1) Master, Civil Engineering, Hanseo University
토목섬유-정규압밀점토의 접촉면 동적 전단거동 평가
Dynamic Shear Behaviors on the Normally Consolidation Clay-Geosynthetic Interface
배 효 곤
1)
･ 장 동 인†
･ 곽 창 원2)
･ 박 인 준3)
Hyogon Bae ･ Dongin Jang ･ Changwon Kwak ･ Innjoon Park
Received: October 2
nd, 2018; Revised: October 8
th, 2018; Accepted: November 23
rd, 2018
ABSTRACT : In this study, important characteristics were identified for the Geosynthetic-soil interface using overburden pressure and saltwater and fresh water to evaluate silt shear behavior of the Geosynthetic-soil interface. In addition, waste landfill can secure spaces for waste disposal in the sea and this spaces can be used for additional facilities which will be necessary in the future. Analysis of behavior characteristics on interface of Geosynthetic-soil shows that, if analyzed using standard consolidometers, the consolidation stress of fresh water increased significantly more than saltwater. When analyzed using cyclic shear apparatus, saltwater and freshwater in both conditions, the displacement value increases as the wire gauges become closer to the lower module, and the shear fracture tends to occur radically under saltwater conditions than fresh water. Therefore, seawater, fresh water that act on the interface of geosynthetic-soil, and installation of facility using geosynthetic should be considered as important parameters that are essential for the dynamic design factor of the water controlling facility.
Keywords : Geosynthetic – clay interface surface, Dynamic interface surface shear tester, Disturbance function, Repeated shear test, Consolidation tester
요 지 : 본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면 압밀 전단거동 평가를 위하여 상재하중 및 해수와 담수를 이용해 토목섬유-점토의 경계면에 대한 중요 특성인자를 규명하였다. 또한 폐기물 매립으로 바다에 매립공간을 확보하고 폐기물 처리 및 향후 토지이용 등 새롭게 필요 공간으로 변모가 가능하다. 토목섬유-점토의 접촉면에 거동특성을 분석한 결과 표준 압밀시험기를 이용하여 분석한 경우 해수보다 담수에서 압밀응력이 크게 증가하는 경향을 보였고, 동적 접촉면 전단 시험기를 이용하여 분석한 경우 해수와 담수 두 개의 조건에서 모두 동일하게 하부모듈에 가까운 와이어게이지일수록 변위값이 증가하고, 담수보다 해수의 조건에서 전단파괴가 급격히 일어나는 경향을 볼 수 있다. 따라서 토목섬유-점토의 접촉면에 작용하는 해수와 담수, 차수시설 설치여부(토목섬유)는 차수 시설 동적설계인자에 반드시 필요한 중요 변수로써 고려하여야 한다.
주요어 : 토목섬유-점토 점촉면, 동적 접촉면 전단 시험기, 교란도함수, 반복전단시험, 압밀시험기 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
19(12): 33～39. (December 2018) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2018.19.12.33
1. 서 론
폐기물 매립장 건설 부지확보가 곤란하여 일본, 싱가폴 등 세계적으로 해상 폐기물 매립장 건설이 증가하는 추세이 고, 폐기물 매립으로 바다에 새로운 공간을 확보해 폐기물 처리만이 아닌 향후 매립종료 후 토지이용 등 새로운 공간 으로 변모가 가능하다. 폐기물 매립장 건설 시 차수층 에 설치되는 점토와 토목섬유의 접촉면이 형성되므로 그 전단 거동을 분석할 필요성이 크다.
이처럼 산간지역이나 해안지역에 건설되는 폐기물 매립 장에서 발생되는 오염된 침출수로 인해 지반 및 지하수가 오염될 수 있기 때문에 매립장 건설 시 지반과 매립장 사이
에 차수시설을 설치하여 침출수 유출을 방지해야 한다. 이 때 토목섬유로 이루어진 차수시설과 점토 사이에 접촉면 (interface)이 형성된다. 따라서 직접적인 접촉을 하는 토목 섬유의 접촉면 거동특성이 폐기물 매립장의 안정성에 매우 중요한 역할을 하게 된다.
본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면 동적 전단 거동 특성을 분석하기 위해 실내시험을 수행하였고, 시험데이터 를 사용하여 교란도함수(D)값과 전단 소성 변형률 상각궤 도(Deviatoric Plastic Strain Trajectory,
)값을 산정하고, 이를 토대로 토목섬유-점토 접촉면의 파괴형상을 표현할 수 있다.본 연구에서는 토목섬유-점토의 접촉면에서 발생하는 동
(a) Geocomposite surface (b) Geocomposite section Fig. 1. Geocomposite (Kwak et al., 2013)
Table 2. Geocomposite properties (Kwak et al., 2013)
Item Unit Standard
Tensile performance
Yield tensile strength kgf/cm
3150 more than Breaking tensile
strength kgf/cm
3270 more than Yield tensile strain % 12 more than Fracture tensile strain % 700 more than Tear strength kgf/cm 130 more than Perforated robber kgf/cm 320 more than The tensile g/cm
30.940 more than Low-temperature vulnerability - -40°C not destroyed in
Dimensional stability % Each direction ±2
Carbon black content % 2.0∼3.0
적 전단거동을 표준 압밀시험기를 이용하여 단계재하에 따 라 해수와 담수 2가지 조건에서 시험하여 토목섬유-점토의 접촉면에 대한 설계 및 안정성 평가에 활용하고자 한다.
2. 시험시료 및 방법
2.1 시험 시료
본 연구에 사용된 시료는 카올리나이트를 사용했다. 시 험에 사용된 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같이 비중이 2.53, 함수비 40%로써 통일분류법상 CL로 분류된다. 시료 는 해수와 담수에 각각 한 달 동안 수침시켰다. 본 연구의 압밀시험에 사용된 표준 압밀시험기의 제원은 링의 크기는
100, 하중장치는 Single Level Weight Hanger System을 이용했다. 접촉면 전단파괴의 거동특성을 분석하기 위해서 동적 접촉면 전단시험기를 이용하였다. 이는 동적하중에 의 한 재료의 강도저하 평가가 가능한 시험기로써 연직하중 (normal force) 재하기구와 전단하중(shear force) 재하기구 를 분리해서 상부 모듈에서는 연직하중만, 하부모듈에서는 전단하중만 재하 할 수 있어 모멘트 발생을 억제하여 시험 기의 신뢰성을 향상시켰다.Table 1. Physical test result
Liquid limit (%) 60.58
Plasticity limt (%) 26.91
Plasticity index 23
Importance 2.53
200 Traditional percentage (%) 99.4 Classification under unification taxonomy CL
2.2 토목섬유의 특성
본 시험에 사용한 토목섬유는 Geocomposite로써 하부 보 호용 Filter Mat와 차수 시트를 사전 접착하여 수면 이하에 서 Filter Mat가 파랑 등 기타 조건에서의 유동 및 부유를 방 지하여 차수 시트가 사석에 의한 손상을 예방하며, 지반 밀
착력을 높게 하여 설치할 수 있는 토목섬유이다. Fig. 1은 Geocomposite의 표면과 측면을 나타낸 것이며 Table 2는 Geocomposite의 물성치를 나타냈다.
2.3 교란도함수(D)와 전단소성변형률 상각궤도(
)재료는 외부로부터 하중을 받게 되면 재료의 미세구조의 변화에 의해 표현할 수 있다는 가정에 기초하고 있다. 하중 을 받는 재료의 거동을 정의하기 위해 상대적으로 손상되지 않은 상태 RI(Relatively Intact State)와 완전파괴 상태 FA (Fully Adjusted State)의 두 개의 기준을 도입했다. 하중을 받는 재료는 RI상태와 FA상태가 혼합되어 있다고 정의하 고 그 정도를 교란도함수 D를 이용하여 표현한다(Park et al., 2000).
(1)
여기서,
= RI상태
= FA상태
= 시험을 통해 얻은 재료의 평균 전단응력교란도함수 D는 교란되지 않은 RI상태의 D는 0이고, 완 전 교란상태인 FA상태의 D는 대부분의 재료가 D가 1에 도 달하기 전에 파괴가 되므로 D는 1보다 작은 값(0.99)을 가 진다(Armaleh & Desai, 1990).
전단 소성변형률 상각궤도(
, Deviatoric Plastic Strain Trajectory)는 교란도와 응력-변형률 상관도로부터 산정한 소성변형의 누적량을 표현하는 매개변수를 말한다. 이에 관 한 상관식을 Eq. (2)와 같이 표현하였다(Armaleh & Desai, 1990; Alanazy, 1996).Fig. 2. Graphical form of disturbance function (Park et al., 2000)
(a) Dynamic interface surface shear tester
(b) Consolidation tester
Fig. 3. Test equipment
Table 3. Standard consolidation tester specification
Device Specifications
Form Fixed type
Size of ring 100
Container Brass made
Load device Single level weight hanger system
Lever ratio 10:1
Consolidation load
Standard L 0.05∼12.8 kg/cm
2for 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2,
6.4, 12.8kg/cm
2Micro-deformable
digital gauge 1/1000X12mm
Measurement system
A/D converter data program, interpretation program computer
Table 4. Dynamic interface surface shear tester specification
Device Specifications
Vertical portion
⋅Maximum load 1 ton, Maximum stroke distance 150 mm or more
Horizontal portion
⋅Maximum load 1 ton, Maximum stroke distance 150 mm or more
Motor
⋅Maximum speed / rated speed : 5,000/3,000 (r/min)
⋅Screw-type servo motor system
⋅SCREW JACK
Stroke administration : 100 mm Upward : 120/220 (min/max)
Maximum load : 2 tf (Safety rate 200%) Peak load : 1,000 kgf ± 10%
Maximum load speed :
Displacement standard – 0.1∼100 mm/min Load criterion – 0.5∼20 tf/min Maximum load displacement : 150 mm ± 10%
⋅Encorder : 15 wires, 2500 pulses/revolution
Load cell
⋅Rated capacity : 1,000 kgf
⋅Temperature range : -20°C∼80°C
⋅Nonlinearity : 0.03%, R.O
⋅Dynamic fatigue type
software
⋅Sample chip input and test condition input type
⋅Test data display and analysis and storage
⋅Calibration program (interface)
⋅Graphic zoom and unit conversion function
(2)여기서,
= 극한한계 교란도(≃
) A, Z = 매개변수
값은 잔류응력이 임계상태에 도달하는 것과 같은 이 상적인 상태를 가정했지만 실제 시험결과로는 잔류응력이 임계응력보다 1~2% 정도 크게 측정됨에 따라 그 값을 1이 아닌 0.99로 보는 것이 적합하다.2.4 시험 장치 및 방법
Fig. 3은 표준 압밀 시험기, 동적 접촉면 전단시험기 이 다. 시험기의 제원은 Table 3, Table 4로 나타냈다.
시험방법은 표준 압밀시험기의 압밀 링 안쪽에 시료를 넣은 후 가압판을 시험체 윗면에 놓고 압밀 링을 조립한다.
압밀 상자를 빈 수침상자에 넣어 재하 장치에 설치하고 변 위계를 부착한다. 표준 압밀시험기의 압밀이 된 시료를 멤 브레인 안쪽으로 옮긴 후 외형몰드에 전단 링을 엇갈리게 넣은 후 시료를 설치하고 외형몰드 윗부분을 감싼다. 토목 섬유는 설치와 미설치 2가지 경우에 대하여 각각 수행하였 다. 그 이후 상부 고정판을 설치하고 외형몰드를 제거한 후 전단시험기 하부 모듈에 고정시키고 각각의 와이어게이지
를 순서에 맞게 연결한다. 시험순서 사진은 Fig. 4와 같다.
시험조건은 Table 5와 같다.
3. 시험 결과 분석
3.1 전단응력-전단변형률(shear stress-shear strain hysteresis loop) 분석
변위와 시간그래프에서 시료의 변위/두께로 전단변형률 과 하중/면적으로 전단응력을 구할 수 있다. 일반적으로 전
(a) Consolidation ring installation (b) With displacement meter
(c) Final installation (d) Shear box reference frame
(e) Membrane installation (f) External mold installation
(g) Installation of geocomposite (h) Fixing plate installation
(i) Final installation Fig. 4. Order of experiment
Table 5. Exam conditions
Sample Funtion cost
Environmental
factor Geosynthetic Consolidated vertical load (kPa)
Kaoli nite 40%
Sea water
With geosynthetic
0.1 0.2 0.4 0.8
Without geosynthetic
1.6 3.2 6.4 12.8
Fresh water
With geosynthetic
0.1 0.2 0.4 0.8
Without geosynthetic
1.6 3.2 6.4 12.8
(a) With geosynthetic (b) Without geosynthetic Fig. 5. Shear stress - shear strain (sea water samples)
단응력-전단변형률 곡선은 동적전단거동특성을 분석할 때 사용되는 역학적인 표현 방법 중 하나이며, 전단응력-전단 변형률 곡선내부 면적은 동적외력의 작용으로 인한 재료 내 부에 저장되는 소성에너지의 크기로 환산할 수 있다. Fig.5는 해수에서 100% 압밀을 받은 점토시료에 대해서 토목 섬유 접촉면을 고려한 시험결과를 전단응력-전단변형률 곡 선(Fig. 5(a))과 토목섬유 접촉면을 반영하지 않은 시험(Fig.
5(b))의 전단응력과 전단변형률을 1, 5, 10, 30, 50 Cycle별 로 정리한 결과이다. 또한 토목섬유 유무에 따른 1, 5, 10, 30, 50 Cycle별 최대 전단응력값을 Table 6에 정리했다.
Fig. 5 및 Table 6을 이용해서 동적전단응력 저감율(shear stress degradation ratio)을 산정한 결과 토목섬유 접촉면을 설치한 시료의 경우는 23.7% 저감율을 보였고, 토목섬유 접
Table 6. The maximum shear stress value with and without geo- synthetics (sea water samples)
Geocompo site Maximum shear stress (kPa) 1cycle 5cycle 10cycle 30cycle 50cycle With geosynthetic 6.45 5.63 5.32 5.11 4.92 Without geosynthetic 8.08 6.73 6.44 6.05 5.89
(a) With geosynthetic (b) Without geosynthetic Fig. 6. Shear stress - shear strain (fresh water samples)
Table 7. The maximum shear stress value with and without geo- synthetics (fresh water samples)
Geocompo site Maximum shear stress (kPa) 1cycle 5cycle 10cycle 30cycle 50cycle With geosynthetic 7.12 6.27 6.19 5.85 5.63 Without geosynthetic 6.31 5.44 5.22 5.01 4.91
촉면을 설치하지 않은 시료는 27.1% 저감율을 보였다. 이 를 통해서 해수로 압밀된 점토지반에 동적 전단응력이 가해 지면 토목섬유 차수시설이 있는 경우가 없는 경우 보다 동 적 전단거동특성이 우수함을 알 수 있었다.
Fig. 6은 담수에서 100% 압밀을 받은 점토시료에 대해서 토목섬유 접촉면을 고려한 시험(Fig. 6(a))과 토목섬유 접촉 면을 반영하지 않은 시험(Fig. 6(b))의 전단응력과 전단변형 률을 1, 5, 10, 30, 50 Cycle별로 정리한 결과이다. 또한 토 목섬유 유무에 따른 1, 5, 10, 30, 50 Cycle별 최대 전단응력 값을 Table 7에 정리했다.
Fig. 6 및 Table 7을 이용해서 동적전단응력 저감율(shear stress degradation ratio)을 산정한 결과 토목섬유 접촉면을 설치한 시료의 경우는 20.9% 저감율을 보였고, 토목섬유 접 촉면을 설치하지 않은 시료는 22.1% 저감율을 보였다. 이 를 통해서 담수로 압밀된 점토지반에 동적 전단응력이 가해 지면 토목섬유 접촉면(차수시설)이 있는 경우가 없는 경우 보다 동적 전단거동특성이 우수함을 알 수 있었다. 이는 토 목섬유 접촉면이 있는 경우가 동적전단 강도가 우수하다고 정의할 수 있다.
3.2 교란도함수D/상각궤도
분석시험을 통해 얻은 전단응력을 통해 1~50Cycle의 교란도 함수 D값과 D값에 대한 전단 소성변형률 상각궤도(
)를 Fig. 7에 정리하였다.Fig. 7. Disturbance function(D)/deviatoric plastic strain trajectory (
): sea water and fresh water with/without geosynthetic
토목섬유 설치여부 및 환경적 인자(해수 및 담수) 조건별 교란도함수D-상각궤도
그래프를 분석하였다. 모든 조건 에서 토목섬유 접촉면 설치된 조건보다 설치 안 된 조건이 더 빠른 파괴가 일어난다. 환경적 인자인 해수의 경우 전체 적으로 담수보다 빠른 파괴가 일어나며 토목섬유 유무에 따 라서 비교적 비슷한 경향으로 파괴가 일어난다. 담수의 경 우 해수보다 파괴가 더딘 반면 토목섬유 유무에 따라 초기 파괴형상의 차이가 급격히 나타나는 형상을 보인다. 실험결 과 담수에서 압밀이 진행된 점토에 토목섬유 접촉면이 있을 경우에 상대적으로 우수한 동적 전단강도특성을 보였다.3.3 교란도함수 매개변수(A, Z)분석
시험결과를 종합해보면 해수가 담수보다 토목섬유 접촉 면에서 전단파괴가 상대적으로 빠르게 일어나는 것을 알 수 있고, 해수와 담수에서 모두 토목섬유를 설치한 것보다 설치 하지 않은 상태가 상대적으로 빠르게 파괴가 일어남을 알 수 있다. 해수의 화학적 성분은 염소와 나트륨 및 마그네슘, 유황, 칼슘, 칼륨, 브롬 등 약 80여 종류의 화학적 성분이 포 함된다. 동적 전단시험의 경우 해수의 화학적 성분으로 인해 점토의 전단강도 저감에 기여하기 때문인 것으로 판단된다.
Eq. (2) 교란도함수(D)의 매개변수 A 및 Z에 대해서 해 수 및 담수에 압밀한 점토를 대상으로 토목섬유의 유무에 따른 교란도함수를 산정하고 그 각각의 매개변수를 산정하 였다. Fig. 8은 교란도함수의 매개변수(A, Z)를 산정하는 방 법을 정리하는 그래프이고, Table 8은 교란도함수의 매개변 수(A, Z)를 산정한 결과를 정리한 표이다. 이렇게 산정된 A 및 Z값을 이용하여 Fig. 7은 그래프를 작성하고 각각 실험 조건별 동적 교란도(전단파괴도) 특성을 판단하게 된다.
Fig. 8. A and Z parameters: sea water and fresh water with/without geosynthetic
Table 8. A, Z parameter analysis
Environmental factor
A, Z parameter
With geosynthetic Without geosynthetic
A Z A Z
Sea water 1.4486 0.2929 1.8167 0.3401
Fresh water 1.2321 0.297 1.4651 0.4638
4. 결 론
(1) 점토지반과 유사한 지반 조성을 위해 카올리나이트를 이용하여 점토지반을 모사하였고 환경적인 인자를 고 려하기 위하여 해수와 담수를 사용하여 토목섬유 설치 여부에 따른 전단파괴 형상에 대해 분석하였다. 표준
압밀시험기를 이용하여 압밀시험을 수행한 결과 담수 보다 해수의 경우 최종 압밀량이 12% 더 크게 나타났 다. 이후 표준 압밀시험기의 시료를 동적 접촉면 전단 시험기에 거치하여 동적 전단시험을 수행한 결과 해수 시험보다 담수시험의 경우가 동적 전단응력이 더 크게 나타났다. 해수는 토목섬유 설치 시 0.42mm의 최대변 위가 발생한 반면 토목섬유 미설치의 경우 0.55mm의 최대변위가 발생하였다. 담수의 경우 토목섬유 설치 시 0.47mm의 최대변위가 발생한 반면 토목섬유 미설치의 경우 0.58mm의 최대변위가 발생하였다. 토목섬유의 설 치여부에 따라서 설치한 경우가 설치하지 않은 경우보 다 전단파괴 감소폭이 적게 나타났다. 결과적으로 해수 조건에서 담수조건보다 압밀량이 크게 나타나고, 점토 의 전단변형 또한 해수조건에서 더 크게 나타났다. 반 면, 토목섬유 설치로 인해 공통적으로 전단저항이 증가 하는 것을 알 수 있다.
(2) 토목섬유 유무 및 환경적 인자 간의 교란도함수 D값을 비교한 결과 모든 조건에서 토목섬유가 없는 경우가 있 는 경우보다 더 빠른 파괴경향을 보인다. 담수조건보다 해수조건에서 더 빠른 파괴형상을 나타냈고, 해수(토목 섬유無), 해수(토목섬유有), 담수(토목섬유無), 담수(토목 섬유有) 순으로 초기에 교란도가 급격히 증가하며 재하 초기에 파괴되는 경향을 보인다. 이를 종합하면, 담수보 다 해수에서 전단파괴가 급격히 일어나며, 해수 조건에 서 토목섬유 설치를 한 시료보다 설치를 안 한 시료가 전 단파괴가 빠르게 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 토 목섬유 설치유무에 따라 환경적 인자를 포함하고 해수의 화학적 성분으로 인해 전단강도 저감에 기여하기 때문인 것으로 판단되며, 침출수 유출을 막고 토목섬유-점토의 동적 전단거동에 많은 영향을 미친다고 판단된다.
(3) 본 연구에서 토목섬유 여부, 환경적 인자에 대해 토목 섬유-점토 표준 압밀시험 및 동적 전단거동 특성을 검 토하였다. 추후 토목섬유-점토 접촉면 설계 시 안정성 검토를 위해 다양한 시험인자를 활용하여 접촉면 동적 설계정수를 산출하는 데 있어서 지속적인 연구가 필요 하다고 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2014년 건설기술연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술 개발(14SCIP-B088624-01)’ 연구단을 통해 수행되었습니다.
연구지원에 감사드립니다.
References
