Experimental Study on Reinforcement Effectives of Soil Shear Strength by Bamboo(Substitute Materials Simulating a Root System) -Analysis caused by Simple Shear Test under Soil Suction Control-

韓國環境復元綠化技術學會誌 7(2)：46～51(2004) J. Korean Env. Res. & Reveg. Tech. 7(2)：46～51(2004)

- 46 -

대나무(대체근계)의 토질강도보강효과에 대한 실험적 연구

이 창 우¹⁾

1)국립산림과학원 산림환경부 임지보전과

Experimental Study on Reinforcement Effectives of Soil Shear Strength by Bamboo(Substitute Materials Simulating a

Root System)

- Analysis caused by Simple Shear Test under Soil Suction Control -

Chang-Woo Lee

1)Dept. Forest Soil Conservation, Korea Forest Research Institute.

ABSTRACT

In this paper, reinforcement of soil shear strength by bamboo(substitute materials simulating a root system) are evaluated by soil strength parameters(apparent cohesion(c) and internal friction angle(tan φ )), using simple shear tester which clearly depicts shear deformation and controls soil suction.

The results show that the internal friction angle does not change under various soil suction conditions but the apparent cohesion, which reach a peak in suction of 45cmH

O near critical capillary head, is effected by soil suction. And the reinforcement of soil strength by bamboo are expressed by apparent cohesion more than internal friction angle. In addition the increment of apparent cohesion by bamboo reached a peak in suction 45cmH

O too.

Key Words：Soil strength, Root, suction, Simple shear test, Shear strain.

Ⅰ. 서 론

식물근계의 토질강도 보강효과에 대한 특성 을 파악하기 위한 과거연구는 주로 다양한 수목 의 근계 및 대체뿌리에 의한 토질강도정수 파악 을 목적으로 수행되어 왔다(近藤泰造․鶴田武 雄, 1968; 塩野裕司 등, 1983; 八木則男․矢田部 龍一, 1983; Gray와 Ohashi, 1983; 小橋澄治․西

井洋史, 1987; 阿部和時, 1991; 執印康裕, 1997).

그 이유로는 사면안정해석을 실시할 경우 간단 히 근계의 영향을 적용시킬 수 있고, 가장 간단 히 근계의 보강효과를 설명할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 하지만, 많은 연구가 수행되었음 에도 불구하고 아직까지 토질강도 보강효과가 토질강도정수에 미치는 영향조차 명확히 설명 되어 있지 않는 등 그 定性的인 영향에 대한 체

대나무(대체근계)의 토질강도보강효과에 대한 실험적 연구



47

Figure 1. Simple shear apparatus.

계적인 연구가 이루어지지 않은 상태에 있다.

그 원인은 크게 두 가지로 요약할 수 있다. 첫 번째 근계의 종류 및 수분조건의 영향이 충분이 검토되지 않은 점이며, 두 번째는 기존의 모든 시험이 파괴에 이를 때까지의 변형-응력관계의 프로세서를 명확히 파악할 수 없는 일면전단시 험을 실시하였다는 점이다. 이러한 두 가지 요 인이 복합적으로 작용하여 식물근계의 토질강 도 보강효과의 명확한 검토가 이루어질 수 없었 다. 첫 번째의 문제점을 해결하기 위해서는 동 일조건에서 성질이 다른(주근 혹은 세근) 근계 의 비교, 각각의 수분조건에 의한 보강효과를 검토해야 한다. 執印 등(1997)은 이러한 점에 주 목하여 두 종류(대나무, 나일론 net)의 대체뿌리 를 이용한 일면전단시험을 실시하였으나, 일면 전단시험의 경우 두 번째로 지적한 바와 같이 토양의 변형상태 파악이 어려우므로 명확한 해 석이 불가능하였다. 일면전단시험에서는 전단 중에 일정 폭을 가지는 전단층이 형성되고 특히 근계 혹은 대체뿌리가 있는 경우 그 근계의 성 질에 따라 전단층이 변화하므로 (shewbridge, 1998), 전단과정의 해석이 불명확해 진다.

상기의 문제점들을 동시에 해결하기 위해서 는 근계의 토질강도 보강효과를 토양의 변형 즉 전단strain과 전단응력 관계로부터 해석할 필요 가 있으며, 수분제어가 가능한 시험기에 의한 전단시험이 필요하다. 저자는 이러한 문제점이 해결 가능한 전단시험기를 개발하였으며, 이를 이용한 전단시험결과를 발표한 바 있다(李昶雨 등, 1999).

본 연구에서는 토질강도정수에 미치는 수목 근계의 영향을 명확히 하기 위해 개발된 단순 전단시험기를 이용하여 대나무 봉을 식물의 근 계 중에서 主根의 성질을 반영하는 물질로 간 주하여 이의 전단변형중의 토질강도보강효과와 토양수분의 영향을 평가 검토하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 단순전단시험기

실험에 사용된 전단시험기는 자연사면의 표층 붕괴에 대응한 저구속압 조건에서 전단 strain과 전단응력관계를 파악할 수 있고, 강우의 침투에 의해 불포화에서 포화상태로 전환되는 토양수 분변화에 의한 토질강도특성 파악을 목적으로 고안된 대형 단순전단시험기로서 <그림 1>에서 보는 바와 같이 전단시험기 본체와 수분제어가 가능한 장치로 구성되어 있다. 본 시험기의 특 징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 일면전단시험과 달리, 전단 strain의 정의가 가능하다.

2) 산지 표층붕괴에 대응 가능한 저구속압으 로 시험이 가능하다.

3) 전단상자의 크기가 대형으로 대체뿌리인 전단시료의 삽입 등 시험 준비가 용이하다.

4) 전단조건은 배수조건이며, suction에 의한 수분제어가 가능하다.

실험은 전단상자 이동판에 연결된 wire 중간 에 응력계를 설치하여 응력을 측정하고 변위는 그림에 표시된 바와 같이 4곳에서의 변위를 각

이 창 우



48

각 계측하여 평균값으로 실질변위를 나타내었 다. 본 시험기에 의한 전단 strain의 정의는 그 림 2에 나타내었다. 또한, 시험기하부에 연결된 정수위 탱크를 상하로 조정하여 전단상자 내에 수분상태를 조절할 수 있게 설치되어 있다.

suction은 시험기 하부의 측면에 4개의 porous cup에 manometer를 연결하여 계측하였다.

Figure 2. Definition of shear strain under simple shear deformation.

2. 시험방법 및 시료의 물리적 특성

시험시료는 Toyoura 標準砂를 사용하였으며, 수직하중, 수분조건을 제어하면서 실시하였다.

대체뿌리의 토질강도보강효과를 구명하기 위해 표준사만의 시험과 대나무를 삽입한 시험으로 나누어 각 조건의 전단응력을 비교하였다.

먼저, 하중조건은 실제 산림사면의 표층붕괴 에 대응시키기 위해, 저압력하중인 25, 50, 75gf/cm²의 3종류로 하였으며, 전단상자내 흙의 자중은 평가하지 않았다.

수분조건은 전단상자 최상부(높이 15cm)에서 수면이 있는 경우를 suction 0cmH2O로 정의하고 수위를 15cm간격으로 낮추어서 suction 0cmH2O～

60cmH2O의 범위 내에서 실험을 실시하였다.

시료의 준비는 먼저, 24시간 100℃ 이상에서 건조한 Toyoura 표준사를 높이 30cm의 위치에 서 전단상자의 가장 윗부분까지 충진시킨 후, 수위가 전단상자 윗부분까지 되도록 정수위 탱 크를 반복적으로 올려 전단상자내를 표준사로 충진시킨다. 이와 같은 방법으로 충진된 표준사 의 간극비는 0.7이며, 포화체적함수율(θs)이 0.42, 잔여체적함수율(θr)이 0.03, 한계모관수두(ψcr)이 -29cmH2O, 곡율계수(λ)가 3.4였다. 포화의 경우 는 수직응력 재하 후 이 상태에서 바로 전단을

실시하지만, 불포화의 경우는 다시 정수위 탱크 를 일정수위까지 내려서 원하는 suction를 부여 한다. porous cup에 연결된 manometer의 수위가 안정되었을 때 전단을 실시하였으며, 전단속도 는 2.5cm/hr로 하였다. 또한, 대나무 삽입은 표준 사를 충진시키기 전에 전단상자 하단부에 고정 하여 수직으로 미리 설치한 후 표준사를 충진시 켰다.

대체뿌리는 일반적으로 식물의 근계를 표현 할 때 主根의 경우 목질부가 있는 자료를 많이 사용하고 세근의 경우 실 혹은 net종류를 많이 사용하고 있으므로, 본 연구에서는 0.27cm의 대 나무 봉을 식물주근의 성질을 반영하는 물질로 간주하여 사용하였다. 대나무 봉의 수는 30본을 사용하였으며, 이 경우 시료전체에 대한 비율이 약 0.43%이다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 대나무를 포함한 시료의 변형과정 및 토양수 분이 토질강도정수에 미치는 영향

흙의 강도는 응력조건 및 변형(전단 strain)과 정에 따라 파괴에 이를 때까지 변화한다. 실제의 지반 혹은 사면내부의 변형은 전단 중에 일정하 지 않고 각 지점에서의 전단응력은 변형의 함수 로서 표현되어진다(鬼塚克忠․吉武茂樹, 1987;

吉武茂樹․鬼塚克忠, 1995). 이러한 점을 고려하 여 토양수분변화가 전단변형에 미치는 영향을 동일 전단strain에서의 σ-τ관계의 y축 절편인 점 착력(c)과 기울기인 내부마찰각(tanφ)을 각 전단 strain과 수분조건에서 구하였다.

각 전단변형과정과 토양수분의 영향을 토질 강도정수로 분석한 결과를 그림3에 나타내었 다. 그 결과 점착력(c)과 내부마찰각(tanφ)은 전 단 strain의 증가와 함께 계속 증가하는 경향을 보였다. 표준사만의 시험에서도 전단 strain의 증가와 함께 토질강도정수가 증가하지만, 전단 strain이 15% 이상이 되면 점착력과 내부마찰각 은 증가 경향이 감소하여 거의 일정값에 가까 워지는 경향을 보였으나(李昶雨 등, 1999), 대나 무를 포함한 경우는 토질강도정수가 계속 증가

대나무(대체근계)의 토질강도보강효과에 대한 실험적 연구



51

23-37

Gray, D.　H.　and H.　Ohashi. 1983. Mechanics of fiber reinforcement in sands.　ASCE.　J.　Geotech.

Engineering 109(3)：335-353

Shewbridge, S. E. and H. N. Sitar. 1988. Deforma- tion Characteristics of Reinforced Sand in

Direct Shear. ASCE. J. Geotech. Engineering 115 (8)：1134-1147

Waldron, L. J. and Suren Dakessian. 1981 Soil Reinforcement by Roots：Calculation of Increased Soil Shear Resistance from Root Properties. Soil Science 132(6)：427-435

接受 2004年 2月 24日