흙-함수특성곡선에 대한 선행 연구결과들의 경우, 정량적으로 간극수 유출입량을 측정하여 모관흡수력에 따른 체적함수비를 산정하였다. 본 연구에서는, 압력판 추출시험기(VPPE)에 Time Domain Reflectimoetry(TDR) 측정 시스템을 도입하여 불포화토의 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 유전상수를 측정하여 체적함수비를 산정하고자 하였다. 압력판 추출 시험기는 압력셀, 압력조절장치, 뷰렛 시스템, TDR 프로브로 구성된다. 압력셀에 초기 간극비가 다른 두 시료를 조성한 후, 압력조절장치를 이용하여 압력셀 내부에 0.1kPa - 50kPa 범위의 공기압을 가하여 모관흡수력을 조절하였다. 그리고 뷰렛시스템을 이용하여 모관흡수력 변화에 따른 시료의 체적함수비 변화를 측정하였다. 또한, 압력셀 내부에 설치된 TDR 프로브를 이용하여 프로브 양단에서 발생되는 전자기파의 반사 신호로부터 유전상수를 산정하였다. 주문진 표준사의 체적함수비 변화에 따른 유전상수 측정에 대한 보정으로 도출한 체적함수비와 유전상수관계를 이용하여 시료의 체적함수비를 산정하였다. 실험 결과, 시료의 초기 간극비와 상관없이 TDR 프로브에 의해 산정된 체적함수비는 뷰렛 시스템을 통해 정량적으로 산정된 체적함수비와 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한, 건조과정 및 습윤과정 진행에 따라 동일한 모관흡수력에 대한 함수비의 차이가 존재하는 이력현상(Hysteresis)이 발생하였고, 건조과정 및 습윤과정의 반복에 따라 이력현상은 줄어들었다. 본 연구에서 적용된 전자기파의 시간영역반사법(TDR)을 통해 불포화토의 흙-함수특성곡선을 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
흙-함수특성곡선에 대한 선행 연구결과들의 경우, 정량적으로 간극수 유출입량을 측정하여 모관흡수력에 따른 체적함수비를 산정하였다. 본 연구에서는, 압력판 추출시험기(VPPE)에 Time Domain Reflectimoetry(TDR) 측정 시스템을 도입하여 불포화토의 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 유전상수를 측정하여 체적함수비를 산정하고자 하였다. 압력판 추출 시험기는 압력셀, 압력조절장치, 뷰렛 시스템, TDR 프로브로 구성된다. 압력셀에 초기 간극비가 다른 두 시료를 조성한 후, 압력조절장치를 이용하여 압력셀 내부에 0.1kPa - 50kPa 범위의 공기압을 가하여 모관흡수력을 조절하였다. 그리고 뷰렛시스템을 이용하여 모관흡수력 변화에 따른 시료의 체적함수비 변화를 측정하였다. 또한, 압력셀 내부에 설치된 TDR 프로브를 이용하여 프로브 양단에서 발생되는 전자기파의 반사 신호로부터 유전상수를 산정하였다. 주문진 표준사의 체적함수비 변화에 따른 유전상수 측정에 대한 보정으로 도출한 체적함수비와 유전상수관계를 이용하여 시료의 체적함수비를 산정하였다. 실험 결과, 시료의 초기 간극비와 상관없이 TDR 프로브에 의해 산정된 체적함수비는 뷰렛 시스템을 통해 정량적으로 산정된 체적함수비와 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한, 건조과정 및 습윤과정 진행에 따라 동일한 모관흡수력에 대한 함수비의 차이가 존재하는 이력현상(Hysteresis)이 발생하였고, 건조과정 및 습윤과정의 반복에 따라 이력현상은 줄어들었다. 본 연구에서 적용된 전자기파의 시간영역반사법(TDR)을 통해 불포화토의 흙-함수특성곡선을 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
The purpose of this study is to measure the volumetric water content of unsaturated soils during drying and wetting process by using volumetric pressure plate extractor (VPPE) incorporated with time domain reflectometry (TDR). The VPPE consists of a pressure cell, a pressure regulator, a burette sys...
The purpose of this study is to measure the volumetric water content of unsaturated soils during drying and wetting process by using volumetric pressure plate extractor (VPPE) incorporated with time domain reflectometry (TDR). The VPPE consists of a pressure cell, a pressure regulator, a burette system and a TDR probe. Two samples with different initial void ratios were prepared in the pressure cell, and the air pressure at the range of 0.1 kPa - 50 kPa was applied to adjust the matric suction by the pressure regulator. The burette system was used to measure the volumetric water content change of the sample according to the matric suction. In addition, the TDR probe, installed in the cell, was used to evaluate the dielectric constant from the reflected signal of the electromagnetic wave at the probe. The volumetric water content of specimen was estimated by the empirical equation between the volumetric water content and dielectric constant, which was calibrated with the Jumunjin sand. The test results show that the volumetric water content calculated by TDR probe is strongly correlated to the measured value by burette system. The hysteresis occurs during drying and wetting process. Furthermore, the degree of hysteresis reduces in the repeated process. This study suggests that TDR may be effectively used to evaluate the water content soil for the determination of water characteristic curve of unsaturated soils.
The purpose of this study is to measure the volumetric water content of unsaturated soils during drying and wetting process by using volumetric pressure plate extractor (VPPE) incorporated with time domain reflectometry (TDR). The VPPE consists of a pressure cell, a pressure regulator, a burette system and a TDR probe. Two samples with different initial void ratios were prepared in the pressure cell, and the air pressure at the range of 0.1 kPa - 50 kPa was applied to adjust the matric suction by the pressure regulator. The burette system was used to measure the volumetric water content change of the sample according to the matric suction. In addition, the TDR probe, installed in the cell, was used to evaluate the dielectric constant from the reflected signal of the electromagnetic wave at the probe. The volumetric water content of specimen was estimated by the empirical equation between the volumetric water content and dielectric constant, which was calibrated with the Jumunjin sand. The test results show that the volumetric water content calculated by TDR probe is strongly correlated to the measured value by burette system. The hysteresis occurs during drying and wetting process. Furthermore, the degree of hysteresis reduces in the repeated process. This study suggests that TDR may be effectively used to evaluate the water content soil for the determination of water characteristic curve of unsaturated soils.
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문제 정의
본 연구에서는 불포화토의 흙-함수특성곡선 실험시, 간극비가 다른 두 시료의 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 함수특성의 변화를 실시간으로 파악하기 위하여 TDR 측정 시스템을 압력판 추출 시험기에 도입하였다. 본 논문에서는 먼저 흙-함수특성곡선에 대한 이론적 배경 및 TDR의 측정원리에 대해 설명한 후, 본 연구에서 사용된 압력판 추출 시험기 및 TDR측정시스템의 특징에 대해 서술하였다. 이어서, 초기 간극비에 따른 흙-함수특성곡선의 변화, TDR 프로브에 대한 실내실험 및 측정 결과에 대해 보여준 후, 그 결과에 대해 분석 및 토의하였다.
본 연구에서는 불포화토의 흙-함수특성곡선 실험시, 간극비가 다른 두 시료의 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 함수특성의 변화를 실시간으로 파악하기 위하여 TDR 측정 시스템을 압력판 추출 시험기에 도입하였다. 본 논문에서는 먼저 흙-함수특성곡선에 대한 이론적 배경 및 TDR의 측정원리에 대해 설명한 후, 본 연구에서 사용된 압력판 추출 시험기 및 TDR측정시스템의 특징에 대해 서술하였다.
제안 방법
6) 건조 및 습윤과정이 진행되는 동안, 각 가압단계가 끝날 때 마다 TDR 측정시스템을 이용하여 전자기파 신호를 측정하였다.
1kPa - 50kPa사이의 공기압에 대해 단계적으로 가하였다. 간극비에 따른 흙-함수특성곡선 및 이력현상의 변화를 파악하기 위해 건조 및 습윤 2회 반복과정에 대한 실험을 수행하였다.
이는 세라믹디스크의 경우 투수성이 작기 때문이다(Fredlund and Rahardjo, 1993). 따라서 본 연구에서는 기존의 연구에서 사용되던 세라믹디스크를 멤브레인으로 대체하였고, 각각에 대한 제원은 Table 3과 같다. 멤브레인의 경우, 세라믹디스크에 비하여 두께가 얇고 투수계수가 크기 때문에 모관흡수력의 평형도달 시간을 촉진 시킬 수 있다(Nishimura et al.
본 연구에서는 압력판 추출시험기에 TDR측정 시스템을 도입하여 간극비 변화 및 다중 반복과정에 따른 함수특성을 파악하고, 뷰렛시스템을 통해 측정된 체적함수비 결과와 비교 분석하였다. 다중 반복과정에 대한 함수특성실험을 시행하기 위해 기존의 연구에서 사용되던 세라믹디스크 대신 투수계수가 큰 멤브레인을 사용하여 모관흡수력의 평형도달 시간을 단축하였다.
본 논문에서는 먼저 흙-함수특성곡선에 대한 이론적 배경 및 TDR의 측정원리에 대해 설명한 후, 본 연구에서 사용된 압력판 추출 시험기 및 TDR측정시스템의 특징에 대해 서술하였다. 이어서, 초기 간극비에 따른 흙-함수특성곡선의 변화, TDR 프로브에 대한 실내실험 및 측정 결과에 대해 보여준 후, 그 결과에 대해 분석 및 토의하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 #30체와 #50체 사이의 입경을 지니는 주문진 표준사(D50=0.46mm)를 사용하였고, 입도분포곡선은 Fig. 2와 같다.
2-롯드 타입의 경우 시료 교란에 대한 영향을 최소화 할 수 있다(White and Zegelin, 1995). 프로브 재질은, 가장 보편적으로 사용하고 있는 스테인레스 스틸을 사용하였다. 프로브의 길이는 동일하게 11cm로 설정하였고, 2개의 스테인레스 스틸 롯드 중 1개는 동축선 내부에 연결하고, 나머지 전극의 경우 동축선 외부에 연결하여 회로를 구성하였다.
데이터처리
84인 두가지 시료를 조성하고, 흙-함수특성곡선 및 이력현상의 변화양상에 대해 관찰하였다. TDR을 통한 체적함수비 산정을 위해, 제작한 원형 프로브에 대해 주문진사를 이용하여 켈리브레이션을 진행하였다. 이를 바탕으로 체적함수비-유전상수에 대한 3차 관계식을 추정하였다.
건조과정 및 습윤과정에서 측정된 TDR 신호를 분석하여 유전상수를 산정한 후, 프로브 켈리브레이션을 바탕으로 도출한 유전상수-체적함수비 관계식으로 각 가압단계에 따른 체적함수비를 추정하였다. 두 시료의 TDR 신호 데이터로 산정된 체적함수비 결과를 흙-함수특성곡선의 함수비 결과와 비교하였고, Fig.
이를 바탕으로 체적함수비-유전상수에 대한 3차 관계식을 추정하였다. 또한, 건조과정 및 습윤과정에서 측정한 TDR 신호 분석을 통해 각 가압단계별 시료의 체적함수비를 산정하였다. 본 연구를 통해 제시된 결론은 다음과 같다.
흙-함수특성곡선 실험을 진행하며 건조과정 및 습윤과정에서 각 가압단계에 대한 소요시간을 측정한 후, 세리믹 디스크를 사용한 선행연구의 결과와 비교하였고 Fig. 7에 나타내었다.
이론/모형
2와 같다. 비중의 경우, ASTM에서 규정하고 있는 D854 방법을 통하여 산정하였다. 최대 간극비 및 최소 간극비의 경우 ASTM의 D4253과 D4254 방법을 통하여 산정하였다.
전자기파의 시간영역반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)을 이용하여 불포화토의 건조 및 습윤과정에 따른 함수특성을 파악하기 위해, 다음과 같은 과정으로 실험이 진행되었다.
비중의 경우, ASTM에서 규정하고 있는 D854 방법을 통하여 산정하였다. 최대 간극비 및 최소 간극비의 경우 ASTM의 D4253과 D4254 방법을 통하여 산정하였다. 본 연구에 사용된 시료의 기본성질은 Table 2와 같다.
성능/효과
(1) 기존의 흙-함수특성실험에 대한 연구에서 사용되던 세라믹디스크 대신 두께가 얇으며 투수계수가 큰 멤브레인을 사용하여, 모관흡수력의 평형점 도달까지 1주일 이상 걸리던 기존 연구의 단점을 보완하였다.
(5) 실내 실험을 통해 산정된 체적함수비와 유전상수의 3차 관계식을 이용하여 TDR 신호를 분석한 결과, 뷰렛 시스템을 통해 산정된 체적함수비와 유사한 결과를 보였다. 이는 새롭게 도입된 TDR 측정시스템을 통해 신뢰할 만한 함수비 결과를 얻을 수 있음을 보여준다.
(4) 압력판 추출시험기에 TDR 측정 시스템을 도입하여, 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 체적함수비 변화를 파악하고자 하였다. 실험 결과, TDR 신호는 공기함입치(AEV)에서 급격한 변화를 보였고, 시료 내 체적함수비의 증가 및 감소에 대한 변화 양상을 잘 나타내었다.
(3) 간극비가 다른 두 시료에 대해 흙-함수특성실험을 수행하고, 이에 따른 흙-함수특성곡선의 변화를 파악하였다. 실험 결과, 간극비가 클수록 포화 체적함수비는 증가하고, 공기 함입치 (AEV) 및 잔류 체적함수비는 감소하였다. 이는 간극비가 클수록 상대적으로 물에 대한 흡착작용이 잘 일어나지 않으므로 흙-함수특성곡선의 기울기가 급격하게 형성되는 것을 나타낸다.
(2) 다중 반복과정에 대한 흙-함수특성실험을 수행하고, 이에 따른 이력현상의 변화를 파악하였다. 실험결과, 동일한 모관흡수력에서 체적함수비가 일치하지 않는 이력현상이 발생하였고 1차과정에서의 이력현상이 2차과정의 이력현상 보다 더 크게 나타났다.
후속연구
(4) 압력판 추출시험기에 TDR 측정 시스템을 도입하여, 건조과정 및 습윤과정 진행에 따른 체적함수비 변화를 파악하고자 하였다. 실험 결과, TDR 신호는 공기함입치(AEV)에서 급격한 변화를 보였고, 시료 내 체적함수비의 증가 및 감소에 대한 변화 양상을 잘 나타내었다.
(6) 본 연구에서 도입된 TDR측정 시스템은 불포화토의 함수특성을 효율적으로 평가할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 멤브레인의 투수계수가 세라믹디스크에 비해 약 7배 가량 크기 때문에 모관흡수력의 평형도달시간을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 멤브레인을 사용한 압력판 추출시험기는, 오랜 시험 소요시간으로 인한 습윤과정 진행 및 다중 반복과정에 대한 흙-함수 특성곡선 실험진행에 대한 한계점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
불포화토는 어떤 구조로 이루어져 있는가?
그러나, 불포화 지반을 포화상태로 가정하면 보수적인 설계가 될 뿐만 아니라, 불포화토의 역학적 거동 특성을 반영할 수 없기에 많은 문제점이 발생한다. 불포화토는 흙 입자와 물로 구성된 포화토와 달리 흙입자-물-공기 3상 구조로 이루어져 있기 때문에 포화토와 거동 특성 및 해석의 궤가 다르기 때문이다(Byun etal., 2012; Hwang et al.
포화토는 어떤 요소로 구성되는가?
그러나, 불포화 지반을 포화상태로 가정하면 보수적인 설계가 될 뿐만 아니라, 불포화토의 역학적 거동 특성을 반영할 수 없기에 많은 문제점이 발생한다. 불포화토는 흙 입자와 물로 구성된 포화토와 달리 흙입자-물-공기 3상 구조로 이루어져 있기 때문에 포화토와 거동 특성 및 해석의 궤가 다르기 때문이다(Byun etal., 2012; Hwang et al.
지표부근의 지반은 대부분 불포화 상태로 존재하나, 지반 구조물 설계 시 포화 지반이라 가정하는 이유는 무엇인가?
일반적으로, 지표부근의 지반은 대부분 불포화 상태로 존재하나, 지반 구조물 설계 시 포화 지반이라 가정하는 것이 대부분이다. 이는 포화상태로 가정하는 것이 간단하고 안전성을 확보할 수 있기 때문이다(Song etal., 2010).
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