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문제 정의
- 동결 과정과 이후의 일축압축실험은 영하의 온도를 유지하도록 제작된 동결 챔버 내에서 수행되었다. 본 논문은 부동 수분을 측정할 수 있는 동결 몰드와 일축압축실험기에 대하여 기술하고, 시료 조성법 및 영하의 온도를 일정 시간동안 유지한 실험구성에 대해 설명하였다. 다음으로 동결 중의 TDR 측정 신호와 일축압축강도에 대한 실험 결과를 제시한 후, 각 결과를 비교 분석 및 토의하였다.
- 본 연구에서는 포화도와 실트 함량에 따른 동결토의 부동 수분과 일축압축강도 특성을 비교 분석하고자 하였다. 실트 함량은 주문진사에 대한 무게비가 10%와 30%인 두 가지의 혼합토 시료를 준비하였고, 각 시료에 증류수를 포화도 5, 10, 15, 그리고 20%가 되도록 첨가하였다.
제안 방법
- 1과 같이 제작된 프로브 및 케이블을 포함한 TDR 장비와 신호 측정을 위한 컴퓨터로 구성되어 있다. TDR 프로브는 세 개의 전극으로 구성되어, 중앙에 위치한 전극에 동축 케이블의 내선을 연결하여 전자기파가 전파되도록 하였다. 양 측의 전극은 케이블의 외선과 연결하여 유전율을 측정할 수 있는 시료의 영역을 대표하고, 동시에 접지의 역할을 하였다.
- 본 논문은 부동 수분을 측정할 수 있는 동결 몰드와 일축압축실험기에 대하여 기술하고, 시료 조성법 및 영하의 온도를 일정 시간동안 유지한 실험구성에 대해 설명하였다. 다음으로 동결 중의 TDR 측정 신호와 일축압축강도에 대한 실험 결과를 제시한 후, 각 결과를 비교 분석 및 토의하였다.
- 본 연구에서는 포화도와 실트 함량에 따른 시료의 동결 중 부동 수분량을 모니터링하고, 동결 이후의 동결토에 대한 일축압축실험을 수행하여 각 결과를 상호비교하였다. 동결 과정의 부동 수분 평가를 위해 동결용 몰드 내부 벽면에 TDR 센서를 설치하였으며, 동결 이후 동결토에 대하여 최대압축강도가 나타날 때까지 일축압축실험을 수행하였다. 동결 과정과 이후의 일축압축실험은 영하의 온도를 유지하도록 제작된 동결 챔버 내에서 수행되었다.
- 시료 조성시 네 개의 층으로 나누어 동일한 에너지로 5 회씩 다짐 방법을 적용하여 시료를 조성하였으며, 동결 중의 수분 손실을 방지하기 위하여 상부를 밀폐한 상태로 동결 과정을 진행하였다. 동결 몰드를 설치한 동결 챔버의 온도는 -10oC로 유지하였으며 24 시간동안 동결을 수행하였고, 시료가 동결되는 동안 TDR을 통하여 시료의 유전율을 측정하여 부동 수분을 산정하였다.
- 본 실험에 앞서 동결이 완료된 시점을 파악하기 위한 동결 시간에 따른 시료의 강도 변화를 파악하기 위해 일축압축실험을 수행하였다. 동결 시간은 24 시간, 48b시간, 그리고 72 시간으로 나누어 강도 평가를 수행하였으며, 결과는 Fig. 4와 같다. 실험 결과, 세 경우의 동결 강도의 크기가 모두 유사한 것으로 나타났으며, 이를 통해 24 시간의 동결 시간은 시료의 동결이 완료되기에 충분하다고 판단하였다.
- 실트 함량은 주문진사에 대한 무게비가 10%와 30%인 두 가지의 혼합토 시료를 준비하였고, 각 시료에 증류수를 포화도 5, 10, 15, 그리고 20%가 되도록 첨가하였다. 동결 챔버 내에서 -10℃의 조건으로 동결을 수행하였으며, 동결이 완료된 이후 일축압축실험을 통해 강도를 파악하였다. 또한, 모든 시료에 대하여 동결 과정에서의 TDR을 이용하여 부동 수분량을 파악하였다.
- 동결이 완료된 동결 시료는 몰드로부터 탈형하여 일축압축실험을 수행하였다. 일축압축실험은 동결 과정과동일하게 -10℃에서 일정 시간 구동하여 모터의 미열에 의한 시료의 융해를 방지하도록 하여 수행하였다.
- 동결토의 실트 함량과 포화도의 차이에 따른 부동 수분을 파악하기 위해 동결 과정에서 TDR 측정을 통해 함수비를 측정하였으며, 동일한 조건의 시료로 일축압축실험을 수행하여 강도를 파악하였다. 부동 수분과 일축압축강도 간의 관계를 Fig.
- 몰드 벽면은 좌우로 분리할 수 있도록 제작되어 동결 이후 시료를 획득하도록 설계되었고,시료 조성시 벽면간의 볼트 체결을 통해 시료 손실을 최소화하였다. 또한, 동결 이후 동결 시료와 몰드 사이의 동착력에 의한 시료의 교란 가능성을 최소화하기 위해 내부 벽면과 체결부에 그리스(grease)를 도포하였다. 시료의 내부는 유전율을 이용한 부동 수분량의 추정을 위해 내부 벽면에 길이 100mm, 두께 2mm의 TDR 전극을 20mm 간격으로 설치하여 시료의 대표적 유전율을 측정하고자 하였다.
- 동결 챔버 내에서 -10℃의 조건으로 동결을 수행하였으며, 동결이 완료된 이후 일축압축실험을 통해 강도를 파악하였다. 또한, 모든 시료에 대하여 동결 과정에서의 TDR을 이용하여 부동 수분량을 파악하였다. 이에 따라 실트 함량 및 포화도에 따른 일축압축강도와 부동 수분량의 변화를 파악하였고, 일축압축강도와 부동 수분의 관계 또한 분석하였으며, 아래와 같은 주요한 결론을 도출할 수 있었다.
- 는 각각 실트와 모래의 중량이다. 또한, 포화도의 차이에 의한 특성 비교를 수행하기 위해 각각의 시료는 포화도 5, 10, 15, 그리고 20%의 조건으로 증류수를 혼합하여 조성하였다. 각 실트 함량에 따른 혼합토의 기본 물성은 Table 1과 같이 실트비 10%의 경우 비중은 2.
- 장비의 상부에 최대 측정 하중이 10kN인 로드셀을 설치하여 직경 50mm인 시료에 대하여 최대 5MPa까지 압축응력을 측정할 수 있도록 제작되었다. 또한, 하부에는 모터의 과부하를 방지하기 위해 하중 20kN 가감속에 대한 응답성이 우수한 서보모터(servomotor)를 설치하여 일정한 변형 속도로 실험을 수행하였다. 본 모터는 일축압축실험기의 하부판과 연결되어 상하 이동을 조작하도록 설계되었으며, 강도 평가 실험 시 하부판이 상향으로 이동하며 시료의 전단 파괴를 수행하였다.
- 양 측의 전극은 케이블의 외선과 연결하여 유전율을 측정할 수 있는 시료의 영역을 대표하고, 동시에 접지의 역할을 하였다. 모든 전극은 스테인레스 스틸 재질로 제작되어 전자기파 신호를 측정하였으며, 전극과 접하고 있는 시료 매질의 유전율에 따라 변화하는 신호를 통해 부동 수분의 양을 파악하고자 하였다
- 1과 같이 동결 이후 일축압축실험을 수행하기 위해 직경이 50mm이고, 높이가 100mm인 동결 시료가 제작되도록 설계되었다. 몰드는 MC 나일론 재질로 제작하여TDR용 전극 사이를 절연하였고, 불필요한 전기적 신호의 영향을 최소화하였다. 몰드 벽면은 좌우로 분리할 수 있도록 제작되어 동결 이후 시료를 획득하도록 설계되었고,시료 조성시 벽면간의 볼트 체결을 통해 시료 손실을 최소화하였다.
- 또한, 하부에는 모터의 과부하를 방지하기 위해 하중 20kN 가감속에 대한 응답성이 우수한 서보모터(servomotor)를 설치하여 일정한 변형 속도로 실험을 수행하였다. 본 모터는 일축압축실험기의 하부판과 연결되어 상하 이동을 조작하도록 설계되었으며, 강도 평가 실험 시 하부판이 상향으로 이동하며 시료의 전단 파괴를 수행하였다. 전단 속도는 0.
- 본 실험에 앞서 동결이 완료된 시점을 파악하기 위한 동결 시간에 따른 시료의 강도 변화를 파악하기 위해 일축압축실험을 수행하였다. 동결 시간은 24 시간, 48b시간, 그리고 72 시간으로 나누어 강도 평가를 수행하였으며, 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 포화도와 실트 함량에 따른 시료의 동결 중 부동 수분량을 모니터링하고, 동결 이후의 동결토에 대한 일축압축실험을 수행하여 각 결과를 상호비교하였다. 동결 과정의 부동 수분 평가를 위해 동결용 몰드 내부 벽면에 TDR 센서를 설치하였으며, 동결 이후 동결토에 대하여 최대압축강도가 나타날 때까지 일축압축실험을 수행하였다.
- 모든 시료는 상대밀도 60%가 되도록 동결 몰드에 조성되었다. 시료 조성시 네 개의 층으로 나누어 동일한 에너지로 5 회씩 다짐 방법을 적용하여 시료를 조성하였으며, 동결 중의 수분 손실을 방지하기 위하여 상부를 밀폐한 상태로 동결 과정을 진행하였다. 동결 몰드를 설치한 동결 챔버의 온도는 -10oC로 유지하였으며 24 시간동안 동결을 수행하였고, 시료가 동결되는 동안 TDR을 통하여 시료의 유전율을 측정하여 부동 수분을 산정하였다.
- 또한, 동결 이후 동결 시료와 몰드 사이의 동착력에 의한 시료의 교란 가능성을 최소화하기 위해 내부 벽면과 체결부에 그리스(grease)를 도포하였다. 시료의 내부는 유전율을 이용한 부동 수분량의 추정을 위해 내부 벽면에 길이 100mm, 두께 2mm의 TDR 전극을 20mm 간격으로 설치하여 시료의 대표적 유전율을 측정하고자 하였다. 설치시 내부 벽면에 전극의 한 쪽면이 노출되도록 홈을 가공한 후 에폭시로 고정하였다.
- 본 연구에서는 포화도와 실트 함량에 따른 동결토의 부동 수분과 일축압축강도 특성을 비교 분석하고자 하였다. 실트 함량은 주문진사에 대한 무게비가 10%와 30%인 두 가지의 혼합토 시료를 준비하였고, 각 시료에 증류수를 포화도 5, 10, 15, 그리고 20%가 되도록 첨가하였다. 동결 챔버 내에서 -10℃의 조건으로 동결을 수행하였으며, 동결이 완료된 이후 일축압축실험을 통해 강도를 파악하였다.
- 일축압축실험은 동결 과정과동일하게 -10℃에서 일정 시간 구동하여 모터의 미열에 의한 시료의 융해를 방지하도록 하여 수행하였다. 실험은 전단 속도 1mm/min으로 최대압축응력이 나타난 이후인 약 12mm까지 수행되었고, 변위에 따른 압축응력은 매 초마다 획득하였다. 획득된 신호는 컴퓨터로 출력하여 자동 저장되도록 시스템을 구성하였다.
- 또한, 모든 시료에 대하여 동결 과정에서의 TDR을 이용하여 부동 수분량을 파악하였다. 이에 따라 실트 함량 및 포화도에 따른 일축압축강도와 부동 수분량의 변화를 파악하였고, 일축압축강도와 부동 수분의 관계 또한 분석하였으며, 아래와 같은 주요한 결론을 도출할 수 있었다.
- 동결이 완료된 동결 시료는 몰드로부터 탈형하여 일축압축실험을 수행하였다. 일축압축실험은 동결 과정과동일하게 -10℃에서 일정 시간 구동하여 모터의 미열에 의한 시료의 융해를 방지하도록 하여 수행하였다. 실험은 전단 속도 1mm/min으로 최대압축응력이 나타난 이후인 약 12mm까지 수행되었고, 변위에 따른 압축응력은 매 초마다 획득하였다.
- 2와 같이 제작되어 동결 챔버 내에 설치되었다. 장비의 상부에 최대 측정 하중이 10kN인 로드셀을 설치하여 직경 50mm인 시료에 대하여 최대 5MPa까지 압축응력을 측정할 수 있도록 제작되었다. 또한, 하부에는 모터의 과부하를 방지하기 위해 하중 20kN 가감속에 대한 응답성이 우수한 서보모터(servomotor)를 설치하여 일정한 변형 속도로 실험을 수행하였다.
- 본 모터는 일축압축실험기의 하부판과 연결되어 상하 이동을 조작하도록 설계되었으며, 강도 평가 실험 시 하부판이 상향으로 이동하며 시료의 전단 파괴를 수행하였다. 전단 속도는 0.1mm/min부터 최대 2mm/min까지 설정이 가능하도록 설계되었다. 또한, 동결 챔버의한 개 면은 일축압축실험 과정의 시료의 변형을 관찰하기 위해 열선 처리된 유리로 제작되었다.
- 주문진사에 대한 실트의 무게비가 10%와 30%인 혼합토에 대하여 포화도 5, 10, 15, 그리고 20 %가 되도록 증류수를 혼합한 시료를 동결하였다. 동일한 영하의 온도에서 일축압축실험을 수행하였으며 각 조건별 변위에 따른 일축압축응력을 Fig.
- 42이다. 주문진사와 실트를 혼합한 후각 포화도에 해당하는 증류수를 첨가하여 밀폐된 용기에 보관하여 시료 내에서 포화도가 동일하도록 하였다.
- 측정된 일축압축강도의 신뢰도 향상을 위해 각 조건별 일축압축실험을 추가 진행하였으며, 수행된 전 경우의 일축압축강도는 실트 함량별 포화도에 따라 Fig. 8과 같이 도시하였다. 동일한 조건의 시료로 일축압축실험을 추가 수행한 경우, 전 경우의 일축압축강도와 유사하게 나타났다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시료는 모래와 실트이다. 모래는 입경의 차이에 따른 영향을 최소화하기 위해 30 번 체를 통과하고 50 번 체에 남는 것으로 균일한 입경의 주문진사를 사용하였으며, 실트는 200 번 체를 통과한 세립 분을 사용하였다. 주문진사와 실트의 비중은 각각 2.
- 본 연구에 사용된 시료는 모래와 실트이다. 모래는 입경의 차이에 따른 영향을 최소화하기 위해 30 번 체를 통과하고 50 번 체에 남는 것으로 균일한 입경의 주문진사를 사용하였으며, 실트는 200 번 체를 통과한 세립 분을 사용하였다.
- 실험 결과, 세 경우의 동결 강도의 크기가 모두 유사한 것으로 나타났으며, 이를 통해 24 시간의 동결 시간은 시료의 동결이 완료되기에 충분하다고 판단하였다. 이에 따라, 동결 과정 중 TDR측정이 수행되는 본 실험에 24 시간의 동결 시간을 선정하였다.
- 실험은 전단 속도 1mm/min으로 최대압축응력이 나타난 이후인 약 12mm까지 수행되었고, 변위에 따른 압축응력은 매 초마다 획득하였다. 획득된 신호는 컴퓨터로 출력하여 자동 저장되도록 시스템을 구성하였다.
성능/효과
- (1) 시료의 동결 완료 여부를 판단하기 위해 24, 48, 그리고 72 시간의 동결 과정 후 일축압축실험을 수행하였고, 최대압축강도는 모두 유사하게 나타났다. 또한, 동결 중 TDR 측정을 통해 파악한 부동 수분은 동결 4 시간 이전에 수렴하였으므로 실트 함량이 30% 미만이고 포화도가 20% 미만인 경우, 동결 시간은 24 시간이면 충분할 것으로 판단된다.
- (2) 실트의 함량이 증가할수록 부동 수분의 양이 크게 증가하였으며, 이는 비표면적이 큰 실트질의 입자 표면에 얇은 막의 강한 결합 상태로 존재하는 부동 수분층의 동결을 방지한 것으로 판단된다. 한편, 포화도의 증가에 따라 부동 수분이 증가하였고, 이는 동결 전 첨가한 증류수의 양이 절대적으로 증가하였기 때문으로 판단된다.
- (3) 포화도의 증가에 따라 일축압축강도가 지수 함수적으로 증가하였고, 이는 동결토의 강도 발현에 미치는 얼음의 영향이 급격하게 증가하였기 때문으로 판단된다. 한편, 일축압축강도는 실트 함량이 증가할수록 감소하였으며, 비교적 낮은 포화도의 동결 시료인 관계로 얼음뿐만 아닌 구성 흙 입자간 마찰력이 강도 발현에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다.
- (4) 동일한 포화도 조건에서 부동 수분량의 증가에 따라 일축압축강도가 다소 감소하였으며, 이는 부동 수분이 동결 시료의 입자간 결합력을 약하게 한 것으로 추정된다. 동일한 실트 함량 조건에서는 포화도가 증가함에 따라 부동 수분의 양이 다소 증가하지만, 부동 수분을 제외한 동결된 물의 양(즉, 얼음)이 보다 더 크게 증가하기 때문에 일축압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다.
- 시료의 실트 함량비가 10%와 30%의 경우에 대하여 포화도가 5%로부터 20%로 증가함에 따라 부동 수분의 함수비가 다소 증가하는 것으로 측정되었다. Fig. 6과 같이 실트 함량이 증가할수록 부동 수분의 양이 크게 증가하였으며, 포화도의 증가에 따라 부동 수분의 양이 다소 증가하였다. 이에 따라, 동일한 포화도에서 실트의 영향으로 부동 수분의 양이 증가하게 되고, 동결 전 포화도의 증가에 따라 절대적인 물의 양이 증가하므로 부동 수분의 양도 다소 증가하게 된 것으로 판단된다.
- (4) 동일한 포화도 조건에서 부동 수분량의 증가에 따라 일축압축강도가 다소 감소하였으며, 이는 부동 수분이 동결 시료의 입자간 결합력을 약하게 한 것으로 추정된다. 동일한 실트 함량 조건에서는 포화도가 증가함에 따라 부동 수분의 양이 다소 증가하지만, 부동 수분을 제외한 동결된 물의 양(즉, 얼음)이 보다 더 크게 증가하기 때문에 일축압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다.
- 포화도의 증가에 따라 일축압축강도는 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났고, 이는 강도 발현에 미치는 얼음의 영향이 급격하게 증가한 것으로 판단된다. 또한, 동결 시료의 실트 함량이 감소할수록 일축 압축강도는 증가하였으며, 이는 비교적 낮은 포화도의 동결 시료에서 얼음뿐만 아니라 구성 흙 입자간의 마찰력 등이 강도 발현에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 6에 나타내었다. 시료의 실트 함량비가 10%와 30%의 경우에 대하여 포화도가 5%로부터 20%로 증가함에 따라 부동 수분의 함수비가 다소 증가하는 것으로 측정되었다. Fig.
- 4와 같다. 실험 결과, 세 경우의 동결 강도의 크기가 모두 유사한 것으로 나타났으며, 이를 통해 24 시간의 동결 시간은 시료의 동결이 완료되기에 충분하다고 판단하였다. 이에 따라, 동결 과정 중 TDR측정이 수행되는 본 실험에 24 시간의 동결 시간을 선정하였다.
- 동일한 조건의 시료로 일축압축실험을 추가 수행한 경우, 전 경우의 일축압축강도와 유사하게 나타났다. 포화도의 증가에 따라 일축압축강도는 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났고, 이는 강도 발현에 미치는 얼음의 영향이 급격하게 증가한 것으로 판단된다. 또한, 동결 시료의 실트 함량이 감소할수록 일축 압축강도는 증가하였으며, 이는 비교적 낮은 포화도의 동결 시료에서 얼음뿐만 아니라 구성 흙 입자간의 마찰력 등이 강도 발현에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- (1980)과 유사하게 체적함수비와 유전상수간의 관계식으로 표현되었다. 함수비가 증가할수록 유전율이 증가하였으며, 도출된 함수비-유전율 관계식은 결정계수(R2)가 0.999 이상인 높은 상관관계를 나타냈다. 실제 상용화된 TDR의 경우 세 개의 전극이 모두 노출되어 있으나, 본 연구에서 제작된 TDR 프로브의 경우 나일론 재질의 동결 몰드에 접하도록 설치되어 있기에 함수비-유전율 관계식의 계수가 Topp et al.
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