Measurement of Friction Angle of Sand from Horizontal Stress and Torque Acting on Vane

In this study, the torque and horizontal stress acting on vane were measured and then used to determine a friction angle of sand. A dry Nakdong River sand was prepared for loose and dense conditions in a cell and then pressurized with 25, 50, 75 or 100 kPa from the surface of sand. A vane (5cm in diameter and 10cm in height) was rotated and the torque and horizontal stress were measured at real time. A maximum torque was 3.5-9.5Nm for loose sand and 7.4-17.6Nm for dense sand, respectively. The maximum torque increased as an overburden pressure increased. The maximum torque obtained at 14-20 degrees of vane rotation, which was not influenced by the initial alignment of earth pressure and vane blade. An initial horizontal stress ratio was 0.33-0.35 on the average. The horizontal stress increased initially and then decreased due to particle disturbance. A friction angle was calculated from real time varying horizontal stress and torque, which decreased with increasing overburden pressure. The friction angle of loose sand from vane shear test was similar to that of direct shear test but that of dense sand was overestimated.

베인에 작용하는 수평응력과 토크를 이용한 모래의 마찰각 측정

본 연구에서는 베인에 작용하는 수평응력과 토크를 측정한 다음 이를 이용하여 모래의 마찰각을 구하는 연구를 수행하였다. 건조한 낙동강모래를 원통형 셀에 느슨하거나 조밀한 상태로 성형한 다음 상부에서 공기압 실린더로 상재하중(overburden pressure)을 25, 50, 75 또는 100kPa 가하여 베인(직경 5cm, 높이 10cm) 회전 시 주변에 작용하는 수평응력과 토크를 실시간으로 측정하였다. 베인 회전에 따른 최대 토크값은 느슨한 모래는 3.5~9.5Nm, 조밀한 모래는 7.4-17.6Nm 사이로 상재하중이 증가할수록 최대 토크값도 증가하였다. 조밀한 정도에 관계없이 $14-20^{\circ}$ 회전 시 최대 토크값에 도달하였으며, 베인날과 토압계의 초기 위치에 따른 최대값의 차이는 나지 않았다. 상재하중에 따라 베인에 작용하는 초기 수평응력비($K_0$)는 평균 0.33-0.35 사이이며, 베인 회전에 따라 수평응력이 전반적으로 증가하다가 모래 입자가 교란되면서 다시 감소하는 경향을 보였다. 실시간으로 측정된 수평응력과 토크를 이용하여 계산된 마찰각은 상재하중이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 느슨한 모래는 직접전단시험 결과와 유사한 마찰각을 보였다. 하지만, 조밀한 모래의 마찰각은 다소 과대평가하는 경향을 보였다.