밀도와 구속압력이 노상토의 탄성계수에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

김수일,김문겸,유지형,김철수,Kim, Soo Il,Kim, Moon Kyum,Yoo, Ji Hyeung,Kim, Chul Soo 대한토목학회 1988 대한토목학회논문집 Vol.8 No.2

In this study, effects of the density of soil and the confining pressure applied to the soil sample on the elastic moduli of subgrade soils are experimentally analyzed. Through investigation of subgrade materials of domestic expressways, five typical types of subgrade soils are selected for the experiments. A series of unconsolidated undrained triaxial tests is performed on samples prepared with various water contents and densities at the confining pressures of 1.02, 2.04, and $3.06kg/cm^2$. Initial tangent modulus is inferred from the unloading-reloading portion of the stress strain curve obtained during an individual loading-unloading-reloading test. As a result of the analysis, it is found that the effect of the confining pressure on the elastic modulus of subgrade material is well consistent with the equation proposed by Janbu, and that the elastic modulus can be related to the dry unit weight expressing the Janbu constants as exponentiial functions of it. It is also found that the water content has little effect on the elastic modulus for the samples with the degree of saturation less than 70%. 본 연구에서는 밀도와 구속압력이 노상토의 탄성계수에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 전국 고속도로로 노상토를 채취분석하여 얻은 전형적인 5가지 노상토 재료에 대하여 함수비, 밀도 및 구속압력을 달리하면서 비압밀 비배수 삼축압축시험을 실시하였다. 삼축압축시험시 unloading-reloading 실험을 수행하여 얻은 응력-변형을 관계로부터 최대탄성계수를 측정하였다. 실험결과 노상토의 탄성거동은 Janbu의 제안식에 잘 부합하였으며, 구속압력으로 표준화된 탄성계수는 건조단위체적중량과 지수함수의 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 또한 포화도가 70%이하에서는 함수비가 탄성계수에 영향을 거의 미치지 않음이 밝혀졌다.

FWD에 의한 4층 아스팔트 포장 구조체의 층별 탄성계수 추정

김수일,유지형,Kim, Soo Il,Yoo, Ji Hyeung 대한토목학회 1990 대한토목학회논문집 Vol.10 No.2

본 연구에서는 합리적이고 과학적인 포장 구조체의 유지 관리를 위하여 포장체의 구조적 상태를 평가하는데 중요하게 사용되는 포장체 각 층의 탄성계수 추정 방법에 대하여 연구하였다. 차량하중에 의한 포장체의 구조적 거동을 측정하는 비파괴시험 방법으로 Falling Weight Deflectometer(FWD)를 택하였으며, 측정 결과를 합리적으로 해석하기 위하여 다층탄성이론에 근거한 해석 프로그램을 사용하였다. 국내에서 널리 사용되고 있는 고속도로 단면 모델에 요인배치법(factorial design)을 적용하여 쇄석과 안정처리기층을 갖는 경우 각각에 대한 이론적 처짐특성을 분석하고, 이로부터 각 경우의 층별 탄성계수 추정식을 제안하였다. 처짐 변화율에 따른 탄성계수 변화율에 과한 상관식을 4층 구조체 층별로 개발함으로써 FWD시험의 처짐으로부터 포장체 각 층의 탄성계수를 추정할 수 있는 보다 효율적이며 정도가 높은 역산방법을 제안하고 이를 전산화하였다. 또한 4층 아스팔트 포장체의 실제 가능한 수치 모델에 대한 검증을 통하여 본 연구에서 제안한 역산 방법의 신뢰성 및 타당성을 입증하였다. An inverse self-iterative procedure is developed to determine layer moduli which are significant for the structural evaluation of pavements in developing rational and analytical rehabilitation technique. Falling weight deflectometer(FWD) is adopted as a non-destructive testing(NDT)device. The layer elastic theory is used to interpret NDT data. The theoretical deflection basins of pavement structures obtained by full factorial design are used for a parametric study on the characteristics of deflection basins and regression analyses. Regression equations to estimate layer moduli of flexible pavements are proposed through the regression analyses of theoretical deflection basins. The relationships between the rate of change of moduli and deflections are developed for the efficient iteration. An inverse self-iterative procedure to ensure the accuracy of the layer moduli is proposed. Validity and applicability of the developed procedure are verified through various numerical model tests.

가상암반층의 깊이를 고려한 아스팔트 포장체의 층별 탄성계수 추정기법의 개발

김수일,이광호,Kim, Soo Il,Lee, Kwang Ho 대한토목학회 1993 대한토목학회논문집 Vol.13 No.4

본 연구에서는 비파괴 시험장비인 FWD를 사용하여 아스팔트 콘크리트 포장체 각 층의 탄성계수를 추정할 때 고려하여야 하는 가상암반층의 깊이를 FWD의 충격지속시간과 충격하중에 의한 포장체내의 압축과 속도로부터 산정할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 또한 FWD 시험자료를 입력치로하여 포장체 각 층의 탄성계수를 추정하는 전산 프로그램인 MFPD에 본연구에서 제시한 알고리즘을 적용 보완하였다. 보완된 MFPD의 탄성계수 추정결과에 대한 타당성을 살피기 위하여 FWD를 제작하여 현장시험을 실시하였으며 아울러 검증시험을 병행 실시하였다. 검증시험으로는 FWD 시험위치에서의 평판재하시험, 채취시료의 실내시험(마샬안정도시험, 압축시험), 표면파시험을 실시하였다. 이들 시험성과를 비교분석한 결과 가상암반층을 고려할 수 있도록 보완한 MFPD의 역산결과가 충분히 신뢰성 있음을 알 수 있었다. The computer program, MFPD, which is used to backcalculate the layer moduli of asphalt concrete pavement system is modified by contemplating the depth to virtual bedrock in this study. An algorithm to estimate the depth to virtual bedrock is developed through the analysis of FWD impulse load duration and the compression wave velocity of ground. For verification of the modified MFPD, FWD is fabricated and then FWD field tests and verification tests are carried out at the test sites. Plate loading tests and surface wave propagation tests are performed at FWD test sites. Laboratory tests (Marshall stability tests, unconfined compression tests) for sampled asphalt concrete specimens are also carried out. From comparison analysis, the validity and applicability of the modified MFPD are verified.

AASHTO 설계법을 이용한 아스팔트 콘크리트 포장체의 피로파괴준식 개발에 관한 연구

김수일,이광호,Kim, Soo Il,Lee, Kwang Ho 대한토목학회 1991 대한토목학회논문집 Vol.11 No.3

Failure criteria for asphalt concrete pavements are developed combining the AASHTO design equation and the multi-layered elastic theory. Thickness range including typical layer thicknesses of four-layer Korea highway structures are employed for pavement structure models. Total of 2430 pavement models with different layer thicknesses and moduli are analyzed. Models with crushed stone and asphalt stabilized base courses are equally included in the analysis. Number of load repetition and the maximum tensile strain at the bottom of asphalt layer are computed from the AASHTO design equation with terminal PSI=2.5 and multi-layered elastic computer program, SINELA, respectively. Failure criteria are developed through the regression analysis. From the analysis, failure criteria for the asphalt concrete pavements with 50% and 95% reliability levels are developed. It is found that the failure criterion of 95% reliability level gives similar results with existing fatigue failure criteria whose terminal performance condition is crack development when compared in a graphical form an equation to estimate failure criterion for a specific reliability level is also proposed. 본 연구에서는 국내 고속도로의 표준단면들을 포함한 포장구조 해석모델을 사용하여 아스팔트 콘크리트 포장체의 피로파괴 기준식을 개발하였다. 해석 대상 모델은 쇄석 및 아스팔트 안정처리 기층을 갖는 2430개의 4충 포장구조로 하였으며, 각 모델의 물성을 공용성 한계를 PSI=2.5로 한 AASHTO 설계식과 다층 탄성해석 프로그램인 SINELA에 적용, 포장체의 통과예상 교통량과 아스팔트 콘크리트층 하단에서의 최대 인장 변형률과의 관계를 회귀분석하였다. 분석 결과로부터, 신뢰도 50%와 95% 수준의 파괴기준식을 제안하였다. 타 연구결과와 비교한 결과 신뢰도 95% 수준의 파괴기준식은 균열의 발생을 공용성 한계로 보는 기존의 피로 파괴기준식과 같은 정도의 교통량을 추정하고 있음을 알 수 있었다. 또한 신뢰도 수준에 따른 파괴기준식을 신뢰도 50%, 수준의 파괴기준식으로부터 간접 추정할 수 있는 관계식을 제안하였다.

처짐곡선을 이용한 3층 아스팔트 포장 구조체의 물성 추정에 관한 연구

김수일,김문겸,유지형,Kim, Soo Il,Kim, Moon Kyum,Yoo, Ji Hyeung 대한토목학회 1989 대한토목학회논문집 Vol.9 No.1

본 연구에서는 falling weight deflectometer(FWD)시험의 표면 처짐곡선으로부터 3층 아스팔트 포장 구조체의 물성을 추정할 수 있는 역산반복기법을 개발하였다. 안정처리기층과 쇄석기층을 갖는 포장구조체에 대한 요소설계를 실시하여 일련의 해석모델을 설정하고, 다층탄성해석에 의해 이들 해석모델의 이론적 처짐곡선을 산정하여 처짐특성 분석 및 탄성계수 추정식을 구하였다. 반복역산시 추정식에 의한 각 층 탄성계수를 초기 가정치로 하고, 탄성계수 변화율과 처짐 변화율의 관계를 구하여 이들 탄성계수 보정에 사용하였다. 다층탄성해석은 전산 프로그램 SINELA를 이용하였다. 처짐특성 분석을 통한 보다 효율적인 역산반복기법을 전산화하였으며, 수치모델을 통해 그 신뢰성 및 적용성을 검증하였다. An inverse self-iterative procedure is developed to estimate layer moduli of 3 layered flexible pavement structures from FWD deflection basins. The theoretical deflection basins of pavement structures obtained by full factorial design are used for the parametric study on the characteristics of deflection basins and the regression analysis. The factorial design is performed for asphalt pavement structures with stabilized base layer and granular base layer, respectively. The initially assumed layer moduli by regression equations and relations between the rate of change of moduli and deflections are used in the procedure to ensure efficiency and accuracy of self-iterative model. The SINELA computer program is used for inverse self-iterative applications to determine theoretical responses. The computer program of this procedure is coded for personal computers and is verified through numerical model tests.

아스팔트 콘크리트 포장구조체의 제한교통하중에 관한 연구

김수일,최준성,Kim, Soo Il,Choi, Jun Sung 대한토목학회 1992 대한토목학회논문집 Vol.12 No.2

A procedure to determine the axle load limits of asphalt concrete pavements are proposed in this study. Axle load limits are determined by calculating maximum tensile strains at the bottom of the asphalt stabilized base layer and maximum vertical strains at the top of the subgrade. In order to investigate the efficiency of axle configuration, calculated influence line of wheel load on domestic expressway pavement system is used. Limiting strains are selected through the analysis of conventional failure criteria. From the analysis of axle load limits about axle composition(single-axle, tandem-axle, tridem-axle), it is found that the axle load limits of tandem-axle and tridem-axle can be calculated by muitipling the axle load limits of single-axle by axle numbers and that axle load limits are closely related to the thickness of each layer of pavement structure. It is also found that the axle load limits by tensile strains are more critical than those by vertical strains on asphalt concrete pavement models of YOUNG-DONG, KYONG-IN and KYONG-BU expressways. 본 연구에서는 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 제한교통하중 산정과정을 제안하였다. 제한교통하중은 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 파괴기준이 되는 노상상단의 연직변형율과 아스팔트 안정처리 기층 최하단에서의 인장변형용을 포장구조체 모델에 따른 바퀴의 영향선을 고려하여 산정한 후 포장 구조체의 변형율과 축하중과의 관계에 설계한계치를 적용하여 산정한다. 본 연구에서는 우리나라 고속도로중 경부선, 경인선, 영동선 확장구간 모델의 제한교통하중을 산정하기 위하여 바퀴의 영향선을 고려하여 변형율을 산정하였다. 제한교통하중의 기준은 세계 여러 관계기관에서 제안한 파괴기준식으로부터 설계한계치를 산정하여 이용하였다. 축구성(단축, 탄뎀축, 트라이뎀축)에 따른 제한교통하중을 분석한 결과 제한교통하중은 포장구조체의 두께와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. 또한 탄뎀축과 트라이뎀축의 제한교통하중은 단축의 제한교통하중에 축 수를 곱하여 구한 값과 유사함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 제한교통하중을 단축기준의 제한교통하중으로 제안하였다. 단축기준의 제한교통하중은 우리나라 고속도로중 경부선, 경인선, 영동선 확장구간을 대상으로 해석한 결과, 인장변형율에 의한 제한교통하중이 연직변형율에 의한 제한교통하중보다 포장구조체에 미치는 영향이 더 큼을 알 수 있었다.

매트릭스 해법을 이용한 포장체 각 층의 탄성계수 추정 역산알고리즘의 개발

김수일,이광호,박병현,Kim, Soo Il,Lee, Kwang Ho,Park, Byung Hyun 대한토목학회 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.3

A backcalculation procedure to determine the layer moduli of flexible pavement structure is developed using matrix solution technique. Forward calculation computer program adopted in this backcalculation procedure is SINELA which is one of layered elastic computer programs. Data base system is used as a tool for setting initial seed moduli and depth to virtual bedrock in backcalculation procedure. The validity and applicability of the proposed backcalculation procedure are verified through various numerical model tests. From the results of comparison analysis with FPEDD1, it is found that the proposed procedure gives more efficient and accurate results. 본 연구에서는 FWD 등의 비파괴 시험장비를 사용하여 포장체 각 층의 탄성계수를 추정할 때 필요로 하는 역산알고리즘을 매트릭스 해법을 이용하여 개발하고 수치모델을 통하여 알고리즘의 신뢰성을 검정하였다. 역산알고리즘에 적용한 포장구조해석 전산 프로그램으로는 다층탄성해석 전산 프로그램인 SINELA를 사용하였다. 역산 초기의 가정 탄성계수 및 가상암반층의 깊이 설정에는 포장 단면에 따른 data base를 구성한 후 이를 이용하는 방법을 택하였다. 본 연구개발의 역산 프로그램은 수치모델을 통한 분석에서 매우 정확한 역산결과를 주고 있음을 알 수 있었다. 또한, 기존의 역산 프로그램인 FPEDD1과 결과비교를 통해 본 프로그램이 역산 소요시간 및 정도 면에서 우수함을 알 수 있었다.

보강재(補强材) 및 배수촉진재(排水促進材)로서 Geotextile 의 효과(?果)에 관한 실험적(實驗的) 연구(硏究)

김수일,유지형,조삼덕,Kim, Soo Il,Yoo, Ji Hyeung,Cho, Sam Deok 대한토목학회 1982 대한토목학회논문집 Vol.2 No.4

본(本) 연구(硏究)에서는 연약점토지반(軟弱粘土地盤) 위에 성토시(盛土時) 보강재(補强材)와 vertical drain재(材)로서의 geotextile의 효과(?果)를 모형실험(模型實驗)을 통(通하)여 조사하였다. 실험은 점토층(粘土層)과 성토층(盛土層) 사이에 woven fabric을 포설(鋪設)하지 않은 경우, fabric을 포설(鋪設)한 경우, fabric에 서로 다른 인위적(人爲的) 인장력(引張力)을 가(加)한 2가지 경우 등 4단계(段階)로 수행(遂行)하였으며 각(各) 단계(段階)마다 압밀(壓密)을 촉진(促進)시키기 위해 non-woven fabric을 사용(使用)한 vertical drain을 점토층(粘土層) 내(內)에 정방형(正方形)으로 배치(配置)하였다. 실험(實驗)모델은 밑면이 $32cm{\times}330cm$이며, 50cm점토층(粘土層) 위에 47cm 높이의 성토제방(盛土堤防)이 1:1.5의 기울기로 만들어졌다. 모형실험대(模型實驗臺)의 양쪽 면에 대칭적(對稱的)으로 8개의 piezometer를 설치(設置)하여 시간(時間)에 따른 공극수압(空隙水壓)을 측정(測定)하였으며 성토제방(盛土堤防) 내부(內部)에 LED램프를 삽입(揷入)하여 시간(時間)에 따른 내부(內部) 변형(變形)을 조사하였고, 제방(堤防)이 설치(設置)되지 않은 점토지반(粘土地盤) 양쪽에는 dialgauge를 부착(附着)하여 융기현상(隆起現象)을 조사하였다. 이러한 실험(實驗)은 1차압밀(次壓密)에 요구(要求)되는 시간(時間)(약(約) 10일(日))동안 수행(遂行)되었다. 실험(實驗)으로부터 점토층(粘土層) 내(內)에 유발(誘發)된 최대과잉공극수압(最大過剩空隙水壓)을 측정(測定)하여 woven fabric을 포설(鋪設)하지 않은 경우의 이론적(理論的)인 최대과잉공극수압(最大過剩空隙水壓)과 비교(比較)함으로써 보강재(補强材)로서의 woven fabric을 포설(鋪設)하였을 경우에도 시간(時間)에 따른 성토부(盛土部) 침하량(沈下量)을 산정(算定)할 수 있음이 밝혀졌다. Geotextile effects as reinforcement and vertical drain materials are studied through the laboratory model embankments on weak clays. The experiments are carried out in four stages; no woven fabrics between clay-crushed stone boundary, fabrics between boundary with no initial pretensioning of fabrics, and fabrics between boundary with two different initial pretensionings of fabrics. In all stages, vertical drains utilizing non-woven fabrics are installed in the clay layer in square pattern to accelarate the consolidation. The experimental model has plane dimensions of $32cm{\times}330cm$. The height for the clay container is 60 cm. The 47 cm height of crushed stone embankment is constructed over the 50 cm deep clay layer. The time dependent pore pressures are measured utilizing the 8 piezometers installed symmetrically on both sides of the wall at different heights. The time dependent deformations are measured utilizing the LED indicating lamp matrix inserted in the crushed stone embankment and the dialgauges put on top of the clay layer where the crushed stones are not laid. The measurements are carried out for 10 days which is equivalent to the time required for the primary consolidation. Through the experimental study, an analytical procedure is developed to predict the time dependent embankment settlement even if the top of the clay layer is reinforced with woven fabrics. This can be done through measuring the maximum pore pressures developed in the clay layer and comparing with the theoretical maximum pore pressures when no reinforcing fabrics are employed.

표면파기법을 이용한 자연지반 및 포장구조의 동적물성 추정에 관한 연구 - 이론적 분산곡선 -

김수일,우제윤,Kim, Soo Il,Woo, Je Yoon 대한토목학회 1987 대한토목학회논문집 Vol.7 No.2

본 연구에서는 다층탄성체에서 주파수에 제약없이 Rayleigh 파의 이론적 분산곡선을 결정할 수 있는 새로운 해석적 방법을 개발하였다. 이는 표면파기법에 있어 자연지반 및 포장구조의 성층구조와 동적물성을 정확히 추정하는 역산기법의 근간이 되는 것이다. 본 연구에서는 델타 매트릭스 기법을 활용하여 원래의 Thomson-Haskell 방법이 내포하고 있는 수치한계초과 및 유효수치소실로 인한 수치연산적 장애를 극복하였다. 원래의 Thomson-Haskell 방법을 토대로 한 종래의 역산기법들은 성층구조 및 주파수 크기의 제약으로 인하여 부정확한 결과를 초래하게 된다. 본 연구에서 개발한 방법은 자연지반은 물론, 특히 포장구조에 있어 보다 정확하고 효율적인 역산기법에 대한 연구에 토대가 될 것으로 판단된다. A new analytical method to determine the theoretical dispersion curves of Rayleigh wave in multilayered elastic media is developed. The method developed in this study gives the solutions for unlimited frequency, and is essential part of surface wave techniques to evaluate the layer profiles and dynamic properties of soils and pavement systems. Delta-Matrix technique is utilized to overcome the overflow and loss of precision problem inherent in the original Thomson-Haskell formulation at high frequencies. Conventional inversion methods based on the original Thomson-Haskell formulation lead to erroneous results due to the limitations on the layer profiles and the magnitude of frequency. The method developed in this study establishes the base of the research on more accurate and efficient inversion method, especially for the pavement systems as well as the natural soils.

p-y 특성곡선의 Coupling을 고려한 토류벽의 거동해석

김수일,정상섬,장범수,Kim, Soo Il,Jeong, Sang Seom,Chang, Buhm Soo 대한토목학회 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.3

본 연구에서는 탄소성 지반에서 지반스프링의 Coupling을 고려하여 토류벽의 거동을 해석하였다. 수치해석을 위해 벽체 양측의 지반을 탄소성 스프링으로 단순화하였고, 지반반력계수의 산정을 위해서 Terzaghi가 제안한 주동 및 수동상태에 필요한 수평변위를 p-y 특성곡선에 적용하였다. 본 연구에서 개발된 전산프로그램의 신뢰성은 기존 컴퓨터 프로그램 및 현장 실측치와의 비교를 통해 검증하였다. 검증결과 지반스프링의 Coupling을 고려한 경우가 현장 실측치의 변위 및 토압에 접근함을 알 수 있었고, 모래질 흙에서 주동상태에 필요한 수평변위의 변화가 벽체의 변위에 이주 작은 영향만을 준다는 것을 알 수 있었다. The behavior of earth retaining structure was investigated by considering coupling between soil springs in elasto-plastic soil. For the computation of soil reaction, soil on both sides of walls was simplified as e1asto-plastic springs, and the required horizontal displacement to mobilize Terzaghi's active and passive state was applied to construct the p-y curve. Reliability on computer program developed is verified through the comparison between prediction and in-situ measurements. Based on the results obtained, it is found that the prediction by using coupling between soil springs simulates well the general trend observed by the in-situ measurements. It is also found that the horizontal displacement required for the active state gives a very small effect to the displacement of walls in the sandy soil.