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문제 정의
- 특히 하상 물질이 점착성을 띠는 경우 재료가 가지는 복잡한 토질특성에 비해 수행된 연구는 턱없이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 점착성 토양인 카올리나이트의 침식특성을 분석하고 토성치와의 상관관계를 알아보고자 세굴률 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 균질하게 성형된 시료를 세굴률 시험기에 장착하여 피스톤을 통해 시료를 1mm씩 돌출시키면서 관속을 흐르는 물에 의해 침식되는 흙의 양을 측정하였다(그림 2). 시료상승장치의 정도와 육안관측의 현실을 고려하여 1mm를 침식의 최소단위로 규정하였으며, 각 시료에 대하여 1시간동안 약 1mm의 침식을 발생시키기 바로 직전의 물의 유속을 세굴이 발생하기 시작하는 한계유속(critical velocity)으로 정의하고 이때 흙이 받는 전단응력을 한계전단응력(critical shear stress)으로 정의하였다(Briaud et al.
- 선결조건이다. 균질한 재성형 시료를 만들기 위하여 우선 카올리나이트를 각각 증류수와 1:1의무게비율로 골고루 교반하여 슬러리 상태를 만들었다. 이후 슬러리를 시료성형 몰드에 주입하고 공기 배출 및 슬러리 안정화를 위하여 1일간 방치하였다.
- 세굴률 시험기를 통해 지반의 침식률을 그에 상응하는 유속과 전단응력에 대해 간편하게 예측할 수 있으며, 현장에서 채취한 불교란 시료뿐만 아니라 실험실에서 재성형한 시료에 대해서도 침식률 측정이 가능하다. 본 연구에서는 카올리나이트와 물을 1:1로 혼합한 슬러리를 60kPa ~ 360kPa의 다양한 성형 하중으로 재성형한 시료들에 대하여 유속에 따른 침식률을 측정하였다. 실험결과 성형하중에 따라 카올리나이트의 침식특성은 뚜렷한 차이를 보였으며, 함수비, 비배수전단강도, 건조단위중량 등 재성형한 카올리나이트의 여러 토성치들과 침식률의 상관관계를 밝혔다.
- 최종 성형하중은 60, 110, 160, 240, 360kPa의 5종류로 성형하였다. 성형된 시료에 대하여 초기함수비를 측정하고 토베인 시험기를 사용하여 전단강도를 측정하였다. 세굴률 시험기(그림 1)에 시료를 장착하기에 앞서 시료성형기 몰드의 윗부분과 시료표면이 일치하도록 매끄럽게 다듬어 초기 흐름의 안정성을 꾀하였다.
- 성형된 시료에 대하여 초기함수비를 측정하고 토베인 시험기를 사용하여 전단강도를 측정하였다. 세굴률 시험기(그림 1)에 시료를 장착하기에 앞서 시료성형기 몰드의 윗부분과 시료표면이 일치하도록 매끄럽게 다듬어 초기 흐름의 안정성을 꾀하였다.
- 액.소성한계시험을 실시하여 토질특성을 분석하였다. 입도분석시험결과 #200체를 100% 통과하여 비중계 분석에 의하여 입도분석을 실시하였으며, 실험에 사용된 카올리나이트의 물리적 특성은 표 1과 같다.
- 실험을 위하여 흐름에 대한 지반의 침식저항력을 정량화할 수 있는 세굴률 시험기를 사용하였다. 세굴률 시험기를 통해 지반의 침식률을 그에 상응하는 유속과 전단응력에 대해 간편하게 예측할 수 있으며, 현장에서 채취한 불교란 시료뿐만 아니라 실험실에서 재성형한 시료에 대해서도 침식률 측정이 가능하다.
- 이후 슬러리를 시료성형 몰드에 주입하고 공기 배출 및 슬러리 안정화를 위하여 1일간 방치하였다. 안정화된 슬러리에 하중을 가하여 압밀을 진행시켰다. 하중은 5~6단계로 나누어 각각의 단계에 대해 24시간동안 재하하였다.
- 균질한 재성형 시료를 만들기 위하여 우선 카올리나이트를 각각 증류수와 1:1의무게비율로 골고루 교반하여 슬러리 상태를 만들었다. 이후 슬러리를 시료성형 몰드에 주입하고 공기 배출 및 슬러리 안정화를 위하여 1일간 방치하였다. 안정화된 슬러리에 하중을 가하여 압밀을 진행시켰다.
- 지반의 침식특성을 정량화할 수 있는 세굴률 시험기를 사용하여 60kPa ~ 360kPa의 다양한 성형 하중으로 재성형한 카올리나이트에 대한 세굴률 실험을 실시하고 토성치와의 상관성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- (1) 세굴률 시험기는 유속에 따라 침식이 발생되는 흙의 양을 측정하고 그 유속에 의해 흙의 표면에 발생하는 전단응력을 계산함으로써 지반의 침식률을 하상에서 발생하는 전단응력으로 정량화할 수 있다.
- (2) 성형하중이 증가할수록 즉, 단위중량과 전단강도가 증가함에 따라 한계전단응력은 뚜렷하게 증가하는 양상을 보였다. 따라서 단위중량과 전단강도가 큰 지반일수록 세굴에 대한 저항력이 크며, 동일한 유속과 그로 인한 전단응력에 대해 더 작은 세굴이 발생함을 알 수 있었다.
- (4) 카올리나이트의 세굴률 실험결과에서 전단응력이 증가함에 따라 특정한 침식률에 수렴하는 경향을 보였다. 따라서 카올리나이트의 침식특성은 특정유속 이상에서는 유속이 증가하더라도 침식률이 동반증가 하지 않으며 특정한 한계침식률을 가지는 것으로 판단된다.
- (5) 비배수 전단강도와 건조단위중량이 클수록 시료의 한계전단응력은 증가하는 경향을 보였으며 이들의 상관관계는 상당히 높게 나타났다. 향후 다양한 흙에 대한 많은 추가실험을 통해 보다 정밀한 분석이 요구되지만 전단응력과 토성치의 상관관계를 통한 국내 지반의 세굴특성 예측의 가능성을 시사하는 의미 있는 결과라 할 수 있다.
- 양상을 보였다. 따라서 단위중량과 전단강도가 큰 지반일수록 세굴에 대한 저항력이 크며, 동일한 유속과 그로 인한 전단응력에 대해 더 작은 세굴이 발생함을 알 수 있었다.
- 또한 전단응력이 증가함에 따라 관계곡선은 특정한 침식률에 수렴하는 경향을 보였으며, 특히 성형하중이 110, 160, 240kPa인 경우는 홍수시 유속범위에서 100mm/hr 전후의 침식률에 수렴하였다. 따라서 카올리나이트의 침식특성은 특정유속 이상에서는 유속이 증가하더라도 침식률이 동반증가 하지 않으며 특정한 한계침식률을 가지는 것으로 판단된다.
- 따라서 단위 중량과 전단 강도가 큰 지반일수록 세굴에 대한 저항력이 크며 동일한 유속과 그로 인한 전단응력에 대해 더 작은 세굴이 발생할 것이다. 또한 전단응력이 증가함에 따라 관계곡선은 특정한 침식률에 수렴하는 경향을 보였으며, 특히 성형하중이 110, 160, 240kPa인 경우는 홍수시 유속범위에서 100mm/hr 전후의 침식률에 수렴하였다. 따라서 카올리나이트의 침식특성은 특정유속 이상에서는 유속이 증가하더라도 침식률이 동반증가 하지 않으며 특정한 한계침식률을 가지는 것으로 판단된다.
- 토성치의 경우 세 가지 점토 모두 성형하중이 증가할수록 함수비는 감소하고 건조단위 중량과 전단강도 등은 증가하는 일반적인 경향을 보였다. 벤토나이트의 경우에는 그 차이가 보다 뚜렷한 경향을 보였으며, 다른 두 종류의 점토에 비해 건조단위중량은 가장 작은 반면, 함수비와 비배수 전단 강도는 가장 큰 값을 보였다.
- 비 배수 전단강도와 건조단위중량이 클수록 시료의 한계전단응력은 증가하는 경향을 보였으며 이들의 상관관계는 상당히 높게 나타났다. 특히 건조단위중량에 대한 상관성이 더 크게 나타났다.
- 성형하중이 증가할수록 즉, 단위중량과 전단강도가 증가함에 따라 한계전단응력은 뚜렷하게 증가하는 양상을 보였으며, 세굴률-전단응력 관계곡선의 기울기는 감소하는 경향을 보였다. 따라서 단위 중량과 전단 강도가 큰 지반일수록 세굴에 대한 저항력이 크며 동일한 유속과 그로 인한 전단응력에 대해 더 작은 세굴이 발생할 것이다.
- 본 연구에서는 카올리나이트와 물을 1:1로 혼합한 슬러리를 60kPa ~ 360kPa의 다양한 성형 하중으로 재성형한 시료들에 대하여 유속에 따른 침식률을 측정하였다. 실험결과 성형하중에 따라 카올리나이트의 침식특성은 뚜렷한 차이를 보였으며, 함수비, 비배수전단강도, 건조단위중량 등 재성형한 카올리나이트의 여러 토성치들과 침식률의 상관관계를 밝혔다.
- 토성치의 경우 세 가지 점토 모두 성형하중이 증가할수록 함수비는 감소하고 건조단위 중량과 전단강도 등은 증가하는 일반적인 경향을 보였다. 벤토나이트의 경우에는 그 차이가 보다 뚜렷한 경향을 보였으며, 다른 두 종류의 점토에 비해 건조단위중량은 가장 작은 반면, 함수비와 비배수 전단 강도는 가장 큰 값을 보였다.
후속연구
- 따라서 카올리나이트의 침식특성은 특정유속 이상에서는 유속이 증가하더라도 침식률이 동반증가 하지 않으며 특정한 한계침식률을 가지는 것으로 판단된다. 이는 홍수시 발생할 수 있는 세굴 심 예측에 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 상관관계는 상당히 높게 나타났다. 향후 다양한 흙에 대한 많은 추가실험을 통해 보다 정밀한 분석이 요구되지만 전단응력과 토성치의 상관관계를 통한 국내 지반의 세굴특성 예측의 가능성을 시사하는 의미 있는 결과라 할 수 있다.
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