[논문 리뷰] Effect of Particle Size on the Shear Strength Behavior of Sands

Nazmul Islam, Ayesha Siddika외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 25.

Granular flow and fluidized beds인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 균일한 모래와 분포 모래 시료를 대상으로 한 직접 시험을 통해 입자 크기가 모래의 항력 강도에 미치는 영향을 조사한다. 0.075–2.76 mm 범위의 여덟 종류의 입자 크기에서 수행된 실험 결과, 입자 크기가 증가할수록 내부 마찰 각도와 최대 항력 응력이 일관되게 증가하는 것으로 나타났으며, 분포 모래는 입자 간의 상호 잠금과 하중 분포 효율성이 향상되어 더 높은 강도를 보였다. 이는 입자 체계의 미세 구조적 거동과 거시적 강도 반응 간의 상관관계를 설명하는 이론적 모델에 의해 검증되었다.

ABSTRACT

During plastic deformation of granular materials due to loading, the stress-strain and strength characteristics of sand grains are influenced with grain size, their distribution and packing. Also the macroscopic behaviour of granular materials changes with the variation of microscopic behaviour. Particle size is one of the important properties which plays a dominant role on the stress, strain and strength responses of granular materials. Alteration of grain size results in the change of void ratio as well as particle effective contact area revolutionized and the load distribution mechanism of particle to particle contact. To evaluate the effect of particle size, a series of direct shear tests were performed considering uniform particles of eight samples (0.075, 0.15, 0.212, 0.300, 0.600, 1.18, 1.72 and 2.76 mm) and graded particles of two samples (0.075-1.18 mm and 0.075-2.36 mm). Three types of normal loads (0.05, 0.10 and 0.15 kN) were selected for each test. For uniform particles, particles retained on individual sieve size were considered and in graded particles combination of each uniform particle pondered. A theoretical approach was also proposed to correlate the particle size and macroscopic response. From the experimental results, it was observed that for each set of normal load with the increase of particle size ,angle of internal friction as well as maximum horizontal shear stress increases for uniform sands and a similar response was noticed in graded sands but the larger the gradation the higher the shear strength. Maximum horizontal shear and angle of internal friction with respect to particle size is also influenced by normal stress. Experimental results have good agreement with the theoretical approach.

연구 동기 및 목표

• 입자 크기가 입자성 물질, 특히 모래의 항력 강도 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 입자 크기의 변화가 입자 집합체에서 응력-변형률 거동, 간극비 및 입자 접촉 면적에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 입자 분포가 입자 간 상호 잠금과 하중 분포 효율성을 향상시켜 항력 강도를 증가시키는 역할을 조사하기 위해.
• 입자 척도 특성(크기 및 접촉 면적 포함)을 기반으로 거시적 항력 강도 반응을 예측할 수 있는 이론적 모델을 개발하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 균일한 입자 크기(0.075–2.76 mm)의 여덟 종류와 두 종류의 분포 조합(0.075–1.18 mm 및 0.075–2.36 mm)을 포함한 10종의 모래 시료에 대해 직접 시험을 실시하였다.
• 모든 시료에 대해 세 가지 정규 응력 수준(0.05, 0.10, 0.15 kN)을 적용하여 응력 의존성 거동을 평가하였다.
• 각 입자 크기 및 분포 조건에서 최대 수평 항력 응력과 내부 마찰 각도의 실험 데이터를 수집하였다.
• 효율적 접촉 면적의 변화와 하중 전달 메커니즘을 기반으로 입자 크기와 거시적 항력 강도 간의 상관관계를 설명하는 이론적 프레임워크를 제안하였다.
• 모든 입자 크기 및 정규 하중 조건에서 이론적 모델의 예측치를 실험 결과와 비교하여 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 모래에서 입자 크기가 증가할수록 내부 마찰 각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 크기가 입자 집합체에서 최대 수평 항력 응력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입자 분포가 균일한 입자 크기와 비교할 때 항력 강도 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 정규 응력이 입자 크기와 항력 강도 간의 관계를 얼마나 조절하는가?
• RQ5 입자 척도 특성(크기 및 접촉 면적 포함)을 기반으로 거시적 항력 강도를 효과적으로 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 균일한 모래의 경우, 내부 마찰 각도와 최대 수평 항력 응력이 입자 크가 증가함에 따라 모두 증가하며, 모든 정규 응력 수준에서 일관된 경향을 보였다.
• 시험된 가장 큰 입자 크기(2.76 mm)는 모든 정규 하중 조건에서 가장 높은 내부 마찰 각도와 피크 항력 응력을 나타내었다.
• 분포 모래(0.075–1.18 mm 및 0.075–2.36 mm)는 유사한 최대 입자 크기의 균일 모래보다 더 높은 항력 강도를 보였다. 이는 입자 간 상호 잠금과 하중 분포 효율성이 향상되었기 때문이다.
• 분포 정도가 높을수록 항력 강도와 정비례하는 것으로 나타나, 더 넓은 입자 크기 분포가 거시적 항력 저항성 향상에 기여함을 시사한다.
• 이론적 모델은 실험 데이터와 강한 일치를 보였으며, 입자 크기 변화에 따른 효율적 접촉 면적과 하중 전달 효율성의 변화가 강도 변화의 핵심 요인임을 확인하였다.