Geotechnical engineering recently considers the contribution of viscoelastic material on particulate media as a particle binding material with societal demands for environmentally friendly construction materials and techniques. Until now, cement, lime, sodium silicate, acryl, and acrylamide polyurethane have been used as materials to improve the engineering properties of soils. Various efforts have characterized and modeled mechanical behaviors of cemented soils associated with chemical grout materials of high brittleness. However, injection of these chemical grouts is often problematic due to water pollution and environmental regulations. In general, mechanical responses of biopolymers are characterized as viscoelastic behaviors associated with small stiffness and low strength. By contrast to brittle, cemented soils, the impact of soft viscoelastic inclusions, such as gel-like biopolymers, on mechanical responses of treated soils remains poorly understood. Therefore, this dissertation is aimed at obtaining a better understanding of the effect of soft viscoelastic material on load-deformation behavior. First, in Chapter 2, gelatin extracted from bovine-hide was selected as analogue material, and various viscoelastic behaviors are made by changing the concentration of gelatin and quantified. In Chapter 3, A series of the consolidated-undrained (CU) compression tests are conducted using loose and contractive sands treated with gelatin to obtain stress-strain responses and monitor variations in S-wave velocity (VS) during undrained loading. The results of stress-strain curves, shear wave velocity variations, and effective stress paths reveal that the inclusion of a viscoelastic biopolymer restrains the contractive behavior associated with post-peak softening but increases the undrained shear strength of contractive loose sands. In chapter 4, a simplified resonant column apparatus is developed to measure the dynamic properties of sands in low frequency. In Chapter 5, The resonant column device developed in chapter 4 measures the dynamic properties during gelation. The shear wave velocity is constant and the damping ratio increases during gelation. As the gelatin concentration increased, the damping ratio increases due to the viscose friction of gelatin. The normalized shear modulus curve is located at the upper part and the lower part of the normalized damping ratio curve is positioned at the lower part in intermediate strain. In Chapter 6, effect of viscoelastic inclusion on the liquefaction resistance of sands is investigated by conducting the cyclic simple shear test. The biopolymer-treated sand specimens with low concentration of viscoelastic material showed weak liquefaction resistance than the biopolymer-free sand specimens with similar relative density due to lubrication effect between sand particles. However, when a certain gelatin concentration is secured, liquefaction does not occur with a decrease in shear strain during cyclic loads. Although large deformations occur at low concentrations, the gelatin prevents the volume contraction of sands, so that the excess pore water pressure is less than the initial vertical stress, and the effective stress does not decrease to zero.
지반 공학분야에서는 최근 친환경 소재를 이용한 지반개량공법 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 지금까지 지반의 공학적 물성을 높이기 위해 사용하고 있는 물질로는 시멘트, 석회, 규산소다, 아크릴, 아크릴아미드 폴리우레탄을 사용해왔다. 이러한 물질을 이용한 지반의 물성 변화 연구는 오랜 시간 진행되어왔으며, 실험결과와 예측모델들이 잘 정립 되어있다. 그러나 최근 기존 물질이 지하수와 반응하여 수질오염과 토질오염을 야기하면서 사용이 제한되고 있고, 이러한 문제점을 해결하기위해 점탄성 물질인 바이오폴리머, 바이오필름처럼 독성이 없는 친환경적인 물질을 사용하여 지반의 공학적 물성을 향상하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 그러나 점탄성물질은 기존 사용되어오던 물질에 비해 아주 작은 강성과 강도를 가지며, 어떻게 지반의 강성을 향상시키는지에 대한 물리적인 이해가 부족한 실정이다. 그래서 본 학위 연구에서는 작은 공학적특성을 가진 연성 점탄성물질이 물리적으로 지반의 거동에 영향을 변화시키는지에 대한 이해를 목표로 하였다. 먼저 2장에서 점탄성물질을 모사하기위해 젤라틴을 선정하여, 젤라틴의 농도를 변화시켜 다양한 점탄성거동을 만들 수 있었고, 정량화 하였다. 3장에서는 삼축 압축 시험기를 이용하여 비배수 압밀거동을 하는 포화된 사질토에서 점성탄성물질의 공극 충진에 의한 비배수 전단 거동의 변화를 관찰하였다. 전단 동안 젤라틴이 증가하는 과잉공극수압을 감소시켜 비배수 전단강도가 증가하였다. 4장에서는 저주파 대역에서 지반의 동적물성을 측정 할 수 있는 간편화된 공진주 시험기를 개발하였다. 5장에서 개발된 공진주 시험기를 사용하여 점탄성물질의 공극 충진에 의한 사질토의 동적물성 변화를 연구하였다. 미소변형에서 젤라틴이 사질토의 공극에서 젤화되는 동안 전단파속도는 일정하였고, 감쇠비는 증가하였다. 그리고 젤라틴 농도가 증가함에 따라 감쇠비가 증가하였다. 중간변형에서 젤라틴의 농도가 증가할수록 정규화된 전단탄성률 곡선이 윗부분에 위치하고, 정규화된 감쇠비 곡선에서는 아랫부분에 위치하였다. 6장에서는 반복단순전단시험기를 이용하여 젤라틴의 공극충진에 의해 사질토의 액상화 저항력에 대한 영향을 조사하였다. 낮은 농도의 점탄성물질로 처리된 사질토에서는 사질토입자사이에서 윤활 효과로 상대밀도가 비슷한 순수한 사질토보다 약한 액상화 저항성을 나타내었다. 하지만 일정 젤라틴 농도가 확보되면 반복하중에서 전단변형이 감소하면서 액상화가 일어나지 않았다. 낮은 농도에서도 비록 큰 변형은 일어났지만, 젤라틴이 사질토의 압축 거동을 막아주어 과잉간극수압은 초기 수직응력보다 작은 값을 가지면서 유효응력이 0으로 감소하지 않았다.
