[논문]새만금지역 준설토의 불포화 특성에 대한 실험적 연구

송영석; 유승경

doi:10.12814/jkgss.2011.10.3.025

새만금지역 준설토의 불포화 특성에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Unsaturated Characteristics of Dredging Soils at Saemangeum Area 원문보기

한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.10 no.3, 2011년, pp.25 - 32

송영석 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 유승경 (명지전문대학 토목과)

초록
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본 연구에서는 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 새만금지역에서 채취한 준설토의 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정결과를 토대로 Van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 동일한 유효포화도에서 건조과정의 모관흡수력은 습윤과정의 모관흡수력보다 크게 나타났다. Lu and Likos(2006)의 방법을 이용하여 모관흡수력에 따른 흡입응력을 산정하고, 흙-함수특성곡선(SWCC)의 불포화 관련계수를 토대로 흡입응력특성곡선(SSCC)을 예측하였다. 건조과정의 흡입응력은 유효포화도가 증가함에 따라 증가하다가 감소하지만 습윤과정의 흡입응력은 유효포화도가 증가함에 따라 지속적으로 감소한다. 또한 동일한 유효포화도에서 건조과정의 흡입응력은 습윤과정의 흡입응력보다 크게 나타났다. 한편 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 투수계수함수(HCF)를 예측하였다. 체적함수비가 증가함에 따라 불포화 투수계수는 증가하며, 동일한 모관흡수력에서 건조과정의 투수계수가 습윤과정의 투수계수보다 크게 나타났다. 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)의 산정결과에 의하면 건조 및 습윤과정에서 흡입응력 혹은 모관흡수력에 대한 이력현상이 발생되었다. 이러한 이력현상은 흙입자 사이의 간극수로 인한 잉크병 효과에 의한 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The matric suction and volumetric water content of dredging soils obtained from Saemangeum area were measured by the automated Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) apparatus under both drying and wetting conditions. Based on the test result, SWCCs of the dredging soils were estimated by the van Genuchten(1980) model. The matric suction of drying process is larger than that of wetting process at a same effective degree of saturation. The suction stresses for various matirc suctions were estimated using Lu and Likos(2006) model and the Suction Stress Characteristic Curves (SSCC) were predicted using the independent parameter of SWCC. The suction stress of drying path was increased and decreased, while the suction stress of wetting path was continuously decreased with increasing the effective degree. Also, the suction stress of drying path is larger than that of wetting path at a same effective degree of saturation. The Hydraulic Conductivity Function(HCF) was also predicted by the van Genuchten(1980) model. The hydraulic conductivity was increased with increasing the volumetric water content. The hydraulic conductivity of drying path is larger than that of wetting path at a same matric suction. According to the results of SWCCs and SSCCs, the hysteresis phenomenon of suction stress or matric suction during both drying and wetting paths was occurred. The main reason of hysteresis phenomenon is a ink bottle effect of water among soil particles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 새만금지역(새만금 방수제 동진 5공구 현장)에서 채취된 준설토의 불포화특성을 조사하기 위하여 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하고, 불포화 투수계수함수(HCF)를 예측하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토에 대한 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다.
본 연구에서는 새만금지역에서 채취한 준설토의 불포화특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토에 대한 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하였다.
본 연구의 목적은 새만금지역의 준설토로 시공된 각종 토목구조물(제방, 성토사면 등)에 대한 강우시 안정성 평가를 위하여 적용될 불포화토의 특성치를 산정하기 위한 것이다. 국내의 경우 주로 풍화토의 불포화 특성에 대한 연구가 주로 수행되어 왔으나 준설토에 대한 연구는 매우 미흡한 편이다.

제안 방법

본 연구에서는 새만금지역에서 채취한 준설토를 이용하여 시험을 수행하였다. ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 각 시료에 대한 최대 및 최소건조밀도를 측정하고 동일한 상대밀도 조건(D_r=75%)으로 시료를 성형하였다.
89cm)와 플라스틱 봉을 이용하여 3층 다짐을 실시하였다. 그리고 시료 상하부에 다공석을 두어 포화시 시료 내부에 물이 원활하게 흐를 수 있도록 하였다. 시료를 포화시키기 위하여 데시케이터와 진공펌프를 활용하였다.
Lu and Likos(2006)는 흡입응력을 모관흡수력과 유효포화도의 곱으로 정의하였다. 그리고 흡입응력은 모관흡수력 혹은 유효포화도와 특정한 상관관계를 갖게 되며, 이를 흡입응력특성곡선(Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)이라고 제안하였다. 흡입응력특성곡선은 불포화토의 응력상태를 평가하는 중요한 지표로 사용할 수 있으며, 함수량에 따른 지반의 강도를 예측 및 평가할 수 있다.
시료를 성형하기 위하여 플라스틱 몰드(직경 5.05cm, 높이 3.89cm)와 플라스틱 봉을 이용하여 3층 다짐을 실시하였다. 그리고 시료 상하부에 다공석을 두어 포화시 시료 내부에 물이 원활하게 흐를 수 있도록 하였다.
이를 위하여 먼저 투수시험을 통하여 준설토의 포화시 투수계수를 측정하였다. 이 값을 토대로 건조 및 습윤과정의 포화시 유효포화도를 투수 계수함수 산정식에 입력하여 계산하였다. 표에서 보는 바와 같이 건조과정에서의 포화투수계수는 습윤과정에서의 포화투수계수보다 크게 나타남을 알 수 있다.
본 연구에서는 새만금지역(새만금 방수제 동진 5공구 현장)에서 채취된 준설토의 불포화특성을 조사하기 위하여 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하고, 불포화 투수계수함수(HCF)를 예측하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토에 대한 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정한다.
표 3은 van Genuchten (1980)의 불포화토의 투수계수 함수 산정식을 이용하여 준설토의 건조 및 습윤과정의 포화투수계수를 나타낸 것이다. 이를 위하여 먼저 투수시험을 통하여 준설토의 포화시 투수계수를 측정하였다. 이 값을 토대로 건조 및 습윤과정의 포화시 유효포화도를 투수 계수함수 산정식에 입력하여 계산하였다.
이와 같이 성형된 시료는 포화를 시킨 후 자동 흙-함수 특성곡선 시험장치를 이용하여 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 그림 4는 새만금지역에서 채취한 준설토의 입도분포곡선을 나타낸 것이다.
자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토의 모관흡수력과 간극수량을 측정하였다. 즉, 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출하는 과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 과정을 재현하였다.
자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토의 모관흡수력과 간극수량을 측정하였다. 즉, 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출하는 과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 과정을 재현하였다. 이때 일정단계의 모관흡수력 수준에서 간극수 배출 및 유입이 수렴된 이후, 다음단계의 모관흡수력을 재하 혹은 제하하였다.

대상 데이터

그림 2는 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 본 시험장치는 압력조절장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울, 시료준비장치, 측정시스템 등으로 구성되어 있다. 그리고 공기의 압력은 0-300kPa범위까지 적용할 수 있으며, 축변환기법(Hilf, 1956)을 도입하였다.
이때 공기압은 흙시료의 모관흡수력으로 작용하게 되며, 흙시료가 가지는 일정한 공기함입치를 넘어서게 되면 흙시료 내부에 있는 간극수가 빠져나오기 시작한다. 본 실험에서는 모래의 경우 1 bar, 실트의 경우 3 bar의 공기침입값을 갖는 HAE 디스크를 이용하였다.
본 연구에서는 새만금지역에서 채취한 준설토를 이용하여 시험을 수행하였다. ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 각 시료에 대한 최대 및 최소건조밀도를 측정하고 동일한 상대밀도 조건(D_r=75%)으로 시료를 성형하였다.

이론/모형

측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하였다. 그리고 van Genuchten (1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 예측하였다. 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
그림에서 보는 바와 같이 본 시험장치는 압력조절장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울, 시료준비장치, 측정시스템 등으로 구성되어 있다. 그리고 공기의 압력은 0-300kPa범위까지 적용할 수 있으며, 축변환기법(Hilf, 1956)을 도입하였다.
Lu and Likos(2004, 2006)에 의하면 모관흡수력은 간극내 물과 공기의 접촉면에서 발생하므로 독립적인 응력변수로 정의할 수 없으므로, Bishop(1959)의 유효응력 접근법이 합리적이라고 하였다. 그리고 식 (2)에서 보는 바와 같이 Bishop(1959)의 이론을 토대로 불포화 전단강도에 흡입응력(suction stress) 개념을 도입하고, Mohr-Coulomb 파괴규준으로 확장하였다. 식 (3)에서 σ^s는 흡입응력으로서 입자상호간에 발생하는 물리화학적 응력, 표면장력에 의한 모관응력, 흙구조에 따른 응력을 고려하였다.
본 연구에서는 새만금지역에서 채취한 준설토의 흙-함수특성곡선을 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 활용하였다(송영석 등, 2010). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선을 산정할 수 있다.
본 연구에서는 준설토의 흙-함수특성곡선을 예측하기 위한 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흡입응력 특성곡선의 상관식을 유도하였다. van Genuchten(1980) 은 유효포화도와 모관흡수력의 관계를 식 (1)과 같이 제안하였으며, 이를 식 (3)에 대입하여 정리하면 식 (4)과 같이 유효포화도 혹은 유효체적함수비에 따른 흡입응력 산정식을 구할 수 있다(Lu et al.
본 연구에서는 새만금지역에서 채취한 준설토의 불포화특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토에 대한 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하였다. 그리고 van Genuchten (1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 예측하였다.
측정된 모관흡수력과 간극수량을 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선을 예측하였다. van Genuchten(1980)은 Mualem(1976)의 제안식을 토대로 유효포화도(S_e )와 압력수두(h)의 상관관계를 이용하여 흙-함수특성곡선을 예측하였다.
이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 이용하여 준설토에 대한 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정한다. 흙-함수특성곡선(SWCC)으로부터 구한 불포화 관련계수를 이용하여 Lu and Likos(2006)의 방법으로 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하고, van Genuchten(1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 산정하고자 한다.
측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정한다. 흙-함수특성곡선(SWCC)으로부터 구한 불포화 관련계수를 이용하여 Lu and Likos(2006)의 방법으로 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하고, van Genuchten(1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 산정하고자 한다.

성능/효과

(1) 새만금지역(새만금 방수제 동진 5공구 현장)에서 채취된 준설토의 공기함입치는 8.50kPa이며, 포화체적함수비(θs)는 0.47이고, 잔류체적함수비(θr)는 0.06이다.
(2) 건조과정의 흡입응력은 유효포화도가 증가함에 따라 증가하다가 감소하지만 습윤과정의 흡입응력은 유효포화도가 증가함에 따라 지속적으로 감소한다. 따라서 유효포화도가 증가함에 따라 대체적으로 흡입응력은 감소하며 유효응력도 지속적으로 감소하게 됨을 알 수 있다.
(3) 준설토의 경우 동일한 유효포화도에서 모관흡수력은 흡입응력보다 크고, 유효포화도가 커질수록 흡입응력과 모관흡수력의 차이는 점차 감소하며 포화에 가까워 질 경우 동일한 값을 갖는다.
(4) 준설토의 불포화 투수계수는 동일한 모관흡수력 조건에서 건조과정의 경우가 습윤과정의 경우보다 크게 발생되며, 모관흡수력이 증가함에 따라 투수계수는 감소한다. 그리고 체적함수비가 증가함에 따라 불포화 투수계수는 증가하는 경향을 보인다.
(5) 건조 및 습윤과정에서 유효포화도에 따라 서로 다른 모관흡수력 혹은 흡입응력을 나타내는 이력현상이 발생됨을 알 수 있다. 모관흡수력 혹은 흡입응력의 이력현상은 흙의 구조적 특징으로 인한 잉크병 효과에 의한 것이다.
그리고 유효 포화도가 약 10%이하에서는 건조과정의 흡입응력은 감소하는 경향을 보이나, 습윤과정의 흡입응력은 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 유효포화도가 커질수록 흡입응력과 흡입응력과 모관흡수력의 차이는 점차 감소하며, 포화에 가까워 질 경우 동일한 값을 갖는 것으로 나타났다.
동일한 유효포화도에서 모관흡수력은 흡입응력보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났으며, 유효포화도가 작을수록 그 차이는 점차 증가함을 알 수 있다. 그리고 유효 포화도가 약 10%이하에서는 건조과정의 흡입응력은 감소하는 경향을 보이나, 습윤과정의 흡입응력은 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 유효포화도가 커질수록 흡입응력과 흡입응력과 모관흡수력의 차이는 점차 감소하며, 포화에 가까워 질 경우 동일한 값을 갖는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이 낮은 유효포화도에서의 흡입응력은 건조 및 습윤과정에서 다른 경향을 보이는 것으로 나타났다. 낮은 유효포화도에서 흡입응력은 건조과정의 경우 증가하다가 감소하지만 습윤과정의 경우 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 이후 유효포화도가 증가함에 따라 흡입응력은 지속적으로 감소하다가 약 90%이후 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이 흙함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)은 유사한 형태를 보이고 있다. 동일한 유효포화도에서 모관흡수력은 흡입응력보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났으며, 유효포화도가 작을수록 그 차이는 점차 증가함을 알 수 있다. 그리고 유효 포화도가 약 10%이하에서는 건조과정의 흡입응력은 감소하는 경향을 보이나, 습윤과정의 흡입응력은 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다.
저울은 컴퓨터와 연결되어있으며 가해진 공기압과 측정된 간극수의 무게는 SWRC(Soil Water Retention Curve) 프로그램을 통해 실시간으로 확인 및 저장이 가능하다. 본 프로그램을 통하여 실시간으로 간극수의 유출입을 그림을 통하여 보여줌으로써 다음 단계의 공기압을 가하는 시점을 정확하게 알 수 있다. 그리고 일정 공기압에서 간극수의 유출입이 수렴되는 과정을 실시간으로 확인할 수 있으며, 약 2시간 정도 간극수의 유출입이 없을 경우 다음 단계의 공기압을 재하 및 제하하였다.
낮은 유효포화도에서 흡입응력은 건조과정의 경우 증가하다가 감소하지만 습윤과정의 경우 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 이후 유효포화도가 증가함에 따라 흡입응력은 지속적으로 감소하다가 약 90%이후 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 건조 및 습윤과정을 거치는 동안 동일한 체적 함수비에서 다른 흡입응력을 나타내는 이력현상(hysteresis)이 발생되었다.
그리고 모관흡수력에 따른 흡입응력은 건조 및 습윤과정에서 다른 경향을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 건조과정의 경우 모관흡수력이 60kPa일 때 까지 흡입응력은 증가하다가 이후 미소하게 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 습윤과정의 경우 모관흡수력이 증가함에 따라 흡입응력은지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불포화토란 무엇인가?	불포화토는 건조토(dry soil)와 포화토(saturated soil)의 중간영역으로서 부분적으로 포화된 흙(partially saturated soil)으로 표현하기도 한다. 이러한 불포화토는 고전적인 포화토의 이론으로는 설명할 수 없는 다른 거동특성을 보인다.
	불포화토의 특성을 규명하기 위한 가장 기본적인 요소 중의 하나는 무엇을 산정하는 것인가?	불포화토의 특성을 규명하기 위한 가장 기본적인 요소 중의 하나가 흙함수특성곡선(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC)을 산정하는 것이다. 흙-함수특성곡선은 모관흡수력과 포화도 혹은 체적함수비 사이의 관계로 정의할 수 있다.
	불포화토의 강도 정수 산정, 불포화지반의 해석기법 개발 등에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있는 이유는 무엇인가?	최근 들어 지반공학 분야에 있어 불포화토에 대한 관심이 증가하고 있으며, 불포화토의 강도정수 산정, 불포화지반의 해석기법 개발 등에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. 왜냐하면 고전적인 포화토의 이론으로 실제 불포화 상태로 존재하는 지반의 거동을 합리적으로 해석 및 예측하기 어려우며, 이로 인하여 많은 문제점이 발생하였기 때문이다(Fredlund and Rahardjo, 1993; Lu and Likos, 2004).

참고문헌 (17)

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상세보기
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송영석, 이남우, 황웅기, 김태형 (2010), "자동 흙-함수특성곡선 시험장치 구축 및 활용", 지질공학, 제20권, 제3호, pp.281-295.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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