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문제 정의
- 본 논문에서는 석탄저회 중 회처리장에서 채취된 원상태의 매립회와 사용 목적에 따라 일정 입도로 정제된 저회, 그리고 국내에서 쉽게 얻을 수 있는 풍화토를 대상으로 성토 지반재료의 설계 시공에 필요한 기본적인 실내실험을 수행하여 토질특성을 비교하고자 하였다. 또한 성토재는 일반적으로 불포화 상태로 존재하게 되는데, 강우침투나 지하수위의 상승으로 인해 불포화 상태가 변할 수 있으므로 이에 따른 거동을 파악하기 위하여 각 석탄저회와 풍화토에 대하여 불포화토 실험을 수행하여 그 재료적 특 성을 제시하였다.
제안 방법
- 24시간동안 공기압을 일정하게 가하면서 시료 내부로부터 물의 유출이 더 이상 발생하지 않으면 공기압 밸브를 잠그고 container에서 시료를 꺼내 가능한 빠른 시간내에 직접전단상자에 안치하여 전단실험을 수행하였다 [그림 6
- SWC-150 (GCTS) 압력판추출실험장비(Volumetric Pressure Plate Extractor, VPPE)를 이용하여 RBA와 BA 시료에 대한 함수특성 실험을 수행하였다. 3 kPa 보다 작은 모관흡수력 범위에서는 시료 내부에 직접부의 간극수압을 유발하여 함수비 변화를 측정하는 hanging column 기법을 적용하고 3 kPa보다 큰 모관흡수력에서는 외부 셀에 공기압을 가하여 모관흡수력을 유발시키는 축변환기법을 적용하였다. 그림 3(a)는 함수특성곡선 실험 장비의 외부 모습이고 (b)는 내부 세라믹판 위에 RBA 시료가 안치된 모습을 보여주 고 있다.
- 본 실험에서는 모관흡수력 10 kPa. 50 kPa, 100 kPa 단계에 대해 실험을 수행하였으며, 구속압은 상재하중이 37 kPa로 일정하게 유지 되도록 하였다. 그림 6(c)는 RBA와 BA에 대한 직접전단실험 후 건조된 모습을 보여준다.
- 함수특성곡선은 흙 속의 물의 양과 모관흡수력과의 관계로 정의되며, 물의 양은 중량 함수비, 체적함수비, 또는 포화도로 나타낼 수 있다. SWC-150 (GCTS) 압력판추출실험장비(Volumetric Pressure Plate Extractor, VPPE)를 이용하여 RBA와 BA 시료에 대한 함수특성 실험을 수행하였다. 3 kPa 보다 작은 모관흡수력 범위에서는 시료 내부에 직접부의 간극수압을 유발하여 함수비 변화를 측정하는 hanging column 기법을 적용하고 3 kPa보다 큰 모관흡수력에서는 외부 셀에 공기압을 가하여 모관흡수력을 유발시키는 축변환기법을 적용하였다.
- WS와 RBA의 강도특성을 비교하기 위하여 다짐시험을 통해 얻어진 표 2와 같은 최대건조단위중량의 95% 밀도와 최적함수비로 시료를 성형한 후, 삼축압축시험을 수행하였다. 압밀배수(Consolidated Drain, CD)조건에서 수행한 실험 결과 유효점착력과 내부마찰각은 표 2와 같다.
- 본 논문에서는 석탄저회 중 회처리장에서 채취된 원상태의 매립회와 사용 목적에 따라 일정 입도로 정제된 저회, 그리고 국내에서 쉽게 얻을 수 있는 풍화토를 대상으로 성토 지반재료의 설계 시공에 필요한 기본적인 실내실험을 수행하여 토질특성을 비교하고자 하였다. 또한 성토재는 일반적으로 불포화 상태로 존재하게 되는데, 강우침투나 지하수위의 상승으로 인해 불포화 상태가 변할 수 있으므로 이에 따른 거동을 파악하기 위하여 각 석탄저회와 풍화토에 대하여 불포화토 실험을 수행하여 그 재료적 특 성을 제시하였다. 결론적으로 성토재로 많이 활용되는 풍화토의 특성과 비교하여 석탄저회가 성토 대체 재료로 활용할 수 있는지 판단하고자 한다.
- 본 연구에서는 석탄회에 대한 공학적 특성을 파악하고 풍화토의 특성과 비교하기 위하여 원상태 석탄저회(RBA)와 정제된 석탄저회(BA), 그리고 풍화토(WS)에 대해서 삼축압축시험과 함수특성실험, 불포화 직접전단실험을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 원상태의 매립저회(Reclaimed Bottom Ash, RBA)와 일정 입도로 정제된 매립저회 (Bottom Ash, BA), 풍화토(Weathered Soil, WS)에 대한 토질 실내실험(비중실험, 입도분류실험, 투수실험, 다짐실험, 삼축실험)을 수행하여 각 시료별 물리특성 및 역학특성을 파악하였다.
- 하지만 WS 시료의 경우 모관흡수력 50 kPa에서의 전단강도 값이 포화 상태에서 전단강도값보다 크게 증가하지 않고 있다. 불포화 강도실험은 직접전단실험을 통해 구속압이 37 kPa로 비교적 작은 상태에서 수행되었지만 포화 강도실험은 삼축압축실험을 이용하여 200 kPa의 높은 구속압에서 수행되었다. Mohr-Coulomb 파괴규준은 실제 비선형적인 형태를 보여주는데, 이를 선형관계로 표현할 경우 높은 구속압 상태의 실험결과가 영향을 끼쳐 낮은 구속압 범위에서 강도값이 과하게 나타나는 경향이 있다.
- 불포화 상태에서의 강도값을 구하기 위하여 불포화 시료에 대한 직접전단실험을 수행하였다. 불포화 상태는 Pressure plate extractor (Soilmoisture Equipment Corp.
- 본 실험결과로부터 얻어진 연속적인 함수특성곡선과 각 맞춤변수들은 그림 4(a)에 나타나 있다. 풍화토에 대한 함수특성곡선은 기존에 많이 수행되었으며 입도분포와 간극비를 이용하여 추정할 수 있으므로(이승래 등, 2009b), WS 시료에 대한 함수특성실험 대신 입도분포로부터 함수특성곡선을 추정하였으며, 그 결과를 그림 4에서 보여주고 있다. 그림 4(a)에서 해치된 부분은 이승래 등 (2009a)가 제시한 국내 풍화토에 대한 함수특성곡선의 분포범위를 보여준다.
데이터처리
- WS, RBA, BA 시료에 대한 물리특성을 파악하기 위하여 입도분류시험(KS F 2302, 2309)과 비중시험 (KS F 2308)을 수행하였으며, 그 결과는 그림 1과 표 1에 나타나 있다. 비중은 WS의 경우 2.
이론/모형
- 불포화 투수곡선은 모관흡수력 상태에 따라 투수값이 변하는 특성을 보여준다. Fredlund 등(1994)이 제안한 식(2)과 같은 적분형식을 통하여 불포화 투수계수 곡선을 추정하였다.
성능/효과
- (1) RBA와 WS에 대한 삼축실험결과, 유효점착력은 WS가, 내부마찰각은 RBA가 크게 나타났다.
- (2) RBA와 BA의 수분저류특성이 모두 국내 풍화토에 대한 함수특성곡선 범위 내에 분포하는 것으로 나타났으며 WS와 RBA는 100 kPa 모관흡수력 범위에서 모관흡수력 증가에 따라 포화도 감소가 유사하게 나타났다.
- (3) 추정된 상대투수계수의 경우 모관흡수력이 증가할수록 WS가 가장 완만하게 투수계수가 감소하는 것으로 나타났으며, RBA와 BA는 유사한 감소경향을 보여주었다.
- (4) 풍화토와 석탄저회에 대한 불포화 적접전단실험 결과 모두 모관흡수력이 증가할수록 불포화 전단강 도값도 증가하는 것으로 나타났다. 특히 WS와 RBA는 50 kPa와 100 kPa 모관흡수력에서 유사한 전단강도값을 보여주었다.
- (5) 결론적으로 WS와 RBA는 비교적 유사한 공학적 특성을 보여주어 풍화토의 대체성토재로 석탄저회가 충분히 역할을 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 그림 4(a)에서 해치된 부분은 이승래 등 (2009a)가 제시한 국내 풍화토에 대한 함수특성곡선의 분포범위를 보여준다. WS, RBA, BA 모두 이 범위 내에 나타나고 있으며, 따라서 석탄저회의 모관흡수력과 함수비의 관계특성, 즉 함수특성곡선이 풍화토와 유사하게 나타날 수 있음을 보여준다
- 5°)와 비교해보면, 다른 회처리장에서 얻어진 재료인 점을 감안하면 비교적 유사한 값이라 할 수 있다. 또한 이 연구결과에서도 본 실험결과와 마찬가지로 마찰각은 석탄회가 크게 나타나고 점착력은 화강토가 크게 나타났다.
- BA의 경우 일정 입도를 정제하기 위해 스크린을 하게 되는데 이 과정에서 비회와 같은 세립분 성분도 걸러져서 모래질 성분의 입도분포를 보여주는 것으로 판단된다. 모든 시료에서 균등계수(Cu)는 10보다 크고 곡률계수(Cc)는 1보다 작은 값을 가지는 것으로 나타났다. 그러나 석탄회의 경우 석타재료, 회처리장 저장 위치 등에 따라 입도차이가 매우 크게 나타나므로 입도에 대한 영향을 고려할 필요가 있다.
- 통일분류법(Unified Soil Classification System)에 따라 분류하면, WS와 RBA는 SM인 반면 BA는 SP로 나타났다. 세립분 함유량을 나타내는 200번체 통과량을 살펴보면, WS와 RBA는 31.4%와 42.7%로 높게 나타났으나 BA는 4.8%로 세립분 함 유량이 적은 것으로 확인되었다. BA의 경우 일정 입도를 정제하기 위해 스크린을 하게 되는데 이 과정에서 비회와 같은 세립분 성분도 걸러져서 모래질 성분의 입도분포를 보여주는 것으로 판단된다.
후속연구
- WS, RBA, BA에 대한 실내실험결과를 이용하여 추후 현장실험 및 수치해석을 통해 침투특성과 이에 따른 침하 및 지지력 특성을 비교하면 대체성토재로서 석탄저회의 활용이 가능함을 더욱 명확히 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 성토재는 일반적으로 불포화 상태로 존재하게 되는데, 강우침투나 지하수위의 상승으로 인해 불포화 상태가 변할 수 있으므로 이에 따른 거동을 파악하기 위하여 각 석탄저회와 풍화토에 대하여 불포화토 실험을 수행하여 그 재료적 특 성을 제시하였다. 결론적으로 성토재로 많이 활용되는 풍화토의 특성과 비교하여 석탄저회가 성토 대체 재료로 활용할 수 있는지 판단하고자 한다.
- Mohr-Coulomb 파괴규준은 실제 비선형적인 형태를 보여주는데, 이를 선형관계로 표현할 경우 높은 구속압 상태의 실험결과가 영향을 끼쳐 낮은 구속압 범위에서 강도값이 과하게 나타나는 경향이 있다. 따라서 동일한 실험기법으로 직접전단실험을 이용하여 각 시료에 대한 포화 강도실험과 낮은 모관흡수력 단계에서의 불포화 강도 실험이 추가적으로 진행되면 포화 및 불포화 상태 변화에 따른 강도 변화가 더욱 명확히 나타날 것으로 판단된다.
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