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문제 정의
- , 2005; Oh, 2013). 기존의 연구에서는 주로 반복 축방향으로의 거동에 대한 검토를 하였고, 주로 토목섬유의 보강 위치에 따르는 보강효과를 검증한 반면 본 연구에서는 지오그리드 보강 시 다양한 입도분포를 가지는 자갈도상의 전단변형에 대한 영향을 보고자하며, 이를 개별요소해석을 이용한 수치해석을 통해서 검증해보고자 한다.
- 본 논문은 직접전단 실내시험 및 개별요소 수치해석을 이용하여 철도자갈도상의 지오그리드 보강에 대한 상관관계에 대해 연구한 것으로 다음과 같은 결론 및 제언을 정리한다.
제안 방법
- 시험기 박스 내부에 Fig. 2(a)와 같이 3 종류(G-1~3)재료를 각각 구성하고 지오그리드 무보강시 재료 자체의 전단응력을 우선적으로 측정하였다. 입도분포가 다른 자갈도상 재료에 대한 비교를 하기 위해서, 시료 준비 시 최대한 동일한 밀도를 갖도록 하였으며 세 시료 평균 밀도는 상/하부 박스 각각 1800 kg/m3 로 산정하였다.
- 우선 하부박스를 모델링 한 후 입자 배열과 함께 앞서 개별적으로 구성된 지오그리드 모델을 적용 후, 상부박스와 입자 배열을 완성한다. 그리고, 재하판을 일정한 규격을 가지는 구체로 구성한 후 수직 및 전단력을 가하여 모델링을 수행하였다. 직접전단시험 모형화에 구현된 전단상자의 크기는 30 cm×30 cm×20 cm로 구현하였으며 도상재료의 입도분포는 40~25 mm와 25~10 mm 2종류의 분포를 가지도록 모형화 하여 입도분포에 따른 각각의 지오그리드 보강효과를 알아보았다.
- 단일재료에 지오그리드를 보강 후 동일한 전단실험을 실행하였다. 실험결과는 Table 3에서 볼 수 있듯이, 무보강 재료의 측정 결과와 같이 가장 큰 입도분포를 갖는 G-1 재료가 가장 큰 평균전단응력 값이 측정되었다.
- 또한 Fig. 9와 같이 동일한 지오그리드 물성치를 적용한 리브길이가 60 mm인 지오그리드를 모형화 하여 각기 다른 격자 크기를 가진 지오그리드와 도상재료 입자와의 상관관계를 비교하였다.
- 6으로 설정 하였으며(Kwan, 2006) 밀도는 2600 kg/m³ 으로 설정하였다(Itasca, 2003). 상재하중은 실내시험과 동일하게 직접하중 500 kg을 상재하중판을 통해 균일하게 적용하고, 수평변위가 10, 20, 30, 40 mm 발생 시 각각 전단응력을 산출하였다.
- 수직하중은 500 kg, 1000 kg, 1500 kg을 적용하였으며 수직하중과 수평하중의 측정은 각각 하중장치에 설치된 로드셀에 의해 일정한 시간간격으로 자동으로 측정되며, 수직과 수평 변위량도 자동으로 측정된다. 전단속도는 5 mm/min의 속도로 설정하였다.
- 2(a)와 같이 3 종류(G-1~3)재료를 각각 구성하고 지오그리드 무보강시 재료 자체의 전단응력을 우선적으로 측정하였다. 입도분포가 다른 자갈도상 재료에 대한 비교를 하기 위해서, 시료 준비 시 최대한 동일한 밀도를 갖도록 하였으며 세 시료 평균 밀도는 상/하부 박스 각각 1800 kg/m3 로 산정하였다. 전단응력이 발생하는 경계면에 지오그리드를 설치를 하고(Fig.
- 자갈도상 재료인 G-1~3 단일재료로 각각 구성하여 지오그리드 보강 전 최대 전단강도를 비교하여 보았다. Fig.
- 직접전단시험 모형화에 구현된 전단상자의 크기는 30 cm×30 cm×20 cm로 구현하였으며 도상재료의 입도분포는 40~25 mm와 25~10 mm 2종류의 분포를 가지도록 모형화 하여 입도분포에 따른 각각의 지오그리드 보강효과를 알아보았다.
- 96로 산정되어 통일분류법에 의하여 입도분포가 불량한 자갈 GP (Poorly Graded Gravel)로 분류되었다. 평균입경크기 D50은 약 27 mm로 본 실험에서는 25 mm 입경크기를 기준으로 하여 G-1 재료는 25 mm 이상 그리고 G-2재료는 25 mm 이하의 재료로 입도 조정하였으며, G-3 재료는 원래 입도분포를 갖는 상태로 실험을 각각 수행하였다.
대상 데이터
- 대형 직접전단 시험기의 박스 규격은 길이가 30 cm, 폭 30 cm이며, 높이가 20 cm이다. 시료 조성 및 설치 후 수평하중을 가하여 작용되는 수평력을 측정하는 하중계 프레임 방식으로 수평력은 최대용량이 5 ton이고, 최대 수직하중은 10 ton이다.
- 본 논문에 사용된 지오그리드로는 폴리프로필렌 재질의 3축 형상인 Tensar TX 160 지오그리드를 사용하였다. 지오그리드의 기본 물성치는 아래 Table 1과 같다.
- 본 연구에 모형화 된 지오그리드는 3축 현상인 Tensar TX 160 지오그리드의 기본 물성치를 기준으로 실제 제품과 유사한 크기로 두 노브 사이의 리브 길이는 40 mm로 모형화 하였다. 그리고, Fig.
성능/효과
- (1) 직접전단 시험은 대상재료의 보강재료의 접촉면의 결속력을 직접적으로 모사할 수 있으므로, 자갈도상과 지오그리드의 상관관계를 파악하기 위해 적합한 실험방법으로 판단된다.
- (2) 실험 결과 동일한 인장강도를 갖는 지오그리드 적용 시 격자 크기와 자갈도상의 입도분포와의 상관관계가 있음을 확인하였다.
- (3) 개별요소법을 이용한 수치해석을 통해서 유한 요소해석에 비해 실제 지오그리드 모델링을 할 수 있었으며, 특히 수직강성 값이 미시물성치를 산정하는데 가장 영향력 있는 인자임을 확인하였다.
- (5) 또한, 개별요소 수치해석 결과 지오그리드와 대상재료간의 거동 영향범위를 확인할 수 있었으며, 이는 현장 적용 시 고려함으로써 보다 보강효과를 증진할 수 있을 것으로 판단된다.
- 11은 25 mm이하의 입도분포를 가지는 도상재료에서 지오그리드 보강 전, 후 수평변위 10, 20, 30, 40 mm일 때의 전단응력을 비교한 그래프이다. 25 mm이하의 도상재료 자체가 가지는 전단응력과 지오그리드로 보강된 전단응력을 비교한 결과 40, 60 mm의 리브길이를 가지는 각각의 지오그리드로 보강한 경우 모두 재료 자체의 전단응력보다 높은 전단응력을 나타내어 보강효과를 보였으며, 위의 25 mm이상의 입도분포의 결과와 마찬가지로 60 mm의 리브 길이인 지오그리드가 가장 높은 전단응력을 나타내었다. 수치해석 결과, 해당 도상재료의 보강효과는 60 mm리브 길이를 가지는 지오그리드가 상대적으로 높은 보강효율을 보였으며, 이는 추후 실내시험을 통해 검증하고자 한다.
- 본 연구에 모형화 된 지오그리드는 3축 현상인 Tensar TX 160 지오그리드의 기본 물성치를 기준으로 실제 제품과 유사한 크기로 두 노브 사이의 리브 길이는 40 mm로 모형화 하였다. 그리고, Fig. 6과 같이 하부 접점을 고정하고 상부를 인장하여 실제 지오그리드의 변형율 0.5%에서의 인장력 300 kN/m에 부합하는 보정된 미시물성치 값이 산정될 때 까지 해석을 반복수행 하였으며, Fig. 7에서 볼 수 있듯이, 반복 수행결과 미시 물성치 값 중 Kn (수직강성도)에 대한 가장 민감한 반응을 보였다. Table 4와 같이 보정된 미시물성치를 산정할 수 있었다.
- 그래프 상에 불규칙한 데이터들은 자갈 특성상 전단면이 고르지 못함에 따라서 전단력에 대한 입자 재배열에 기인하는 것으로 판단된다. 실험 결과에서 볼 수 있듯이, 입도 크기가 큰 입자의 함유량이 클수록, 전단응력과 수평하중이 높은 것으로 나타났다. 이는 입경이 작은 재료들의 전단거동에 미치는 영향을 보여주는 것으로써, 이는 현장에서 자갈도상재료의 마모에 의해 세립자가 형성되어 발생되는 분니현상에 대한 원인과 유사한 것으로 판단된다.
- 지오그리드를 보강하지 않은 재료 자체가 가지는 전단응력과 격자 크기가 다른 2종류의 지오그리드를 각각 보강했을 때의 결과를 비교한 결과 60 mm리브의 지오그리드를 보강한 경우가 가장 큰 전단응력을 가지는 것으로 나타났으며, 40 mm리브의 지오그리드로 보강한 경우는 보강하지 않은 상태의 전단응력보다 낮은 전단응력을 보였으며, 이는 실내시험 결과와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 전반적으로 25 mm이상의 입도분포에서는 60 mm 리브 길이의 지오그리드에서 보강효과를 보였으며 40 mm 리브 길이의 지오그리드는 재료 자체의 전단응력을 감소시키는 결과를 보였다.
- 10은 25 mm이상의 입도분포를 가지는 도상재료에서 지오그리드 보강 전, 후 수평변위 10, 20, 30, 40 mm일 때의 전단응력을 비교한 그래프이다. 지오그리드를 보강하지 않은 재료 자체가 가지는 전단응력과 격자 크기가 다른 2종류의 지오그리드를 각각 보강했을 때의 결과를 비교한 결과 60 mm리브의 지오그리드를 보강한 경우가 가장 큰 전단응력을 가지는 것으로 나타났으며, 40 mm리브의 지오그리드로 보강한 경우는 보강하지 않은 상태의 전단응력보다 낮은 전단응력을 보였으며, 이는 실내시험 결과와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 전반적으로 25 mm이상의 입도분포에서는 60 mm 리브 길이의 지오그리드에서 보강효과를 보였으며 40 mm 리브 길이의 지오그리드는 재료 자체의 전단응력을 감소시키는 결과를 보였다.
후속연구
- (4) 격자 크기가 다른 지오그리드를 모델링하여 자갈 도상 입도분포에 따른 직접전단 실험을 모사한 결과, 지오그리드 격자크기가 60 mm인 경우 자갈도상 보강에 더욱 효과적임을 확인하였고, 본 연구에 사용된 자갈도상의 평균입경 크기인 25 mm대비 지오그리드 격자크기가 최소 2배 정도 큰 경우 보강효과가 있음을 확인하였으며, 추후 실내시험을 통해서 이를 검증하고자 한다.
- 이는 지오그리드와 주변 재료간의 상호작용은 지오그리드 격자 크기 및 물성과 대상재료의 입도분포나 입자모양등의 복합적인 영향을 받는 것으로 판단된다. 또한, 국내 자갈도상의 입도 분포를 고려하였을 때(본 논문에서는 G-3 재료가 해당됨), 지오그리드의 격자 크기가 상향 조정된 재료가 적합할 것으로 판단되며 추후 연구를 통해서 검증하고자 한다.
- 25 mm이하의 도상재료 자체가 가지는 전단응력과 지오그리드로 보강된 전단응력을 비교한 결과 40, 60 mm의 리브길이를 가지는 각각의 지오그리드로 보강한 경우 모두 재료 자체의 전단응력보다 높은 전단응력을 나타내어 보강효과를 보였으며, 위의 25 mm이상의 입도분포의 결과와 마찬가지로 60 mm의 리브 길이인 지오그리드가 가장 높은 전단응력을 나타내었다. 수치해석 결과, 해당 도상재료의 보강효과는 60 mm리브 길이를 가지는 지오그리드가 상대적으로 높은 보강효율을 보였으며, 이는 추후 실내시험을 통해 검증하고자 한다.
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