바이오폴리머 처리 뒤채움재의 수평변위에 따른 토압거동에 관한 실험 연구
Experimental Study on Earth Pressure Behavior of Biopolymer-treated Backfill Material Considering Lateral Displacement
초록/요약
일반적으로 옹벽의 뒤채움재로 배수성과 강도 확보가 용이한 양질사질토를 사용하고 있다. 최근에는 구조물의 안정성을 향상시키기 위해 경량화 재료를 사용하거나 지반의 점착력을 증가시켜 토압을 경감시키는 재료의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 바이오폴리머로 (잔탄검) 처리한 뒤채움재의 수평토압 경감 효과를 확인하기 위해 바이오폴리머 처리 간격과 농도, 경화 전 (습윤) 및 경화 후 (건조) 조건, 상재하중을 실험변수로 하여 모형시험을 수행하였다. 연직벽체 배면에는 바이오폴리머 (잔탄검) 처리층을 일정간격으로 조성하고, 벽체의 변위 (하단중심 회전) 에 따른 수평토압 분포 및 쐐기파괴 형상을 측정 하였으며, 이미지 분석 기법 PIV (Particle image velocimetry) 를 활용하여 파괴 형상을 확인하였다. 모형시험 결과 바이오폴리머의 처리 간격과 농도의 차이에 의한 영향은 크지 않았다. 경화 전의 시험에서 벽체의 회전에 의한 수평토압은 강도개선 효과가 크지 않아 무처리 지반 (사질지반) 의 시험 조건과 유사한 수평토압의 크기를 보였다. 그러나 경화 후의 시험조건에서는 처리된 층의 수평선반 효과 및 지반 내 보강체 역할로 인해 수평토압의 저감효과가 발생하였다. 이미지 분석 결과, 바이오폴리머 경화 전에는 무처리 지반과 유사한 삼각형 쐐기 형상으로 파괴되었으나, 경화 후에는 처리된 층의 영향으로 파괴 형상이 변하는 것을 확인하였다. Rankine 벽체에 주동파괴 (한계변위) 가 발생한 후 수평토압은 벽체의 회전 변위에 비례하여 선형적으로 감소하게 되며, 쐐기파괴는 형상을 유지하며 크기 는 확장되는 2차 변형을 보였다.
more초록/요약
Because of its efficient drainage and relatively high shear strength, well-graded sand is widely used as a backfill material behind retaining walls. Recently, there have been attempts to use light-weight materials to lessen the weight of backfill materials and the lateral earth pressure that comes with them. Multiple layers of biopolymer-based soil treatment (BPST) with various biopolymer content and moist (pre-dehydration and post-dehydration) conditions have been investigated in this study as a new backfill material. This study used a large-scale soil box setup with a rotating wall and earth pressure gages and load cells mounted in several locations. The lateral earth pressure of a 700 mm height backfill was monitored with the earth pressure gages and load cells while the wall rotated relying on the bottom hinge. Particle image velocimetry (PIV) was used to analyze the total strain and movement of the backfill material. The lateral earth pressure distribution (both at rest and active cases) for pre-dehydrated BPST layers showed essentially no difference as compared to the untreated instance. In the meantime, post-dehydrated BPST conditions revealed a significant reduction in lateral earth pressure, particularly in active cases. The BPST backfill had a triangular wedge failure mode in pre-dehydrated conditions, which is identical to the failure mode of untreated soil, according to PIV analysis result. The post-dehydrated condition, on the other hand, revealed a different failure mode in which the form was highly dependent on the presence of BPST layers.
more목차
제 1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 2
1.2.1 기존의 토압이론 발전 2
1.2.2 뒤채움 흙의 주요 고려 사항 3
1.2.3 뒤채움에 사용되는 신재료 연구 동향 4
1.3 연구목적 및 필요성 6
1.4 연구내용 및 범위 7
제 2장 이론적 배경 8
2.1 옹벽의 안정 8
2.2 토압의 형태 9
2.2.1 토압의 형태 9
2.2.2 토압계수 10
2.2.3 벽체변위와 토압 10
2.3 극한토압 15
2.3.1 극한토압의 정의 15
2.3.2 극한토압 이론 15
2.4 바이오폴리머의 특성 22
2.4.1 잔탄검 (Xanthan gum) 의 성질 23
2.4.2 잔탄검 (Xanthan gum) 의 공학적 특성 24
제 3장 모형시험 28
3.1 개요 28
3.2 모형지반의 특성 28
3.2.1 모형지반의 물리적 특성 28
3.2.2 바이오폴리머 혼합물 시료 제작 30
3.2.3 모형지반의 역학적 특성 31
3.3 모형시험기 33
3.3.1 모형시험기 33
3.3.2 모형지반 조성장치 35
3.4 시험 변수 36
3.5 계측 시스템 38
3.6 모형시험 수행방법 40
3.6.1 모형시험 수행방법 40
3.6.2 GeoPIV 이미지 분석 기법 41
제 4장 모형시험 결과 43
4.1 개요 43
4.2 초기응력 (정지토압) 44
4.3 벽체의 수평변위에 의한 토압분포와 한계변위 49
4.3.1 수평토압과 한계변위 50
4.3.2 GeoPIV 이미지 분석 55
4.3.3 분리된 벽체에 작용하는 수평토압 61
제 5장 결과분석 및 토의 65
5.1 개요 65
5.2 모형시험 분석 및 고찰 65
5.2.1 초기응력 (정지토압) 65
5.2.2 벽체 변위에 따른 수평토압 68
5.3 후속연구 71
제 6장 결론 73
참고문헌 74
부록 79
Abstract 86
