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문제 정의
- 또한, 연직배수재의 정확한 통수능 시방 기준 도출을 위해서는 KS 표준시험법에서 적용하게 되어있는 동수경사, 적용압력 크기, 압력유지기간 등이 영향인자가 연직배수재의 통수능 결과에 어떻게 영향을 미치는지 등에 대한 세밀한 고찰이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 연직배수재의 통수능시험 결과에 미치는 대표적인 영향인자 중 동수경사가 연직배수재 통수능 시험 결과에 미치는 영향을 중점적으로 분석하였다.
제안 방법
- 표 3은 본 연구에서 사용한두 종류의 플라스틱 배수재에 대한 통수능 시험조건을 나타낸 것이다. No.1 플라스틱 배수재에 대해서는 300kPa의 구속압을 28일 동안 지속하였으며, 시험 시작 직후부터 1주일 단위로 0.1, 0.3, 0.5, 1.0의 4가지 동수경사 조건에 대해 통수능을 측정하였다. 또한, No.
- Oosteveen는 50, 150, 250 그리고 350kPa의 총 4가지 구속압 조건에서 각 7일 동안 총 28일 동안 연직배수재의 통수능을 시험하도록 제안하였다. 난양대학교(Broms, 1994) 에서는 Oostveen과 동일한 구속압 조건을 제안하였지만, 각 구속압 유지 시간을 1시간으로 하고 층류를 유지하기 위해 동수경사 0.
- 그러나, 실제 연직배수재를 사용하는 경우에는 외부의 구속압으로 인해 필터의 변형이 발생하게 되며 변형된 필터가 코어의 유로 내부로 밀려들어오기 때문에 유로의 정확한 단면적을 평가할 수가 없다. 따라서, 이를 이론적으로 분석하기 위해 그림 4와 같이 요철형의 유로를 가지며 유로 외곽부분은 단단한 금속 재질로 만들어져 외부 하중의 크기와 상관없이 일정한 단면을 유지할 수 있는 요철형 코어를 가지는 시험용 표준 금속판을 제작하였다. 요철형 표준 금속판은 유로의 깊이에 따라 총 4가지 종류 (A, B, C, D)를 제작하였으며, 제작한 금속판의 제원은 표 2와 같다.
- 0의 4가지 동수경사 조건에 대해 통수능을 측정하였다. 또한, No.2 플라스틱 배수재는 500kPa의 구속압 조건에서 시험하였으며, 측정주기와 가압지속시간은 No.1 플라스틱 배수재와 동일한 시험조건으로 수행하였다.
- 앞서 연직배수재의 단면을 이상적으로 모사한 표준 금속판으로 통수능 시험을 수행한 결과를 바탕으로 실제 연직배수재를 이용하여 동수경사에 따른 연직배수재의 통수능 결과를 비교 분석하였다. 표 3은 본 연구에서 사용한두 종류의 플라스틱 배수재에 대한 통수능 시험조건을 나타낸 것이다.
- 그림 2는 ASTM D4716(2004) 시험시 동수경사가 시험 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해 모래 대체 재료로 사용하는 수평 천연섬유배수재에 대한 시험 결과를 나타낸 것이다. 이 시험에서는 폭 9cm, 길이 20cm, 두께 1cm의 코이어(coir) 매트 1겹과 매트 상부와 하부에 황마필터를 위치시켜 시험편을 제작하였으며, 이 시험편에 대해 각각 50kPa, 150kPa, 300kPa의 압력을 가한 상태에서 동수경사(i)를 각각 0.1, 0.5, 1.0으로 변화시켜 시험을 수행하였다. 그림 2(a)는 ASTM D4716(2004)을 이용하여 얻은 수평 천연섬유배수재의 수리 투과율을 나타낸 것이며, 그림 2(b)는 동일 시험편에 대한 시험결과를 단위면적당 투수 계수로 환산하여 나타낸 것이다.
- 1 플라스틱배수재 1종에 대해 300kPa 구속압 상태에서 통수능 시험 결과를 나타낸 것이다. 플라스틱 배수재의 통수능 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 동일한 조건으로 3회 시험을 수행하였다. 그림 10에서 나타낸 3회의 시험 결과에서 보면, 시간과 동수경사에 따라 통수능 결과가 매우 다르게 나타나는 현상을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 따라서, 이를 이론적으로 분석하기 위해 그림 4와 같이 요철형의 유로를 가지며 유로 외곽부분은 단단한 금속 재질로 만들어져 외부 하중의 크기와 상관없이 일정한 단면을 유지할 수 있는 요철형 코어를 가지는 시험용 표준 금속판을 제작하였다. 요철형 표준 금속판은 유로의 깊이에 따라 총 4가지 종류 (A, B, C, D)를 제작하였으며, 제작한 금속판의 제원은 표 2와 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 동수경사의 변화가 연직배수재의 통수능에 미치는 영향을 분석하기 위해 KS K 0940(2008)에 제시된 방법으로 시험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- (1) 연직배수재 내부의 유로 내의 흐름 상태를 평가하기 위해 연직배수재의 단면을 이상화 한 표준 금속판을 이용하여 통수능 시험을 수행한 결과, 동수경사가 증가함에 따라 통수능은 감소하는 양상을 나타내었다. 또한, 층류상태로 판정된 영역 내에서도 동수경사가 작을수록 통수능이 증가하는 양상을 나타내었으며, 약 32～45%정도의 상대적인 차이를 나타내고 있음을 확인하였다.
- (2) 플라스틱 재질의 연직배수재를 이용하여 통수능 시험을 수행한 결과, 표준 금속판을 이용한 경우와 동일하게 동수경사가 증가함에 따라 통수능이 감소하는 경향을 나타내었다. 유럽표준위원회(CEN)의 기술위원회(TC288)에서 제안하고 있는 동수경사 0.
- 이와 같은 현상은 시험초기에 높은 구속압이 가해지는 경우 필터가 유로 내부로 밀고 들어오기 때문에, 낮은 동수경사를 이용해서는 충분한 통수 단면을 확보하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다. 그러나, 구속압을 가한 후 7일이 경과된 시점에서는 동수경사가 0.3, 0.5, 1.0일 때 평균 통수능은 각각 75, 77, 74cm3/sec로 거의 일정한 값을 나타내고 있으며, 동수경사가 0.1인 경우에는 통수능이 92cm3/sec 정도의 값을 나타내, 동수경사가 큰 경우에 비해 약 20～25%정도 더 큰 통수능 값이 산출되었다. 이는 시간이 경과할수록 초기 구속압 조건과는 달리 연직배수재 내부의 유체 흐름에 대한 충분한 통수 단면이 확보된 것으로 판단된다.
- 1days) 에는 동수경사가 증가할수록 통수능이 증가하는 양상을 나타냈다. 그러나, 일주일이 경과된 이후에는 동수경사가 증가할수록 통수능이 감소하는 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상은 시험초기에 높은 구속압이 가해지는 경우 필터가 유로 내부로 밀고 들어오기 때문에, 낮은 동수경사를 이용해서는 충분한 통수 단면을 확보하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다.
- 이는 시간이 경과할수록 초기 구속압 조건과는 달리 연직배수재 내부의 유체 흐름에 대한 충분한 통수 단면이 확보된 것으로 판단된다. 동수경사가 작을수록 통수능이 커지는 양상은 시간이 경과되어도 동일하게 유지되며, 동수경사가 0.1인 경우 28일 경과시에 측정한 통수능은 동수경사가 큰 경우에 비해 약 24～37%정도 큰 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 동일한 동수경사 상태에서 시간 경과에 따라 통수능이 감소하는데, 7일 경과 후 측정한 통수능과 21일 또는 28일 경과된 후 측정한 통수능을 비교한 결과, 구속압을 오래 가할수록 동수경사의 크기에 따라 약 9～19%의 낮은 통수능이 측정이 되었다.
- 특히 그림 8에서 보면 유로깊이가 1mm인 경우에는 통수능은 15～20cm3/sec정도로 동수경사 변화에 큰 변화를 보이지 않지만, 유로깊이가 증가할수록, 동수경사는 작아질수록 통수능은 커지는 경향을 뚜렷하게 발견할 수 있다. 동수경사를 0.1～1.5로 변화하여 시험을 수행했을 때, 유로깊이가 1.5mm인 경우, 통수능은 41～65cm3/sec정도로 최소 값 대비 최대 값의 차이는 58%정도로 나타났으며, 유로깊이가 2.0mm인 경우에는 통수능은 58～111cm3/sec정도로 최대 통수능과 최소 통수능의 차이는 91%정도 나타났다. 또한, 유로깊이가 2.
- 1인 경우 28일 경과시에 측정한 통수능은 동수경사가 큰 경우에 비해 약 24～37%정도 큰 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 동일한 동수경사 상태에서 시간 경과에 따라 통수능이 감소하는데, 7일 경과 후 측정한 통수능과 21일 또는 28일 경과된 후 측정한 통수능을 비교한 결과, 구속압을 오래 가할수록 동수경사의 크기에 따라 약 9～19%의 낮은 통수능이 측정이 되었다. 다만, 그림 10에서 보면 21일 경과시 측정한 통수능이 28일 경과시의 통수능보다 작게 평가되었는데, 이에 대한 정확한 원인을 알 수 없으며 28일 이상의 장기 통수능 평가를 통한 원인 분석이 추가로 필요할 것으로 판단된다.
- 5일 때에 비해 약 41%정도 큰 값을 나타내고 있으며, 그림 10에서 나타낸 결과와 같이 시간이 경과할수록 동수경사에 따른 통수능의 상대적인 차이는 지속적으로 증가하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 구속압을 500kPa로 가한 경우, 동일 동수경사 상태에서 시험지속시간이 길어질수록 통수능이 감소하는 형태를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- (1) 연직배수재 내부의 유로 내의 흐름 상태를 평가하기 위해 연직배수재의 단면을 이상화 한 표준 금속판을 이용하여 통수능 시험을 수행한 결과, 동수경사가 증가함에 따라 통수능은 감소하는 양상을 나타내었다. 또한, 층류상태로 판정된 영역 내에서도 동수경사가 작을수록 통수능이 증가하는 양상을 나타내었으며, 약 32～45%정도의 상대적인 차이를 나타내고 있음을 확인하였다.
- 1days)에 측정한 통수능은 동수경사가 증가할수록 증가하는 양상을 확인할 수 있으며, 시간 경과에 따라 동수경사가 증가할수록 통수능이 감소하는 경향 역시, 앞서 그림 10과 동일한 것으로 확인되었다. 시험 시작 후 7일 경과시에 평균 통수능 값을 비교하면, 동수경사가 0.1일 때의 통수능은 동수경사가 0.5일 때에 비해 약 37%정도 큰 것으로 나타났다 28일 경과시에도 평균 통수능은 동수경사가 0.1일 때, 동수경사가 0.5일 때에 비해 약 41%정도 큰 값을 나타내고 있으며, 그림 10에서 나타낸 결과와 같이 시간이 경과할수록 동수경사에 따른 통수능의 상대적인 차이는 지속적으로 증가하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 구속압을 500kPa로 가한 경우, 동일 동수경사 상태에서 시험지속시간이 길어질수록 통수능이 감소하는 형태를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 그림 9(c)는 Sample C의 동수경사 변화에 대한 통수능과 레이놀즈수를 나타낸 것이다. 여기에서는 동수경사가 0.6이하일 때 금속판 내부의 유체가 층류 상태를 유지하는 것으로 나타났으며, 이 경우에도 역시 층류상태에서 측정된 통수능 간에 최대 32%의 차이를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 그림 9(d)는 Sample D 에 대한 시험 결과로서 금속판 내부 유체가 동수경사가 0.
- 그림 10에서 나타낸 3회의 시험 결과에서 보면, 시간과 동수경사에 따라 통수능 결과가 매우 다르게 나타나는 현상을 확인할 수 있다. 우선 모든 시험 결과에서 시험이 시작된 직 후(t=0.1days) 에는 동수경사가 증가할수록 통수능이 증가하는 양상을 나타냈다. 그러나, 일주일이 경과된 이후에는 동수경사가 증가할수록 통수능이 감소하는 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림 2(a)는 ASTM D4716(2004)을 이용하여 얻은 수평 천연섬유배수재의 수리 투과율을 나타낸 것이며, 그림 2(b)는 동일 시험편에 대한 시험결과를 단위면적당 투수 계수로 환산하여 나타낸 것이다. 이 결과에서 보면 동수 경사가 증가하면 유량은 증가하나, 수리투과율이나 투수 계수를 산정하면 동수경사 증가에 따라 수리투과율이나 투수계수는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 특히 낮은 구속압 상태에서 동수경사에 따른 수리투과율이나 투수 계수의 차이가 더 크게 나타나고 있어, ASTM D4716(2004) 방법을 이용하는 토목섬유의 투수성을 평가하기 위해서는 적정한 동수경사를 정하여 시험 결과를 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- (3) 시험지속기간이 길어질수록 통수능은 감소하는 것으로 나타났으며, 장기간 구속압을 가한 통수능 시험 결과를 바탕으로 시험지속기간에 따른 연직배수 재의 통수능 시험 결과의 적정성을 파악하여 국내 표준시험방법을 보완하는 것이 필요할 것으로 판단 된다.
- 또한 동일한 동수경사 상태에서 시간 경과에 따라 통수능이 감소하는데, 7일 경과 후 측정한 통수능과 21일 또는 28일 경과된 후 측정한 통수능을 비교한 결과, 구속압을 오래 가할수록 동수경사의 크기에 따라 약 9～19%의 낮은 통수능이 측정이 되었다. 다만, 그림 10에서 보면 21일 경과시 측정한 통수능이 28일 경과시의 통수능보다 작게 평가되었는데, 이에 대한 정확한 원인을 알 수 없으며 28일 이상의 장기 통수능 평가를 통한 원인 분석이 추가로 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 현재 KS K 0940(2008)에 제안된 동수경사를 사용하여 통수능 시험을 수행하는 경우, 실제 현장에서 발휘되는 연직배수재의 통수능을 과소평가하게 되는 결과를 낳을 것으로 판단된다. 또한, 시험지속시간이 길어질수록 연직배수재의 통수능이 감소하고 있는 경향을 확인할 수 있었는데, 시험시간을 무한정 지속할 수 없기 때문에 연직 배수재의 통수능 평가방법의 표준화를 위해서는 고정 시험지속시간에 대한 내용을 통수능 시험방법 표준에 반영할 필요가 있다고 판단된다.
- 5를 기준으로 평가한 통수능에 비해 20～41%정도큰 것으로 평가되었다. 실제 현장에서 발생하는 동수경사는 일반적으로 0.5보다 작기 때문에 현장의 성토재하조건을 면밀하게 검토한 후 적합한 동수경사를 선정해 연직배수재 통수능 시험을 수행하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 이 결과에서 보면 동수 경사가 증가하면 유량은 증가하나, 수리투과율이나 투수 계수를 산정하면 동수경사 증가에 따라 수리투과율이나 투수계수는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 특히 낮은 구속압 상태에서 동수경사에 따른 수리투과율이나 투수 계수의 차이가 더 크게 나타나고 있어, ASTM D4716(2004) 방법을 이용하는 토목섬유의 투수성을 평가하기 위해서는 적정한 동수경사를 정하여 시험 결과를 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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