집중호우는 사면의 붕괴와 사회 기반시설물의 파괴 등을 포함하는 다수의 재해를 유발한다. 이러한 관점에서 강우재현 원심모형실험은 지반구조물의 안정성을 평가하기 위한 합리적인 수단이 될 수 있다. 원심모형실험에서 모형의 변위를 취득하기 위하여 일반적으로 LVDT 또는 레이저 변위계가 사용된다. 그러나 강우모사 시 LVDT는 모형지반으로의 과다 침윤의 문제가 있으며, 레이저 변위계는 레이저의 산란에 의해 계측치의 정확성이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 강우재현 원심모형실험에 적용하기 위한 수평변위 계측장치를 개발하였다. 본 연구를 통하여 탄성의 박철판과 스트레인 게이지를 이용하여 제작된 본 장치는 관입을 위한 말단부를 고정시켜 수행한 검정 결과로부터 정확한 변위-변형률 관계를 나타냄을 확인하였다.
집중호우는 사면의 붕괴와 사회 기반시설물의 파괴 등을 포함하는 다수의 재해를 유발한다. 이러한 관점에서 강우재현 원심모형실험은 지반구조물의 안정성을 평가하기 위한 합리적인 수단이 될 수 있다. 원심모형실험에서 모형의 변위를 취득하기 위하여 일반적으로 LVDT 또는 레이저 변위계가 사용된다. 그러나 강우모사 시 LVDT는 모형지반으로의 과다 침윤의 문제가 있으며, 레이저 변위계는 레이저의 산란에 의해 계측치의 정확성이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 강우재현 원심모형실험에 적용하기 위한 수평변위 계측장치를 개발하였다. 본 연구를 통하여 탄성의 박철판과 스트레인 게이지를 이용하여 제작된 본 장치는 관입을 위한 말단부를 고정시켜 수행한 검정 결과로부터 정확한 변위-변형률 관계를 나타냄을 확인하였다.
Heavy rainfall induces many disasters including slope failure and infrastructure collapse. In this point of view, rainfall-simulated centrifugal model test can be a reasonable tool to evaluate the stability of geotechnical structure. In order to obtain the displacements of a model in centrifugal mod...
Heavy rainfall induces many disasters including slope failure and infrastructure collapse. In this point of view, rainfall-simulated centrifugal model test can be a reasonable tool to evaluate the stability of geotechnical structure. In order to obtain the displacements of a model in centrifugal model test, in general, LVDT and laser displacement sensor are used. However, when the rainfall is simulated, the LVDT has the problem of excessive infiltration into the model ground, and the laser displacement sensor provides the measuring result with inaccuracy due to the dispersion of the laser radiation. Hence, in this study, horizontal displacement sensor for rainfall-simulated centrifugal model test was developed. This sensor produced with a thin elastic steel plate and gave the accurate relationship between the displacement and the strain.
Heavy rainfall induces many disasters including slope failure and infrastructure collapse. In this point of view, rainfall-simulated centrifugal model test can be a reasonable tool to evaluate the stability of geotechnical structure. In order to obtain the displacements of a model in centrifugal model test, in general, LVDT and laser displacement sensor are used. However, when the rainfall is simulated, the LVDT has the problem of excessive infiltration into the model ground, and the laser displacement sensor provides the measuring result with inaccuracy due to the dispersion of the laser radiation. Hence, in this study, horizontal displacement sensor for rainfall-simulated centrifugal model test was developed. This sensor produced with a thin elastic steel plate and gave the accurate relationship between the displacement and the strain.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
, 2007; Park, 2014). 따라서 본 연구에서는 강우재현 원심모형실험에 적용하기 위한 수평변위 계측장치를 개발하고, 변위-변형률 응답의 고찰을 통해 본 장치의 적용성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 원심모형실험에서 강우를 모사하는 경우 접촉형 및 비접촉형 변위계가 갖는 문제점을 극복하고, 모형 지반구조물의 거동을 더욱 합리적으로 평가하기 위하여 수평변위 계측장치를 개발하였으며, 변위-변형률 응답의 고찰을 통해 본 장치의 적용성을 확인하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
그러나 강우실험에서 접촉형인 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)형 변위계는 미스트의 응집 및 낙하로 인한 모형지반의 과다침윤 등의 문제로 인해 사용에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 강우 시 지반구조물의 변위를 계측하기 위한 수평변위 계측장치를 개발하였다. 수평변위 계측장치는 지반변형의 발생을 추종할 수 있는 유연한 재질의 탄성 금속박판에 변형율 게이지(Strain gauge)를 부착한 것이다.
제안 방법
또한 강우에 의한 물의 영향이 우려되므로 수평변위 계측장치는 방수 처리를 하였으며, 미국 VISAY사의 M-Coat A로 1차 방수를 방수 페인트(은색)로 2차 방수를 시행하였다. 실제 제작된 수평변위 계측장치를 Fig.
3 mm의 소형 박철판(SUS 304N1)의 전면 및 후면에 변형률 게이지(Strain gauge, 일본 SHOWA N11-FA-1-350-11-L005)를 부착한 것이다. 변형률 게이지의 부착에는 순간접착제를 이용하였으며, 박철판의 한쪽 끝은 지반으로의 용이한 관입을 위해 삼각형을 이루도록 하였다. 또한 다른 한쪽 끝에는 2.
본 검정과정에서는 수평변위 계측장치의 삼각부분을 치구로 고정한 뒤 마이크로미터를 이용하여 변위의 부가를 진행하였다. 따라서 검정 중에 수평변위 계측장치의 관입을 위한 말단부는 부동점으로 간주된다.
본 연구에서는 총 3개의 수평변위 계측장치를 제작하였으며(S1∼S3), 각 장치의 변형률-변위 응답을 검정하였다.
대상 데이터
2에 나타내었다. 수평변위 계측장치는 길이 35 mm, 폭 5 mm, 두께 0.3 mm의 소형 박철판(SUS 304N1)의 전면 및 후면에 변형률 게이지(Strain gauge, 일본 SHOWA N11-FA-1-350-11-L005)를 부착한 것이다. 변형률 게이지의 부착에는 순간접착제를 이용하였으며, 박철판의 한쪽 끝은 지반으로의 용이한 관입을 위해 삼각형을 이루도록 하였다.
여기서 변위는 Mitutoyo사의 마이크로미터(분해능 0.0001 mm)를 사용하여 -1.0 mm∼1.0 mm의 범위로 4회 반복 측정하였으며(0.25 mm 간격), Data logger는 일본 TML사의 TC-31K를 이용하였다.
이론/모형
변형률 게이지의 리드선은 2게이지 액티브법(Two-gauge active method, Fig. 3)으로 접속 후 LAN 케이블 커넥터에 연결하고(Half-Bridge 방식), 이 커넥터는 유니버셜 스트레인 게이지 모듈(Universal strain gauge module, National Instruments 2009)과 연결된 프론트 마운팅 터미널 블록(Front-mounting terminal block, National Instruments 2000)에 연결시킨다. 변형률은 이곳에서 설정한 시간 간격으로 취득하게 된다.
성능/효과
(1) 4회의 수평변위 반복 부가에 따른 응답변형률에 대한 추세선은 선형에 근접하는 것으로 평가되었다. 또한 수평 변위 계측장치 두부의 변형방향에 따른 부호가 정확히 판별되어, 계측결과의 절대치 및 부호에 근거한 지반 변형거동의 정성적 파악에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
(2) 수평변위의 부가에 따른 응답변형률은 반복 시험 중에도 양호한 재현성을 보였으며, 그 오차는 극히 미소하였다. 따라서 검정 중 수평변위 계측장치를 이루는 금속 박판은 탄성한계 내에서 거동한 것으로 판단된다.
(3) 제작된 3개의 수평변위 계측장치의 변위에 따른 응답 변형률이 다소 상이하였으며, 이는 재료가 되는 금속 박판의 불균질성(Heterogeneity)에 기인한 것으로 사료된다. 그러나 각 장치에 대해 개별적으로 검정식을 산출함으로써, 원심장에서의 강우 재현에 따른 지반구조물 변위의 효과적 측정이 가능할 것으로 판단된다.
검정 결과의 추세선은 2차 함수로 표현되었으며 선형에 근접하고 있는 것으로 보인다. 또한 수평변위 계측장치 두부의 변형방향에 따른 부호가 정확히 판별되어, 계측결과의 절대치 및 부호에 근거한 지반 변형거동의 정성적 파악에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
이와 함께 본 실험결과에서는 3개의 수평변위 계측장치의 변위에 따른 응답변형률이 다소 상이함이 확인되었다. 이러한 현상은 재료가 되는 금속 박판의 불균질성(heterogeneity)에 기인한 것으로 사료된다.
후속연구
(4) 향후 본 장치의 지반구조물에 대한 설치방법의 확립 및 원재료의 균질성 확보 등을 통해 수평변위 계측의 정밀도 향상이 가능할 것으로 전망되며, 원심모형실험에서 강우 모사 시 접촉형 및 비접촉형 변위계가 갖는 문제점을 극복하고 모형 지반구조물의 거동을 더욱 합리적으로 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 현상은 재료가 되는 금속 박판의 불균질성(heterogeneity)에 기인한 것으로 사료된다. 그러나 각 장치에 대한 개별적 검정식의 산출을 통해 강우 시 지반구조물의 수평변위를 효과적으로 측정할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 제작된 3개의 수평변위 계측장치의 변위에 따른 응답 변형률이 다소 상이하였으며, 이는 재료가 되는 금속 박판의 불균질성(Heterogeneity)에 기인한 것으로 사료된다. 그러나 각 장치에 대해 개별적으로 검정식을 산출함으로써, 원심장에서의 강우 재현에 따른 지반구조물 변위의 효과적 측정이 가능할 것으로 판단된다.
(1) 4회의 수평변위 반복 부가에 따른 응답변형률에 대한 추세선은 선형에 근접하는 것으로 평가되었다. 또한 수평 변위 계측장치 두부의 변형방향에 따른 부호가 정확히 판별되어, 계측결과의 절대치 및 부호에 근거한 지반 변형거동의 정성적 파악에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
검정 결과의 추세선은 2차 함수로 표현되었으며 선형에 근접하고 있는 것으로 보인다. 또한 수평변위 계측장치 두부의 변형방향에 따른 부호가 정확히 판별되어, 계측결과의 절대치 및 부호에 근거한 지반 변형거동의 정성적 파악에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 여기서 수평변위의 부가에 따른 변형률의 오차는 극히 미소하게 나타나 검정 중 수평변위 계측장치를 이루는 금속 박판은 탄성한계 내에서 거동한 것으로 판단된다.
7(b)에 나타내었다. 즉 수평변위 계측장치의 관입을 위한 말단부가 반드시 부동점으로 작용하는 것은 아니나, 계측결과의 절대치 및 부호에 근거하여 지반 변형거동의 정성적 파악이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
접촉형 및 비접촉형의 변위계에 대한 설명은?
구조물의 거동을 평가하기 위하여 일반적으로 변위계가 활용되며, 변위계는 통상 접촉형 및 비접촉형의 변위계가 많이 이용된다. 접촉형은 지반구조물에 직경이 작은 봉을 접촉시켜 변위를 측정하며(LVDT 등), 비접촉형은 레이저 변위계와 같이 목적위치에 반사판을 두면 그곳을 반사하여 돌아오는 레이저를 통해 변위를 측정한다. 그러나 원심모형 실험에서 강우를 모사하는 경우, 접촉형은 봉을 타고 흘러내리는 물이 지반구조물에 직접적으로 흡수되어 실험결과에 영향을 미치며, 비접촉형은 산란하는 물방울로 레이저의 난반사가 발생하여 정확한 거리 측정에 애로사항이 발생한다(Tamate et al., 2007; Park, 2014).
구조물의 거동을 평가하기 위하여 무엇이 활용되는가?
구조물의 거동을 평가하기 위하여 일반적으로 변위계가 활용되며, 변위계는 통상 접촉형 및 비접촉형의 변위계가 많이 이용된다. 접촉형은 지반구조물에 직경이 작은 봉을 접촉시켜 변위를 측정하며(LVDT 등), 비접촉형은 레이저 변위계와 같이 목적위치에 반사판을 두면 그곳을 반사하여 돌아오는 레이저를 통해 변위를 측정한다.
지반구조물의 수분량 증가의 원인은?
사면붕괴를 포함한 지반재해는 유지 관리적인 측면에서 중요한 문제로 지적되어 왔으며, 이는 지반구조물의 수분량 증가와 직접적인 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 수분량 증가의 원인으로는 지하수 침투에 따른 지반구조물 내의 수위상승, 세립분 다량 함유에 따른 모관상승 및 강우에 따른 침윤을 들 수 있다(Lee 2012). 또한 최근 들어 급격한 기후변화로 인해 총 강우량이 1,000 mm를 넘는 집중호우 및 이를 초과하는 극한 강우사상이 빈발함에 따라, 강우가 지반구조물의 안정성에 미치는 영향에 대한 심층적 연구가 필요한 상황이다.
참고문헌 (10)
Henry, L. and Hoe, I. L. (2012), Centrifuge model simulations of rainfall-induced slope instability, Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, Vol. 138, No. 9, pp. 1151-1157.
Im, E. S., Seo, M. W., Ha, I. K. and Kim, W. G. (2005), Simulation of earth-fill dam behavior subjected to water level variation using geotechnical centrifuge, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 25, No. 2C, pp. 95-102.
Lee, C. W. (2012), A study on dynamic stability of unsaturated road embankments using dynamic centrifugal model tests, Ph.D. dissertation, Kyoto University, Japan, pp. 1-3.
National Instruments (2000), Installation guide, SCXI-1314 Universal strain terminal block, pp. 1-6.
National Instruments (2009), SCXI-1520 user manual, pp. 1-1-2-26.
Park, S. Y. (2014), Behavior of a tide embankment using rainfallsimulated centrifugal model tests, Ph.D. dissertation, Kangwon National University, Korea, p. 38 (in Korean).
Rahardjo, H., Ong, T. H., Rezaur, R. B. and Leong, E. C. (2007), Factors controlling instability of homogeneous soil slopes under rainfall, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 133, No. 12, pp. 1532-1543.
Schofield, A. N. (1980), Cambridge geotechnical centrifuge operation, Geotechnique, Vol. 20, No. 3, pp. 227-268.
Sugii, T. and Kato, S. (2003), 3. Mechanism of slope failure under heavy rain (Part 2), Mechanism and risk prediction of slope failure under heavy rain, Soil mechanics and foundation engineering, Vol. 51, No. 8, pp. 29-34 (in Japanese).
Tamate, S., Ito, N. and Endo, A. (2007), 4. Experimental analysis on shallow failure of slope in consideration of relationship between ground permeability and precipitation intensity, Specific Research Reports of the National Institute of Occupational Safety and Health, No. 35, pp. 33-58.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.