현무암 섬유의 전단강도 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 15923(2023) 이 기사 인용

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황토는 엔지니어링 건설에 도전이 되는 붕괴성, 붕괴성, 용해성의 특성을 가지고 있습니다. 현무암 섬유강화(BFR) 황토의 전단강도를 조사하기 위해 수분 함량(w), 섬유 길이(FL), 섬유 함량(FC) 및 세포 압력의 영향을 조사하기 위해 압밀 비배수(CU) 3축 시험을 수행했습니다. σ3) 전단강도에 관한 것이다. 결과에 따라 FL, FC 및 섬유직경(d)의 영향을 고려하여 전단강도 모델이 확립되었다. 그 결과, BFR 토양의 최고 강도는 FL, FC, σ3가 증가함에 따라 증가하는 반면, w가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 비보강토와 비교하여 BFR 황토의 최대강도는 FC가 0.2%, FL이 16mm일 때 64.60% 향상되었다. 실험 황토의 최적 보강 조건은 FL이 16mm, FC가 0.8%였다. 섬유의 강화 메커니즘은 단일 인장 효과와 공간 메쉬 효과로 구분됩니다. 실험결과와 계산결과가 잘 일치하여 해당 모델이 BFR 황토의 전단강도 예측에 적합함을 시사한다. 연구 결과는 노반 및 경사면 엔지니어링에 BFR 황토를 적용하기 위한 지침을 제공할 수 있습니다.

황토는 중국 북서부에 널리 퍼져 있는 제4기 퇴적물입니다1. 일대일로(Belt and Road Initiative)'의 발전으로 고속도로, 고속철도 등으로 대표되는 현대적인 교통시설이 대거 건설됐다2,3,4. 그러나 황토의 구조적 특성은 다공성, 약하게 결합된 상태, 과소 압축된 상태 등으로 인해 붕괴성, 분해 및 용해성을 초래하여 엔지니어링 건설에 어려움을 초래합니다5. 섬유보강(FR) 공법은 공학적 문제를 해결하는 아이디어를 제공하며, 섬유는 인장력과 마찰력을 통해 토양 입자의 변형을 제한하여 강화 토양의 우수한 기계적 특성을 제공합니다6,7. Ibraim et al.8,9,10은 느슨한 섬유 강화 모래의 압축 에너지는 최대 강도가 ​​일정하게 유지될 때 밀도가 높은 비강화 모래보다 낮다고 결론지었습니다. 섬유 강화 방법은 압축 및 신장 하중에서 모래의 액화 가능성을 크게 줄일 수 있습니다. 습한 모래/섬유 혼합물의 진동을 활용한 섬유 강화 모래에 대한 새로운 샘플링 방법이 제안되고 평가되었습니다. Reza Tabakouei et al.11은 섬유 유형, 섬유 길이 및 시편 직경이 섬유 강화 모래 토양의 무제한 압축 강도를 결정한다고 밝혔습니다. Sharma와 Kumar12는 상대밀도가 섬유보강사의 극한 지지력과 침하에 큰 영향을 미치며, 상대밀도가 70%일 때 개선 효과가 최대에 달한다고 보고하였다. Festugato et al.13은 폴리프로필렌 섬유를 포함하면 반복 하중 하에서 강화되지 않은 모래보다 조밀한 모래가 더 단단해진다고 보고했습니다. Choobbasti et al.14는 폴리비닐알코올 섬유가 Babolsar 모래의 파손 시 전단강도와 축 변형률을 향상시키는 반면 최고 강도 이후의 황토 강도는 감소시킬 수 있다고 결론지었습니다. Soriano et al.15은 섬유 강화 모래의 다공성이 섬유 근처에서 증가한다는 사실을 발견했으며, 이는 도난 간극률의 가정을 입증했습니다. Mandolini et al.16은 섬유 강도가 인장 변형률 영역과 섬유 배향 분포에 의해 좌우된다고 밝혔습니다.

점토질 토양의 경우 Abdi et al.17은 폴리프로필렌 섬유가 점토-석회 복합재의 압축, 강도 및 연성을 증가시킬 수 있다고 결론지었습니다. Hejazi 등18은 섬유함량, 섬유직경, 섬유종횡비가 섬유보강토의 전단강도에 영향을 미친다고 보고하였다. Abbaspour 등19은 폐타이어 직물 섬유가 팽창성 토양의 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며 팽윤 변형이 44% 감소했음을 밝혔습니다. Consoli et al.20,21은 다공성과 시멘트의 비율이 섬유 강화 토양-석회 복합재의 무제한 압축 강도를 평가하는 데 중요한 역할을 한다고 보고했습니다. 더욱이, 섬유 강화된 황산염이 풍부한 분산 토양의 부피 변형을 추론하는 데 유리 섬유의 첨가는 효과적이지 않았습니다. Tamassoki 등22은 활성탄과 코이어 섬유의 함량이 3%이면 압축강도가 크게 향상되고, 2% 함량에서는 라테라이트 토양의 전단강도가 크게 향상된다고 밝혔습니다. Soleimani-Fard et al.23은 개별 분산 섬유가 섬유 강화 세립토의 전단 강도, 압축 및 수력 전도성을 크게 향상시킬 수 있음을 밝혔습니다. Malekzadeh와 Bilsel24은 폴리프로필렌 섬유를 첨가하면 팽창성 토양의 팽윤수축을 크게 감소시킬 수 있으며 수축한도는 50% 이상 증가한다고 보고했습니다. Phanikumar와 Singla25는 나일론 섬유 강화 팽창성 토양의 팽윤 잠재력과 팽윤 압력이 섬유 길이가 증가함에 따라 감소하고 2차 압밀 특성이 섬유 강화 토양에서 크게 향상되었다고 밝혔습니다. Wang et al.26은 붕괴성 황토의 압축강도와 인장강도는 유리섬유 함량(FC)이 증가함에 따라 처음에는 증가하다가 감소하는 경향을 보였다고 결론지었다. Huang et al.27은 FR이 리모델링된 황토의 강도를 현저하게 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 동시에 압축탄성계수는 처음에는 증가하다가 FC가 증가함에 따라 감소하였으며 최적 FC는 0.6%였다. Xu et al.28은 현무암 FR(BFR) 황토의 손상 ​​편향 응력이 먼저 증가한 다음 FC가 증가함에 따라 감소하며 최적 FC는 0.6%라고 선언했습니다. Zhu et al.29은 섬유 길이(FL)와 FC를 갖는 폴리프로필렌 FR 황토의 무제한 압축 강도(UCS)에 대한 최적 조건이 각각 12mm와 0.5%임을 발견했습니다. 한편, 변형계수에 대한 최적조건은 12 mm FL, 0.3% FC이다. Zuo et al.30은 토양개량을 위해 복합공법을 채택하였고 황토의 압축강도와 유연성이 효과적으로 향상되었으며 최적조건은 잔탄검 1.5%, 현무암섬유 0.6%라는 결론을 내렸다. Lu et al.31은 폴리프로필렌 FR 황토의 전단강도 지수가 각각 113.8%와 23.3% 증가한 반면, 붕괴율은 거의 87.5% 감소했다고 밝혔다. 등(32)은 폴리프로필렌 FR 토양의 투수능력이 크게 증가한 것을 관찰하였고, 황토 경사면의 보호 효과가 분명하게 나타났다. Dong et al.33은 세포 압력(σ3)이 증가함에 따라 리그닌 FR 토양의 강도가 향상되고 FC가 증가함에 따라 응력-변형률 곡선이 경화에서 연화로 이동한다는 것을 발견했습니다. Chu 등(34)은 FR 토양의 강도가 먼저 증가한 다음 FC가 증가함에 따라 감소하며 응집력이 현저하게 증가한다는 것을 얻었습니다. Xiong et al.35은 BFR 황토의 곡선이 연화에서 경화로 전환되었으며 전단강도 지수가 각각 52.03% 및 24.30% 향상되었음을 관찰하였다. Wang et al.36은 현무암 섬유가 황토 크리프를 크게 향상시킬 수 있으며 BFR 토양의 크리프 변형은 σ3가 증가함에 따라 감소한다고 결론지었습니다. Hu 등37은 FR 황토의 응집력이 먼저 강화되고 FC가 증가함에 따라 감소하며 실제 공학에서 최적 FC는 최소 0.2%가 되어야 한다고 지적했습니다. Gao et al.38은 희석혼합법으로 제조된 시료의 UCS가 직접혼합법보다 더 적합하며 리그닌 FC가 UCS에 미치는 영향이 더 분명하다는 것을 발견했다. Su와 Lei39는 야자 섬유가 황토의 UCS를 현저히 향상시킬 수 있으며 건조 밀도가 강도에 미치는 영향은 상당하지만 FL의 영향은 크지 않다고 지적했습니다. Chen et al.40은 플라이애시 함량과 기포압력이 증가함에 따라 황토의 동적 전단탄성계수(dynamic shear modulus)가 크게 증가하는 반면, 플라이애시 함량과 σ3가 증가함에 따라 감쇠비는 감소한다고 선언하였다. Yang et al.41은 폴리프로필렌 섬유가 시멘트 개질 황토를 취성 손상에서 소성 손상으로 변화시킬 수 있으며 섬유가 가교 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 최적의 보강조건은 FC 0.30~0.45%, FL 12mm였다.