입상 토양의 사전 전단 역사에 대한 새로운 관점

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4576(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

노천광산의 깊은 투기장 설계에는 일반적으로 지진 중 액화에 대한 토양 저항에 대한 정보가 필요합니다. 이 저항은 초기응력, 초기밀도, 반복하중의 진폭뿐만 아니라 반복하중 이전에 지반에 가해지는 사전전단, 즉 편이응력 경로에도 영향을 받습니다. 후속 토양 거동에 대한 사전 전단의 영향을 조사하기 위해 두 가지 샘플 준비 방법을 사용하여 비배수 사전 전단 및 배수 응력 주기를 조합한 일련의 3축 테스트가 제시됩니다. 사전 전단 및 준비 방법은 반복 하중 시 변형률 축적에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 4가지 고급 구성 모델을 사용한 실험의 시뮬레이션에서는 사전 전단의 오래 지속되는 효과나 준비 방법이 모든 모델에서 적절하게 포착될 수 없음을 보여줍니다. 구성 모델의 이러한 결함은 액화에 대한 순환 저항의 과대평가와 장기 침하의 과소평가로 인해 안전하지 않은 설계로 이어질 수 있습니다.

경사면 안정성과 장기 침하 평가는 노천 갈탄 광산의 투기장 설계에서 가장 어려운 측면에 속합니다. 이는 느슨하게 버려진 과립층이 깊이 400m에 도달할 수 있고 갈탄 추출 후 해당 지역을 재경작하려는 함바흐(독일)와 같은 깊은 광산의 경우 특히 그렇습니다(그림 1 참조). , 덤프 경사면의 설계에는 지진 발생 시 액상화에 대한 토양 저항에 대한 정보가 필요합니다. 그러나 액상화가 발생하지 않더라도 지하수 범람 중 및 이후의 주기적 및/또는 준정적 하중으로 인한 과도한 침하 축적은 재경작 과정을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 주목할 점은 지진(비배수 전단)이 다음 지진 하중의 사전 전단을 나타낼 수 있다는 것입니다. 따라서 토양 거동에 대한 밀도 및 퇴적 방법의 영향을 포함하여 반복 하중 시 액화 및 응력 및 변형률 축적에 대한 적절한 예측이 필수적입니다.

석탄 굴착기와 투기장(오른쪽)1으로 생성된 표면 85km\(^2\), 깊이 400m의 갈탄 노천 광산 Hambach(왼쪽)의 추출 측면 보기1.

액화와 관련하여 밀도, 압밀 응력 및 순환 하중의 진폭의 영향이 지난 수십 년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 일반적으로 등방성 방향으로 통합된 샘플에 대한 배수되지 않은 3축 테스트는 밀도가 높은 샘플이 느슨한 샘플보다 액화에 도달하기 위해 더 많은 적용된 하중 주기가 필요하다는 것을 보여줍니다. 그러나 사전 하중과 후속 하중의 방향이 다른 경우에는 그렇지 않습니다.

배수되지 않은 3축 시험을 사용하여 Ishihara와 Okada2는 Fuji 강 모래의 액화 저항에 대한 하중 이력(예압)의 영향을 연구했습니다. 그들은 예하중을 사전 압축 또는 사전 전단으로 해석했습니다. 사전 압축의 경우 토양은 후속 전단 시작 시보다 더 큰 등방성 압축 응력을 경험했습니다. 사전 전단 작업의 경우 토양은 후속 하중 이전에 주어진 편차 응력을 경험했습니다. 사전 전단 중 등방성 응력 축의 응력 비율을 증가시킴으로써 상대적으로 작은 전단 변형이 발생하면서 샘플이 수축하는 경향을 관찰했습니다. 배수 조건에서는 수축으로 인해 체적 변형률이 증가하고, 배수되지 않은 전단 조건에서는 과잉 간극수압이 증가합니다. 대조적으로 응력 비율의 추가 증가는 팽창과 훨씬 더 큰 전단 변형을 가져왔습니다. 배수되거나 배수되지 않은 조건에서 팽창은 각각 체적 변형률 또는 과잉 간극수압(평균 유효 응력의 증가)을 감소시킵니다. In2 뿐만 아니라 지질 공학 문헌에서 널리 사용되는 토양 거동이 수축에서 팽창으로 변하는 응력 비율은 상 변환 선(PTL)으로 표시됩니다. 따라서 PTL보다 작은 응력비에 도달하는 하중 이력을 작은 사전 전단이라고 하고 PTL을 초과하는 하중 이력을 큰 사전 전단이라고 합니다. 그림 2(2에서 디지털화)는 연속적인 비배수 하중과 함께 대규모 사전 전단을 받은 Fuji 강 모래의 거동을 보여줍니다. 편차 응력 진폭이 \(q^{{\text{ ampl }}}=0.4\) kg/cm\(^2\)(첫 번째 로딩)인 일부 사이클 후에 샘플이 PTL(대형 사전 전단)을 넘어 로드되었습니다. ) 편차 응력은 \(q\about 1.1\)kg/cm\(^2\)입니다. 이후 초기 등방성 유효응력(p = 1.0 kg/cm\(^2\))이 회복될 때까지 배수구를 열어 과잉 간극수압을 소산(재압밀)시켰다. 마지막으로, 샘플은 첫 번째 하중과 동일한 진폭으로 편차 응력(두 번째 하중)의 배수되지 않은 주기를 겪었습니다. 실험 결과, 사전 전단이 없는 경우(1차 하중)보다 큰 예비 전단(2차 하중)을 가한 경우 하중 주기 횟수에 따라 유효 응력이 더 빠르게 감소하는 것으로 나타났습니다. 두 번째 하중 전의 공극률(\(e=0.825\))이 첫 번째 하중 전의 공극률(\(e=0.840\))보다 낮더라도 동일한 하중 진폭을 받는 밀도가 높은 상태는 더 쉽게 액화됩니다. 따라서 하중 이력(예비 하중)은 재료 거동에서 중요한 역할을 하며(때로는 밀도보다 더 중요함) 액화에 대한 저항을 크게 줄일 수 있습니다.