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ISSN : 2233-8292

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Vol.14 No.4
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PFC를 이용한 입자와 비파쇄 평면과의 접촉면에서의 전단 거동

Shear behavior at the interface between particle and non-crushing surface by using PFC

(사)한국터널지하공간학회 / (사)한국터널지하공간학회, (P)2233-8292; (E)2287-4747
2012, v.14 no.4, pp.293-308
김은경 (건국대학교)
이정학 (대림산업(주))
이석원 (건국대학교)
김은경, 이정학, & 이석원. (2012). PFC를 이용한 입자와 비파쇄 평면과의 접촉면에서의 전단 거동. (사)한국터널지하공간학회, 14(4), 293-308.
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초록

암반 절리면과 같이 입자와 연속체 평면의 접촉면에서의 전단거동은 전체 구조물의 거동을 지배할 수 있다. 암반 설계의 효율을 높이기 위해서는 입자와 연속체 평면의 접촉면 전단거동 메커니즘에 대한 기초적인 이해와 접촉면 전단강도를 정확하게 산정하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 연속체 평면의 표면 거칠기의 영향을 알아보기 위하여 개별요소법 수치해석 프로그램인 PFC2D를 사용하였다. 이 때 표면 거칠기는 매끄러운 평면, 중간 거칠기 평면, 거친 평면의 세 가지로 구분하였다. 접촉면 전단시험에서 입자 형상 및 입자 파쇄의 영향을 연구하기 위하여 one ball 모델과 clump 및 cluster 모델을 형성하여 상대적으로 비교ㆍ분석하였다. 이 때 입자의 형상은 원형, 삼각형, 직사각형, 정사각형으로 모델링하였다. 수치해석 결과, 표면 거칠기가 클수록 접촉면 전단강도 및 마찰각이 크게 나타났으며, 또한 간극률이 크게 증가하였다. 표면이 매끄러운 one ball 모델보다 작은 입자들의 결합으로 이루어져 표면이 굴곡진 모델, 즉 clump 모델의 접촉면 전단강도 및 마찰각이 크게 나타났다. 입자의 결합이 파괴되는 모델, 즉 cluster 모델의 접촉면 전단 강도 및 마찰각이 같은 형상의 clump 모델보다 작게 나타났으며, 파괴포락선은 비선형으로 나타났다. 이러한 결과로부터 연속체 평면의 거칠기 및 입자의 형상이 입자와 평면의 접촉면 전단거동 특성에 미치는 영향을 확인하였다.

keywords
Discrete element method, particle flow code 2D, particle/surface interface, surface roughness, particle crushing, 개별요소법, PFC2D, 입자/평면 접촉면, 표면 거칠기, 입자 파쇄

Abstract

The shear behavior at the particle/surface interface such as rock joint can determine the mechanical behavior of whole structure. Therefore, a fundamental understanding of the mechanisms governing its behavior and accurately estimation of the interface strength is essential. In this paper, PFC, a numerical analysis program of discrete element method was used to investigate the effects of the surface roughness on interface strength. The surface roughness was characterized by smooth, intermediate, and rough surface, respectively. In order to investigate the effects of particle shape and crushing on particle/surface interface behavior, one ball, clump, and cluster models were created and their results were compared. The shape of particle was characterized by circle, triangle, square, and rectangle, respectively. The results showed that as the surface roughness increases, interface strength and friction angle increase and the void ratio increases. The one ball model with smooth surface shows lower interface strength and friction angle than the clump model with irregular surface. In addition, a cluster model has less interface strength and friction angle than the clump model. The failure envelope of the cluster model shows non-linear characteristic. From these findings, it is verified that the surface roughness and particle shape effect on the particle/surface interface shear behavior.

keywords
Discrete element method, particle flow code 2D, particle/surface interface, surface roughness, particle crushing, 개별요소법, PFC2D, 입자/평면 접촉면, 표면 거칠기, 입자 파쇄

참고문헌

1.

김도훈, 이강현, 이인모 (2011), “침투를 고려한 원형수직터널 거동특성 연구”, 한국터널지하공간학회논문집,제13권, 제6호, pp. 431-450.

2.

이성원, 정재형, 김창용, 배규진, 이주공, 박경호 (2009), “원형터널에서 지반-라이닝 상호작용에 대한 수학적 해석해에 관한 연구”, 한국터널지하공간학회논문집, 제11권, 제4호, pp. 427-435.

3.

조인성, 박정준, 김종선, 이인모 (2010), “천공홀 가압 팽창 개념을 도입한 터널 보조 신공법 연구”, 한국터널지하공간학회논문집, 제12권, 제6호, pp. 407-416.

4.

Brumund, W.F., Leonards, G.A. (1973), “Experimental study of static and dynamic friction between sand and typical construction materials”, ASTM Journal of Testing and Evaluation, Vol. 1, No. 2, pp. 162-165.

5.

Cundall, P.A., Strack, O.D.L. (1979), “A discrete numerical model for granular assemblies”, Geotechnique, Vol. 29, No. 1, pp. 47-65.

6.

Dove, J.E., Frost, J.D., Han, J., Bachus, R.C. (1997), “The influence of geomembrane surface roughness on interface strength”, Proc. Geosynthetics ’97, Vol. 2, pp. 863-876.

7.

Feda, J. (2002), “Notes on the effect of grain crushing on the granular soil behavior”, Engineering Geology, Vol. 63, pp. 93-98.

8.

Frost, J.D., Lee, S.W., Cargill, P.E. (1999), “The evolution of sand structure adjacent to geomembranes”, Proc. Geosynthetics ’99, Vol. 1, pp. 559-573.

9.

Hainbuchner, E., Potthoff, S., Konietzky, H., te Kamp, L. (2002), “Particle based modeling of shear box tests and stability problems for shallow foundations in sand”, Numerical Modeling in Micromechanics via Particle Methods, Vol. 1, pp. 151-156.

10.

Itasca Consulting Group, Inc. (2004), “Particle flow code in 2-dimensions, Ver.3.1 User’s manual”.

11.

Jensen, R.P. (1998), “Numerical and analytical modeling of the microstructural behavior of a particulate media-structure interface”, Ph. D. Thesis, School of Civil Engineering, University of Wisconsin-Madison, 121p.

12.

Jo, S.A., Kim, E.K., Cho, G.C., Lee S.W. (2011), “Particle shape and bonding state effects on particle crushing in PFC”, Soils and Foundations, Vol. 51, No. 4, pp. 701-712.

13.

Lee, S.W. (1998), “Influence of surface topography on interface strength and counterface soil structure”, Ph.D. Thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technologh, Atlanta, Georgia, USA, 336p.

14.

Lobo-Gurrero, S., Vallejo, L.E. (2005), “Crushing a weak granular material: experimental numerical analyses”, Geotechnique, Vol. 55, No. 3, pp. 245-249.

15.

Paikowsky, S.G., Player, C.M., Connors, P.J. (1995), “A dual interface apparatus for testing unrestricted friction of soil along solid surfaces”, ASTM Geotechnical Tesing Journal, Vol. 18, No. 2, pp. 168-193.

16.

Potyondy, J.G. (1961), “Skin friction between various soils and construction materials”, Geotechnique, Vol. 11, pp. 339-355.

17.

Uesugi, M., Kishida, H., Tsubakihara, Y. (1988), “Behavior of sand particles in sand-steel friction”, Soils and Foundations, Vol. 28, No. 1, pp. 107-118.

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