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문제 정의
- 본 연구는 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 파악하여 그에 따른 공학적 특성과의 연관성을 정성적으로 평가하는 것이다. 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 파악하기 위하여 X선 형광분석, X선 회절분석, 주사전자현미경분석과 에너지분산미분석 실험을 실시하였으며 시화지구 연약지반의 시추조사결과, 실내시험 및 현장시험결과와의 상관관계를 알아보았다.
- 점토의 광물학적 특성은 점토를 구성하고 있는 광물의 조성, 조직, 입자 배열 및 퇴적 환경 등에 의존하므로 점 토의 광물학적 특성을 규명하기 위해서는 X선 형광분석 (XRF), X선 회절분석(XRD), 주사전자현미경분석(SEM) 및 에너지분산미분석(EDS)을 실시하여야 한다. 본 연구에서는 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 파악하기 위하여 시추공 BD-7의 심도 2.0 - 2.8m 와 3.0 - 3.8m, 시추공 BD-9의 심도 2.0 - 2.8m 와 3.0 - 3.8m, 그리고 시추공 BG-3의 심도 2.5 - 3.3m 와 5.0 - 5.8m 에서 채취 한 대상지반 점토시료 총 144 점을 이용하여 연약점토의 광물학적 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 5。 사이의 회절선에 대한 주사속도를 0.25。(28)/血11으로 정 하여 재차 실험을 실시한 후, 분리된 두 점토광물에 대한 회절선 면적을 파악하여 상대적 함량을 계산하였다. Smectite의 Peak는 2。값이 5.
- X선 형광분석(XRF)은 점토의 주요 구성성분을 알아 보기 위한 실험이다. 30 - 100kV의 전압에서 X선관에 의해 발생된 X선이 2側의 분말제나 용융시킨 시료그릇 에 조사되어 시료를 구성하고 있는 원소의 궤도전자를 여기시키고 재배열되는 동안에 방출되는 형광 X선을 분광 결정에 의해 검출기로 측정하여 표준시료의 그것과 비교하여 원소를 분석한다. Samplee 시료내 염분을 제거시키기 위해 증류수와 혼합한 후, 원심분리기를 이용하여 혼탁액을 침전시켜 침전물을 제외한 혼탁액을 제거한다.
- 8。에서 나타나는 Peak를 이용하여 정량적 분석을 실시하였다. Chlorite는 14.2A(001), 7.1 A(002), 4.73 A(003) 및 3.55A(004)의 Peak를 감정하여 파악하며 이 중 7.1A(002)과 3.55A(004)의 Peak를 이용하여 정량적 분석을 시도한다. 한편 Kaolinite는 7.
- 기존에 이미 연구된 국내 해안 연약지반 지역 중남 해안에 위치한 양산 일대(한국토지공사, 1996)와 서해안 지역인 군산 일대(김낙경 등, 2001)의 연약점토의 물리적, 역학적, 광물학적 특성과 본 연구인 시화지구 연약점토의 특성을 비교 . 평가하였다.
- 점토시료처리는 Gibbs(1970)의 표준 분석방법을 이용하였으며 2㎛ 보다 세립한 점토 크기의 물질 을 Stokes' Law에 근거하여 피펫방법으로 채취하였고 원심분리기를 이용하여 혼탁액을 침전 . 농축시킨 후, 침전물은 채취하여 과산화수소를 이용한 유기물 제거 및 10% 염화수소를 이용한 패각편 제거를 실시하였다. 이렇게 준비된 시료는 노건조를 통하여 분말로 만들어 지고 고해상도 X선 회절분석기 (High Resolution Multi Pu叩ose XRD)를 통하여 점토광물의 회절분석이 시작된다.
- 그림 10은 시화지구 연약점토의 역학적 특성을 알아 보기 위한 일축압축시험과 삼축압축시험 및 현장베인시 험결과이다. 또한 연약점토의 압밀특성을 파악하기 위하여 표준압밀시험과 CRS 압밀시험결과를 이용하였다(그림 10). 시화지구 연약점토의 압밀시험결과를 보면 압축지수는 평균 0.
- 시화지구 연약점토의 물리적 특성을 파악하기 위하여 함수비, 애터버그한계, 비중 및 초기간극비 시험결과를 이용하였다. 또한 일축압축시험, 삼축압축시험, 현장 베인시험과 표준압밀시험 , CRS 압밀시험결과를 통하여 연약점토의 역학적 특성을 알아보았다.
- 4。인 영역에서 중복되어 나타난다. Biscaye(1964)는 2。값이 24。- 26。범위에 나타나는 Kao- linite의 002 결정면(3.57A)과 Chlorite의 004 결정면 (3.55A)의 Peak를 이용하여 두 점토광물의 상대적 함량을 산정하였다. 본 실험의 경우, Kaolinite와 Chlorite의 각각의 상대적 함량을 파악하기 위하여 2B, 24。- 26.
- 시화, 양산 및 군산지역 연약점토의 물리적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 각 지역의 함수비, 비중, 초기간극 비와 애터버그한계 시험결과를 정리하였다.
- 시화, 양산 및 군산지역 연약점토의 역학적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 지역별로 제시된 연약점토의 압축지수 및 압밀계수를 알아보았다.
- 시화, 양산 및 군산지역의 연약점토에 대한 광물학적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 지역별로 밝혀진 연약지반 점토광물의 조성 및 분포를 알아보았다.
- 시화지구 연약점토의 광물학적 특성에 따른 공학적 특성을 살펴보기 위하여 대상지반 점토의 주요 구성성분인 SiO2, AI2O3, Fe2O3 함량을 파악할 수 있는 XRF 시험결과를 이용하였다. 먼저 시화지구 연약점토의 액성한계는 약 32 - 39%이었으며 X선 형광분석 결과는 SiO2, AI2O3, Fe2O3 가 68.
- 본 연구는 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 파악하여 그에 따른 공학적 특성과의 연관성을 정성적으로 평가하는 것이다. 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 파악하기 위하여 X선 형광분석, X선 회절분석, 주사전자현미경분석과 에너지분산미분석 실험을 실시하였으며 시화지구 연약지반의 시추조사결과, 실내시험 및 현장시험결과와의 상관관계를 알아보았다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 시화지구 연약점토의 구조적 형태를 파악하기 위하여 주사전자현미경분석(SEM) 실험을 실시하였다(사진 2). 본 실험을 수행하기 위하여 전계방사주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope)을 사용하였다.
- 시화지구 연약점토의 물리적 특성을 파악하기 위하여 함수비, 애터버그한계, 비중 및 초기간극비 시험결과를 이용하였다. 또한 일축압축시험, 삼축압축시험, 현장 베인시험과 표준압밀시험 , CRS 압밀시험결과를 통하여 연약점토의 역학적 특성을 알아보았다.
- 본 실 험에서는 20 값이 8.8。에서 나타나는 Peak를 이용하여 정량적 분석을 실시하였다. Chlorite는 14.
- 시화, 양산 및 군산지역 연약점토의 물리적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 각 지역의 함수비, 비중, 초기간극 비와 애터버그한계 시험결과를 정리하였다. 지역별 연약 점토의 함수비를 비교하면 시화지구의 경우, 20 - 50%를 나타냈으며 양산지역의 경우, 연약점토의 함수비가 35 - 55%로 제시되었고 군산지역의 경우, 점토의 함수비가 33.
- 시화, 양산 및 군산지역의 연약점토에 대한 광물학적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 지역별로 밝혀진 연약지반 점토광물의 조성 및 분포를 알아보았다. 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 보면 X선 형광 .
- 시화, 양산 및 군산지역 연약점토의 역학적 특성을 비교 . 평가하기 위하여 지역별로 제시된 연약점토의 압축지수 및 압밀계수를 알아보았다. 시화지구 연약점토의 압축지수는 0.
대상 데이터
- 본 연구의 대상지반은 시화 1단계 지역 남측간석지와 시화호 내 일대로서 본 대상지반의 지질은 선 캠브리아 기에 해당하는 퇴적기원의 변성암류와 시대미상의 화성 암류, 중생대 퇴적암류와 이들 모든지층을 관입한 백악 기의 맥암류 및 저】4기의 충적층으로 구성된다.
데이터처리
- 시화, 양산 및 군산지역 연약점토의 물리적 특성 중 액 . 소성한계 시험결과를 비교 . 평가하면 표 3과 같다.
이론/모형
- 한편 X선 회절분석 자료를 통하여 점토광물의 상대적 함량을 파악하는 방법은 누적 Peak 면적계산법 누적 Peak 고도계산법, 삼각도형 계산방법, Planimeter 방법 및 눈금산정방법이 있다(Biscaye, 1965 ; Pierce and Siegel, 1969 ; Gibbs, 1971 ; Devine 등, 1972). 본 실험에 서는 점토광물의 상대적 함량을 측정하기 위하여 Planimeter 방법을 이용하였다(최진용, 1991). 또한 점토광물 의 상대적 함량을 계산하는데 이용되는 Peak들은 각 광 물의 특성에 따라 Peak 강도의 차이를 나타내기 때문에 이러한 차이를 보정하기 위하여 계산된 Peak 면적에 일정한 가중치를 곱하여 점토광물의 정량적 함량을 계산하 여야 한다.
- 각각 점토광물의 가중치는 점토광물의 조성 에 따라 변하며 Smectite : Illite : Chlorite + Kaolinite의 경우, Biscaye(1965)는 1 : 4 : 2의 비율을 적용시켰다. 본 실험에서도 Biscaye(1965)의 방법에 의한 가중치를 고려하여 점토광물의 상대적 함량을 산정하였다
- 시화지구 연약점토의 구조적 형태를 파악하기 위하여 주사전자현미경분석(SEM) 실험을 실시하였다(사진 2). 본 실험을 수행하기 위하여 전계방사주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope)을 사용하였다. 점토시료는 계획된 깊이에서 채취한 불교란 시료를 동결건조시킨 후 0.
- 점토광물분석을 위한 시료처리는 다음과 같다. 점토시료처리는 Gibbs(1970)의 표준 분석방법을 이용하였으며 2㎛ 보다 세립한 점토 크기의 물질 을 Stokes' Law에 근거하여 피펫방법으로 채취하였고 원심분리기를 이용하여 혼탁액을 침전 . 농축시킨 후, 침전물은 채취하여 과산화수소를 이용한 유기물 제거 및 10% 염화수소를 이용한 패각편 제거를 실시하였다.
성능/효과
- (1) 시화지구 연약점토의 X선 형광분석 결과에 의하면, 시화지구 해성점토는 SiO2 69.36%, AI2O3 13.72%, Fe2O3+ 4.28%, K2O 2.97%, Na2O 1.84%, MgO 1.69% 순으로 상대적 함량을 나타냈다. 시화지구 해성점토의 화학적 주요성분은 SiCh와 AI2O3로 나타났으며 전체 함량 중 약 83.
- (2) 시화지구 연약점토의 X선 회절분석을 수행한 결과, 시화지구 대상지반의 점토광물 함량을 살펴보면, 111- ite의 함량은 61.24 - 69.30%, Chlorite는 15.58 - 19.52%, Kaolinite는 11.15 - 13.97%, Smectite의 함량은 2.28 - 3.96%으로 나타났다. 전체적으로 Illite 가 지배적이었으며 그 밖에도 여러 점토광물이 검출 되었다.
- (3) 대상지반 지역의 점토에서 Illite로 판단되는 점토광 물을 발견할 수 있었다. 발견된 Illite는 석영(Quartz) 과 함께 존재하는 것으로 판단되며 매우 복잡한 구조로 엉켜있다.
- (4) 시화지구 연약점토의 물리적 특성을 보면 자연함수 비는 약 20 - 50%로 나타났으며 액성한계의 경우, 약 30 - 40% 정도로 파악되었고 심도 10m 까지는 함수비와 거의 비슷한 범위에 분포하였으며 10m 이후 에서는 함수비가 액성한계보다 작은 값을 나타냈다. 소성한계는 약 15 - 25% 사이로 파악되었으며 비중은 2.
- 3으로 파악되었다. (5) 시화지구 연약점토의 압밀시험결과를 보면 압축지 수는 0.2 - 0.4로 파악되었다. CRS 압밀시험결과는 연약점토의 표준압밀시험과 유사한 결과를 나타냈다.
- (6) 연약점토의 공학적 특성인 액성한계, 소성지수, 압축 지수와 점토의 주요구성성분 간의 분석을 통하여 파악된 상관관계는 연약점토의 광물구성성분인 SiO2 의 함량이 증가하면 액성한계, 소성지수와 압축지수는 감소하나 Fe2O의 함량이 증가하면 액성한계, 소성지수와 압축지수는 증가하는 경향을 보였다.
- (7) 지역별로 연약점토의 물리적, 역학적 특성을 비교해 본 결과, 시화, 군산지역 연약점토의 함수비, 애터버그 한계 비중 및 초기간극비와 압축지수가 양산지역 에서 채취된 연약점토의 함수비에 비해서 다소 적게 나타났고 압밀계수는 다소 크게 나타났다.
- (8) 지역별로 연약점토의 광물학적 특성을 비교하면 점 토광물인 Illite의 경우는 시화, 군산지역에 비해 양산 지역에서 상대적으로 적게 검출되었으며 Chlorite와 Kaolinite의 함량은 상대적으로 많이 검출되었다. 시화지구 연약점토의 광물학적 특성은 군산지역의 연약점토와 유사한 것으로 판단된다.
- 시화지구 연약지반 점토의 에너지분산미분석 실험결과는 그림 6-8과 같다. BD-7, BD-9 와 BG-3 시추공에서 채취한 점토에 대한 EDS 실험결과, 점토시료의 구성성 분은 Si, O, Al, Fe, K, Mg, Na 등이었으며 이는 XRF 실험결과와 일치한 실험결과를 보인 것이다.
- 시화지구 연약지반 점토에 대한 X선 형광분석결과는 표 1과 같다. X선 형광분석 결과에 의하면 시화지구 해 성점토는 SiO2 68.0 - 71.2%, A12O3 13.0 - 14.3%, Fe2O3+ 3.9 - 4.7%, K2O 2.9 - 3.0%, Na2O 1.8 - 1.9%, MgO 1.5 - 1.8% 순으로 상대적 함량을 나타냈다. 시화지구 해성 점토의 화학적 주요성분은 SiCh와 AI2O3로 나타났으며 전체 함량 중 약 83.
- 8A)이며 이들 Peak를 이용한 점토광물의 감정은 Griffin(1970)의 방법을 따랐다. X선 회절분석 결과 모든 시료에서 주요 점토광물인 Illite, Chlorite, Kaolinite 및 Smectite가 검출되었다. Illite는 일반적으로 10A(001), 5a(002), 3.
- CRS 압밀시험결과는 연약점토의 표준압밀시험과 유사한 결과를 나타냈다. 대상지반 점토의 수직 압밀계수를 알아본 결과, 시화지구 연약점토의 평균적인 수직 압밀계수는 5.2X iScirf/sec로 판단된다.
- 소성한 계 시험결과이다. 대상지반에서 채취한 점토시료의 함수 비 시험결과는 약 20 - 50%로 파악되었으며 액성한계의 경우, 약 30 - 40%로 파악되었고 심도 10m 까지는 함수 비와 거의 비슷한 범위에 분포하였으며 10m 이후에서는 함수비가 액성한계보다 작은 값을 나타냈다. 소성한계는 약 15 - 25% 사이로 파악되었다.
- 대상지반의 시추조사결과를 통하여 연약지반의 지층 이 상부 해성퇴적토층, 하부 퇴적토층, 풍화암층 및 기 반암층으로 구분되어 있음을 알 수 있었다. 상부 해성퇴 적토층은 주로 실트질 점토(CL), 모래질 실트(机) 층으 로 구분되며 표준관입시험 N치가 대부분 6이하이다.
- 함량을 파악할 수 있는 XRF 시험결과를 이용하였다. 먼저 시화지구 연약점토의 액성한계는 약 32 - 39%이었으며 X선 형광분석 결과는 SiO2, AI2O3, Fe2O3 가 68.0 - 71.2%, 13.0 - 14.3%, 3.9 - 4.7%로 나타 났는데 연약점토의 액성한계와 주요 광물구성성분 결과를 통하여 파악된 경향은 점토의 광물구성성분인 SiO2의 함량이 증가하면 액성한계는 감소하나 Fe2O3의 함량이 증가하면 액성한계는 증가하는 것이다(그림 12). 시화 지구 연약점토의 소성지수 약 15-25%이었으며 X선 형광분석 결과는 SiO2, AI2O3, Fe2O3 가 68.
- 그림 11은 시화지구 연약점토의 수 직 압밀계수를 나타낸 것이다. 시험결과를 볼 때, 시화 지구 점토의 평균적 인 수직 압밀계수는 5.2X iSE/sec 로 판단된다.
- 7%로 나타 났는데 연약점토의 액성한계와 주요 광물구성성분 결과를 통하여 파악된 경향은 점토의 광물구성성분인 SiO2의 함량이 증가하면 액성한계는 감소하나 Fe2O3의 함량이 증가하면 액성한계는 증가하는 것이다(그림 12). 시화 지구 연약점토의 소성지수 약 15-25%이었으며 X선 형광분석 결과는 SiO2, AI2O3, Fe2O3 가 68.0 - 72.1%, 13.0 - 14.3%, 3.9 - 4.7%로 나타났는데 연약점토의 소성지수와 주요 광물구성성분 결과를 통하여 파악된 경 향은 점토의 광물구성성분인 SiO2의 함량이 증가하면 소성지수는 감소하나 A12O3, Feg의 함량이 증가하면 소성지수는 증가하는 것으로 나타났다(그림 13). 한편 시화지구 연약점토의 압축지수는 표준압밀시험 및 CRS Test 결과인 평균 0.
- 점토광물이 가지고 있는 형태적 특징에 의해 SEM 사진으로부터 점토광물을 용이하게 식별할 수 있다. 시화 지구 연약지반 점토의 SEM 분석결과에 의하면 Zone A지역의 BD-7에서 채취한 점토시료와 Zone B지역의 BD-9, BG-3에서 채취된 점토시료에서 IHite로 판단되는 점토광 물을 발견할 수 있었다. 발견된 IHite는 석영(Qimtz)과 함께 존재하는 것으로 판단되며 매우 복잡한 구조로 엉켜있다(사진 3).
- 또한 연약점토의 압밀특성을 파악하기 위하여 표준압밀시험과 CRS 압밀시험결과를 이용하였다(그림 10). 시화지구 연약점토의 압밀시험결과를 보면 압축지수는 평균 0.27로 파악되었다. CRS 압밀시험결과를 통한 연약점토의 압축지수는 표준압밀시험과 유사한 결과로 파악되었다.
- 8% 순으로 상대적 함량을 나타냈다. 시화지구 해성 점토의 화학적 주요성분은 SiCh와 AI2O3로 나타났으며 전체 함량 중 약 83.08%를 차지하였다. 구성 화학성분 을 살펴보면 석 영(Quartz, SiCh)이 가장 많은 비율을 차 지하고 있으며 장석류와 알바이트 등이 함유되어 있는 것으로 판단된다.
- 8% 순으로 상대적 함량을 나타냈다. 시화지구 해성 점토의 화학적 주요성분은 SiCh와 AI2O3로 나타났으며 전체 함량 중 약 83.08%를 차지하였다. 구성 화학성분 을 살펴보면 석 영(Quartz, SiCh)이 가장 많은 비율을 차 지하고 있으며 장석류와 알바이트 등이 함유되어 있는 것으로 판단된다.
- 그림 3은 BD-7 지역에서 채취한 점토시료에 대한 회 절분석 결과이다. 실험결과를 통하여 파악할 수 있는 점 토광물은 Illite, Chlorite, Kaolinite 및 Quartz 등이 었으며 주요 점토광물의 상대적 함량을 계산하면 Illite의 상대적 함량은 66.03 - 67.85%이었으며 Chlorite의 상대적 함량은 17.41 - 17.77%, Kaolinite는 12.46 - 12.71%, Smectite 의 상대적 함량은 2.28 - 3.49%로 나타났다. 그림 4는 BD-9 지역에서 채취된 점토시료로서 X선 회절분석에 의한 동정을 살펴보면 역시 Illite, Chlorite, Kaolinite 및 Quartz 등의 광물이 검출되었다.
- 6%로 제시되었다. 양산지역 연약점토의 액성한계 와 소성지수가 시화, 군산지역 연약점토에 비해서 전반적으로 크게 나타났다.
- 26%로 산정되었다(그림 5). 전체적으로 살 펴보면 시화지구 연약지반 점토에 대한 Illite의 상대적 함량은 61.24 - 69.30%, Chlorite는 15.58 - 19.52%, Kao-linite는 11.15 - 13.97%, Smectite는 2.28 - 3.96%을 차지 하고 있다
- 9%로 나타났다. 점토광물 중 상대적으로 많은 함량을 차지하는 Illite의 경우, 양산에 비해 시화, 군산지역에서 상대적으로 많이 검출되었으며 Chlorite와 Kaolinite 의 함량은 상대적으로 적게 검출되었다. 한편 시화와 군산지역 연약점토의 광물학적 특성은 유사한 것으로 판단 된다(표 6).
- 평가하기 위하여 각 지역의 함수비, 비중, 초기간극 비와 애터버그한계 시험결과를 정리하였다. 지역별 연약 점토의 함수비를 비교하면 시화지구의 경우, 20 - 50%를 나타냈으며 양산지역의 경우, 연약점토의 함수비가 35 - 55%로 제시되었고 군산지역의 경우, 점토의 함수비가 33.5 - 41.5%로 제시되었다. 각 지역별로 시험결과에 편 차가 있지만 대체로 군산과 시화지구 연약지반 점토의 함수비가 양산지역에서 채취된 점토의 함수비에 비해 서 다소 적게 나타난 것으로 판단된다(표 2).
- 07로 제시되었다. 지역별 연약점토의 비중은 대체로 유사한 시험결과를 보였으나 양산지역의 초기간극비가 군산, 시화지구 점토의 초기간극비에 비해서 다소 크게 나타났다.
- 7%로 나타났는데 연약점토의 소성지수와 주요 광물구성성분 결과를 통하여 파악된 경 향은 점토의 광물구성성분인 SiO2의 함량이 증가하면 소성지수는 감소하나 A12O3, Feg의 함량이 증가하면 소성지수는 증가하는 것으로 나타났다(그림 13). 한편 시화지구 연약점토의 압축지수는 표준압밀시험 및 CRS Test 결과인 평균 0.27이었으며 대상지반 점토광물의 주요 구성성분인 SiO2, AI2O3, FeQ3의 함량은 68.0- 71.2%, 13.0 - 14.3%, 3.9-4.7%이었으며 연약점토의 압축지수와 주요 광물구성성분 결과의 관계를 분석하 면 SiCh가 증가하면 압축지수가 감소하는 경향을 보이 며 반면에 FezQ가 증가하면 압축지수가 증가하는 경향을 보였다(그림 14).
- 시화지구 연약점토의 광물학적 특성을 보면 X선 형광 . 회절 분석 및 주사전자현미경 분석을 통하여 알 수 있듯이 가장 많은 함량을 차지한 Illite가 약 61.24 - 69.30%를 차지하였 으며 Chlorite의 함량은 15.58 - 19.52%, Kaolinite의 함량은 11.15 - 13.97%, Smectite의 경우, 2.28 - 3.96%를 차 지하였다. 양산지역 연약점토의 경우, Illite가 약 45.
후속연구
- 해안 연약지반은 주로 매우 연약한 실트와 점토로 이루어져 있기 때문에 지반의 전단강도와 지지력이 낮고 지반의 침하량이 크기 때문에 기초지반의 조건을 만족시키기 어렵다. 그러므로 이에 따른 해안 연약지반의 공학적 특성과 광물학적 특성을 구체적으로 파악하는 것이 대단히 중요하며 체계적이고 종합적인 지반조사, 실내시험 및 현장시험을 실시하여 경제적이고 효율적인 연약지반 개량공법의 선정, 설계 및 시공이 수행되어야 한다.
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