[논문 리뷰] EFFECT OF PARTICLE SIZE ON THE SHEAR STRENGTH BEHAVIOUR OF SANDS

Mohammad Nurul Islam, Ayesha Siddika외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 01.

Geotechnical Engineering and Soil Mechanics참고 문헌 8인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 균일한 모래와 분포 모래를 대상으로 한 직접 시험을 통해 입자 크기가 모래의 항력 강도에 미치는 영향을 조사한다. 8종의 입자 크기에서 수행된 실험 결과, 입자 크기가 증가할수록 내부 마찰 각도와 최대 항력 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 분포 모래는 입자 간의 상호 잠금 현상으로 인해 더 높은 강도를 보였다. 이론적 모델은 실험 결과의 경향을 확인하였다.

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 다공성 물질의 항력 강도 거동에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 입자 크기가 모래에서 내부 마찰 각도와 최대 수평 항력 응력에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 입자 분포가 거시적 항력 강도 반응을 어떻게 변화시키는지 평가하는 것.
• 입자 크기와 거시적 기계적 거동 간의 상관관계를 설명하는 이론적 모델을 개발하고 검증하는 것.

제안 방법

• 0.075 mm에서 2.76 mm까지의 입자 크기를 갖는 8종의 균일한 모래 시료에 대해 직접 시험을 실시하였다.
• 분포 효과를 평가하기 위해 2종의 분포 모래 시료(0.075–1.18 mm 및 0.075–2.36 mm)에 추가로 시험을 수행하였다.
• 각 시료에 대해 3종의 정규 하중(0.05, 0.10, 0.15 kN)을 적용하여 응력 의존성 거동를 분석하였다.
• 균일한 시료의 경우 개별 체에 남은 입자를 사용하여 균일성을 확보하였으며, 분포 시료의 경우 다양한 크기를 혼합하였다.
• 입자 크기와 거시적 항력 강도 반응 간의 상관관계를 설명하는 이론적 모델을 제안하였다.
• 실험 결과를 이론적 예측과 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 정규 하중 조건에서 균일한 모래에서 입자 크기가 내부 마찰 각도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 입자 크기가 다공성 물질에서 최대 수평 항력 응력에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 입자 분포가 균일한 입자에 비해 모래의 항력 강도에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ4 정규 응력은 입자 크기와 항력 강도 간의 관계를 얼마나 강하게 조절하는가?
• RQ5 이론적 모델은 입자 크기를 기반으로 거시적 항력 강도 반응을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 균일한 모래의 경우, 모든 정규 하중 조건에서 입자 크기가 증가할수록 내부 마찰 각도가 증가한다.
• 균일한 모래에서 입자 크기가 증가함에 따라 최대 수평 항력 응력도 증가하여 하중 지속 능력이 향상됨을 시사한다.
• 분포 모래는 입자 간의 상호 잠금 현상과 효과적인 접촉 면적 증가로 인해 균일한 모래보다 더 높은 항력 강도를 보였다.
• 높은 정규 응력 조건에서 입자 크기의 항력 강도에 대한 영향이 더욱 두드러진다.
• 제안된 이론적 모델은 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, 입자 크기와 거시적 기계적 거동 간의 상관관계를 검증하였다.
• 입자 크기는 간극 비율과 하중 분포 메커니즘에 영향을 미치며, 이는 최종 항력 강도 거동에 간접적으로 기여한다.