Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 4 pp. 319-324, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.4.319 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 갭입도변화에따른사질토의지지력향상효과 김갑부 1, 문준호 2, 구교영 2, 전영우 3, 김영욱 2* 1 에이스올 2 명지대학교토목환경공학과 3 국립재난안전연구원 Effect of Gap grade on Shear Strength of sandy soil Kab-Boo Kim 1, Jun-Ho Moon 2, Kyo-Young Gu 2, Young-Woo Chun 3, Young-Uk Kim 2* 1 ACEALL 2 Department of Civil and Environmental Engineering, Myongji University 3 National Disaster Management Research Institute 요약입도분포가다양한입자크기로이루어져있는지반은일반적으로지반의강도가좋다. 입도분포가다양하지않음에도충분한지지력을가지고있는지반이더러있는데, 이러한지반의특징은 Gap 입도로분포되어있다는것이다. 이를바탕으로유추하여보면입자의크기가다양하지않더라도적절한입도의배치를통해강한지반이조성될수있음을알수있다. 이연구에서는임의로조성한 Gap 입도시료와 well, uniform 입도시료와의내부마찰각의변화에대하여고찰하였다. 큰입자와작은입자크기의비율에따라서시료를조성한후직접전단시험을수행하여지반의강도정수를구하고결과를비교분석하였다. 연구결과시료의입자크기비와내부마찰각을연관시킬수있었으며입도의분포가 Gap이라고하더라도주어진조건에서가장큰입자크기비를가지고있는시료가다양한입도분포의시료보다큰마찰력을가질수있음을알수있었다. 또한중간입자크기를가지고있는시료로조성한 uniform시료보다도같은입자크기의 Gap 입도시료가더큰강도를지니고있었다. 비교적간단한입도의조정만으로도대상지반의강도를추가적으로증대시킬수있는공법개발의기초를확립하였다. Abstract Soils with various particle sizes generally show good shear strength. Some soils have a relatively strong resistance to shear failure in spite of narrow particle distribution, such as gap grading. Based on this example, it can be inferred that appropriate arrangements of particle size in soils might result in an increase in shear strength. This study investigates the strength variation of soils with respect to the particle size distribution. Gap, well, and uniform graded soils were prepared with a desired ratio, and a wide range of direct shear tests were done using the prepared samples. The test results show that there is a strong relationship between the particle size ratio and internal frictional angle. Gap graded soil has a greater frictional angle than a well-graded sample, even when specimens have the same maximum particle size, which is also the case for the uniform grade specimen. The results have potential for developing a methodology for stronger soils through a simple manipulation of particle size distribution. Keywords : Shear strength, Particle size distribution, Direct shear test, Gap grade, Internal friction angle. 본논문은 2014 년도명지대학교교책중점연구소지원으로연구되었음. * Corresponding Author : Young-Uk Kim(Myongji Univ.) Received January 15, 2016 Accepted April 7, 2016 1. 서론 일반적으로지반의강도는점착력과내부마찰각에의해결정된다. 그중내부마찰각은입도분포에영향을받으며, 입도분포의균등계수 값이증가함에따라내부 마찰각이증가하는것으로알려져있다 [1, 2]. 즉, 작은입자크기와큰입자크기의차이가커짐에따라지반의내부마찰각은커지게되고, 균질한지반에비해입자의크기가고르게잘분포한지반의전단강도가더크다 [3]. 입자의크기측면에서보면, 주로입도분포상의자갈의 Revised (1st March 10, 2016, 2nd March 22, 2016) Published April 30, 2016 319
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 비율이높거나 의입자크기가크면내부마찰각또한증가한다 [4]. 다시말해지반의강도가좋은지반의특징은입도분포가다양한입자크기의알갱이들이균등하게이루어져있다는것이다. 토목구조물은사용성과안정성을확보하기위하여지반의강도를특히중요하게여긴다. 강한지반에설치되어야할구조물중도로및공항을예로들수있다. 특히공항활주로는거대한중량의비행기가이착륙할수있을만큼의충분한지반강도가필요하다. 반면에잘알려지지는않았지만, 해변주변에서포장없이도비행기가이착륙하기에충분한지지력을지닌천연비행장이전세계에두곳이있다. 한곳은우리나라의백령도해변이고다른한곳은이탈리아의나폴리해변이다. 보편적으로공항에서는콘크리트나아스팔트로포장된활주로가필요함에도불구하고이두곳은천연해변모래지반만으로도비행기의이착륙이가능할정도의지반강도를소유하고있어서이현상에대한고찰이여러곳에서수행되었다 [5, 6]. 백령도사곶천연비행장의지반입도분포를보면통일분류법상 SP로구분되고, Gap 입도로분포되어있다. 갭입도를갖는흙은입도가불량한흙을뜻하며입도푼포가다양하지않다. 입도분포가다양하지않음에도충분한지지력을갖고있어이에대한충분한고찰이진행된다면입도의종류가다양하지않더라도강한지반을조성할수있다고추론할수있다. 본연구에서는 Gap 입도시료를임의로조성하여 Gap 입도가지반강도증진과관계가있는가에대한연구를진행하였고, 입도분포에따른마찰각의변화를고찰하였다. 지반의강도정수를구하기위하여큰입자와작은입자크기의비율에따른직접전단시험을수행하였으며입도분포가다양한시료와비교분석하였다. Gap 입도란입도분포가고르지못하여통일분류법상 Poorly graded로표기할수있는흙의입도를말한다. Gap입도인지아닌지판단하는근거는일반적으로균등계수, 와곡률계수, 로판단한다. 입도분포가양호한지반은다음의두조건을동시에만족하여하한다. 1. >4, 2. 의두조건을동시에만족시키지못하면입도분포가양호하지못한것으로본다 [9]. 본연구에서는입자의크기가상이하게다른두입자를섞어 Gap입도시료를임의로조성하여실험을진행하였다. 2. 본론 지반의강도가높은지반은공극률이작고단위중량이높다고할수있다. 따라서지반의강도를높이기위하여입도분포를양호하게하거나다짐을통해공극률을낮춰지반의탄성계수또는내부마찰각을증진시킨다 [7]. 지반의미소적인관점으로보면, 흙알갱이들의배치혹은거동을통하여지반의강도변화를개략적으로예측할수있다. 흙알갱이들에전달되는응력이나입자간의마찰이일어나면서발생되는엇물림효과 (interlocking) 가지반의강도발현에큰영향을미치는것으로알려져있다. 따라서입도분포가고르지않은사곶천연비행장이비교적큰지반강도를보이는이유는두개의주류입자가큰하중을잘견딜수있도록적절하게입자배열이이루어져서가능하다는것을간접적으로판단할수있다. 이에대한수치적판단을위해서실내전단시험을수행하였다. 용인소재의골재장에서채취한시료를입도분석하고골재의입도분포를파악하여, 입자크기별로따로구분하고이를바탕으로임의의 Gap 입도시료를조성하였다. 준비된시료를활용하여입도별직접전단시험을수행하였으며, 입도별마찰각의변화를고찰하였다. 2.1 실내시험 2.1.1 직접전단시험 직접전단시험기의전단상자는흙시료를담을수있는용기로서수평으로갈라져두쪽으로나뉠수있다. 시료에가해지는연직력은전단상자위쪽에서가해지며수직력의크기를고정시킨상태에서수평력을가하여전단상자의갈라진면을따라흙을전단시킨다. 시료가전단파괴될때의수평저항력과수직응력을이용하여내부마찰각을산정할수있다. 아래의 Table 1. 은일반적인시료의대표마찰각을나타냈다. Table 1. General Internal Friction Angle of Sand[8] Type of soil (deg) Sand : Round Grains Loose 28 ~ 30 Medium 30 ~ 35 Dense 35 ~ 38 Sand : Angular Grains Loose 30 ~ 35 Medium 35 ~ 40 Dense 40 ~ 45 Sandy gravel 34 ~ 48 320
갭입도변화에따른사질토의지지력향상효과 직접전단시험은시료의경계에응력이집중되므로응력이전단면에골고루분포하지않아점진적인파괴가일어날뿐만아니라, 전단면이미리결정되고, 시험시작전의주응력의방향은연직방향과수평방향이지만전단시에주응력방향이회전하는단점이있다. 하지만이러한단점에도불구하고시험방법이간단하고시험결과를빨리얻을수있으므로사질토에대한전단시험으로자주사용된다. 2.1.2 시험장비이시험에사용된전단시험기는연엔지니어링사의 Auto Direct Shear Tester 로서공압으로수직응력을제어, 유지한다. 수평응력은가압기로가하며, 시간별변위량을설정할수있는변위제어방식의시스템이다. 이시험에서는일반적전단속도인 0.3 mm/min의속도로전단시켜시험을수행하였다. 다음그림은시험에사용된직접전단시험기와시료조성용몰드로나타낸다. 2.4 시험조건이시험에서는임의로제일작은사이즈의입자를중심으로활용하여 Gap 입도시료를조성하였다. 이를 Table 3. 에자세히정리하였다. 시험조건에서중요하게생각한것은몰드 (mold) 안에들어가는입자의수 ( 큰입자 + 작은입자 ) 가시험별로동일하도록유지하는것이다. 비중이상수이므로 ( 한종류의시료 ) 부피와무게를서로병행하여사용할수있고각시료의배합비는다음식을활용하여구하였다. 또한비교검토를위한 Control 용입도를두개추가로조성하였는데, 이번시험에사용된입자크기분포에서중간치에해당하는 3.08mm입자로구성된시료와본래채취한골재의양호한입도분포를가지고있는시료를준비하여시험에사용하였다. 이를각각 U1과 W7로명명하였고, 시험조건별시료배합비를 Table 3. 에표시하였다. 또한이에해당하는균등계수와곡률계수도함께표시하였다. (a) Auto Direct Shear Tester Fig. 1. Direct Shear Test Apparatus (b) Shear Box D : Big Particle Size d : Small Particle Size Table 3. Test Program 2.3 입도분포 앞에서기술하였듯이시료는골재장에서임의로토사를선택했다. 체분석을통하여통과한체크기와통과하지못한체크기를평균하고대표입도를정하여활용하였다. 이를정리하면다음표와같다. Table 2. Particle Size Distribution Passing sieve size Non passing sieve size Particle size 4.75 4 4.38 4 3.35 3.68 3.35 2.8 3.08 2.8 2 2.4 2 1.7 1.85 1.7 1 1.35 1 0.85 0.93 Particle CASE size Particle size ratio Weight ratio (%) U1 1.1 0.97 3.08 1 100 G2 1.13 1.04 1.85 88.9 2 0.93 11.1 G3 1.17 0.98 2.4 94.6 2.6 0.93 5.4 G4 1.08 0.98 3.08 97.4 3.32 0.93 2.6 G5 1.09 0.97 3.68 98.4 3.97 0.93 1.6 G6 1.09 0.99 4.38 99.1 4.73 0.93 0.9 4.38 40 3.68 10 3.08 10 W7 4.17 1.26 2.4 15 1.85 5 1.35 7 0.93 13 321
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 내부마찰각을구하기위하여수직하중 10kPa, 20kPa, 30kPa 을가하고그때의수평저항력을측정하고내부마찰각을산출했다. 전단시험시상대밀도를일정하게유지하기위하여전단상자에시료의총무게 177g 시료를 3개층으로나누어같은에너지로층마다다짐을실시하고실험을진행하였다. 또한결과의신뢰성을확보하기위하여동일한시험을 3회실시하고평균값을취하여결과분석을수행하였다. 3. 결과및고찰 Table 4. 의시험결과는 Coulomb의파괴포락선에의한내부마찰각으로시료의강도를표현하였다. U1과 G4를비교하여보면균질한입자보다는작은입자가포함된시료가더큰강도를보여주고있다. 이는미세입자가굵은입자사이에위치하여미끄럼저항을더강하게발현될수있도록돕고있다고간접적으로유추할수있다. 또한 G6가같은최대입경을가지고있는 W7보다큰저항을보이므로양호한입도보다더큰강도의지반조성에비교적간단한절차로가능하다는것을알수있었다. Table 4. Internal friction angle of Test CASE Internal Friction Angle U1 46.7 G2 42.5 G3 48.3 G4 48.0 G5 48.9 G6 55.3 W7 51.1 Table 4. 에서도알수있듯이 Particle Size Ratio에따라마찰계수가점점커지는것을알수있으며, 이를 Fig 2. 에도식화하였다. Fig 2. 에서 Long Dash Line은표준사내부마찰각을나타낸것으로입자크기는 0.6 mm로균질한입도분포를가진시료의내부마찰각을나타낸다. Fig 3. 의그래프는시험에사용된입도의입도분포곡선에서 을구하고이에따른마찰각을대칭하여표시했다. Fig 3. 에나타나듯이각시료의 이커짐에따라내부마찰각도증가하는것을볼수있으며, 이는 J. Wang et al. (2013) 의 연구결과와도일치한다 [4]. Internal Friction Angle( o ) 60 55 50 45 40 35 30 0 1 2 3 4 5 P a rticle S ize R a tio Fig. 2. Internal Friction Angle with Particle Size Ratio Internal Friction Angle( o ) 56 54 52 50 48 46 44 42 40 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Diam eter at 50% Percentage Passing Fig. 3. Internal Friction Angle with Diameter at 50% Percentage Passing In te rn a l frictio n a n g le ( o ) 56 54 52 50 48 46 44 42 40 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 The uniform ity coefficient, Cu Fig. 4. Internal Friction Angle with Uniformity Coefficient 322
갭입도변화에따른사질토의지지력향상효과 Fig 4. 의그래프는사용된시료의입도분포곡선에서균등계수를결정하고균등계수에따른내부마찰각을나타낸것인데, 그림에서보이듯이균등계수와내부마찰각은상관관계가없는것으로나타난다. 4. 결론본연구는직접전단시험으로 Well graded soil과 Gap graded soil의강도를비교하고, 입자구성비에따른전단거동특성을파악하였다. 내부마찰각을산정하기위하여수직하중 10kPa, 20kPa, 30kPa을가하고그때의수평저항력을측정하고 Coulomb의파괴포락선에의한내부마찰각을산출했다. Gap 입도시료의입자크기비와입자크기가커질수록내부마찰각이증가하는경향이보이고, 에따른내부마찰각도증가하는것으로나타났으며, 균등계수에따른내부마찰각의변화양상을특정할수없었다. 다른 Gap 입도시료와다르게 G6의경우입도분포가좋은 W7시료보다 4.2 큰 55.3 의큰전단저항각을지닌것으로측정되었다. 이로서, 특정한입자크기비를갖는 Gap 입도시료가입도분포가좋은흙보다더큰전단저항각을나타낼수있음을확인할수있었다. 이처럼, Well graded soil보다 Gap graded soil의내부마찰각이더크게측정되어 Gap graded soil에대한연구가추가적으로더진행되면간단한입자구성만으로지반의강도를증가시킬수있는공법개발이가능할것으로판단된다. 즉, 구하기가쉽지않은입도분포가양호한토양을주위에서취득한골재로연구결과에따른입도분포를임의로조성하여적용하면지지력이매우향상된지반으로보강이가능할것으로판단된다. 그러나입도조절을한입도불량흙의강도가개선되었다는점이주요발견사항이지만, 실제설계에적용함에있어많은무리가따른다고보인다. 따라서이연구가공학적으로의미를갖기위해서는추가적으로경제성과더불어다른공학적특성에있어서도괄목할만한개선이확인되어야할것이다. References [1] E. M. Kara, M. Meghachou, N. Aboubekr, Contribution of Particles Size Ranges to Sand Friction, ETASR - Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 3, pp. 497-501, 2013 [2] G. Viggiani, M. K"Nuntz, J. Desrues, An experimental investigation of the relationships between grain size distribution and shear banding in sand, sand, Continuous and Discontinuous Modeling of Cohesive Frictional Materials, Lecture Notes in Physics, Vol. 568, pp. 111-127, 2001. [3] M. N. Islam, A. Siddika, Md. B. Hossain, A. Rahman, Md. A. Asad, EFFECT OF PARTICLE SIZE ON THE SHEAR STRENGTH BEHAVIOUR OF SANDS, Australian Geomechanics, Vol 46, pp. 75-86, September, 2011 [4] J. Wang, H. Zhang, S. Tang, Y. Liang, Effects of Particle Size Distribution on Shear Strength of Accumulation Soil JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING, Vol 139, pp. 1994-1997, November, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000931 [5] Sang San Park, Nam Jun Cho, A study on bearing capacity of Sagot beach in Baekryoung island, Journal of the Korean Geotechnical Society, pp. 1183-1190, March, 2005. [6] Ho Gyun Lim, A Study on Geotechnical Characteristics at Sagot Beach, Beaekryoung Island, Master s thesis, Graduate school of Kookmin Univ, Seoul, 2004. [7] I. Smith, 9th edition Smith s Elements of Soil Mechanics, Wiley Blackwell, 2014. [8] BRAJA M. DAS, 4th edition Advanced Soil Mechanics, CRC Press, 2013. [9] T.Willam Lambe, Robert V. Whitman. Soil Mechanics, p. 553, JOHN WILEY & SONS, 1969 김갑부 (Kab-Boo Kim) [ 정회원 ] 토립자배열, 기초공학, 흙의전단강도 1989 년 2 월 : 서울대학교지질과학과 ( 이학학사 ) 1991 년 2 월 : KAIST 토목공학과 ( 공학석사 ) 323
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