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문제 정의
- 본 연구는 압축파 속도 및 전단파 속도로 다짐도를 평가하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
- 지반반력계수(k30)와 반복평판재하시험의 변형계수(Ev2)와 변형계수비(Ev2/Ev1) 같은 설계인자의 단점을 극복하기 위한 방법으로 압축파 속도를 이용한 품질관리 및 계측방법을 제시하였다(박철수 등, 2009a). 본 연구에서는 박철수 등(2009a, 2009b)이 제시한 압축파(compressive wave, p-wave) 속도 기반의 품질관리기법을 전단파 속도로 확장하여 그 활용성을 확인하고자 하였다. 박철수 등(2009c)에 따르면압축파 속도 기반의 품질관리는 역학적-경험적 토공노반 설계를 위한 회복탄성계수로 활용 가능한 장점을 지니고 있는 반면, 다짐시험의 건조측에서는 압축파 속도가 과대평가되는 경향이 있어 보완이 필요하다.
제안 방법
- (1) 실내 다짐시험을 통하여 품질관리 기준을 제시하기 위해 함수비에 따른 압축파 속도와 전단파 속도를 측정하였다. 압축파 속도의 측정은 충격해머를 이용하였으며, 전단파 속도의 측정은 벤더 엘리먼트를 이용하였다.
- 측정된 압축파의 신호는 동적신호분석기(Agilent 35670A)을 통해 기록하였다. 충격해머를 통한 압축파 발생 시, 그림 1(a)와 같이 다짐시료의 타격지점에 가진 판(직경 10mm, 두께 1mm)을 설치 한 후, 충격해머로 가격하였다.
- 고속철도 노반의 특성파악을 위한 실대형 모형시험을 철도기술연구원에서 수행하였다. 실대형 모형시험을 위하여 깊이 4m, 폭 4.
- 3%이다. 노반이 완성된 후에, 직접도달파 시험을 통해 획득한 탄성파 속도 측정이 정확한지를 확인하기 위하여 크로스홀 시험(crosshole seismic test)를 실시하여, 압축파 및 전단파 속도를 비교하였다. 직접도달파 시험의 경우 지표에서 탄성파를 측정하는 반면, 크로스홀 시험은 지중의 탄성파를 측정하게 된다.
- 본 장에서는 기존 연구자료를 통해 다짐도와 탄성파 속도와의 상관관계를 살펴보았다. 다짐에너지에 따른 전단파 속도곡선의 변화와 실내다짐 시험과 시험부지에서의 다짐시험을 수행한 결과로 압축파 속도곡선도 확인하였다.
- 본 장에서는 기존 연구자료를 통해 다짐도와 탄성파 속도와의 상관관계를 살펴보았다. 다짐에너지에 따른 전단파 속도곡선의 변화와 실내다짐 시험과 시험부지에서의 다짐시험을 수행한 결과로 압축파 속도곡선도 확인하였다.
- 5m, 길이 20m의 고속철도 노반을 조성하였다. 성토 다짐은 매층 30cm씩 포설하여 3550kg의 롤러(BOMAG BW123C)를 사용하여 진동 2회 다짐 후, 성토 층별로 무진동 7-9회의 다짐을 실시하였다. 토사 성토 노반의 품질관리를 위해 평판재하시험을 실시하였고, 다짐도 평가를 위하여 현장밀도 시험이, 직접도달파 시험과 함께 수행되었다.
- 이때, 발생 파의 전파가 용이하도록 가진판이 대상 매질에 밀착시킬 수 있어야 한다. 수신기로는 4.5Hz의 수평 및 수직방향성을 띠는 지오폰(geophone)을 사용하였으며 신호분석 및 저장은 동적신호분석기를 이용하였다. 그림 5(b)에서처럼 가진판을 해머로 가격하는 방향에 따라 다양한 형태의 탄성파를 측정할 수 있다.
- 그러나 충격해머를 이용할 경우 그림 1(a)의 가진판과 달리 전단파 발생을 위하여 시료표면에 수직한 가진판을 설치해야하며 전단파 발생을 위한 타격 시, 시료 표면이 손상될 가능성이 있다. 이러한 문제점으로 인하여, 전단파 계측에 충격해머 대신 벤더 엘리먼트(bender elements, BE)를 사용하였다. 사용된 벤더 엘리먼트의 크기는 10mm×10mm이며, 병렬식으로 제작되었다.
- 박철수 등(2009a)은 다짐에너지에 따른 전단파 속도 변화를 확인하였다. 전단파 신호는 벤더 엘리먼트를 이용하여 측정하였으며, 다짐시험은 표준 B 다짐, 수정 C 다짐, 수정 D 다짐을 수행하였다. 그 결과, 그림 7(a)와 같이 다짐에너지가 증가함에 따라 건조밀도가 증가하고, 최적함수비가 작아지는 것을 확인하였다.
- 성토 다짐은 매층 30cm씩 포설하여 3550kg의 롤러(BOMAG BW123C)를 사용하여 진동 2회 다짐 후, 성토 층별로 무진동 7-9회의 다짐을 실시하였다. 토사 성토 노반의 품질관리를 위해 평판재하시험을 실시하였고, 다짐도 평가를 위하여 현장밀도 시험이, 직접도달파 시험과 함께 수행되었다. 그림 9(a)는 직접도달파 시험을 통한 품질관리를 위하여 실내 다짐시험(수정 D 다짐)을 수행한 다짐곡선이다.
대상 데이터
- 사용된 벤더 엘리먼트의 크기는 10mm×10mm이며, 병렬식으로 제작되었다.
- 충격해머를 통해 측정된 대표적인 압축파 신호는 그림 2와 같다. 실내 다짐 및 탄성파 측정에 사용된 시료는 통일분류법에 의하여 SW로 분류되는 시료이며, 본 연구의 노반재료이기도 하다. 다짐시험 결과 최적함수비(optimum moisture content, OMC)는 8.
- 고속철도 노반의 특성파악을 위한 실대형 모형시험을 철도기술연구원에서 수행하였다. 실대형 모형시험을 위하여 깊이 4m, 폭 4.5m, 길이 20m의 고속철도 노반을 조성하였다. 성토 다짐은 매층 30cm씩 포설하여 3550kg의 롤러(BOMAG BW123C)를 사용하여 진동 2회 다짐 후, 성토 층별로 무진동 7-9회의 다짐을 실시하였다.
이론/모형
- 실내 다짐 품질관리 기준 결정을 위하여 다짐 시험을 실시하였으며, 다짐시험은 KS F 2312-91에 따라 수행하였다. 다짐 시료의 탄성파 계측은 다짐몰드에서 시료를 추출하지 않고 구속된 상태에서 수행하였으며, 이는 현장조건에서의 지표부근 지반의 횡방향 구속을 재현하기 위함이다(박철수 등, 2009a).
- (1) 실내 다짐시험을 통하여 품질관리 기준을 제시하기 위해 함수비에 따른 압축파 속도와 전단파 속도를 측정하였다. 압축파 속도의 측정은 충격해머를 이용하였으며, 전단파 속도의 측정은 벤더 엘리먼트를 이용하였다. 실내 다짐시험을 통하여 건조측에서는 입력파형에 가까운 탄성파 파형이 지배적으로 나타나는 것을 확인하였으며, 습윤측에서는 건조측에 비하여 저주파형의 신호가 지배적으로 나타나는 것을 확인 하였다.
성능/효과
- (2) 압축파 속도를 이용한 품질관리 시, 다짐곡선의 최적함수비를 기준으로 건조측에서는 과대평가되는 경향이 발생하는 것을 확인하였다. 전단파 속도를 품질관리에 이용할 경우, 다짐곡선의 최적함수비와 최대 전단파 속도에서의 함수비가 일치하며, 압축파 속도를 이용한 품질관리 기법을 보완하여 전단파 속도를 이용하는 것이 가능하다
- (3) 탄성파를 이용한 토공노반의 품질관리 기법을 실대형 시험을 위한 모형지반에 적용시켰으며, 비교시험을 통한 품질관리 결과와 일관된 결과를 획득하여 품질관리 기법으로의 활용성을 입증하였다.
- 전단파 신호는 벤더 엘리먼트를 이용하여 측정하였으며, 다짐시험은 표준 B 다짐, 수정 C 다짐, 수정 D 다짐을 수행하였다. 그 결과, 그림 7(a)와 같이 다짐에너지가 증가함에 따라 건조밀도가 증가하고, 최적함수비가 작아지는 것을 확인하였다. 또한 그림 7(b)에서와 같이 다짐에너지가 증가함에 따라 전단파 속도도 증가하는 것을 확인하였다.
- 그림 9(b)와 (c)에 실내 다짐시험에서 측정한 압축파 및 전단파 속도곡선에 직접도달파 시험과 크로스홀 시험을 통해 획득한 결과를 함께 도시하였다. 그림 9(b)의 압축파 속도곡선은 앞장에서 언급한 것처럼 다짐곡선의 건조측에서 최대 압축파 속도를 보이는 경향이 나타났다. 전단파 속도곡선은 압축파 속도곡선과 달리 최적함수비 부근에서 최대 속도를 확인하였다.
- 실내 다짐 및 탄성파 측정에 사용된 시료는 통일분류법에 의하여 SW로 분류되는 시료이며, 본 연구의 노반재료이기도 하다. 다짐시험 결과 최적함수비(optimum moisture content, OMC)는 8.3%이며, 최적함수비를 기준으로 건조측과 습윤측에서 그림 2와 같은 신호 양상을 나타내었다. 건조측(ω=4.
- 실내 다짐시험을 통해 결정된 상대다짐도 100%에 해당하는 압축파 속도는 400m/s이고, 전단파 속도는 150m/s이다. 따라서 본 연구의 설계기준인 상대다짐도 95%이상에 해당하는 압축파 속도는 습윤측에서는 약 220m/s이상이고 건조측에서는 약 400m/s이상이며, 전단파 속도는 건조측과 습윤측 모두 약 100m/s이상이다. 그림 9의 현장시험 결과의 압축파 속도는 360-590m/s의 범위에서, 전단파 속도는 160-225m/s의 범위에서 측정되었으므로 품질관리 기준을 만족한다.
- 반면, 습윤측(ω=14.3%)의 압축파 신호는 건조측에 비해 저주파형의 신호 특성이 지배적으로 나타났다.
- 시험부지에서는 최적함수비가 약 11%임에 반하여, 최대 전단파 속도는 ω=9%에서 나타났으며, 압축파 속도에 대한 최적함수비는 다짐곡선의 건조측에 위치한 것을 확인 할 수 있다.
- 압축파 속도의 측정은 충격해머를 이용하였으며, 전단파 속도의 측정은 벤더 엘리먼트를 이용하였다. 실내 다짐시험을 통하여 건조측에서는 입력파형에 가까운 탄성파 파형이 지배적으로 나타나는 것을 확인하였으며, 습윤측에서는 건조측에 비하여 저주파형의 신호가 지배적으로 나타나는 것을 확인 하였다.
- 실내 다짐시험의 경우, 최적함수비가 약 9%이며, 최대 전단파 속도도 ω=9%에서 확인되었다.
- 그림 9(b)의 압축파 속도곡선은 앞장에서 언급한 것처럼 다짐곡선의 건조측에서 최대 압축파 속도를 보이는 경향이 나타났다. 전단파 속도곡선은 압축파 속도곡선과 달리 최적함수비 부근에서 최대 속도를 확인하였다. 크로스홀 시험 결과는 압축파 속도와 전단파 속도 모두 유효구속응력에 대한 보정을 실시하였을 때, 실내 다짐시험을 통해 측정된 탄성파 속도와 유사하게 측정되었다.
- 크로스홀 시험 결과는 압축파 속도와 전단파 속도 모두 유효구속응력에 대한 보정을 실시하였을 때, 실내 다짐시험을 통해 측정된 탄성파 속도와 유사하게 측정되었다. 직접도달파 시험을 통해 획득한 압축파 속도는 실내 다짐시험 결과 및 보정된 크로스홀 시험 결과와 유사한 경향을 보였으나, 전단파 속도에서는 다소 과대평가 되었다. 그림 9(d)는 상대다짐도와 탄성파의 관계를 나타내고 있다.
- 최적함수비를 기점으로 건조측(ω=7.9%)의 전단파 신호는 입력주파수(2kHz)와 유사한 파형을 보였으며, 습윤측(ω=11.6%)에서 측정된 전단파 신호는 입력주파수에 비해 저주파 특성을 보이고 있다.
- 전단파 속도곡선은 압축파 속도곡선과 달리 최적함수비 부근에서 최대 속도를 확인하였다. 크로스홀 시험 결과는 압축파 속도와 전단파 속도 모두 유효구속응력에 대한 보정을 실시하였을 때, 실내 다짐시험을 통해 측정된 탄성파 속도와 유사하게 측정되었다. 직접도달파 시험을 통해 획득한 압축파 속도는 실내 다짐시험 결과 및 보정된 크로스홀 시험 결과와 유사한 경향을 보였으나, 전단파 속도에서는 다소 과대평가 되었다.
후속연구
- 압축파 속도와 전단파(shear wave, s-wave) 속도는 포아송 비(poisson’s ratio)와 밀접한 관계가 있으므로, 압축파 속도를 이용한 토공노반의 품질관리 기법에 전단파 속도를 포함하는 것이 보다 효과적인 품질관리가 가능할 것으로 기대된다.
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