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A Study of Estimation Method Considering Anisotropy of Shear Strength for Compacted Materials

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地 盤 工 學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第5C 號·2008年 9月 pp. 255~262

다짐재료의 이방성을 고려한 전단강도 추정방법에 관한 연구

A Study of Estimation Method Considering Anisotropy of Shear Strength for Compacted Materials

함태규*

Ham, Tae-Gew

···

Abstract

In order to investigate the strength anisotropy of compacted materials, a series of unsaturated and saturated-drained triaxial compression tests was performed. Three different orientation angles of the axial direction of samples with respect to the hor- izontal plane were investigated: δ=0, 45 and 90 degrees. As the results showed, the suction rate on the strength of the unsat- urated specimen was not influenced by δ. And the effect of the angle δ on the strength was more pronounced on unsaturated specimen as compared to saturated specimen. Moreover, a new procedure was proposed to take into account the effect of the angle δ on the shear strength of unsaturated soils.

Keywords :compacted materials, angles of the axial direction to horizontal plane, anisotropy, degree of saturation, suction

···

본 연구에서는 다짐 재료의 강도특성에 나타나는 이방성과 그 정도를 명확히 밝히기 위해 다짐 재료로 널리 사용되 는 화강풍화토를 이용해 포화, 불포화 상태에서 삼축압축시험을 실시했다. 공시체는 다짐도 Dc=90%가 되도록 다짐한 σ1방향과 퇴적면이 이루는 각도로 정의되는 δ가 0o, 45o, 90o되도록 제작되었다. 실험결과, 불포화토의 전단강 도에 미치는 흡입력(suction)의 기여율에는 δ의존성이 확인되지 않았고, 다짐재료의 전단강도에 나타나는 이방성은 포 화시보다 불포화시에 현저히 나타나는 것으로 평가되었다. 또한 실험을 통해 도출된 결과를 이용해, σ1방향과 퇴적면 과 이루는 각도 δ가 서로 다른 불포화토의 전단강도를 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다.

핵심용어 : 다짐재료, σ1방향과 퇴적면(공시체 제작중의 수평면)이 이루는 각도, 이방성, 포화도, 흡입력

···

1. 서 론

제방과 도로, 철도 등 인공적으로 다짐한 성토구조물의 토 립자는 그 구축과정이나 응력이력으로 인해 이방적인 구조 를 갖는다. 이것은 중력효과에 의해 발생되는 고유이방성과 구별되며 응력유도이방성이라고 한다(Casagrande, 1944). 지 반의 강도특성이 이방적인 성질을 나타내는 것은 지반공학 분야에서는 일반적인 사실로 다루어지고 있다. 그러나 강도 이방성의 도입은, 역학파라미터가 증가되는 것을 의미하며, 반드시 토공구조물의 해석 정밀도를 직접적으로 높인다고 판 단하기 어려운 이유로 현재까지 설계에 직접 적용되지 않고 있다. 더욱이 역학파라미터를 등방적으로 가정하여 얻어진 결과가 실무상 큰 문제없이 적용되어 온 것 또한 사실이다.

그러나 역학이론과 수치해석법의 진보로 인해 이방성 등의 재료 본래의 특성을 도입한 해석이 실질적으로 가능하게 되 었으며, 이방성의 영향을 무시한 가정이 과대/과소 설계를 초래할 수 있으므로, 성능형설계법을 도입하려는 현 시점에

서는 지반재료의 재료특성과 역학특성을 명확히 규명하는 것 은 매우 중요하다.

현재에 이르기까지 포화점토나 모래의 고유이방성에 관한 연구는 Authur and Menzies(1972)와 Oda 등(1978)을 시작 으로 많은 연구자들에 의해 활발히 진행되어 왔다. 또한 다짐 재료의 구조이방성 특성에 관한 연구는 Lambe(1958)에 의 해 처음으로 시작되어, Seed 등(1960)과 Yong 등(1966)에 의해 다짐재료의 구조가 다짐방법에 의해 결정되어지며 역 학특성은 구조이방성에 크게 좌우된다는 연구 성과가 발표 되었다. 그 후 응력유도이방성을 고려한 다짐재료의 이방성 에 대한 연구는 Onitsuka et al.(1979)를 시작으로 Livenh

and Komornik(1967), Onitsuka and Yoshitake(1983) 등의

여러 연구자들에 의해 수행되어 유익한 정보를 제공하고 있 다. 그러나 정작 설계에 필요한 다짐재료의 전단강도정수에 나타나는 이방성과 그 메커니즘에 관해서는 여전히 불투명 한 상태로 남아 있는 실정이다.

본 연구에서는 다짐한 성토구조물의 강도특성에 나타나는

*정회원·한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실 선임연구원 (E-mail : hamtg@kict.re.kr)

(2)

− 256 − 이방성과 그 역학 메커니즘을 명확히 하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 위하여 성토재료로 널리 사용되는 화강풍 화토를 대상으로 포화, 불포화상태에서 삼축압축시험을 실시 했다. 또한 실내시험으로부터 얻어진 결과를 통해 강도특성 에 나타나는 이방성을 정량적으로 추정할 수 있는 방법을

제안하였고, 그 적용성을 평가하였다. 다짐재료의 전단강도 에 나타나는 이방성을 명확히 하는 것은 성토구조물의 안정 성해석에 있어서 중요한 정보를 제공할 수 있는 의미 있는 연구라고 할 수 있다.

2. 시험에사용된공시체제작방법

본 연구에서는 일본 야마구치현(山口縣) 시모노세키시(下關 市)에서 채취한 2mm체를 통과한 화강풍화토를 시료로 사용 하였다. 사용된 시료의 물리적 특성은 표 1과 같다. 또한 삼축압축시험에 사용된 시료의 초기입경가적곡선은 그림 1 과 같다.

삼축압축시험에서 사용되는 공시체는 JIS A 1210에 준하여 실시한 다짐실험의 결과(그림 2 참조) 로부터 얻어진 최적함 수비(wopt=13%)와 다짐도 Dc=90%(ρd=1.60g/cm3)가 되도록 제작되었으며, 구체적인 공시체 제작방법은 다음과 같다.

우선, 본 연구에서 제작한 직방체 몰드(200mm×100mm×

200mm, 사진 1 참조)에 시료를 9층으로 채운 후, 2kg의

램머를 사용하여 각 층 당 16회씩 다짐을 실시한다. 총 다 짐에너지는 E=216kJ/m3이다. 그 후 직방체 몰드로부터 다짐 1. 시료의물리적특성

Sample Maximum

grain size (mm)

d50 (mm)

ρ50

(g/cm3) Uc emax emin Ignition loss (%)

w0 (%)

ρdmax

(g/cm3)

Shimonoseki 2.0 0.555 2.685 7.14 1.116 0.613 1.83 13.24 1.783

그림 1. 사용된시료의초기입경가적곡선

그림 2. 함수비와건조밀도관계

사진 1. 공시체제작에사용한몰드

그림 3. 공시체제작모식도

(3)

된 시료를 분리하여 -20oC의 온도로 동결시킨 후, 그림 3과 같이 σ1 방향과 퇴적면과 이루는 각도로 정의되는 δ가 0o, 45o, 90o가 되도록 Murata 등(1985)이 제작한 core bit

machine을 사용해 직경 50mm, 높이 100mm의 원주형공시

체를 제작한다. core bit machine을 이용하여 공시체를 제작 하는 과정에서 마찰열로 인해 시료가 융해되는 것을 방지하

기 위하여 村田 등(1985)이 제안한 방법을 이용하여 절토가 끝날 때까지 상부로부터 액체질소를 일정응력(80kPa)으로 공 급한다. core bit machine을 사용한 일련의 공시체 제작과정 을 사진 2에 나타내고 있다. 공시체는 반복사용 없이 시험 시마다 준비된 새로운 시료를 사용하여 제작되었고, 표 2에 공시체의 초기상태를 나타내고 있다.

사진 2. 사용한 core bit machine 공시체제작전경 2. 삼축압축시험에사용되는공시체의초기상태

Unsaturated specimen Saturated specimen

δ (o)

σc

(kPa)

w (%)

Sr (%)

Dc (%)

δ (o)

σc

(kPa)

w (%)

Sr (%)

Dc (%)

0

30 13.1 58 93.2

0

30 - - -

60 14.4 61 92.4 60 12.6 62 92.4

60(10h) 12.1 57 92.2 60(10h) 12.6 62 92.4

120 14.5 64 93.8 120 12.8 60 93.4

240 14.5 64 93.8 240 12.6 62 92.4

45

30 13.5 58 92.0

45

30 - - -

60 13.8 59 92.4 60 12.2 60 93.8

60(10h) 12.5 57 93.4 60(10h) 12.2 60 93.8

120 12.5 58 93.5 120 13.2 65 92.1

240 13.8 59 92.4 240 12.2 64 92.4

90

30 14.5 62 92.9

90

30 - - -

60 14.5 62 92.9 60 12.2 62 92.6

60(10h) 13.8 60 92.1 60(10h) 12.2 62 92.6

120 13.6 59 93.0 120 12.8 65 92.6

240 13.6 59 93.0 240 12.2 61 92.6

(4)

− 258 − 3. 시험방법

3.1 흡입력시험 (Suction Test)

전단강도에 미치는 흡입력의 영향정도를 조사하기 위하여 불포화시료를 이용하여 흡입력시험을 실시하였다. 초기 흡입 력은 페디스털 위에 불포화 공시체를 설치한 후 하부 페디 스털의 세라믹 디스크와 연결되어 있는 반도체압력변환기를 이용하여 마이너스 간극수압으로 측정된다. 사용된 세라믹 디스크의 air entry values는 270kPa 이다.

초기 흡입력 측정에는 δ가 0o, 45o, 90o인 3종류의 동결 시킨 공시체(이하 freezing이라고 기술함)와 비교를 위해 초 기 함수비를 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 90%로 조절하 여 다짐도 Dc=90%가 되도록 동적으로 다짐 제작한 직경

50mm, 높이 30mm의 공시체(이하 Not freezing이라고 기술

함)를 사용하였다. 동결시킨 공시체는 초기함수비가 변화되 는 것을 방지하기 위하여 비닐봉지로 봉합 밀폐시킨 후 8시

간 방치 해동시켰다.

3.2 등방압밀 배수전단시험

본 연구에서 사용된 삼축압축시험기는 Bishop 등(1961)이 제안한 이중 셀 타입의 삼축시험 장치로, 불포화공시체의 체적변화는 공시체의 체적변화로 인한 내부 셀의 수위변화 (수두압 변화)와 외부에 설치되어 있는 기준수위의 수두압 차를 이용하여 측정된다. 본 연구에서는 미소변형율에서의 거동특성을 조사하기 위하여 비접촉변형계(gap sensor)를 이 용하였다. 삼축압축시험기의 계통도를 그림 5에 나타내고 있다.

삼축압축시험 장치에 제작된 불포화공시체를 설치하고

20kPa의 구속압을 부가하여 자립시킨 후, 해동을 위해 8 시

간 방치시킨다. 불포화 공시체는 해동이 끝난 후 곧바로 등 방압밀을 실시하였고, 포화공시체는 해동 후 진공압 30kPa 을 가하고 배압을 200kPa 작용시켜 B값이 0.95 이상이 된 것을 확인한 후 등방압밀을 실시하였다. 등방압밀 후 측압일 정 변형율속도 0.1mm/min 로 배수전단을 실시하였다.

4. 시험결과

4.1 초기흡입력

그림 6은 흡입력시험을 통해 산정된 공시체 초기흡입력과 초기함수비의 관계를 나타내고 있다. 그림 6으로부터 Not

freezing 공시체는 포화도가 상승되면 흡입력이 급격히 저

하되는 전형적인 수분특성곡선으로 도시되고, 데이터 수가 다소 적으나 δ가 서로 다른 freezing 공시체 또한 Not

freezing 공시체가 그리는 수분특성곡선에 인접되는 것을 확

인할 수 있다. 이로써 초기흡입력에 보이는 δ 의존성은 미 그림 4. 세라믹디스크모식도

그림 5. 삼축압축시험기계통도

(5)

소한 것으로 평가할 수 있다. 이 결과에 대해서는 차후 여 러 가지 시료를 이용한 검증이 필요할 것으로 사료된다.

4.2 퇴적면과 이루는 각도 δ 포화도 Sr 강도특성에 미치는영향

그림 7은 포화, 불포화 공시체를 이용하여 구속압 120kPa에 서 실시한 삼축전단시험을 통해 산정된 축차응력 q(=σ1σ3), 체적변형률 εv, 배수량과 축변형률 εa과의 관계를 나타내고 있

다. 불포화공시체는 전단시험 중 배수량과 체적변화량의 관 계를 조사하기 위하여 포화공시체와 동일한 방법으로 뷰렛 의 배수량을 측정하였다.

그림 7로부터 포화, 불포화공시체 모두 축차응력과 축변형 률과의 관계에 있어 δ가 0o에서 90o로 증가하면 피크강도 또한 증가되는 것을 알 수 있다. 또한 포화, 불포화공시체 모두 δ값이 클수록 연성적 거동특성을 보이며 명확한 피크 강도를 나타내고 있다. 체적변형률과 축변형률과의 관계에서 는, 불포화공시체는 δ에 관계없이 수축에서 팽창으로 전환 되는 거동을 보이는 반면, 포화 공시체는 수축에서 팽창으로 전환되는 변상점이 δ가 증가할수록 큰 변형율값에서 나타나 는 것으로 확인되었다. 또한 불포화공시체의 배수량과 축변 형률 관계에서는, 체적팽창과정과 피크강도가 나타나는 변형 률에 있어 모두 흡입과정에 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 8은 그림 7과 같은 시험결과로서 축변형률 0.05%

까지의 축차응력과 축변형률과의 관계를 나타내고 있다. 전 단시험 실시 직후 모든 공시체에 있어 축변형률 0.005%부 근까지는 거의 동일한 거동특성을 나타내며 포화도와 δ 의존성은 확인되지 않았다. 이것은 Tatsuoka 등(1990)과

Kohata 등(1995)이 실시한 연구결과와 동일하며, 다짐화강풍

화토의 미소변형률(0.005% 이하) 범위에서는 입자간의 이동 은 일어나지 않고 탄성적인 입자변형이 지배적이라는 것을 의미한다. 또한, 축변형율 0.005% 이상의 q −εa곡선에서는 포화도와 δ값의 변화에 의해 서로 다른 거동특성을 나타내 며, δ값이 동일한 포화, 불포화 공시체에서는, 포화공시체보 다 불포화공시체에 있어 축변형률이 0.005% 부근부터 높은 전단응력을 나타내는 것으로 평가되었다.

4.3 이방성을고려한 전단강도의추정방법

그림 9(a)~(c)는 불포화, 포화공시체의 결과를 Mohr-

Coulomb 파괴기준에 의해 산정된 전단강도(τ)와 전응력(σ)

그리고 유효응력(σ')과의 관계를 나타내고 있다. 그림 10은 그림 9로부터 산정된 점착력(c), 내부마찰각(φ')σ1방향과 퇴적면이 이루는 각도(δ)와의 관계를 나타내고 있다. 그림 10으로부터 포화도에 관계없이 포화, 불포화 공시체 모두 δ가 증가됨에 따라 내부마찰각(φ')도 함께 증가되며, 그 증 가량은 포화도에 관계없이 일정한 것을 알 수 있다. 또한, 그림 6. 초기흡입력과초기함수비관계

그림 7. 배수삼축압축시험결과(축차응력, 체적변형율, 배수량과

변형율과의관계) 그림 8. 응력·축변형율과의관계(εa=0.05%)

(6)

− 260 − 포화 공시체는 δ의 변화에 관계없이 점착력은 일정한 값을 나타내는 반면, 불포화 공시체는 δ가 0o에서 90o로 증가됨 에 따라 점착력도 함께 증가되는 경향을 나타내고 있다. 이 와 같은 결과는 불포화 공시체에 작용되는 흡입력은 점착력 을 증가시키는 역할을 하며, 흡입력으로 인해 증가되는 겉보 기 점착력은 δ에 의존하는 것을 의미한다.

본 연구에서는 일반적인 실내삼축압축시험에 사용되는 δ=90o의 포화공시체의 강도정수와 불포화공시체의 흡입력시 험결과를 이용하여, 여러 가지 지반요소를 모사한 δ가 서로 다른 불포화공시체의 전단 강도를 추정하는 방법을 제안하 였다.

먼저, δ가 서로 다른 포화공시체의 내부마찰각은 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.

(1)

식 (1)에서 δ는 σ1 방향과 퇴적면이 이루는 각도, φ(δ)

δ가 서로 다른 포화공시체의 내부마찰각, φ(δ=90°)δ=90o 인 포화공시체의 내부마찰각을 나타내고 있다. 또한 α는 실 험정수로서 토질재료와 다짐도 등에 의해 변화된다. 식 (1) 은 삼축압축조건에서만 적용 가능하며, 본 연구에서 사용한 시모노세키(下關) 화강풍화토의 실험정수 α는 0.08인 것으 로 확인되었다. 또한, Nakata 등(1998)이 실시한 삼축압축시 험에 사용된 UBE 화강풍화토, Oda 등(1978)이 실시한 삼 축압축시험에 사용된 Toyoura(일본표준사), Tatsuoka 등

(1987)이 삼축압축시험에 사용된 Toyoura(일본표준사)의 실

험정수 α는 모두 0.08로 산정되었다.

식 (1)을 이용하여 산정된, δ가 서로 다른 포화공시체의 전단강도는 식 (2)와 같이 정의된다.

(2)

식 (2)에서 c(δ=90o)는 실험으로부터 얻은 δ=90o의 포화 공시체의 점착력, σ는 전응력, uw는 간극수압을 의미한다.

식 (2)에서 포화공시체의 점착력 c(δ=90o)를 이용하여 포화 공시체의 전단강도를 산출하는 이유는, 불포화 상태에서의 흡입력은 점착력 항이 증가하는 것과 동일한 효과를 의미하 는 것에 기인한다.

Bishop(1960)은 불포화토의 유효응력을 식 (3)과 같이 정

의하였다.

(3)

식 (3)에서 σ'는 유효응력, ua는 간극공기압을 의미한다.

또한, χ는 흙의 포화도, 흙의 성질, 건습반복, 응력경로 등 에 관련되는 파라미터로 흡입력이 불포화토의 강도와 변형 에 기여하는 정도를 나타낸다.

식 (3)을 식 (2)에 대입하여 식 (4)가 얻어지고, 식 (4) 를 통해 δ가 서로 다른 불포화공시체의 전단강도를 구할 수 있다.

(4)

식 (4)에서 φ(δ)는 식 (1)로부터 산출된 δ가 서로 다른 포화공시체의 내부마찰각, τ(δ)δ가 서로 다른 불포화공시 체의 전단강도를 의미한다.

또한, 식 (4)는 식 (5)와 같이 정리되며, 식 (5)에서 우변 제 1, 2항은 겉보기 점착력을 의미하므로, 제 2항에 내부마 φ δ( ) φ δ 90= ( = o) 1 αcosδ×( )

τ δ( ) c δ 90= ( = o) σ u+( w)tanφ δ( )

σ'=(σ u a) χ u+ ( auw)

τ δ( ) c δ 90= ( = o)+{(σ u a) χ u+ ( auw)}tanφ δ( )

그림 9. Mohr-Coulomb 파괴기준으로구한강도정수 그림 10. δ점착력(c), 내부마찰각(φ) 관계

(7)

찰각(φ)이 포함되어 있는 이유로 겉보기 점착력은 δ에 의존 한다고 할 수 있다.

(5)

본 연구에서는 Bishop and Donald(1961)와 동일한 방법 으로 δ가 서로 다른 화강풍화토의 χ를 조사했다.

먼저, 그림 11과 같이, 포화공시체 피크강도에 나타나는 응력을 (σ −uw)F~(σ1σ3)F 관계로 표시하고, 다음으로 (σ− ua)P, (σ1σ3)P를 그림 11에 도시하여 동일한 주응력차 에 있어서의 (σ −uw)F와 (σ− ua)P의 차인 ∆를 구한다. 이 렇게 구한 ∆를 식 (6)에 대입하여 χ를 산정한다.

(6)

식 (6)에서 σ는 전응력, uw는 간극수압, ua는 간극공기압 을 의미한다. 또한, F는 불포화공시체, P는 포화공시체를 의 미한다.

계산결과, δ가 0o인 불포화 공시체의 χ는 0.78, 45o에서 는 0.75, 90o에서는 0.79인 것으로 확인되었다. 이로써 본 연구에서 사용한 화강풍화토에서는 불포화토의 전단강도에 미치는 흡입력의 기여율 χδ에 의존하지 않는 것으로 평 가된다. 이 결과에 대해서는 차후 여러 가지 시료를 이용한 검증이 필요할 것으로 사료된다.

그림 12는 불포화공시체를 이용한 삼축전단시험 결과를 전 단강도(τ)δ의 관계로 나타내고 있다. 그림 중의 각각의 플롯은 삼축압축시험을 통해 얻은 불포화공시체의 전단강도 (τ)를 나타내고, 직선은 본 연구에서 제안한 방법을 통해 산 정된 불포화토의 전단강도를 나타내고 있다. (ua−uw)는 불포 화공시체의 피크강도에서의 포화도를 이용해 그림 6으로부 터 추정한 값을 사용하고 있다.

그림 12로부터 불포화공시체의 전단강도(τ)δ가 증가됨 에 따라 그 값이 증가되는 δ 의존성이 확인되었다. 이것은 불포화공시체에 작용되는 흡입력은 겉보기 점착력을 증가시 키는 역할을 하며, 흡입력으로 인해 증가되는 겉보기 점착력 δ에 의존하는 것에 기인한다. 또한 식 (5)로부터 산정된 불포화공시체의 전단강도(τ)는 실내전단시험을 통해 얻은 불

포화공시체의 전단강도(τ)와 매우 근접한 값을 나타내며, 본 연구에서 제안한 전단강도 추정방법은 다짐화강풍화토의 δ 서로 다른 불포화공시체의 전단 강도를 정확히 추정하는 것 으로 결론 내려진다.

5. 결 론

본 연구에서는 성토재료로 널리 이용되는 화강풍화토를 다 짐도 Dc=90%가 되도록 다짐한 후, 포화, 불포화상태에서 CD시험을 실시하여, 강도특성에 나타나는 이방성을 조사하 였다. 또한, 여러 가지 지반요소를 모사한, δ가 서로 다른 불포화토의 전단강도를, 실내실험에서 일반적으로 사용되는 δ=90o 포화공시체로부터 얻은 강도정수와 흡입력을 이용하 여 간단히 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 도출한 결과는 다음과 같다.

1.초기흡입력은, δ가 서로 다른, 동결된 시료, 동결되지 않 은 시료 모두 동일한 수분특성곡선 상에 존재하고 흡입력 에 보이는 δ의 의존성은 매우 작다.

2.다짐재료의 전단강도에 보이는 이방성은 포화시보다 불포 화시에 현저하게 나타나며, 주로 겉보기 점착력으로 나타 난다.

3.불포화공시체의 전단강도가 δ에 의존하는 것은 내부마찰 각(φ)δ 의존성에 기인한다.

4.내부마찰각(φ)의 의존성과 Bishop이 제안한 불포화토 유 효응력식을 이용하여, σ가 90o인 공시체의 강도정수로부 δ가 서로 다른 포화·불포화공시체의 전단강도를 정 량적으로 추정하는 방법을 제안하였고, 그 적용성이 확인 되었다.

감사의

본 연구에 아낌없는 지도를 해 주신 일본야마구치 대학교

Hyodo Masayuki 교수님과 Nakata Yukio 조교수님께 깊은

감사의 뜻을 전합니다. 또한 본 연구는 06건설핵심D02에 일 부 지원을 받았습니다.

τ δ( ) c δ 90= ( = o) χ u+ ( auw)tanφ δ( ) σ u+( a)tanφ δ( )

χ (σ u w)F(σ u a)P uauw ( )P

--- uauw ( )P ---

= =

그림 11. Bishopχ 구하는방법 (Bishop & Donald, 1961)

그림 12. δ불포화공시체의전단강도

(8)

− 262 − 참고문헌

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(접수일: 2007.6.13/심사일: 2007.7.16/심사완료일: 2008.9.10)

참조

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