[논문]토목섬유-정규압밀점토의 접촉면 동적 전단거동 평가

배효곤; 장동인; 곽창원; 박인준

doi:10.14481/jkges.2018.19.12.33

토목섬유-정규압밀점토의 접촉면 동적 전단거동 평가
Dynamic Shear Behaviors on the Normally Consolidation Clay-Geosynthetic Interface 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.19 no.12, 2018년, pp.33 - 39

배효곤 (Civil Engineering, Hanseo University) , 장동인 (Department of Construction Engineering, Hanseo University) , 곽창원 (Korea District Heating Engineering Co., Ltd.) , 박인준 (Airport Civil Engineering, Hanseo University)

초록
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본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면 압밀 전단거동 평가를 위하여 상재하중 및 해수와 담수를 이용해 토목섬유-점토의 경계면에 대한 중요 특성인자를 규명하였다. 또한 폐기물 매립으로 바다에 매립공간을 확보하고 폐기물 처리 및 향후 토지이용 등 새롭게 필요 공간으로 변모가 가능하다. 토목섬유-점토의 접촉면에 거동특성을 분석한 결과 표준 압밀시험기를 이용하여 분석한 경우 해수보다 담수에서 압밀응력이 크게 증가하는 경향을 보였고, 동적 접촉면 전단 시험기를 이용하여 분석한 경우 해수와 담수 두 개의 조건에서 모두 동일하게 하부모듈에 가까운 와이어게이지일수록 변위값이 증가하고, 담수보다 해수의 조건에서 전단파괴가 급격히 일어나는 경향을 볼 수 있다. 따라서 토목섬유-점토의 접촉면에 작용하는 해수와 담수, 차수시설 설치여부(토목섬유)는 차수 시설 동적설계인자에 반드시 필요한 중요 변수로써 고려하여야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, important characteristics were identified for the Geosynthetic-soil interface using overburden pressure and saltwater and fresh water to evaluate silt shear behavior of the Geosynthetic-soil interface. In addition, waste landfill can secure spaces for waste disposal in the sea and this spaces can be used for additional facilities which will be necessary in the future. Analysis of behavior characteristics on interface of Geosynthetic-soil shows that, if analyzed using standard consolidometers, the consolidation stress of fresh water increased significantly more than saltwater. When analyzed using cyclic shear apparatus, saltwater and freshwater in both conditions, the displacement value increases as the wire gauges become closer to the lower module, and the shear fracture tends to occur radically under saltwater conditions than fresh water. Therefore, seawater, fresh water that act on the interface of geosynthetic-soil, and installation of facility using geosynthetic should be considered as important parameters that are essential for the dynamic design factor of the water controlling facility.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Geocomposite (Kwak et al., 2013)
표 Table 1. Physical test result
표 Table 2. Geocomposite properties (Kwak et al., 2013)
그림 Fig. 2. Graphical form of disturbance function (Park et al., 2000)
그림 Fig. 3. Test equipment
표 Table 3. Standard consolidation tester specification
표 Table 4. Dynamic interface surface shear tester specification
그림 Fig. 4. Order of experiment
그림 Fig. 5. Shear stress - shear strain (sea water samples)
표 Table 5. Exam conditions
그림 Fig. 6. Shear stress - shear strain (fresh water samples)
그림 Fig. 7. Disturbance function(D)/deviatoric plastic strain trajectory (𝜉_D): sea water and fresh water with/without geosynthetic
표 Table 6. The maximum shear stress value with and without geo-synthetics (sea water samples)
표 Table 7. The maximum shear stress value with and without geo-synthetics (fresh water samples)
표 Table 8. A, Z parameter analysis
그림 Fig. 8. A and Z parameters: sea water and fresh water with/without geosynthetic

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면에서 발생하는 동적 전단거동을 표준 압밀시험기를 이용하여 단계재하에 따라 해수와 담수 2가지 조건에서 시험하여 토목섬유-점토의 접촉면에 대한 설계 및 안정성 평가에 활용하고자 한다.

제안 방법

(1) 점토지반과 유사한 지반 조성을 위해 카올리나이트를이용하여 점토지반을 모사하였고 환경적인 인자를 고려하기 위하여 해수와 담수를 사용하여 토목섬유 설치 여부에 따른 전단파괴 형상에 대해 분석하였다. 표준 압밀시험기를 이용하여 압밀시험을 수행한 결과 담수보다 해수의 경우 최종 압밀량이 12% 더 크게 나타났다.
(3) 본 연구에서 토목섬유 여부, 환경적 인자에 대해 토목 섬유-점토 표준 압밀시험 및 동적 전단거동 특성을 검토하였다. 추후 토목섬유-점토 접촉면 설계 시 안정성검토를 위해 다양한 시험인자를 활용하여 접촉면 동적 설계정수를 산출하는 데 있어서 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면 동적 전단 거동특성을 분석하기 위해 실내시험을 수행하였고, 시험데이터를 사용하여 교란도함수(D)값과 전단 소성 변형률 상각궤도(Deviatoric Plastic Strain Trajectory, ξ_D)값을 산정하고,이를 토대로 토목섬유-점토 접촉면의 파괴형상을 표현할 수 있다.
본 연구의 압밀시험에 사용된 표준 압밀시험기의 제원은 링의 크기는 Φ100, 하중장치는 Single Level Weight Hanger System을 이용했다. 접촉면 전단파괴의 거동특성을 분석하기 위해서 동적 접촉면 전단시험기를 이용하였다. 이는 동적하중에 의한 재료의 강도저하 평가가 가능한 시험기로써 연직하중(normal force) 재하기구와 전단하중(shear force) 재하기구를 분리해서 상부 모듈에서는 연직하중만, 하부모듈에서는 전단하중만 재하 할 수 있어 모멘트 발생을 억제하여 시험기의 신뢰성을 향상시켰다.

대상 데이터

본 시험에 사용한 토목섬유는 Geocomposite로써 하부 보호용 Filter Mat와 차수 시트를 사전 접착하여 수면 이하에서 Filter Mat가 파랑 등 기타 조건에서의 유동 및 부유를 방지하여 차수 시트가 사석에 의한 손상을 예방하며, 지반 밀착력을 높게 하여 설치할 수 있는 토목섬유이다. Fig.
본 연구에 사용된 시료는 카올리나이트를 사용했다. 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같이 비중이 2.
시료는 해수와 담수에 각각 한 달 동안 수침시켰다. 본 연구의 압밀시험에 사용된 표준 압밀시험기의 제원은 링의 크기는 Φ100, 하중장치는 Single Level Weight Hanger System을 이용했다. 접촉면 전단파괴의 거동특성을 분석하기 위해서 동적 접촉면 전단시험기를 이용하였다.

데이터처리

토목섬유 설치여부 및 환경적 인자(해수 및 담수) 조건별 교란도함수D-상각궤도ξ_D그래프를 분석하였다. 모든 조건에서 토목섬유 접촉면 설치된 조건보다 설치 안 된 조건이 더 빠른 파괴가 일어난다.

성능/효과

(2) 토목섬유 유무 및 환경적 인자 간의 교란도함수 D값을 비교한 결과 모든 조건에서 토목섬유가 없는 경우가 있는 경우보다 더 빠른 파괴경향을 보인다. 담수조건보다 해수조건에서 더 빠른 파괴형상을 나타냈고, 해수(토목 섬유無), 해수(토목섬유有), 담수(토목섬유無), 담수(토목 섬유有) 순으로 초기에 교란도가 급격히 증가하며 재하초기에 파괴되는 경향을 보인다.
Fig. 5 및 Table 6을 이용해서 동적전단응력 저감율(shear stress degradation ratio)을 산정한 결과 토목섬유 접촉면을 설치한 시료의 경우는 23.7% 저감율을 보였고, 토목섬유 접촉면을 설치하지 않은 시료는 27.1% 저감율을 보였다. 이를 통해서 해수로 압밀된 점토지반에 동적 전단응력이 가해지면 토목섬유 차수시설이 있는 경우가 없는 경우 보다 동적 전단거동특성이 우수함을 알 수 있었다.
Fig. 6 및 Table 7을 이용해서 동적전단응력 저감율(shear stress degradation ratio)을 산정한 결과 토목섬유 접촉면을 설치한 시료의 경우는 20.9% 저감율을 보였고, 토목섬유 접촉면을 설치하지 않은 시료는 22.1% 저감율을 보였다. 이를 통해서 담수로 압밀된 점토지반에 동적 전단응력이 가해지면 토목섬유 접촉면(차수시설)이 있는 경우가 없는 경우보다 동적 전단거동특성이 우수함을 알 수 있었다.
토목섬유의 설치여부에 따라서 설치한 경우가 설치하지 않은 경우보다 전단파괴 감소폭이 적게 나타났다. 결과적으로 해수 조건에서 담수조건보다 압밀량이 크게 나타나고, 점토의 전단변형 또한 해수조건에서 더 크게 나타났다. 반면, 토목섬유 설치로 인해 공통적으로 전단저항이 증가하는 것을 알 수 있다.
(2) 토목섬유 유무 및 환경적 인자 간의 교란도함수 D값을 비교한 결과 모든 조건에서 토목섬유가 없는 경우가 있는 경우보다 더 빠른 파괴경향을 보인다. 담수조건보다 해수조건에서 더 빠른 파괴형상을 나타냈고, 해수(토목 섬유無), 해수(토목섬유有), 담수(토목섬유無), 담수(토목 섬유有) 순으로 초기에 교란도가 급격히 증가하며 재하초기에 파괴되는 경향을 보인다. 이를 종합하면, 담수보다 해수에서 전단파괴가 급격히 일어나며, 해수 조건에서 토목섬유 설치를 한 시료보다 설치를 안 한 시료가 전단파괴가 빠르게 발생하는 것을 확인하였다.
시험결과를 종합해보면 해수가 담수보다 토목섬유 접촉면에서 전단파괴가 상대적으로 빠르게 일어나는 것을 알 수 있고, 해수와 담수에서 모두 토목섬유를 설치한 것보다 설치하지 않은 상태가 상대적으로 빠르게 파괴가 일어남을 알 수 있다. 해수의 화학적 성분은 염소와 나트륨 및 마그네슘,유황, 칼슘, 칼륨, 브롬 등 약 80여 종류의 화학적 성분이 포함된다.
담수의 경우 해수보다 파괴가 더딘 반면 토목섬유 유무에 따라 초기파괴형상의 차이가 급격히 나타나는 형상을 보인다. 실험결과 담수에서 압밀이 진행된 점토에 토목섬유 접촉면이 있을경우에 상대적으로 우수한 동적 전단강도특성을 보였다.
담수조건보다 해수조건에서 더 빠른 파괴형상을 나타냈고, 해수(토목 섬유無), 해수(토목섬유有), 담수(토목섬유無), 담수(토목 섬유有) 순으로 초기에 교란도가 급격히 증가하며 재하초기에 파괴되는 경향을 보인다. 이를 종합하면, 담수보다 해수에서 전단파괴가 급격히 일어나며, 해수 조건에서 토목섬유 설치를 한 시료보다 설치를 안 한 시료가 전단파괴가 빠르게 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 토목섬유 설치유무에 따라 환경적 인자를 포함하고 해수의 화학적 성분으로 인해 전단강도 저감에 기여하기 때문인것으로 판단되며, 침출수 유출을 막고 토목섬유-점토의 동적 전단거동에 많은 영향을 미친다고 판단된다.
1% 저감율을 보였다. 이를 통해서 담수로 압밀된 점토지반에 동적 전단응력이 가해지면 토목섬유 접촉면(차수시설)이 있는 경우가 없는 경우보다 동적 전단거동특성이 우수함을 알 수 있었다. 이는 토목섬유 접촉면이 있는 경우가 동적전단 강도가 우수하다고 정의할 수 있다.
표준 압밀시험기를 이용하여 압밀시험을 수행한 결과 담수보다 해수의 경우 최종 압밀량이 12% 더 크게 나타났다. 이후 표준 압밀시험기의 시료를 동적 접촉면 전단 시험기에 거치하여 동적 전단시험을 수행한 결과 해수시험보다 담수시험의 경우가 동적 전단응력이 더 크게 나타났다. 해수는 토목섬유 설치 시 0.
(1) 점토지반과 유사한 지반 조성을 위해 카올리나이트를이용하여 점토지반을 모사하였고 환경적인 인자를 고려하기 위하여 해수와 담수를 사용하여 토목섬유 설치 여부에 따른 전단파괴 형상에 대해 분석하였다. 표준 압밀시험기를 이용하여 압밀시험을 수행한 결과 담수보다 해수의 경우 최종 압밀량이 12% 더 크게 나타났다. 이후 표준 압밀시험기의 시료를 동적 접촉면 전단 시험기에 거치하여 동적 전단시험을 수행한 결과 해수시험보다 담수시험의 경우가 동적 전단응력이 더 크게 나타났다.

후속연구

(3) 본 연구에서 토목섬유 여부, 환경적 인자에 대해 토목 섬유-점토 표준 압밀시험 및 동적 전단거동 특성을 검토하였다. 추후 토목섬유-점토 접촉면 설계 시 안정성검토를 위해 다양한 시험인자를 활용하여 접촉면 동적 설계정수를 산출하는 데 있어서 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Geocomposite란?	본 시험에 사용한 토목섬유는 Geocomposite로써 하부 보호용 Filter Mat와 차수 시트를 사전 접착하여 수면 이하에서 Filter Mat가 파랑 등 기타 조건에서의 유동 및 부유를 방지하여 차수 시트가 사석에 의한 손상을 예방하며, 지반 밀착력을 높게 하여 설치할 수 있는 토목섬유이다. Fig.
	침출수 유출 방지 방법은?	이처럼 산간지역이나 해안지역에 건설되는 폐기물 매립장에서 발생되는 오염된 침출수로 인해 지반 및 지하수가 오염될 수 있기 때문에 매립장 건설 시 지반과 매립장 사이에 차수시설을 설치하여 침출수 유출을 방지해야 한다. 이때 토목섬유로 이루어진 차수시설과 점토 사이에 접촉면(interface)이 형성된다.
	카올리나이트의 분류는?	본 연구에 사용된 시료는 카올리나이트를 사용했다. 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같이 비중이 2.53, 함수비 40%로써 통일분류법상 CL로 분류된다. 시료는 해수와 담수에 각각 한 달 동안 수침시켰다.

참고문헌 (4)

Alanazy, A. S. (1996), Testing and modeling of sand-steel interfaces under static and cyclic loading, Ph.D Dissertation, Dept. of Civil Engrg. and Engrg. Mech., Univ. of Arizona, Tucson, Arizona.
Armaleh, S. H. and Desai, C. S. (1990), Modeling include testing of cohesionless soils under disturbed state concept, Report to the NSF, Dept. of Civil Engrg. and Engrg. Mech., Univ. of Arizona, Tuscon, Arizona.
Kwak, C. W., Park, I. J. and Park, J. B. (2013), "Microscopic Observation on the Chemical and Cyclic-Degradation of Geosythethic-Soil Interface", In Press, Materials Research Innovations.
Park, I. J., Yoo, J. H. and Kim, S. I. (2000), Disturbed state modeling for dynamic analysis of soil-structure interface, Jouranl of KGS, Vol. 16, No. 3, pp. 5-13.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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