2015년 11월 19일 목요일

Geotechnical Soil Properties


지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.


지반공학의 절대 기본이 되는 흙의 특성들을 요점정리 해본다.



대전제


: 흙은 Solid (Sand or Clay) + water + air 혼합물로서,


 heterogeneous, anisotropic 한 비선형 거동 물성체이다.



The unified classification method (통일분류법)


Sieve analysis --> S / C 구별 and W / P graded 판단

  • Cu : Coefficient of Uniformity = D60 / D10
  • Cc : Coefficient of Curvature = D30^2 / (D10*D60)
  • if Cu > 6 and 1 < Cc < 3, then SW

Atterberg limit test --> Plasticity Chart
  • LL (wL) : Liquid Limit :차트 가로축
  • PL : Plastic Limit
  • PI (Ip) : Plastic Index = LL - PL : 차트 세로축




etc.
  • e : void ratio = Vv / Vs  <-- 가장 많이 쓰임. 중요.
  • w : water content = Mw / Ms
  • Sr : Degree of Saturation = Vw / Vv
  • n : porosity = Vv / V = e / (1+e)
  • gamma_t : total unit weight = (G+Sr*e) / (1+e) *  gamma_w


Stress & Strain


: 아래에선 기본적인 응력 sigma 를 P 로 표기한다.

Mohr's Circle
  • Shear strength
  • Mohr-Coulomb failure envelope --> c , phi

Effective stress
    • Terzaghi (1936)
      • The effective stress = total stress - pore water pressure
      • P' = P - pwp
    • Earth Pressure at Rest
      • "at Rest" : a stress state of K0 is a constant.
      • K0 ( = P'h / P'v ) : Earth pressure coefficient at rest

    p & q
    • Lambe representation : 2D --> Mohr's Circle 대신 사용
      • p : average stress = 1/2 * (P1 + P3) = p' + pwp
      • q : deviator stress = 1/2 * (P1 - P3) = q'
    • Cambridge representation : 3D --> Triaxial Test 결과플랏 y축에 q 사용
      • p = 1/3 * (P1 + P2 + P3) = p' + pwp
      • q = (P1 - P3) = q'


    Triaxial compression test
    • UU : Unconsolidated Undrained = Quick test
      • 초기 안정만 해석, 보통 시공 직후가 가장 위험하므로
      •     Saturated : c > 0, phi = 0 --> tau : cu = 0.5(s1-s3)
      • Unsaturated : c > 0, phi > 0
    • CU : Consolidated Undrained = Slow test
      • 흙댐, 제방 완공 후 수면 급격히 하강한 경우 안정계산
      • CU: effective stress test --> c' & phi'
    • CD : Consolidated Drained = 어려운 test 라 CU 로 보통 대체
      • 투수계수가 큰 흙에 사용

    Shear strength
    • Clay --> Sensitivity = undisturbed strength / remoulded strenfgh ( if >16 : Quick clay )
    • Dense sand --> Dilatancy
    • Loose sand + saturated + undrained + shear stress --> Liquefaction 

    • 추가 : soil 별 보통의 c 혹은 phi 값
      • Soft clay : c = 20 ~ 40 kPa
      • Firm clay : c = 50 ~ 75 kPa
      • Loose sand : phi = 27 `
      • Dense sand : phi = 35 `



    Seepage (물의 침투)


    Darcy's Law : Q = k i A


    • k : coefficient of permeability = hydraulic conductivity
      • 1st k 유추식 (Hazen's eq) : k = 0.01 * (D10)^2 [m/s]
      • 2nd k 유추식 (Kozeny-Carman's eq) : k = f(phi) * d^2 * f(s)
      • Flow net : Q = k * h  * Nf / Nd  --> estimate quick conditions (boiling & piping)
    • Assumptions
      • laminar flow
      • isotropic, homogeneous
      • rigid soil structure
      • saturated


    Hydraulic test

    • Constant head test : Q / A = k * L/dH
    • Falling head test : Q dt = - a dh = k * h/L * A dt

    etc.
    • Bernoilli's eq : h = z + u/gamma_w + v^2/(2g)
    • Laplace eq : d2h/dx2 + d2h/dy2 = 0




    Compaction (다짐)


    : 공기 빼기. 단, 100% 제거는 불가능.

     최적의 다짐을 위해선 적정한 물 (water film)이 필요함.
    • Dry density (건조중량) 식이 중요
      • rho_d
      • = rho / (1 + w)
      • = Gs * rho_w / (1 + e)
      • = Gs * (1 - Ar) * rho_w / (1 + w * Gs)
    • Find e, n ( = e/(1+e) )
    • Degree of Saturation 식도 중요
      • Sr 
      • = w * Gs / e
    • RC : Relative Compaction = rho_d (field) / rho_d_max (lab test)



    Consolidation (압밀) : S = Se + Sc + Ss


    : 물 빼기. 문제는 Clay 의 low permeability

    • Clay --> OCR : OverConsolidation Ratio = Past Sv / Present Sv > 1
    •         --> sensitivity


    Initial (elastic) settlement (탄성 침하)


    • Elastic half-space method
      • Assumes homogeneous, elastic, and isotropic material goes on to infinity below a plane surface.
    • Boussinesq
      • Point loads : Pz = Q / z^2 * Ip
      • Line loads --> bulb of pressure until z = about 3B
      • Strip loads
      • Area loads
    • The Newmark influence chart
      • The vertical stress point is required at the center of the chart.
      • Pz = 0.005 * N * q
    • Schleicher (1926)
      • Elastic (initial) settlement : Se = dP * B * (1-v^2) / Es * Ip
      • Se is direct proportion to both dP and B.
    • 추가 : soil 별 보통의 Es 와 v 값
      • Soft clay : Es = 1.8 ~ 3.5 MPa, v = 0.15 ~ 0.25.
      • Hard clay : Es = 6 ~ 14 MPa, v = 0.2 ~ 0.5.
      • Loose sand : Es = 10 ~ 28 MPa, v = 0.2 ~ 0.4.
      • Dense sand : Es = 35 ~ 70 MPa, v = 0.3 ~ 0.45.
    • 추가 : Schmertman & Hartman method (1978)
      • Elastic (initial) settlement : Se = C1 * C2 * q * dz * (Iz / Es)
      • C1 : correction factor for depth of foundation embedment
      • C2 : correction factor to account for creep in soil


    Primary consolidation settlement (압밀 침하)


    • 우선 로그스케일 플랏 [ (e) vs. log(P) ] 를 그린다.
    • OCR = Pc / Po > 1
      • Pc : 선행압밀하중 = 과거 최대 하중
    • Cc : Compression index : 압축지수 
      • Cc = 기울기 of log scale
      • Cc = -(e1 - e2) / (logP1 - logP2)
      • 참고) Skempton 경험식 : Cc = 0.007 * (WL - 10) 
    • Cr : Re-compression index
    • Settlement (Sc) = Cc / (1+e) * H * log[ (P0 + dP) / P0 ]
      • if P0 < Pc < P0 + dP
      • then Sc = Cs/(1+e)*H*log(Pc/P0) + Cc/(1+e)*H*log((P0+dP)/Pc)

    • 다른 방법도 있다.
    • av : coefficient of compressibility : 압축계수 = 기울기 of natural scale
      • av = -(e1-e2) / (P1-P2)
      • mv : coefficient of vomule change: 체적변화율 = av / (1+e0)
    • Settelement (Sc) = mv * del(P) * H

    • 시간에 따른 압밀 침하량 변화 플랏 [ dH vs Time ] 을 그린다.
    • Cv : Coefficient of (Vertical) consolidation : 압밀계수
      • from Terzaghi 1D eqution : du / dt = Cv * d2u / dz2
      • 두 가지 방법
        • root (t) : Taylor : Cv = T90 * H^2 / t90 = 0.848 * H^2 / t90
        • log (t) : Casagrande : Cv = T50 * H^2 / t50 = 0.197 * H^2 / t50
    • U : Degree of consolidation
      • U vs Tv 그래프를 이용
      • 간단히 계산
        • for U < 0.6 --> Tv = pi/4 * U^2
        • for U > 0.6 --> Tv = -0.933 * log(1 - U) - 0.085
    • Consolidtion time (t) = Tv * H^2 / Cv


    • 예를 들어보자. <--- 기억이 안남
      • mv,.... 등이 주어진다.
      • 총 침하량 Sc 를 구한다.
      • 허용 침하 S 와 구해진 Sc 로 U 를 구한다.
      • U 로 Tv 를 구하고 Cv 를 구해서,
      • 최종 시간을 구했었는데...

    Secondary compression settlement (2차 압밀) = Creep



    • Because of the plastic adjustment of soil fabrics
    • Ca : Secondary compression index
      • Ca = - de / log(t1 - t2)
    • Settlement (Ss) = Ca * H * log(t2 / t1)













    Geomechanics



    지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.

    한번은 들어봤지만 한번에 알수가 없는 지반탄성체에 대해 요점정리 해본다.



    Mathematical Preliminaries: 기본 수학


    Tensor (in Euclidian Space)

    • ( a,b ) = scalar                   = integer, potential
    • ( a,b ) = 1st order tensor    = 3x1 matrix vector :  3 components
    • ( A,B ) = 2nd order tensor  = 3x3 matrix            :  9 components
    • ( A,B ) = 3rd order tensor  = 3x3x3 matrix        : 27 components
    • A,B ) = 4rd order tensor  = 3x3x3x3 matrix    : 81 components

    Product
    • inner product                     = · v = c     : projection, eg) (1,0,0) · (0,1,0) = 0+0+0
    • vector (cross) product       = u x v = w   : area,          eg) (1,0,0) x (0,1,0) = (0,0,1)
    • triple scalar (box) product = (u x v) · w  : volume
    • tensor product (dyad)       = u v = U  or  A ⊗ B = D
    • trace                                 = tr(U) = tr(u ⊗ v) = · v
    • dot product                       = A · B = C = Aik Bkj
    • double contraction            = A : B = D = Aij Bij

    Del: Nabla operator (∇)
    • gradient:      ∇ p     = u = ( dp/dx, dp/dy, dp/dz )
    • divergence: ∇ · u   = a = du/dx + du/dy + du/dz
    • curl:             ∇ x u  = v = [ (du3/dy - du2/dz), (du1/dz - du3/dx), (du2/dx - du1/dy) ]
    • Laplacian:    ·∇ p  = d2p/dx2 + d2p/dy2 + d2p/dz2
      • Divergence of Gradient (p), 즉 2차 미분된 scalar 값
    • Hessian:     H(p) = J(u) = J(∇ p)
      • Jacobian of Gradient (p), 이건 2차 미분된 tensor 값


    Divergence theorem (Gauss's theorem): 부피 변화는 전체 면적 flux 변화량 합이다.





    Stoke's theorem: Cauchy's fomula 의 근간. 점에서의 값은 그 점 주변 둘러싼 닫힌 곡선 위에서 적분한 것과 같다??




    Kinematic


    가장 기본은 운동 (혹은 변형) 의 기술방법을 구별해 생각하는 일.
    • Lagrangian Description (X) : Material coordinates: 물체 따라 같이 움직이는 기술방법
    • Eulerian Description (x) : Spatial coordinates: 고정된 관찰자로서의 기술방법

    Deformation gradient tensor (F)
    • dx = F dX
    • F = R U = Rotation tensor x Stretch tensor (symmetric)
    • C = F' F : Right Cauchy-Green = Material deformation tensor
    • B = F F' : Left Cauchy-Green = Finger tensor = Spatial deformation tensor
    • E = 1/2 (C-I)       : Green (Lagrangian) strain tensor
    • e = 1/2 (I - invB) : Almansi (Eulerian) strain tensor
    • 하지만 결국 Cauchy's infinitesimal strain tensor = 1/2 * (u_j,i + u_i,j)

    이게 왜 필요한가?


    구조물 모니터링에서 우리가 얻을 수 있는것은 시간에 따른 좌표값 뿐.
    그에 따른 displacement 와 strain 을 갖고 stress state 를 제대로 판단해야 파괴 예측 가능.




    Stress


    Cauchy stresses
    • T(n) = s_ji * n_j = (3x1) = (3x3)*(3x1)
      • T(n) : traction vector
      • s : Cauchy (true) stress tensor
      • angle between T(n) & n_j = inv( cos( T· n / |T||n| ) )
    • Moment of equilibrium (about x3-axis) : s12 = s21 --> symmetric


    Principal stresses (주응력)
    • Mohr's circle
    • Eigenvalue : det (s -lamda * d_ij) = 0 <--  어렵게만 배우던 고유값의 실제 사용예
    • Invariants (I1, I2, I3) : - s^3 + I1*s^2 - I2*s + I3 = 0

    Stress-Deviation tensor
    • stress tensor = hydrostatic stress tensor (s_m) + deviator stress tensor (s')
    • s'_ij = s_ij - s_m * I
      • s_m = 1/3 * trace(s)
      • I = identity matrix
    • It is very important in describing the plastic behavior.
    • 주의 : triaxial test 에서 보통 쓰던 deviator stress = s1 - s3 랑은 또 조금 다름.
    • 주의 : s' 의 Invariants = (J1, J2, J3) 로 (I1, I2, I3) 와 다름. J1 = 항상 0.

    Constitutive Equations (구성방정식) : s_ij = C_ijkl * e_kl
    • C_ijkl = 4th order tensor : 3^4 = 81 elements
      • s = C e, where C : stiffness tensor
      • e = S s, where S : compliance tensor
    • Symmetrization : 81 - 3*9 - 3*6 = 36 elements
      • Thus, anisotrophy constitutive equation : [s] (6x1) = [C] (6x6) * [e] (6x1)
    • Isotrophiy constitutive equation : s_ij = lamda * e_kk * d_ij + 2 * mu * e_ij
      • s_11 = lamda*(e_11+e_22+e_22) + 2mu*e_11
      • Thus, [C] (6x6) = [ [lamda+2mu, lamda, lamda, 0, 0, 0] ...
    • These can be transformed with ( K, E, v, G (=mu) ) in engineering.
    • 추가 : Compatibility conditions = No gaps or overlaps during deformation.
    • 즉, 적합방정식은 복잡해보여도 결국은 3차원 Strain 들의 관계식.

    한마디로 결론은?


    수치해석에서 등방성 탄성체를 가정했다면, Hooke's Law 는 딱 두 문자로 표현된다.
    바로 Lame's parameters : lamda 와 mu .
    복잡하게 Young's modulus (E), Poisson's ratio (v), bulk modulus (K), shear modulus (G) 로도 표현되곤 하는데, 결국은 똑같은거다. 더 배우고 싶다면 구조방에서...... ㅡ.ㅡㅋ




    Failure Criteria (4 classic models)



    Brittle material : Elasticity
    • 1st. Mohr-Coulomb theory : t = c + s * tan(phi) 
      • t : shear strength
      • c : cohesion
      • s : normal stress
      • phi : angle of internal friction.

    Ductile material : Plasticity

    Beyond the elastic range yield occurs, Elastic and Plastic deformations are assumed to happen concurrently (Total strain e = eElastic + ePlastic) . Plasticity describes the deformation of a material undergoing non-reversible changes of shape in response to applied forces.



    소성변형 들어가기에 앞서서..



    1. EPP model : Elastic Perfectly Plastic model = no work hardening.
    2. 그간 써오던 total accumulated strain 대신, increments in strain 을 사용한다. (loading, unloading 으로 인한 stress-strain 관계가 더이상 1:1 대응이 안되기 때문)
    3. Principal plastic strain increments (d ePlastic) 와 principal deviator stress (s') 는 비례
    4. Flow rule : plastic stress-strain law (between d ePlastic & Cauchy stress (s))
    5. Prandtl-Reuss equations : full elastic-plastic stress-strain relations (w/ Hooke's law)



    • 2nd. Tresca yield criterion
      • Yield occurs when s1 - s3 reaches k (= direct shear strength).
      • This assumes s2 has no effect.
      • Tresca's criterion is more conservative than von Mises's.

    • 3rd. von Mises yield criterion ( called J2-plasticity or J2 flow theory )
      • Yield occurs : 2nd invariant of deviator stress tensor (J2) reaches k^2.
        • von Mises 응력 : 각 지점에서의 비틀림에너지 (max. distortion E) 나타냄.
        • J2 = 1/6 * [(s_xx-s_yy)^2 +...] + s_xy^2 +... = 1/2 * s'_ij * s'_ij
        • material yield strength (k) = direct shear strength
      • 식으로 쓰면 f = J2 - k^2 = 1/2 * (s'_ij)^2 - k^2
        • f = 0 : yield
        • f < 0 : elastic
        • f > 0 : not possible
      • All components of shear stress contribute to yield.

    • 4th. Drucker-Prager yield criterion
      • Pressure-dependent model (for plastic deformation of soils)
      • sqrt(J2) = A + B * I1
        • I1 : 1st invariant of Cauchy stress = 3*mean stress(s_m)
        • J2 : 2nd deviator stress invariant
        • A & B from experiments


    추가 : Hyper-elastic = Green elastic

    s_ij = B_ij + C_ijkl * e_kl

    where, B_ij : components of initial stress tensor = storing of past Energy
    아쉽게도 모든 지반 탄성체는 B_ij 가 당연히 존재함.



    그리하여 


    지반의 불균질 & 비등방성으로 인해, 복잡하지만 탄소성변형을 알아야 함.