[논문]낙동강 하상 모래와 점토의 불포화 전단강도 특성 평가

이대영

doi:10.12814/jkgss.2014.13.4.069

낙동강 하상 모래와 점토의 불포화 전단강도 특성 평가
Unsaturated Shear Strength Characteristics of Nakdong River Sand and Clay 원문보기

한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.13 no.4, 2014년, pp.69 - 75

이대영 (Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology)

초록
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불포화토의 전단특성 평가는 제방구조물의 안정성과 투수특성 평가에 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 국내 낙동강 유역에서 제방 제체재료로 사용되는 모래, 점토에 대한 불포화 전단특성을 평가하기 위해 불포화 삼축시험을 수행하였다. 모관흡수력에 따른 불포화강도변화를 살펴보기 위해 다단계실험방법을 적용하였으며, 그 결과를 바탕으로 비선형성을 고려한 겉보기 점착력($C_{max}$)에 맞추어 비교 분석하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 선형적인 강도를 나타내는 Mohr-Columb 파괴강도를 활용할 수 있는 평균적인 ${\varphi}^b$ 값을 산출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The shear strength characteristics of an unsaturated earth material are highly important not only for evaluating the seepage characteristics but also the stability of levee for a lifelong. In this study, unsaturated strength characteristics of Nak-dong river sand and clay that frequently used for the levee construction in southern province of Korea were analyzed using unsaturated triaxial compressive test. The strength characteristics due to the variation of matric suction were analyzed using multi-stage compression technique and the results were directly compared with the non-linear formulation for the apparent cohesion ($C_{max}$), and the friction component ${\varphi}^b$ were determined and evaluated from the test for the application of linear Mohr-Coulomb failure criteria. Cohesion and friction characteristics of the unsaturated levee material under various suction phases were also explored during this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 지반재료로 사용되고 있는 국내 하상 퇴적토인 모래와 점토시료를 대상으로 지반구조물의 합리적인 안정성 판단 및 설계를 위한 기초자료로 활용하고자 불포화삼축압축시험을 수행하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 국내 하천 유역에서 발생하는 하상재료인 모래, 점토의 불포화 전단강도특성을 분석하여 제방 등 인근 현장에서 시공되는 지반구조물의 지반재료로 적용시 안정성 검토 및 설계·시공에 적용할 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 불포화 삼축실험을 수행하였으며 모관흡수력 변화에 따른 강도증가 효과를 고찰하였다. 불포화 삼축실험은 시료성형에 따른 불확실성을 줄이기 위하여 동일한 시료를 대상으로 여러 모관흡수력 단계에서 전단실험을 수행하는 다단계 실험(multi-stage test)을 채택하였다.

가설 설정

밑판에 작용되는 수압은 트랜스듀서에 기록된다. 압밀과정은 시료로부터의 물의 배출이나 전체적인 부피변화가 더 이상 일어나지 않을 때 평형조건에 도달한 것으로 가정한다. 작용된 압력하에서 평형조건을 얻었을 때 시료는 적절한 변형률 속도로 압축에 의해 전단된다.

제안 방법

본 연구에서는 점토, 모래 시료에 대한 포화 삼축실험을 수행하여 강도정수를 산정하였다. 구속조건은 50kPa, 100kPa, 150kPa로 세 조건으로 나누어 실험을 수행하였다. Fig.
46g/cm³, 최적함수비가 26%로 나타났다. 본 시료에 대해 삼축실험을 수행하기 위한 시료를 성형하기 위하여 일반적인 시료 성형조건인 최대건조밀도의 95%에 해당하는 건조밀도와이에 해당하는 건조 측 함수비를 구하였다. Table 1은 점토와 모래시료의 성형 조건을 보여주고 있으며 각 시료에 해당하는 건조밀도와 함수비로 다짐을 통해 높이 100mm, 직경 50mm의 원통형 시료를 제작하였다.
0mm～10mm의 시료가 10%정도로 나타나고 있으나 공시체의 직경 50mm로 사용시 입경에 의한 영향이 크게 미치지는 않을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 대상 시료의 다짐시험 등 기본물성실험, 포화 삼축실험 및 불포화 삼축실험을 수행하였다.
본 연구에서는 불포화 전단강도 특성의 공학적 평가를 위해 기제안된 전단강도식에서 볼 수 있는 바와 같이 임의의 조건을 가진 시료의 불포화 전단강도는 기존 포화전단 강도 정수인 c' 와 φ', 그리고 최대 겉보기 점착력 증분을 나타내는 경험적인 계수인 Cmax를 이용하여 표현되어 질 수 있음에 따라 실험을 통해 포화 강도정수인 c'과 φ'을 구하였다.
실험을 위한 변형률 속도의 평가는 일부 이론의 기초와 일부 경험적 검증의 기반 위에서 이루어져야 한다. 본 연구에서는 이전 연구자들에 의해 추천된 지반재료에 대한 변형률 속도를 고려하여 0.004(mm/min)의 변형률 속도를 선정하여 실험을 수행하였다(Lee et al., 2002). 이때 각 모관흡수력 단계에서 얻어진 최대축차 응력 상태로부터 파괴시 모아원(Mohr circle)을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 점토, 모래 시료에 대한 포화 삼축실험을 수행하여 강도정수를 산정하였다. 구속조건은 50kPa, 100kPa, 150kPa로 세 조건으로 나누어 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 불포화 삼축실험을 수행하였으며 모관흡수력 변화에 따른 강도증가 효과를 고찰하였다. 불포화 삼축실험은 시료성형에 따른 불확실성을 줄이기 위하여 동일한 시료를 대상으로 여러 모관흡수력 단계에서 전단실험을 수행하는 다단계 실험(multi-stage test)을 채택하였다. Fig.
삼축압축실험은 실험실에서 흙의 전단강도를 측정하기위해 사용하는 가장 보편적인 실험으로 본 연구에서는 불포화 조건을 만족시켜주면서 불포화지반의 강도를 얻기 위한 방법으로 기존의 삼축압축실험장치를 개조한 실험장치를 사용하였다(Fig. 3). 실험방법은 간극수와 간극공기를 모두 배수상태로 하는 압밀배수시험(CD)을 수행하였다.
시료에 대한 균질성을 유지하기 위해 하나의 시료에 대해 여러 모관흡수력 단계에 대해 실험하는 다단계(multistage) 실험 방법을 채택하여 실험하였다(Fredlund and Rahardjo, 1995). 다단계(multistage) 실험의 경우에 위의 과정(즉, 압밀과 전단)은 각 단계에서 반복된다.
3). 실험방법은 간극수와 간극공기를 모두 배수상태로 하는 압밀배수시험(CD)을 수행하였다. 시료에 모관흡수력을 유발시키기 위해서는 음의 간극 수압을 유지시키도록 해야 하지만 실제로는 음의 간극수압을 1기압까지밖에 발생시킬 수 없어 실험을 위해서 축변환기법(axis-translation technique)을 사용하였다.
본 연구에서는 국내 하천 유역에서 발생하는 하상재료인 모래, 점토의 불포화 전단강도특성을 분석하여 제방 등 인근 현장에서 시공되는 지반구조물의 지반재료로 적용시 안정성 검토 및 설계·시공에 적용할 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 불포화 전단강도 특성을 살펴보기 위해 국내하천에서 하상재료로 쉽게 구할 수 있는 대표적인 시료인 낙동강 유역 모래(SP)와 만경강 유역에서 채취한 점토(CL) 시료에 대한 불포화 삼축실험을 수행하였다. 본 연구에서는 불포화 전단강도 특성의 공학적 평가를 위해 기제안된 전단강도식에서 볼 수 있는 바와 같이 임의의 조건을 가진 시료의 불포화 전단강도는 기존 포화전단 강도 정수인 c' 와 φ', 그리고 최대 겉보기 점착력 증분을 나타내는 경험적인 계수인 C_max를 이용하여 표현되어 질 수 있음에 따라 실험을 통해 포화 강도정수인 c'과 φ'을 구하였다.
이는 간극수압을 양의 값으로 시료의 받침대를 통해 작용시키고 그와 더불어 간극공기압을 간극수압 증가량만큼 증가 된 값으로 시료의 cap을 통해 작용시켜 실제 시료에 작용되는 모관흡수력(u_a − u_w)은 일정하게 유지하였다. 이를 위해서는 간극공기압과 간극수압을 각각 독립적으로 조절 할 수 있어야 하므로 5기압(bar)의 공기압까지 공기를 통과시키지 않고 물의 연속성을 유지시킬 수 있는 높은 공기함입치(air entry value)를 갖는 세라믹 디스크를 시료의 받침에 설치하였다. 시료의 압밀과정은 구속압, 간극공기압, 간극수압의 작용으로 이루어진다.

대상 데이터

본 시료에 대해 삼축실험을 수행하기 위한 시료를 성형하기 위하여 일반적인 시료 성형조건인 최대건조밀도의 95%에 해당하는 건조밀도와이에 해당하는 건조 측 함수비를 구하였다. Table 1은 점토와 모래시료의 성형 조건을 보여주고 있으며 각 시료에 해당하는 건조밀도와 함수비로 다짐을 통해 높이 100mm, 직경 50mm의 원통형 시료를 제작하였다.
본 연구에서는 국내에 하상지역에 가장 널리 분포해 있는 하상재료 중 제방 및 제체재료를 구성하고 있는 대표적인 시료인 모래(SP)와 점토(CL)를 대상으로 실험을 수행하였다. 실험을 위해 모래는 낙동강 유역에서 채취하였으며, 점토는 만경강 지역에서 채취 하였다.
1은 본 실험에 사용된 시료의 입도분포 곡선을 나타내고 있다. 삼축 압축실험을 위해 시료의 크기는 직경 50mm와 높이 100mm 로 제작하였다. 모래시료의 입도분포곡선에서 알 수 있듯이 입경 5.
본 연구에서는 국내에 하상지역에 가장 널리 분포해 있는 하상재료 중 제방 및 제체재료를 구성하고 있는 대표적인 시료인 모래(SP)와 점토(CL)를 대상으로 실험을 수행하였다. 실험을 위해 모래는 낙동강 유역에서 채취하였으며, 점토는 만경강 지역에서 채취 하였다. Fig.

데이터처리

본 연구에서는 불포화 전단강도 특성의 공학적 평가를 위해 기제안된 전단강도식에서 볼 수 있는 바와 같이 임의의 조건을 가진 시료의 불포화 전단강도는 기존 포화전단 강도 정수인 c' 와 φ', 그리고 최대 겉보기 점착력 증분을 나타내는 경험적인 계수인 C_max를 이용하여 표현되어 질 수 있음에 따라 실험을 통해 포화 강도정수인 c'과 φ'을 구하였다. 그리고 모관흡수력 변화에 따른 강도 변화를 살펴보기 위해 다단계 실험방법(multi-stage test)을 적용하였으며, 그 결과를 비선형성을 고려한 겉보기 점착력 식(C_max 이용)에 맞추어 비교분석하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 선형적인 강도 정수를 보여주는 Mohr-Columb 파괴강도를 활용할 수 있는 평균적인 φ^b 값을 산출하였다.
또한 실험결과를 바탕으로 선형적인 강도 정수를 보여주는 Mohr-Columb 파괴강도를 활용할 수 있는 평균적인 φb 값을 산출하였다.

이론/모형

실험방법은 간극수와 간극공기를 모두 배수상태로 하는 압밀배수시험(CD)을 수행하였다. 시료에 모관흡수력을 유발시키기 위해서는 음의 간극 수압을 유지시키도록 해야 하지만 실제로는 음의 간극수압을 1기압까지밖에 발생시킬 수 없어 실험을 위해서 축변환기법(axis-translation technique)을 사용하였다. 이는 간극수압을 양의 값으로 시료의 받침대를 통해 작용시키고 그와 더불어 간극공기압을 간극수압 증가량만큼 증가 된 값으로 시료의 cap을 통해 작용시켜 실제 시료에 작용되는 모관흡수력(u_a − u_w)은 일정하게 유지하였다.

성능/효과

(1) 국내 발생 하상토인 모래와 점토를 대상으로 모관흡수력을 증가시키면서 강도를 얻는 다단계실험(multi-stage triaxial testing)을 수행한 결과, 모관흡수력이 증가함에 따라 강도 또한 증가함을 알 수 있다. 모관흡수력 증가에 따른 불포화 강도의 증가는 Clay 시료에서 크게 나타나고 있는데, 이것은 Clay 시료의 공기함입치가 커서 시료 내부의 수분이 높은 모관흡수력 상태에서 빠져 나오기 때문이다.
(2) 본 연구에서는 모관흡수력에 따른 강도정수의 변화를 보여주기 위해 쌍곡선식을 이용한 겉보기 점착력의 표현식을 적용하였으며, 실험결과를 통해 시료별 모관 흡수력 변화에 따른 $Ø^b$의 비선형성을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.
(3) 겉보기 점착력의 비선형성을 보여주는 C_max값의 경우 Clay 시료에서 150으로 나타났고, SP 시료의 경우 50으로 나타났다. 강도의 비선형성을 고려할 수 없을 경우, 수정된 Mohr-Columb 강도식에서 활용할 수 있는 $φ^b_{avg}$ 값은 Clay 시료의 경우 15°, SP 시료는 19°로 나타났다.
(b)는 모래시료의 실험 결과를 나타내고 있는데 모관흡수력과 관련된 지반정수인 겉보기 마찰각(𝜙b)의 값의 변화가 39°에서 9°로 급격히 줄어들어 결국 모관흡수력 증가에 따른 강도증가 효과가 크지 않음을 나타내고 있다.
2는 점토시료에 대한 다짐시험 결과를 나타내고 있다. 다짐시험 결과 점토시료는 최대건조밀도가 1.46g/cm³, 최적함수비가 26%로 나타났다. 본 시료에 대해 삼축실험을 수행하기 위한 시료를 성형하기 위하여 일반적인 시료 성형조건인 최대건조밀도의 95%에 해당하는 건조밀도와이에 해당하는 건조 측 함수비를 구하였다.

후속연구

(4) 국내 하상재료로 널리 분포하며 지반재료로 사용되는 점토와 모래에 대한 불포화 전단특성 평가를 통해 지반구조물 안정성 평가 및 해석을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
산정된 $Ø^b_{avg}$ 값은 점토의 경우 19°이며, 모래는 10°로 나타났다. 이 값은 $Ø^b$ 값을 $Ø'$와 동일하게 가정하였을 경우 불포화 전단강도가 과도하게 산정되는 것을 줄일 수 있으며, 선형적인 강도값을 입력변수로 이용하는 수치해석프로그램에 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. Table 2는 포화삼축시험 및 불포화 삼축시험을 통해 측정된 강도정수를 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저수위는 무엇에 의해 변하나?	제방 및 필댐의 바깥쪽 부분에는 비교적 투수성이 큰 재료로 이루어진 투수존이 존재하기 때문에 필댐의 상부측에서는 저수위와 동일한 수위가 나타나지만, 차수존인 심벽을 통과하면서 투수성은 급격히 감소하기 때문에 필댐 하류에 있는 영역에서는 불포화 상태로 남게 된다. 저수위는 강우나 홍수 등 자연적인 변화와 홍수조절, 발전 등 인위적인 목적에 의하여 변하게 된다. 이러한 저수위의 변화로 인하여 필댐 심벽 내부의 간극수압도 변하게 된다.
	제방 및 댐 등 지반구조물의 안정성 평가를 위해서 지반재료의 간극수압의 변화에 따른 전단강도의 특성을 고려해야하는 이유는?	저수위는 강우나 홍수 등 자연적인 변화와 홍수조절, 발전 등 인위적인 목적에 의하여 변하게 된다. 이러한 저수위의 변화로 인하여 필댐 심벽 내부의 간극수압도 변하게 된다. 특히 저수위 상승으로 인하여 심벽 내부에서 나타난 음의 간극수압이 작아지거나 소산될 경우 심벽 재료의 강도 또한 줄어들게 되어 구조물 자체의 안정성에도 영향을 미치게 된다. 이러한 특성 때문에 제방 및 댐 등 지반구조물의 안정성 평가를 위해서는 지반재료의 간극수압의 변화에 따른 전단강도의 특성을 고려하여야 한다(Korea Institute of Construction Technology, 2007).
	제방 및 필댐의 내부의 특징은?	일반적으로 제방 및 필댐의 내부는 투수성이 매우 낮은 재료가 사용되기 때문에 대부분 불포화 상태에 놓이게 된다. 제방 및 필댐의 바깥쪽 부분에는 비교적 투수성이 큰 재료로 이루어진 투수존이 존재하기 때문에 필댐의 상부측에서는 저수위와 동일한 수위가 나타나지만, 차수존인 심벽을 통과하면서 투수성은 급격히 감소하기 때문에 필댐 하류에 있는 영역에서는 불포화 상태로 남게 된다.

참고문헌 (9)

Choi, B. H., Kim, K. M., Kim, J. M. and Lee, D. Y. (2008), "Seepage Characteristics of Domestic Bed Sediments Mixed with Good-quality Soil as Levee Fill Material", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.24, No.10, pp.105-111.
Lee, S. J., Lee, S. R. and Jang, B. S. (2002), "Unsaturated Shear Strength Characteristics of Weathered Granite Soils", Journal of Korea Society of Civil Engineers-C, Vol.22, No.1, pp.81-88.
Lim, S. Y. (2007), "The Shear Characteristics Unsaturated Sandy Soils", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.23, No.10, pp.57-64.
Korea Institute of Construction Technology. (2007), A Study on Levee Construction Method using Bed Sediment, Korea Institue of Construction and Transportation Technology Evaluation and Planing, R&D Final Report.
Kim, Y. S. and Kim, D. M. (2008), "Characteristics of Undrained Cyclic Shear Behavior of Nak-Dong River Sand by Silt Contents", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.24, No.11, pp.79-89.
Kim, G. I., Shin, J. S., Park, S. S. and Kim, K. Y. (2013), "Unsaturated Shear Strength Characteristics of Nak-Dong River Silty Sand", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.29, No.2, pp.47-56.

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Fredlund, D. G. and Rahardjo, H. (1995), Soil Mechanics for Unsaturated Soils, John Wiley & Sons Inc.
Song, Y. S., Hwang, W. K., Jung, S. J. and Kim, T. H. (2012), "A Comparative Study of Suction Stress between Sand and Silt under Unsaturated Conditions", Engineering Geology, Vol.124, pp.90-97.

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Song, Y. S. (2014), "Suction Stress in Unsaturated Sand at Different Relative Densities", Engineering Geology, Vol.176, pp.1-10.

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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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