연구활동
Home > 연구 활동 > 박사학위 논문 개요
 
 
   
 
1. 연구논제 설정 배경

1.1 실험 및 경험적 배경

(1) 흙은 생성과정, 초기 응력상태, 응력경로 및 시간 등에 대한 의존성을 보유하고 있다.


(2) 지반공학 분야에서의 활발한 컴퓨터의 활용은 실제 문제해석에 있어서 보다 실질적인 정수들을 적용 가능하게 하였고, 이들의 획득도 용이하게 하였다. 이는 단순화된 방법에 의해 결정된 토질정수 보다는 더 실질적인 토질정수에 대한 필요성을 점점 증대시키게 되었다.

(3) 대부분의 자연점토는 비 등방압밀응력(Anisotropic Stress)하에서 과압밀 상태를 유지하고 있으며(OCR < 3.0), 과압밀비(OCR)가 증가하면 초기 응력계수(Ko) 값도 증가한다. 일반적으로 정규 압밀 점토의 Ko는 0.6 ∼ 0.7 이지만, 기존의 연구들은 대부분 Ko이 1.0인 상태(Isotropic Stress Condition)를 기준으로 하고 있거나, 과압밀 상태인 경우에도 Ko값이 OCR값의 증감에 관계없이 일정하게 취급되어 왔다. 최근에 와서 OCR-Ko의 실제적인 관계가 고려된 실험들이 행해지고 있으나 한정적이며 종합적이 Ko-응력상태 시료의 거동에 대한 연구 데이터가 절대적으로 부족하다.


1.2 이론적 배경

등방압밀하중하의 정규압밀 점토를 대변하는 성공적인 이론으로는 Cam Clay이론(1963)과 그 모델을 골격으로 한 수정모델들을 들 수 있다. 이 이론들은 흙의 한계상태 개념(Critical State Concept)을 뼈대로하여 개발된 것으로서, 실제의 공학문제 해석에 적용할 때 다음의 두가지의 큰 한계점을 가지고 있다.

첫째 : 자연점토는 등방압밀응력보다 비 등방압력하에서 생성되고 보전되어 있고

둘째 : 대부분 정규압밀상태가 아닌 과압밀 상태를 유지하고 있다.
(즉, 상태경계면 내부에 존재하는 응력상태 보유)


이러한 실제 조건들을 여러 가지 가정을 설정함으로써 단순화하여 이론속에 수용하였다. 따라서, 점토의 상태경계면 내부에서의 (Inside the State Boundary Surface) 거동을 자세하게 규명하여 앞에서 언급한 한계점을 보완하고 현실에 부합한 이론을 제시한다는 것은 지반공학 발전에 이바지하는 일이 될 것이다. 이를 위해서는 기존 이론들에 대한 충분한 검토를 실시하여야 한다. 본 연구에서 검토된 이론들은 다음과 같다.

* Incremental Stress-Strain Theory (1963)
* Cam Caly Theory (1963)
* Modified Cam Caly Theory (1968)
* Revised Theory (1968)
* Pender's Models(O.C 및 N.C Model : 1977, 1978)
* Dafalias' Model (1987)
* Atkinson et al's Model (1987)

2. 실험계획 수립시 고려사항

실험게획은 Ko 응력상태(In-situ Stress Condition)의 시료에 여러 가지 응력경로를 부여하여 종합적인 자연점토의 거동특성을 파악하여 현실적인 데이터를 창출하도록 계획하는 한편, 초기 등방압밀 상태에서의 데이터도 제공하여 두 응력상태의 영향을 규명하도록 하였다. 더 나아가 이러한 실제적이고 유용한 데이터를 반영한 모델을 국제화할 수 있는 계획이 되도록 하였다.

3. 논문의 구성 및 성과

논문의 분량이 방대해짐에 따라 두권으로 분리하였다. 제1권에는 1장에서 5장까지, 제2권에는 6장부터 9장까지 동일한 형식으로 수록되었다. 매장마다 서론과 결론 및 논평을 첨부하여 문제의 핵심들이 선명하게 나타나도록 하였다.

문헌조사에서는 Ko 응력상태의 실험적 연구결과와 이론 및 모델을 각각 2장과 3장에 나누어서 수록하였다. 이 두장에서 문제의 핵심들이 예리하게 논평됨으로써 본 연구의 필요성 및 실험계획의 당위성을 뚜렷하게 부여하고 있다. 5장과 6장에서는 실험결과들이 체계적인 방법으로 분석되었다. 제7장에서는 기존 모델들의 예측치와 실험 결과들이 종합적으로 비교 분석되어 기존 이론들의 적용성, 신뢰성 및 한계성 등이 평가되었다.

제8장이 본 연구의 핵심부분으로서, 5, 6장에서 언급한 실험결과와 7장에서 실시된 모델평가를 근거로하여 새로운 형태의 모델이 제시되었다. 한계상태 이론에 입각한 기존 모델들은 등방압에(Isotropic Stress)의해 정규 압밀된 상태(Normally Conso- lidated State)에 적합하며 자연점토에 (Ko 상태와 경과압밀 상태) 적용하는데 한계점을 보이고 있다. 그러나, 이 이론들은 첫째 간단하고, 둘째, 파라메터가 적고, 셋째, 파라메터들을 손쉽게 얻을 수 있다는 큰 장점이 있다. 따라서 이 이론을 과압밀 상태에 적용할 수 있도록 발전시킨다는 것은 지반공학적인 측면에서 큰 가치가 있는 것이다.

본 연구에서 개발된 모델은 상태경계면 내부의(Inside the State Boundary Surface) 응력-변형율 거동을 간단하게 수식화한 것이다. 특징으로는 현재 정규압밀토에 가장 적합하다고 인정되고 있는 이론을 수정 없이 수용할 뿐만 아니라 한계상태이론에 상반되지 않는 다는 점이다. 본 논문의 성과는 다음 3가지로 크게 구분될 수 있다.


(1) 실제 지반공학 문제 해석시 유용하게 사용될 수 있는 Ko 시료에 대한 응력-변형 거동 및 강도특성에 대한 데이터 제공


(2) 기존 모델 (탄소성 모델)들의 적용범위 및 신뢰도 평가

(3) 상태경계면 내부에서의(자연응력상태) 흙의 거동의 모델화


상기 제 (3)항에서 언급한 모델은 그 표현 식이 간단하면서도 정규압밀상태(NC)에 대한 기존의 한계상태이론을 보완하고 확장하여 과압밀상태(OC)에도 적용 가능하도록하여 온전한 형태의 한계상태 이론정립을 가능하게 한 것이다. 특히, 새로이 제시된 상태경계면(State Boundary Surface) 내부에 대한 'Flow Rule'은 다른 형태의 항복궤적에도 적용될 수 있는 것이다.

* 본 논문의 성과는 국제토질공학회(ISSMFE) 논문집에 게재되었음.