본 연구에서는 지반보강용 시멘트-페이스트에 초음파를 조사하여 온도변화, 점도, 일축압축강도, 육안관측 시험을 통해 초음파가 시멘트-페이스트에 어떠한 물리적 특성을 변화시키는지에 대하여 고찰하였다. 실험에 사용된 w/c는 50~100%까지 다양하게 진행하였으며, 그라우트재의 온도변화는 ${\pm}2^{\circ}C$내에서 범위를 벗어나지 않도록 조절하여 실험을 진행하였다. 실험결과 온도변화는 초음파 조사시간에 비례하여 일정하게 증가하였고, 초음파를 조사한 지반보강용 시멘트-페이스트 점도는 최대 40%까지 감소하는 것으로 나타났다. 일축압축강도는 평균 30% 증가하였으며 육안관측시험에서도 초음파를 조사한 시멘트-페이스트의 단면이 공극이 많이 감소하는 양상을 보였다.
본 연구에서는 지반보강용 시멘트-페이스트에 초음파를 조사하여 온도변화, 점도, 일축압축강도, 육안관측 시험을 통해 초음파가 시멘트-페이스트에 어떠한 물리적 특성을 변화시키는지에 대하여 고찰하였다. 실험에 사용된 w/c는 50~100%까지 다양하게 진행하였으며, 그라우트재의 온도변화는 ${\pm}2^{\circ}C$내에서 범위를 벗어나지 않도록 조절하여 실험을 진행하였다. 실험결과 온도변화는 초음파 조사시간에 비례하여 일정하게 증가하였고, 초음파를 조사한 지반보강용 시멘트-페이스트 점도는 최대 40%까지 감소하는 것으로 나타났다. 일축압축강도는 평균 30% 증가하였으며 육안관측시험에서도 초음파를 조사한 시멘트-페이스트의 단면이 공극이 많이 감소하는 양상을 보였다.
In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre- defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this stud...
In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre- defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this study, we define the damage states and damage indices of a cut-and-cover box tunnel which is one of typical structures used in metro systems, under a seismic excitation from a series of inelastic frame analyses. Three damage states are defined in terms of the number of plastic hinges that develop within the structure. The damage index is defined as the ratio of the elastic moment to the yield moment. Through use of the proposed index, the inelastic behavior and failure mechanism of box tunnels can be simulated and predicted through elastic analysis. In addition, the damage indices are linked to free-field shear strains. Because the free-field shear strain can be easily calculated from a 1D site response analysis, the proposed method can be readily used in practice. Further studies are needed to determine the range of shear strains and associated uncertainties for various types of tunnels and site profiles. However, the inter-linked platform of damage state - damage index - shear wave velocity - shear strain provides a novel approach for estimating the inelastic response of tunnels, and can be widely used in practice for seismic designs.
In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre- defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this study, we define the damage states and damage indices of a cut-and-cover box tunnel which is one of typical structures used in metro systems, under a seismic excitation from a series of inelastic frame analyses. Three damage states are defined in terms of the number of plastic hinges that develop within the structure. The damage index is defined as the ratio of the elastic moment to the yield moment. Through use of the proposed index, the inelastic behavior and failure mechanism of box tunnels can be simulated and predicted through elastic analysis. In addition, the damage indices are linked to free-field shear strains. Because the free-field shear strain can be easily calculated from a 1D site response analysis, the proposed method can be readily used in practice. Further studies are needed to determine the range of shear strains and associated uncertainties for various types of tunnels and site profiles. However, the inter-linked platform of damage state - damage index - shear wave velocity - shear strain provides a novel approach for estimating the inelastic response of tunnels, and can be widely used in practice for seismic designs.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이처럼 여러 분야에서 입자에 물리적 에너지를 가하여 순수 물성치만을 변화시키는 연구가 국내에서 진행되고 있으며, 국외에서는 독일의 Roessler (2009)가 시멘트 페이스트에 초음파를 활용하여 초기강도를 증진시킨 사례를 보여주었다. 따라서, 본 논문에서는 초음파를 활용한 선행연구들을 기초하여 지반보강재로 널리 사용되고 있는 일반 포틀랜드 시멘트와 물의 혼합 재료에 초음파를 가하여 물성치 변화를 고찰하고, 그라우팅 재료로서 침투 및 보강재로서의 가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 지반보강용 주입재인 시멘트-페이스트에 초음파를 조사하여 물리적 성능을 검토하였다. 일반적으로 쓰이는 포틀랜드 시멘트를 활용하여 온도변화, 점도, 일축압축강도, 육안관측실험을 수행하였으며, 실험에 의해 얻어진 결론은 다음과 같다.
가설 설정
이는 초음파 조사에 따른 진동에너지로 인한 페이스트 내 클러스터의 깨짐 현상이 발생하고 균열된 입자들에 자유간 극수의 흡착에 따른 유동성 증가와 클러스트 크기 감소로 인한 전단저항 감소와 동시에 페이스트내의 점도가 감소하는 것으로 판단된다. 주입된 Einput 에 따라 최대 40%까지 점도가 감소되어 유동성 확보가 필요한 그라우팅 공법에 적용될 수 있을 것이다.
제안 방법
본 논문에서는 초음파를 하나의 에너지 개념으로 보고 그라우트에 영향을 주는 인자들 초음파 출력, 초음파 조사 시간, 시멘트-페이스트 부피 항으로 연관시켜 다음과 같은 식을 제안하였다.
이처럼 진동에 의한 단순 압력증가에 따른 동수경사 변화를 유도하여 침투깊이를 증가시키는 공법들에 대한 연구가 진행되고 있지만 그라우트재의 순수한 물성치들을 변화시켜 성능을 향상시키는 연구는 많이 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 시멘트-페이스트의 순수한 물성치들을 변화시켜 성능을 향상시킬 수 있는 초음파를 활용하여 연구를 진행하였다. 초음파의 조사로 인한 공동현상을 이용하여 용존 기체를 방출시키고, 압력변화를 유도하여 물성치를 순수하게 변화시키는 원리로 국내에서도 다양한 분야에서 연구를 진행중이다.
초음파를 가할 경우 온도가 증가하는데, 이에 대한 영향을 최대한 배제하기 위하여 초음파를 가하는 중인 그라 우트재의 온도를 최대한 일정(room temp.)할 수 있도록 제어하였다. 즉, 다음 Fig.
대상 데이터
따라서 다음 Fig. 5는 이 연구에서 사용된 기기의 전기적 출력(Watt)에 따른 처리조 내의 음파강도(Acoustic Pressure) 변화를 음압측정기(Ultraman-300 모델)를 사용하여 각 위치별(상, 중, 하) 9개소를 선정하여 총 27개소를 측정하였다. 측정결과, 신뢰도 90%를 만족함을 알 수 있었다.
초음파의 종류에는 단주파, 고주파, 메가소닉 등으로 이루어져 있다. 본 연구에서는 28 kHz 단주파를 사용하였으며, 단주파는 Cavitation을 기반으로 수백기압을 충격력을 가지고 있는 매우 강력한 정재파이다. 회절이 강하다는 특징이 있으며 일반 세척기 용도 등으로 쓰인다.
데이터처리
9는 초음파 처리에 따른 시료의 단면 변화를 고찰하였다. 공시체 단면은 최대 x200까지 확대할 수 있는 Dino-lite 현미경을 사용하여 단면의 변화를 비교하였다. 파괴된 그라우트 공시체의 단면을 육안으로 살펴보게 되면, 일반 양생보강재 단면에서는 주로 큰 공극(기포)들이 많았으나 초음파 처리 양생보강재 단면에서는 초음파의 cavitaion으로 인해 생성된 공기방울이 폭발하여 일반시료에서 쉽게 볼 수 있었던 공극들을 거의 볼 수 없었다.
이론/모형
8은 초음파 처리 전/후 시멘트-페이스트의 일축압축강도 변화를 고찰하기 위하여 실험한 결과이다. 실험은 KS F 2405F를 기준으로 일축압축강도를 측정하였으며, 양생 및 배합조건은 앞에서 제시한 실험조건과 같다. 공시체 성형의 경우 직경 대 길이비 1:2의 비율로 성형하였고 실험결과는 Fig.
점도실험은 Rheometer (Brookfield SST 모델)를 사용하여 초음파 조사에 따른 변화를 측정하였다. Fig.
성능/효과
4. 연구결과, 본 연구에서 사용된 실험 조건 내에서는 초음파 에너지 Einput 5~7에서 일축압축강도의 증가 및 점도가 최적치로 도출되었으며, 초음파 에너지를 활용하면 그라우팅의 침투성 부분이나 강도증진에 활용가치가 높을 것으로 판단된다.
일축압축강도 실험 후 그라우트 공시체 단면을 육안으로 관찰한 결과 일반 그라우트는 큰 공극들이 많았지만 초음파를 조사한 그라우트에서는 초음파 공동현상으로 인하여 기포들이 수축, 팽창 효과를 통해 큰 공극들은 보이지 않았다. 또한 공기방울을 정량화한 결과, 초음파 조사 후의 면적이 약 96% 감소하는 것을 볼 수 있었다.
7 같다. 일축압축강도는 Einput 5~7에서 비교적 높은 강도치가 나타난 것으로 보이며 초음파 조사에 의하여 크게 증가하는 양상을 보인다. 전체적으로 기준점(점선) 보다 초음파를 가한 그라우트가 평균적으로 20~30% 강도가 증가한 것으로 나타났다.
2. 일축압축강도는 초음파 처리 후의 공시체가 초음파 처리전의 공시체보다 평균 20~30% 증가를 보였다. 이는 초음파 에너지의 진동과 파괴력에 따른 시멘트 클러스터가 파괴되고 잘게 부수어진 입자와 자유간극수 간의 반응으로 인하여 초음파를 가하기 전보다는 광범위한 믹싱현상으로 공시체의 밀도가 높아져 강도를 증가시키는 것으로 판단된다.
일축압축강도는 Einput 5~7에서 비교적 높은 강도치가 나타난 것으로 보이며 초음파 조사에 의하여 크게 증가하는 양상을 보인다. 전체적으로 기준점(점선) 보다 초음파를 가한 그라우트가 평균적으로 20~30% 강도가 증가한 것으로 나타났다.
후속연구
5. 연구결과를 조금 더 정량화 시킨다면 터널의 암반, 지반보강 그라우팅 뿐만 아니라 터널 라이닝의 그라우팅이나 고준위방폐장 등에 초음파 그라우팅 재료를 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시공 중 그라우팅을 진행하는 이유는?
해저터널 시공 중 단층, 파쇄대 및 미고결층 등의 취약한 지반조건에서 일어나는 문제점(단층과 파쇄대 등은 주요한 해수의 통로가 될 수 있어, 막대한 수압과 용수로 지반의 안정성 크게 저하)을 극복하기 위해 시공 중 그라우팅을 진행한다. 암반에서 그라우팅은 주로 불연속면을 따라 주입되므로 절리의 분포, 거칠기 도는 폭과 같은 절리 인자들이 그라우팅 보강암반의 물성에 큰 영향을 미친다(Kim et al.
물유리계 약액의 장단점은?
이렇게 해수의 유입제어, 터널 시공중에 지반보강 목적을 충족하기 위해 다양한 그라우팅 재료가 사용되고 있는데, 그라우팅 재료는 크게 물유리계 약액과 시멘트계 약액으로 나눌 수 있다. 물유리계 약액의 경우 협소한 곳에 깊숙이 주입 할 수 있다는 장점이 있는 반면 지반강도를 증대 할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 단점으로 인해 일반적으로 시멘트계 약액은 비약액계 중에서 가장 대표적인 주입재로 활용된다(Sim, 2010; Allan and Philippacopoulos, 1999).
시멘트 그라우트 주입 문제를 해결하기 위한 대책은?
시멘트 그라우트 입경은 평균 15~22 µm이며, 주입재는 사질토나 암반균열 등과 같이 공극이 미세한 지반의 경우 침투성이 떨어져 그라우팅이 잘 이루어지지 않는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주입이 간편한 그라우팅 재료개발과 적정 주입압 관리기법의 개발 등 그라우팅 재료, 주입장치, 주입성능에 관한 연구가 지속적으로 이루어 지고 있다(Kutzner, 1996). 특히, 시멘트의 분쇄분급기술이 급속히 발전하여 높은 침투력을 발휘할 수 있는 입경의 주입재 제조가 가능하게 되었고, 이를 바탕으로 다양한 특성을 가진 그라우트재를 개발 중에 있다.
참고문헌 (15)
Allan, M.L., Philippacopoulos, A.J. (1999), "Properties and performance of cement-based grouts for geothermal heat pump application", U.S. Department of Energy, Washington D.C.
Date, K., Wakita, S., Yamamoto, T., NaKashima, Y., Hoshino, Y.,Aoki, K., Mito, Y. (2003), "Development of dynamic grouting technique for the ground improvement", Proc. of the ITA World Tunnelling Congress 2003: (RE) Claiming the Underground Space, Amsterdam, The Netherlands, pp. 929-936.
Karol, R.F. (1990), "Chemical grouting", 2nd Ed, New York and Basel, Marcel Ekker Inc, pp. 49-54.
Kim, D.H., Jung, D.H., Jeong, G.H. (2010), "Evaluation of engineering characteristics and field applicability of inorganic thixotropic-grout for backfilling of shield TBM tail voids", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 1, pp. 75-76.
Kim, J.W., Hong, E.S., Cho, G.C. (2016), "Assessment of elastic-wave propagation characteristics in grouting-improved rock mass around subsea tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 2, pp. 75-76.
Kutzner, C. (1996), "Grouting of rock and soil, Balkema", Rotterdam, pp. 9-27.
Lee, J.S., Lee, I.M., Chung, H.S., Lee, D.S. (2003), "Analysis of ground reinforcement effect using fracturing grouting", Tunnelling Technology, Vol. 5, No. 4, pp. 349-360.
Lee, M.S., Kim, J.S., Lee, S.D., Choi, Y.J., Yang, J.M., Lee, I.M. (2010), "Effect of vibratory injection on grout permeation characteristics", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 26, No. 7, pp. 37-47.
Lim, Y.J., Lee, K.H., Kim, H.K., Hong, C.S., Ahn, J.H. (2008), "Development of new micro-cement grouting materials for tunneling", Korean Geotechnical Society, pp. 1559-1570.
Mo, W.J., Han, J.S., Ahn, C.M., Yoon, S.Y., Seok, H.J., Kim, C.G. (2013), "Enhancement of dewaterability of sewage sludge by ultrasonification and electric field treatment", Journal of the KSEE, Vol. 35, No. 1, pp. 23-30.
Na, S.M., Kim, Y.U., Khim, J.H. (2007), "Physiochemical properties of digested sewage sludge with ultrasonic treatment", Ultrasonics sonochemistry, Vol. 7, pp. 281-285.
Park, B.G., Son, Y.G., Hwang, A.N., Kim, J.H. (2011), "Investigation for optimization of ultrasonic soil-washing process for remediation of diesel contaminated soil", Korean society of hazard mitigation, Vol. 11, No. 1, pp. 101-105.
Roessler, C. (2009), "Influence of power ultrasound on flow and flow solidification behavior of cement suspensions", Session of the 17th International Building Materials Conference Ibausil.
Seo, M.B., Kwon, S.H., Lee, B.J. (2015), "Improvement of grouting by short-period vibration energy", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 16, No. 7, pp. 35-42.
Sim, S.J. (2010), "Analyses of permeation effect in soil due to mixing properties of cement grout", A Master's Thesis, pp. 1-45.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.