본 연구는 육상 기원 조립질 하상 퇴적물의 높은 이동성에 영향을 미치는 전단과 파쇄특성을 조사하기 위하여 링전단실험을 수행하였다. 평균 입경 6 mm 자갈에 대하여 링전단시험장치를 사용하여 전단시간(shear time)과 전단속도(shear velocity)에 따른 전단-변형률 역학특성과 입자파쇄 특성을 조사하였다. 특히 배수(장시간 전단)와 비배수(단시간 전단)조건을 고려하기 위하여 초기 전단속도(0.01→0.1→1 mm/sec와 0.1→0.01→1 mm/sec)에 따른 링전단실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, (i) 배수와 비배수조건 모두에서 입자파쇄 특성이 확인되었지만, 비배수조건에서 상대적으로 큰 전단저항을 받는 것으로 나타났다. (ii) 배수조건에 관계없이 수중 자갈의 초기 전단속도는 전단응력-전단변형률 관계곡선을 결정하는 중요한 요인으로 나타났다. (iii) 입자파쇄는 평균 입경에 영향을 받으며 사용된 수중 자갈은 상대적으로 큰 입자파쇄 특성을 보였다. 그리고 (iv) 전단응력 결정에서 가장 크게 영향을 미치는 영향인자는 전단시간과 초기 전단속도임을 확인할 수 있었다. 결론적으로 모래와 자갈을 다량 함유한 조립질 하상 퇴적물은 입자-입자 간 상호접촉, 마모, 맞물림, 마찰 등의 물리적 이동과정을 통해 입자파쇄와 세립토 함량이 증가되고 이러한 현상은 하상 퇴적물의 고유동성을 초래하는 원인이 되는 것으로 판단된다.
본 연구는 육상 기원 조립질 하상 퇴적물의 높은 이동성에 영향을 미치는 전단과 파쇄특성을 조사하기 위하여 링전단실험을 수행하였다. 평균 입경 6 mm 자갈에 대하여 링전단시험장치를 사용하여 전단시간(shear time)과 전단속도(shear velocity)에 따른 전단-변형률 역학특성과 입자파쇄 특성을 조사하였다. 특히 배수(장시간 전단)와 비배수(단시간 전단)조건을 고려하기 위하여 초기 전단속도(0.01→0.1→1 mm/sec와 0.1→0.01→1 mm/sec)에 따른 링전단실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, (i) 배수와 비배수조건 모두에서 입자파쇄 특성이 확인되었지만, 비배수조건에서 상대적으로 큰 전단저항을 받는 것으로 나타났다. (ii) 배수조건에 관계없이 수중 자갈의 초기 전단속도는 전단응력-전단변형률 관계곡선을 결정하는 중요한 요인으로 나타났다. (iii) 입자파쇄는 평균 입경에 영향을 받으며 사용된 수중 자갈은 상대적으로 큰 입자파쇄 특성을 보였다. 그리고 (iv) 전단응력 결정에서 가장 크게 영향을 미치는 영향인자는 전단시간과 초기 전단속도임을 확인할 수 있었다. 결론적으로 모래와 자갈을 다량 함유한 조립질 하상 퇴적물은 입자-입자 간 상호접촉, 마모, 맞물림, 마찰 등의 물리적 이동과정을 통해 입자파쇄와 세립토 함량이 증가되고 이러한 현상은 하상 퇴적물의 고유동성을 초래하는 원인이 되는 것으로 판단된다.
The study examines the shearing and crushing characteristics of land-derived subaqueous granular materials in a gravel-bed river. A series of large-sized ring shear tests were performed to examine the effect of shear time and shear velocity on the shear stress characteristics of aquarium gravels wit...
The study examines the shearing and crushing characteristics of land-derived subaqueous granular materials in a gravel-bed river. A series of large-sized ring shear tests were performed to examine the effect of shear time and shear velocity on the shear stress characteristics of aquarium gravels with a 6-mm mean grain size. Three different shear velocities (i.e., 0.01, 0.1, and 1 mm/sec) were applied to measure the shear stress under the drained (long-term shearing) and undrained (short-term shearing) conditions. Different initial shear velocities, i.e., 0.01→0.1→1 mm/sec and 0.1→0.01→1 mm/sec, were considered in this study. The test results show that the grain crushing effect is significant regardless of drainage conditions. The shear stress of coarse-grained materials is influenced by initial shear velocities, regardless of the drainage conditions. In particular, particle breakage increases as grain size increases. The shearing time and initial shear velocity are the primary influencing factors determining the shear stress of gravels. The granular materials may be broken easily into particles through frictional resistance, such as abrasion, interlocking and fracture due to the particle-particle interaction, resulting in the high mobility of granular materials in a subaqueous environment.
The study examines the shearing and crushing characteristics of land-derived subaqueous granular materials in a gravel-bed river. A series of large-sized ring shear tests were performed to examine the effect of shear time and shear velocity on the shear stress characteristics of aquarium gravels with a 6-mm mean grain size. Three different shear velocities (i.e., 0.01, 0.1, and 1 mm/sec) were applied to measure the shear stress under the drained (long-term shearing) and undrained (short-term shearing) conditions. Different initial shear velocities, i.e., 0.01→0.1→1 mm/sec and 0.1→0.01→1 mm/sec, were considered in this study. The test results show that the grain crushing effect is significant regardless of drainage conditions. The shear stress of coarse-grained materials is influenced by initial shear velocities, regardless of the drainage conditions. In particular, particle breakage increases as grain size increases. The shearing time and initial shear velocity are the primary influencing factors determining the shear stress of gravels. The granular materials may be broken easily into particles through frictional resistance, such as abrasion, interlocking and fracture due to the particle-particle interaction, resulting in the high mobility of granular materials in a subaqueous environment.
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문제 정의
즉, 동해안에서 수행된 기존 연구들은 주로 퇴적물 입경분석을 통한 분포양상 분석을 통해 퇴적물 이동성을 해석하였으며, 그에 반해 육상 기원 조립토가 연안으로 이동할 때 발생하는 수중 자갈의 역학물성 및 파쇄특성을 제시한 연구는 매우 부족하다. 따라서 본 연구에서는 기존연구에서 다루지 않았던 전단영역에서 조립질 하상 퇴적물의 이동성에 영향을 미치는 물리·역학적 특성 분석을 실시하였다. 하상 퇴적물 이동특성 및 입경분포 변화에 대한 메커니즘 연구의 일환으로 한국지질자원연구원에서 개발된 대형 링전단시험장치를 사용하였다.
본 연구에서는 육상 기원 하상 퇴적물이 하상 경계면을 따라 이동하는 과정에서 발생하는 전단과 파쇄 특성에 관한 실험을 수행하였다. 퇴적물의 역학적 특성을 조사하기 위한 방법인 전단시험(shear tests) 에는일반적으로 하중의 재하방법(loading methods)에 따라 일축, 삼축, 직접, 링 타입의 전단시험장치가 사용된다.
(2013)에 의해 상세히 다루어진 바 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 시험 장치, 시료 준비과정과 실험방법에 대하여 간략하게 설명하고자 한다(Fig. 4). 시험장치는 시료 상자의 크기와 사용된 센서들의 측정범위에서 다소 차이가 있지만 그 구성요소는 대부분 비슷하다.
육상 기원 퇴적물의 유동확산성 (mobility and spreading)을 평가하기 위해서는 역학 특성과 유동특성에 대한 이해가 필요하다. 이에 본연구에서는 균일한 둥근모양 지름 <6mm 입자크기를 가진 상업용 자갈(gravels)을 사용하여 링 전단실험을 수행하고자 한다(Fig. 4d).
실험결과에 따르면, 전단속도에 따라 전단응력은 초기 전단속도에 영향을 받는 것으로 나타났다. 편의상 배수조건에서 전단 속도를 증가시킨 실험결과를 살펴보기로 한다. Fig.
제안 방법
(1) 상대적으로 균일한 입자를 가진 상업용 자갈에 대한 링전단실험을 수행하였다. 동일 수직응력 조건하에서 수직변위와 전단응력의 변화를 관측하였다.
(3) 상부링에 연결된 밸브를 개폐시켜 현장조건에 맞도록 배수(drained) 와 비배수(undrained)조건을 결정한다. (4) 시험 자가 희망하는 전단속도를 설정하고 하부링을 회전시켜 시료가 받는 전단응력(토크)을 측정한다. 본 연구에서는 일정한 크기의 자갈시료에 대하여 배수와 비 배수 조건을 고려하고 전단속도를 0.
링전단실험을 수행하였다. 동일 수직응력 조건하에서 수직변위와 전단응력의 변화를 관측하였다. 실험결과에 따르면, 실험조건에 따라 변형률 경화 거동(strain hardening behavior)과 변형률 연화거동 (strain softening behavior)을 보였다.
여기서 제한된 범위의 전단 속도를 사용한 이유는 자갈처럼 입자크기가 큰 재료가 상대적으로 빠른 회전속도에서 상부링과 하부 링이 상호 분리되어 누수가 발생하며 이로 인하여 정확한 전단응력 값을 측정할 수 없기 때문이다. 따라서 본 실험은 시료의 팽창으로 인한 누수 문제가 발생하지 않는 전단속도 0.01-1mm/sec 범위 내에서 수행하였다.
시료는 상단부, 전단부 및 하단부에서 각각 20mm 두께로 세 부분으로 나누어 채취하였다. 따라서 입경분포곡선은 총 4개이며, 실험 전(before), 실험 후 상단(top), 실험 후 중간(middle) 및 실험 후 하단(bottom)으로 구분하였다. 그림에서 보이듯, 배수조건에서 실험 전 (before)과 실험 후 상단(top)은 거의 동일한 결과를 가지는 경우가 존재한다(Figs.
링전단시험장치를 사용하여 균일한 입자크기를 가진 자갈(≤2-10mm)에 대한 배수조건 및 전단속도 조건에 따른 전단특성과 입자파쇄 특성을 조사하였다. 실험결과에 따르면 다음과 같은 결론을 얻었다.
다양한 해양 퇴적물을 모두 고려하기 어렵기 때문에 대표성을 가지는 재료로 굵은 입경을 가진 자갈을 선정하였다. 링전단실험을 통하여 전단응력에 의한 입자파쇄 특성을 확인하였고 이를 토대로 하상 퇴적물의 하상이동 관점에서 수중 자갈의 전단과 파쇄 현상에 대하여 토의하였다.
앞서 실험방법에서 설명된 것과 같이, 실험은 주어진 배수조건과 수직응력에서 전단응력-전단 시간 특성과 함께 초기 전단속도에 따른 전단응력 특성을 살펴보았다. 본 연구는 시료팽창으로 인한 누수 문제가 발생하지 않는 전단속도 0.01-1mm/sec 범위 내에서 실험을 수행하였다. 배수조건에 관계없이 최대 전단응력과 잔류 전단응력을 쉽게 측정할 수 있었다.
(4) 시험 자가 희망하는 전단속도를 설정하고 하부링을 회전시켜 시료가 받는 전단응력(토크)을 측정한다. 본 연구에서는 일정한 크기의 자갈시료에 대하여 배수와 비 배수 조건을 고려하고 전단속도를 0.01, 0.1, 1mm/sec 세 가지로 전단속도를 설정하였으며, 초기 전단속도(initial shear velocity)를 0.01→0.1→1mm/sec와 0.1→0.01→ 1mm/sec로 나누어 초기전단속도에 따른 전단 강도에 대한 실험을 수행하였다. 여기서 제한된 범위의 전단 속도를 사용한 이유는 자갈처럼 입자크기가 큰 재료가 상대적으로 빠른 회전속도에서 상부링과 하부 링이 상호 분리되어 누수가 발생하며 이로 인하여 정확한 전단응력 값을 측정할 수 없기 때문이다.
4a)는 시료를 담을 수 있는 시료상자(편의상 본문에서는 전단상자로 명명함)와 측정센서로 구성된다. 시험장치는 두 개의 로드셀(loadcell), 수압계, 변위계, 하중계 센서가 설치되어 시험 동안 컴퓨터 스크린을 통하여 시험결과와 문제점에 대한 즉각적인 대응이 가능하도록 설계되었다. 전단강도 측정은 상부링과 하부링이 결합된 전단상자 양 측면에 위치한 두 개의 로드셀을 통하여 상부링이 고정되고 하부링이 회전하여 토크를 측정하는 방식이다(Figs.
실험결과는 (1) 전단시간에 따른 전단응력, (2) 전단 속도에 따른 전단응력과 (3) 전단에 따른 파쇄 특성으로 구분하여 분석하였다.
6). 실험방법은 초기 전단속도를 0.01→0.1mm/sec로증가하는 방법과 0.1→0.01mm/sec로 감소하는 방법두 가지로 실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, 전단속도에 따라 전단응력은 초기 전단속도에 영향을 받는 것으로 나타났다.
전단응력은 전단시험장치의 전단상자 중간에 위치한 강제 전단면에서 측정되는 것으로 실험 후 전단 면을 통해 입자간 마찰특성과 파쇄특성 연구에 활용할 수 있다. 앞서 실험방법에서 설명된 것과 같이, 실험은 주어진 배수조건과 수직응력에서 전단응력-전단 시간 특성과 함께 초기 전단속도에 따른 전단응력 특성을 살펴보았다. 본 연구는 시료팽창으로 인한 누수 문제가 발생하지 않는 전단속도 0.
흥미로운 점은 전단시간과 전단 속도가 커질수록 사용된 시료의 파쇄성이 높다란 점이다. 입자의 파쇄성을 확인하기 위하여 사용된 자갈 시료에 대한 체분석(sieve analysis)을 수행하였다. Fig.
전단 속도에 따른 전단응력을 살펴보고자 함은 주어진 전단 속도에 따라 시료의 잔류상태(지반 대변형 조건)에 도달될 때 전단저항 값이 달라질 수 있기 때문이다. 초기 전단 속도에 따른 전단응력 특성을 살펴보고자 배수 조건과 초기 전단속도를 달리 설정하여 실험하였다(Fig. 6). 실험방법은 초기 전단속도를 0.
대상 데이터
하상 퇴적물 이동특성 및 입경분포 변화에 대한 메커니즘 연구의 일환으로 한국지질자원연구원에서 개발된 대형 링전단시험장치를 사용하였다. 다양한 해양 퇴적물을 모두 고려하기 어렵기 때문에 대표성을 가지는 재료로 굵은 입경을 가진 자갈을 선정하였다. 링전단실험을 통하여 전단응력에 의한 입자파쇄 특성을 확인하였고 이를 토대로 하상 퇴적물의 하상이동 관점에서 수중 자갈의 전단과 파쇄 현상에 대하여 토의하였다.
7a, b, c와 7d, e, f는 각각 배수와 비 배수 조건에서 초기 전단속도에 따른 실험결과이다. 시료는 상단부, 전단부 및 하단부에서 각각 20mm 두께로 세 부분으로 나누어 채취하였다. 따라서 입경분포곡선은 총 4개이며, 실험 전(before), 실험 후 상단(top), 실험 후 중간(middle) 및 실험 후 하단(bottom)으로 구분하였다.
4b)에 담는다. 시료의 무게는 4000g, 높이는 60mm로 한다. (2) 링 전단 상자 상부링에 연결된 유입구(drainage val.
4b and c). 시험기는 시료가 과거로부터 현재까지 받고 있는지 반의 현장조건을 모사하기 위하여 포화(saturation), 압밀(consolidation), 배수(drainage) 조건을 고려할 수 있으며 0.01-100mm/sec의 속도로 전단이 가능한 시험기이다. 전단회전 시 상부링과 하부링의 마찰 보정을 통해 인위적인 기계적 마찰을 최소화하고 누수방지를 위한 전단상자의 밀폐성이 보장되도록 고안되었다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 기존연구에서 다루지 않았던 전단영역에서 조립질 하상 퇴적물의 이동성에 영향을 미치는 물리·역학적 특성 분석을 실시하였다. 하상 퇴적물 이동특성 및 입경분포 변화에 대한 메커니즘 연구의 일환으로 한국지질자원연구원에서 개발된 대형 링전단시험장치를 사용하였다. 다양한 해양 퇴적물을 모두 고려하기 어렵기 때문에 대표성을 가지는 재료로 굵은 입경을 가진 자갈을 선정하였다.
성능/효과
(2) 세립토의 전단응력은 전단시간과 배수 조건에 의존하지만, 조립토의 전단응력은 초기 전단 속도에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 전단이 시작되는 단계부터 시료가 압축과 팽창과정을 거치면서 입경분포가 달리지는 것에 기인한다.
(3) 본 연구결과를 바탕으로, 육상과 마찬가지로 해양에서도 퇴적물의 이동성을 증가시키는 요인으로 세립토 함량의 증가를 고려해야 한다. 또한 세립토 함량 증가와 함께 수막현상 등 외적 요인으로 인한 퇴적물의 이동성 증가와 고위험성 인자들에 대한 추가적 연구가 필요하다.
5c and f). 결과적으로 구속력이 상대적으로 낮은 배수조건에서 거의 두 배에 달하는 팽창성을 가진다. 그림에서 보이듯, 배수조건에서 수직 응력은 주어진 전단 동안 48.
6b and d). 결론적으로 낮은 전단속도에는 변형률 경화거동이 우세하고, 높은 전단속도에서 변형률 연화거동(strain softening behavior)이 우세하다. 동일한 낮은 전단속도라 할지라도 비배수조건에서 훨씬 큰 전단저항이 관측되기 때문이다.
이와 같은 결과는 조립질 시료 내 임의배열된 입자와 입자가 전단되면서 서로 맞물림 (interlocking), 미끄러짐(sliding)과 파쇄(crushing)가 반복되어 나타나는 현상이다. 결론적으로 두 조건에서 입자파쇄가 나타나지만, 비배수조건에서 상대적으로 큰 전단저항을 받는 것으로 나타났다. 전단과 파쇄 특성은 토의에서 다루기로 한다.
한편, 조립토의 경우, 입자-입자 간 입자 맞물림, 입자재배열을 통한 슬라이딩 및 입자파쇄 현상이 연속적으로 발생하여 파쇄된 입자가 전단상자 하단부에 퇴적되기 때문에 전단면과 전단두께의 확인이 어렵다. 결론적으로 세립토의 경우 전단면을 따라 전단이 발생하여 일정 두께의 전단면 상부지반만 움직이는 특성을 가지지만, 조립토의 경우 전단 후 전단을 통하여 파쇄된 일부 세립토는 바닥에 점진적으로 적층되고 전단면 상부에 남은 조립토는 지속적인 파쇄가 진행되므로 입자의 파쇄성과 이동성이 세립질 지반에 비해 훨씬 더 커질 수 있다.
7에서 맨 오른쪽입경가적곡선은 실험 전에 얻어진 결과이고, 중간 (middle)과 왼쪽(bottom) 곡선은 전단실험 종료 후에 얻어진 결과이다. 결론적으로 입경가적곡선에서 오른쪽에서 왼쪽으로(before→top→middle→bottom) 갈수록 입자의 파쇄정도가 높아진다. 배수조건과 초기전단 속도에 관계없이 전단상자 중간 아래에서 큰 입자 알갱이들이 파쇄되고, 작은 입자 알갱이들은 시간 경과에 따라 점진적으로 시료상자 바닥면에 쌓이는 것으로 나타났다.
(2020) 은동해 북부 대륙붕에 넓게 분포하는 사질 퇴적물의 기원을 알아보기 위해, 강릉과 동해의 하천, 해안, 대륙붕, 그리고 대륙붕단에서 현장 시추코어를 획득하여 입경분석과 XRD 분석을 수행하였다. 그 결과, 강릉과 동해의 사질 퇴적물의 분포는 육상 지질의 영향을 받은 것으로 나타났다. 추가하여, 탄성파 자료와 현장 시추자료 해석을 통하여 큰 강이 존재하지 않는 동해 연안에 육상 기원의 사질 퇴적물이 분포하고 있음을 제시한 바 있다.
1mm/sec)에서는 변형률 연화 거동이 나타났다. 모든 조건에서 전단 동안 시료의 압축 후 팽창 현상이 관측되었으며, 전단 동안 조립 토에서 세립토로 변화하는 입자파쇄 특성을 관측할 수 있었다.
모래와 자갈을 다량 함유한 하상 퇴적물은 구르기(rolling)와 뛰기(jumping) 현상을 동반하며 이동과정에서 입자-입자간 충돌을 피할 수 없다. 본 연구의 입자파쇄 실험결과에 비추어 볼 때, 하상 퇴적물 입자들은 이동과정에서 접촉→마모→맞물림→파쇄 현상을 입자들이 완전 세립화 단계에 도달할 때까지 무한 반복할 것이라 판단할 수 있다. 하상 퇴적물의 이동은 중력이동과정(gravitational process) 으로 사면사태의 유동성과 유사한 점이 많다.
여기서 잔류전단강도는 무한회전이 진행되는 동안 시료 입자들 사이에 전단면이 형성될 때 발현되는 최소 전단저항(shearing resistance)에 해당된다. 실험 결과에 따르면, 배수조건에 관계없이 두 가지 조건 모두에서 최대값과 최소값이 뚜렷하게 관측된다. 다시 말해 자갈은 주어진 배수조건과 전단속도에 대하여 변형률 연화거동(strain softening behavior) 특성을 가진 것으로 나타났다(e.
동일 수직응력 조건하에서 수직변위와 전단응력의 변화를 관측하였다. 실험결과에 따르면, 실험조건에 따라 변형률 경화 거동(strain hardening behavior)과 변형률 연화거동 (strain softening behavior)을 보였다. 낮은 초기 전단 속도(0.
01mm/sec로 감소하는 방법두 가지로 실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, 전단속도에 따라 전단응력은 초기 전단속도에 영향을 받는 것으로 나타났다. 편의상 배수조건에서 전단 속도를 증가시킨 실험결과를 살펴보기로 한다.
이로 인하여 전단면을 통하여 발현되는 최소 전단 강도인 잔류전단강도를 측정할 수 있다. 점토와 실트로 구성된 세립토의 전단특성은 전단시간, 전단속도, 배수 조건에 영향을 크게 받지만, 모래와 자갈로 구성된 조립토의 전단특성은 초기 전단속도에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 초기 전단속도는 전단이 발생되는 전단면(shear surface, Fig.
후속연구
이러한 관점에서 본다면, 하상(river bed) 퇴적물이 외력으로 인한 전단을 경험하게 될 때 세립화 된 토사의 유동성이 커지는 것은 자연스러운 현상으로 판단된다. 따라서 하상 퇴적물은 오랜 시간 전단과 변형과정을 받아 다양한 형태의 퇴적물로 존재할 수 있으므로 퇴적환경을 고려한 전단 및 파쇄 특성 연구가 추가적으로 요구된다.
함량의 증가를 고려해야 한다. 또한 세립토 함량 증가와 함께 수막현상 등 외적 요인으로 인한 퇴적물의 이동성 증가와 고위험성 인자들에 대한 추가적 연구가 필요하다.
배수조건에 관계없이 최대 전단응력과 잔류 전단응력을 쉽게 측정할 수 있었다. 잔류상태(residual state)에서 얻을 수 있는 잔류전단 강도는 입자의 완전 재배열과 관련되므로, 상대적으로 큰 전단속도(>100mm/sec)와 장기간 전단시간(일- 개월 단위)에 따른 전단응력 특성연구가 필요하다. 후속연구에서는 전단응력 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 전단 동안 시료와 전단상자 사이에서 발생하는 미끄러짐(slipping), 수직응력(normal stress) 및 마찰저항(side friction) 보정문제 등을 해결해야 할 것이다(Sassa et al.
잔류상태(residual state)에서 얻을 수 있는 잔류전단 강도는 입자의 완전 재배열과 관련되므로, 상대적으로 큰 전단속도(>100mm/sec)와 장기간 전단시간(일- 개월 단위)에 따른 전단응력 특성연구가 필요하다. 후속연구에서는 전단응력 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 전단 동안 시료와 전단상자 사이에서 발생하는 미끄러짐(slipping), 수직응력(normal stress) 및 마찰저항(side friction) 보정문제 등을 해결해야 할 것이다(Sassa et al. 2004).
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