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문제 정의
- 본 연구에서 사용된 시편의 경우 동일한 재료에 대하여 각각 다른 입도구간의 입자를 이용하여 조성하였으므로, 입도 구간별 입자의 형상 특성에 차이가 있을 경우 이에 따른 변형특성의 차이가 발생할 수 있다. 그러므로 Fig. 3과 같이 각각의 입도 구간별 입자에 대한 형상 특성을 구형도를 기준으로 비교함으로써 해당 특성이 미소변형 전단탄성계수 특성에 영향을 미칠 가능성을 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서는 대입경 조립재료의 동적 변형특성을 평가하기 위하여 신규 구축된 대형 공진주시험기를 이용한 실험을 수행하였다. 대표적인 대입경 조립재료인 댐 축조용 사력재에 대한 상사입도의 영향을 평가하기 위하여 동일 재료원에 대하여 상사비를 달리하는 다수의 시편을 조성하여 실험을 수행하였으며, 각 시험시편의 구속압에 따른 최대전단탄성계수, 전단탄성계수감소곡선 곡선 및 감쇠비 특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 대입경 조립재료의 입도분포특성에 따른 동적 변형특성을 평가하기 위하여 댐축조용 사력재로부터 최대입경과 균등계수를 달리 한 총 5개의 시험 시편을 제작하였으며, 대형 공진주시험기를 이용하여 각각의 최대전단탄성계수, 전단탄성계수감소곡선, 감쇠비 특성을 평가하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 한 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 입도특성에 따른 조립재료의 변형특성을 평가하기 위하여 총 5개의 시험시편을 제작하여 대형 공진주시험을 수행하였다. 시험 시료의 최대입경은 공진주시험 표준인 ASTM D4015(ASTM, 2003)에 따라 사용 장비의 공시체 직경인 200mm의 1/6 이하가 되도록 26.
가설 설정
- 입자의 구형도는 각각의 입도 구간에서 최소 30개 이상의 입자를 무작위로 선별하여 최소 외경에 대한 최대 내경의 비로 측정하였으며, 이러한 구형도는 정규분포를 가정하여 Fig. 4와 같이 표현될 수 있다. Fig.
제안 방법
- 여기서 최대 전단변형율은 현 시험시스템에서 구현 가능한 최대 가진하중 조건에 상응하는 값으로 제한되었다. 각 구속압 단계에서는 입력전압 변화에 따라 주파수응답곡선을 이용한 전단탄성계수와 자유진동감소곡선(free-vibration decay curve)을 이용한 감쇠비를 측정함으로써, 재료 물성의 변형율에 따른 비선형성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 대입경 조립재료의 동적 변형특성을 평가하기 위하여 신규 구축된 대형 공진주시험기를 이용한 실험을 수행하였다. 대표적인 대입경 조립재료인 댐 축조용 사력재에 대한 상사입도의 영향을 평가하기 위하여 동일 재료원에 대하여 상사비를 달리하는 다수의 시편을 조성하여 실험을 수행하였으며, 각 시험시편의 구속압에 따른 최대전단탄성계수, 전단탄성계수감소곡선 곡선 및 감쇠비 특성을 비교하였다. 더불어 동일한 최대입경 시료에 대하여 균등계수(Cu)와 단위중량 차이가 동적 변형특성에 미치는 영향 또한 평가하였다.
- 대형 공진주시험은 모든 시험시편에 대하여 25kPa, 50kPa, 100kPa, 200kPa, 400kPa 총 다섯 단계의 구속압 상태에서 진행하였으며, 최소 10-4% 이하, 최대 10-2%의 전단변형율에 이르도록 시험을 수행하였다. 여기서 최대 전단변형율은 현 시험시스템에서 구현 가능한 최대 가진하중 조건에 상응하는 값으로 제한되었다.
- 대형 공진주시험을 이용, 조립재료의 입경 특성에 따른 동적 변형특성을 평가하기 위하여 Fig. 2와 Table 2의 입도 및 밀도조건의 공시체 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 시험시편은 바닥판에 멤브레인과 다짐틀을 고정하고, 총 5층의 과소다짐법에 따라 직경 200mm, 높이 400mm로 제작하였다.
- 대표적인 대입경 조립재료인 댐 축조용 사력재에 대한 상사입도의 영향을 평가하기 위하여 동일 재료원에 대하여 상사비를 달리하는 다수의 시편을 조성하여 실험을 수행하였으며, 각 시험시편의 구속압에 따른 최대전단탄성계수, 전단탄성계수감소곡선 곡선 및 감쇠비 특성을 비교하였다. 더불어 동일한 최대입경 시료에 대하여 균등계수(Cu)와 단위중량 차이가 동적 변형특성에 미치는 영향 또한 평가하였다.
- 특히 입도 구간에 따른 입자의 형상 또는 마모 상태에 차이가 나타나는 경우 지반재료의 강도, 강성과 관계된 주요 공학적 특성이 달라지므로 이에 대한 고려 또한 필요하다. 따라서 본 연구에서 상사입도에 따른 조립재료의 동적 변형특성을 평가함에 있어서 세립분의 영향을 배제할 수 있는 상사입도 조건을 계획하였으며, 입도 구간별 입자의 구형도를 비교하여 입자 형상에 의한 효과 유무를 사전에 확인하였다.
- 본 연구에서는 입도특성에 따른 조립재료의 변형특성을 평가하기 위하여 총 5개의 시험시편을 제작하여 대형 공진주시험을 수행하였다. 시험 시료의 최대입경은 공진주시험 표준인 ASTM D4015(ASTM, 2003)에 따라 사용 장비의 공시체 직경인 200mm의 1/6 이하가 되도록 26.5mm 체(sieve) 통과분으로 제한하였으며, 상사비 효과를 비교하기 위한 시편의 경우 각각 9.5mm, 4.75mm 체 통과분을 기준으로 최대입경을 설정하였다. Fig.
- 2는 5개 시료에 대한 각각의 입도분포를 나타낸다. 시험시편 1, 2, 3은 최대입경을 변화시키되 입도분포 특성을 나타내는 균등계수와 곡률계수(Cc)가 동등한 이상적인 비교조건이 되도록 임의의 직선형태의 입도분포를 설정하여 조제하였으며, 각 시편 내 포함된 토립자의 크기가 극명히 차이날 수 있도록 균등계수가 작은 빈입도의 입도분포를 설정하였다. 이와 같이 준비된 세 시편은 상호간의 최대입경 영향을 평가하기 위한 이상적인 상사 시료로 간주할 수 있다.
- 시험시편은 바닥판에 멤브레인과 다짐틀을 고정하고, 총 5층의 과소다짐법에 따라 직경 200mm, 높이 400mm로 제작하였다. 표준 직경의 램머를 이용하여 시료를 다질 경우 표면의 입자가 튀거나 파쇄가 발생하므로, 직경 150mm의 금속판을 전동식 진동해머에 연결하여 각 시편마다 동일한 조건으로 다짐으로써 시험 시편을 제작하였다. 결과적으로 최대입경을 달리하여 동일한 입도분포특성으로 제작한 시험시편 1, 2, 3의 경우 거의 동일한 밀도조건의 시험시편의 조성이 가능하였다.
- 이와 같이 준비된 세 시편은 상호간의 최대입경 영향을 평가하기 위한 이상적인 상사 시료로 간주할 수 있다. 한편, 시험시편 4와 5는 동일한 최대입경에 대하여 입도분포를 달리하는 경우 해당 입도특성이 재료의 동적 변형특성에 미치는 영향을 평가하고자 균등계수를 각기 달리한 직선형 입도분포로 계획하였다. 각 시료의 입도특성 및 시료성형 조건은 Table 2와 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 시험에 사용한 조립질 재료는 국내에서 건설 중인 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐인 Y댐의 사력존 축조재료로서, 최대입경이 약 800mm에 달하는 대입경의 입자를 포함한다. 해당 재료는 규장암으로 분류되는 암석재료로 석영, 사장석, 미사장석, 백운모, 견운모, 녹니석 등의 광물이 포함되어 있으며, 현장 상태의 입도분포 특성 및 주요 공학적 변수는 Fig.
- 2와 Table 2의 입도 및 밀도조건의 공시체 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 시험시편은 바닥판에 멤브레인과 다짐틀을 고정하고, 총 5층의 과소다짐법에 따라 직경 200mm, 높이 400mm로 제작하였다. 표준 직경의 램머를 이용하여 시료를 다질 경우 표면의 입자가 튀거나 파쇄가 발생하므로, 직경 150mm의 금속판을 전동식 진동해머에 연결하여 각 시편마다 동일한 조건으로 다짐으로써 시험 시편을 제작하였다.
- 본 연구의 시험에 사용한 조립질 재료는 국내에서 건설 중인 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐인 Y댐의 사력존 축조재료로서, 최대입경이 약 800mm에 달하는 대입경의 입자를 포함한다. 해당 재료는 규장암으로 분류되는 암석재료로 석영, 사장석, 미사장석, 백운모, 견운모, 녹니석 등의 광물이 포함되어 있으며, 현장 상태의 입도분포 특성 및 주요 공학적 변수는 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 댐 축조용 조립재료로부터 준비한 조립질 지반재료에 대하여 대형 공진주시험을 수행한 결과 전단탄성계수감소곡선은 기존에 발표된 시험결과의 통계적 평균값과 유사하게 나타나며, 감쇠비의 경우 전반적으로 평균보다 약간 작게 나타나는 것으로 확인하였다. 재료 입경과 구속압에 따른 시험결과를 종합적으로 고려한다면, 기존의 대표적 전단탄성계수감소곡선은 낮은 구속압에서의 대입경 재료의 동적 물성을 과대평가 할 수 있으므로, 이에 대한 적절한 고려가 필요하다.
- (2) 동일 재료원에 대하여 최대입경을 달리한 상사입도시편을 비교한 경우, 최대입경이 큰 재료일수록 최대전단탄성계수는 크게 나타나고 구속압영향계수 또한 미세하게 증가하는 것으로 확인하였다. 전단탄성계수의 비선형성을 비교한 결과 최대입경이 작아질 때 전단변형율에 따른 탄성계수의 감소 특성이 미세하게 줄어드는 것으로 확인하였으나, 일정 입경 이하에서는 차이가 없는 것으로 판단할 수 있다.
- (3) 동일한 최대입경에 대하여 균등계수를 달리하는 경우, 균등계수가 증가함에 따라 최대전단탄성계수는 증가하고 구속압에 대하여 더 민감한 것으로 평가되었다. 또한 전단탄성계수감소곡선의 비선형성은 균등계수보다 최대입경의 영향을 더 크게 받는 것으로 판단할 수 있다.
- (4) 전체적인 실험 결과를 종합하면 조립재료의 최대입경이 클수록 최대전단탄성계수의 구속압에 대한 민감도가 증가하고, 변형율에 따른 비선형성도 증가하며, 전단탄성계수감소곡선은 기존의 연구 결과로부터 제시된 평균적인 범위 내에서 나타난다. 지반 구조물의 해석 또는 설계를 위하여 대입경 조립재료의 동적 변형특성 평가를 위한 실내시험을 수행할 경우 일반적으로 시험장비 조건에 맞추어 입도를 조정하는 것을 감안한다면, 해당 시험 결과는 원재료의 탄성계수와 비선형성을 다소 작게 평가할 가능성이 있다.
- 각각의 경우 전단탄성계수 특성을 살펴보면 공통적으로 10-4% 이하의 미소변형율 영역에서 선형에 가까운 최대 전단탄성계수를 나타내며, 탄성계수의 감소가 시작되는 탄성한계변형율(elastic threshold shear strain, γet)은 약 10-4% 대역에서 나타나는 전형적인 자갈질 재료의 특성을 확인할 수 있다.
- , 2006). 결과 상에서 입경이 감소할수록 평균 구형도가 다소 감소하는 경향이 일부 나타나지만 일관성이 크지 않으며, 구간별 구형도의 차이가 큰 의미를 나타내는 것으로 판단할 수 없다. 그러므로 본 연구에서 관심을 두는 최대입경에 따른 변형특성에서 입자 형상에 의한 효과는 미미한 것으로 판단하였다.
- 표준 직경의 램머를 이용하여 시료를 다질 경우 표면의 입자가 튀거나 파쇄가 발생하므로, 직경 150mm의 금속판을 전동식 진동해머에 연결하여 각 시편마다 동일한 조건으로 다짐으로써 시험 시편을 제작하였다. 결과적으로 최대입경을 달리하여 동일한 입도분포특성으로 제작한 시험시편 1, 2, 3의 경우 거의 동일한 밀도조건의 시험시편의 조성이 가능하였다.
- 단, 대기압 pa에 대한 기준강성 k=A/F(e)에 대하여 비교할 경우 균등계수의 증가와 함께 강성도 증가하는 것으로 확인할 수 있다. 결론적으로 동일 재료원에 대하여 양입도로 조성된 시료일수록 전단탄성계수의 값이 크고, 구속압에 보다 민감한 것으로 확인하였다.
- 해당 세 시편의 재료는 입도분포의 차이를 고려할 때 동일 재료로 간주하기 어려우므로, 식 (3)을 적용하여 계수를 직접 비교하기에는 한계가 있다. 단, 대기압 pa에 대한 기준강성 k=A/F(e)에 대하여 비교할 경우 균등계수의 증가와 함께 강성도 증가하는 것으로 확인할 수 있다. 결론적으로 동일 재료원에 대하여 양입도로 조성된 시료일수록 전단탄성계수의 값이 크고, 구속압에 보다 민감한 것으로 확인하였다.
- 9는 시험 대상인 5개 시편에 대하여 10-4% 이하의 미소변형율 구간에서 측정한 구속압에 따른 최대전단탄성계수를 식 (1) 또는 (3)을 이용하여 도시한 결과이며, 식 (3)의 각 계수는 Table 4에 정리하였다. 동일한 균등계수를 나타내는 시험시편 1, 2, 3의 경우 동등한 간극비 조건에서 최대입경의 감소에 따라 강성계수 A와 구속압 영향계수 n이 모두 감소하는 것으로 평가되었으며, 그 차이는 최대입경 26mm인 시험시편 1에서 두드러지는 것으로 확인할 수 있다. 일반적으로 동일 재료에 대하여 균등계수가 동일한 경우 최대입경에 따라 강성 계수는 증가하고 구속압 영향계수는 크게 변하지 않는데, 본 연구결과에서도 구속압영향계수의 변화량은 5% 미만으로 작은 값을 나타낸다.
- 해당 장비는 직경 200mm, 높이 400mm의 중실원주형(cylindrical solid) 대형 공시체에 대하여 시험이 가능하도록 제작된 Stokoe식 공진주시험기로 하부 고정단, 상부는 가진시스템을 포함한 자유단 조건으로 구성되었으며 향후 최대 300mm 직경의 공시체에 대한 시험도 가능한 확장성을 가지고 있다. 반복 비틂하중 제어를 위한 가진장치는 대용량의 전류 증폭기와 코일-자석 시스템으로 구성되었으며, 약 100MPa의 전단탄성계수를 나타내는 시편에 대하여 최대 0.1%의 전단변형을 유발할 수 있다. 시험용 압력용기는 최대 2MPa까지 가압이 가능하며, 시험기의 제어 및 계측은 노트북과 USB 타입의 다기능 DAQ 장비로 구성된 전자동 통합시스템에 의하여 수행된다.
- 이러한 현상을 앞서 기존 연구결과와 비교하여 분석하면, 동일 D50 조건에서 균등계수의 증가는 최대입경의 증가를 수반함에 따라 비선형성이 커지는 한편, 동일 최대입경을 갖는 조립 재료에서 균등계수의 증가는 작은 입자 함량의 증가량이 상대적으로 큼으로 인하여 비선형성이 작아질 수 있다. 본 실험 결과에서 동일 최대입경에 대하여 균등계수에 따라 전단탄성계수감소곡선 차이가 미미한 것으로 미루어 볼 때, 조립질 재료의 입도 특성은 균등계수보다 최대입경이 재료의 비선형 변형 특성에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- (1984)의 연구 결과에서 자갈과 모래의 특성을 비교할 경우 일반적으로 자갈질 재료의 전단탄성계수감소곡선은 모래보다 작은 전단변형율에서 감소하는 특성을 나타내며 감쇠비는 모래와 유사한 값을 나타낸다. 본 실험결과에서도 Fig. 7(a)에 나타나는 바와 같이 최대입경이 작아짐에 따라 전단탄성계수감소곡선의 위치가 미세하게 상승하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 최대입경 26mm의 자갈질 시료와 최대입경 4.75mm의 모래 시료의 특성을 비교함에 따라 동일한 입도분포 특성에서도 자갈과 모래의 특성에 따른 차이가 나타나는 것으로 판단할 수 있다. 시험시편 2의 경우에도 최대입경은 자갈로 분류되나 입경 4.
- 본 연구결과를 종합할 때, 동일 재료원에 대하여 최대 입경과 균등계수를 달리함으로써 실험을 수행한 결과 재료의 최대입경은 전단탄성계수감소곡선에, 균등계수는 구속압에 따른 최대전단탄성계수에 주된 영향요소로 작용하는 것으로 확인할 수 있다.
- (2009)은 댐 축조용 사력재의 동적물성 범위를 제시하고자 기존 문헌에 보고된 135개의 반복삼축압축시험과 대형공진주시험 결과를 분석하여 구속압 수준에 따른 대표적 전단탄성계수감소곡선을 제안한 바 있다. 이들 결과를 종합할 때, 전단탄성계수감소곡선은 시험 시 구속압 조건에 따라 다소 차이를 나타내며 전반적으로 일관성있는 경향을 나타내었다.
- 7(b)를 통하여 본 연구에서의 시험시편 1, 4, 5의 비선형 변형특성을 비교할 경우 전단탄성계수감소곡선의 위치는 Rollins 등이 제시한 평균 곡선과 유사한 위치에서 큰 차이를 나타내지 않으며, Menq의 결과와 같이 균등계수에 따른 전단탄성계수감소곡선의 비선형성 차이가 크게 나타나지 않는다. 이러한 현상을 앞서 기존 연구결과와 비교하여 분석하면, 동일 D50 조건에서 균등계수의 증가는 최대입경의 증가를 수반함에 따라 비선형성이 커지는 한편, 동일 최대입경을 갖는 조립 재료에서 균등계수의 증가는 작은 입자 함량의 증가량이 상대적으로 큼으로 인하여 비선형성이 작아질 수 있다. 본 실험 결과에서 동일 최대입경에 대하여 균등계수에 따라 전단탄성계수감소곡선 차이가 미미한 것으로 미루어 볼 때, 조립질 재료의 입도 특성은 균등계수보다 최대입경이 재료의 비선형 변형 특성에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 시험시편 2, 3의 경우 구속압에 따른 최대전단탄성계수가 유사한 값을 나타내는데, 이러한 차이는 각 시험시편이 통일분류법과 입도 특성 상에서 유사하게 구분되는 모래시료이기에 나타나는 현상이라 판단되며, 시험시편 1의 자갈과 구분되는 특성으로 볼 수 있다. 자갈과 모래의 구분되는 특성은 앞서 전단탄성계수감소곡선에서 나타난 차이와 일관성을 나타내는데, 결과적으로 동일 재료에 대하여 준비된 상사입도 시험시편이 최대입경, 평균입경(D50) 등에서 자갈과 모래와 같은 상이한 재료적 특성으로 구분될 경우, 전단탄성계수감소곡선과 최대전단탄성계수에서 차이를 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
- (2) 동일 재료원에 대하여 최대입경을 달리한 상사입도시편을 비교한 경우, 최대입경이 큰 재료일수록 최대전단탄성계수는 크게 나타나고 구속압영향계수 또한 미세하게 증가하는 것으로 확인하였다. 전단탄성계수의 비선형성을 비교한 결과 최대입경이 작아질 때 전단변형율에 따른 탄성계수의 감소 특성이 미세하게 줄어드는 것으로 확인하였으나, 일정 입경 이하에서는 차이가 없는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 효과는 최대입경뿐만 아니라 평균입경, 자갈과 모래의 구분 등 재료의 분류 특성과 관련 지을 수 있는 것으로 판단된다.
- 한편, Fig. 9의 결과에서 동일 최대입경에 대하여 균등계수를 달리한 시험시편 1, 4, 5를 비교할 경우 균등계수가 큰 시편일수록 구속압의 증가에 따른 최대전단 탄성계수 증가 폭이 큰 것을 확인할 수 있다. Table 4를 살펴보면 균등계수가 약 2배, 4배 증가할 때 구속압 영향계수 n은 증가하고 강성계수 A는 감소하는 경향을 확인할 수 있으나, 본 연구 결과만으로는 명확한 상관관계를 유추하기 어렵다.
후속연구
- (5) 한편, 본 연구에서 재료의 최대입경 증가에 따라 그 변형특성이 다소 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있으므로, 실내실험을 이용하여 현장의 대입경 조립재료의 비선형 변형특성을 정확히 측정하는 것에는 한계가 있다. 다만 자갈질 이상의 대형 입자에 대하여 대형 시험장치를 이용하는 시험을 수행할 경우 구조물의 해석 결과에 큰 차이를 나타내지 않는 범위에서 원 재료의 입도분포에 보다 근접한 변형특성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- (5) 한편, 본 연구에서 재료의 최대입경 증가에 따라 그 변형특성이 다소 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있으므로, 실내실험을 이용하여 현장의 대입경 조립재료의 비선형 변형특성을 정확히 측정하는 것에는 한계가 있다. 다만 자갈질 이상의 대형 입자에 대하여 대형 시험장치를 이용하는 시험을 수행할 경우 구조물의 해석 결과에 큰 차이를 나타내지 않는 범위에서 원 재료의 입도분포에 보다 근접한 변형특성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- (1) 댐 축조용 조립재료로부터 준비한 조립질 지반재료에 대하여 대형 공진주시험을 수행한 결과 전단탄성계수감소곡선은 기존에 발표된 시험결과의 통계적 평균값과 유사하게 나타나며, 감쇠비의 경우 전반적으로 평균보다 약간 작게 나타나는 것으로 확인하였다. 재료 입경과 구속압에 따른 시험결과를 종합적으로 고려한다면, 기존의 대표적 전단탄성계수감소곡선은 낮은 구속압에서의 대입경 재료의 동적 물성을 과대평가 할 수 있으므로, 이에 대한 적절한 고려가 필요하다.
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