초록 ▼

IV. 연구의 내용 및 결과
1. 당해연도 연구목표 및 내용
연구의 범위는 크게 “비가역성 흙 혼합물 성능 강화를 위한 재료 개선”, “국내·외 대표 흙에 대한 최적 배합 조건 도출” 및 “지반공학적 거동에 대한 종합적인 검증”으로 세분화하였다. 단계별 연구 목표 달성을 통해 세계 최초 물에 녹지 않는 친환경 흙 개량 방법을 개발하고자 하였다.

1차년도(2013년)
연구목표
◦ 비가역성 흙 혼합물 성능 강화를 위한 재료 개선
◦ 국내·외 대표 흙에 대한 최적 배합 조건 도출
◦ 지반공학적

IV. 연구의 내용 및 결과
1. 당해연도 연구목표 및 내용
연구의 범위는 크게 “비가역성 흙 혼합물 성능 강화를 위한 재료 개선”, “국내·외 대표 흙에 대한 최적 배합 조건 도출” 및 “지반공학적 거동에 대한 종합적인 검증”으로 세분화하였다. 단계별 연구 목표 달성을 통해 세계 최초 물에 녹지 않는 친환경 흙 개량 방법을 개발하고자 하였다.

1차년도(2013년)
연구목표
◦ 비가역성 흙 혼합물 성능 강화를 위한 재료 개선
◦ 국내·외 대표 흙에 대한 최적 배합 조건 도출
◦ 지반공학적 거동에 대한 종합적인 검증
연구내용
◦ 발굴 바이오폴리머의 특성 파악 및 개선
◦ 다양한 물리·화학적 처리 방법에 대한 검증
◦ 국내·외 대표 흙과 비가역 바이오폴리머 혼합 시료에 대한 성능 평가
◦ 경제성/성능 분석을 통한 최적 배합 도출
◦ 혼합토에 대한 일축압축, 전단강도 평가
◦ 혼합토에 대한 침식 특성 평가
◦ 바이오폴리머 혼합토의 비파괴 물리탐사 및 동적거동 특성 평가

2. 대표성과
본 연구의 주요 대표성과는 ① 수중지반에서 침식 저항성을 향상시킬 수 있는 최적의 바이오폴리머 도출, ② 열적젤화 바이오폴리머 처리 기법 개발이다. 본 연구를 통해 세계 최초 친환경 비가역 흙 침식 저항 기술을 완성할 수 있었다.

가. 대표 바이오폴리머 조사 및 선정
수중 지반의 침식 저항에 적합한 최적의 바이오폴리머를 도출하기 위하여 상용 바이오폴리머의 종류 및 특징을 분석하고, 열적젤화 특성을 가지고 있는 Gellan gum과 Agar의 일축압축강도를 비교·분석하여 최적의 바이오폴리머를 도출하였다. 시편의 바이오폴리머의 함유량은 sand+kaolinite의 질량에 대하여 1%를 첨가하였으며, Mixing을 실시한 후 시편을 제작하여 압축강도를 측정하였다. 실험결과, Gellan gum 바이오폴리머를 사용한 경우가 Agar를 사용한 경우보다 거의 모든 경우에서 0.95∼1.91배 압축강도가 크게 나타났다
따라서 수중지반의 침식 저항 향상을 위해 Agar보다는 Gellan gum을 이용하는 것이 타당 하다고 판단된다

나. 바이오폴리머 혼합토의 강도 평가
현장발생토와 Gellan gum 바이오폴리머 처리된 현장발생토의 비배수 전단강도를 비교하기 위해 실내 베인 시험을 수행하였다. 같은 함수비 조건에서 바이오폴리머 처리토의 전단강도가 현장토의 전단강도보다 상당히 증가하는 것을 확인하였다. 또한 카올리나이트의 함량이 높을수록 전단강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
바이오폴리머 처리된 흙 중 모래의 경우 다른 조건의 흙보다 전단강도가 낮게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 바이오폴리머 처리된 사질토에 대해서는 다양한 실내시험을 통해 지반공학 거동 분석을 실시하였다.

다. 열적젤화 바이오폴리머 처리 기법 개발
시험방법에 따라 시편의 크기나 모양은 다소 달라지나 궁극적으로 흙과 바이오폴리머를 혼합하는 방법은 일치한다. 일단 고온의 증류수 용매에서 바이오폴리머를 용해하여 점성이 낮은 바이오폴리머 수용액을 조성한 후 마찬가지로 가열된 흙을 준비한다. 흙을 가열하는 이유는 흙과 바이오폴리머 수용액 혼합 시 재료 간 온도차이로 인한 급격한 냉각을 방지하기 때문이다. 냉각이 너무 빨리 이루어지면 균질한 혼합체를 형성하기 전에 부분적으로 젤을 형성하여 전반적으로 연속적인 흙-바이오폴리머 혼합물을 형성하지 않기 때문이다. 고온의 흙-바이오폴리머 혼합물은 시험 특성에 맞게 성형된 후 실내실험을 수행하게 된다.

라. 열적젤화 바이오폴리머 처리 흙의 지반공학거동 평가
열적젤화 젤란검 바이오폴리머 처리 흙의 강도 증진 및 지반공학적 거동 특성을 규명하기 위해 수중 침식에 취약한 사질토를 대상으로 실내 실험 연구를 진행하였다. 시험법에 따른 흙-바이오폴리머 혼합토의 특성은 다음 표와 같다.
투수계수시험 결과에 의하면 젤란검의 함유량이 높아질수록 투수계수가 확연히 감소함을 알 수 있다. 특히, 처리하지 않은 느슨한 자연 사질토가 2.11 × 10-4 cm/s의 투수계수를 보인 반면, 1% 젤란검 처리의 경우에는 이보다 10,000 배 감소한 2.64 × 10-8 cm/s의 값을 보인다.
불구속압축강도시험 결과에 의하면 시편의 함수비와 압축강도간 상관관계를 나타내며 아무런 처리하지 않은 사질토의 불구속 압축강도가 0인 점에 비추어 볼 때 젤란검 처리가 흙의 구조적 강도를 크게 향상시킴을 확인할 수 있다. 특히 함수비 25% 조건은 건조 없이 포화된 시편들의 강도를 나타낸다. 이 경우에도 압축강도가 10∼45 kPa의 값을 나타내어 수중 지반 조건에서도 젤란검 처리가 매우 효과적임을 확인할 수 있다.
직접전단시험 결과에 의하면 같은 구속압 조건에 대해 최대전단강도는 “무처리 < 포화 < 건조” 순으로 증가함을 확인할 수 있다. 포화상태 시료의 경우, 아무런 처리하지 않은 모래와 비슷한 변위-응력 거동을 보이는 것으로 보아 함수비가 높은 경우 젤란검이 낮은 변위에서 교란된 후 이후의 거동은 일반 모래와 비슷하게 거동함을 의미한다. 반면, 건조된 젤란검처리 모래의 경우 상당히 높은 변위 조건에서도 강도 증진 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이는 함수비가 낮은 상태에서 젤란검의 강성이 급격히 증가하고, 더불어 모래 입자들 사이 사이 고결(cementation) 효과가 있음을 나타낸다.
아무런 처리가 없는 모래와 비교하여 젤란검 처리가 흙의 내부점착력(cohesion)을 각각 25.6 kPa (포화)와 71.8 kPa (건조)로 증가시킴을 확인할 수 있다. 반면에 흙의 입자간 마찰각은 34.3°에서 34.9° 또는 34.2° 의 값을 보여 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 이를 통해 사질토에 대한 젤란검 처리는 입자간 점착력 증진이 주된 강도 증진 매커니즘을 확인할 수 있다.
삼축압축시험결과, 아무런 처리를 하지 않은 사질토와 건조상태의 1% 젤란검 처리 사질토는 비록 최대응력은 다르지만, 파괴에 도달하는 임계변위는 4.5%∼6.8% 범위 내로 비슷한 반면, 포화상태의 1% 젤란검의 임계변위는 20%에 이를 정도로 매우 큰 사실을 확인할 수 있다. 이는 젤란검 자체의 특성에 기인하는 것으로써 건조 상태에서 젤란검의 강도는 매우 크나, 취성(brittle) 거동을 보이는 반면, 포화상태에서는 절대적인 강도는 낮으나 큰 변위에 대한 저항이 좋은 연성(ductile) 거동을 보임을 확인할 수 있다.
직접전단시험 결과와 마찬가지로 포화상태 젤란검 1% 처리의 점착력 증진 효과가 20 kPa 내외로 비슷한 결과를 나타낸 반면, 건조 상태에서의 점착력은 거의 100 kPa로써 매우 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 등방구속에 따른 내부 강성 증진 효과를 확인된다. 결과적으로 직접전단시험결과와 삼축압축시험결과를 종합하면 사질토에 대한 젤란검 처리는 강도 증진 효과는 건조상태에서 좋은 반면, 침식 및 변위가 많이 유발되는 조건에서는 포화 상태일 때 효과적임을 확인할 수 있었으며, 이를 토대로 젤란검 처리가 수중 사질토 지반 침식 저감에 효과적임을 재차 확인할 수 있었다.
동적공진주 시험 결과에 의하면 낮은 구속압 조건에서는 젤란검 처리 사질토의 전단탄성 계수가 일반 사질토보다 높게 나옴을 확인할 수 있다. 하지만 구속압이 증가할수록 젤란검처리의 효과는 감쇠됨을 확인할 수 있다. 하지만 포화상태의 경우에는 구속압이 증가하는 경우에도 사질토 지반의 전단강성 증진에 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이는 앞서 삼축압축시험에서 도출된 결과와 같은 맥락으로 설명될 수 있다. 즉, 연성(ductile) 거동을 보이는 고함수비의 젤란검은 동적변위에 대해서도 매우 안정되게 구조를 유지한다는 점으로 해석된다. 또한, 얕은 심도에서 효과가 더 좋다는 사실은 기존의 지반 고결 및 개량 분야에서는 기대할 수 없었던 효과로써 향후 다양한 천층 처리에 젤란검 및 바이오폴리머 처리가 폭넓게 활용될 수 있음을 의미한다.
또한, 건조, 포화 상태에 상관없이 젤란검 1% 처리 흙이 아무런 처리하지 않은 흙에 비해 감쇠비가 월등히 높음을 알 수 있다. 따라서 젤란검을 비롯한 바이오폴리머 처리가 지반의 동적 안정성 향상에 매우 효과적임을 확인할 수 있으며, 이는 홍수 시의 와류, 난류 조건 또는 사면 붕괴로 인한 토석류 등의 외부 동적 요인에 의해 높은 안전성을 확보할 수 있음을 의미한다.

마. 열적젤화 바이오폴리머 처리 흙의 침식 저항 평가
수중지반에서의 흙의 침식 저항성을 알아보기 위하여 전단강도와 유속과의 상관관계를 분석하였다. 수심조건은 0.1 m, 0.5 m, 1m로 가정하여 현장토와 바이오폴리머 처리토의 침식에 저항할 수 있는 최대유속을 확인하여 보았다. 지반 표면에서의 전단력은 흐르는 물 전체의 수심과 유속에 의해 결정된다. 일반적으로 수심이 깊어질수록 하부 지반에서의 침식 위험성은 크게 줄어든다. 침식 위험이 높은 경우는 월류, 곡류, 표면류, 합류 지점 등 수심이 1 m 이하의 경우가 대부분이다. 따라서 본 연구에서도 가장 침식 위험성이 높은 경우의 수심에 대해서 침식 저항 거동을 검토하였다.
침식 저항 증진율(%)은 처리 전·후 지반의 침식에 대한 임계유속을 비교하여 상대적 크기 차이를 백분율로 나타낸 결과이다. 결과에 의하면 바이오폴리머 1% 처리 조건이 모든 조건에서 침식 저항 증진 효과가 높음을 알 수 있으며, 특히 점토 함량이 낮은 지반에서의 침식 저항 효율이 높음을 확인할 수 있다. 아울러, 0.1 m, 1.0 m 수심 보다는 0.5 m 흐름 조건에서 그 효과가 극대화 됨을 알 수 있다. 일반적인 홍수나 집중 강우로 인한 월류 및 표면류의 깊이가 10∼50 cm 인 점에서 볼 때 해당 기술은 수중/수변 지반의 침식 저항 증진에 매우 효과적임을 확인할 수 있다.

Abstract ▼

V. CONCLUSION
This report includes rindings and results of the 1st year study (2013) of this research. Thermo-gelation biopolymer was found to be suitable to provide high stabilization under saturated condition. Geotechnical properties of biopolymer mixed soils were investigate via various labora

V. CONCLUSION
This report includes rindings and results of the 1st year study (2013) of this research. Thermo-gelation biopolymer was found to be suitable to provide high stabilization under saturated condition. Geotechnical properties of biopolymer mixed soils were investigate via various laboratory approaches. Finally, the erosion resistance of non-treated and biopolymer treated soils were compared and the result shows that biopolymer treatment enhances erosion resistance more than 3 times higher in the aim of undrained shear strength.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• Summary ... 18
• 목차 ... 20
• 표목차 ... 22
• 그림목차 ... 23
• Contents ... 26
• List of Table ... 28
• List of Figures ... 29
• 제 1 장 서 론 ... 32
• 1. 연구의 배경 ... 32
• 1.1 개요 ... 32
• 1.2 연구의 필요성 ... 34
• 1.3 연구의 비전 및 목표 ... 35
• 2. 연구의 범위 및 방법 ... 37
• 제 2 장 바이오폴리머란 무엇인가 ... 38
• 1. 개 요 ... 38
• 2. 상용 바이오폴리머의 종류 및 특징 ... 39
• 2.1 베타글루칸(β-glucan) ... 39
• 2.2 잔탄검(Xanthan Gum) ... 40
• 2.3 젤란검(Gellan Gum) ... 41
• 2.4 키토산(Chitosan) ... 41
• 2.5 아가(Agar) ... 42
• 3. 바이오폴리머를 이용한 기존 연구 사례 ... 43
• 4. 소 결 ... 44
• 제 3 장 수중 지반의 침식 저항 향상의 중요성 ... 45
• 1. 개 요 ... 45
• 2. 최적의 바이오폴리머 도출을 위한 압축강도 평가 ... 50
• 2.1 흙 재료 ... 50
• 2.2 흙 조성 ... 53
• 2.3 배합 및 시편제작 ... 53
• 2.4 압축강도 평가 ... 56
• 3. 바이오폴리머 처리된 흙의 지반공학적 거동 ... 59
• 3.1 액소성한계 시험 ... 59
• 3.2 비배수 전단강도 시험 ... 60
• 4. 소 결 ... 63
• 제 4 장 열적젤화 바이오폴리머 처리 흙의 지반공학거동 ... 64
• 1. 재료 ... 64
• 1.1 주문진 표준사 ... 64
• 1.2 바이오폴리머 ... 65
• 2. 시편 제작 및 시험방법 ... 65
• 2.1 투수계수시험 ... 67
• 2.2 불구속일축압축강도 시험 ... 69
• 2.3 직접전단시험 ... 71
• 2.4 삼축압축시험 ... 73
• 2.5 동적공진주(Resonant Column(RC)) 시험 ... 76
• 3. 소결 ... 79
• 제 5 장 열적젤화 바이오폴리머 처리 흙의 침식 저항 ... 82
• 1. 흙의 침식 매커니즘 ... 82
• 2. 열적젤화 바이오폴리머 처리 흙의 침식 저항성 분석 ... 83
• 2.1 유속에 따른 Sand의 침식 저항 ... 86
• 2.2 유속에 따른 Sand : Kaolinite = 9 : 1의 침식 저항 ... 88
• 2.3 유속에 따른 Sand : Kaolinite = 4 : 1의 침식 저항 ... 90
• 2.4 유속에 따른 Sand : Kaolinite = 1 : 1의 침식 저항 ... 92
• 2.5 유속에 따른 Kaolinite의 침식 저항 ... 94
• 3. 소 결 ... 97
• 제 6 장 결 론 ... 98
• 참고문헌 ... 99
• 끝페이지 ... 101