본 연구에서는 토립자의 입경과 입도분포가 불포화토의 흙-수분특성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 이를 위해 축이동기법이 적용된 시험장치를 이용하여 현장에서 채취한 새만금실트에 대해 함수특성시험을 실시하였다. 비교를 위해 주문진 표준사에 대해서도 시험을 실시하였다. 시험으로부터 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten 모델에 대한 흙-함수특성곡선을 추정하였다. 추정된 함수특성곡선의 비교분석결과 포화체적함수비, 잔류체적함수비 그리고 공기함입치 모두 모래보다 실트에서 더 높게 나타났으며, van Genuchten 모델의 계수 ${\alpha}$, $n$, $m$ 모두 실트보다 모래에서 더 크게 나타났다. 이는 불포화토의 흙-함수특성곡선은 흙의 구조적 특성(간극크기, 형태, 분포)과 밀접한 관계를 가지며 상대적으로 입경이 크고 입도분포가 불량한(다시 말해, 간극크기가 크고 간극분포가 균등한) 조립토일수록 포화체적함수비, 잔류체적함수비, 그리고 공기함입치가 작고, 모관흡수력 변화에 따른 체적함수비의 변화율이 크며, 따라서 전이 영역의 범위가 좁게 나타나는 경향이 있다는 것을 보여준다.
본 연구에서는 토립자의 입경과 입도분포가 불포화토의 흙-수분특성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 이를 위해 축이동기법이 적용된 시험장치를 이용하여 현장에서 채취한 새만금실트에 대해 함수특성시험을 실시하였다. 비교를 위해 주문진 표준사에 대해서도 시험을 실시하였다. 시험으로부터 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten 모델에 대한 흙-함수특성곡선을 추정하였다. 추정된 함수특성곡선의 비교분석결과 포화체적함수비, 잔류체적함수비 그리고 공기함입치 모두 모래보다 실트에서 더 높게 나타났으며, van Genuchten 모델의 계수 ${\alpha}$, $n$, $m$ 모두 실트보다 모래에서 더 크게 나타났다. 이는 불포화토의 흙-함수특성곡선은 흙의 구조적 특성(간극크기, 형태, 분포)과 밀접한 관계를 가지며 상대적으로 입경이 크고 입도분포가 불량한(다시 말해, 간극크기가 크고 간극분포가 균등한) 조립토일수록 포화체적함수비, 잔류체적함수비, 그리고 공기함입치가 작고, 모관흡수력 변화에 따른 체적함수비의 변화율이 크며, 따라서 전이 영역의 범위가 좁게 나타나는 경향이 있다는 것을 보여준다.
The purpose of this study is to determine the effect of soil grain size and its distribution on soil-water characteristic. To do this, soil-water characteristic tests were conducted on Saemangeum silt using the axis translation technique. For comparison, the test was also conducted on Jumunjin sand....
The purpose of this study is to determine the effect of soil grain size and its distribution on soil-water characteristic. To do this, soil-water characteristic tests were conducted on Saemangeum silt using the axis translation technique. For comparison, the test was also conducted on Jumunjin sand. Using the test results, the soil-water characteristic curves (SWCCs) of Saemangeum silt and Jumunjin sand were predicted by Van Genuchten model. By comparison and analysis between two SWCCs, the silt shows higher values of matric suction, water content, and air entry value than the sand. On the other hand, the sand has higher values of Van Genuchten model parameters of ${\alpha}$, $n$, $m$ than the silt. It indicates that the SWCC is significantly dependent on the structure of soils. In other words, if a soil has relatively high grain size and poor grain size distribution curve, the values of saturated volumetric water content, residual volumetric water content, and air entry value are small, and the variation of volumetric water content is high in accordance with the matric suction variation, and consequently it shows a narrow range of funicular region.
The purpose of this study is to determine the effect of soil grain size and its distribution on soil-water characteristic. To do this, soil-water characteristic tests were conducted on Saemangeum silt using the axis translation technique. For comparison, the test was also conducted on Jumunjin sand. Using the test results, the soil-water characteristic curves (SWCCs) of Saemangeum silt and Jumunjin sand were predicted by Van Genuchten model. By comparison and analysis between two SWCCs, the silt shows higher values of matric suction, water content, and air entry value than the sand. On the other hand, the sand has higher values of Van Genuchten model parameters of ${\alpha}$, $n$, $m$ than the silt. It indicates that the SWCC is significantly dependent on the structure of soils. In other words, if a soil has relatively high grain size and poor grain size distribution curve, the values of saturated volumetric water content, residual volumetric water content, and air entry value are small, and the variation of volumetric water content is high in accordance with the matric suction variation, and consequently it shows a narrow range of funicular region.
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문제 정의
즉, 각 모관흡수력에서 흙이 보유할 수 있는 함수량은 주로 그 흙의 구성성분, 토립자의 입경, 간극 크기(또는 간극경(pore size))와 간극크기분포(pore size distribution)에 따라 좌우되므로 흙-함수특성곡선은 입도에 따른 흙 구조의 영향을 크게 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 입도분포가 다른 두 종류의 흙에 대한 모관흡수력과 체적함수비 사이의 거동 관계를 살펴보기 위하여 실내에서 실험용으로 많이 사용되는 주문진 표준사와 새만금지역에서 현장에서 채취한 실트에 대하여 각각 함수특성시험을 수행하였다. 시험은 최근에 한국지질자원연구원(송영석 등, 2010)에 구축된 축이동기법(axis translation technique)을 이용한 반자동화된 장치를 이용하였다.
본 연구에서는 입도분포가 다른 흙에 대하여 모관흡수력과 체적함수비 사이의 거동 관계를 살펴보기 위하여 주문진 표준사와 새만금지역에서 현장에서 채취한 실트에 대하여 각각 함수특성시험을 축이동기법이 적용된 시험장치를 이용하여 수행하였다. 함수특성시험으로부터 얻어진 시험결과로부터 van Genutchen(1980) 모델을 이용해 흙-함수특성곡선을 추정하고 이를 비교분석함으로써 토립자의 입도분포와 흙-함수특성곡선 사이의 특징을 살펴보고자 하였다.
시험은 최근에 한국지질자원연구원(송영석 등, 2010)에 구축된 축이동기법(axis translation technique)을 이용한 반자동화된 장치를 이용하였다. 함수특성시험으로부터 얻어진 모관흡수력과 체적함수비로부터 흙-함수특성곡선을 추정하고 비교분석함으로써 토립자의 입도분포와 흙-함수특성곡선 사이의 특징을 살펴보고자 한다.
제안 방법
(1) 동일한 상대밀도(Dr=75%)의 주문진 표준사와 새만금 실트를 대상으로 함수특성시험을 수행하였다. 그 결과 새만금 실트는 주문진 표준사에 비해 단계별 모관흡수력에 따른 간극수 유출량 변화가 완만하고 평형상태에 이르기까지 상대적으로 많은 시간이 소요됨을 알 수 있었다.
최근 송영석 등(2010)은 축이동기법(axis translation technique)을 이용한 반자동화된 흙-함수특성곡선 측정장치를 구축하였는데 기존의 방법에 비해 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하도록 고안되어 보다 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선을 추정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 함수특성시험을 위해 한국지질자원연구원에 구축된 자동 흙-함수특성 곡선 측정장치를 활용하였다.
시험 장치는 크게 압력조절장치(pressure panel), 물저장소(water reservoir), 플로우셀(flow cell), 공기방울트랩(air bubble trap), 저울(balance), 시료준비장치(sample preparation accessories), 자동화 측정프로그램(SWRC program) 등으로 구성되어 있다(그림 3). 그림 4는 본 측정장치의 계통도를 나타낸 것으로서 측정장치의 측정 원리를 개략적으로 나타낸다.
본 연구에서는 주문진 표준사외 현장토인 새만금 실트가 시료로 사용되었다. 우선 시험재료의 비교를 위해 ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험법에 의거하여 각 시료의 최대 및 최소건조단위중량을 측정하고 동일한 상대밀도 조건(Dr=75%)으로 흙-함수특성시험을 실시하였다. 그림 5는 주문진 표준사와 새만금 실트에 대한 입도분포곡선을 나타내고, 표 1은 주문진 표준사와 새만금 실트에 대한 기본적인 물리적 특성을 나타낸다.
본 연구에서는 입도분포가 다른 흙에 대하여 모관흡수력과 체적함수비 사이의 거동 관계를 살펴보기 위하여 주문진 표준사와 새만금지역에서 현장에서 채취한 실트에 대하여 각각 함수특성시험을 축이동기법이 적용된 시험장치를 이용하여 수행하였다. 함수특성시험으로부터 얻어진 시험결과로부터 van Genutchen(1980) 모델을 이용해 흙-함수특성곡선을 추정하고 이를 비교분석함으로써 토립자의 입도분포와 흙-함수특성곡선 사이의 특징을 살펴보고자 하였다. 본 연구로부터 도출된 결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
본 연구에서는 주문진 표준사외 현장토인 새만금 실트가 시료로 사용되었다. 우선 시험재료의 비교를 위해 ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험법에 의거하여 각 시료의 최대 및 최소건조단위중량을 측정하고 동일한 상대밀도 조건(Dr=75%)으로 흙-함수특성시험을 실시하였다.
데이터처리
그리고 α, n 그리고 m은 식 (2a), (2b) 그리고 (2c)를 통하여 각각 구할 수 있다(van Genuchten, 1980). 본 연구에서는 맞춤계수를 최소제곱 회귀분석을 통하여 추정하였다.
이론/모형
그 중에서도 지반공학 분야에서는 Brooks and Corey(1964), van Genuchten(1980), Fredlund and Xing(1994)이 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 함수특성시험으로부터 측정된 결과를 이용하여 흙-함수특성곡선을 추정하기 위하여 van Genuchten(1980) 모델을 이용하였다. 그 이유는 최소한의 계수를 이용하여 넓은 범위에 대한 연속적인 흙-함수특성곡선의 표현이 가능하기 때문이다.
본 연구에서는 입도분포가 다른 두 종류의 흙에 대한 모관흡수력과 체적함수비 사이의 거동 관계를 살펴보기 위하여 실내에서 실험용으로 많이 사용되는 주문진 표준사와 새만금지역에서 현장에서 채취한 실트에 대하여 각각 함수특성시험을 수행하였다. 시험은 최근에 한국지질자원연구원(송영석 등, 2010)에 구축된 축이동기법(axis translation technique)을 이용한 반자동화된 장치를 이용하였다. 함수특성시험으로부터 얻어진 모관흡수력과 체적함수비로부터 흙-함수특성곡선을 추정하고 비교분석함으로써 토립자의 입도분포와 흙-함수특성곡선 사이의 특징을 살펴보고자 한다.
성능/효과
(2) 함수특성시험 결과를 토대로 최소제곱회귀분석을 통하여 van Genuchten(1980) 모델에 의한 흙-함수특성곡선을 추정한 결과 포화체적함수비, 잔류체적함수비 그리고 공기함입치에서 모두 큰 값을 나타내었다. 포화체적함수비가 모래에서 보다 새만금 실트에서 더 크게 나타난 것은 실트가 모래보다 더 큰 간극률을 가지고 있기 때문이고, 실트에서의 잔류 체적함수비가 모래보다 큰 것은 높은 모관흡수력에서 지배적으로 작용하는 표면력이 실트가 모래보다 크기 때문으로 판단되며, 공기함입치가 실트에서 더 큰 이유는 간극크기가 모래에서의 간극크기보다 작아 초기 낮은 모관흡수력에서 실트가 모래보다 더 큰 모관력을 나타내기 때문으로 판단된다.
(3) 정규화된 흙-함수특성곡선에서 동일한 모관흡수력에 해당하는 두 시료의 유효포화도는 새만금 실트가 주문진 표준사보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 전이(funicular)영역에서 새만금 실트의 경우 동일한 모관흡수력 증가에 따른 유효포화도의 변화율이 모래에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
(4) 즉, 불포화토의 흙-함수특성곡선은 흙의 구조적 특성(간극크기, 형태, 분포)과 밀접한 관계를 가지며 상대적으로 입경이 크고 입도분포가 불량한(다시 말해, 간극크기가 크고 간극분포가 균등한) 조립토일수록 포화체적함수비, 잔류체적함수비, 그리고 공기함입치가 작고, 모관흡수력 변화에 따른 체적함 수비의 변화율이 크며, 따라서 전이 영역의 범위가 좁게 나타나는 경향이 있는 것으로 판단할 수 있다.
044이다. 결과를 비교해 보면 공기함입치는 실트가 모래보다 약 4배정도 큰 것으로 나타났다.
(1) 동일한 상대밀도(Dr=75%)의 주문진 표준사와 새만금 실트를 대상으로 함수특성시험을 수행하였다. 그 결과 새만금 실트는 주문진 표준사에 비해 단계별 모관흡수력에 따른 간극수 유출량 변화가 완만하고 평형상태에 이르기까지 상대적으로 많은 시간이 소요됨을 알 수 있었다. 그 이유는 새만금 실트가 모래보다 상대적으로 작은 간극크기를 지니고 있어 상대적으로 작은 투수계수를 가지고 있기 때문으로 판단된다.
그림 9(b)에서 동일한 모관흡수력에서 흙이 보유하는 유효포화도는 새만금 실트가 주문진 표준사보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 새만금 실트의 경우 동일한 모관 흡수력 증가에 따른 체적함수비의 변화율이 모래에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 이는 실트의 간극 크기가 모래의 간극크기보다 작고 입도분포 또한 실트가 모래보다 양호함으로써 실트의 모관력이 모래보다 더 크기 때문으로 판단되고, 모래의 경우 균등한 입도분포로 인해 좁은 모관흡수력 범위에서 유효포화도가 급격히 감소하는 것으로 판단된다.
(3) 정규화된 흙-함수특성곡선에서 동일한 모관흡수력에 해당하는 두 시료의 유효포화도는 새만금 실트가 주문진 표준사보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 전이(funicular)영역에서 새만금 실트의 경우 동일한 모관흡수력 증가에 따른 유효포화도의 변화율이 모래에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 이는 실트의 간극크기가 모래의 간극크기보다 작고 입도 분포 또한 실트가 모래보다 양호함으로써 실트의 모관력이 모래보다 더 크기 때문으로 판단되고, 모래의 경우 균등한 입도분포로 인해 좁은 모관흡수력 범위에서 유효포화도가 급격히 감소하는 것으로 판단된다.
주문진 표준사의 경우 새만금 실트에 비해 간극수의 유출이 일어나는 공기함입치(Air Entry Value, AEV) 이상에서는 모관흡수력 증가에 따라 체적함수비가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 약 5kPa의 모관 흡수력에서 대부분의 간극수가 유출 돼 잔류포화상태(pendular state)에 도달한 것으로 나타났다.
포화체적함수비는 세립토의 경우 조립토에 비해 상대적으로 더 큰 간극률 나타내기 때문이다. 또한, 토중수는 간극내 공기와 물의 접촉면에서 발생하는 모관력과 물분자를 흡착하는 흙입자의 표면력과 같은 물리 화학적 작용에 의하여 보유되고, 낮은 모관흡수력에서는 모관력이 우세하며 높은 모관흡수력에서는 표면력이 우세하다. 세립토의 잔류체적함수비가 조립토보다 큰 것은 높은 모관흡수력에서 세립토의 높은 표면력이 주요 원인으로 알려져 있다.
이는 실트의 간극 크기가 모래의 간극크기보다 작고 입도분포 또한 실트가 모래보다 양호함으로써 실트의 모관력이 모래보다 더 크기 때문으로 판단되고, 모래의 경우 균등한 입도분포로 인해 좁은 모관흡수력 범위에서 유효포화도가 급격히 감소하는 것으로 판단된다. 즉, 흙-함수특성곡선은 흙의 구조적 특성(간극의 크기, 형태, 분포)과 밀접한 관계를 가진다고 사료되며 상대적으로 입경 및 간극의 크기가 크고 간극의 형태 및 분포가 일정한 주문진 표준사가 새만금 실트에 비해 민감한 불포화 함수거동을 나타낸다고 판단 할 수 있다.
표 3은 각 시료에 대한 van Genuchten(1980) 모델의 맞춤계수를 추정하기위하여 최소제곱회귀분석을 수행한 결과 결정계수(R2)가 모래와 실트 각각에 대하여 0.995, 0.992로 나타나 추정된 흙-함수특성곡선이 시험 결과를 충분히 잘 추정하는 것으로 나타났다. 각 시료에 대한 맞춤계수는 주문진 표준사의 경우 α는 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
불포화토의 연구 접근방법 3가지는 무엇인가?
불포화토의 연구는 일반적으로 크게 세 가지의 측면에서 접근하고 있다. 첫 번째는 불포화토에 대한 이론적인 접근이며, 두 번째는 불포화토의 물성을 측정하는 실험적인 접근이며, 마지막 세 번째는 불포화토의 거동 예측에 초점을 둔 접근 방법이다. 이때 흙-함수특성곡선(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC)은 서로 다른위 세 가지의 접근 방법들을 서로 연결시켜주는 중요한 역할을 한다.
흙-함수특성곡선이 다른 형태를 보이는 요소는 무엇인가?
흙-함수특성곡선은 흙의 종류에 따라 다른 특성을 나타낸다. 즉, 흙-함수특성곡선은 모래, 실트, 점토에 따라 다른 형태를 보인다. 상대적으로 토립자의 입경이 크고 균등한 모래와 같은 조립토의 경우 동일한 모관흡수력 증가에 따른 체적함수비의 변화율이 점토나 실트에 비해 상대적으로 크고, 점토와 같은 세립토일수록 그 변화율은 작아진다.
흙-함수특성곡선은 어떻게 활용되는가?
즉, 흙-함수특성곡선은 불포화토의 역학적 특성을 규명하는데 있어 가장 기본적인 요소 중 하나이다. 흙-함수특성곡선은 모관흡수력과 포화도 혹은 체적 함수비 사이의 관계를 나타내어주는 불포화토 고유의 물성으로서 불포화토의 흐름특성을 이해하고 함수량에 따른 흙의 강도 및 응력 거동특성을 해석하는데 필수적인 요소로 활용된다. 따라서 정확한 흙-함수특성곡선에 대한 측정 및 예측 없이 불포화토의 특성을 파악하는 것은 불가능하다고 할 수 있다(황창수와 김태형, 2003).
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