[논문]시공 사면을 고려한 토목합성섬유의 계면 마찰특성 평가

차주희; 안승재; 박상훈; 전한용

doi:10.12772/tse.2017.54.060

시공 사면을 고려한 토목합성섬유의 계면 마찰특성 평가
Evaluation of Interfacial Frictional Characteristics between Geosynthetics by Considering Installation Slope Side

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.54 no.1, 2017년, pp.60 - 65

차주희 (인하대학교 대학원 유기응용재료공학과) , 안승재 (인하대학교 대학원 유기응용재료공학과) , 박상훈 ((주)효성 타이어보강재 퍼포먼스유니트 산자사생산팀) , 전한용 (인하대학교 유기응용재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Securing the stability of waste landfill is very important of environmental and economic side. In order to secure the stability of waste landfill, slope stabilization is essential. In addition, slope stability is strongly influenced by the contact shear strength of geosynthetics used as barrier wall, so accurate contact shear strength between two interfacial materials can be an important factor for designing with landfills. Therefore, in this study, the friction characteristics on the fixed slope angle were analyzed by considering the actual application environmental condition between geomembrane and geotextile used in waste landfill. The friction characteristics between nonwoven geotextile and smooth type geomembrane increased as the slope angle increased. On the other hand, the frictional characteristics between nonwoven geotextile and textured type geomembrane tended to decrease with slope angle. Also, textured type geomembrane showed about 3 times higher frictional stresses than those of smooth type geomembrane, and textured type geomembrane was more affected by the slope angle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 사면 안정성은 차수재로 사용되는 토목합성재료들의 접촉전단강도에 큰 영향을 받으므로 각 재료간의 정확한 접촉전단강도 파악은 매립지 설계 시 매우 중요한 인자라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 매립지에 사용되는 지오텍스타일과 지오멤브레인의 실제 적용 환경을 고려해 고정된 사면에서의 마찰특성을 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 폐기물 매립지의 실제 시공환경을 고려하여 사면의 안정성을 확보하기 위한 경사각에 따른 사면에서의 전단특성 평가가 가능한 기기를 제작하여 토목합성재료의 전단거동을 고찰하였다.

제안 방법

0−45 °까지 각도조절이 가능한 상부, 하부상자에 각각 시료를 고정시키고 수직응력을 부여하며 수평방향으로 상부상자를 밀어내는 방식으로 토목합성재료 간 마찰응력(마찰저항력)을 평가할 수 있도록 하였다(Figure 2).
따라서 0−10 mm까지의 데이터는 실험 결과에 관련이 없는 데이터이며 실험 결과에도 영향을 주지 않아 실험 방법을 수정하지 않고 그대로 진행하였다.
상부상자에는 부직포 지오텍스타일, 하부상자에는 HDPE 지오멤브레인을 고정시켜 실험을 진행하였으며(Figure 4) 실험 각도는 0 °, 30 °, 45 °로, 수직응력은 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 실험속도는 10 mm/분으로 각각 설정하여 마찰응력을 측정하였다(Figure 5).
실제 적용 환경 즉, 사면에서 접촉전단강도를 평가하기 위한 마찰실험기를 주문제작 하였다. 이 기기는 토목합성재료의 마찰실험장치로 고안되었으며 기존의 전단실험기와 달리 경사각 조절이 가능한 방식으로 제작되었다.
지오멤브레인을 고정시켜 실험을 진행하였으며(Figure 4) 실험 각도는 0 o , 30 o , 45 o 로, 수직응력은 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 실험속도는 10 mm/분으로 각각 설정하여 마찰응 력을 측정하였다(Figure 5). 수평 이동 변위는 최대마찰응 력이 충분히 나타날 수 있는 50 mm로 설정하였다[14,15]

대상 데이터

본 실험에는 PET/PP 50:50의 니들펀칭 부직포 지오텍스타일과 두종류의 HDPE 지오멤브레인(smooth 타입, textured 타입)을 사용하였다. 시험 시공조건을 고려하여 시편은 모두 MD 방향으로 준비했으며 상부상자에 적용되는 부직포 지오텍스타일 30×30 cm²
시험 시공조건을 고려하여 시편은 모두 MD 방향으로 준비했으며 상부상자에 적용되는 부직포 지오텍스타일 30×30 cm2가, 하부상자에 적용되는 30×60 cm2의 크기로 준비하였다.

성능/효과

즉, 부직포를 구성하고 있는 섬유들은 고정된 형태가 아니므로 부직포가 경사면에 위치해 수직응력을 받게 되면 부직포를 구성하고 있는 섬유구성에 변화가 생겨 평지에 위치할 때보다 불규칙적인 구조를 띄게 된다. 따라서 두 시료 간 마찰력이 증가하게 되어 경사각이 증가할수록 부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰특성이 증가하는 것으로 생각된다. 부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰력이 매우 작아 경사각이 증가함에 따라 발생되는 부직포의 구조변화로 인한 마찰특성 증가효과가 중력 증가에 의한 마찰특성 감소 효과보다 크게 나타난 것으로 보인다.
부직포 지오텍스타일과 textured 타입 지오멤브레인의 실험에서는 수평이동변위 5−20 mm 사이에서 최대마찰력 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 smooth 타입 지오멤브레인에 비해 실험 초기에 정지마찰단계를 거친 후 운동마찰단계로 변하는 양상이 크게 나타났다. 표면 요철이 비교적 심한 textured 타입 지오멤브레인은 표면이 매끄러운 smooth 타입 지오멤브레인에 비해 수직응력에 의한 부직포 지오텍스타일과의 초기결합력이 크기 때문인 것으로 생각된다.
반면 부직포지오텍스타일과 textured 타입 지오멤브레인의 마찰실험 결과 경사각이 0 o일 때에 비해 경사각이 존재할 때 마찰특성이 감소하는 경향을 보였다. 또한 textured타입 지오멤브레인은 smooth 타입 지오멤브레인에 비해 약 3배 가량 마찰특성이 높게 나타났으며 textured 타입 지오멤브레인이경사각에영향을더많이받는것을알수있었다.
Figure 6(a)는 경사각 0 °에서의 그래프로 3가지 수직응력조건 모두 10 mm 부근에서 최대마찰응력을 나타낸다. 또한 경사각이 증가함에 따라 마찰응력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰실험 결과 경사각이 증가함에 따라 마찰특성이 증가하였다. 반면 부직포지오텍스타일과 textured 타입 지오멤브레인의 마찰실험 결과 경사각이 0 o일 때에 비해 경사각이 존재할 때 마찰특성이 감소하는 경향을 보였다. 또한 textured타입 지오멤브레인은 smooth 타입 지오멤브레인에 비해 약 3배 가량 마찰특성이 높게 나타났으며 textured 타입 지오멤브레인이경사각에영향을더많이받는것을알수있었다.
따라서 두 시료 간 마찰력이 증가하게 되어 경사각이 증가할수록 부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰특성이 증가하는 것으로 생각된다. 부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰력이 매우 작아 경사각이 증가함에 따라 발생되는 부직포의 구조변화로 인한 마찰특성 증가효과가 중력 증가에 의한 마찰특성 감소 효과보다 크게 나타난 것으로 보인다. 따라서 smooth 타입 지오멤브레인을 사용할 경우에는 실제 경사면에서의 사용을 위해 시공 현장에서의 적절한 판단이 중요할 것으로 보인다.
부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰실험 결과 경사각이 증가함에 따라 마찰특성이 증가하였다. 반면 부직포지오텍스타일과 textured 타입 지오멤브레인의 마찰실험 결과 경사각이 0 o일 때에 비해 경사각이 존재할 때 마찰특성이 감소하는 경향을 보였다.
부직포 지오텍스타일과 textured 타입 지오멤브레인의 마찰특성은 경사각 0 °일 때에 비해 경사각이 존재할 때 감소하는 경향을 보였다(Table 3, Figure 9).
부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인의 수직응력에 따른 최대마찰응력 수치를 Table 2에 제시하였으며 이를 통해 산출된 마찰특성 값인 마찰계수와 마찰각을 Figure 7에 나타내었다. 여기서, 경사각이 증가함에 따라 중력의 영향이 증가하므로 마찰특성이 감소할 것으로 예상하였지만 부직포 지오텍스타일과 smooth 타입 지오멤브레인은 경사각이 증가할수록 마찰특성이 증가하는 반대 경향을 보였다. 이는 smooth 타입 지오멤브레인의 표면에는 요철이 거의 없기 때문에 이러한 경향은 부직포에 의한 것으로 판단할 수 있었다.
특수한 경우를 제외하고 45 ° 이상의 경사면을 갖는 매립지의 시공은 극히 드물게 일어나므로 45 °까지의 결과를 비교하면 smooth 타입 지오멤브레인의 마찰각이 4−5.5 °인데 비해 textured 타입 지오멤브레인의 마찰각은 14−21°로 약 3배 전후로 차이가 났으며 마찰계수 또한 약 3배 전후로 차이가 있었다.

후속연구

본 연구 결과를 통해 smooth 타입 지오멤브레인을 시공할 경우 평면에서의 마찰실험 값을 그대로 적용해도 안정성 측면에서 크게 무리가 없을 것으로 보이나 textured 타입 지오멤브레인 시공의 경우에는 경사각에 따른 사면에서의 마찰특성을 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다. 그러나 smooth 타입 지오멤브레인이 적용된 매립지에서도 사면파괴 사고가 발생한 사례가 있으므로 보다 이론적인 접근 및 다양한 현장조건을 포함한 분석적인 연구가 향후 필요할 것으로 사료된다.
본 연구 결과를 통해 smooth 타입 지오멤브레인을 시공할 경우 평면에서의 마찰실험 값을 그대로 적용해도 안정성 측면에서 크게 무리가 없을 것으로 보이나 textured 타입 지오멤브레인 시공의 경우에는 경사각에 따른 사면에서의 마찰특성을 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다. 그러나 smooth 타입 지오멤브레인이 적용된 매립지에서도 사면파괴 사고가 발생한 사례가 있으므로 보다 이론적인 접근 및 다양한 현장조건을 포함한 분석적인 연구가 향후 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐기물 매립지의 안정성 확보를 위한 매립지 설계 시 중요한 것은?	폐기물 매립지의 안정성 확보는 환경적, 경제적 면에서 매우 중요하다고 할 수 있으며 폐기물 매립지의 안정성 확보를 위해서는 사면 안정화가 필수적이다. 또한 사면 안정성은 차수재로 사용되는 토목합성재료들의 접촉전단강도에 큰 영향을 받으므로 각 재료간의 정확한 접촉전단강도 파악은 매립지 설계 시 매우 중요한 인자라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 매립지에 사용되는 지오텍스타일과 지오멤브레인의 실제 적용 환경을 고려해 고정된 사면에서의 마찰특성을 분석하였다.
	토목합성재료의 기능은?	토목합성재료는 각각 그 특성에 맞게 분리, 보강, 여과, 배수, 차수 등의 기능을 하며 최근에는 균열방지, 방수, 완충의 목적으로 터널, 옹벽, 사면보호, 폐기물 매립지 등에 사용된다. 특히 폐기물 매립지는 토목합성재료가 필수적으로 사용되어야하는 곳 중 하나로 분리, 보강, 차수 기능이 요구되며 지오텍스타일, 지오그리드, 지오네트, 지오멤브레인, 합성수지 점토라이너 등이 복합재료 형태로 쓰인다.
	토목합성재료 최근 사용되는 곳은?	토목합성재료는 각각 그 특성에 맞게 분리, 보강, 여과, 배수, 차수 등의 기능을 하며 최근에는 균열방지, 방수, 완충의 목적으로 터널, 옹벽, 사면보호, 폐기물 매립지 등에 사용된다. 특히 폐기물 매립지는 토목합성재료가 필수적으로 사용되어야하는 곳 중 하나로 분리, 보강, 차수 기능이 요구되며 지오텍스타일, 지오그리드, 지오네트, 지오멤브레인, 합성수지 점토라이너 등이 복합재료 형태로 쓰인다.

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상세보기
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상세보기
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ASTM D 1505, "Standard Test Method for Density of Plastics by the Density-Gradient Technique", 2010.
ASTM D 638, "Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics", 2014.
KS K ISO 12957-1, "Geosynthetics-Determination of Friction Characteristics-Part 1: Direct Shear Test", 2010.
KS K ISO 12957-2, "Geosynthetics-Determination of Friction Characteristics-Part 2: Inclined Plane Test", 2010.

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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