토사 공진주시험과 내진설계를 위한 조사

1) 목적

​지반의 전단변형율에서 흙의 동적특성인 전단탄성계수(G)와 감쇠비(D)를 측정

2) 시험방법 및 항목

시험전경

시 험 방 법

- 원통형의 공시체에 비틂자극을 가하여 1차모드의 공진주파수(fr)와 진동크기(Ar)를 구한 후 시험기의 특성 및 공시체의 크기와 무게를 이용하여 전단파 속도(Vs), 전단탄성계수(G), 전단변형율(τ)를 구함 ​ - 저변형율 공진주시험으로 최대전단탄성계수와 최소감쇠비 산정 ​ - 고변형율 공진주시험으로 변형율변화에 따른 G및 D값의 변화상태 분석

3) 설계활용

​내진설계시 비선형특성인 감쇠비와 정규화 전단특성 곡선을 입력자료로 활용

내진설계를 위한 조사

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내진해석에서 가장 중요한 것은 검토 대상 구조물이 설치될 위치 또는 비탈면 위치에서의 설계 지반가속도계수를 결정하는 것이며,

이를 결정하기 위해서는 지반의 층상 구조, 기반암 까지의 깊이, 각 층의 밀도, 전단파속도, 전단탄성계수와 감쇠비의 비선형특성, 지하수위 그리고 지반응력상태 등에 대한 정보가 필요하다. 액상화 평가를 하기 위해서는 지반의 주상도와 지하수위를 알아야 한다.

​간편한 액상화 예측 을 위해서는 표준관입시험의 N값, 콘관입시험의 qc값, 지반의 전단파속도(Vs ) 그리고 지층 의 물리적 특성(입도 분포, 소성지수, 밀도 및 함수비) 등을 결정해야 한다. 또한 상세한 액상 화 예측을 위해서는 시료를 채취하여 실내반복시험을 실시해야 한다. 

​현장시험은 지반의 층상 구조와 관입저항치를 획득하는 관입시험(표준관입시험, 콘관입시험 등)과 전단파속도 주상도를 획득하는 탄성파시험(크로스홀 시험, 다운홀 시험, SASW 시험 등)이 있다. 

​1) 크로스홀 시험 ​

​(crosshole test) 크로스홀 시험 방법은 지반에 두 개 이상의 구멍을 뚫어 한쪽은 발진자로, 나머지 홀은 감지기로 구성하여 발진자에서 유발되는 진동이 지반을 통과하여 감지기까지 도달되는 파의 전파 속도를 깊이별로 측정하여 깊이별 전단 탄성계수와 포아송 비를 추정하는 기법이다.

​크로스홀 시험에서 홀 사이의 간격은 일반적으로 3 ~ 6 m로 하며, 홀이 3개 이상이면 하나는 발진자로 이용하고, 나머지 홀들은 감지기로 사용하여 지반 물성치 해석을 수행한다.

​2) 다운홀 시험(downhole test) ​

​다운홀 시험은 지반의 압축파 속도, 전단파 속도 측정에 널리 사용하는 방법으로, 발진자 를 지표위에 설치하고, 감지기는 검측공 내 계획된 측점 깊이에 설치한다. ​발진자에 충격 을 가하여 진동을 유발 시키는데 연직 방향으로 충격을 가하면 압축파 성분이 수평 방향으로 충격을 가하면 전단파 성분이 풍부한 진동을 발생한다.

​직접 산출법에서는 발진자 에서 출발한 탄성파가 발진자와 감지기 사이의 경사거리를 주파하는데 걸리는 시간을 측정하게 된다. 

​크로스홀 시험과 다운홀 시험의 장 · 단점은 다음의 표와 같다. ​크로스 홀 시험은 다운홀 시험에 비하여 시험 장치의 구성이 복잡하고 많은 비용이 들지만 보다 좋은 시험 결과를 얻을 수 있다.

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크로스홀 시험과 다운홀 시험 방법의 비교

3) SASW(spectral analysis of surface wave) 시험 SASW 시험 ​

​방법은 발진자와 감지기 모두를 지표면에 두고 시험하는 방법으로서, 표면파의 특성을 이용하여 지반 물성치를 결정한다.

​SASW 시험 방법은 일정한 주기의 표면파를 사용 하는 정상진동 기법을 수정 · 보완한 시험방법으로 반무한층에서 표면파의 분산 특성에 그 바탕을 두고 있다. 표면파의 분산 특성은 층상 구조의 매질에서 파의 전파 속도가 파의 주파수 에 따라 변하는 것을 의미한다.

​지반의 동적물성치를 획득하기 위하여 실내에서 수행하는 시험은 현장에서 채취한 불교란시료 또는 현장 조건과 동일하게 형성한 시료에 대해서 수행하게 되며, 공진주시험(resonant column test), 펄스시험(pulse tests), 진동삼축시험(cyclic triaxial test), 진동단순전단시험(cyclic simple shear), 비틂전단시험(torsional shear test) 및 진동탁자시험(shaking table test) 등이 있다.

​각 시험 방법에서 신뢰성 있게 측정 가능한 변형률 범위는 아래 그림과 같으며, 각 시험법으로 결정 가능한 지반 물성치는 표와 같다.​

각 실내시험법별 측정 가능한 동적 지반 물성치

실내 시험법의 변형률 범위

​ (1) 진동삼축시험​

​진동삼축시험은 Seed and Lee 에 의하여 처음으로 제시된 방법으로서, 액상화 포텐샬 측정에 가장 일반적으로 사용되어 왔다. 시험 장치의 간편성과 쉽게 적용할 수 있는 장점 때문에 응력 제어 방식의 시험 기법이 지반의 동적 전단강도를 구하기 위하여 주로 사용 된다. 

​진동삼축압축시험 과정은 우선 완전 포화된 시료에 등방 압밀과정을 통하여 초기 유효구 속압을 설정하여 주며, 체적 변형률이 일정해지는 시기까지 압밀 과정을 수행한다. ​초기 유효구속압은 현장 지반의 지반 심도와 관련이 있으므로 현장성을 고려하여 적절히 산정하여 주어야 한다. 압밀 후 시료에 축응력을 반복적으로 가하여 지진력을 재현하게 된다.

​이와 같은 시험 과정을 통하여 시료의 시간에 따른 간극수압, 변위, 응력 및 응력-변형률 관계 곡선 등에 대한 자료를 얻을 수 있다.

​아래는 대표적인 진동삼축압축시험 결과를 나타낸 것이며, 진동 하중이 가해짐에 따라서 유발되는 과잉간극수압의 양상을 나타낸 것이다.

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시간에 따른 과잉간극수압의 발현

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하중비를 변화시키면서 시험을 반복하며 3수준 이상의 하중 비를 변화시키며, 시험을 수행하여 재하 횟수-하중 비 관계곡선을 구해야 대상 지반의 지진에 대한 전단저항강도비 를 구할 수 있다.

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재하횟수에 따른 액상화 저항 강도비 곡선

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(2) 비틈전단시험 

진동삼축시험에서의 문제점을 극복하기 위하여 비틈전단시험이 개발되어 사용되고 있다. 불교란 시료를 이용하여 실험을 수행할 때는 원통형 시료를 사용하는데, 이 때 시료 내부에 발생하는 전단응력 및 전단변형의 크기가 일정하지 않은 문제점이 지적되고 있다.

​시료 내부에 발생하는 전단변형의 변화를 줄이기 위하여 중공 시료가 사용되기도 하나, 불교란 시료 성형 시 상당한 교란이 유발된다.

​(3) 공진주시험 

공진주시험은 10-5 ~ 10-1 % 의 매우 작은 변형률 범위 하에서의 지반의 동적 특성치의 변화 양상을 파악할 수 있는 시험이다. 이 시험 결과로부터 전단 탄성계수와 전단 변형 률, 감쇠비를 알 수 있다. 또한 이들 간의 관계 그래프를 통하여 지진 하중 작용 시 지반 의 거동을 파악할 수 있다.

​공진주시험은 탄성파 전달 이론에 근거하여 지반의 Young 계수 혹은 전단탄성계수와 감쇠 비를 구하는 시험이다.

​공진주시험법은 다양한 시험기가 개발되어 사용되어 오고 있으며, 주로 전단력을 작용시켜 시험을 수행하며 자유단-자유단 및 고정단-자유단 단부 조건의 공진주시험이 주로 사용되고 있다.

​(4) 펄스시험 (pulse test) ​

시료에 전단파 또는 압축파를 가하여 전달 속도를 측정하는 시험으로서, 파속으로부터 시료의 탄성계수 혹은 전단탄성계수를 구할 수 있다. 최근에 압전식 벤더 측정기 (Piezo-electric bender element)가 개발되어 발진자와 감지기로 사용되고 있다.

​전달 속도 측정 방법은 시료의 길이가 짧아 파가 도달하는 정확한 시점을 측정하기 어렵고,  저변형율 하의 변형 특성을 측정함으로써 지반의 비선형 거동을 구할 수 없다

​5) 조립토와 세립토의 전단탄성계수 및 감쇠비 곡선은 일반적으로 그림에 도시된 범위의 값을 갖는다(그림에서 F′ = G/ Gmax).​

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