The deformation characteristics of subgrade soil, expressed as Young's modulus or resilient modulus($M_R$), are very important in the analysis and design of a flexible pavement system. In a pavement structure, moisture is the environmentally driven variable that can significantly affect the resilient modulus of subgrade materials. Subgrade soils used in pavements are first compacted to the given moisture and density near the optimum in the field, and then the moisture content will reach several equilibrium conditions which vary depending on drainage properties and environmental conditions. In most previous studies, however, the modulus values were determined by conducting laboratory tests with specimens compacted at several different water contents to investigate the effect of water content. Because the subgrade layers are generally above the ground water table, it is important to recognize the characteristics of unsaturated soils in which the change of soil suction causes the change of soil moisture content and the corresponding modulus values. Therefore, in order to simulate field unsaturated conditions in the laboratory, it is more desirable to first compact the specimens at optimum moisture content and then vary the moisture content by changing the soil suction in the specimens.
In this study, the variations of deformational modulus with post compaction moisture content were investigated for subgrade soils using suction control resonant column and torsional shear test. Pressure plate extractor testing was also adopted to determine the soil water characteristic curve of specimens. A series of tests were also performed to evaluate the modulus values using specimens compacted at various moisture contents and compared to the results obtained by post compaction method by suction controlling. During the drying procedure of coarse grained subgrade soils, the modulus values in suction controlling specimens were significantly different from those in specimens compacted at various moisture contents. Existing models which relate the modulus and soil moisture were assessed using test results and a model which relates the modulus and soil suction was newly proposed.
Most research on the resilient modulus has concentrated on the laboratory resilient modulus test and its correlations with other engineering properties determined from laboratory tests while little effort has been focused on determining field modulus. A lack of evaluation on in situ modulus makes the pavement engineer uneasy to apply the resilient modulus on field condition. Therefore, it is important to evaluate field strain-dependent Young's modulus at intermediate strains under working load. In this study, SASW(Spectral Analysis of Surface Wave) test and plate load test were adopted to determine field modulus of subgrade soils. Crosshole test was employed for evaluation of field modulus and it was used as reference modulus to investigate the reliability of modulus determined from SASW test and plate load test.
SASW test is a nondestructive method which obtains shear wave velocity or maximum modulus profile of layered system as like a pavement structures. In SASW test, the field nonlinear modulus of subgrade soil can be determined by combining normalized modulus reduction curve. Modified plate load test was also proposed to evaluate the field nonlinear modulus of subgrade soils. The relation between Young's modulus and the modulus of subgrade reaction was investigated and the method of determining non-linear modulus was proposed. For obtaining the nonlinear modulus at intermediate strains, modified plate load tests were performed including reloading and unloading steps. Both modulus values from SASW and plate load test match relatively well with crosshole test results and the applicability of proposed methods for determining nonlinear modulus values of subgrade soils is verified. Finally, comparison studies between field and laboratory moduli of subgrade soils were also performed.
본 논문에서는 새로운 역학적 포장설계법에서 노상토의 계절별 함수비 변화에 따른 회복탄성계수의 변화를 모델링하는데 있어서 현장상황을 보다 합리적으로 구현할 수 있는 방법을 모색하였다. 즉, 불포화토인 노상토의 특성에 맞추어 하나의 최적함수비로 시료를 성형 후 모관흡수력을 조절하여 함수비를 변화시켜 탄성계수의 변화를 측정하는 시험방법 및 모델링 개발을 위한 연구를 수행하였다. 또한, 실내시험으로부터 구한 탄성계수의 현장상태 와의 비교 및 현장에서 설계수준의 탄성계수를 결정하는 방법을 제안하였다. 탄성파시험방법인 SASW 시험과 일상적 시험법인 평판재하 시험을 이용하여 현장의 변형률에 따른 비선형 변형계수를 결정하는 기법을 제안하였다.
4곳의 도로현장에서 시공되고 있는 노상토를 채취하여, 대체 $M_R$ 삼축압축시험과 공진주/비틂전단시험을 수행하였다. 이중 3종의 노상토에 대해서는 공진주/비틂전단시험기에 모관흡수력에 따라 함수비가 조절되는 시스템을 설치하여 함수비 변화에 따른 탄성계수를 산정하였다. 아울러 함수특성곡선을 산정하기 위하여 공진주/비틂전단시험과 더불어 압력판 추출시험기를 이용하여 함수특성시험을 수행하였다. 또한 각 노상토가 채취된 도로현장에서 노상 시공이 완료된 후에 크로스홀 시험, SASW 시험, 그리고 평판재하시험을 수행하였다.
함수비 영향을 고려한 노상토의 구성모델은 최적함수비 상태에서의 응력조건에 따른 구성모델과 최적함수비를 기준으로 함수비 변화에 따른 탄성계수의 변화 비율을 예측하는 모델을 결합하여 적용하였다. 먼저 대체 $M_R$ 삼축압축시험 결과를 이용해서 최적함수비 상태에서 각 노상토의 체적응력모델, 축차응력모델, 그리고 체적응력과 축차응력을 동시에 고려한 모델 등 다양한 형태의 구성모델의 모델 변수를 결정하였고, 각 모델의 신뢰도를 평가하였다. 함수비 영향모델은 최적함수비와의 차이를 변수로 선형, 포물선, 대수형태 등의 모델계수를 결정하여 적용성을 살펴보았다. 모델을 결정하는데 있어서 시험방법을 모관흡수력을 조절하여 함수비를 변화시킨 것과 다짐함수비를 바꾸어 함수비를 변화시킨 두가지 방법을 이용하여 각각의 모델을 비교하였다.
본 논문에서 제안한 현장 노상토의 변형률에 따른 탄성계수를 결정하기 위한 SASW시험과 평판재하시험의 적용성을 알아보기 위하여 노상토가 채취된 현장에서 시험을 수행하였으며, 각 기법의 신뢰성을 평가하기 위해 크로스홀 시험을 동시에 수행하였다. 또한, 현장시험 수행시 노상토의 함수비를 깊이별로 흙을 채취하여 평가하였고, 2곳의 현장에서는 시험 날짜를 달리하여 현장 함수비 변화가 발생하였을 때 탄성계수의 변화를 살펴보았다.
SASW 시험으로부터 노상토의 깊이에 따른 저변형률 영역의 최대탄성 계수의 평균값을 산정한 후, 공진주시험으로부터 얻은 정규화탄성계수 감소곡선과 결합하여 전체 변형률 크기에 따른 현장 탄성계수를 산정하는 방법을 적용하였다. 평판재하시험은 기존의 시험방식과 달리 반복재하를 포함한 새로운 시험법을 제안하였고, 시험결과로부터 얻은 지지력계수와 침하량을 이용하여 탄성계수와 변형률을 산정하는 방법을 제시하여 포장구조체가 경험하는 중간변형률 영역에서의 비선형 변형계수를 평가하는 방법을 개발하였다. SASW시험과 평판재하시험 모두 각 시험마다 차이가 나는 응력상태를 기준평균유효응력으로 보정하여 각 현장시험 결과 및 실내시험 결과와 비교가 가능하도록 하였다.
실내시험으로부터 구한 변형률 크기에 따른 탄성계수를 현장 함수비에 따른 탄성계수 값으로 보정하여 현장시험 결과와 비교하였다. 또한, 노상토의 함수비 영향을 고려한 구성모델 예측값과 실제 현장시험으로부터 구한 실측값을 비교하여 구성모델의 적용성을 검토하였다.
