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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 변화추세를 확인하기 위해 시료를 일정한 비율로 혼합하여 실내 실험을 수행하였다. Bentonite는 엠에스 코퍼레이션사의 것을 사용하였으며, 인도네시아 산 Kaolinite, ㈜메덱스 사의 Illite를 사용하였다.
- 본 연구에서는 많은 문제점을 지적받고 있는 기존의 소성한계 측정법인 KS F 2304 (Thread Rolling, TH)실험을 개선하기 위해 FC실험의 낙하에너지 관계를 이용한 NFC실험을 제안하였다. 이를 국내 서해안 일대에서 채취한 시료와 Kaolinite, Illite, Bentonite를 일정 비율로 혼합한 시료를 사용하였고, NFC실험과 다양한 소성한계 실험을 비교하여 기존의 소성한계를 개선한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- Fig 3은 NFC 제어장치를 나타내고 있다. 관입량의 변위를 측정하기 위해 Linear Encoder를 사용하여 1/200 초 간격으로 변위를 측정할 수 있게 제작하였다. Linear Encoder에서 획득된 자료는 PC와 연결되어 실시간으로 모니터링 할 수 있으며 PC 프로그램 화면을 통해 제어할 수 있게 제작되었다.
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3.2 NFC 실험결과
실험자에 따른 오차가 큰 문제점을 해결하기 위해 새로운 소성한계 실험법인 NFC실험을 제안하였다. 재현성 및 실험의 신뢰성을 검증하기 위해 기존의 소성한계 측정방법인 KS F 2304(Thread Rolling, TH)과 동일한 실험자 5명을 대상으로 NFC실험을 실시하였다.
- 액· 소성한계 실험은 흙의 기본적인 거동에 대한 정보를 얻기에 유용하며, 실트와 점토를 분류하는 효과적인 방법을 제시하며, 재료 특성인 전단강도, 수축, 팽창과 같은 역학적 특성에 관한 정보를 제공한다.
- 위의 결과가 나타난 요인을 찾기 위해 Feng이 제안한 함수비-소성한계 관계의 기울기와 NFC의 함수비-소성 한계 기울기를 비교 검토하였고, 위 관계는 (3)과 같은 것으로 Fig 7을 통해 알 수 있다. 본 연구를 위해 제작된 NFC실험 기기는 관입 에너지의 100배의 관계를 적용하여 제작하였지만 낙하 시 시료와 콘 사이의 반발력에 의한 에너지의 손실이 발생하여 이론적인 관입량인 20mm 을 적용한 결과와 기존의 TH결과 값과 차이를 나타낸 것으로 사료된다.
- 본 논문에서는 Kaolinite, Illite, Bentonite를 각각 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합한 시료와 국내 서해안 일대의 시료를 사용하였다. 이론적 근거는 대다수의 연구자들이 제안한 액성한계와 소성한계의 100배 관계를 근거로 제안된 Tefra(2013), Saxena(2016) 이 제안한 새로운 낙하방식의 Fall-cone실험(New Fall-cone test, NFC)과 KS F 2304(Thread Rolling, TH), BS1377 Part 1; BSI, 1990)의 Fall-cone실험을 결과를 비교분석을 통해 정확성을 검토하였으며, NFC 시험기를 사용하여 다수의 실험이 아닌 한가지의 실험을 통해 소성한계를 측정할 수 있는 일점법을 제안하였다.
- 본 연구에서는 많은 문제점을 지적받고 있는 기존의 소성한계 측정법인 KS F 2304 (Thread Rolling, TH)실험을 개선하기 위해 FC실험의 낙하에너지 관계를 이용한 NFC실험을 제안하였다. 이를 국내 서해안 일대에서 채취한 시료와 Kaolinite, Illite, Bentonite를 일정 비율로 혼합한 시료를 사용하였고, NFC실험과 다양한 소성한계 실험을 비교하여 기존의 소성한계를 개선한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험자에 따른 오차가 큰 문제점을 해결하기 위해 새로운 소성한계 실험법인 NFC실험을 제안하였다. 재현성 및 실험의 신뢰성을 검증하기 위해 기존의 소성한계 측정방법인 KS F 2304(Thread Rolling, TH)과 동일한 실험자 5명을 대상으로 NFC실험을 실시하였다. 비교 결과 TH실험에 비해 NFC실험을 통해 얻은 소성한계의 표준편차는 최대 약 2%의 차이가 나는 것을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 다양한 변화추세를 확인하기 위해 시료를 일정한 비율로 혼합하여 실내 실험을 수행하였다. Bentonite는 엠에스 코퍼레이션사의 것을 사용하였으며, 인도네시아 산 Kaolinite, ㈜메덱스 사의 Illite를 사용하였다. 또한, 국내 서해안 일대의 임의의 7지역에서의 현장시료를 Thin Wall tube를 이용하여 채취하여 실험을 진행하였고, 비중실험과 체가름실험.
- Bentonite는 엠에스 코퍼레이션사의 것을 사용하였으며, 인도네시아 산 Kaolinite, ㈜메덱스 사의 Illite를 사용하였다. 또한, 국내 서해안 일대의 임의의 7지역에서의 현장시료를 Thin Wall tube를 이용하여 채취하여 실험을 진행하였고, 비중실험과 체가름실험. 비중계실험을 수행 하였으며, USCS방법으로 흙을 분류한 결과와 조사위치는 아래의 Fig 1, Table 1와 같다.
- 본 논문에서는 Kaolinite, Illite, Bentonite를 각각 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합한 시료와 국내 서해안 일대의 시료를 사용하였다. 이론적 근거는 대다수의 연구자들이 제안한 액성한계와 소성한계의 100배 관계를 근거로 제안된 Tefra(2013), Saxena(2016) 이 제안한 새로운 낙하방식의 Fall-cone실험(New Fall-cone test, NFC)과 KS F 2304(Thread Rolling, TH), BS1377 Part 1; BSI, 1990)의 Fall-cone실험을 결과를 비교분석을 통해 정확성을 검토하였으며, NFC 시험기를 사용하여 다수의 실험이 아닌 한가지의 실험을 통해 소성한계를 측정할 수 있는 일점법을 제안하였다.
- 실험 재료는 425µm 체가름 한 시료를 사용하며, Fall-cone 실험 혹은 콘 관입실험으로 액성한계 측정에 널리 사용되고 있다.
- 실험수행에는 500회 이상의 실험의 숙련도가 높은 실험자(E)와 현재 토목공학을 전공으로 하는 재학 중인 임의의 학생 4명(실험자 A, B, C, D)을 대상으로 하였다. 실험자 중 초심자는 실험자 A, 실험자 B, 실험자C 이며 실험자 D의 경우 실험자 E와 비교하여 다수의 경험은 아니지만 약 50실험경험이 있는 실험자를 대상으로 실험을 진행하였다.
- 실험수행에는 500회 이상의 실험의 숙련도가 높은 실험자(E)와 현재 토목공학을 전공으로 하는 재학 중인 임의의 학생 4명(실험자 A, B, C, D)을 대상으로 하였다. 실험자 중 초심자는 실험자 A, 실험자 B, 실험자C 이며 실험자 D의 경우 실험자 E와 비교하여 다수의 경험은 아니지만 약 50실험경험이 있는 실험자를 대상으로 실험을 진행하였다. 실험결과 각 각의 실험자들의 소성한계 측정값은 Table 3과 Fig 5와 같이 나타났다.
데이터처리
- 또한, 국내 서해안 일대의 임의의 7지역에서의 현장시료를 Thin Wall tube를 이용하여 채취하여 실험을 진행하였고, 비중실험과 체가름실험. 비중계실험을 수행 하였으며, USCS방법으로 흙을 분류한 결과와 조사위치는 아래의 Fig 1, Table 1와 같다.
- 정확한 소성한계 측정을 위해 제작한 NFC실험의 정확성 검증을 위해 기존에 소성한계 측정에 널리 사용하고 있는 TH를 기준으로 다양한 측정법의 결과를 비교하였고 이를 Fig 7 ∼ Fig 13에 나타내었다.
이론/모형
- Fig 2 는 NFC실험 장치의 도면으로 자유낙하 시 마찰을 최소 화시키기 위해 관입봉과 스탠드 사이에는 Ball bearing 을 넣어 에너지 손실을 최소화시켰다. 실험에 사용할 시료는 Feng(2000)이 제안한 방식을 사용하여 Fig 4와 같이 시료컵과 캡을 이용하였다. 이를 사용한 이유는 시료 제작 시 공극이 없이 시료를 제작하기 힘들기 때문에 시료컵 위에 10mm높이의 캡을 씌워 시료를 제작하고, 캡을 제거한 뒤 실톱으로 자르게 되면 시료컵 크기만큼의 시료를 제작하기 쉽기 때문이다[16].
성능/효과
- 1) 5명의 실험자를 통해 TH실험과 NFC실험의 재현성 검토를 실시한 결과 NFC실험이 0.235의 상관 계수를 갖는 TH실험에 비해 0.8845이며, 각 실험자의 소성한계 값의 표준편차는 TH실험에서 최대 10%차이를 보이는 반면 NFC실험의 표준편차는 최대 2%로 실험자의 숙련도와 판단에 영향을 받지 않는 보다 객관적인 실험방법으로 판단된다.
- 2) NFC실험을 TH과 비교하였을 때 전체시료의 경우 기울기 차이는 0.1925로 나타났으며, 85%이하 시료의 경우 기울기 차이는 0.1519를 나타내었다. TH실험을 FC실험의 Harison과 Feng이 제안한 실험법과 비교하였을 때 85%이하 시료에 대해서는 0.
- 3) 기존의 TH실험에 비해 많은 실험시간이 요구되는 것을 개선하기 위해 일점법을 제안하였으며, 이를 최소 12.24mm에서 최대 45.36mm의 관입량에 적용한 경우 최소 0.75에서 최대 1.3까지의 기울기 차이를 나타낸 반면, 15 ∼ 25mm의 관입량에 적용한 경우 최소 0.93에서 최대 1.08 만큼의 기울기 차이를 보였다. 따라서 15 ∼ 25mm의 관입량의 시료에 적용한다면 보다 간편하고 정확한 실험을 통한 소성한계 결과값을 얻을 것으로 사료된다.
- 1519의기울기 차이를 갖는 것으로 나타났다. FC 시험기를 사용하여 소성한계 측정을 제안한 Harison과 Feng의 소성한 계와 TH의 소성한계 비교 결과 전체시료의 소성한계를 갖는 시료의 기울기는 각각 0.5167과 0.3529로 큰 차이를 보이고 소성한계 값이 85%이하인 시료의 기울기는 Harison 방법은 0.1666, Feng 방법은 0.0384의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 전체 시료에 대해 비교 분석한 결과 기존의 소성한계실험법인 TH와 유사한 결과를 나타내는 것은 0.
- Table 9는 TH비교하였을 때 각 측정법에 대한 유사성 기울기 차이를 나타낸 표이다. NFC과 TH의 소성한계를 비교한 결과 전체시료의 경우 0.1925의 기울기 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 소성한계 값이 85%이하인 시료의 경우 0.1519의기울기 차이를 갖는 것으로 나타났다. FC 시험기를 사용하여 소성한계 측정을 제안한 Harison과 Feng의 소성한 계와 TH의 소성한계 비교 결과 전체시료의 소성한계를 갖는 시료의 기울기는 각각 0.
- 기존의 NFC 실험과 비교하였을 때, 관입량 15 ∼ 25mm의 값에 적용할 경우 최소 0.93에서 최대 1.08만큼의 기울기 차이를 보이는 것으로 나타났다.
- 97%와 비교하였을 때에는 최대 약 17%의 차이를 나타냈다. 따라서, TH실험은 실험자의 주관적인 판단에 큰 영향을 받으며 실험자의 숙련도에 따라 실험결과 값의 차이를 나타내는 것을알 수 있다.
- 따라서, 본 제안된 일점법을 사용하여 보다 정확한 소성한계 값을 얻기 위해서는 관입량 15 ∼ 25mm의 실험결과에 적용하는 것이 효과적인 것으로 사료된다.
- 0384으로 나타났다. 따라서, 전체 시료에 대해서는 NFC실험의 소성한계 결과가 정확하지만, 소성한계 85%이하의 시료에 대해서는 Feng이 제안한 실험의 소성한계 값이 정확한 것으로 나타났다. 또한, FC실험과 NFC실험의 Kaolinite에 대해 기울기를 비교한 결과 0.
- 반면에 최소 12.24mm에서 최대 45.36mm의 관입량에 제안된 일점법을 적용한 경우 최소 0.75에서 최대 1.3까지의 기울기 차이를 보이는 것으로 나타났다.
- 2m의 높이에서 준비된 시료 컵의 정중앙에 자유 낙하시키는 것은 실용적이지 않다. 반면에 콘의 무게와 낙하거리를 동시에 증가시키게 되는 경우 안전성을 높힘과 동시에 정확성을 증대시킬 수 있어 효율적인 방법이므로 이는 727g의 질량의 콘을 200mm 의 높이에서 낙하시켰을 때 20mm의 관입량이 소성한계라는 결론을 얻었다. 이 관계는 아래와 같이 액성한계와 소성한계의 에너지를 계산하여 얻을 수 있다[14], [15].
- 위의 결과가 나타난 요인을 찾기 위해 Feng이 제안한 함수비-소성한계 관계의 기울기와 NFC의 함수비-소성 한계 기울기를 비교 검토하였고, 위 관계는 (3)과 같은 것으로 Fig 7을 통해 알 수 있다. 본 연구를 위해 제작된 NFC실험 기기는 관입 에너지의 100배의 관계를 적용하여 제작하였지만 낙하 시 시료와 콘 사이의 반발력에 의한 에너지의 손실이 발생하여 이론적인 관입량인 20mm 을 적용한 결과와 기존의 TH결과 값과 차이를 나타낸 것으로 사료된다. 위와 같은 추가적인 연구가 필요한 이유는 아래와 같다.
- 재현성 및 실험의 신뢰성을 검증하기 위해 기존의 소성한계 측정방법인 KS F 2304(Thread Rolling, TH)과 동일한 실험자 5명을 대상으로 NFC실험을 실시하였다. 비교 결과 TH실험에 비해 NFC실험을 통해 얻은 소성한계의 표준편차는 최대 약 2%의 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 Table 4에 나타내었고, Fig 6에 각 실험자들의 NFC실험 결과를 나타내었다.
- 실험결과 각 각의 실험자들의 소성한계 측정값은 Table 3과 Fig 5와 같이 나타났다. 전체 실험자들의 평균값은 47.64%로 최대 약 10%정도의 오차를 보이며, 각 실험자들의 결과의 상관계수는 0.235로재현성이 크게 떨어져 정확한 소성한계 측정에 어려움을 가지고 있다. 숙련자의 결과인 40.
- 첫 번째 제안된 방법인 콘의 무게를 8kg으로 증가시키는 것은 실험의 안정성 문제가 발생한다. 두 번째 제안된 방법으로 낙하 거리를 증가시키기 위해서는 2m의 낙하 거리가 필요하다.
- 1925의 기울기 차이를 보이는 NFC실험 방법이다. 하지만 85%이하의 소성한계를 갖는 시료에 대해 비교한 결과 FC실험을 이용한 Feng의 소성한계 측정법이 0.0384의 기울기 차이를 보여 가장 유사한 측정 방법임을 알 수 있었다.
후속연구
- 4) 제안된 NFC실험은 기존의 TH실험을 완전히 대체할 수는 없지만 대략적인 소성한계의 범위를 알기 위한 용도로 사용한다면 보다 쉽고 정확하게 소성 한계 결과값을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 08 만큼의 기울기 차이를 보였다. 따라서 15 ∼ 25mm의 관입량의 시료에 적용한다면 보다 간편하고 정확한 실험을 통한 소성한계 결과값을 얻을 것으로 사료된다.
- 8629\) 로 이것은 Kaolinite에서의 액성한계와 소성한계의 비배수 전단강도의 비를 나타낸다. 따라서 Kaolinite시료의 경우 비배수전단강도의 차이는 86.29배를 나타내고 이외의 시료 또한 동일한 관계를 나타내기 때문에 85%이하의 시료에 대해서는 Feng의 방법이 TH와 유사한 결과를 나타낸 것으로 사료되며, 앞선 문제를 추가적인 연구를 통해 검증한다면 이 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
- 현재 국내에서는 많은 문제점을 지적받고 있는 KS F 2304만이 소성한계 측정법으로 규정화 되어있으며, 정확한 소성한계 측정의 대안으로 제안되는 Fall-cone실험 법에 대한 규정은 해외 다수의 국가와는 다르게 KS규정 으로 등록되어 있지 않으며 이에 따른 연구 자료 없다. 때문에 새로운 실험법을 이용하여 정확한 소성한계 측정을 한다면 흙의 분류를 보다 정확히 할 수 있어 다양한 역학적 특성들에 대해 확립할 수 있으며, 국내 지반공학의 발전에 기여할 것으로 생각된다.
- 따라서, 전체 시료에 대해서는 NFC실험의 소성한계 결과가 정확하지만, 소성한계 85%이하의 시료에 대해서는 Feng이 제안한 실험의 소성한계 값이 정확한 것으로 나타났다. 또한, FC실험과 NFC실험의 Kaolinite에 대해 기울기를 비교한 결과 0.8629로 비배수 전단강도의 비로 NFC의 보다 높은 정확성을 위해서는 반발력에 에너지 손실과 같은 요인을 고려하여 추가적인 연구를 수행한다면 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
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