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문제 정의
- 본 모형실험에서는 다양한 강우강도에 따른 토층 내 침투 흐름을 측정하기 위하여 고안된 강우재현장치를 활용하여 특정 강우강도를 재현하기 위한 예비실험을 수행하였다. 전술한 바와 같이 강우재현장치는 2대의 연동 펌프(peristaltic pump)와 연결된 살수장치를 통하여 일정하게 강우가 내릴 수 있도록 고안되었다.
- 본 실험장치를 이용하여 상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 흙-함수특성곡선 산정을 위한 실험을 수행하였다. 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다(Song, 2013).
- 본 연구에서는 모형토조내 토층을 형성하고 강우를 재현 시켜 강우강도에 따른 토층내 포화속도를 산정하기 위하여 모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 상대 밀도 75%의 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하였다.
- 본 연구에서는 모형토조내 토층을 형성하고 강우를 재현 시켜 강우강도에 따른 토층내 포화속도를 산정하기 위한 모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른 모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하고자 한다.
- 모형실험에서는 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른 모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하고자 한다. 이를 토대로 강우 강도에 따른 토층 내 포화속도 및 흡입응력에 대한 상관관계를 분석하고, 강우강도에 따른 토층의 포화속도를 정량적으로 제시하고자 한다.
- 모형실험에서는 상대 밀도 75%의 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하였다. 이를 토대로 강우강도에 따른 토층 내 포화속도 및 흡입응력에대한 현장 모니터링 기준으로 제시하고자 하였으며, 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 불포화 지반 내 강우침투 특성을 파악하기 위하여모형토조를 이용한 실내모형실험 장치를 개발하였다. 불포화 지반 내 강우침투 모형실험장치는 모형토조, 강우재현 장치 및 계측장치로 구성되어 있다.
- 전술한 바와 같이 강우재현장치는 2대의 연동 펌프(peristaltic pump)와 연결된 살수장치를 통하여 일정하게 강우가 내릴 수 있도록 고안되었다. 2대의 펌프 회전속도에 따라서 살수장치로 공급되는 물의 양이 다르게 되므로, 펌프의 회전속도를 증가시키면서 살수장치로부터 발생되는 강우의 양을 측정하였다. 이때 2대의 펌프 회전속도는 동일하게 하였다.
- 설치하였다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 강우 침투 시 깊이별 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 측정하기 위하여 모형토조의 바닥으로부터 10cm, 25cm 및 40cm 깊이에 TDR 및 Tensiometer를 각각 설치하였다. 모형토조 내 성형된 토층의 깊이별 체적함수비를 측정하기 위한 TDRe Decagon사의 EC-5를 설치하였고, 모관흡수력을 측정하기 위한 Tensiometer는 Soil moisture사의 2100F를 설치하였다.
- 또한 계측장치는 TDR 및 Tensiometer의 계측센서와 데이터 로거, 컴퓨터로 구성되어 있다. TDR센서를 통하여 토층 내 체적함수비를 측정하고, Tensiometer를 통하여 토층 내 모관흡수력을 측정한다. 그리고 이들 센서는 깊이별로 설치하여 강우강도 혹은 강우지속시간에 따른 체적함수비와 모관흡수력을 측정한다.
- TDR 및 Tensiometer로 부터 강우에 따른 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 실시간으로 측정한다.
- 측정된 체적함수비와 모관흡수력을 토대로 강우에 따른 포화속도를 분석한다.
- 강우침투 모형실험결과를 토대로 강우강도에 따른 흡입응력의 변화를 살펴보았다. 먼저 흡입응력을 산정하기 위하여 Fig.
- 실험방법은 펌프의 회전속도를 결정한 상태에서 30분 동안의 강우량을 측정하고 이를 강우강도로 환산하였다. 그리고 다양한 펌프의 회전속도에 따라 강우강도를 측정하였다. Fig.
- 실험시 설치되는 토층의 실제 크기는 길이 60cm, 높이 50cm 및 폭 15cm이다. 그리고 모형토조의 바닥으로부터 10cm, 25cm 및 40cm 깊이에 TDR센서와 Tensiometer가 동일한 높이에서 서로 평형하게 설치될 수 있도록 제작되었다.
- TDR센서를 통하여 토층 내 체적함수비를 측정하고, Tensiometer를 통하여 토층 내 모관흡수력을 측정한다. 그리고 이들 센서는 깊이별로 설치하여 강우강도 혹은 강우지속시간에 따른 체적함수비와 모관흡수력을 측정한다. Fig.
- 변화를 살펴보았다. 먼저 흡입응력을 산정하기 위하여 Fig. 8의 흙-함수특성곡선과 강우침투 모형실험 결과로부터 얻은 모관흡수력 및 체적함수비를 활용하였다. Fig.
- 모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 상대 밀도 75%의 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하였다. 이를 토대로 강우강도에 따른 토층 내 포화속도 및 흡입응력에대한 현장 모니터링 기준으로 제시하고자 하였으며, 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 주문진 표준사를 이용하여 강우강도에 따른 모관흡수력과 체적함수비의 변화를 측정하고자 한다. 이를 토대로 강우 강도에 따른 토층 내 포화속도 및 흡입응력에 대한 상관관계를 분석하고, 강우강도에 따른 토층의 포화속도를 정량적으로 제시하고자 한다.
- 모형토조 내 성형된 토층의 깊이별 체적함수비를 측정하기 위한 TDRe Decagon사의 EC-5를 설치하였고, 모관흡수력을 측정하기 위한 Tensiometer는 Soil moisture사의 2100F를 설치하였다. 모형토조 내 설치된 TDR 및 Tensiometer는 5초 간격으로 측정하도록 하였으며, 측정된 체적함수비와 모관흡수력은 데이터 로거를 통하여 컴퓨터에 자동 저장하도록 하였다. 본 모형실험에서 사용된 데이터 로거는 Campbell사의 CR 1000을 사용하였다.
- 3에서 보는 바와 같이 강우 침투 시 깊이별 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 측정하기 위하여 모형토조의 바닥으로부터 10cm, 25cm 및 40cm 깊이에 TDR 및 Tensiometer를 각각 설치하였다. 모형토조 내 성형된 토층의 깊이별 체적함수비를 측정하기 위한 TDRe Decagon사의 EC-5를 설치하였고, 모관흡수력을 측정하기 위한 Tensiometer는 Soil moisture사의 2100F를 설치하였다. 모형토조 내 설치된 TDR 및 Tensiometer는 5초 간격으로 측정하도록 하였으며, 측정된 체적함수비와 모관흡수력은 데이터 로거를 통하여 컴퓨터에 자동 저장하도록 하였다.
- , 2012). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 건조 및 습윤과정의 흙-함수 특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다. 본 시험장치는 압력조절 장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울 등으로 구성되어 있으며, 축변환기법(Hilf, 1956)을 도입하여 압력을 0-300kPa 범위까지 적용할 수 있다(Song, 2013).
- 본 연구에서는 모형토조를 이용하여 강우강도 및 흙의 종류에 따라 토층내 강우침투에 대한 모형실험을 수행하였다. 본 연구에서는 강우강도에 따른 토층 내 강우 침투 흐름을 조사하기 위하여 상대밀도 75%의 주문진 표준사를 대상으로 100mm/hr, 80mm/hr, 50mm/hr, 30mm/hr, 10mm/hr의 강우강도에서 각각 실험을 수행하였다.
- 사의 BT 100M을 사용하였다. 본 펌프의 유동량 (Flow rate)은 0.1-100rpm 범위에서 물의 공급이 가능하며, 두 펌프의 조합을 통하여 강우강도를 제어하도록 고안하였다.
- 불포화 지반 내 강우침투 특성을 파악하기 위하여 모형토조(soil box)를 이용한 실내모형실험을 수행하였다. Fig.
- 상대밀도 75%의 주문진 표준사를 대상으로 100mm/ hr, 80mm/hr, 50mm/hr, 30mm/hr, 10mm/hr의 강우강도에 대한 강우침투 흐름을 파악하기 위한 모형실험을 수행하였다. Fig.
- 표준사를 사용하였다. 상대밀도 75%의 주문진 표준사의 공학적 특성을 조사하기 위하여 각종 토질시험을 수행하였다. 주문진 표준사의 경우 ASTM D 4254- 83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 따라 시료에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 측정하였고 상대밀도 75%의 조건으로 주문진 표준사의 시료를 성형하였다.
- 이때 2대의 펌프 회전속도는 동일하게 하였다. 실험방법은 펌프의 회전속도를 결정한 상태에서 30분 동안의 강우량을 측정하고 이를 강우강도로 환산하였다. 그리고 다양한 펌프의 회전속도에 따라 강우강도를 측정하였다.
- 토층 내 강우침투시 시간에 따른 깊이별 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 측정하기 위하여 일련의 계측시스템을 설치하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 3은 모형토조의 개략도를 나타낸 것으로 모형토조의 크기는 길이 60cm, 높이 56cm 및 폭 15cm이며, 강우침투로 인한 침투수의 거동을 직접 관찰할 수 있도록 아크릴로 제작하였다. 실험시 설치되는 토층의 실제 크기는 길이 60cm, 높이 50cm 및 폭 15cm이다.
- 4. TDR sensor used in the tests (EC-5).
- 5. Tensiometer used in the tests (2100F).
- 모형토조 내 설치된 TDR 및 Tensiometer는 5초 간격으로 측정하도록 하였으며, 측정된 체적함수비와 모관흡수력은 데이터 로거를 통하여 컴퓨터에 자동 저장하도록 하였다. 본 모형실험에서 사용된 데이터 로거는 Campbell사의 CR 1000을 사용하였다. Fig.
- 본 모형실험에서는 지반재료로서 상대밀도 75%의 주문진 표준사를 사용하였다. 상대밀도 75%의 주문진 표준사의 공학적 특성을 조사하기 위하여 각종 토질시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 강우강도에 따른 토층 내 강우 침투 흐름을 조사하기 위하여 상대밀도 75%의 주문진 표준사를 대상으로 100mm/hr, 80mm/hr, 50mm/hr, 30mm/hr, 10mm/hr의 강우강도에서 각각 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 상대밀도 75%의 주문진 표준사와 용인 현장토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 활용하였다(Song et al., 2012). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 건조 및 습윤과정의 흙-함수 특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다.
- 본 실험에서 물을 일정하게 공급하기 위하여 사용된 연동펌프 (peristaltic pump)는 Baoding Shenchen Precision Pump Co.사의 BT 100M을 사용하였다. 본 펌프의 유동량 (Flow rate)은 0.
- 3은 모형토조의 개략도를 나타낸 것으로 모형토조의 크기는 길이 60cm, 높이 56cm 및 폭 15cm이며, 강우침투로 인한 침투수의 거동을 직접 관찰할 수 있도록 아크릴로 제작하였다. 실험시 설치되는 토층의 실제 크기는 길이 60cm, 높이 50cm 및 폭 15cm이다. 그리고 모형토조의 바닥으로부터 10cm, 25cm 및 40cm 깊이에 TDR센서와 Tensiometer가 동일한 높이에서 서로 평형하게 설치될 수 있도록 제작되었다.
이론/모형
- Table 2. Curve-fitting parameters estimated by the van Genuchten model.
- 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 건조 및 습윤과정의 흙-함수 특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다. 본 시험장치는 압력조절 장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울 등으로 구성되어 있으며, 축변환기법(Hilf, 1956)을 도입하여 압력을 0-300kPa 범위까지 적용할 수 있다(Song, 2013).
- 측정된 모관흡수력과 간극수량은 van Genuchten (1980)의 제안식을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC) 을 예측할 수 있다. van Genuchten (1980)은 Mualem (1976) 모델을 토대로 유효포화도와 압력수두의 상관관계를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 제안하였다.
- 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 비선형 최소제곱법(nonlinear least squares analysis)을 적용하여 van Genuchten (1980) 제안식의 불포화 계수인 α, n 및 m을 산정하였다. Table 3은 상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 불포화 계수를 산정한 것이다.
성능/효과
- (2) 주문진 표준사의 경우 입도가 균등하고 투수 계수가 상대적으로 크므로 강우시 지표면에서 습윤전선이 형성되어 하강하는 것이 아니라 하부 바닥면에서부터 지하 수위가 형성되어 상승하면서 포화가 진행되었다.
- (4) 강우강도가 증가함에 따라 깊이별 포화속도를 평균하여 나타낸 평균포화속도는 선형적으로 증가한다. 상대 밀도 75%의 주문진 표준사를 대상으로 강우강도와 평균 포화속도의 상관관계에 대한 회귀분석을 실시한 결과 강우 강도에 따른 평균포화속도는 Vs (cm/sec)=0.
- 그림에서 보는 바와 같이 강우 강도가 증가함에 따라 토층의 포화속도는 증가함을 알 수 있다. 또한 강우강도가 30mm/hr 이하의 경우 깊이별 토층 내 포화속도는 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났으나, 강우강도가 50mm/hr 이상의 경우 토층 바닥 면에서부터 포화되는 속도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 상대 밀도 75%의 주문진 표준사를 대상으로 강우강도와 평균 포화속도의 상관관계에 대한 회귀분석을 실시한 결과 강우 강도에 따른 평균포화속도는 Vs (cm/sec)=0.068IR(mm/hr)와 같이 제안할 수 있다.
- 상대밀도 75%의 주문진 표준사의 공학적 특성을 조사하기 위하여 각종 토질시험을 수행하였다. 주문진 표준사의 경우 ASTM D 4254- 83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 따라 시료에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 측정하였고 상대밀도 75%의 조건으로 주문진 표준사의 시료를 성형하였다.
- 표에서 보는 바와 같이 주문진 표준사의 경우 비중은 2.62이며, 유효입경은 0.42mm, 균등계수와 곡률 계수는 각각 1.5 및 1.0, 통일분류법으로 SP에 해당하는 것으로 나타났다. 한편 Fig.
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