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문제 정의
- 본 연구에서는 현장의 세립 잔적토를 여러 가지 간극비로 압밀시킨 다수의 시료에 대해 흙-수분 특성 시험을 수행하였다. 이를 통해, 세립 잔적토의 壽수분 특성 곡선 예측에 있어서, 액성 한계를 비교 상태로 사용함에 문제가 없는지 검증하였다.
가설 설정
- 일반적으로 모래질흙과 같은 소성이 적은 흙은 시험도중에 큰 체적 변형이 발생하지 않는다는 가정 하에서 흙.수분 특성 곡선을 결정한다.
제안 방법
- 이를 통해, 세립 잔적토의 壽수분 특성 곡선 예측에 있어서, 액성 한계를 비교 상태로 사용함에 문제가 없는지 검증하였다. 또한, Fredlund와 Xing(1994)의 제안식을 이용하여 액성 한계를 비교 상태로 하는 세립 잔적토의 홁-수분 특성 곡선 예측 방법을 제안하였다.
- 시료용기에 느슨한 상태의 시료를 채운 후에 는 캡을 씌우고 천천히 하중을 가하여 일정한 부피@ 50mmxl0mm)가 되게 시료를 압축시키고, 나사산이 새겨진 3가지 부喪screw bar, screw locks, screw nut)을 사용하여 시험기구를 조립한다. 바닥판상부에는 1500 kPa의 공기유입값(air-entry value)을 가지는 HAED(high air-entry disk)를 삽입 후 가장자리를 접착제(epoxy)로 고정하여 완전 밀폐(sealing)시켜서 시료 내에 일정 크기의 흡인력이 형성될 수 있도록 하였으며, 디스크 하부에 는 달팽이 모양의 홈(grooved water compartment)을 파서 시료 내의 물을 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있게 하였다. 조립된 압력셀 추출기는 그림 6에서 보는 바와 같이 압력실(pressure chamber)내에 거치하고 단계별로 공기압을 가하여 흙-수분 특성 시험을 수행하게 된다.
- 본 연구에서는 시료를 슬러리 상태로 만들고 액성 한계 상태의 간극비에 대해 임의의 비율이 되게 압밀시킨 후 壽수분 특성 시험을 실시하였으며, 슬러리 상태로 준비된 시료에 대한 시험이 용이하고 시험 중에 발생하는 시료의 체적 감소를 측정할 수 있게끔 시험기구를 개량 하였다.
- 본 연구의 수행을 위해서 새롭게 도입된 압력셀 추 출기(pressure cell extractor)는 기존의 압력 판 추출기(pressure plate extractor)를 개랑한 것으로 슬러리 상태와 같이 매우 느슨한 시료의 흙-수분 특성 곡선을 구하는데 용이하게끔 고안되었다. 그림 5에서 보는 바와 같이 압력 셀 추출기는 다 공의 캡(porous cap), 시료용기 (specimen container), 바닥판(base plate) 등으로 구성되어 있다.
- 준비된 흙은 액성 한계보다 큰 함수 비가 되게 물과 잘 섞은 후 압축 후 미리 결정한 간극비의 시료로 성형될 수 있도록 일정량을 압력셀에 채운 후 압축을 시킨다. 시료는 각각의 흙에 대해 액성한계간극비(CLL)의 100%, 80%, 60%, 그리고 50%가 되게 형성하였다. 압축 후 셀 내부 모든 시료의 초기 체적은 일정한 값을 가진다.
- 그림 5에서 보는 바와 같이 압력 셀 추출기는 다 공의 캡(porous cap), 시료용기 (specimen container), 바닥판(base plate) 등으로 구성되어 있다. 시료용기에 느슨한 상태의 시료를 채운 후에 는 캡을 씌우고 천천히 하중을 가하여 일정한 부피@ 50mmxl0mm)가 되게 시료를 압축시키고, 나사산이 새겨진 3가지 부喪screw bar, screw locks, screw nut)을 사용하여 시험기구를 조립한다. 바닥판상부에는 1500 kPa의 공기유입값(air-entry value)을 가지는 HAED(high air-entry disk)를 삽입 후 가장자리를 접착제(epoxy)로 고정하여 완전 밀폐(sealing)시켜서 시료 내에 일정 크기의 흡인력이 형성될 수 있도록 하였으며, 디스크 하부에 는 달팽이 모양의 홈(grooved water compartment)을 파서 시료 내의 물을 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있게 하였다.
- 본 연구에서는 현장의 세립 잔적토를 여러 가지 간극비로 압밀시킨 다수의 시료에 대해 흙-수분 특성 시험을 수행하였다. 이를 통해, 세립 잔적토의 壽수분 특성 곡선 예측에 있어서, 액성 한계를 비교 상태로 사용함에 문제가 없는지 검증하였다. 또한, Fredlund와 Xing(1994)의 제안식을 이용하여 액성 한계를 비교 상태로 하는 세립 잔적토의 홁-수분 특성 곡선 예측 방법을 제안하였다.
- 여기서, 。는 체적함수브 I, &는 포화시의 체적함 수비, V 는 흡인력(matric suction), 铝는 공기 유입값, 그리고 入는 적합매개 변수(fitting parameter)로서 간극 크기 분 포지 수 (pore-size distribution index)라고도 한다. 이후에 A를 액성한 계시의 값으로 정규화하고 이를 정규화한 간극비와의 관계로 도시하였다. 그 결과, 그림 2와 같은 명백한 선형 관계가 성립함을 보여주었다.
- 압력실을 밀폐시킨 후임의의 공기압을 가하면, 시료 내에는 공기압과 대 기 압의 차이만큼 흡 인력(matHc suction)이 유발되고 이에 상응하는 함수비가 될 때까지 물이 배출되게 된다. 평형 상태에 도달해서 물의 배출이 멈추면 시험을 종료하고 압력실 두껑을 열고 셀을 분리하여 무게를 재고, 시험도중 발생한 시료의 체적 변화량은 일반적으로 점토의 수축 실험에서 널리 사용되고 있는 수은 대체법을 적용하여 측정하였다. 압력셀의 두껑(cap)을 분리한 후 수은을 시료용기에 가득 채우고 이때 용기에 들어간 수은의 체적을 측정하여 용기 및 시험 전시료의 체적으로부터 시험도중에 발생한 시료의 체적 변화량을 구할 수 있다.
대상 데이터
- 선행연구에서는 인위적인 배합토가 사용하였던 것과 는 달리, 본 연구에서는 예측 모델의 일반성을 확보하기 위하여 현장에서 채취한 3가지 종류의 화강풍 화잔적토 (Granite-weathered residual soils)를 사용하였다. 시료는 부산 수정동 근처의 각기 다른 3곳의 장소에서 채취하였다. 시료는 48시간 동안 노건조시킨 후 고무망치를 사용하여 잘게 부수고 10번체로 체가름하여 직경 2mm 이상 되는 것은 제거하였다.
이론/모형
- (4) 본 연구에서는 비교상태 접근법을 적용 시 보다 정확한 흙-수분 특성 곡선의 예측을 위해 기존의 경험식(Campbell, 1974)보다 곡선을 보다 적절히 묘사할 수 있는 Fredlund와Xing(1994)의 경험식을 사용하였으며, 이 경험식의 적합매개 변수(% n, %)들과 수식적인 관계가 있는 구성매개변수(constituent parameter, 命 %, ft, 但)들을 도입하였다. 연구 결과, 액성한계 상태의 값(阮, !钮, 血, &LL)으로 정규화한 구성 매개 변수들과 정규화한 간극비 간에 우수한 선형 관계가 성립하는 것을 발견할 수 있었고, 마지막으로 액성한계를 비교 상태로 하여 일반화된 壽수분 특성 곡선을 예측할 수 있는 경험적인 방법을 제안하였다
- 기존의 연구에서 적용하였던 식(1)은 넓은 흡인력의 범위에 걸친 S자 모양의 壽수분 특성 곡선을 제대로 묘사하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 문헌연구 결과 시험 결과를 가장 정확히 묘사할 수 있는 Fredlund와 Xing (1994)의 곡선식(식(2))을 적용하여 흙■수분 특성곡선 의 예측방법을 모색하였다. 선행연구 결과들에 의하면, 이 곡선식 이 여러 종류의 흙에 대해 가장 적용성이 우수한 것으로 알려져 있다 (Leong과 Raharejo, 1997; Sillers 와 Fredlund, 2001).
- 이를 통해서 액성한계상태에서는 초기간극비에 관계없이 공기유입 값을 결정하는 간극의 크기가 상대적으로 일정함을 보여주었다. 또한, 액성한계상태를 비교 상태로 적용하는 것에 대한 타당성을 검증하기 위하여 동일시료를 액성한계시 간극버I(6ll)에 대해 임의비율이 되게 압밀을 시키고, 흙-수분 특성 시험을 실시하여 시험 결과를 Campbell(1974)이 제안한 鲁수분 특 성곡선 경험식(식(1))에 의해 적합하였다.
- 본 연구에서는 Fredlund와 Xing (1994)에 의해 제안된 식(2)가 비교상태 접근법에 의한 흙-수분 특성 곡선의 평가를 위해 적용되었다. 첫 번째 단계로, 시험 결과를 식(2)로 적합하여 적합매개 변수(a, n, 初를 구한 후 이를 액성한계시의 값으로 정규화하고 정규화한 간극비와의 수식적인 관계를 정립하기 위해 다수의 회귀분석 작업을 수행하였으나 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다.
- 선행연구에서는 인위적인 배합토가 사용하였던 것과 는 달리, 본 연구에서는 예측 모델의 일반성을 확보하기 위하여 현장에서 채취한 3가지 종류의 화강풍 화잔적토 (Granite-weathered residual soils)를 사용하였다. 시료는 부산 수정동 근처의 각기 다른 3곳의 장소에서 채취하였다.
- 위의 결과를 통해 자연 상태의 세립 잔적토에 대한 흙-수분 특성 곡선 평가시 비교상태 접근법의 사용이 가능함을 확인할 수 있었다. 하지만, Campbell(1974)에 의해 제안된 식은 壽수분 특성 곡선을 정확하게 묘사하지 못하기 때문에 본 연구에서는 적절하게 흙-수분 특성 곡선의 평가할 수 있는 경험식을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 사용한 잔적토는 흡인력의 작용에 의해 상당한 체적 감소가 발생하였고 이를 보정한 흙-수분 특성 곡선이 그렇지 아니한 곡선에 비해 공기 유입값 높고 기울기가 완만해지며, 초기간극비가 다른 여타 곡선간의 간격이 줄어들고 상관성이 좋아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 건조수축이 큰 흙의 壽수분 특성곡선 평가 시에는 체적감소를 보정해주는 것이 타당함을 알 수 있다.
- 본 연구에서 사용한 흙도 건조 과정에서 시료의 초기간극비에 비해 상당량의 체적 감소가 발생함을 볼 수 있었다. 그림 7은 시료 A, B, C 각각에 대한 흡인력에 따른 함수비(wGs=Vw/Vs, 토립자의 체적 대비물의 체적)와 간극비(Vv/Vs, 토립자의 체적 대비 간극의 체적)의 변화를 비교하여 도시한 것이다.
- 첫 번째 방법은 액성한계상태의 시료에 대해 직접적으로 흙-수분 특성 시험을 수행하는 방법이고, 두 번째 방법은 액성한계상태의 구성매개 변수와 흙의 특성치(soil index property)간의 경험적인 상관관계로부터 간접적으로 도출하는 방법이다. 본 연구에서 후자의 방법을 모색해 본 결과, 그림 12에서 보는 바와 같이 200번 체 통과율(P200)과 diLLiesLL, VpLdViLL, 그리고 ViLL 간에 상관성이 우수한 선형 관계를 발견할 수 있었다 &lle 해당 흙의 체적-질량(volume-mass) 관계에 의해 어려움 없이 구할 수 있기 때문에 나머지 구성 매개 변수도 그림 12의 관계식에 의해 쉽게 구할 수 있다. 다만, 이와 같은 경험적인 접근법은 다수의 시험자료들을 그 바탕으로 하기 때문에 끊임없는 자료의 축척과 입증을 전제로 한다.
- Reddi와 Poduri(1997)는 모래와 몬모릴로나이트 또는 카올리나이트와의 혼합체를 사용하여 鲁수분 특성시 험을 실시하였다. 액성한계상태로 형성된 각기 다른 혼합체에 행해진 시험 결과에 의하면, 공기유입값(air-entry value)은 0.5kPa로 혼합비율에 관계없이 거의 일정한 값을 보였다. 이를 통해서 액성한계상태에서는 초기간극비에 관계없이 공기유입 값을 결정하는 간극의 크기가 상대적으로 일정함을 보여주었다.
- (4) 본 연구에서는 비교상태 접근법을 적용 시 보다 정확한 흙-수분 특성 곡선의 예측을 위해 기존의 경험식(Campbell, 1974)보다 곡선을 보다 적절히 묘사할 수 있는 Fredlund와Xing(1994)의 경험식을 사용하였으며, 이 경험식의 적합매개 변수(% n, %)들과 수식적인 관계가 있는 구성매개변수(constituent parameter, 命 %, ft, 但)들을 도입하였다. 연구 결과, 액성한계 상태의 값(阮, !钮, 血, &LL)으로 정규화한 구성 매개 변수들과 정규화한 간극비 간에 우수한 선형 관계가 성립하는 것을 발견할 수 있었고, 마지막으로 액성한계를 비교 상태로 하여 일반화된 壽수분 특성 곡선을 예측할 수 있는 경험적인 방법을 제안하였다
- 위의 결과를 통해 자연 상태의 세립 잔적토에 대한 흙-수분 특성 곡선 평가시 비교상태 접근법의 사용이 가능함을 확인할 수 있었다. 하지만, Campbell(1974)에 의해 제안된 식은 壽수분 특성 곡선을 정확하게 묘사하지 못하기 때문에 본 연구에서는 적절하게 흙-수분 특성 곡선의 평가할 수 있는 경험식을 사용하였다.
- 표 3은 본 연구에서 구한 액성한계 상태에서의 공기 유입값과 Reddi 와 Poduri(1997) 의 연구결과를 함께 나타낸 것이다. 이 표를 보면, 본 연구에서 사용한 3가지 시료는 모래, 실트 그리고 점토 의 구성비율이 선행연구에서 적용한 인공적인 혼합체에 비해 매우 다양함에도 불구하고 액성한계 상태에서의 공기유입 값이 선행연구 결과의 결과와 매우 유사함을 알 수 있다. 이것은 공기 유입값을 결정하는 가장 큰 간극의 크기가 액성한계 상태에서 거의 유사하다 것을 암시하는 것으로 세립토를 함유한 소성질(plastic soil) 흙은 액성 한계를 비교 상태로 활용할 수 있음을 입증하는 것이다.
- 5kPa로 혼합비율에 관계없이 거의 일정한 값을 보였다. 이를 통해서 액성한계상태에서는 초기간극비에 관계없이 공기유입 값을 결정하는 간극의 크기가 상대적으로 일정함을 보여주었다. 또한, 액성한계상태를 비교 상태로 적용하는 것에 대한 타당성을 검증하기 위하여 동일시료를 액성한계시 간극버I(6ll)에 대해 임의비율이 되게 압밀을 시키고, 흙-수분 특성 시험을 실시하여 시험 결과를 Campbell(1974)이 제안한 鲁수분 특 성곡선 경험식(식(1))에 의해 적합하였다.
- 그 결과, 그림 2와 같은 명백한 선형 관계가 성립함을 보여주었다. 이와 같은 선행연구 결과를 통해 세립토의 흙-수분 특성 곡선 예측에 액성한계를 이용한 비교상태접근법(reference state approach) 의 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 이에 반해 선 압밀되어 상대적으로 단단한 시료는 건조 과정에서 뚜렷한 체적 감소를 보이지 않을 뿐 아니라 전자보다는 다소 높은 흡인력에서부터 불포화가 진행되는 것을 볼 수 있다. 한편, 다소 조립토의 성향을 보이는 시료C의 경우에는 다른 시료들에 비해 상대적으로 건조과정 중에 수축량이 적은 것으로 나타났다.
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