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문제 정의
- 평형도달시간이 너무 길게 되면 시험조건 및 상태가 달라질 가능성이 크다. 따라서 본 연구에서는 흡인력의 측정 및 평형도달시간을 최소화하기 위하여 불교란 시료를 직경 5cm, 높이 1cm의 황동제 몰드에 넣어 공시체를 제작하였다.
- 본 연구에서는 화강풍화토를 대상으로 함수특성곡선실험과 삼축시험을 실시한 결과를 바탕으로 기존에 제안된 특성식과 적용성을 검증하였고, 흡인력에 따른 전단강도의 변화와 강도정수의 변화를 밝히고 불포화영역에 대한 합리적인 지반강도정수의 적용을 위한 흡인력의 고려와 불포화 토에서 발생되는 여러 문제들에 공학적 접근을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 포화상태의 경우는 불교란 시료를 트리밍하여 공시체를 제작한 후, 배압을 통해 공시체의 포화 단계를 진행하였다. 그리고, 불포화상태의 경우는 흙-수분 특성곡선(SWCC)에서 구한 흡인력에 대한 값에 나타난 함수비를 바탕으로 하여 몰드(H=70mm, D=35mm)에 시료를 3층 다짐으로 공시체를 제작한 후, 축변환기법을 적용하여 공기압과 하부간극수압을 통해 요구되는 실험조건으로 전단을 실시하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 이러한 단점과 오차를 보완하기 위하여 Tempe pressure cell을 개조하여 황동제 프레임에 세라믹 디스크를 부착하고 하부로 유출되는 수량을 측정할 수 있도록 뷰렛을 연결하여 시험기구를 제작하여 사용하였다. 본 기구의 가장 큰 장점은 Plate 상부를 열지 않고도 연속적으로 흡인력의 변화에 따른 수분의 이동량을 측정할 수 있는 것이며, 감압에 따른 디스크의 수분이 흙 속으로 유입되는 단점을 보완한 것이다.
- 본 연구는 Pressure Plate Apparatus를 개량하여 사용하였다. 이 기구는 상부에서 가해지는 공기압을 변화시켜 흡인력을 조절하도록 고안되었으며, 한 단계의 실험이 끝나면 Plate를 열어 시료의 무게를 측정하여 함수비와 흡인력의 관계를 도출하도록 되었다.
- 불포화토의 전단거동을 밝히기 위해 구속압력을 50kpa, 150kpa, 300kpa로 각각 달리하고 각각의 구속압력에 따라 흡인력을 10, 50, 100kpa로 달리하여 삼축시험을 수행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 불포화토의 전단거동을 밝히기 위해 구속압력을 50kpa, 150kpa, 300kpa으로 각각 달리하고 각각의 구속압력에 따라 흡인력을 0kpa, 10kpa, 50kpa, 100kpa로 달리하여 삼축시험을 수행하였다.
- 새로운 특성 방정식을 유도하기 위하여 시험결과를 바탕으로 제안된 특성 방정식을 검토하여 문제점과 장단점을 분석하였다. Table 1은 Brooka and Corey의 방정식에 사용되는 각 상수를 도출하여 정리한 것이다.
- 선정된 5종류의 시료에 대하여 개조된 Pressure Plate Apparatus를 사용하여 약10단계의 공기 압을 달리하여 측정된 수분의 이동량을 바탕으로 각 시료의 함수비, 포화도 및 체적 함수비를 분석하여 흙-수분 특성곡선을 도출하고 이들의 특성을 고찰하였다.
- 선정된 시료 5가지에 대하여 개조된 Pressure Plate Apparatus에 적용하여 약 10단계의 공기압 을 공급하여 수분의 이동량을 측정하였다. 측정된 결과를 바탕으로 각 시료의 함수비, 포화도 및 체적 함수비를 분석하여 흙-수분 특성곡선을 도출하고 이들의 특성을 요약하면 다음과 같다.
- 불포화토의 전단강도 실험을 위해 일반 삼축시험에 사용되는 삼축셀을 개량하였다. 시료에 흡인력을 재현시키기 위하여 공기압과 하부 간극수압을 시료의 상단, 하단으로 가하였으며, 물을 이동 시키고 공기의 이동을 제한하기 위하여 시료의 하단에 1500kpa의 공기함입저항치를 가지는 세라 믹 디스크를 사용하였다. 불포화토에 대한 삼축시험은 내부에서 발생되는 간극수압의 완전한 소산을 위해 매우 느린 변형률 속도를 수행되어야 하고, 각 흡인력에서 평형을 이루는데 필요한 시간이 매우 길어 시간소모가 크다.
- 선정된 시료 5가지에 대하여 개조된 Pressure Plate Apparatus에 적용하여 약 10단계의 공기압 을 공급하여 수분의 이동량을 측정하였다. 측정된 결과를 바탕으로 각 시료의 함수비, 포화도 및 체적 함수비를 분석하여 흙-수분 특성곡선을 도출하고 이들의 특성을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 또한, 고압하에서도 아주 미소한 흡인력의 변화에도 쉽게 수분의 이동과 유출량을 측정할 수 있도록 고안된 것이다. 본 시험에서는 사용된 간극 공기압의 범위는 0.1kPa ~ 1,000kPa이며, 약 10단계로 공기압을 달리하여 시험하였다.
- 불포화토의 전단강도 실험을 위해 일반 삼축시험에 사용되는 삼축셀을 개량하였다. 시료에 흡인력을 재현시키기 위하여 공기압과 하부 간극수압을 시료의 상단, 하단으로 가하였으며, 물을 이동 시키고 공기의 이동을 제한하기 위하여 시료의 하단에 1500kpa의 공기함입저항치를 가지는 세라 믹 디스크를 사용하였다.
- 시험에 사용된 시료는 경기도 장흥에서 채취한 시료로 통일분류법상 SC에 해당되며 #200 통과량이 50% 이하이며, 저소성의 사질토 성분이 함유된 흙이다. 시료에 대한 물리적 성질은 Table.
데이터처리
- 5. 실험결과를 바탕으로 간극비나 다짐상태에 따른 함수특성을 나타낼 수 있는 툭성곡선식을 제안하였으며, 실험 결과치 와 비교하여 적용성을 검증하였다.
이론/모형
- 불포화토에 대한 삼축시험은 내부에서 발생되는 간극수압의 완전한 소산을 위해 매우 느린 변형률 속도를 수행되어야 하고, 각 흡인력에서 평형을 이루는데 필요한 시간이 매우 길어 시간소모가 크다. 본 연구에서는 대상시료에 대한 적절한 변형률 속도를 Ho와 Fredlund(1982) 등이 제안한 변형률을 기준으로 0.004mm/min의 변형률 속도를 채택하여 실험을 수행하였다.
- 체적함수비를 추정하기 위해서는 Fredlund 등이 제안한 방정식을 바탕으로 실험치와 비교하여 각 계수를 도출하여 요약하였다. Table 2는 각 시료의 실험결과를 바탕으로 도출된 각 계수를 정리한 것이다.
성능/효과
- 1. 순구속압과 흡인력이 일정할 경우에는 다짐률이 감소함에 따라 피크시 강도는 더 높은 변형률에서 나타났고, 이것은 동일한 흡인력을 가해도 다짐률이 감소하면 흡인력의 영향이 증가하는 것을 나타내며, 시료의 간극비가 증가함에 따라 축차응력-변형률 관계에서 파괴는 점차 큰 변형에서 발생한다고 판단된다.
- 1. 흡인력에 따른 특성곡선을 체적 함수비로 나타내면 초기 포화부분뿐만 아니라 건조과정이 진행된 후에도 구분이 명확하게 나타났다.
- 2. 불포화토의 전단강도는 흡인력에 따라 증가하며, 전단강도는 흡인력의 증가에 따라 비선형 관계에 있음을 알 수 있었고, 불포화상태에서 전단강도정수는 흡인력에 따라 내부마찰각과 점착력이 증가하는 경향을 보였고 흡인력이 불포화토의 강도특성이 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.
- 2. 잔류포화도(Sr)는 간극비에 따라 감소하는 경향을 보이는데 세립분의 함량에 따라 크기가 달라 진다. 계수λ와 hr은 간극비에 따라 증가하게 되는데, λ는 극격한 변화를 보이는 반면 hre 비교적 완만하게 변하는 것으로 나타났다.
- 3. Fredlund 등의 제안식에 나타나는 계수 a, b 및 c는 간극비에 따라 증가하는 반면, hre 감소하는 경향을 보였다.
- 결과에 의하면 간극비가 증가할수록 잔류포화도는 감소하는 경향을 보이는 반면, 잔류함수비에 관 계되는 계수(λ)와 공기함입저항치((Ua-Uw)b)는 는 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 잔류포화도(Sr)는 간극비에 따라 감소하는 경향을 보이는데 세립분의 함량에 따라 크기가 달라 진다. 계수λ와 hr은 간극비에 따라 증가하게 되는데, λ는 극격한 변화를 보이는 반면 hre 비교적 완만하게 변하는 것으로 나타났다.
- 순구속압이 50kpa인 경우 흡인력이 10kpa에서 100kpa로 증가할때의 축차응력 증가량이 순구 속압이 150kpa인 경우보다 더 큼을 알 수 있다. 따라서, 흡인력에 따른 축차응력의 변화는 순구속 압이 증가하면서 축차응력도 증가됨을 알 수 있었으며, 축차응력의 증가량은 순구속압보다 흡인력의 변화에 더 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있다. Fredlund등(1979)에 의하면 흡인력에 따른 죽 차응력의 변화는 순구속압이 증가하면서 축차응력도 함께 증가된다고 발표하였고, 축차응력 증가 량은 순구속압보다 흡인력의 변화에 더 많은 영향을 받는다고 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 이러한 단점과 오차를 보완하기 위하여 Tempe pressure cell을 개조하여 황동제 프레임에 세라믹 디스크를 부착하고 하부로 유출되는 수량을 측정할 수 있도록 뷰렛을 연결하여 시험기구를 제작하여 사용하였다. 본 기구의 가장 큰 장점은 Plate 상부를 열지 않고도 연속적으로 흡인력의 변화에 따른 수분의 이동량을 측정할 수 있는 것이며, 감압에 따른 디스크의 수분이 흙 속으로 유입되는 단점을 보완한 것이다. 또한, 고압하에서도 아주 미소한 흡인력의 변화에도 쉽게 수분의 이동과 유출량을 측정할 수 있도록 고안된 것이다.
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