1. 서 론
흙이나 암석 및 콘크리트와 같은 토목재료의 강도 평가는 응력 또는 변형률 제어로 실험을 실시하고 있다. 예를 들면, 콘크리트 공시체의 경우는 0.6±0.4MPa/sec와 같이 응력제어로 강도시험을 실시한다(KS F 2405). 일반적으로 콘크리트의 강도는 재하속도가 빠를수록 높게 측정되며, 공시체의 형상과 크기 또한 콘크리트의 강도에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Gonnerman 1925; Yang et al., 2004). 한편, 흙과 같이 상대적으로 낮은 강도를 가진 시료는 축변형률 1%/min와 같이 일정한 변형률로 실험을 실시하여 흙의 강도를 구하고 있다. 이러한 흙과 지반구조물의 변형이나 파괴는 매우 광범위한 범위에서 일어나고 폭우나 지진과 같은 특수한 상황이 아닌 경우 장기간에 걸쳐 천천히 발생하기에 속도에 대한 영향을 크게 고려하고 있지 않는 상황이다. 따라서, 흙의 강도시험에서 재하속도는 KS(Korea Standard)나 ASTM(American Standards for Testing Materials) 기준에 따라 크게 차이 나지 않으며, 일반적으로 축변형률 1%/min을 표준 재하속도로 제시하고 있다.
하지만, 현장에서 발생하는 토사의 변형은 1%/min 보다 느리거나 빠른 속도로 다양하게 발생한다. Cruden and Varnes(1996)은 산사태의 속도에 따른 토사 흐름을 정성적으로 분류하였다. 이 분류법에 따르면 0.3-30mm/min의 경우 보통으로 분류하였으며, 토질시험에 사용되고 있는 1mm/min(높이 10cm인 공시체인 경우 1%/min과 동일)의 속도는 보통으로 분류된다. 한편, 0.3-0.003mm/min의 경우 느리거나 매우 느린으로 분류하였다. Leroueil(2001)를 비롯한 여러 연구자들(Lupini et al., 1981; Saito et al., 2006; Scaringi and Di Maio, 2016; Tika et al., 1996)은 이러한 산사태 평가 시 점토 시료의 잔류강도를 평가하기 위해 링전단시험 등을 이용하여 재하속도에 따른 잔류강도를 연구하였다.
실내시험 시 전단속도와 강도의 상관관계는 최근까지 많은 연구자들에 의해 연구되었다(Whitman et al., 1962; Dechao et al., 1991; Martinez et al., 2019; Ohayon and Pinkert, 2021). 즉, 흙의 점착력과 내부 마찰각을 구하기 위해 일반적으로 사용되는 삼축압축시험과 직접전단시험을 이용하여 전단속도가 강도에 미치는 영향에 대한 연구가 상당히 수행되었다. 그러나, 실내시험에서 전단속도의 영향을 연구한 결과는 대부분 포화된 점토에 대한 사례이며 불포화토에 대한 연구들도 일부 존재한다. 본 연구에서는 재하속도가 증가함에 따라 발생하는 간극수의 영향을 배제하기 위해 건조모래를 사용하였으며, 관련 연구 사례 또한 많지 않은 실정이다. 한편, 지반개량이나 안정화에는 시멘트를 주로 사용하며 시멘트를 3-16% 정도 포함한 흙을 시멘트 혼합토라 부른다(PCA, 1995). 시멘트 혼합토는 콘크리트 보다 투수성이 좋고 입자간의 고결작용으로 건조 시 흙의 체적변화를 감소시킬 뿐 아니라 강도도 증가시켜 기초지반 및 연약지반의 보강, 옹벽의 뒤채움재 및 기층재로 사용될 수 있다(Park et al., 2009). 이러한 고결 모래에 대한 연구 또한 양생방법이나 물성치에 대한 연구는 많이 수행되었으나, 강도평가 시 수행되는 시험방법에 따른 재하속도의 영향은 여전히 연구가 필요한 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 실내에서 실시하는 강도시험법이 제시하고 있는 재하속도와 현장 지반의 재하조건에 따른 다양한 상황에서 발생하는 재하속도의 차이와 이로 인한 강도 및 강성의 차이를 비교하기 위하여 직접전단시험과 일축압축시험을 실시하였다. 미고결 건조모래에 대한 직접전단시험과 소량의 시멘트로 고결된 모래의 일축압축시험을 실시하였으며, 재하속도에 따른 고결 및 미고결 모래의 강도 변화를 비교 분석하였다. 또한, 재하속도에 따른 고결 모래의 응력-변형률 관계를 분석하기 위해 개별요소법을 이용한 수치해석을 실시하였다.
2. 실험 재료 및 공시체 제작방법
본 실험은 시험방법과 관련된 연구이므로 국내 표준사인 주문진모래를 사용하였다. 주문진모래는 토질 및 기초공학 분야의 다양한 실내 및 모형실험에 사용되고 있으며, 직접전단시험, 삼축압축시험 등과 같은 많은 실내시험 자료가 축적되어 있어 결과를 비교 분석하기가 용이하다. 주문진모래는 국내 다른 지역에서 채취되는 규사들보다 불순물 함유량이 적고 모난 모양이 덜하고 거칠기가 원만하여 여과사 및 주물사에 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 주문진모래는 출하 시기의 환경적인 요인에 따라 물리적 특성이 변할 수 있으나, 그 차이는 미미하다. 본 연구에서 사용한 주문진모래의 비중은 2.63이고, 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)으로 SP에 해당된다. Fig. 1은 주문진모래의 입도분포곡선을 나타내고 있으며, 입도 특성은 Table 1과 같다. Fig. 2는 주문진모래의 사진(a)과 SEM 사진(b)을 나타내고 있으며, 약간 모나거나 둥근 모양을 하고 있다.
Table 1.
Material properties of Jumunjin sand
|
Specific gravity |
D60 (mm) |
D50 (mm) |
D30 (mm) |
D10 (mm) |
Coef. of Uniformity |
Coef. of Curvature | USCS | emax | emin |
| 2.63 | 0.62 | 0.52 | 0.45 | 0.31 | 2.00 | 1.06 | SP | 0.98 | 0.56 |
고결 모래 제작에는 S사 포틀랜드시멘트를 사용하였다. 포틀랜드시멘트는 대표적인 수경성 시멘트로, Table 2와 같이 주성분으로 실리카, 알루미늄, 산화철 및 석회 등을 포함한 원료로 구성되었다. 본 연구에서는 일반 토목건축공사에 주로 사용하는 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 어느 지역이든 다량으로 산출되는 원료로 생산되기 때문에 제조가 쉽고 품질이 우수하고 가격이 저렴하다. 물리적 성질로 분말도를 나타내는 비표면적은 3,475cm2/g이고, 3일 양생 압축강도는 29.5MPa, 7일 양생 압축강도는 44.4MPa, 28일 양생 압축강도는 59.3MPa이다.
Table 2.
Material properties of ordinary Portland cement
| Component | SiO2 | Al2O3 | K2O | Na2O | Fe2O3 | CaO | BaO | Cl | L.O.I |
| Content (%) | 87.70 | 6.61 | 4.03 | 0.76 | 0.25 | 0.11 | 0.09 | 0.07 | 0.38 |
미고결 건조모래를 사용한 직접전단시험에서는 직경 63.5mm, 높이 25.4mm인 원형 모양의 전단상자를 사용하였다. 소정의 상대밀도에 해당하는 주문진모래를 준비하여 깔때기로 전단상자 내부로 낙하시킨 다음 고무망치로 상자 외부를 가볍게 타격하면서 목표로 한 상대밀도 40, 60, 80%로 제작하였다. 상대밀도 성형을 끝낸 전단상자를 전단시험기로 옮겨 직접전단시험을 수행하였다. 직접전단 시험기는 Geocomp사의 Shear Trace II 모델이 사용되었으며 시험기기는 Fig. 3의 (a)와 같다.
고결 모래를 사용한 일축압축시험에서는 직경 50mm, 높이 100mm의 원기둥 모양의 공시체를 제작하였다. 일축압축시험기는 국내의 연엔지니어링사의 YUT-5T 시험기기를 사용하였으며 시험기기와 공시체는 Fig. 3의 (b)와 같다. 시멘트비(Cement Ratio, CR)는 식 (1)과 같이 전체 시료 무게에 대한 시멘트 무게로 계산하였으며, 시멘트비는 8% 및 12%로 제작하였다. 시멘트 고결을 위한 함수비는 모래의 최적함수비와 시멘트 함유량을 고려하여 15%로 결정하였으며, 각각의 목표 단위중량은 Table 3과 같다. 다짐방법으로 공시체를 제작할 경우 각층을 동일횟수로 다지면 하단부는 상단부에 비해 다짐횟수가 계속 누적되어 단위중량이 증가할 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 고안된 방법이 상단부와 하단부를 균질하게 제작하여 단위중량을 일정하게 하는 저다짐법(under compaction)이다. 저다짐법은 Ladd(1978)에 의해 처음으로 제안되었으며, 층마다 동일한 횟수의 다짐 시 발생할 수 있는 공시체의 비균질함을 보완할 수 있다. 공시체는 5개의 층으로 나누어 층마다 다짐횟수를 아래층부터 5회, 10회, 15회, 20회, 25회로 달리하여 제작하였다. 공시체의 양생 기간은 7일간이며, 밤낮 기온 변화를 발생시키지 않도록 하기 위해서 25°C 항온기에 넣어 7일간 양생하였으며, 공시체 윗부분과 아랫부분의 동일한 고결도를 유지하기 위해 매일 상하단부를 서로 뒤집어서 양생하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 직접전단시험 결과
상대밀도 40%, 60% 및 80%인 공시체의 재하속도에 따른 직접전단시험 결과를 Table 4, 5, 6에 각각 정리하였다. 본 실험 결과는 최대전단응력과 내부 마찰각으로 나누어 다음과 같이 비교 분석하였다.
Table 4.
Summary of direct shear tests on non-cemented sand with Dr = 40%
Table 5.
Summary of direct shear tests on non-cemented sand with Dr = 60%
Table 6.
Summary of direct shear tests on non-cemented sand with Dr = 80%
3.1.1 최대전단응력
일반적으로 직접전단시험에서 흙의 최대전단응력은 구속응력과 상대밀도가 증가할수록 증가하며(Simoni et al., 2006; Rankine et al., 2006; Andersen et al., 2013), 본 연구 또한 기존 연구 결과와 유사하게 증가하는 경향을 보였다. Table 4, Table 5, Table 6의 공시체 중에서 상대밀도 40%와 80%로 성형한 주문진모래를 0.64mm/min 속도로 전단한 공시체의 전단응력-변위 곡선을 대표로 Fig. 4에 나타내었다. 전단응력-수평변위 관계에서 상대밀도가 40%에서 60% 및 80%로 증가할수록 전단응력은 최대값에 도달한 후 감소하는 경향을 보였다.
Table 4, 5, 6에서 재하속도가 동일한 경우 수직응력이 100kPa에서 300kPa로 증가함에 따라 최대전단응력은 94～149kPa로 증가하였다. 한편, 재하속도와 수직하중이 동일한 경우 상대밀도가 40%에서 80%로 증가함에 따라 최대전단응력은 11～46kPa 증가하였고, 상대밀도와 수직하중이 동일하고 재하속도가 0.32mm/min 에서 2.54mm/min으로 증가할 때 12～42kPa의 증가를 보였다. 재하속도 증가에 따른 최대전단응력의 증가는 동일 수직하중 재하속도에서 상대밀도의 증가의 영향과 유사하지만, 수직응력의 증가에 따른 영향보단 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 상재하중을 받고 있는 지반의 경우 전단강도는 흙 입자를 구속하고 있는 지중응력에 의해 지배적인 영향을 받으며, 본 실험에서 적용한 재하속도도 수직응력의 영향보다는 작지만 상당히 영향을 받는 것으로 나타났다.
3.1.2 내부 마찰각
상대밀도 40, 60, 80%인 공시체의 재하속도에 따른 수직응력과 최대전단응력의 상관관계를 Fig. 5에 나타내었으며, 그 기울기는 내부 마찰각을 나타낸다. 동일한 상대밀도에서 재하속도가 증가할수록 내부 마찰각이 증가하는 경향을 보였다. 상대밀도 40%에 대한 직접전단시험의 결과는 재하속도 0.32, 0.64, 2.54mm/min에 따라 내부 마찰각이 29°, 31°, 33°로 점차적으로 증가하였으며, 상대밀도 60%에 대한 직접전단시험의 결과도 재하속도에 따라 32°, 33°, 35°로 증가하였고, 상대밀도 80%에 대한 직접전단시험의 결과도 재하속도에 따라 내부 마찰각이 34°, 36°, 38°로 증가하였다. 상대밀도가 다른 공시체별로 재하속도에 따른 내부 마찰각 변화는 Fig. 6과 같다. 재하속도에 대한 주문진모래의 내부 마찰각 크기는 상대밀도 40%와 80%에서 4° 정도 차이가 났으며, 상대밀도 60%에서 3° 정도의 차이가 났다. 한편, 동일한 속도에서 상대밀도 40～80%에 따른 내부 마찰각의 차이는 최대 5°로 나타났다.
본 실험결과는 제한된 조건이지만 재하속도가 내부 마찰각에 미치는 영향은 상대밀도가 내부 마찰각에 미치는 영향에 유사할 만큼의 변화를 발생시킴을 보여준다. 직접전단실험 결과 미고결 주문진모래의 전단강도인 내부 마찰각은 재하속도가 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 보이며, 이는 전단표면에서 입자들의 움직임과 구속응력으로 인해 발생한 경향으로 판단된다. Abrantes(2003)는 삼축압축시험을 통해서 재하속도에 따른 거동을 분석하였으며, Fig. 7과 같이 해석하였다. Fig. 7의 (a)와 (b)는 흙 입자가 이동하는 속도에 따른 궤도의 차이를 보여주는데, 낮은 속도의 입자는 전단표면의 전체영역을 따라 이동하는 반면(Fig. 7(a)), 속도가 높은 입자는 전단표면의 입자들 사이 공간을 거치지 않고 다음 입자로 도약하여 평면적 이동궤도를 형성한다(Fig. 7(b)). 하지만 구속압이 작용될 경우, 입자의 도약이 일어나지 못하고 낮은 속도의 입자와 유사한 궤도로 거동하게 된다. 본 연구의 결과 또한 이와 같은 거동이 적용된 것으로 판단된다. 재하속도가 올라갈수록, 입자들의 도약거동에 제한이 발생하며 이러한 반발이 내부 마찰각의 증가로 이어진 것으로 판단된다. Fig. 8은 수직응력 200kPa에서 상대밀도 40% 모래의 재하속도 0.32, 2.54mm/min에 대한 전단시험 중 발생한 높이변화를 보여준다. 초기 낮은 전단속도에서 느슨한 모래의 거동을 보였던 모래는 재하속도가 약 8배 증가할 시 팽창성 거동을 보였다. 이러한 팽창성 거동 또한 내부 마찰각을 증가시킨 것으로 판단된다.
3.2 일축압축시험 결과
Table 7과 8에 시멘트비 8%와 12%로 고결된 모래에 대한 일축압축시험 결과를 정리하였다. 7일 양생 후 고결 모래의 무게와 부피를 이용하여 단위중량을 측정하였으며, 압축실험 후 탈락된 파편들을 모두 모아 건조로에 24시간 건조시켜 고결 모래 전체의 함수비를 측정하였다. 단위중량과 함수비 및 탄성계수와 일축압축강도에 대한 분석은 다음과 같다.
Table 7.
Summary of unconfined compression tests on 8% cemented sand
Table 8.
Summary of unconfined compression tests on 12% cemented sand
3.2.1 함수비 및 단위중량
공시체 양생정보와 7일 양생 후 시멘트비 8%인 공시체의 함수비는 0.68～0.86% 정도이며, 시멘트비 12%인 경우는 0.81～0.97%이다. 일반적으로 시멘트비가 증가할수록 고결된 모래 입자의 결합이 치밀해지고 수화물이 증가해져 공시체 내부 수분의 증발이 억제되면서 함수비는 증가하는 경향을 보인다(Park and Choi, 2011). 건조단위중량은 시멘트비 8%인 경우 16.65～16.78kN/m3 범위이며, 그 차이는 0.13kN/m3로 건조단위중량의 1% 이내로 아주 미미하였다. 시멘트비 12%인 경우 건조단위중량은 17.34～17.77kN/m3 사이로 그 차이는 0.44kN/m3로 2% 정도 차이가 났다. 시멘트비가 8%에서 12%로 증가함에 따라 비중이 큰 시멘트 입자의 증가로 건조단위중량도 약 5% 정도 증가하였다.
3.2.2 탄성계수
시멘트비가 8% 및 12%인 공시체의 대표적인 일축압축시험 시 응력-변형률 곡선은 Fig. 9와 같다. 탄성계수는 일축압축강도의 50%에 해당하는 변형률을 이용한 할선탄성계수(secant elastic modulus)이며, 시멘트비와 재하속도에 따른 탄성계수는 Fig. 10과 같다. 시멘트비 8%인 공시체의 탄성계수는 133～179MPa 범위 내에서 분포하며, 그 차이 값은 46MPa이다. 시멘트비 12%의 탄성계수는 147～272MPa 범위 내에서 분포하며, 그 차이 값은 125MPa로 나타났다. Fig. 10에 의하면 시멘트비에 관계없이 재하속도가 증가함에 따라 탄성계수는 약간 증가하는 경향을 보이지만, 상관계수(R2)가 0.5 정도로 그 경향이 뚜렷하지 않았다. 한편, 고결력이 높은 12% 공시체가 상대적으로 취성적인 거동을 보이면서 재하속도에 따라 탄성계수가 더 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이와 같이 재하속도에 따라 탄성계수가 증가하는 경향은 암석이나 콘크리트와 같은 취성재료를 연구한 몇몇 연구자(Chen et al., 2020; Khandelwal et al., 2013; Xu et al., 2018)에 의해서도 관찰되었다.
3.2.3 일축압축강도
재하속도에 따른 시멘트비 8%와 12%인 공시체의 일축압축강도 변화는 Fig. 11과 같다. 재하속도가 0.1%/min에서 1%/min까지 증가함에 따라 일축압축강도도 증가하는 경향이 뚜렷하지만 재하속도 1%/min 이후부터는 일축압축강도의 증가가 둔화되거나 수렴하는 경향을 보였다. 특히 재하속도 0.1%/min에서 1%/min의 강도보다 시멘트비 8%, 12% 모두 약 14% 정도의 강도가 감소하였는데, 이는 낮은 재하속도에서 압축시간이 길어지며 발생한 강도 감소로 판단된다. 또한, 이러한 변화는 다양한 연구자들의 제안식에서도 유사한 관계를 볼 수 있다(Mohammed et al., 2021). Mohammed 등(2021)은 시멘트 페이스트에 나노 점토가 배합된 샘플의 역학적 성질에 대한 연구를 수행하였으며, 재하속도에 따라 시멘트 페이스트의 강도를 구하고 기존의 제안식들과 비교하였다. 그 결과에서 공통적으로 전단강도는 낮은 속도에서 증가폭이 컸으며 재하속도가 증가할수록 증가폭이 감소하였다. 본 연구의 고결 모래 또한 이러한 거동을 나타내었다.
기존 연구 사례에서도 이와 같이 일정 재하속도 이후부터는 강도 증가가 둔화되는 경향을 보였다. 예를 들면, Lee 등(2014)은 동결시킨 모래를 대상으로 재하속도가 강도와 강성에 미치는 영향을 연구하였으며, Maqsood 등(2019)도 석고로 굳힌 고결 모래의 강도실험에서 재하속도가 미치는 영향을 연구하였다. 두 연구 결과 모두 표준 재하속도인 1%/min 이하 및 이상의 속도에 대해 연구를 수행하였으며, 1%/min을 기준으로 속도가 낮을수록 강도가 감소하였고 1～2%/min 이상이 될 때 증가 경향이 감소하였다. 즉, 얼음, 석고 또는 시멘트와 같이 사용한 바인더의 차이는 있지만, 본 연구결과 또한 기존 연구 결과와 유사하게 재하속도 1%/min를 기준으로 최대강도 값의 변화가 감소하는 경향을 보였다.
재하속도가 느린 경우, 압축이 서서히 진행되면서 예상되는 파괴면의 일부에서 균열이 발생하고 그 이후 이 지점의 응력상태는 잔류응력 상태가 된다. 재하가 계속될 경우 당초 균열이 발생한 주변 지점에 다시 최대응력이 작용하면서 균열이 발생하고 확장된다. 이와 같이 재하속도가 느린 경우 서서히 확장되는 균열로 인한 부분적 항복으로 인해 낮은 응력이 발현된 것으로 판단된다. 이렇게 서서히 진행되는 파괴 현상은 실제 점토나 암반 비탈면에서도 자주 관찰되며 몇몇 연구자들은 이를 수치해석적으로 연구하기도 하였다(Eberhardt et al., 2002; Zhang et al., 2013; Dey et al., 2013). Bjerrum(1967)은 이러한 진행성 파괴에서 파괴면이 점점 확장되면서 강도는 최대강도에서 잔류강도로 전환된다고 하였다. 따라서, 일반적으로 1%/min의 재하속도로 시멘트나 석고 등으로 고결된 모래의 일축압축강도를 평가하는 것을 적절한 것으로 판단되지만, 진행성파괴가 예상되거나 장기간에 걸쳐 하중이 서서히 작용하는 경우 고결 모래의 강도를 과대평가할 수 있다.
4. 수치해석 결과
본 연구에서는 고결 모래의 실험에서 관찰된 재하속도 증가에 따른 강도 변화를 균열 발생과 파괴되는 현상을 좀 더 시각적으로 관찰하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석에는 상용 개별요소법(Discrete Element Method, DEM) 프로그램 중의 하나인 PFC2D(Particle Flow Code in 2 dimension, Itasca)를 사용하여 고결 모래의 일축압축 거동을 해석하였다. 개별요소법은 Cundall에 의해 1971년 처음으로 개발되었으며, 낱개의 입자로 이루어진 불연속체의 거동을 해석하기 위해 고안되었다. 재료가 연속체라는 설정을 기반으로 한 유한요소법이나 유한차분법과 차이가 있으며, 입자들을 개별적으로 계산하여 운동방정식에 근거하여 위치와 속도 모멘트 등을 해석한다. 입자 요소들은 개별적으로 정의되어 독립적으로 거동하며, 입자들의 접촉지점에서 역학적 상호작용이 해석된다. 외력에 의해 발생되는 불균형력을 수렴시키는 방법으로 결합력을 지닌 집합체를 모사할 수 있으며, 이러한 특징이 고결 모래를 모델링하기에 적합하다.
본 수치해석에서는 지름 5cm, 높이 10cm의 크기로 재하속도 0.5%/min에서 시멘트비 8% 및 12%인 고결 모래의 일축압축강도와 일치하도록 입력 파라미터를 조절한 다음, 동일한 입력변수를 사용하여 재하속도에 따른 입자들 사이의 균열 발달 과정을 관찰하였다. 개별요소법에 사용한 입력변수는 Table 9와 같으며, 모래에 압축 및 전단하중이 작용할 경우 이들 하중에 대한 압축강성과 전단강성의 비는 통상적으로 압축응력에 대한 강성이 3배 정도 높으므로 3을 사용하였다. Fig. 12는 일축압축시험과 개별요소법으로 계산한 응력-변형률 곡선을 비교하고 있으며, 서로 잘 일치하고 있다.
Table 9.
Input parameters of DEM analyses
동일한 입력변수로 0.5, 1, 10, 50, 100, 200%/min와 같은 다양한 재하속도에 사용하여 수치해석을 수행하였으며, Fig. 13은 각각의 재하속도에 따른 시멘트비 8%와 12% 공시체의 일축압축강도를 나타내고 있다. 개별요소법(DEM) 해석으로 구한 일축압축강도 또한 실제 실험과 같이 재하속도가 증가함에 따라 증가하였다. 하지만, 수치해석을 통한 일축압축강도는 시멘트비 8%와 12% 모두 전단속도 50%/min 이상에서 강도가 더 증가하면서 강도가 증가하는 변형률의 범위에서는 실험과 수치해석에서 다소 차이가 나타났다.
Fig. 14는 각각의 재하속도 1, 10, 100, 200%/min에서 일축압축응력이 최대값에 도달했을 때 공시체 내 입자들의 균열발생 상태를 보여주고 있으며, 붉은색 선은 입자의 균열을 표시하고 있다. 붉은색 부분은 재하속도가 200%/min로 증가함에 따라 더욱 발달하였으며, 넓은 영역에 걸쳐 분포하는 것으로 나타났다. 개별요소법 해석에서 균열이 더욱 우세하게 나타난 것은 높은 속도에서 더 많은 입자들이 붕괴에 저항한 것으로 볼 수 있으며, 더 많은 입자들의 저항은 높은 강도 발현으로 이어진 것으로 판단된다. 따라서, 실험과 수치해석 모두 재하속도가 증가함에 따라 강도가 증가하였으며, 특히 현장 지반구조물 설계 시 진행성 파괴가 우려될 경우 실험실에서 구한 값보다 낮은 값을 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
5. 결 론
본 논문은 주문진모래를 이용하여 실내시험 시 재하속도가 미고결 및 고결 모래의 강도와 강성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 느슨하거나 보통 및 조밀한 미고결 건조모래를 대상으로 직접전단시험을 실시하였으며, 시멘트비 8% 및 12%로 고결된 모래를 대상으로 일축압축시험을 실시하였다. 직접전단시험을 통하여 재하속도에 대한 내부 마찰각을 분석하였으며, 일축압축시험을 통하여 재하속도에 대한 일축압축강도와 탄성계수에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 개별요소법을 이용하여 고결 모래의 균열발달과정과 강도의 상관관계를 연구하였으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.
(1) 미고결 모래에 대한 직접전단시험 결과, 상대밀도와 재하속도가 증가할수록 모래의 내부 마찰각은 증가하였다. 특히, 재하속도가 0.32에서 2.54mm/min로 증가함에 따라 상대밀도 40%의 경우 내부 마찰각은 29에서 33°로, 60%의 경우 32에서 37°로, 80%의 경우 34에서 39°로 4～5° 정도 증가하였다. 이러한 재하속도 증가에 따른 내부 마찰각의 증가는 상대밀도 증가에 따른 내부 마찰각의 증가와 유사한 수준으로 나타났다.
(2) 시멘트비 8%인 고결 모래의 경우 재하속도가 증가함에 따라 탄성계수는 133MPa에서 179MPa로 증가하였으며, 일축압축강도는 1,294kPa에서 1,665kPa로 증가하였다. 시멘트비 12%인 공시체도 마찬가지로 탄성계수는 147MPa에서 272MPa로 강도는 2,446kPa에서 2,943kPa로 증가하였다. 즉, 시멘트비와 관계없이 일축압축강도는 재하속도가 0.1%/min 에서 표준 재하속도 1%/min까지는 증가하다가 1%/min 이후부터는 강도 증가가 미미하였다. 표준 재하속도보다 느린 경우에는 공시체 내 항복이 점진적으로 진행되면서 낮은 강도를 나타내었으며, 이는 약한 고결력을 가진 점토 비탈면에서 관찰되는 진행성파괴 해석에서 최대강도가 아닌 잔류강도를 사용하는 것과도 관련이 있다.
(3) 개별요소법을 이용하여 시멘트비 8%와 12%로 고결된 모래의 일축압축시험을 모사하였으며, 실험 결과와 유사한 응력-변형률 곡선 및 일축압축강도를 얻었다. 재하속도가 느린 경우 공시체 일부에서만 균열이 발생하지만 재하속도가 증가할수록 공시체 전체에서 균열이 발생하였다.
(4) 한편, 본 연구에서 수행한 재하속도의 느리거나 빠른 기준과 범위는 현장조건에 따라 서로 다를 수 있다. 또한, 현장 흙은 약한 고결력을 가지고 있으며 급작스런 파괴보다는 장기간 재하에 따른 부분적인 파괴가 우려되는 경우 최대강도보다는 잔류강도를 설계에 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
