[논문]불포화 이암풍화토에서의 흡입응력 이력현상

송영석; 최진수

doi:10.7843/kgs.2012.28.3.55

[국내논문] 불포화 이암풍화토에서의 흡입응력 이력현상
Hysteresis of the Suction Stress in Unsaturated Weathered Mudstone Soils 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.28 no.3, 2012년, pp.55 - 66

송영석 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 최진수 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 포항지역의 자연사면에서 채취된 이암풍화토(CL)의 흡입응력 이력현상을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 유출시키는 건조과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정한 결과 유효포화도에 따른 모관흡수력은 비선형적인 관계를 나타내며, 건조 및 습윤과정을 거치는 동안 동일한 유효포화도에서 다른 모관흡수력을 나타내는 이력현상(hysteresis)이 발생되었다. 그리고 Lu and Likos(2006)의 방법을 이용하여 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정한 결과 낮은 모관흡수력에서 흡입응력은 빠르게 증가하며 이후 미소하게 증가하는 것으로 나타났으며, 동일한 모관흡수력에서는 건조과정의 흡입응력이 습윤과정의 흡입응력보다 크게 나타내는 이력현상이 발생되었다. 따라서 불포화토의 특성을 고려하여 설계 및 안정성 검토를 수행하는 경우 강우침투시에는 습윤과정의 흡입응력특성곡선(SSCC)을 적용하고, 건조 혹은 배수시에는 건조과정의 흡입응력특성곡선(SSCC)을 적용하는 것이 바람직하다.

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate the hysteresis of the suction stress in unsaturated weathered mudstone soils (CL), matric suction and volumetric water content were measured in both drying and wetting processes using Automated Soil-Water Characteristics Curve Apparatus. The drying and wetting processes in unsaturated soils were reproduced in the test; the drying process means to load matric suction to spill pore water from the soils, and the wetting process means to unload matric suction to inject pore water into the soils. Based on the measured result, Soil Water Characteristic Curve(SWCC)s were estimated by van Genuchten model (1980). SWCCs have nonlinear relationship between effective degree of saturation and matric suction. The hysteresis in SWCCs between drying and wetting processes occurred. As a result of estimating Suction Stress Characteristic Curve(SSCC) using Lu and Likos model (2006), the suction stress rapidly increased in the low level of matric suction and then increased slightly. Also, the hysteresis in SSCCs between drying and wetting processes occurred. In order to design geo-structures and check its stability considering unsaturated soil mechanics, therefore, it is more reasonable that the SSCC of drying process should be applied in the condition of rainfall infiltration and the SSCC of wetting process in the condition of evaporation or drainage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 측정된 흙-함수특성곡선을 이용하여 흡입응력특성곡선(Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다. 따라서 건조 및 습윤과정에 따른 이암풍화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 토대로 불포화 상태에서 건조 및 습윤과정의 흡입응력을 비교 분석하고, 모관흡수력과 흡입응력의 관계를 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 이암풍화토를 대상으로 건조 및 습윤 과정에 따른 모관흡수력의 이력현상이 불포화토의 흡입응력에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al.
본 연구에서는 이암풍화토를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 이암풍화토는 포항시 북구 송라면 하송리 일대 자연사면에서 채취하였다.
본 연구에서는 포항지역의 자연사면에서 채취된 이암풍화토의 불포화 특성과 흡입응력의 이력현상을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 즉 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다.

가설 설정

함수비의 경우 체적함수비(θ), 중량함수비(w)를 사용할 수 있으며, 간극과 물로 포화된 간극의 부피비로 표현되는 포화도(S)를 사용하기도 한다. 흡수력은 흙의 모관흡수력(u_a - u_w) 또는 전체 흡수력으로서 높은 흡수력 단계에서는 모관흡수력이 지배적인 것으로 가정하여 전체 흡수력은 모관흡수력에 대응하는 것으로 한다. 포화된 간극은 모관흡수력의 증가에도 불구하고 공기함입치(Air-Entry-Value(AEV), Ψ_b)를 초과하지 않으면 간극으로부터 물이 유출되지 않는다.

제안 방법

그림에서 보는 바와 같이 플라스틱 봉으로 시료를 다져 현장에서의 건조단위중량과 동일하게 시료를 성형하였다. 그리고 시료 상하부에 다공석을 두어 포화시 시료내부에 물이 원활하게 흐를 수 있도록 하였다. 시료를 포화시키기 위하여 데시케이터와 진공펌프를 활용하였다.
이를 토대로 불포화 상태에서 이암풍화토의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다. 그리고 측정된 흙-함수특성곡선을 이용하여 흡입응력특성곡선(Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다. 따라서 건조 및 습윤과정에 따른 이암풍화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC)을 토대로 불포화 상태에서 건조 및 습윤과정의 흡입응력을 비교 분석하고, 모관흡수력과 흡입응력의 관계를 고찰하고자 한다.
그림에서 보는 바와 같이 건조과정에서는 모관흡수력이 증가함에 따라 간극수의 유출량은 증가하며, 습윤과정에서는 모관흡수력이 감소함에 따라 간극수의 유입량이 증가함을 알 수 있다. 단계별 모관흡수력을 조절하기 위하여 일정단계 모관흡수력 수준에서 간극수 유출 및 유입량이 수렴된 이후 다음 단계의 모관흡수력을 재하 혹은 제하하였다. 한편 습윤과정의 시험시간이 건조과정의 시험시간보다 상대적으로 긴 것으로 나타났다.
본 시험에서는 먼저 시료를 포화시킨 후 공기압을 가하여 간극수를 배출하는 건조과정을 실시하게 된다. 플라스틱 몰드(직경 5.
본 연구에서는 이암풍화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 시험장치를 활용하였다. 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하여 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다.
본 연구에서는 이암풍화토를 대상으로 건조 및 습윤 과정에 따른 모관흡수력의 이력현상이 불포화토의 흡입응력에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al., 2012)를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측한다.
측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측한다. 이를 토대로 불포화 상태에서 이암풍화토의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다. 그리고 측정된 흙-함수특성곡선을 이용하여 흡입응력특성곡선(Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)을 산정한다.
본 연구에서는 포항지역의 자연사면에서 채취된 이암풍화토의 불포화 특성과 흡입응력의 이력현상을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 즉 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하고, Lu and Likos(2006)의 방법을 이용하여 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하였다.
본 시험에서는 먼저 시료를 포화시킨 후 공기압을 가하여 간극수를 배출하는 건조과정을 실시하게 된다. 플라스틱 몰드(직경 5.05cm, 높이 3.89cm)와 플라스틱 봉을 이용하여 3층 다짐을 실시하였다. 그림 9(a)는 플라스틱 몰드에 시료를 성형하는 모습을 나타낸 것이다.

대상 데이터

그림 5는 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 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.
그림 7은 시료채취 위치와 지질조건을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 시료채취지역의 지질은 제3기 퇴적암류이고 모암은 이암(mudstone)으로 구성되어 있다. 대상지역의 시료는 지표면으로부터 약 50cm하부의 토층에서 채취한 것이며, 현장건조단위중량은 1.
그림에서 보는 바와 같이 시료채취지역의 지질은 제3기 퇴적암류이고 모암은 이암(mudstone)으로 구성되어 있다. 대상지역의 시료는 지표면으로부터 약 50cm하부의 토층에서 채취한 것이며, 현장건조단위중량은 1.187t/m³으로 측정되었다.
이때 공기압은 흙시료의 모관흡수력으로 작용하게 되며, 흙시료가 가지는 일정한 공기함입치를 넘어서게 되면 흙시료 내부에 있는 간극수가 빠져나오기 시작한다. 본 실험에서는 3 bar의 공기압까지 제어할 수 있는 HAE 디스크를 이용하였다.
본 연구에서는 이암풍화토를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 이암풍화토는 포항시 북구 송라면 하송리 일대 자연사면에서 채취하였다. 그림 7은 시료채취 위치와 지질조건을 나타낸 것이다.

이론/모형

건조과정에서의 공기함입치(AEV)와 잔류체적함수비(θrd)와 습윤과정에서의 수분함입치(Water Entry Value, WEV)와 잔류체적함수비(θrw)를 구하기 위하여 그림 12의 건조 및 습윤과정의 흙-함수특성곡선(SWCC) 상에서 Lu and Likos(2004)에 의해 소개된 도해적인 방법(그림 1 참조)을 활용하였다.
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.
본 연구에서는 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하기 위한 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흡입응력특성곡선(SSCC)의 상관식을 유도하였다. van Genuchten(1980)은 유효포화도와 모관흡수력의 관계를 식 (5)와 같이 제안하였으며, 이를 Lu and Likos(2006)에 의해 제안된 식 (4)에 대입하여 정리하면 식 (6) 혹은 식 (7)과 같이 유효포화도 혹은 유효체적함수비에 따른 흡입응력 산정식을 구할 수 있다.
즉 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하고, Lu and Likos(2006)의 방법을 이용하여 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정하였다. 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
측정된 모관흡수력과 간극수량을 토대로 van Genuchten(1980)방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하였다. van Genuchten(1980)은 Mualem(1976)의 제안식을 토대로 유효포화도(Se)와 압력수두(h)의 상관관계를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측하였다.
, 2012)를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 예측한다. 이를 토대로 불포화 상태에서 이암풍화토의 포화도에 따른 모관흡수력을 비교 검토한다.
측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 비선형 최소제곱법(nonlinear least squares analysis)을 적용하여 van Genuchten(1980)방법의 불포화 관련계수인 α, n 및 m을 산정하였다.

성능/효과

(1) 포항지역의 자연사면에서 채취된 이암풍화토는 현장건조단위중량이 1.187t/m³이고, 소성지수는 11.2%이며, 통일분류법(USCS)의한 분류결과 점토(CL)에 해당한다.
(2) 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 불포화토의 건조 및 습윤과정을 재현하였으며, 건조과정에서의 간극내 갇힌 공기의 흐름 저항으로 인하여 습윤과정의 시험시간이 건조과정의 시험시간보다 상대적으로 길게 나타났다.
(3) van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정한 결과 유효포화도에 따른 모관흡수력은 비선형적인 관계를 나타내며, 건조 및 습윤과정을 거치는 동안 동일한 체적함수비 혹은 유효포화도에서 다른 모관흡수력을 나타내는 이력현상이 발생되었다.
(4) Lu and Likos(2006)의 방법을 이용하여 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정한 결과 낮은 모관흡수력에서 흡입응력은 빠르게 증가하며 이후 미소하게 증가하는 것으로 나타났으며, 건조 및 습윤과정을 거치는 동안 동일한 체적함수비 혹은 유효포화도에서 다른 흡입응력을 나타내는 이력현상이 발생되었다.
))를 함께 도시한 것이다. 건조과정의 경우 모관흡수력이 공기함입치(AEV)이내로 작용할 경우 흡입응력은 포화시 흡입응력상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력이 공기함입치(AEV)이상으로 작용할 경우 흡입응력은 포화시 흡입응력상태보다 작은 값을 갖는다.
습윤과정의 경우에도 흡입응력은 수분함입치(WEV)를 기준으로 건조과정의 경우와 동일한 거동을 보인다. 그리고 습윤과정의 흡입응력은 건조과정의 흡입응력보다 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 불포화토의 유효응력은 공기함입치(AEV) 혹은 수분함입치(WEV) 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력과 다른 값을 갖게 된다.
2%로 나타났다. 그리고 통일분류법(USCS)에 근거하여 흙을 분류한 결과 점토(CL)에 해당하는 것으로 나타났다.
동일한 체적함수비에서 모관흡수력은 흡입응력보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 모관흡수력과 흡입응력은 건조과정의 경우 공기함입치(AEV)인 8kPa이하에서, 습윤과정의 경우 수분함입치(WEV)인 1kPa이하에서 동일한 값을 갖는 것으로 나타났다. 그리고 공기함입치(AEV) 혹은 수분함입치(WEV) 이상에서 모관흡수력과 흡입응력의 차이는 건조과정에서의 경우가 습윤과정에서의 경우보다 상대적으로 더 크게 나타나고 있다.
그리고 공기함입치(AEV) 혹은 수분함입치(WEV) 이상에서 모관흡수력과 흡입응력의 차이는 건조과정에서의 경우가 습윤과정에서의 경우보다 상대적으로 더 크게 나타나고 있다. 즉 포화에 가까울수록 모관흡수력과 흡입응력의 차이는 감소하며 포화에서 건조로 갈수록 모관흡수력과 흡입응력의 차이는 증가함을 알 수 있다.
그림에서 보는 바와 같이 시료내 체적함수비가 감소함에 따라 모관흡수력이 증가하는 것으로 나타났다. 특히 동일한 체적함수비에서 건조과정의 모관흡수력은 습윤과정의 모관흡수력보다 더 큰 것으로 나타났다.
그림 8은 채취된 이암풍화토의 입도분포곡선을 나타낸 것이며, 표 1은 이암풍화토에 대한 기본적인 물리적 특성을 측정한 결과이다. 표에서 보는 바와 같이 이암풍화토의 비중은 2.435, 액성한계 35.2% 및 소성지수 11.2%로 나타났다. 그리고 통일분류법(USCS)에 근거하여 흙을 분류한 결과 점토(CL)에 해당하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불포화토는 어떻게 표현하는가?	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 요소를 어떻게 정의할 수 있는가?	불포화토의 특성을 규명하기 위한 가장 기본적인 요소 중의 하나가 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하는 것이다. 흙-함수특성곡선은 모관흡수력과 포화도 혹은 체적함수비 사이의 관계로 정의할 수 있다. 이는 불포화토 고유의 물성을 나타내며, 비선형적인 관계를 갖는다.
	불포화토의 거동특성은 어떠한가?	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. 따라서 불포화 지반의 거동을 이해하기 위해서는 흙-함수특성곡선(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC), 불포화 투수계수, 불포화 전단강도 등과 같은 불포화 지반정수를 정확하게 산정하는 것이 가장 중요하다.

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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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