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문제 정의
- 그러나, 직접전단시험에서 전단거동시 변화하는 재료의 특성을 직접적으로 분석할 수는 없었다. 따라서 본 연구에서는 전단파와 전기비저항를 이용하여 전단거동시 미소변형률의 강성 및 간극비의 변화를 분석하고자 하였다. 전단파는 흙 입자의 강성과 밀도에 따라 전파양상이 달라진다(이종섭 등, 2006).
- 전단파는 흙 입자의 강성과 밀도에 따라 전파양상이 달라진다(이종섭 등, 2006). 따라서 흙과 트랜스듀서 간의 결합력이 뛰어난 벤더 엘리먼트를 이용하여 상대밀도에 따른 전단파의 속도변화를 관측하고자 하였다. 또한, 전해질 이온의 운동으로 결정되는 전기비저항은 간극비의 함수이므로(Archie 1942), 전단거동에 따른 간극비의 변화를 측정하고자 하였다.
- 식 (3)에 따르면, 흙의 전기비저항과 간극수의 전기비저항을 측정하여, 포화된 흙의 간극률을 산정할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 간극률을 산정하기 위한 전기비저항 프로브를 이용하여 흙의 전기비저항을 측정하였다. 먼저, 실험을 통하여 얻은 전기저항을 시료고유의 전기비저항 값으로 환산하기 위하여 다음과 같이 프로브를 보정한다.
- 따라서 흙과 트랜스듀서 간의 결합력이 뛰어난 벤더 엘리먼트를 이용하여 상대밀도에 따른 전단파의 속도변화를 관측하고자 하였다. 또한, 전해질 이온의 운동으로 결정되는 전기비저항은 간극비의 함수이므로(Archie 1942), 전단거동에 따른 간극비의 변화를 측정하고자 하였다.
- 본 연구에서는 직접전단시험 시 전단영역과 비전단영역에서 발생하는 흙 입자의 거동을 분석하고자, 주문진 표준사로 상대밀도 20, 80 %인 시료를 조성한 뒤, 전단파와 전기비저항을 측정하여 직접전단시험을 수행하였다. 시험은 개선된 전단상자를 이용하였으며, 전단파와 전기비저항은 각각 벤더 엘리먼트와 전기비저항 프로브를 이용하여 측정하였다.
제안 방법
- 상대밀도에 따른 전단거동을 보기 위해, #40∼#50체 사이의 주문진사를 상대밀도 20%, 80%로 조성하였다. 각 상대밀도를 조성하기 위하여, 먼저 최대 간극비와 최소 간극비를 이용해 상대밀도에 따른 필요한 시료의 간극비를 계산하였다. 다음으로 일정한 전단상자의 부피를 측정한 후, 각 상대밀도에 따른 건조시료의 중량을 계산하여 시료를 조성하였다.
- 또한 가압판이 시험중에 편심이 가해지지 않도록, 시료표면을 평평하게 다진 후 가압판을 설치한 후 하중틀을 연결하였다. 각 상대밀도에서 수직하중을 세 단계로 나누어 시험을 실시하였으며, 전단상자의 단면의 크기를 측정하여 시료에 작용하는 단계별 수직응력(0.58, 1.15, 1.73kg/cm2)을 구하였다. 전단을 가하기 전, 0.
- 건조된 주문진사를 계산된 상대밀도로 전단상자에 조성한 뒤, 각 수직하중에 따른 직접전단을 실시 하여 전단파와 전기비저항을 함께 측정하였다. 느슨한 시료의 경우, 시료에 가해지는 충격에 민감하게 반응하게 된다.
- 필터링 과정을 거친 신호는 오실로스코프로 전달되고, 신호의 불규칙한 잡음제거를 위해 신호들을 평균하여 획득한다. 그러나, 전단시험시 빠르게 변화하는 시료의 특성을 정확하게 평가하기 위해, 16개의 신호만을 평균하여 저장하였다.
- 각 상대밀도를 조성하기 위하여, 먼저 최대 간극비와 최소 간극비를 이용해 상대밀도에 따른 필요한 시료의 간극비를 계산하였다. 다음으로 일정한 전단상자의 부피를 측정한 후, 각 상대밀도에 따른 건조시료의 중량을 계산하여 시료를 조성하였다. 시료조성시 시료의 균질성을 확보하기 위해 각 층의 다짐 횟수, 각 층의 두께, 낙사 높이, 낙사 속도를 동일하게 고려해 주었다.
- 느슨한 시료의 경우, 시료에 가해지는 충격에 민감하게 반응하게 된다. 따라서, 시료조성 후 전단상자를 전단시험기에 장착할 때 발생하게 되는 충격을 방지하기 위하여 전단시험기와 전단상자를 결합한 상태에서 시료를 조성하였다. 또한 가압판이 시험중에 편심이 가해지지 않도록, 시료표면을 평평하게 다진 후 가압판을 설치한 후 하중틀을 연결하였다.
- 따라서, 시료조성 후 전단상자를 전단시험기에 장착할 때 발생하게 되는 충격을 방지하기 위하여 전단시험기와 전단상자를 결합한 상태에서 시료를 조성하였다. 또한 가압판이 시험중에 편심이 가해지지 않도록, 시료표면을 평평하게 다진 후 가압판을 설치한 후 하중틀을 연결하였다. 각 상대밀도에서 수직하중을 세 단계로 나누어 시험을 실시하였으며, 전단상자의 단면의 크기를 측정하여 시료에 작용하는 단계별 수직응력(0.
- 개선된 전단상자는 기본적으로 투명 아크릴 재질로 제작되어, 시료의 거동변화 관찰 및 상자벽면을 통한 전류의 흐름을 방지할 수 있게 하였다. 또한 그림 2에 나타낸 바와 같이, 전단면 근처의 전단거동이 발생하는 부분과 비전단영역인 하부에는 벤더 엘리먼트(Bender Elements)와 전기비저항 프로브(Electrical Probe)를 설치하여, 두 영역에서의 거동차이를 분석할 수 있게 하였다. 전단상자는 내부의 가로, 세로길이가 70mm인 정사각형 모양으로, 시료가 조성되는 내부의 높이는 59.
- 이에 따라, 벤더 엘리먼트와 상자벽면간의 임피던스가 차이나도록 하여 직접파로 인한 잡음을 제거하였다. 또한 전도성 페인트를 이용함으로써 발신 및 수신 벤더 엘리먼트 사이의 전기적 간섭현상을 차폐시켰다.
- 조성된 각 시료에 대하여 직접전단시험을 시작한 시점부터 수평변형률이 15%에 도달할 때까지 전단파 신호를 매 10초마다 측정하여 저장하였다. 벤더 엘리먼트는 상부상자 및 하부상자의 전단영역 부근과 바닥 부근에 설치되어 각 위치에서의 전단파를 측정하였다. 상부상자 전단영역에서의 상대밀도 80%인 시료에 1.
- 상대밀도에 따른 전단거동을 보기 위해, #40∼#50체 사이의 주문진사를 상대밀도 20%, 80%로 조성하였다.
- 다음으로 일정한 전단상자의 부피를 측정한 후, 각 상대밀도에 따른 건조시료의 중량을 계산하여 시료를 조성하였다. 시료조성시 시료의 균질성을 확보하기 위해 각 층의 다짐 횟수, 각 층의 두께, 낙사 높이, 낙사 속도를 동일하게 고려해 주었다. 상대밀도 20%일 때는 다짐 없이 3층으로 4cm 높이에서 낙사하여 느슨한 시료를 조성하였다.
- 한편, 조밀한 시료를 형성하기 위해서 10층으로 나누어 많은 다짐횟수(12번)와 낙사높이(10cm)를 높게 설정하여 상대밀도 80%의 시료를 조성하였다. 시료조성이 완료된 후, 시료내부의 전기비저항을 측정하기 위하여 0.1M의 소금물을 가하여 시료가 포화되도록 하였다.
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2.3 개선된 전단상자
전단파와 전기비저항을 이용한 직접전단시험은 그림 2와 같이 벤더 엘리먼트와 전기비저항 프로브가 장착된 전단상자를 이용하여 수행되었다. 개선된 전단상자는 기본적으로 투명 아크릴 재질로 제작되어, 시료의 거동변화 관찰 및 상자벽면을 통한 전류의 흐름을 방지할 수 있게 하였다.
- 전단파와 전기비저항을 측정하기 위한 벤더 엘리먼트와 전기비저항 프로브를 측정시스템에 연결한 뒤 전단시험을 수행하였다. 시험시작과 함께 10초마다 측정한 전단파는 오실로스코프를 통해 컴퓨터에 저장되고, 시료의 수직 및 수평변형과 전단력은 차동변압기(LVDT)를 통해 컴퓨터에 자동으로 저장된다.
- 조성된 각 시료에 대하여 직접전단시험을 시작한 시점부터 수평변형률이 15%에 도달할 때까지 전단파 신호를 매 10초마다 측정하여 저장하였다. 벤더 엘리먼트는 상부상자 및 하부상자의 전단영역 부근과 바닥 부근에 설치되어 각 위치에서의 전단파를 측정하였다.
- 주문진 표준사를 이용하여 상대밀도에 따른 전단파 속도와 전기비저항을 측정하였다. 본 연구에 사용된 시료의 특성, 시료 조성 그리고 실험과정과 전단파 및 전기비저항 측정방법은 다음과 같다.
- 벤더 엘리먼트는 시료와 접촉하는 면적을 증가시켜 전달에너지를 충분히 발현하기 위해 캔틸레버 형태로 돌출하여 설치하였다. 하지만, 캔틸레버의 길이가 길어질 경우 벤더 엘리먼트의 공진주파수가 작아짐으로써, 근접장의 크기가 벤더 엘리먼트에서 발생한 진동이 아크릴재질의 상자벽면을 통해 전달되는 것을 방지하기 위해, 나일론재질의 스크류와 실리콘을 이용하여 설치하였다. 이에 따라, 벤더 엘리먼트와 상자벽면간의 임피던스가 차이나도록 하여 직접파로 인한 잡음을 제거하였다.
- 상대밀도 20%일 때는 다짐 없이 3층으로 4cm 높이에서 낙사하여 느슨한 시료를 조성하였다. 한편, 조밀한 시료를 형성하기 위해서 10층으로 나누어 많은 다짐횟수(12번)와 낙사높이(10cm)를 높게 설정하여 상대밀도 80%의 시료를 조성하였다. 시료조성이 완료된 후, 시료내부의 전기비저항을 측정하기 위하여 0.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 주문진 표준사는 그림 1과 같으며, 기본 물성치는 표 1에 나타내었다. 시료는 증류수로 세척 후 건조하였으며, 입자의 크기에 대한 영향을 최소화하기 위해 체분석을 실시하여, 40번체(0.425mm)를 통과하고 50번체(0.3mm)에 잔류하는 균등한 시료를 사용하였다. 따라서 그림 1에서 보는 바와 같이, 사용된 모래는 모나고 균질하다.
- 본 연구에서는 직접전단시험 시 전단영역과 비전단영역에서 발생하는 흙 입자의 거동을 분석하고자, 주문진 표준사로 상대밀도 20, 80 %인 시료를 조성한 뒤, 전단파와 전기비저항을 측정하여 직접전단시험을 수행하였다. 시험은 개선된 전단상자를 이용하였으며, 전단파와 전기비저항은 각각 벤더 엘리먼트와 전기비저항 프로브를 이용하여 측정하였다.
- 또한 그림 2에 나타낸 바와 같이, 전단면 근처의 전단거동이 발생하는 부분과 비전단영역인 하부에는 벤더 엘리먼트(Bender Elements)와 전기비저항 프로브(Electrical Probe)를 설치하여, 두 영역에서의 거동차이를 분석할 수 있게 하였다. 전단상자는 내부의 가로, 세로길이가 70mm인 정사각형 모양으로, 시료가 조성되는 내부의 높이는 59.59mm 이며, 전체높이는 73.3mm로 구성되어 있다.
- 직접전단시험에 따른 전단거동을 평가하기 위하여 전단파 트랜스듀서인 벤더 엘리먼트를 그림 3과 같이 전단상자의 양쪽 벽면에 설치하였다. 벤더 엘리먼트는 시료와 접촉하는 면적을 증가시켜 전달에너지를 충분히 발현하기 위해 캔틸레버 형태로 돌출하여 설치하였다.
성능/효과
- 그림 4에서 보면, 수평변형률에 대한 전단응력 및 수직변형률의 그래프는 지금까지 알려진 직접전단시험의 결과와 일치하였다. 느슨한 상태의 상대밀도 20%에서는 수평변형률이 증가함에 따라, 전단응력 곡선이 첨두전단강도 없이 극한전단강도로 수렴하였다. 수직변형률은 느슨한 시료의 특성에 따라, 전단을 가하는 동안 수직변형률이 음의 값을 보이며 수축하였다.
- 전단영역에서의 전단파 속도의 증가양상에 따라, 전단응력의 증가를 설명할 수 있었다. 또한, 상대밀도가 커짐에 따라, 전단영역의 크기가 확대됨도 확인되었다. 한편, 직접전단에 따른 전단영역에서의 수직변형은 전기비저항의 변화를 통하여 설명되었다.
- 이와 달리, 조밀한 상태의 상대밀도 80%에서 전단응력은 수평변형률이 증가함에 따라 첨두전단강도에 도달한 후, 극한전단강도로 수렴한다. 또한, 수직변형률은 초기에 약간의 수축을 보인 후, 팽창하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과로부터, 본 연구에서 적용한 개선된 직접전단상자는 기존의 직접전단시험과 동일한 경향을 보여줌으로써, 합리적인 결과를 획득할 수 있음을 확인되었다.
- 이를 전단응력의 결과와 비교해 보면, 느슨한 시료가 전단이 발생하는 동안 수축하며, 그 결과로서 전단영역의 간극률이 작아짐을 판단할 수 있다. 반대로, 상대밀도 80%인 경우 전단응력의 결과와 비교하면, 조밀한 시료는 전단발생 동안 팽창하여, 간극률이 커지는 즉, 전기비저항이 작아지는 것으로 확인되었다. 이를 통해, 직접전단시험시 시료의 팽창 및 수축은 전단영역의 간극비 변화로 인한 것이었음을 확인하였다.
- 전단영역에서, 상대밀도가 낮은 경우 전기비저항은 점점 증가하고(즉, 간극률은 감소), 상대밀도가 높은 경우 전기비저항은 점점 낮아져(즉, 간극률은 증가) 일정함 값에 수렴하였다. 반면 상대밀도에 상관없이, 비 전단영역에서는 전기비저항의 변화가 거의 없으므로, 전단영역에서의 간극률의 변화가 수직변형에 주로 영향을 끼치는 것이 확인되었다. 본 연구의 결과는, 전단파와 전기비저항을 이용한 직접전단시험이 전단영역에서 조립토의 거동을 분석할 수 있는 좋은 방법임을 보여준다.
- 보정실험결과, 전단영역에 설치된 전기비저항 프로브의 α는 0.0104m, 바닥부근에 설치된 전기비저항 프로브의 α는 0.0041m로 나타났다.
- 반면 상대밀도에 상관없이, 비 전단영역에서는 전기비저항의 변화가 거의 없으므로, 전단영역에서의 간극률의 변화가 수직변형에 주로 영향을 끼치는 것이 확인되었다. 본 연구의 결과는, 전단파와 전기비저항을 이용한 직접전단시험이 전단영역에서 조립토의 거동을 분석할 수 있는 좋은 방법임을 보여준다.
- 이를 전단응력의 변화와 비교하면, 전단이 가해짐에 따라 전단응력이 점점 증가하는 것은 상부상자 전단영역의 강성증가에 큰 영향을 받는다고 할 수 있다. 상대밀도 80%인 경우, 상부상자뿐 아니라 하부상자의 전단영역의 강성도 크게 증가하는 것이 확인되었다. 이를 통해, 상대밀도가 증가함에 따라 흙의 전단거동이 발생하는 영역이 넓어지고 있으며, 전단강도산정에 주는 영향이 더 커짐을 확인하였다.
- 실험 결과, 직접전단에 따른 전단응력의 변화는 전단파 속도의 변화를 통해 설명할 수 있었다. 전단영역에서의 전단파 속도의 증가양상에 따라, 전단응력의 증가를 설명할 수 있었다.
- 일반적으로, 전기비저항이 커짐은 간극이 감소하여 전해질 이온의 흐름이 어려움을 의미한다. 이를 전단응력의 결과와 비교해 보면, 느슨한 시료가 전단이 발생하는 동안 수축하며, 그 결과로서 전단영역의 간극률이 작아짐을 판단할 수 있다. 반대로, 상대밀도 80%인 경우 전단응력의 결과와 비교하면, 조밀한 시료는 전단발생 동안 팽창하여, 간극률이 커지는 즉, 전기비저항이 작아지는 것으로 확인되었다.
- 상대밀도 80%인 경우, 상부상자뿐 아니라 하부상자의 전단영역의 강성도 크게 증가하는 것이 확인되었다. 이를 통해, 상대밀도가 증가함에 따라 흙의 전단거동이 발생하는 영역이 넓어지고 있으며, 전단강도산정에 주는 영향이 더 커짐을 확인하였다.
- 반대로, 상대밀도 80%인 경우 전단응력의 결과와 비교하면, 조밀한 시료는 전단발생 동안 팽창하여, 간극률이 커지는 즉, 전기비저항이 작아지는 것으로 확인되었다. 이를 통해, 직접전단시험시 시료의 팽창 및 수축은 전단영역의 간극비 변화로 인한 것이었음을 확인하였다.
- 또한, 수직변형률은 초기에 약간의 수축을 보인 후, 팽창하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과로부터, 본 연구에서 적용한 개선된 직접전단상자는 기존의 직접전단시험과 동일한 경향을 보여줌으로써, 합리적인 결과를 획득할 수 있음을 확인되었다.
- 한편, 직접전단에 따른 전단영역에서의 수직변형은 전기비저항의 변화를 통하여 설명되었다. 전단영역에서, 상대밀도가 낮은 경우 전기비저항은 점점 증가하고(즉, 간극률은 감소), 상대밀도가 높은 경우 전기비저항은 점점 낮아져(즉, 간극률은 증가) 일정함 값에 수렴하였다. 반면 상대밀도에 상관없이, 비 전단영역에서는 전기비저항의 변화가 거의 없으므로, 전단영역에서의 간극률의 변화가 수직변형에 주로 영향을 끼치는 것이 확인되었다.
- 그림 8에서, 전기비저항은 시료의 상대밀도에 따라 다른 경향을 보여준다. 전단영역에서의 전기비저항은 상대밀도 20%의 경우 점차 증가함을 보이나, 상대밀도 80%의 경우 점점 줄어드는 것이 확인되었다. 그에 비해, 바닥에서의 전기비저항은 두 경우 모두 별다른 변화를 보이지 않았다.
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