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문제 정의
- 본 연구에서는 충청권의 화강풍화토 지반을 대상으로 Extractor 시험기를 사용하여 불포화지반 관련문제 해석을 위한 기본 자료인 함수특성곡선을 제시하고자 한다. 또 한, 기존의 함수특성곡선의 경험식과 비교 검토하고 충청 권 화강풍화토에 대한 입도분포곡선과의 상관성과 매개변 수 a, n, m에 대한 값을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 충청권의 화강풍화토 지반을 대상으로 Extractor 시험기를 사용하여 불포화지반 관련문제 해석을 위한 기본 자료인 함수특성곡선을 제시하고자 한다. 또 한, 기존의 함수특성곡선의 경험식과 비교 검토하고 충청 권 화강풍화토에 대한 입도분포곡선과의 상관성과 매개변 수 a, n, m에 대한 값을 제시하고자 한다.
- 아래 그림은 본 연구를 위해 충청권 일대의 12곳의 화강 풍화토를 채취하고, 그림 3과 같이 입도분석을 수행하여 화강풍화토의 입도분포 곡선을 나타낸 것이다. 모든 시료 의 체분석을 통해 입경별로 시료를 분류하고, 각각의 기울기와 분포를 변화시키기 위해 입도를 기준으로 시료를 9가 지로 재조성하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 3 kgf/cm 2 의 공기함입저항치를 가진 디 스크에 시료를 올려놓고 공기압을 이용하여 시료를 포화시 킨 후 필요한 공기압을 주어 평형에 도달할 때 대상시료가 가지는 평형함수비와 함수특성을 관찰하였다.
- 038 mm체를 통해 입경별로 시료를 분류하였다. 분류된 시료를 통하여 입도를 변화시킨 9가지의 시료로 재조성하였으며, 불포화상태에서 흡수력에 따른 함수특성을 살펴보았다. 실험은 3bar의 공기함입저항치를 가지는 다공판인 공기 저항디스크와 시료를 포화시킴으로서 시작된다.
- 함 수비의 변화는 평형에 도달한 후 시료와 셀의 무게나 체적 변화량을 측정함으로서 얻을 수 있다. 추출시험기를 이용하여 0～2.5 kgf/cm 2 까지의 공기압에 의한 흡수력을 측정하였다.
- 충청지역 화강풍화토에 대한 함수특성을 알아보기 위하 여 입도분포를 변화시키고, 이에 따른 함수특성의 변화를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 시료특성에 따른 함수특성을 알아보기 위하여 충청지역 에 널리 분포하는 화강풍화토를 12곳에서 채취하여 4.76 mm체, 2.4 mm체, 0.85 mm체, 0.425 mm체, 0.25 mm체, 0.18 mm체, 0.15 mm체, 0.074 mm체, 0.038 mm체를 통해 입경별로 시료를 분류하였다. 분류된 시료를 통하여 입도를 변화시킨 9가지의 시료로 재조성하였으며, 불포화상태에서 흡수력에 따른 함수특성을 살펴보았다.
- (ASTM D2325)라고 한다. 이 실험장치는 흙의 함수특성곡선을 측정하기 위하여 사 용되어지며, 압력실과 고압의 공기함입저항치를 갖는 세라 믹판으로 구성되어 있다. 세라믹판은 포화되어 있어야 하며, 물로 채워진 디스크 아래부분과 연결되어 수압을 “0”으로 유지시켜준다.
성능/효과
- 1. 흡수력의 변화에 따른 함수비의 변화를 화강풍화토에 대해 실험한 결과 흡수력이 0 kgf/cm2 에서 2.5 kgf/cm2 로 증가함에 따라 함수비가 76.1%～99.5 % 감소하는 경향을 나타냈다.
- 2. 대상시료의 체적함수비를 측정한 결과 흡수력이 0 kgf/cm2 에서 2.5 kgf/cm2 로 증가함에 따라 a1 시료에서 80.2%, a3 시료에서 99.5%, n1 시료에서 98.4%, n3 시료에서 87.7%, m1 시료에서 76.1%, m3 시료에서 99.5%의 감소를 나타냈다. 이는 세립분 의 함유량과 분포에 따른 간극의 구조와 간극비가 부간 극수압에 큰 영향 요인임을 알 수 있었다.
- 3. 실험치와 Brooks & Corey의 경험식을 분석한 결과, 공기유입값 (U a-Uw) b 은 입도분포곡선의 좌우 위치에 영향을 받으며, 간극크기분포지수 λ의 값은 입도 분포곡선의 좌우 위치와 기울기에, 잔류포화도 S r값은 세립분의 양에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 4. 실험치와 Van Genuchten의 경험식을 분석한 결과, 함수특성곡선 상에서 공기유입값과 관계된 a 계수값은 입도분포곡선의 좌우 위치에도 영향을 받으며, n 계수 값과 m 계수값은 입도분포의 기울기와 세립분의 양에 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 5. Brooks & Corey의 경험식의 결과로 나타난 곡선은 낮은 흡수력에서 실험값을 잘 묘사하지 못하였으나 흡수 력이 증가함에 따라 잘 일치하였고, Van Genuchten의 경험식과 실험결과는 저흡수력과 고흡수력에서 비교적 잘 일치하는 경향을 보였다.
- 경험식과 비교한 결과 실험에 의한 함수특성치는 공기유 입값 (Ua-Uw) b 와 간극크기분포지수 λ를 주요인자로 사용한 Brooks and Corey의 경험식보다 a, n, m계수값 을 주요인자로 사용한 Van Genuchten의 경험식에 더 잘 부합하고 있음을 보여준다. 이것은 Brooks and Corey의 식이 모래의 함수특성에 잘 부합하는 반면에 세립질이 많은 흙에는 차이를 보임을 알 수 있었으며, Van Genuchten의 공기유입값과 관계된 계수 a, 변곡점의 경사에 관계된 계 수 n, 잔류함수비에 관계된 계수 m, 각각의 계수값을 입도 분포곡선 자료를 이용하여 잔류포화도 S r, 포화함수비와 잔류함수비 중간점에 대한 기울기와 압력수두인 S p, h p 값의 추정을 통하여 계산하게 될 경우, 높은 정도의 함수특 성곡선을 유추해 낼 수 있음을 알 수 있었다.
- 초기 체적함수비는 세가지 시료가 비슷한 값을 보이 며, 흡수력이 커짐에 따라 n2시료와 비교하였을 때 n1시료 의 경우는 높은 함수상태를 보였으며, n3시료의 경우는 낮은 함수상태를 보여주고 있다. 따라서, 입도분포곡선 상의 기울기가 작을수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태 가 높으며, 입도분포곡선 상의 기울기가 클수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태가 낮다는 사실을 알 수 있다.
- 초기 체적함수 비는 세가지 시료가 비슷한 값을 보이며, 흡수력이 커짐에 따라 m2시료와 비교하였을 때 m1시료의 경우는 높은 함수 상태를 보였으며, m3시료의 경우는 낮은 함수상태를 보여 주고 있다. 따라서, 입도분포곡선 상의 세립분의 양이 많을 수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태가 높으며, 입 도분포곡선 상의 세립분의 양이 적을수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태가 낮다는 사실을 알 수 있다.
- 와 간극크기분포지수 λ를 주요인자로 사용한 Brooks and Corey의 경험식보다 a, n, m계수값 을 주요인자로 사용한 Van Genuchten의 경험식에 더 잘 부합하고 있음을 보여준다. 이것은 Brooks and Corey의 식이 모래의 함수특성에 잘 부합하는 반면에 세립질이 많은 흙에는 차이를 보임을 알 수 있었으며, Van Genuchten의 공기유입값과 관계된 계수 a, 변곡점의 경사에 관계된 계 수 n, 잔류함수비에 관계된 계수 m, 각각의 계수값을 입도 분포곡선 자료를 이용하여 잔류포화도 S r, 포화함수비와 잔류함수비 중간점에 대한 기울기와 압력수두인 S p, h p 값의 추정을 통하여 계산하게 될 경우, 높은 정도의 함수특 성곡선을 유추해 낼 수 있음을 알 수 있었다.
- 이상에서, 흙의 흡수력은 입도분포곡선에서의 시작점 및 기울기, 세립분의 양에 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 이것은 세립분의 함유량과 분포에 따른 간극의 구조와 간극비가 부간극수압에 큰 영향을 미침을 나타내 주고 있다.
- 그림 11은 각 함수특성을 입도분포의 기울기를 변화시킨 시료의 흡수력에 대한 체적함수비의 관계를 나타낸 것이다. 초기 체적함수비는 세가지 시료가 비슷한 값을 보이 며, 흡수력이 커짐에 따라 n2시료와 비교하였을 때 n1시료 의 경우는 높은 함수상태를 보였으며, n3시료의 경우는 낮은 함수상태를 보여주고 있다. 따라서, 입도분포곡선 상의 기울기가 작을수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태 가 높으며, 입도분포곡선 상의 기울기가 클수록 함수특성에서 흡수력에 따른 함수상태가 낮다는 사실을 알 수 있다.
후속연구
- 향후 입도분포곡선을 고려한 함수특성곡선의 상관성 평가가 지속적으로 이루어진다면 입도분포를 통해 함 수특성곡선을 유추할 수 있을 것으로 기대된다.
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