KR20080064491A - 원지반의 전단강도 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료 교란도와 전단강도 사이의 정량화된 관계를 도출하여 비교란 현장 지반의 정확한 전단강도를 산출하여 설계 및 해석에 신뢰성을 높일 수 있도록 한 원지반의 전단강도 예측방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 벤더엘리먼트가 장착된 현장 전단파 속도 측정 장비를 이용하여 전단파 속도 측정하고,

를 통해 비교란 현장 지반의 최대전단계수 값(

)을 구하는 단계와; 현장에서 채취된 시료를 폴리에틸렌 백에 넣어 함수비가 변화하지 않도록 밀봉한 후 손으로 반죽한 다음 몰드에 다져넣어서 완전 재성형(remold)된 시료를 제작하는 단계와; 완전 재성형(remold)된 시료에 삼축압축실험기를 통해 현장응력상태의 구속압을 가해준 다음 벤더엘리먼트 측정을 통해 시료의 전단파속도를 측정하여 완전 교란된 시료의 최대전단계수 값 (

)를 구하고 전단실험을 통해 파괴시의 전단응력을 측정하는 단계와; 교란의 정도를 달리하여 임의로 교란시킨 시료들을 삼축압축실험기를 통해 현장응력 상태로 압밀시킨 후 벤더엘리먼트를 이용한 전단파속도 측정을 통해 각각의

를 구하고, 전단실험을 통해 각각의 전단강도를 구하며, 각각의 시료에 대한 최대전단계수와 전단강도가 구해지면

을 통해 시료의 교란도를 구하고

(기준변형률)을 구한 후,

과 교란도의 관계를 통해 비교란 현장지반(교란도 0%)의 전단강도를 예측하는 단계를 포함하여 이루어진다.

원지반, 전단강도, 벤더엘리먼트, 시료, 전단파

Description

원지반의 전단강도 예측방법{Measuring method for ground of strength}

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 적용되는 벤더엘리먼트의 사용 상태를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 적용되는 벤더엘리먼트의 직렬/병렬 연결관계를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 원지반의 전단강도 예측방법을 나타낸 흐름도,

도 4a는 도 3의 교란도와 기준변형률 사이의 정량적인 관계 산정을 나타낸 도면,

도 4b는 도 3의 비교란 현장 지반의 기준변형률 산정을 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 벤더엘리먼트 12, 14 : 피에조세라믹

16 : 금속판

본 발명은 원지반의 전단강도 예측방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료 교란도와 전단강도 사이의 정량화된 관계를 도출하여 비교란 현장 지반의 정확 한 전단강도를 산출하여 설계 및 해석에 신뢰성을 높일 수 있도록 한 원지반의 전단강도 예측방법에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 지반조사시 원지반의 전단강도를 예측하기 위해 사운딩과 실내실험을 수행하고 있다.

여기서, 상기 사운딩은 표준관입시험과 정적콘관입시험으로 나눌 수 있다.

상기 표준관입시험은 사질토를 대상으로 지층의 상대밀도 및 연경도를 파악하기 위하여 개발된 원위치 시험장비로서, 실험 결과로 N치라는 값을 얻을 수 있다. N치는 중량 63.5kgf의 해머를 75cm높이에서 자유낙하시켜 샘플러가 15cm씩 3회 관입될 때의 2, 3번째를 더한 횟수, 즉 로드가 30cm관입될 때의 타격횟수를 의미한다.

또한, 정적콘관입시험은 연결 로드에 콘을 장착하여 일정한 관입속도로 지중에 관입하여 심도별 관입저항과 마찰력, 간극수압을 측정하는 기법이다.

한편, 실내실험의 경우 현장 시료의 샘플링 과정이 수반되어는 기법이다.

그러나, 표준관입시험은 지반의 전단강도는 N치를 이용하여 구할 수 있으나, 이는 매우 경험적인 식을 바탕으로 산출되며 N치 자체도 해머의 효율, 로드길이, 샘플러의 종류, 유효응력 등에 따라 보정이 필요하므로 정확한 전단강도를 산출하기 위한 방법으로는 사용될 수 없는 문제점이 있었다.

그리고, 정적콘관입시험은 표준관입시험과 마찬가지로 관입저항을 이용하여 현장 전단강도를 예측할 수 있으나, 경험적인 콘 계수의 사용, 콘저항치의 보정 등 불확실한 요소가 포함되므로써 정확한 전단강도를 예측하기 어려운 문제점이 있었 다.

또한, 실내실험의 경우 반드시 현장 시료의 샘플링 과정이 수반되어야 하하는 바, 현장에서의 시료채취부터 실내시험까지의 운반, 트리밍 과정 등에서 발생되는 필연적인 시료교란은 흙 구조의 파괴 뿐 만 아니라 함수비와 간극비의 변화를 초래하여 부정확한 전단강도를 산출하게 되는 결과를 낳는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 교란도와 전단강도 사이의 정량화된 관계를 도출하여 비교란 현장 지반의 정확한 전단강도를 산출하여 설계 및 해석에 신뢰성을 높일 수 있도록 한 원지반의 전단강도 예측방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원지반의 전단강도 예측방법의 특징은,

벤더엘리먼트가 장착된 현장 전단파 속도 측정 장비를 이용하여 전단파 속도 측정하고,

를 통해 비교란 현장 지반의 최대전단계수 값(

)을 구하는 단계와;

현장에서 채취된 시료를 폴리에틸렌 백에 넣어 함수비가 변화하지 않도록 밀봉한 후 손으로 반죽한 다음 몰드에 다져넣어서 완전 재성형(remold)된 시료를 제작하는 단계와;

완전 재성형(remold)된 시료에 삼축압축실험기를 통해 현장응력상태의 구속압을 가해준 다음 벤더엘리먼트 측정을 통해 완전 교란된 시료의 최대전단계수 값 (

)를 구하고 전단실험을 통해 파괴시의 전단응력을 측정하는 단계와;

교란의 정도를 달리하여 임의로 교란시킨 시료들을 삼축압축실험기를 통해 현장응력 상태로 압밀시킨 후 벤더엘리먼트를 이용한 전단파속도 측정을 통해 각각의

를 구하고, 전단실험을 통해 각각의 전단강도를 구하며, 각각의 시료에 대한 최대전단계수와 전단강도가 구해지면

을 통해 시료의 교란도를 구하고

(기준변형률)을 구하여 교란도와 기준변형률의 관계를 통해 비교란 현장지반(교란도 0%)의 전단강도를 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 원지반의 전단강도 예측방법의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 적용되는 벤더엘리먼트의 사용 상태를 나타낸 도면이다.

도 1a 내지 도 1f에 도시된 바와 같이, 최대전단계수 산정에 필요한 전단파 속도 측정을 위해 피에조세라믹으로 제작된 벤더엘리먼트가 사용되는 바, 상기 피에조세라믹은 전기장을 가하면 변형이 발생하고 반대로 변형(또는 힘)을 가하면 전하(electric charge)가 발생하는 물질로써, 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환을 가능케 하는 재료이다.

여기서, 벤더엘리먼트(10)는 두 개의 피에조세라믹(12)(14)을 내부의 금속판(shim)(16)에 접착한 것으로, 벤더엘리먼트의 원리와 전압을 가하였을 때 벤더엘리먼트의 변형 양상을 나타낸 것이다.

전압이 가해질 때 한쪽 세라믹판이 신장하는 동안 반대편 세라믹판은 수축하게 됨으로써 굴곡 변형이 발생하게 된다. 결국 교류 전압을 가하면 벤더엘리먼트가 외팔보(cantilever) 변형 형태로 진동한다. 또한, 이와는 반대로 외부로부터 벤더엘리먼트에 휨 변형이 생기면 각 피에조세라믹판에 압축 및 신장 방향으로 변형이 발생하여 벤더엘리먼트 내부에 전하가 일어난다. 즉 진동을 전압으로 변환하여 수신을 가능하게 된다.

따라서, 이와 같은 원리로 벤더엘리먼트를 이용하여 간단하게 진동의 발생 및 수신이 가능하다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤더엘리먼트(10)는 피에조세라믹(12)(14)과 금속판(16)과의 접합 방식이나 단자 연결 방법에 따라 직렬(series)/병렬(parallel)이 있다.

여기서, 직렬 연결은 가장 간단한 연결로, 두 개의 세라믹판 사이 금속판(shim)을 넣어 접합한 뒤, 얇은 동축케이블(coaxial cable)을 연결하는 것으로 케이블의 각각을 각 세라믹판의 외부에 납땜한다. 또한, 병렬연결은 전압이 가해질 때 각각의 세라믹판이 독립적으로 움직이기 때문에 금속판과 세라믹판의 접합을 전도성 에폭시로 접착한다. 이 때 두 세라믹판 사이의 합선을 주의하여야 한다.

그리고, 같은 양의 변위를 얻기 위하여 병렬연결이 직렬연결보다 더 적은 전압을 요구하게 되는데, 즉 같은 전압을 가하였을 때 병렬연결이 더 많은 변위를 발생시키므로 전단파 발신기(source)로 많이 사용되며, 직렬연결은 압전 특성상 작은 변위에서 높은 전압이 발생하므로 발신기로부터 발생되어 대상 시료를 통과한 신호의 감지기(receive)로 사용된다.

한편, 전단파 속도(

)는 발신측 벤더엘리먼트에 입력된 신호와 수신측 벤더엘리먼트를 통해 출력된 신호의 시간차를 이용하여 구할 수 있다.

상기 입력신호는 교류전류발생기에서 발생시키며, 입력신호와 출력신호는 오실로스코프를 통해 수집되어 신호해석을 통해 두 신호의 시간차를 구한다.

상기

이다.

여기서,

은 발신측과 수신측 사이의 거리이며,

는 입력신호와 출력신호 사이의 시간차이다.

또한, 최대전단계수 (

)값은 토질 전단파 속도를 이용하여 다음의 식으로 계산될 수 있다.

여기서,

는 시료의 밀도이다.

한편, 시료의 교란도는 비교란 시료와 완전교란된 시료의 최대전단계수의 차에 대한 비교란 시료와 교란 시료의 최대전단계수 차의 비로 나타낼 수 있다.

즉,

여기서,

은 시료의 교란도,

는 비교란 시료의 최대전단계수,

는 완전교란된 시료의 최대전단계수,

는 교란된 시료의 최대전단계수이다.

또한, 상기 비교란 시료의 최대전단계수는 현장 전단파 속도 측정을 통해 구할 수 있으며, 교란된 시료의 최대전단계수는 예압밀 셀을 통해 현장 응력상태로 압밀된 시료의 전단파 속도를 벤더엘리먼트를 이용하여 측정함으로써 산정할 수 있다.

특히, 교란 정도를 달리하여 임의로 교란시킨 시료들에 대한 삼축압축 전단실험과 벤더엘리먼트 측정을 통해 각각의 시료에 대한 최대전단계수와 전단강도가 구해지면 시료의 교란도와 기준변형률,

사이의 관계를 파악할 수 있다.

상기

기준변형률은 최대전단계수와 전단강도의 최대값

의 교점으로 정의할 수 있으며,

이다.

상기 비교란 현장지반의 전단강도는 교란도와 기준변형률 사이의 관계식을 산정한 후 교란도가 0%일 때 산정된 기준변형률을 이용하여 구할 수 있다.

즉, 교란도가 0%인 현장지반에 대한 전단실험을 수행할 수 없기 때문에 현장으로부터 샘플링된 시료들(교란 정도를 서로 달리한 시료들)에 대한 삼축압축실험 및 벤더엘리먼트 측정을 통해 교란도와 기준변형률 사이의 경험적인 추세선을 파악한 후 이를 통해 교란도가 0%일 경우의 기준변형률을 산정하여 비교란 전단강도를 산정한다.

상기의 공식을 이용하여 본 발명에 따른 원지반의 전단강도 예측방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 벤더엘리먼트가 장착된 현장 전단파 속도 측정 장비를 이용하여 전단파 속도 측정하고,

를 통해 비교란 현장 지반의 최대전단계수 값(

)을 구한다.

그 후에 현장에서 채취된 시료를 폴리에틸렌 백에 넣어 함수비가 변화하지 않도록 밀봉한 후 손으로 반죽한 다음 몰드에 다져넣어서 완전 재성형(remold)된 시료를 제작한다.

여기서, 완전 재성형된 시료는 삼축압축실험기를 통해 현장응력상태의 구속압을 가해준다.

그 다음 벤더엘리먼트 측정을 통해 시료의 완전 재성형된 시료의 전단파속도를 측정하고 전단실험을 통해 파괴시의 전단응력을 측정한다.

여기서, 구해진 최대전단계수는 100% 교란된 시료의

이다.

그 다음 교란의 정도를 달리하여 임의로 교란시킨 시료들을 삼축압축실험기를 통해 현장응력 상태로 압밀시킨 후 벤더엘리먼트를 이용한 전단파속도 측정을 통해 각각의

를 구하고, 전단실험을 통해 각각의 전단강도를 구하며, 각각의 시료에 대한 최대전단계수와 전단강도가 구해지면

을 통해 시료의 교란도를 구하고

(기준변형률)을 구한다.

따라서, 최종적으로 기준변형률에 대한 최대전단계수의 관계를 플롯하여 도 4a에 도시된 바와 같이, 최적곡선을 구할 수 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 비교란 현장상태, 즉 교란도 0%일 경우의 기준변형률을 구할 수 있으며, 교란도 0%일 때의

를 통해 비교란 현장지반의 전단강도를 예측할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 시료 교란도와 전단강도 사이의 정량화된 관계를 도출하여 비교란 현장 지반의 정확한 전단강도를 산출하여 설계 및 해석에 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 벤더엘리먼트가 장착된 현장 전단파 속도 측정 장비를 이용하여 전단파 속도 측정하고,

   

   를 통해 비교란 현장 지반의 최대전단계수 값(

   

   )을 구하는 단계와;

   현장에서 채취된 시료를 폴리에틸렌 백에 넣어 함수비가 변화하지 않도록 밀봉한 후 손으로 반죽한 다음 몰드에 다져넣어서 완전 재성형(remold)된 시료를 제작하는 단계와;

   완전 재성형된 시료에 삼축압축실험기를 통해 현장응력상태의 구속압을 가해준 다음 벤더엘리먼트 측정을 통해 완전 교란된 시료의 최대전단계수 값 (

   

   )를 구하고 하고 전단실험을 통해 파괴시의 전단응력을 측정하는 단계와;

   교란의 정도를 달리하여 임의로 교란시킨 시료들을 삼축압축실험기를 통해 현장응력 상태로 압밀시킨 후 벤더엘리먼트를 이용한 전단파속도 측정을 통해 각각의

   

   를 구하고, 전단실험을 통해 각각의 전단강도를 구하며, 각각의 시료에 대한 최대전단계수와 전단강도가 구해지면

   

   을 통해 시료의 교란도를 구하고

   

   (기준변형률)을 구한 후, 교란도와

   

   의 관계를 통해 교란도 0%일 때의

   

   을 구하여 비교란 현장지반의 전단강도를 예측하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원지반의 전단강도 예측방법.

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