한국지반공학회논문집 (Journal of the Korean Geotechnical Society)

  • 제24권8호
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  • Pages.5-12
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  • 2008
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  • 1229-2427(pISSN)
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  • 2288-646X(eISSN)
한국지반공학회 (Korean Geotechnical Society)
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Biot 음향 전파 이론을 이용한 실내 사질 시료의 투수계수 산정

Laboratory Evaluation of Soil Permeability for Sand Using Biot's Acoustic Wave Propagation Theory

  • 김진원 (미시시피대학교 토목공학과) ;
  • 송정락 (미시시피대학교 토목공학과)
  • 발행 : 2008.08.31
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초록

Biot는 균질하며 등방성인 포화된 물질에서의 혼합체 연동이론(coupled theory mixtures)을 이용하여 탄성파 전파의 진동수 의존성에 관한 이론을 제시하였다. Biot의 이론에 의하면 포화된 지반을 전파하는 탄성파의 진동수는 지반의 투수계수에 관한 정보를 가지고 있음을 보여주고 있다. 지반의 투수계수 산정에 사용되는 특정 진동수는 '특성 진동수 (characteristic frequency)'라 불리며, 특성 진동수는 진동수의 연속변화를 통한 I/Q(inverse quality factor)와 진동수의 관계도에 의하여 구할 수 있으며, 지반의 투수계수는 Biot의 식을 이용하여 산정할 수 있다. 본 연구에서는 시험상자 (test box)를 이용한 실내 시험을 미시시피 주립대학에서 수행함으로써 특성 진동수를 측정하였으며, 또 이를 이용하여 투수계수를 계산하였다. 모르타르 모래 시료에 대하여 시험한 결과 특성 진동수는 3500Hz에서 나타났으며 이를 Biot 식을 이용하여 시료의 투수계수를 산정한 결과 투수계수는 2.01 $10^{-4}m/sec$로 나타났다. 이는 실내 정 수두 투수계수 시험 값인 1.49 $10^{-4}m/sec$ 와 비교했을 때 다소 크게 나타났다 그러나 이 차이는 투수계수의 통상적인 오차범위를 고려할 때 매우 합리적인 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구는 음파를 이용하여 보다 쉽고 빠른게 지반의 투수계수를 산정할 수 있는 가능성이 있음을 보여 주었다. 본 논문에서는 특별히 고안된 장치를 통하여 시료의 특성 진동수를 실험적으로 결정하는 세부적인 방법과 그 이론적인 배경을 기술하였다.

Biot proposed the frequency dependent formulation for the propagation of elastic waves in saturated media based on the coupled theory mixtures. Based on Biot theory, a special frequency called 'the characteristic frequency' contains unique information of the permeability of soils. The characteristic frequency is measured from I/Q (inverse quality factor) versus frequency curve by an acoustic sweep test, and the permeability of soils is computed from Biot equation. In this paper, laboratory tests are performed at The University of Mississippi using a large test box. The measured characteristic frequency is consistently obtained at 3500 Hz for mortar sands. The computed permeability of mortar sands based on Biot equation turned out 2.01 $10^{-4}m/sec$, while the permeability from the laboratory constant head test turned out 1.49 $10^{-4}m/sec$. This paper addresses the theoretical background and experimental procedure of this technique.

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