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문제 정의
- Thevanayagam (1998)은 일반적으로 20%에서 30%사이의 세립분 혼합비에서 이러한 간극비의 전환이 이루어진다고 하였다. 본 논문에서는 모래와 점토 혼합시료의 구조적 변화 및 간극비의 전환이 투수계수와 압밀계수에 미치는 영향에 대해서 검토하였다.
- 본 연구에서는 모래에 혼합된 점토의 혼합비에 의한 투수계수와 압밀계수의 영향분석을 위해 주문진 표준사와 오타와 샌드에 카올린 점토를 다양한 혼합비로 섞은 시료를 제작하여 연성벽체 투수시험을 실시하였다. 본 실험에서 사용된 시료 제작방법인 슬러리 압밀방법은 모래와 점토의 분리현상이 일어나지 않고 간극비의 균질성을 확보, 슬러리 압밀방법이 매우 유효함을 확인하였다.
- 흙의 구조변화에 따른 간극비의 변화와 투수계수의 변화를 알아보기 위해 시료의 점토의 혼합비에 따른 구조변화를 알아보았다. 연성벽체시험에 수행된 시료들의 구조간극비와 점토함유비에 따른 비교를 그림 7에 나타내었다.
제안 방법
- 시료를 포화시킨 후 시료에 50kPa의 등방 구속압력을 가하여 2차 압밀 시킨다. 계획된 압밀스케줄에 의해 단계별로 구속압력을 증가시키며 투수시험을 실시한다. 투수시험중인 연성벽체 투수시험기가 그림 3에 보여지고 있다.
- 이와 같은 입자분리 또는 세립자의 이동이 일어날 경우 실험결과 얻어진 투수계수의 신뢰도가 떨어지며 점토의 혼합비가 낮은 시료와 혼합비가 높은 시료에서 얻어진 결과를 비교 분석할 때 신뢰도가 떨어지게 된다. 따라서 투수시험 실시 후 10.0%, 14.5%, 19%, 21.8%의 네가지 다른 혼합비의 시료에 대해 시료의 균질성 여부를 테스트하였다. 투수시험이 끝난 시료를 수직으로 5단으로 분리하여 각각의 세그먼트에 대해 점토의 혼합비와 함수비를 측정하였으며, 그 결과 각 세그먼트들 결과는 높이에 따라 점토의 함량비의 변화나 함수비의 변화가 미소하며 허용가능한 범위에 있었다.
- 본 연구에서는 국내에서 대표적인 실험용 표준사로 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 샌드에 카올리나이트 점토를 10%에서 30%사이의 다양한 비율로 혼합하여 시료를 제작한 후 연성벽체 투수시험을 수행하였다. 시험결과 시험이 실시된 카올린 점토 혼합범위에서는 로그 스케일에서 점토의 혼합비와 투수계수 및 압밀계수가 선형적 관계를 나타내었다.
- 연성벽체 투수시험에 앞서, 본 실험에서 사용된 슬러리 압밀방법에 대한 적정성 검토를 하였다. 시료의 점토함유량이 낮은 경우 슬러리 압밀방법에 의한 시료제작과정중 모래와 점토의 분리현상 (segregation)이 발생할 가능성이 있었고, 또한 시료가 입자분리현상 없이 등질의 시료가 만들어졌다 하더라도 점토의 혼합비가 낮으면 투수계수시험도중 점토입자들이 모래의 간극사이로 수압차에 의해 이동할 가능성도 배제할 수 없었다.
- 연성벽체 투수시험은 총 15개의 각기 다른 혼합비를 가진 혼합시료에 대해 수행되었다. 오타와 모래와 카올리나이트의 혼합시료는 9개의 다른 혼합비(10%, 14.
- 연성벽체 투수시험은 총 15개의 각기 다른 혼합비를 가진 혼합시료에 대해 수행되었다. 오타와 모래와 카올리나이트의 혼합시료는 9개의 다른 혼합비(10%, 14.5%, 15%, 16.6%, 19%, 21%, 21.8% 24%, 29.1%, kaolin clay)로 제작되어 실험이 수행되었으며, 주문진 표준사와 카올리나이트의 혼합시료는 6개 (16%, 17.5%, 18.5%, 22%, 22.2%, 25%, kaolin clay)의 다른 혼합비로 제작되어 실험이 수행되었다. 오타와 샌드와 카올리나이트 점토의 혼합시료는 앞서 설명한대로 시료를 제작한 후 등방 구속압력을 50kPa에서 70kPa, 100kPa, 150kPa, 220kPa의 4단계로 점차 증가시켜가면서 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다.
- 2%, 25%, kaolin clay)의 다른 혼합비로 제작되어 실험이 수행되었다. 오타와 샌드와 카올리나이트 점토의 혼합시료는 앞서 설명한대로 시료를 제작한 후 등방 구속압력을 50kPa에서 70kPa, 100kPa, 150kPa, 220kPa의 4단계로 점차 증가시켜가면서 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다. 한편 주문진 표준사와 카올리나이트 점토의 혼합시료의 경우 50kPa에서 100kPa, 150kPa, 220kPa 의 3단계로 등방구속압력을 증가시켜가며 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다.
- 5배 내지 2배에 준하는 물을 혼합하여 슬러리를 만들어 압밀할 경우 균질한 시료를 얻는 것으로 알려져 있다(Sridharan and Prakash, 2001). 하지만 모래의 혼합비가 큰 경우 제작된 시료의 균질성을 검증한 연구결과가 없으므로 이 방법으로 제작된 시료를 연성벽체투수시험 종료 후 시료를 종방향으로 5조각으로 분리한 후 각각의 조각에 대해 함수비와 카올리나이트 점토의 혼합비를 측정하여 시료의 균질성 여부를 검증하였다.
- 오타와 샌드와 카올리나이트 점토의 혼합시료는 앞서 설명한대로 시료를 제작한 후 등방 구속압력을 50kPa에서 70kPa, 100kPa, 150kPa, 220kPa의 4단계로 점차 증가시켜가면서 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다. 한편 주문진 표준사와 카올리나이트 점토의 혼합시료의 경우 50kPa에서 100kPa, 150kPa, 220kPa 의 3단계로 등방구속압력을 증가시켜가며 각 단계에서 투수계수와 압밀계수를 측정하였다. 각각의 구속압력 단계에서 정수두 투수시험을 실시하여 투수계수 k를 얻었으며, 식 (2)와 식 (3)에 의해 K0 상태에서의 mv가 얻어지고, 식 (4) 에 의해 cv가 계산된다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료는 국내에서 대표적인 실험용 표준사로 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 샌드에 카올리나이트 점토를 다양한 비율로 혼합하여 제작되었다. 주문진 표준사와 오타와 샌드의 일반적인 물성치는 다음과 같이 표 1에 나타내어지고 두 모래의 입도분포특성은 그림 1에 보여진다.
- , 2003). 시험을 위해 계획된 비율로 모래와 점토를 혼합한 슬러리를 압밀성형한 시료를 사용하였다. 연성벽체 투수시험에서 투수계수 k는 다음과 같은 식 (1)에 의해 얻어진다.
이론/모형
- 본 연구에서는 카올리나이트 점토의 혼합비가 10%에서 약 30%정도까지 되도록 계획하였으므로 모래에 주로 쓰이는 재성형 시료방법을 이용할 경우 재료분리가 우려되었다. 따라서 본 연구에서는 점성토가 공학적 성질을 결정하는 혼합시료에 일반적으로 사용되는 슬러리 압밀 기법을 사용하였다. 점토질 흙의 경우 소성한계의 약 1.
- 점토질이 포함된 모래의 정밀한 투수계수와 압밀계수를 측정하기 위해 본 연구에서는 ASTM D 5084의 규격에 따른 연성벽체 투수시험(flexible wall permeameter test)이 수행되었다. 각기 다른 혼합비에서의 투수계수 k와 mv , 그리고 두 값에 의해 cv가 계산되었다.
성능/효과
- 1. 투수계수는 등방압축응력의 증가에 따라 감소하는 경향을 보여주지만 큰 변화는 나타나지 않으며 카올리나이트 점토의 혼합비에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 2. 압축계수와 압밀계수의 결과는 모두 구속압력의 증가에 따른 영향이 적으며 투수계수와 동일하게 카올리나이트 점토의 혼합비에 영향을 받는 것으로 나타났다. 투수계수와 압밀계수를 지수그래프상에 나타내었을때 실험이 수행된 점토혼합비의 범위인 10%부터 30%의 사이에서 선형적 상관관계를 나타내었다.
- 3. 동일한 점토의 혼합비에서는 주문진 표준사와의 혼합시료가 오타와샌드 혼합시료에 대한 실험결과보다 투수계수와 압밀계수가 크게 나타났다. 이는 간극비 차이에 의한 영향으로 판단되며 점토의 혼합비가 증가할수록 차이가 감소하였다.
- 4. 주문진 표준사의 혼합시료는 점토의 혼합비가 22%정도 이상에서 부유구조로 바뀌고 오타와 샌드는 15%이상의 혼합비에서 부유구조로 바뀜을 확인하였다. 각각의 혼합시료가 부유구조로 바뀔 때의 시료의 투수계수는 1×10-6cm/sec 내외의 유사한 범위를 나타냈다.
- 5. 간극비-투수계수-혼합비에 대한 관계를 분석한 결과, 각각의 혼합시료가 부유구조로 바뀔 때 까지는 간극비가 일정한 경향을 나타내고 있으나 그 이상의 혼합비에서는 간극비가 증가하고 있음을 확인하였다. 즉, 투수계수는 점토입자가 구조를 지배하는 부유구조에서는 간극비와 상관관계를 가질 가능성이 있으나 안정구조에서는 점토의 혼합비에 따른 상관관계가 없는 것으로 판단된다.
- 그림 4의 (b)와 (c), 그림 5의 (b)와 (c)에 나타나고 있는 압축계수와 압밀계수의 결과는 모두 구속압력의 증가에 따라 큰 변화를 보이지 않으며 투수계수와 마찬가지로 카올리나이트 점토의 혼합비에 따라 변하고 있다. 그래프상에서 압축계수는 혼합비의 변화에 대해 10배 이내의 변화를 보이고 있으나 압밀계수는 혼합비의 변화에 따라 매우 큰 변화를 보여 오타와 샌드와의 혼합시료의 경우 혼합비가 10%에서 29%로 증가하는 동안 대략 500배 정도 감소되었고 주문진 표준사와 혼합된 경우 약 100배 정도 감소되었음을 볼 수 있다. 투수계수와 압밀계수의 카올리나이트 점토의 혼합비에 따른 관계는 그림 6에서 보여진다.
- 본 연구에서는 모래에 혼합된 점토의 혼합비에 의한 투수계수와 압밀계수의 영향분석을 위해 주문진 표준사와 오타와 샌드에 카올린 점토를 다양한 혼합비로 섞은 시료를 제작하여 연성벽체 투수시험을 실시하였다. 본 실험에서 사용된 시료 제작방법인 슬러리 압밀방법은 모래와 점토의 분리현상이 일어나지 않고 간극비의 균질성을 확보, 슬러리 압밀방법이 매우 유효함을 확인하였다. 연성벽체 투수시험 결과는 다음과 같다.
- 이들 실험시료 제작방법들은 모래 또는 모래와 실트가 혼합된 시료의 상대밀도를 균질하게 하고 혼합토의 경우 일정한 혼합비를 유지하는 것으로 검증되어 있다. 본 연구에서는 카올리나이트 점토의 혼합비가 10%에서 약 30%정도까지 되도록 계획하였으므로 모래에 주로 쓰이는 재성형 시료방법을 이용할 경우 재료분리가 우려되었다. 따라서 본 연구에서는 점성토가 공학적 성질을 결정하는 혼합시료에 일반적으로 사용되는 슬러리 압밀 기법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 대표적인 실험용 표준사로 사용되고 있는 주문진 표준사와 북미의 대표적인 실험용 표준사인 오타와 샌드에 카올리나이트 점토를 10%에서 30%사이의 다양한 비율로 혼합하여 시료를 제작한 후 연성벽체 투수시험을 수행하였다. 시험결과 시험이 실시된 카올린 점토 혼합범위에서는 로그 스케일에서 점토의 혼합비와 투수계수 및 압밀계수가 선형적 관계를 나타내었다. 또한 실험이 실시된 혼합비의 범위 내에서 투수계수 및 압밀계수와 간극비와 상호관계를 그래프로 나타내었으며, 이 결과는 흙의 구조적 특성에 의해 설명되었다.
- 그림 4(a)와 그림 5(a)에서 나타나듯이 투수계수는 등방압축응력의 증가에 따라 감소하는 경향을 보여주지만 큰 변화를 보여주지는 않으며 그보다는 카올리나이트 점토의 혼합비에 따라 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 오타와 샌드와의 혼합시료의 경우 혼합비가 10%에서 29%로 증가하는 동안 투수계수는 대략 100배 정도 감소되었음을 볼 수 있고 주문진 표준사와 혼합된 경우 혼합비가 16%에서 25%로 증가하는 동안 약 50배 정도 감소되었음을 볼 수 있다. 그림 4의 (b)와 (c), 그림 5의 (b)와 (c)에 나타나고 있는 압축계수와 압밀계수의 결과는 모두 구속압력의 증가에 따라 큰 변화를 보이지 않으며 투수계수와 마찬가지로 카올리나이트 점토의 혼합비에 따라 변하고 있다.
- 압축계수와 압밀계수의 결과는 모두 구속압력의 증가에 따른 영향이 적으며 투수계수와 동일하게 카올리나이트 점토의 혼합비에 영향을 받는 것으로 나타났다. 투수계수와 압밀계수를 지수그래프상에 나타내었을때 실험이 수행된 점토혼합비의 범위인 10%부터 30%의 사이에서 선형적 상관관계를 나타내었다.
- 8%의 네가지 다른 혼합비의 시료에 대해 시료의 균질성 여부를 테스트하였다. 투수시험이 끝난 시료를 수직으로 5단으로 분리하여 각각의 세그먼트에 대해 점토의 혼합비와 함수비를 측정하였으며, 그 결과 각 세그먼트들 결과는 높이에 따라 점토의 함량비의 변화나 함수비의 변화가 미소하며 허용가능한 범위에 있었다.
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