Characteristics of Shear Wave Velocity as Stress-induced and Inherent Anisotropies

Shear wave velocity of uncemented soil can be expressed as the function of effective stresses when capillary phenomena are negligible. However, the terms of effective stresses are divided into the direction of wave propagation and polarization because stress states are generally anisotropy. The shear wave velocities are affected by ${\alpha}$ parameters and ${\beta}$ exponents that are experimentally determined. The ${\beta}$ exponents are controlled by contact effects of particulate materials (sizes, shapes, and structures of particles) and the ${\alpha}$ parameters are changed by contact behaviors among particles, material properties of particles, and type of packing (i.e., void ratio and coordination number). In this study, consolidation tests are performed by using clay, mica and sand specimens. Shear wave velocities are measured during consolidation tests to investigate the stress-induced and inherent anisotropies by using bender elements. Results show the shear wave velocity depends on the stress-induced anisotropy for round particles. Furthermore, the shear wave velocity is dependent on particle alignment under the constant evvective stress. This study suggests that the shear wave velocity and the shear modulus should be carefully estimated and used for the design and construction of geotechnical structures.

응력유도 및 고유 이방성에 따른 전단파 속도 특성

비고결화된 흙의 전단파 속도는 모세관 현상을 무시할 수 있는 경우 유효응력의 함수로 표현할 수 있다. 그러나 지반에서의 응력상태는 등방성인 경우보다는 이방성인 경우가 대부분이므로 이러한 유효응력은 파가 전파되는 방향과 입자가 움직이는 방향의 두 가지로 나눠진다. 또한, 전단파 속도는 입자 특성에 따라 실험적으로 결정되는 ${\alpha}$계수와 ${\beta}$지수에 영향을 받는데 ${\beta}$지수의 경우 입상 매질(particulate material)의 접촉 특성(입자크기, 입자모양, 입자들의 구조)에 따라 결정되며, ${\alpha}$계수는 패킹(packing)의 형태(즉, 간극률과 coordination number), 입자를 만드는 재료의 특성, 입자간의 접촉 거동, 구조의 변화에 따라서 변화한다. 본 연구에서는 입자구조의 특성이 다른 점토, 모래, mica등의 재료로 압밀시험을 실시하고 벤더 엘리먼트를 통하여 유효응력 방향과 입자 이방성에 따른 전단파 속도를 측정하였다. 연구 결과, 둥근 입자로써 입자자체가 등방성인 경우에는 응력이방성에 의하여 전단파 속도의 크기가 달라지는 것으로 나타났다. 또한 전단파 속도는 동일한 응력 하에서 입자 배열에 의존하는 것으로 나타났다. 이번 연구는 지반구조물의 설계와 시공 시 전단파 속도와 전단탄성계수는 매우 신중하게 계산되고 사용되어져야 함을 제시하고 있다.