토석류 유동성 평가를 위한 링 전단시험장치 개발 및 활용

정승원,송영석,Jeong, Sueng-Won,Fukuoka, Hiroshi,Song, Young-Suk 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.1

산사태는 토사, 거석, 유목 등 산사태 물질의 중력사면 이동현상이다. 산사태는 수리학적, 지형학적, 지반공학적 요인에 따라 다양한 흐름 및 퇴적특성을 보인다. 흐름특성은 아주 느리게 움직이는 산사태(활동, 이류 등)에서 아주 빠르게 움직이는 산사태(토석사태, 토석류 등)까지 다양하다. 이런 점에서 산사태 발생과 확산 메커니즘의 이해를 위해 전단변형률에 따른 전단강도특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 한국형 산사태에 적합한 링 전단시험장치의 개발과 활용성에 대한 것이다. 링 전단시험장치는 산사태 유형별 피해 및 영향성 평가에 사용되는 전단강도를 측정할 수 있으며, 전단속도에 따른 산사태의 유동성을 평가하기 위한 장치이다. 비배수 전단강도 측정용 링 전단시험장치는 기존에 개발된 링 전단시험기의 수정보완형으로 '포화-압밀-배수-전단' 순으로 시험조건을 자유롭게 조절할 수 있다. 링 전단상자내 흙 시료의 전단강도의 정확한 측정을 위해 미끄럼 방지, 밀폐성 및 회전성 향상 기능을 갖춘 시험장치이다. 링 전단시험장치는 모래와 자갈 시료에 대한 예비실험을 수행하였으며 기존 시험결과와 비교하여 신뢰할 만한 결과를 확인하였다. 회전속도 100 mm/sec 로 구속할 때 배수조건에 따른 일시적 액상화 현상으로 인한 강도저하 현상이 관측되며, 전단면에 따른 입자파쇄 현상이 뚜렷하게 나타났다. 마지막으로 토석류 유변학에 기초하여 링 전단시험장치를 이용한 산사태 유동성 평가기법을 제안하였다. Landslides are known as gravitational mass movements that can carry the flow materials ranging in size from clay to boulders. The various types of landslides are differentiated by rate and depositional features. Indeed, flow characteristics are observed from very slow-moving landslides (e.g., mud slide and mud flow) to very fast-moving landslides (e.g., debris avalanches and debris flows). From a geomechanical point of view, shear-rate-dependent shear strength should be examined in landslides. This paper presents the design of advanced ring-shear apparatus to measure the undrained shear strength of debris flow materials in Korea. As updated from conventional ring-shear apparatus, this apparatus can evaluate the shear strength under different conditions of saturation, drainage and consolidation. We also briefly discussed on the ring shear apparatus for enforcing sealing and rotation control. For the materials with sands and gravels, an undrained ring-shear test was carried out simulating the undrained loading process that takes place in the pre-existing slip surface. We have observed typical evolution of shear strength that found in the literature. This paper presents the research background and expected results from the ring-shear apparatus. At high shear speed, a temporary liquefaction and grain-crushing occurred in the sliding zone may take an important role in the long-runout landslide motion. Strength in rheology can be also determined in post-failure dynamics using ring-shear apparatus and be utilized in debris flow mobility.

광산폐석의 유변학적 특성과 토석류 흐름특성 분석

정승원,Jeong, Sueng Won 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.4

휴 폐광산지역은 복합지질재해지역으로 집중호우에 의해 토사재해와 산성광산배수를 발생시킨다. 본 연구는 폐석적치장 전반에 걸쳐 토사재해가 관측된 임기광산에 대해 지반공학적 유변학적 시험을 수행하고 얻어진 시험결과를 토대로 1-D 토석류 수치해석을 수행함으로써 토석류의 확산성을 조사하였다. 모래와 자갈로 구성된 광산폐석 시료의 유변학적 특성을 조사하기 위해 베인관입형 레오미터(Vane-penetrated rheometer)를 사용하였으며, 전단응력 제어를 통한 전단응력(${\tau}$)-전단속도(${\dot{\gamma}}$)와 점도(${\eta}$)-전단속도(${\dot{\gamma}}$) 간의 상관관계를 얻었다. 또한 광산폐석 시료에 대해 잘 알려진 유변학적 모델들(Bingham, Herschel-Bulkley, Power-law, bilinear 및 Papanastasiou 모델)을 적용함으로써 수치해석에 필요한 유변학적 매개변수(항복응력과 소성점도)를 결정하였다. 실험결과에 따르면, 체적농도에 무관하게 전형적인 전단담화(shear thinning) 거동이 관측되었으며, 함수비가 증가할수록 Bingham 유체처럼 거동하는 것으로 나타났다. 또한 사용된 모든 유변학적 모델들은 파괴 후 거동에 적합한 모델들로 밝혀졌다. 토석류 흐름특성을 조사하기 위해 실험결과를 토대로 토석류 크기(5 m, 10 m 및 15 m)와 항복응력(100 Pa, 200 Pa, 300 Pa 및 500 Pa)을 선정하여 1-D BING을 통해 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 토석류 이동거리와 이동속도는 항복응력의 크기에 반비례한 것으로 나타났으며, 토석류 항복응력이 500 Pa 이하인 경우 대부분의 토사는 계곡부까지 흘러갈 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 집중호우 기간에 산악지역에 방치된 광산폐석은 토사재해에 취약하고 2차적으로 인근 수계로 유입되어 환경적 문제를 야기시킬 수 있는 것으로 나타났다. Abandoned mines often cause environmental problems, such as alteration of landscape, metal contamination, and landslides due to a heavy rainfall. Geotechnical and rheological tests were performed on waste materials corrected from Imgi waste rock dump, located in Busan Metropolitan City. Debris flow mobility was examined with the help of 1-D BING model which was often simulated in both subaerial and subaqueous environments. To determine flow curve, we used a vane-penetrated rheometer. The shear stress (${\tau}$)-shear rate (${\dot{\gamma}}$) and viscosity(${\eta}$)-shear rate (${\dot{\gamma}}$) relationships were plotted using a shear stress control mode. Well-known rheological models, such as Bingham, bilinear, Herschel-Bulkley, Power-law, and Papanastasiou concepts, were compared to the rheological data. From the test results, we found that the tested waste materials exhibited a typical shear shinning behavior in ${\tau}$-${\dot{\gamma}}$ and and ${\eta}$-${\dot{\gamma}}$ plots, but the Bingham behavior is often observed when the water contents increased. The test results show that experimental data are in good agreement with rheological models in the post-failure stage during shearing. Based on the rheological properties (i.e., Bingham yield stress and viscosity as a function of the volumetric concentration of sediment) of waste materials, initial flowing shape (5 m, 10 m, and 15 m) and yield stress (100 Pa, 200 Pa, 300 Pa, and 500 Pa) were input to simulate the debris flow motion. As a result, the runout distance and front velocity of debris flow are in inverse propositional to yield stress. In particular, when the yield stress is less than 500 Pa, most of failed masses can flow into the stream, resulting in a water contamination.

풍화토와 점성토 위주의 토석류 거동과 유동특성

정승원,Jeong, Sueng-Won 한국지반공학회 2013 한국지반공학회논문집 Vol.29 No.1

기후변화에 따른 토석류 발생과 그로 인한 피해가 세계적으로 증가 추세에 있다. 토석류 연구는 역학적 관점에서 파괴 후(post-failure) 거동에 해당하며 지반강도와 유동특성을 분석함으로써 특성화할 수 있다. 본 연구는 국내의 토석류 발생지역인 상주(화강암 풍화토), 인제(편마암 풍화토), 포항(이암 및 셰일) 지역을 대상으로 지반의 물성-전단강도 상관관계와 토석류의 유동특성을 평가하였다. 본 연구지역을 대상으로 스웨덴 낙하 콘(Swedish Fall cone) 시험장치를 이용하여 지반의 물성 및 지반강도 사이에 일정한 상관관계가 있음을 밝혔다. 실험결과에 따르면, 인제, 상주, 포항지역에서 채취된 시료에 대해 액성지수(IL)와 비배수 전단강도($C_{ur}$) 사이에 $C_{ur}=(1.2/I_L)^{3.3}$의 관계식이 성립한다. 토석류 흐름을 지배하는 항복응력은 재성형 비배수 전단강도에 상응하는 것으로 간주하고, Bingham 모델과 액성지수-항복응력 관계식을 이용하여 토석류의 유동성을 조사하였다. 유동해석은 국내 풍화토와 낮은 활성점토를 구분하여 적용하였다. 이때 액성지수는 액성한계를 기준으로 $I_L=1$, 1.5, 3.0으로 구분하여 비교분석하였다. 동일한 액성지수($I_L=1$)에 대해, 토석류의 발생 5분 경과 후 최대 이동거리는 250m에 다다른다. 액성지수가 3으로 증가 될 경우, 토석류의 이동거리를 5분까지 살펴본 결과, 국내 풍화토는 낮은 활성점토에 비해 2배 이상 큰 유동성이 있음을 알 수 있었다. 본 유동성 평가기술은 토석류 피해저감기술 전략수립에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. The risks of debris flows caused by climate change have increased significantly around the world. Recently, landslide disaster prevention technology is more focused on the failure and post-failure dynamics to mitigate the hazards in flow-prone area. In particular, we should define the soil strength and flow characteristics to estimate the debris flow mobility in the mountainous regions in Korea. To do so, we selected known ancient landslides area: Inje, Pohang and Sangju debris flows. Firstly we measured physical and mechanical properties: liquidity index and undrained shear strength by fall cone penetrometer. From the test results, we found that there is a possible relationship between liquidity index and undrained shear strength, $C_{ur}=(1.2/I_L)^{3.3}$, in the selected areas, even though they were different in geological compositions. Assuming that the yield stress is equal to the undrained shear strength at the initiation of sliding, we examined the flow characteristics of weathered soils in Korea. When liquidity index is given as 1, 1.5 and 3.0, the debris flow motion of weathered soils is compared with that of mud-rich sediments, which are known as low-activity clays. At $I_L=1$, it seems that debris flow could reach approximately 250m after 5 minutes. As liquidity index increased from 1 to 3, the debris flow propagation of weathered soils is twice than that of low-activity clays. It may be due to the fact that soil masses mixed with the ambient water and then highly fragmented during flow, thereby leading to the high mobility. The results may help to predict the debris flow propagation and to develop disaster prevention technology at similar geological settings, especially for the weathered soils, in Korea.

링전단시험장치를 통한 입자파쇄 특성 연구

정승원 ( Sueng Won Jeong ),송영석 ( Young Seok Song ),이춘오 ( Chun Oh Lee ),김경수 ( Kyung Su Kim ),채병곤 ( Byung Gon Chae ),조용찬 ( Young Chan Jo ) 대한지질공학회 2013 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2013 No.2

해저산 사태

정승원(Sueng-Won Jeong),Jacques Locat,Serge Leroueil,Roger Urgeles 대한토목학회 2011 대한토목학회지 Vol.59 No.11

누수유무에 따른 광산폐석의 링전단특성

정승원 ( Sueng Won Jeong ) 대한지질공학회 2016 지질공학 Vol.26 No.3

흙의 전단특성을 조사하기 위하여 다양한 전단시험장치가 사용되고 있다. 특히 흙의 무한변형에 따른 잔류전단강도(residualshear strength)를 측정하고자 할 경우 링전단시험장치가 사용된다. 본 연구는 배수, 압밀 및 전단속도 제어가 가능한 비배수전단강도 측정용 링전단시험장치를 사용하여 전단동안 발생하는 누수현상(water leakage)이 전단특성에 미치는 영향성에 대하여 조사하였다. 실험은 비배수조건에서 동일한 수직응력(50 kPa)을 재하하고 전단속도(0.01, 0.1, 1 mm/sec)를 3단계로 구분하여 적용하였다. 실험결과에 따르면, 동일한 수직응력에서 비배수전단강도는 전단속도에 의존하는 것으로 나타났다. 하지만, 상대적으로 낮은 전단속도(V = 0.01 mm/sec)에서는 변형률 경화 거동(strain hardening behavior)을 보였고 상대적으로 높은 전단속도(V≥ 0.1 mm/sec)에서는 변형률 연화 거동(strain softening behavior)을 보였다. 시험기 성능평가를 통하여 누수가 발생할 경우 전단속도 크기에 관계없이 전단응력은 증가하는 것으로 나타났다. 누수가 크면 클수록 전단응력이 증가된다. 이러한 실험결과는 전단동안 발생하는 누수로 인한 흙 입자의 재배열과 다짐도의 증가에 따른 것으로 판단된다. 따라서 육안조사 및 반복적인 포화와 압밀과정을 통하여 실험오차를 최소화할 수 있는 작업이 필요하다. Shear characteristics of soils can be investigated using various types of shear stress measuring apparatus. Ring shear tests are often applied for examining the residual shear strength under the unlimited deformation. This paper presents drainage-consolidation- shear velocity dependent undrained shear strengths measured in terms of water leakage. A series of ring shear tests were performed under the constant normal stress (50 kPa) and controled shear velocity ranging from 0.01~1 mm/sec under the undrained condition. As a result, undrained shear strengths are dependent on shear velocity. It exhibits that straining hardening behavior is observed for the shear velocity lower than 0.1 mm/sec; however, the strain softening behavior is observed for the shear velocity higher than 0.1 mm/sec. Water leakage can cause the increase in shear stress irrespective of shear velocity. Shear stress increases with increasing amount of water leakage. It is due to the fact that the small grains and water flow out through the rubble edge in the ring shear box. Repetitive saturation and consolidation processes may minimize the error.

링 전단실험을 통한 입자파쇄 및 유동특성 분석방법

정승원(Sueng Won Jeong),이춘오(Chun Ho Lee),송영석(Young-Suk Song),김경수(Kyung-Su Kim) 대한지질학회 2013 대한지질학회 학술대회 Vol.2013 No.10

수중 자갈의 전단 및 파쇄 특성에 관한 실험적 연구

김소라,정승원,이광수,유동근,Kim, So-Ra,Jeong, Sueng-Won,Lee, Gwang-Soo,Yoo, Dong-Geun 한국지구과학회 2021 한국지구과학회지 Vol.42 No.2

본 연구는 육상 기원 조립질 하상 퇴적물의 높은 이동성에 영향을 미치는 전단과 파쇄특성을 조사하기 위하여 링전단실험을 수행하였다. 평균 입경 6 mm 자갈에 대하여 링전단시험장치를 사용하여 전단시간(shear time)과 전단속도(shear velocity)에 따른 전단-변형률 역학특성과 입자파쇄 특성을 조사하였다. 특히 배수(장시간 전단)와 비배수(단시간 전단)조건을 고려하기 위하여 초기 전단속도(0.01→0.1→1 mm/sec와 0.1→0.01→1 mm/sec)에 따른 링전단실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, (i) 배수와 비배수조건 모두에서 입자파쇄 특성이 확인되었지만, 비배수조건에서 상대적으로 큰 전단저항을 받는 것으로 나타났다. (ii) 배수조건에 관계없이 수중 자갈의 초기 전단속도는 전단응력-전단변형률 관계곡선을 결정하는 중요한 요인으로 나타났다. (iii) 입자파쇄는 평균 입경에 영향을 받으며 사용된 수중 자갈은 상대적으로 큰 입자파쇄 특성을 보였다. 그리고 (iv) 전단응력 결정에서 가장 크게 영향을 미치는 영향인자는 전단시간과 초기 전단속도임을 확인할 수 있었다. 결론적으로 모래와 자갈을 다량 함유한 조립질 하상 퇴적물은 입자-입자 간 상호접촉, 마모, 맞물림, 마찰 등의 물리적 이동과정을 통해 입자파쇄와 세립토 함량이 증가되고 이러한 현상은 하상 퇴적물의 고유동성을 초래하는 원인이 되는 것으로 판단된다. The study examines the shearing and crushing characteristics of land-derived subaqueous granular materials in a gravel-bed river. A series of large-sized ring shear tests were performed to examine the effect of shear time and shear velocity on the shear stress characteristics of aquarium gravels with a 6-mm mean grain size. Three different shear velocities (i.e., 0.01, 0.1, and 1 mm/sec) were applied to measure the shear stress under the drained (long-term shearing) and undrained (short-term shearing) conditions. Different initial shear velocities, i.e., 0.01→0.1→1 mm/sec and 0.1→0.01→1 mm/sec, were considered in this study. The test results show that the grain crushing effect is significant regardless of drainage conditions. The shear stress of coarse-grained materials is influenced by initial shear velocities, regardless of the drainage conditions. In particular, particle breakage increases as grain size increases. The shearing time and initial shear velocity are the primary influencing factors determining the shear stress of gravels. The granular materials may be broken easily into particles through frictional resistance, such as abrasion, interlocking and fracture due to the particle-particle interaction, resulting in the high mobility of granular materials in a subaqueous environment.

도심지 지반함몰 발생기구 확인을 위한 실규모 인공함몰 모사실험

류동우(Dong-Woo Ryu),염병우(Byoung-Woo Yum),이홍진(Hong-Jin Lee),정승원(Sueng Won Jeong),정병주(Byeongju Jung) 대한토목학회 2017 대한토목학회지 Vol.65 No.9