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문제 정의
- 본 연구에서는 모래로 분류되나 점토 함유비율이 높아 투수특성에 영향을 받는 혼합토에서의 투수특성을 평가하였다. 이를 위해 국내에서 대표적인 실험용 표준 사로 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 모래에 카올리나이트 점토를 10%에서 30%사이의 다양한 비율로 혼합하여 시료를 제작한 후 연성벽체 투수시험을 수행하였으며 세립토가 측정된 투수계수와 압밀계수에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 모래에 혼합된 점토의 혼합비에 의한 투수계수와 압밀계수의 영향분석을 위해 주문진 표준 사와 오타와 모래에 카올리나이트 점토를 다양한 혼합 비로 섞은 시료를 제작하여 연성벽체 투수시험을 실시 하였다. 연성벽체 투수시험 결과는 다음과 같다.
- 이와 같은 입자분리 또는 세립자의 이동이 일어날 경우 측정된 투수계수의 신뢰도가 떨어지게 된다. 점토질 흙의 경우 소성한계의 약 1.5배 내지 2배에 준하는 물을 혼합하여 슬러리를 만들어 압밀할 경우 균질한 시료를 얻는 것으로 알려져 있지만 모래의 혼합비가 큰 경우 제작된 시료의 균질성을 검증한 연구결과가 없으므로 이에 대한 검증이 필요하였다.
제안 방법
- 그 후, 삼축시험과 동일한 방법으로 셀을 준비하고 물을 채우며 시료를 포화시킨 후 시료에 50kPa의 등방 구속압력을 가하여 2차 압밀시킨다. 계획된 압밀스케줄에 따라서 단계별로 구속압력을 증가시키며 투수시험을 실시한다. 투수시험에 사용된 연성벽체 투수시험기는 Fig.
- , 2002). 본 연구에서는 실트가 아니라 카올리나이트를 사용하여 점성토 재료분리가 우려되었기에 점성토가 공학적 성질을 결정하는 혼합시료에 일반적으로 사용되는 슬러리 압밀 방법을 사용하여 시료를 제작하였으며 제작과정은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 제작된 시료를 연성벽체 투수시험 종료 후 시료를 수직방향으로 5조각으로 분리한 후 각각의 조각에 대해 함수비와 카올리나이트 점토의 혼합비를 측정하여 시료의 균질성 여부를 검증하였다. 투수시험 전에 시료를 포화시켰으므로 함수비는 간극비의 균질성을 나타낸다.
- 이에 대한 이유를 분석하기 위해서 혼합비에 따른 최대 및 최소간극비를 각각 ASTM D4253과 ASTM D4254에 의거하여 측정하였다. 세립자가 포함되지 않은 주문진 표준사와 오타와 모래는 각각 0%, 15%, 18%, 25%와 0%, 2%, 5%, 10%, 20%의 혼합비를 적용하였으며 Fig. 8은 측정된 최대 및 최소 간극비를 비교하고 있다. 주문진 표준사의 최대간극비와 최소간극비는 각각 0.
- 오타와 모래와 카올리나이트 점토의 혼합시료는 앞서 설명한대로 시료를 제작한 후 등방 구속압력을 50kPa에서 70kPa, 100kPa, 150kPa, 220kPa의 4단계로 점차적으로 증가시켜가면서 각 단계에서의 투수계수와압밀계수를 측정하였다. 한편 주문진 표준사와 카올리 나이트 점토의 혼합시료의 경우 50kPa에서 100kPa, 150kPa, 220kPa 의 3단계로 등방구속압력을 증가시켜 가며 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다.
- 총 15개의 각기 다른 혼합비를 가진 혼합시료에 대해 연성벽체 투수시험을 실행하였다. 오타와 모래와 카올리나이트의 혼합시료는 9개의 다른 혼합비(카올리나이트 중량 비율기준 10%, 14.5%, 15%, 16.6%, 19%, 21%, 21.8%, 24%, 29.1%)로 제작되었으며, 주문진 표준사와카올리나이트의 혼합시료는 6개(카올리나이트 비율기준 16%, 17.5%, 18.5%, 22%, 22.2%, 25%)의 혼합비로 제작되었다. 연성벽체 투수시험은 ASTM D5084의 규격에 맞추어 수행하였다.
- 본 연구에서는 모래로 분류되나 점토 함유비율이 높아 투수특성에 영향을 받는 혼합토에서의 투수특성을 평가하였다. 이를 위해 국내에서 대표적인 실험용 표준 사로 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 모래에 카올리나이트 점토를 10%에서 30%사이의 다양한 비율로 혼합하여 시료를 제작한 후 연성벽체 투수시험을 수행하였으며 세립토가 측정된 투수계수와 압밀계수에 미치는 영향을 분석하였다.
- 총 15개의 각기 다른 혼합비를 가진 혼합시료에 대해 연성벽체 투수시험을 실행하였다. 오타와 모래와 카올리나이트의 혼합시료는 9개의 다른 혼합비(카올리나이트 중량 비율기준 10%, 14.
- (2000), Sridharan와 Nagaraj (2004, 2005)은 사질토-벤토나이트 혼합토의 투수성을 조사하였다. 하지만 차수목적으로 사용되는 매립지 clay liner의 투수성을 조사하는 것이 목적이기에 점토질에가까운 흙에 대한 실험을 중점적으로 수행하였다. 이와 같이, 점토가 혼합된 점토질 모래의 투수 및 및 압밀특성에 대한 연구는 제한적이며 정량적으로 이를 예측하는 방법이 제시되지 않았다.
- 오타와 모래와 카올리나이트 점토의 혼합시료는 앞서 설명한대로 시료를 제작한 후 등방 구속압력을 50kPa에서 70kPa, 100kPa, 150kPa, 220kPa의 4단계로 점차적으로 증가시켜가면서 각 단계에서의 투수계수와압밀계수를 측정하였다. 한편 주문진 표준사와 카올리 나이트 점토의 혼합시료의 경우 50kPa에서 100kPa, 150kPa, 220kPa 의 3단계로 등방구속압력을 증가시켜 가며 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다. 각각의 구속압력 단계에서 정수두 투수시험을 실시하여 투수계수를 구하였으며, 식 (5)와 식 (6)으로 K0 상태에서의 mv를 계산하였으며, 식 (7)로 cv를 산정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료는 국내에서 대표적인 실험용 표준사로 널리 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 모래에 카올리나이트 점토를 다양한 비율로 혼합하여 제작되었다. 주문진 표준사와 오타와 모래의 일반적인 물성치는 Table 1에 정리하였으며 두 모래의 입도분포특성은 Fig.
데이터처리
- 연성벽체 투수시험은 ASTM D5084의 규격에 맞추어 수행하였다. 시험을 위해 계획된 비율로 모래와 점토를 혼합한 슬러리를 압밀하여 시료를 성형하였으며 이에 대한 투수계수 k와 mv, 그리고 두 값에 의해 cv를 계산하였다. 연성벽체투수시험은 일반적으로 모래시료에서 사용되는 강성벽체투수시험에 비해 벽체를 통한 누수가 매우 적고 또한 시험중의 시료의 응력상태를 제어할 수 있기 때문에 흙의 응력상태에 대한 정확한 투수계수를 얻을 수 있는 이점이 있다(Samingan et al.
이론/모형
- 2%, 25%)의 혼합비로 제작되었다. 연성벽체 투수시험은 ASTM D5084의 규격에 맞추어 수행하였다. 시험을 위해 계획된 비율로 모래와 점토를 혼합한 슬러리를 압밀하여 시료를 성형하였으며 이에 대한 투수계수 k와 mv, 그리고 두 값에 의해 cv를 계산하였다.
- 동일한 점토의 혼합비에서는 주문진 표준사 혼합시료가 오타와 모래 혼합시료에 비하여 투수계수와 압밀계수가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 이유를 분석하기 위해서 혼합비에 따른 최대 및 최소간극비를 각각 ASTM D4253과 ASTM D4254에 의거하여 측정하였다. 세립자가 포함되지 않은 주문진 표준사와 오타와 모래는 각각 0%, 15%, 18%, 25%와 0%, 2%, 5%, 10%, 20%의 혼합비를 적용하였으며 Fig.
성능/효과
- (1) 본 실험에서 사용된 시료 제작방법인 슬러리 압밀 방법은 모래와 점토의 분리현상이 일어나지 않고 간극비의 균질성을 확보, 슬러리 압밀방법이 매우 유효함을 확인하였다.
- (2) 투수계수와 압밀계수는 구속압력의 영향은 크지 않은 반면 카올리나이트 점토의 혼합비에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 실험이 수행된 점토혼합비 10% ~ 30%의 사이에서는 혼합비와 투수계수 그리고 압밀계수는 세미 로그 그래프상에 반비례하는 선형적 상관관계를 나타내었다.
- (3) 동일한 점토 혼합비에서는 주문진 표준사와의 혼합 시료에서 오타와 모래 혼합시료에 대한 실험결과보다 투수계수와 압밀계수가 크게 나타났다. 이는두 모래의 구조적 차이로 인한 것으로 조사되었다.
- (4) 간극비-투수계수-혼합비에 대한 관계를 분석한 결과, 각각의 혼합시료가 부유구조로 바뀔 때까지는 간극비가 일정한 경향을 나타내고 있으나 그 이상의 혼합비에서는 간극비가 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 투수계수는 점토입자가 구조를 지배하는 부유구조에서는 간극비와 상관관계를 가질 가능성이 있으나 안정구조에서는 점토의 혼합비에 따른 상관관계가 제한적인 것으로 나타났다.
- 부유구조에서는 모래의 특성보다는 점토의 특성에 의해서 투수계수가 지배를 받게 된다. 각각 주문진 표준사와 오타와 모래에서 안정구조에서 부유구조로 상태가 전환되는 혼합비인 22%와 15%에서의 투수계수는 10-6 cm/s로 유사한 것으로 나타났다(Fig. 7). Fig.
- 검증에는 투수시험 종료 후 10.0%, 14.5%, 19%, 21.8%의 네가지 혼합비의 오타와 모래를 사용한 혼합 시료가 사용되었으며 검증 결과는 Fig. 4에 도시하였다. 평가 결과, 각 세그먼트들은 위치에 따라서 점토의 함량 비의 변화나 함수비의 변화가 미소하며 균질한 것으로 나타났다.
- 주문진 표준사는 최대 및 최소간극비가 오타와 모래에 비하여 상대적으로 커서 점토 입자들이 자유 롭게 움직이며 투수계수도 커지는 것으로 판단된다. 단, 이들의 차이는 점토의 혼합비가 증가할수록 차이가 감소하였으며 구조적 특징이 안정구조에서 부유구조로 변화하는 혼합비에서는 두 혼합토에서의 투수계수는 유사한 것으로 측정되었다.
- (2) 투수계수와 압밀계수는 구속압력의 영향은 크지 않은 반면 카올리나이트 점토의 혼합비에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 실험이 수행된 점토혼합비 10% ~ 30%의 사이에서는 혼합비와 투수계수 그리고 압밀계수는 세미 로그 그래프상에 반비례하는 선형적 상관관계를 나타내었다.
- 압축계수와 압밀계수 모두 구속압력의 영향은 크지 않은 반면 카올리나이트 점토 혼합비의 영향은 지배적인 것을 확인할 수 있다. 압축계수는 혼합비의 변화에 대해 10배 이내의 변화를 보이고 있으나 압밀계수는 혼합비에 따라서 변화가 상대적으로 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 오타와 모래 혼합시료의 경우 혼합비가 9%로 증가함에 따라 압밀계수는 대략 500배 정도 감소되었고 주문진 표준사 시료의 경우 약 100배 정도 감소되었다.
- 6b-c에는 압축계수와 압밀계수의 결과를 각각 도시 하였다. 압축계수와 압밀계수 모두 구속압력의 영향은 크지 않은 반면 카올리나이트 점토 혼합비의 영향은 지배적인 것을 확인할 수 있다. 압축계수는 혼합비의 변화에 대해 10배 이내의 변화를 보이고 있으나 압밀계수는 혼합비에 따라서 변화가 상대적으로 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 6a). 오타와 모래 혼합시료의 경우 혼합비가 10%에서 29%로 증가하는 동안 투수계수는 대략 100배 정도 감소되었으며, 주문진 표준사 혼합시료는 16%에서 25%로 증가함에 따라 약 50배 정도 감소되었다. Fig.
- 평가 결과, 각 세그먼트들은 위치에 따라서 점토의 함량 비의 변화나 함수비의 변화가 미소하며 균질한 것으로 나타났다. 이는 점토의 혼합비가 낮은 경우에도 본 실험에 이용된 슬러리 믹싱방법이 효과적이며, 또한 점토입자들이 압력차로 인하여 투수시험 중간에 이동하고 있지 않음을 보여준다.
- (2000)는 구조 간극비 개념을 적용해서 실트질 모래의 전단강도 특성을 규명하였다. 일련의 실험을 통해서 안정구조의 실트질 모래에서는 실트의 혼합 비가 증가할수록 실트의 interlocking 효과로 인해서 전단강도는 증가한다는 결론을 도출하였다. Carraro et al.
- 8은 측정된 최대 및 최소 간극비를 비교하고 있다. 주문진 표준사의 최대간극비와 최소간극비는 각각 0.98과 0.61이었으며 이 값들은 오타와 모래의 0.78과 0.41에 비해 상당히 큰 것으로 나타났다. 따라서 소량의 점토 혼합비에서는 구조적으로 주문진 표준사 혼합시료에서 점토 입자들은 더 자유로운 구조를 가지며, 투수계수가 상대 적으로 크다.
- 10(a)에서 보여지듯이 주문진 표준사의 혼합시료는 대략 점토의 혼합비 22% 정도 이상에서 부유구조로 바뀌지만 오타와 모래의 혼합시료는 대략 15% 정도 이상의 점토 혼합비에서 부유구조로 바뀜을알 수 있다. 즉, 안정구조에서는 혼합비가 증가하면 투수계수는 감소하지만 간극비는 크게 변화하지 않는 반면 안정구조에서 부유구조로 변화하는 시점에서 간극비는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 부유구조에서는 모래의 특성보다는 점토의 특성에 의해서 투수계수가 지배를 받게 된다.
- (4) 간극비-투수계수-혼합비에 대한 관계를 분석한 결과, 각각의 혼합시료가 부유구조로 바뀔 때까지는 간극비가 일정한 경향을 나타내고 있으나 그 이상의 혼합비에서는 간극비가 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 투수계수는 점토입자가 구조를 지배하는 부유구조에서는 간극비와 상관관계를 가질 가능성이 있으나 안정구조에서는 점토의 혼합비에 따른 상관관계가 제한적인 것으로 나타났다.
- 9에 도시하였다. 투수계수가 혼합비와 로그 스케일에서 선형적인 관계를 가지는 것에 비하여(Fig. 7) 투수계수와 간극비는 선형적인 관계를 보이지 않는 것으로 나타났다. 주문진 표준사는 22.
- 4에 도시하였다. 평가 결과, 각 세그먼트들은 위치에 따라서 점토의 함량 비의 변화나 함수비의 변화가 미소하며 균질한 것으로 나타났다. 이는 점토의 혼합비가 낮은 경우에도 본 실험에 이용된 슬러리 믹싱방법이 효과적이며, 또한 점토입자들이 압력차로 인하여 투수시험 중간에 이동하고 있지 않음을 보여준다.
- 6은 각각 오타와 모래와 주문진 표준사에 대한 카올리나이트 점토의 혼합비와압밀응력의 변화에 따른 k, mv, 그리고 cv 값의 변화를 나타낸다. 혼합시료의 투수계수는 등방압축응력의 증가에 따라 감소하는 경향을 보여주지만 큰 변화를 나타내지는 않으며, 이보다는 카올리나이트 점토의 혼합비에 따라 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5a와 Fig. 6a). 오타와 모래 혼합시료의 경우 혼합비가 10%에서 29%로 증가하는 동안 투수계수는 대략 100배 정도 감소되었으며, 주문진 표준사 혼합시료는 16%에서 25%로 증가함에 따라 약 50배 정도 감소되었다.
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