본 연구에서는 임기광산 폐석적치장을 형성하고 있는 광미의 불포화 특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 산정된 흙-함수특선곡선(SWCC)의 ${\alpha}$와 n을 이용하여 흙의 종류를 구분하면 폐석적치장 광미시료는 점토질 모래(clayey sand)에 해당한다. Lu and Likos 방법으로 광미시료의 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정한 결과 흙-함수특성곡선(SWCC)과 유사한 S자형 곡선을 나타낸다. 동일한 유효포화도에서 건조과정의 흡입응력이 습윤과정의 흡입응력보다 크게 발생되는 이력현상이 나타났다. 그리고 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이내로 작용할 경우 포화시 유효응력과 동일하나, 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력보다 큰 값을 갖는다. 한편, van Genuchten 방법으로 산정된 광미시료의 불포화 투수계수는 모관흡수력이 증가함에 따라 감소하며, 건조과정의 투수계수가 습윤과정의 투수계수보가 크게 발생됨을 알 수 있다.
본 연구에서는 임기광산 폐석적치장을 형성하고 있는 광미의 불포화 특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정장치를 이용하여 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정결과를 토대로 van Genuchten 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 산정된 흙-함수특선곡선(SWCC)의 ${\alpha}$와 n을 이용하여 흙의 종류를 구분하면 폐석적치장 광미시료는 점토질 모래(clayey sand)에 해당한다. Lu and Likos 방법으로 광미시료의 흡입응력특성곡선(SSCC)을 산정한 결과 흙-함수특성곡선(SWCC)과 유사한 S자형 곡선을 나타낸다. 동일한 유효포화도에서 건조과정의 흡입응력이 습윤과정의 흡입응력보다 크게 발생되는 이력현상이 나타났다. 그리고 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이내로 작용할 경우 포화시 유효응력과 동일하나, 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력보다 큰 값을 갖는다. 한편, van Genuchten 방법으로 산정된 광미시료의 불포화 투수계수는 모관흡수력이 증가함에 따라 감소하며, 건조과정의 투수계수가 습윤과정의 투수계수보가 크게 발생됨을 알 수 있다.
To investigate the unsaturated characteristics of the tailings obtained from the waste dump at Imgi mine, matric suction and volumetric water content were measured in both drying and wetting processes using Automated Soil-Water Characteristics Curve Apparatus. Based on the measured result, Soil Wate...
To investigate the unsaturated characteristics of the tailings obtained from the waste dump at Imgi mine, matric suction and volumetric water content were measured in both drying and wetting processes using Automated Soil-Water Characteristics Curve Apparatus. Based on the measured result, Soil Water Characteristic Curves (SWCC) were estimated by van Genuchten model. According to the unsaturated soil classification method, the tailings of the waste dump correspond to clayey sand. As a result of Suction Stress Characteristic Curve (SSCC) by Lu and Likos model, SSCC has a shape of S which is similar to SWCC. The hysteresis phenomenon occurred in SSCCs, which means the suction stress of drying path is larger than that of wetting path in the same effective degree of saturation. The effective stress of unsaturated soil is equal to that of saturated soil when matric suction is less than Air Entry Value (AEV). However, the effective stress of unsaturated soil is larger than that of saturated soil when matic suction is more than AEV. Meanwhile, unsaturated hydraulic conductivity by van Genuchten model decreased with increasing matric suction, and the hydraulic conductivity of drying path is larger than that of wetting path.
To investigate the unsaturated characteristics of the tailings obtained from the waste dump at Imgi mine, matric suction and volumetric water content were measured in both drying and wetting processes using Automated Soil-Water Characteristics Curve Apparatus. Based on the measured result, Soil Water Characteristic Curves (SWCC) were estimated by van Genuchten model. According to the unsaturated soil classification method, the tailings of the waste dump correspond to clayey sand. As a result of Suction Stress Characteristic Curve (SSCC) by Lu and Likos model, SSCC has a shape of S which is similar to SWCC. The hysteresis phenomenon occurred in SSCCs, which means the suction stress of drying path is larger than that of wetting path in the same effective degree of saturation. The effective stress of unsaturated soil is equal to that of saturated soil when matric suction is less than Air Entry Value (AEV). However, the effective stress of unsaturated soil is larger than that of saturated soil when matic suction is more than AEV. Meanwhile, unsaturated hydraulic conductivity by van Genuchten model decreased with increasing matric suction, and the hydraulic conductivity of drying path is larger than that of wetting path.
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문제 정의
본 연구에서는 부산 임기광산 폐석적치장에서 채취된 광미의 불포화 특성을 조사하기 위하여 흙-함수특성 곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC) 및 투수계수 함수(Hydraulic Conductivity Function, HCF)를을 산정하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al.
본 연구에서는 임기광산 폐석적치장 광미의 현장조건을 모사하기 위하여 현장에서의 건조단위중량인 1.59t/m3의 조건으로 시료를 성형하였다. 시료를 성형하기 위하여 플라스틱 몰드(직경 5.
본 연구에서는 임기광산 폐석적치장을 형성하고 있는 광미의 불포화 특성을 조사하였다. 이를 위하여 먼저 현장조건에 맞게 광미시료를 성형하고, 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al.
제안 방법
그림에서 보는 바와 같이 각 층마다 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.
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.
2는 임기광산 폐석적치장의 시료채취현장을 나타낸 것이다. 대상 시료의 공학적 특성을 알아보기 위하여 단위중량, 비중, 입도분석, 액소성한계, 다짐시험 등을 수행하였다. 시험결과에 따르면 대상 시료는 통일분류법(USCS) 상에서 실트질 모래(SM)에 해당하며, 현장건조단위중량은 1.
59t/m3의 조건으로 시료를 성형하였다. 시료를 성형하기 위하여 플라스틱 몰드(직경 5.05cm, 높이 3.89cm)와 플라스틱 봉을 이용하여 3층 다짐을 실시하였다. Fig.
Table 4는 폐석적치장 광미에 대한 건조 및 습윤과정의 포화투수계수를 나타낸 것이다. 이를 위하여 먼저 삼축압축시험기를 이용한 투수시험을 통하여 광미의 포화시 투수계수를 측정하였다. 표에서 보는 바와 같이 건조과정에서의 포화투수계수는 습윤과정에서의 포화투수계수보다 크게 나타남을 알 수 있다.
본 연구에서는 부산 임기광산 폐석적치장에서 채취된 광미의 불포화 특성을 조사하기 위하여 흙-함수특성 곡선(SWCC)과 흡입응력특성곡선(SSCC) 및 투수계수 함수(Hydraulic Conductivity Function, HCF)를을 산정하고자 한다. 이를 위하여 먼저 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al., 2012)를 이용하여 임기광산 폐석 적치장 광미의 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 불포화 상태에서 포화도에 따른 모관흡수력을 분석한다.
본 연구에서는 임기광산 폐석적치장을 형성하고 있는 광미의 불포화 특성을 조사하였다. 이를 위하여 먼저 현장조건에 맞게 광미시료를 성형하고, 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song et al., 2012)를 이용하여 임기광산 폐석적치장 광미의 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다.
6은 폐석적치장 광미에 대하여 모관흡수력 재하 및 제하시 시간에 따른 간극수의 측정량을 나타낸 것이다. 즉, 시료에 모관흡수력을 재하시켜 간극수를 배출시키는 건조과정과, 반대로 모관흡수력을 제하시켜 간극수를 유입시키는 습윤과정을 재현하였다. 그림에서 보는 바와 같이 건조과정에서는 모관흡수력이 증가함에 따라 간극수의 유출량은 증가하며, 습윤과정에서는 모관흡수력이 감소함에 따라 간극수의 유입량이 증가함을 알 수 있다.
한편, 건조과정에서의 공기함입치(AEV)와 잔류체적함수비(#)와 습윤과정에서의 수분함입치(Water Entry Value, WEV)와 잔류체적함수비(#)를 구하기 위하여 Fig. 8의 건조 및 습윤과정의 흙-함수특성곡선(SWCC) 상에서 도해적인 방법을 적용하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 건조과정에서 공기함입치(AEV)는 2.
측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 불포화 상태에서 포화도에 따른 모관흡수력을 분석한다. 흙-함수특성곡선(SWCC)으로부터 구한 불포화 관련계수를 이용하여 Lu and Likos(2006)에 의해 제안된 흡입응력특성곡선(SSCC)과 van Genuchten(1980)에 의해 제안된 불포화 투수계수함수(HCF)를 산정하고자 한다.
한편 Lu and Likos(2006)는 모관흡수력과 포화도의 상관관계를 토대로 불포화토의 응력상태를 평가할 수 있는 흡입응력 (suction stress)을 제안하였다. 흡입응력은 모관흡수력혹은 유효포화도와 특정한 상관관계를 갖게 되는데 이를 흡입응력특성곡선(Suction Stress Characteristics Curve, SSCC)이라 제안하였다. 흡입응력특성곡선은 불포화토의 응력상태를 평가하는 중요한 지표로 사용할 수 있으며, 함수량에 따른 지반의 강도를 예측 및 평가할 수 있다.
대상 데이터
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 연구에 사용된 광미 시료는 폐석적치장 사면에서 채취한 것이며, Fig. 2는 임기광산 폐석적치장의 시료채취현장을 나타낸 것이다. 대상 시료의 공학적 특성을 알아보기 위하여 단위중량, 비중, 입도분석, 액소성한계, 다짐시험 등을 수행하였다.
본 연구에서 사용된 시료는 납석 광미시료이며, 공기 함입치(AEV)는 2.5kPa, 흙의 종류는 실트질 모래(SM)이다. 참고로 Abdul-Hussain and Fall(2011)의 실험에 사용된 구리 광미시료의 공기함입치(AEV)는 5kPa, 흙의 종류는 실트질 모래(SM)이며, 금 광미시료의 공기 함입치(AEV)는 6kPa, 흙의 종류는 소성이 낮은 실트(ML)이다.
본 연구의 대상지역인 임기광산은 부산광역시 기장군 철마면 임기리에 위치하고 있으며, 납석광산으로 1980년대까지 가행되다가 1992년에 폐광되었다. 그 이후 특별한 광해방지대책이 수립되지 않은 채 현재까지 방치되고 있다.
연구 대상지역은 부산광역시의 상수원으로 이용되고 있는 회동저수지의 상류지역으로서 폐석적치장을 통해 흘러나오는 침출수가 어떤 정화매체도 거치지 않고 폐석적치장 옆 계곡으로 유입되고 있다. 이 지역의 pH를 측정한 결과 폐석적치장에서 흘러나오는 침출수의 pH 는 3이하의 강산성을 띄고 있으며, 지속적으로 유출되는 황(S), 철(Fe) 등 여러 중금속을 함유한 지하수가 계곡으로 유입되어 수영강으로 합류하고 최종적으로 회동저수지료 유입되고 있다(Jeong et al.
이론/모형
본 연구에서는 임기광산의 폐석적치장 광미의 흙-함수 특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성 곡선(SWCC) 시험장치를 활용하였다(Song et al., 2012). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화 하여 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다.
표에서 보는 바와 같이 건조과정에서의 포화투수계수는 습윤과정에서의 포화투수계수보다 크게 나타남을 알 수 있다. 이 값을 토대로 van Genuchten(1980)이 제시한 불포화토의 투수계수함수 산정식을 이용하여 건조 및 습윤과정에서 모관흡수력 혹은 유효포화도에 따른 투수계수를 산정할 수 있다.
측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 이를 토대로 Lu and Likos(2006)에 의해 제안된 흡입응력특성 곡선(SSCC)을 산정하고, van Genuchten(1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 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 임기광산 폐석 적치장 광미의 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정한다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하고, 불포화 상태에서 포화도에 따른 모관흡수력을 분석한다. 흙-함수특성곡선(SWCC)으로부터 구한 불포화 관련계수를 이용하여 Lu and Likos(2006)에 의해 제안된 흡입응력특성곡선(SSCC)과 van Genuchten(1980)에 의해 제안된 불포화 투수계수함수(HCF)를 산정하고자 한다.
, 2012)를 이용하여 임기광산 폐석적치장 광미의 건조 및 습윤과정에 따른 모관흡수력과 체적함수비를 측정하였다. 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 이를 토대로 Lu and Likos(2006)에 의해 제안된 흡입응력특성 곡선(SSCC)을 산정하고, van Genuchten(1980)의 방법으로 불포화 투수계수함수(HCF)를 산정하였다.
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) 임기광산 폐석적치장 광미에 대한 흙-함수특성곡선 (SWCC)을 산정한 결과 불포화 관련계수인 α와 n은 점토질 모래(clayey sand)의 범위에 존재함을 알 수 있다.
(2) 임기광산 폐석적치장 광미의 흡입응력특성곡선(SSCC) 은 흙-함수특성곡선(SWCC)과 유사한 S자형 곡선을 나타낸다. 그리고 동일한 유효포화도에서 건조 과정의 흡입응력이 습윤과정의 흡입응력보다 크게 발생되는 이력현상이 나타난다.
(3) 흡입응력특성곡선(SSCC)에 따르면 광미로 이루어진 폐석적치장의 경우 강우침투로 인하여 물이 유입되면서 흡입응력은 지속적으로 감소하게 되며, 유효응력도 서서히 감소되므로 폐석적치장의 사면에서는 강우시 진행성 사면붕괴가 발생될 것으로 예측할 수 있다.
(4) 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이내로 작용할 경우 포화시 유효응력과 동일하나, 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력 보다 큰 값을 갖는다.
(5) 임기광산 폐석적치장 광미의 불포화 투수계수는 모관흡수력이 증가함에 따라 감소하며, 건조과정의 투수계수가 습윤과정의 투수계수보가 크게 발생됨을 알 수 있다.
모관흡수력이 공기함입치 이내로 작용할 경우 흡입응력은 포화시 흡입응력상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 모관흡수력에 따른 흡입응력의 증가속도는 감소 하나 지속적인 증가를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 불포화토의 유효응력은 공기함입치 이상의 모관흡수력이 작용할 경우 포화토의 유효응력과 다른 값을 갖게 되며, 포화토의 유효응력보다 큰 값을 갖는다.
한편, 유효포화도가 감소함에 따라 모관흡수력과 흡입응력의 차이가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 건조과정의 경우 유효 포화도가 약 0.9이상, 습윤과정의 경우 유효포화도가 약 0.75이상의 구간에서는 모관흡수력과 흡입응력은 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 모관흡수력이 증가함에 따라 불포화 투수계수는 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 동일한 모관흡수력 상태에서 불포화 투수계수는 건조과정의 경우가 습윤과정의 경우보다 크게 발생되는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 Wayllace and Lu(2012)의 실험결과와 유사하며, 이는 이력현상을 일으키는 원인에 의해 발생된 것으로 유추할 수 있다.
낮은 체적함수비에서 건조 및 습윤과정의 투수 계수는 유사하게 나타나지만 이후 동일한 체적함수비에서 습윤과정의 투수계수가 건조과정의 투수계수보다 크게 나타남을 알 수 있다. 그리고 습윤과정의 경우 건조과정에 비하여 체적함수비에 따른 불포화 투수계수의 변화가 비교적 작은 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이 건조과정과 습윤과정의 유효포화도 혹은 체적함수비에 따른 흡입응력의 거동은 비슷하지만 크기는 다르게 나타났다. 동일한 유효포화도에서 건조과정의 흡입응력이 습윤과정의 흡입응력보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 흡입응력특성곡선(SSCC)은 흙-함수특성곡선(SWCC)과 유사한 S자형 곡선을 나타내고 있다.
3333px;">w))을 함께 도시한 것이다. 모관흡수력이 공기함입치 이내로 작용할 경우 흡입응력은 포화시 흡입응력상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력이 공기함입치 이상으로 작용할 경우 모관흡수력에 따른 흡입응력의 증가속도는 감소 하나 지속적인 증가를 보이는 것으로 나타났다.
, 2012). 본 시험장치는 측정원리가 간단하고 연속적인 측정이 가능하며, 시험자에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화 하여 정확한 불포화토의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정할 수 있다. 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 시험장치는 압력조절장치, 플로우셀, 물저장소, 공기방울트랩, 저울, 시료준비장치, 측정시스템 등으로 구성되어 있다.
대상 시료의 공학적 특성을 알아보기 위하여 단위중량, 비중, 입도분석, 액소성한계, 다짐시험 등을 수행하였다. 시험결과에 따르면 대상 시료는 통일분류법(USCS) 상에서 실트질 모래(SM)에 해당하며, 현장건조단위중량은 1.594t/m3으로 조사되었다.
그림에서 보는 바와같이 시료내 체적함수비가 감소함에 따라 모관흡수력이 증가하는 것으로 나타났다. 특히 동일한 체적함수비에서 건조과정의 모관흡수력은 습윤과정의 모관흡수력보다 더 큰 것으로 나타났다.
유효포화도가 감소함에 따라 흡입응력은 비교적 작게 증가하는 반면 모관흡수력은 상대적으로 크게 증가함을 알 수 있다. 한편, 유효포화도가 감소함에 따라 모관흡수력과 흡입응력의 차이가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 건조과정의 경우 유효 포화도가 약 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흙-함수특성곡선의 정의는 무엇으로 규정할 수 있는가?
불포화토의 거동을 이해하는데 가장 중요한 요소는 흙-함수특성곡선(Soil Water Characteristic Curve, SWCC) 이다. 흙-함수특성곡선(SWCC)의 정의는 함수비 혹은 포화도와 모관흡수력의 관계 또는 응력상태 변수로 규정할 수 있다(Fredlund and Rahardjo, 1993). 한편 Lu and Likos(2006)는 모관흡수력과 포화도의 상관관계를 토대로 불포화토의 응력상태를 평가할 수 있는 흡입응력 (suction stress)을 제안하였다.
휴폐광산이 유발하는 광해에는 무엇이 있는가?
휴폐광산이 유발하는 광해에는 폐갱도 방치에 의한 지반침하, 산성광산폐수의 유출, 광미 및 폐석의 적치에 의한 주변 환경오염 및 적치사면 붕괴 등을 들 수 있다(Dorbry and Alvarez, 1967; Banks et al., 1997; Blight, 2000) 광산들은 대부분 험준한 산골에 위치하고 정상부근의 노두에서부터 하부로 수평갱을 개설하면서 채굴하므로 채광 초기에는 소규모의 폐석적치장을 계곡을 따라 축대를 쌓고 설치하여 운영하지만, 사갱이나 수갱을 개착해서 채굴하면서 대규모의 폐석적치장을 설치 하게 된다.
폐광산지역에 대한 환경공학적 측면에서의 안정성과 더불어 지반공학적 측면에서의 안정성을 확보할 수 있는 연구가 요구되고 있는 이유는?
특히, 폐석적치장은 적절한 보수와 유지관리가 이루어지지 않고 자연 상태로 방치되어 있는데, 이로 말미암아 적치장의 법면 일부의 광미가 유실되고 표면침식 등의 문제가 발생되고 있다(Blight and Amponash-Da Costa, 2004). 실제로 국내에서도 집중강우로 인한 적치장의 일부 법면이 유실되거나 변형이 발생되고, 폐석적치장의 하중으로 인하여 하부에 존재하는 사면의 변형이 발생된 사례가 있다(Cho et al., 2011, 2013).
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