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문제 정의
- 이와 같은 이유로 연약지반 개량공사시 횡방향 배수와 중장비의 주행성 확보를 위해 사용하고 있는 모래매트의 공사비가 증가하고 있으며, 모래매트를 대체할 수 있는 쇄석매트 등에 대한 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 천연섬유로 만든 수평 천연섬유배수재에 대한 실내시험을 수행하여 모래의 대체 재료로서의 가능성을 평가하였다.
제안 방법
- 그림 8(a)의 필터 두께 측정장치는 지름 1cm인 봉을 이용하여 필터의 두께를 측정하는 방법으로, 1겹의 필터를 50kPa, 100kPa, 150kPa, 200kPa, 250kPa 그리고 300 kPa로 압입하여 각 압력에 해당하는 두께를 측정하였다. 또한 매트의 두께 측정은 그림 8(b) 와 같이 직경 15cm의 원형 금속판 내에 1겹의 매트를 삽입하고 하중을 가해 압력 증가에 따른 매트의 압축량을 측정하였다.
- 그림 8(a)의 필터 두께 측정장치는 지름 1cm인 봉을 이용하여 필터의 두께를 측정하는 방법으로, 1겹의 필터를 50kPa, 100kPa, 150kPa, 200kPa, 250kPa 그리고 300 kPa로 압입하여 각 압력에 해당하는 두께를 측정하였다. 또한 매트의 두께 측정은 그림 8(b) 와 같이 직경 15cm의 원형 금속판 내에 1겹의 매트를 삽입하고 하중을 가해 압력 증가에 따른 매트의 압축량을 측정하였다. 그림 9(a)는 압력 증가에 따른 황마 필터 두께의 변화를 나타낸 것으로 압력이 증가할수록 필터의 두께는 감소하는 것으로 나타났다.
- ASTM D4716에서는 일반적으로 두께가 매우 얇은 토목섬유를 대상으로 시험을 하기 때문에 토목섬유재의 두께를 고려하지 않은 hydraulic transmissivity(θ)로 투수성을 평가한다. 그러나 수평 천연섬유배수재는 측정 가능한 두께를 가진 모래대체 재료로서 모래와의 투수성 비교를 위해서는 hydraulic transmissivity(θ)를 사용하는 것보다는 투수계수(k)를 사용하는 것이 더 나을 것으로 판단되어 본 연구에서는 수평 천연섬유배수재의 투수성을 투수 계수(k)를 이용하여 평가하였다. 또한, 수평 천연섬유 배수재는 압력 증가에 따라 두께가 감소하므로 압력 증가에 따른 수평 배수재의 압축량 평가가 필요한데, ASTM D4716 시험방법으로는 투수시험 도중 수평 배수재의 압축량을 직접 평가하기 어렵기 때문에 그림 8과 같은 시험장치를 이용하여 각각 필터와 매트의 압축량을 산정하였다.
- 그러나 수평 천연섬유배수재는 측정 가능한 두께를 가진 모래대체 재료로서 모래와의 투수성 비교를 위해서는 hydraulic transmissivity(θ)를 사용하는 것보다는 투수계수(k)를 사용하는 것이 더 나을 것으로 판단되어 본 연구에서는 수평 천연섬유배수재의 투수성을 투수 계수(k)를 이용하여 평가하였다. 또한, 수평 천연섬유 배수재는 압력 증가에 따라 두께가 감소하므로 압력 증가에 따른 수평 배수재의 압축량 평가가 필요한데, ASTM D4716 시험방법으로는 투수시험 도중 수평 배수재의 압축량을 직접 평가하기 어렵기 때문에 그림 8과 같은 시험장치를 이용하여 각각 필터와 매트의 압축량을 산정하였다.
- 수평 천연섬유배수재의 투수시험을 위해 시편의 폭과 길이는 각각 9cm와 20cm로 하고 평균 1.3cm의 두께를 갖는 수평배수재 매트 1겹과 상하에 황마필터를 위치시켜 구속압을 각각 50kPa, 150kPa, 300kPa로 가하고 각 구속압 재하시 동수경사(i)는 0.1, 0.5, 1.0으로 제어하여 총 3회 시험을 수행하였다. ASTM D4716에서는 일반적으로 두께가 매우 얇은 토목섬유를 대상으로 시험을 하기 때문에 토목섬유재의 두께를 고려하지 않은 hydraulic transmissivity(θ)로 투수성을 평가한다.
- 수평배수재 필터의 인장강도는 광폭인장시험과 스트립(Strip)법을 모두 수행하여 기존 연직배수재 필터의 인장강도와 비교하였다. 그림 4에 나타낸 것과 같이 스트립법(ASTM D5035)을 이용한 수평배수재 필터의 인장강도시험 결과, 자연건조시 인장강도는 1650～2120N/전폭(18.
대상 데이터
- 본 연구 대상인 수평 천연섬유배수재는 모래를 대용할 수 있는 수평배수재로서 세립토의 유입을 방지하고 물의 유입만을 허용하는 필터와 수평 배수재 내부에 유입되는 물을 외부로 배출하는 매트층으로 구성되어 있다. 필터는 내부에 흙 입자 유입을 최소화하기 위해 두 겹의 황마필터를 사용하며, 물의 통로로 사용되는 매트는 야자껍질 외피를 압축한 코코넛 매트를 사용하고 있다.
- 본 연구에서는 KS KISO 10319를 기준으로 필터와 매트의 하중-변형률 특성을 평가하였으며, 건조/습윤상태 시험편에 대한 시험을 모두 수행하였다. 필터와 매트는 모두 200mm 폭, 100mm 길이의 시편으로 시험하였으며, 1겹의 필터와 1장의 매트를 대상으로 인장강도 시험을 수행하였다. 인장속도는 분당 20±5%의 변형속도를 제어하여 시험을 수행하였다.
이론/모형
- 이 두 시험방법은 직포, 부직포, 지오콤포지트, 편물 및 펠트 등 대부분의 지오텍스타일에 적용할 수 있으며, 현재 가장 많이 사용하고 있는 토목섬유 인장강도 평가방법이다. 본 연구에서는 KS KISO 10319를 기준으로 필터와 매트의 하중-변형률 특성을 평가하였으며, 건조/습윤상태 시험편에 대한 시험을 모두 수행하였다. 필터와 매트는 모두 200mm 폭, 100mm 길이의 시편으로 시험하였으며, 1겹의 필터와 1장의 매트를 대상으로 인장강도 시험을 수행하였다.
- 수평 천연섬유배수재의 투수성은 ASTM D4716 “Test Method for Determining the(In-Plane) Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using Constant Head”을 이용하여 평가하였다. 이 규격은 수직압축응력하에서 시험편의 길이 방향과 평행하게 흐르도록 유로를 형성하는 토목섬유에 대해 정수위 수평투수계수를 측정하는 방법이다(그림 3).
- 폭이 넓은 수평 천연섬유배수재 필터의 인장강도 시험은 ASTM D4595 “Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method”와 KS KISO 10319 “지오텍스타일의 인장강도시험방법”을 이용할 수 있다. 이 두 시험방법은 직포, 부직포, 지오콤포지트, 편물 및 펠트 등 대부분의 지오텍스타일에 적용할 수 있으며, 현재 가장 많이 사용하고 있는 토목섬유 인장강도 평가방법이다.
성능/효과
- 그림 9(a)는 압력 증가에 따른 황마 필터 두께의 변화를 나타낸 것으로 압력이 증가할수록 필터의 두께는 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 압력이 가해지지 않은 초기의 필터 두께에 비해 300kPa 압력이 가해진 후의 필터 두께가 불과 0.4mm정도 감소하지만, 매트의 경우에는 압력이 가해지지 않은 초기 두께에 비해 300kPa 압력이 가해진 후의 매트 두께는 초기 두께의 50～60%정도로 압축이 되어 상당량이 압축되는 것으로 나타났다. 그림 10은 ASTM D4751로 평가한 수평 천연섬유 배수재의 동수경사에 대한 투수계수를 나타낸 것으로 그림 9에서 나타낸 수평 천연섬유배수재의 압력 증가에 따른 압축량을 고려한 결과이다.
- 따라서 수평 천연섬유배수재의 변형률 ε (=(ℓ-L)/L =(65.1-65)/65)은 0.15%로 계산되었는데, 표 1의 시험 결과에서 알 수 있듯이 필터의 최대인장강도 발현시 인장변형률은 건조시 최소 4.6～7.6%이고 습윤시에는 최소 5.9～11.8%로, 일반적인 필터의 최대인장강도가 필터 절단 이 전에 발휘되는 것을 감안하면, 그림 6과 같은 일반적인 연약점성토 지반상의 성토에 수평배수 재로 사용된 천연섬유배수재는 인장변형률에 의한 절단은 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 자연건조상태의 야자껍질 매트의 경우에는 최대인장강도가 뚜렷이 나타나는 반면, 습윤상태의 경우에는 최대인장강도가 뚜렷이 나타나지 않고 변형이 진행됨에 따라 강도가 서서히 감소하는 연화현상이 관측되었는데, 이는 야자껍질로부터 추출한 매우 가는 실들을 엉켜 만든 매트가 물속에 들어가면 결합력이 저하되어 급격히 인장강도가 감소하기 때문으로 판단된다. 수평 천연 섬유배수재 매트의 인장강도는 필터에 비해 매우 작은 인장강도를 가지지만 최대인장강도 발현시 인장변형률이 필터에 비해 상대적으로 커 수평 천연섬유배수재의 인장강도는 필터가 감당하게 되어 수평 천연섬유배수재 매트의 작은 인장강도는 전체 수평배수재의 인장강도에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단된다.
- 수평 천연섬유배수재의 공학적 특성을 평가하기 위해 인장강도와 투수계수를 평가한 결과 두 평가항목에서 모두 우수한 결과를 얻었다. 따라서, 수평 천연섬유배수재를 모래 대신 이용한다면 모래가 가지는 배수능력의 효과를 충분히 거둘 수 있을 것으로 판단된다.
- 6kN/m)으로 평가되었다. 수평배수재에 사용하고 있는 필터가 연직배수재에 사용하고 있는 필터보다 좀 더 큰 인장강도를 갖으며 인장변형률도 약간 큰 것으로 평가되었다(표 1 참조). 그림 5에서는 KS KISO 10319를 이용한 폭 20cm, 길이 20cm의 수평배수재 필터의 광폭인장시험 수행 결과를 보여주는데, 자연건조상태의 단위폭당 강도는 21.
- 9kN/m로 평가되었다. 자연건조상태의 최대인장강도 발현시 인장변형률은 7.6～8.7%이며, 습윤상태의 최대인장강도 발현시 인장변형률은 11.8～12.8%로 나타났다. 수평 배수재 필터에 대한 특별한 인장강도의 최소 기준은 정해진 것이 없으나, 수평배수재에 사용되는 황마필터는 Christopher와 Holtz(1985)가 제안한 일반적인 토목섬유의 인장강도 기준인 350N/전폭을 훨씬 넘는 강도를 가지고 있으며, 일반적으로 사용하는 플라스틱 연직배수재의 인장강도인 500N/전폭에 비해서도 큰 값을 가지고 있다.
후속연구
- 따라서, 수평 천연섬유배수재를 모래 대신 이용한다면 모래가 가지는 배수능력의 효과를 충분히 거둘 수 있을 것으로 판단된다. 다만 이는 수평 천연섬유배수재의 기본적인 시험평가방법을 기준으로 수행한 결과이므로 실제 현장 적용성을 분석하기 위해서는 모형시험 결과와 실제 시공 현장 결과가 함께 분석되어야 할 것이다.
- 수평 천연섬유배수재의 공학적 특성을 평가하기 위해 인장강도와 투수계수를 평가한 결과 두 평가항목에서 모두 우수한 결과를 얻었다. 따라서, 수평 천연섬유배수재를 모래 대신 이용한다면 모래가 가지는 배수능력의 효과를 충분히 거둘 수 있을 것으로 판단된다. 다만 이는 수평 천연섬유배수재의 기본적인 시험평가방법을 기준으로 수행한 결과이므로 실제 현장 적용성을 분석하기 위해서는 모형시험 결과와 실제 시공 현장 결과가 함께 분석되어야 할 것이다.
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