삼축전단시험

Triaxial shear test
테스트할 수 있도록 샘플이 부착된 3축 장치.

삼축전단시험은 많은 변형 가능한 고형물, 특히 토양(모래, 점토)과 암석, 그리고 기타 미세한 재료분말의 기계적 특성을 측정하는 일반적인 방법이다. 그 시험에는 몇 가지 변형이 있다.[1][2][3][4]

3축 전단 시험에서 응력은 시험하는 재료의 표본에 가해져 한 축을 따라 가해지는 응력과 수직 방향으로 가해지는 응력이 다르다. 이것은 일반적으로 하나의 (일반적으로 수직) 방향으로 스트레스를 가하는 두 개의 평행 평판 사이에 샘플을 놓고, 수직 방향으로 스트레스를 가하기 위해 표본에 유체 압력을 가함으로써 달성된다. (3개의 직교 방향 각각에 서로 다른 수준의 응력을 적용할 수 있는 시험 기구는 "진정한 3축 시험"에서 아래에 설명되어 있다.)

시험기구에 다른 압축응력을 적용하면 표본에 전단응력이 발생하게 된다. 하중은 증가될 수 있고 표본이 고장날 때까지 편향을 감시할 수 있다. 시험하는 동안 주변 액체가 가압되고, 원통 내의 재료가 고장 날 때까지 플래튼의 응력이 증가하여 전단 밴드라고 알려진 자기 내부의 슬라이딩 영역을 형성한다. 삼축 시험에서 피복의 기하학적 구조는 전형적으로 옆면을 따라 튀어나오는 동안 표본이 짧아지게 한다. 그러면 평판의 응력이 감소되고 수압이 옆면을 다시 밀어 넣어 샘플이 다시 커지게 된다. 이 주기는 일반적으로 표본에 대한 응력과 변형률 데이터를 수집하는 동안 여러 번 반복된다. 시험하는 동안 샘플 내 유체(예: 물, 오일) 또는 기체의 모공 압력은 비숍의 모공 압력 장치를 사용하여 측정할 수 있다.

3축 시험 데이터에서 피복 저항 각도, 명백한 응집력 및 희석도 각도를 포함하여 표본에 대한 기본적인 재료 매개변수를 추출할 수 있다. 그런 다음 이 매개변수는 대규모 엔지니어링 애플리케이션에서 재료가 어떻게 동작할지를 예측하기 위해 컴퓨터 모델에 사용된다. 예를 들어, 경사면의 토양의 안정성, 경사면이 붕괴될 것인지 또는 토양이 경사면의 전단 응력을 지지하고 제자리에 유지될 것인지를 예측할 수 있다. 3축 시험은 그러한 공학적 예측을 하기 위해 다른 시험과 함께 사용된다.

깎는 동안, 세분화된 재료는 일반적으로 순 이득 또는 부피 손실을 갖는다. 만약 그것이 원래 밀집된 상태였다면, 그것은 일반적으로 레이놀즈의 희석성으로 알려진 특징인 부피를 증가시킨다. 원래 매우 느슨한 상태였다면, 칼집이 시작되기 전에 또는 칼집과 함께 수축이 발생할 수 있다.

때때로 응집성 검체의 시험은 고정되지 않은 압축 시험에서 구속력 없이 수행된다. 적용 가능성은 노출되었을 때 옆면이 무너지지 않는 표본으로 제한되고 현장 응력보다 구속 스트레스가 낮을 경우 결과가 지나치게 보수적일 수 있지만, 이것은 훨씬 간단하고 비용이 덜 드는 기구와 표본 준비를 필요로 한다. 콘크리트 강도 시험을 위해 수행되는 압축 시험은 일반적으로 콘크리트 시험의 표본이 크고 하중이 높은 장비에 대해 기본적으로 동일한 시험이다.

시험실행

토양 샘플의 경우 시료는 원통형 라텍스 슬리브에 들어 있으며, 상단과 하단의 끝에서 닫히는 평평한 원형 금속판 또는 평판이 있다. 이 실린더는 실린더의 측면을 따라 압력을 공급하기 위해 유압 오일의 욕조에 넣어진다. 그런 다음 상단 플래튼을 실린더의 축을 따라 기계적으로 위 또는 아래로 구동하여 재료를 압착할 수 있다. 상부 평판이 이동하는 거리는 주변 물의 압력을 조심스럽게 제어하기 때문에 이를 이동시키는 데 필요한 힘의 함수로 측정된다. 재료 부피의 순변화는 또한 주변 욕조 내부 또는 외부 물의 양에 의해 측정될 수 있지만, 일반적으로 샘플이 물로 포화되었을 때 샘플의 모공 안으로 또는 밖으로 흐르는 물의 양을 측정하여 측정된다.

고강도 록의 시험의 경우, 소매는 라텍스보다는 얇은 금속 시트가 될 수 있다. 강한 암석에 대한 삼축 시험은 암석 샘플을 파괴하는 데 필요한 높은 힘과 압력에 비용이 많이 들고 번거로운 시험 장비가 필요하기 때문에 거의 수행되지 않는다.

유효응력

표본에 대한 유효 응력은 한 평판에 다공성 표면을 사용하여 측정하고 시험 중 유체(보통 물)의 압력을 측정한 다음 총 응력과 모공 압력으로 인한 유효 응력을 계산하면 된다.

불연속부의 전단강도를 결정하기 위한 3축 시험

3축 시험은 불연속부의 전단 강도를 결정하는 데 사용할 수 있다. 균등 및 등방성 표본은 표본의 전단 응력으로 인해 실패한다. 불연속성이 있는 표본이 시험 중 최대 전단 응력이 발생할 평면에 거의 평행하도록 방향을 잡는 경우, 불연속성을 따라 전단 변위로 인해 표본이 고장나므로 불연속성의 전단강도를 계산할 수 있다.[5]

삼축시험의 종류

삼축 시험에는 다음과 같은 몇 가지 변화가 있다.

통합 배수(CD)

'연결된 배수' 시험에서는 표본을 통합하고 피복에 의해 축적된 모공 압력이 소멸될 수 있도록 천천히 압축을 통해 피복한다. 축 변형률은 일정하게 유지된다. 즉, 변형률이 제어된다. 그 아이디어는 테스트가 샘플과 모공 압력이 주변 응력에 완전히 통합(즉, 조정)될 수 있도록 한다는 것이다. 특히 낮은 투과성 샘플은 배수 및 응력 수준에 대한 응력 조절에 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

통합 무박수(CU)

'연결되지 않은 비박수' 시험에서는 샘플이 배수되지 않도록 한다. 전단 특성은 드레이닝되지 않은 조건에서 측정되며 표본이 완전히 포화상태인 것으로 가정한다. 표본의 모공압력(CUpp라고도 함)을 측정하면 통합 강도의 근사치를 구할 수 있다. 전단 속도는 종종 특정 구속 압력(포화 상태)에 따른 통합 비율을 기반으로 계산된다. 구속 압력은 1psi에서 100psi 이상까지 다양할 수 있으며, 때로는 더 높은 압력을 처리할 수 있는 특수 부하 셀이 필요하다.

통합되지 않음

'연결되지 않은 비박리' 시험에서는 부하가 빠르게 적용되며, 시험 중에는 샘플이 통합될 수 없다. 샘플은 일정한 속도(스트레인 제어)로 압축된다.

참삼축시험

3축 시험 시스템은 세 개의 수직 방향에서 응력을 독립적으로 제어할 수 있도록 개발되었다. 이를 통해 축대칭 3축 시험 기계에서 생성될 수 없는 응력 경로를 조사할 수 있으며, 이는 시멘트 모래와 비등방성 토양 연구에 유용할 수 있다. 시험 셀은 입체적이며, 시료에 압력을 가하는 6개의 별도 판이 있으며, 각 판의 LVDT 판독 운동도 있다.[6] 세 번째 방향의 압력은 시험실의 정수압으로 적용할 수 있으며, 4개의 응력 적용 조립체만 필요하다. 이 기구는 축대칭 3축 시험보다 훨씬 복잡하며, 따라서 일반적으로 덜 사용된다.

삼축 테스트에서 자유 종료 조건

덴마크의 3축전

고전적 구조물의 삼축 시험은 변형 진폭이 클 때 시료 내에 가해지는 균일하지 않은 응력과 변형력 장으로 인해 비판을 받았다.[7] 전단 구역 내에서 고도로 국부화된 불연속성은 거친 끝판과 표본 높이의 조합에 의해 발생한다.

더 큰 변형 진폭에서 시료를 테스트하기 위해 3축 장치의 "신규" 및 "개선된"[9] 버전을 제작했다. "new"와 "개선된" 3축 모두 동일한 원칙을 따른다. 즉, 샘플 높이가 한 직경 높이로 감소하고 엔드 플레이트와의 마찰이 취소된다.

고전적인 기구는 거친 엔드 플레이트를 사용한다 - 피스톤 헤드의 전체 표면은 거친 다공성 필터로 구성된다. 업그레이드된 기구에서는 터프 엔드 플레이트를 매끄럽고 광택이 나는 유리로 교체하고, 중앙에 작은 필터를 배치한다. 이 구성을 통해 시료는 광택유리를 따라 미끄러지면서 수평으로 미끄러지거나 팽창할 수 있다. 따라서 시료와 엔드 플레이트 사이의 접촉 구역은 불필요한 전단 마찰을 축적하지 않으며 시료 내 선형/등방성 응력장이 지속된다.

매우 균일하고 근접한 등방성 응력장 - 등방성 수율이 발생한다. 등방성 항복 부피(질산) 균주가 시료 내에 동위원소 분포하는 동안, 이것은 CD 시험 중 부피 반응의 측정과 CU 하중 중 모공 수압을 개선한다. 또한 등방성 수율은 시료를 축방향으로 압축하므로 균일하게 방사형으로 팽창시킨다. 원통형 시료의 벽은 큰 변형률 진폭에서도 직선 및 수직으로 유지된다(Vardoulakis(1980년)는 비포화 모래에 "개선된" 삼축법을 사용하여 변형 진폭 50%가 문서화되었다). 이는 종말판과의 접촉에서 일정한 반지름을 유지하면서 표본이 중심에서 나팔을 형성하는 고전적 설정과는 대조적이다.

액화 후 시험. 미세 모래 시료는 비박수(CU) 사이클을 통합하는 동안 액화되었고, 통합 배수(CD) 사이클로 여러 번 회수되었다. CU 액화 및 배출 사이에 반복하여 발생하는 부피 변화로 인해 형성된 주름. 액화 상태에서는 얇은 라텍스를 각인시킬 수 있을 정도로 샘플이 부드러워진다. CD 주기 동안 - 각인된 패턴을 보존할 만큼 충분히 뻣뻣함.

"새로운" 기구는 L.B.에 의해 "덴마크 3축"으로 업그레이드되었다.입센.[10] 덴마크 삼축은 모든 토양 유형을 검사하는데 사용될 수 있다. 그것은 체적 반응의 개선된 측정을 제공한다 - 동위원소 항복 동안에 체적 스트레인은 시료 내에서 동위원소 분포한다. 모공수의 공동화가 비박리 모래 강도의 한계를 설정하기 때문에 등방성 부피 변화는 CU 시험에 특히 중요하다.[11] 시료 근처에서 측정하여 측정 정밀도를 개선한다. 하중 셀은 물에 잠겨 시료의 상부 압력 헤드와 직접 접촉한다. 변형 변환기는 피스톤 헤드에도 직접 부착된다. 기기의 제어는 고도로 자동화되어 있어 주기적인 하중을 매우 효율적이고 정밀하게 적용할 수 있다.

높은 자동화, 향상된 샘플 내구성, 큰 변형 호환성의 조합은 삼축 시험의 범위를 확장한다. 덴마크의 3축은 전단 파열이나 불룩함 없이 CD와 CU 모래 시료를 플라스틱으로 만들 수 있다. 샘플은 단일 연속 부하 시퀀스에서 여러 번 산출되는지 시험할 수 있다. 표본은 큰 변형 진폭까지 액화시킨 다음 CU 고장으로 압착될 수 있다. CU 테스트는 CD 상태로 전환될 수 있으며, CD 모드에서 순환 테스트를 수행하여 강성과 강도의 사후 액화 회수를 관찰할 수 있다.[12] 이를 통해 시료를 매우 높은 수준으로 제어할 수 있으며, 기존의 3축 시험 방법으로는 접근이 불가능한 모래 반응 패턴을 관찰할 수 있다.

시험표준

그 목록은 완전하지 않다. 단지 주요 기준만 포함되어 있다. 보다 광범위한 목록은 ASTM International(미국), British Standards(영국), 국제표준화기구(ISO) 또는 지역 기관의 웹사이트를 참조하십시오.

  • ASTM D7181-11: 토양에[13] 대한 통합 배수 삼축압축시험 표준시험법
  • ASTM D4767-11(2011): 응집성 토양에[14] 대한 통합 3축압축 시험 표준법
  • ASTM D2850-03a(2007): 응집성 토양에[15] 대한 비연결성 3축압축 시험 표준법
  • BS 1377-8:1990 Part 8: 전단 강도 시험(유효 응력)삼축압축시험[16]
  • ISO/TS 17892-8:2004 지질조사 및 시험—토양의 시험—제8부: 비연결 3축 시험[17]
  • ISO/TS 17892-9:2004 지질조사 및 시험—토양의 시험—제9부: 수포화 토양에[18] 대한 통합 3축 압축 시험

참조

  1. ^ Bardet, J.-P. (1997). Experimental Soil Mechanics. Prentice Hall. ISBN 978-0-13-374935-9.
  2. ^ Head, K.H. (1998). Effective Stress Tests, Volume 3, Manual of Soil Laboratory Testing, (2nd ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-97795-7.
  3. ^ Holtz, R.D.; Kovacs, W.D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering. Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0.
  4. ^ Price, D.G. (2009). De Freitas, M.H. (ed.). Engineering Geology: Principles and Practice. Springer. p. 450. ISBN 3-540-29249-7.
  5. ^ Goodman, R.E. (1989). Introduction to Rock Mechanics. Wiley; 2 edition. p. 576. ISBN 978-0-471-81200-5.
  6. ^ Reddy, K.R.; Saxena, S.K.; Budiman, J.S. (June 1992). "Development of A True Triaxial Testing Apparatus" (pdf). Geotechnical Testing Journal. ASTM. 15 (2): 89–105.
  7. ^ ROWE, P W, Barden, L, "TRIAXIAL TESTING에서 자유 종말의 수입" 토양 역학 & 기초 저널, 권: 90
  8. ^ 웨이백머신에 2017-06-07년 보관 "새로운 오이디미터와 단단한 토양을 위한 새로운 삼축 장치"
  9. ^ Vardoulakis, I. (1979). "Bifurcation analysis of the triaxial test on sand samples". Acta Mechanica. 32: 35. doi:10.1007/BF01176132.
  10. ^ Ibsen, L.B. (1994). "The stable state in cyclic triaxial testing on sand". Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 13: 63. doi:10.1016/0267-7261(94)90042-6.
  11. ^ vbn.aau.dk[전체 인용 필요]
  12. ^ onepetro.org[전체 인용 필요]
  13. ^ ASTM D7181 (2011). Standard Test Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils). ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.
  14. ^ ASTM D4767-11 (2011). Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. doi:10.1520/D4767-11.
  15. ^ ASTM D2850 - 03a (2007). Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. doi:10.1520/D2850-03AR07.
  16. ^ BS 1377-1 (1990). Methods of test for soils for civil engineering purposes. General requirements and sample preparation. BSI. ISBN 0-580-17692-4.
  17. ^ ISO/TS 17892-8:2004 (2007). Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 8: Unconsolidated undrained triaxial test. International Organization for Standardization. p. 24.
  18. ^ ISO/TS 17892-9:2004 (2007). Geotechnical investigation and testing -- Laboratory testing of soil -- Part 9: Consolidated triaxial compression tests on water-saturated soils. International Organization for Standardization. p. 30.

참고 항목