Evaluation of the Relationship between Geogrid Rib Size and Particle Size Distribution of Ballast Materials using Discrete Element Method

This study evaluated the shear behavior of geogrid reinforced ballast material using a large scale direct shear test and discrete element method (DEM) based on PFC 3D program. The direct shear test was conducted on ballast materials that have different particle size distributions. Whereas the test results revealed that the shear strength generally increased with the larger particle size of ballast material without geogrid reinforcement, the shear behavior of ballast material was found to change pertaining to the relationship between particle size distribution and geogrid rib size. Generally, it is deemed the effectiveness of reinforcement can be achieved when the rib size is two times greater than average particle size. A numerical analysis based on DEM was conducted to verify the test results. The geogrid modeling was successfully completed by calibration process along with sensitivity analysis to have actual tensile strength provided by manufacturer. With a given geogrid model, the parametric evaluation was further carried out to examine the interactive behavior between geogrid and ballast material. Consequently, it was found that the effectiveness zone of geogrid reinforcement generated within a specific depth.

개별요소해석법을 이용한 지오그리드 격자 크기와 도상자갈재료 입도분포 상관관계 평가

본 연구에서는 지오그리드로 보강된 자갈도상재료들의 전단거동을 대형직접전단시험과 개별요소법을 기반으로 한 PFC 3D프로그램을 사용하여 검토하였다. 직접전단시험은 각기 다른 입도분포를 갖는 자갈도상에 대해 실험을 수행 하였다. 실험 결과, 지오그리드로 보강되지 않은 경우 입경이 큰 입자가 많은 입도분포를 갖는 재료의 전단강도가 증가함을 확인한 반면, 지오그리드로 보강된 경우에는 전단강도 변화가 지오그리드 입자 크기와 입도분포에 따라서 증가 혹은 감소하는 경향을 보였다. 개별요소수치해석을 통해서 실험 결과를 검증하고자 하였으며 이를 위해서 실제 사용된 지오그리드 인장강도를 갖도록 미시 물성치를 민감도 분석을 통해 확보 하였으며, 각기 다른 격자 크기를 가진 지오그리드에 동일하게 적용하여 도상재료 입도분포에 따른 상관관계를 비교하여 보았다. 해석결과 입도분포에 따라 적합한 보강효과를 보이기 위해서는 그에 적합한 지오그리드의 격자크기가 형성됨을 확인하였으며, 평균입자크기에 비해 최소 2배 이상의 격자크기가 확보되어야 하는 것으로 확인하였다. 지오그리드의 영향범위가 일정한 깊이 내에 형성되는 것을 확인하였다.