[논문]직접단순전단시험을 통한 세립토의 강도와 강성저하 예측

송병웅; 안원일재; 김정호; 최인걸; 양태선

문제 정의

1982; Yasuhara and Hyde, 1997). 본 연구에서는 기존의 방법을 수정하여 직접단순전단시험법을 이용한 과잉간극수압의 크기에 따른 지반의 강도와 강성 예측방법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 정규압밀된 재성형 시료를 이용하여 반복하중에 의한 과잉간극수압의 증가에 따른 세립토의 강도 및 강성저하 특성을 직접단순전단시험기를 이용하여 조사하여 보았다. 실험에 이용한 시료는 소성이 있는 점토질 실트, 실트질 점토 및 비소성실트이었으며, 소성지수와의 연관성을 중심으로 알아 보았다.

가설 설정

본 연구에서는 점 C의 정규압밀 상태에 있는 흙에 대하여 일정 체적상태에서 반복하중을 가하면 점 B로 이동하는 경우를 고려한다. 다시 말하면, 정규압밀 상태의 세립토에 대하여 반복응력에 의한 구속압력(점 C - 점 B)과 정규압밀상태에서 정적 구속응력의 저하에 의 한과 압밀 상태(점 A - 점 B)는 같다는 기본 가정 하에서 반복응력에 의한 강도와 강성저하를 예측하는 방법을 찾아보고자 한다.

제안 방법

그래서 Mayne(1980)이 여러 종류의 세립토에 대하여 조사.정리한 압축지수와 팽윤지수 값들 중 아라카와 실트와 액성한계, 소성지수, 내부마찰각 등 특성이 비슷한 세립토와 비교하여 패러미터 A。를 구하였으나, 아라카와 실트에 대한 패러미터 C는 구할 수 없어서 본 연구에서는 아라카와 실트의 실험 결과를 토대로 예측식에 어울리는 패러미터 C를 역으로 추정하였다.
1982; Yasuhara, 1997). 본 연구는 기존에 알려진 반복삼축시험을통한 흙의 강도와 강성 저하 예측법을 수정하여 직접단순전단시험에 적용하였다. 그림 1은 설계 시 필요한 변수들을 구하기 위한 방법으로서 직접단순전단시험을 이용하여 반복하중을 가한 후 흙의 강도와 강성을 예측하기위한 과정을 나타내고 있다.
02 ~ 1 Hz 범위에서 소성이 있는 세립토의 경우 헤르츠(Hz)가 크면 세립토의 강도나 강성이 과대평가되는 경향이 있으므로 작을수록 좋다고 하였다. 본 연구에서는 시험 수행 속도를 감안하여 0.1Hz로 선정하였다. 그리고 전단변형률은 ±10%까지 측정하였다 (Song, 2003; Song 등, 2003; 송병웅 등 2004a; 송병웅 등 2004b).
그림 2는 간극비와 압밀응력과의 관계에서 정규압밀 상태에 있는 점 A에 작용하고 있는 응력을 점 B로 감소시키면 세립토는 과압밀 상태로 있게 된다. 본 연구에서는 점 C의 정규압밀 상태에 있는 흙에 대하여 일정 체적상태에서 반복하중을 가하면 점 B로 이동하는 경우를 고려한다. 다시 말하면, 정규압밀 상태의 세립토에 대하여 반복응력에 의한 구속압력(점 C - 점 B)과 정규압밀상태에서 정적 구속응력의 저하에 의 한과 압밀 상태(점 A - 점 B)는 같다는 기본 가정 하에서 반복응력에 의한 강도와 강성저하를 예측하는 방법을 찾아보고자 한다.
본 연구에 이용한 시험장치는 일본 이바라키(茨城) 대학에 있는 NGI형 직접 단순 전단 시험 장치를 사용하였다. 실험은 직경 7 cm, 높이 3 cm의 원형공시체를 Ko압밀조건하에서 압밀시킨 후, 정체적조건에서 연직응력을 조절해서 전단시험을 행하였다. 과잉간극수압은 반복전단응력을 가한 전후의 연직유효응력의 차로 결정하였다 (Song, 2003; Song et al.
앞에서 제안된 과잉간극수압비의 증가에 따른 강도 및 강성저하 예측식의 적용성을 검증하기 위하여 토질시험을 수행하였다. 본 연구에 이용한 시험장치는 일본 이바라키(茨城) 대학에 있는 NGI형 직접 단순 전단 시험 장치를 사용하였다.
한편 소성이 없는 DL실트는 자유낙하방법으로 공시 체를 제작하였다 (Song, 2003; Song 등, 2003). 한편, 연직구속응력을 196 kPa 까지 가한 후 정체적상태를유지하며, 응력제어방법으로 0.1 Hz의 정현파를 최대 50회까지 반복하중가 가하였다. 地盤工學會(일본, 2000)에 의하면 정현파의 속도는 0.

대상 데이터

수행하였다. 본 연구에 이용한 시험장치는 일본 이바라키(茨城) 대학에 있는 NGI형 직접 단순 전단 시험 장치를 사용하였다. 실험은 직경 7 cm, 높이 3 cm의 원형공시체를 Ko압밀조건하에서 압밀시킨 후, 정체적조건에서 연직응력을 조절해서 전단시험을 행하였다.
, 2003; 송병웅 등 2004a; 송병웅 등 2004b). 사용된 세립토는 세 종류로서 우선 Keuper Marl Clay (이하 KM점토; 실트질 점토) 는영국 현장에서 채취한 흙이고, DL실트 (비소성실트)는 공장에서 암석을 분쇄하여 얻은 것이며, 아라카와 실트 (荒川실트; 소성실트)는 현장에서 채취한 시료이다 (송병웅 등, 2004a; 송병웅 등, 2004b). 한편, 시료는 재성형 후 일정한 구속압을 가한 상태에서 전단시험을 수행하였다 (地盤工學會(일본), 2000).
강도 및 강성저하 특성을 직접단순전단시험기를 이용하여 조사하여 보았다. 실험에 이용한 시료는 소성이 있는 점토질 실트, 실트질 점토 및 비소성실트이었으며, 소성지수와의 연관성을 중심으로 알아 보았다. 수행결과 제안된 과잉간극수압비의 증가에 따른 강도 및 강성저하 예측식은 실험결과와 상당히 잘 어울리는 것으로 판명되었으며, 강도저하의 경우는 소성지수의 크기가 작을수록 강도저하가 크게 발생하는 것을 알았다.

성능/효과

그림 8에서도 플롯된 점은 직접단순전단시험을 수행하여 구한 과잉간극수압비 厶u/pC의 증가에 따른 강성비 GcJGnc*를 나타내며, 점선 및 실선은 식(19)를 이용하여 구한 예측 결과이다. 본 연구에서 이용한 세 종류의 세립토 모두 과잉간극수압비의 증가에 따라 강성이 저하하지만, 그 강성의 저하 경향은 약간 다른 것을 알 수 있다. 아라카와 실트의 경우 과잉간극수압비 Au/pvC의 증가에 따라 초반부터 급격한 감소 경향을 나타내지만, 다른 두 종류의 세립토는 이와 달리 과잉간극수압비 厶u/pC가 상당히 증가한 후 급격히 강성이 감소하는 경향을 나타내었다.
그림 7에 플롯된 점은 직접단순전단시험을 통하여 구한 과잉간극수압비 厶u/PvC의 증가에 따른 전단 강도 비 "/5, 를 나타내며, 점선 및 실선은 식(13)을 이용하여 구한 예측 결과이다. 본 연구에서 이용한 세 종류의 세립토에서 모두 같은 경향을 나타내고 있지만, 특히 비소성실트인 DL 실트의 전단 강도 감소 경향이 가장 현저한 것으로 나타났고 소성실트인 KM 실트에서 가장 덜 현저한 것으로 나타났는데, 소성지수 PI가 작을수록 전단강도의 감소경향이 더 큰 것으로 보인다. 한편, 과잉간극수압비 △u/p:c가 0.
8을 초과해서 흙입자의 연결상태가 단절되어 전단강도의 손실이 급격히 커지는 것으로 판단된다. 본 연구에서 제안된 과잉간극수압비의 증가에 따른 강도저하 예측식은 전반적으로 실험 결과와 매우 잘 맞는 것으로 나타났다.
실험에 이용한 시료는 소성이 있는 점토질 실트, 실트질 점토 및 비소성실트이었으며, 소성지수와의 연관성을 중심으로 알아 보았다. 수행결과 제안된 과잉간극수압비의 증가에 따른 강도 및 강성저하 예측식은 실험결과와 상당히 잘 어울리는 것으로 판명되었으며, 강도저하의 경우는 소성지수의 크기가 작을수록 강도저하가 크게 발생하는 것을 알았다. 하지만, 강성저하의 경우에는 소성지수의 크기와 관련이 적은 것을 알 수 있었다.
한편 과잉간극수압비 Au/pC의 증가에 따른 강성저하의 경우는 강도 저하와 달리 소성지수 PI의 크기와 관련이 없는 것으로 나타났다. 한편, 본 연구에서 제안된 과잉간극수압비의 증가에 따른 강성저하 예측식은 아라카와 실트의 경우를 제외하고 실험 결과와 매우 잘 맞는 것으로 나타났다.

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