Deformation properties which are shear modulus, G, and damping ratio, D, were measured using the Stokoe type torsional shear testing equipment under dry, saturated drained, and saturated undrained conditions. The existing Stokoe-type torsional shear equipment was modified using the quick connector and back pressure system to saturate the specimen and to maintain the B-value above 0.99 during the saturated test. The modified equipment can perform the undrained torsional shear tests on fully saturated sand as well as the drained tests on dry and saturated sands. Two types of sands, Geumgang and Toyoura sands, were collected and TS tests were performed at various densities, drainage conditions, and effective confining pressures.
The cyclic threshold shear strains above which pore water pressure increases and/or shear modulus and damping ratio vary with the number of cycles were determined by fitting test data using nonlinear model. The cyclic hardening of shear modulus in the dry condition and the cyclic degradation of shear modulus in the undrained condition are observed on the same soil using identical testing equipment, and the cyclic threshold shear strain for cyclic degradation based on pore water pressure buildup is compared with the cyclic threshold shear strain for the cyclic hardening on shear modulus. Additionally, the variation of damping ratio with the number of cycles is observed at the different drainage conditions, and the cyclic threshold shear strain for damping ratio is investigated and compared to the cyclic threshold shear strain for cyclic degradation and hardening of shear modulus.
Variations in shear modulus, $G_max$, and damping ratio, $D_min$, at small shear strains ($γ_c<10^{-3}%$) and G and D at medium shear strains ($10^{-3}%<γ_c 10^{-1}%$) shear strains were characterized under various conditions, and test results were intensively compared considering drainage conditions, void ratio, isotropic confining pressure, and overconsolidation ratio, OCR. The empirical equation for shear modulus at small strains, $G_max$, in Hardin’s form was proposed. The empirical curves for $G/G_max$ and damping ratio at effective confining pressures, $σ_0‘$ of 30kPa, 50kPa, 100kPa and 200kPa are proposed and compared with previous researches. The variation in the pore water pressure buildup with B values and the effect of B values on the $G/G_max$ and D curves are also investigated.
본 논문에서는 지진하중과 같은 반복하중을 받는 모래 지반의 배수조건 및 다양한 영향요소에 따른 반복한계 전단변형률의 특성과 전단탄성계수(G)와 감쇠비(D)와 같은 변형특성에 대하여 연구를 수행하였다.
기존의 Stokoe식 비틂 전단 시험시스템을 개선하여, 시료를 포화 시키고 비틂 전단 시험 동안 간극수압계수 B값이 0.99이상으로 완전 포화 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 건조뿐 아니라 포화 배수 및 비배수 조건에서 비틂 전단 시험이 가능하도록 개선하고, 비배수 시험에서 간극수압을 측정할 수 있도록 하였다. 국내의 금강모래와 일본의 토요라 모래를 사용하여 다양한 상대밀도, 배수 조건, 유효구속응력에서 비틂 전단 시험을 수행하였다.
간극수압이 증가가 시작되는 변형률 크기와 전단탄성계수와 감쇠비의 변화가 시작하는 변형률 크기로부터 반복 한계 전단변형률을 결정하였다. 건조 시험의 반복 경화 현상과 포화 비배수 시험에서 나타나는 반복 연화 현상을 동일한 시료와 시험 장치를 이용하여 관찰하였다. 또한, 비배수 시험에서 간극수압의 증가가 시작하는 반복 한계 전단변형률과 건조 시험에서 전단탄성계수의 경화의 시작하는 반복 한계 전단변형률을 비교하였다. 추가적으로, 반복하중에 의한 감쇠비의 변화를 각 배수 조건에 따라 비교하고, 감쇠비의 반복 한계 전단변형률을 구하여 전단탄성계수의 경화와 연화 현상에 대한 반복한계 전단변형률과 비교, 분석하였다.
저변형률 영역의 변형특성과 중간 변형률 영역의 변형특성으로 나누어 각 배수 조건, 간극비, 유효 구속응력, 과압밀, 선행변형에 따라 분석하고 영향을 평가하였다. 저변형률 전단탄성계수 ($G_max$) 에 대하여 Hardin형 경험식을 제안하였다. 정규화 전단탄성계수 ($G/G_max$) 곡선과 감쇠비(D) 곡선에 대하여 구속응력 30kPa, 50kPa, 100kPa, 200kPa에서의 대표곡선을 제안하고 기존 문헌의 결과들과 비교하였다. 또한, 포화도를 의미하는 B값에 따라 나타나는 간극수압 증가의 경향과 $G/G_max$ 곡선과 D곡선에 대한 영향을 평가하였다.
