한 비교분석은 전단속도를 높여가며 추가적인 실험을 수행해야 할 필요가 있다. 점토점토, 모래-점토의 경우, 최대전단응력과 잔류전단응력 영역이 뚜렷이 관측된다.
그 결과 연구대상재료의 입자크기와 특정 구속압에 관계없이 전단속도가 커질수록 전단응력은 커지는 것으로 나타났다. 상기 실험결과는 전단속도를 300sec까지 제한적으로 적용한 결과이며, 전단속도가 낮을수록 상대적으로 긴 시간 동안 전단이 필요하고, 전단속도가 높아질수록 상대적으로 짧은 전단이 필요함으로 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것이다.
, ≤ 100sec)에 대해 잔류전단응력은 전단속도를 증가시킬수록 전단응력이 커짐을 보이지만, 아주 낮은 전단속도로 구속할 경우 입자가 완전히 재배열되는 완전 잔류상태에 도달되었는지 여부는 여전히 불분명하다. 이러한 불확실성을 해결하기 위해서는 상대적으로 오랜 시간의 전단회전이 필요하기에 추가적인 실험적 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
링전단시험장치는 어떻게 구성되는가?
2)는 한국지질자원연구원에서 2011년 국내 처음으로 구축한 비배수전단강도 측정용 시험장비이다(Jeong 등, 2013). 링전단시험장치는 전단상자, 수직하중 제어장치, 수직변위계, 토크측정장치, 간극수압측정장치 등으로 구성된다(Fig. 2).
2001년에 우리나라에서 대형 산사태가 발생한 지역은 어디인가?
최근 국내에서는 국지성 호우로 인해 전국 각지에서 크고 작은 산사태나 토석류가 발생하고 있다(KIGAM, 2009). 특히 2011년 서울 우면산, 강원도 춘천시, 경남 밀양 등지에서 대형 산사태가 발생하였다. 이와 같은 산사태나 토석류 발생 사례를 보면 상부의 붕적층이나 풍화토층으로 유입되는 지하수로 지반이 포화되면서 기반암층 사이에 물의 흐름이 발생하여 붕괴되는 경우가 많으며, 잔류한 토층에는 크고 작은 자갈이나 돌과 같은 조립질 흙이 많이 존재한다.
상부 링과 하부링에서 측정한 함수비의 변화가 상대적으로 크지 않은 이유는 무엇인가?
92%로 나타났다. 함수비의 변화가 상대적으로 크지 않은 것은 실험 종류 후 공시체내 잔존하는 간극수를 공기압을 통해 제거한 후 측정된 값이기 때문이다. 모래-점토의 경우, 수직응력 50kPa일 때 전단면은 대략 1cm의 모래와 점토의 교착(mixing)되는 구간이 존재하였다.
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