Effect of Cyclic Drying-Wetting on Compressive Strength of Decomposed Granite Soils

습윤-건조 반복작용으로 인한 화강풍화토의 압축강도 특성 변화 연구

Effect of Cyclic Drying-Wetting on Compressive Strength of Decomposed Granite Soils

유 충 식

¹

* Yoo, Chung-Sik

ABSTRACT

This paper presents the results of an investigation into the effect of cyclic wetting -drying on the compressive strength characteristics of decomposed granite soils. A series of plane strain compression (PSC) tests were performed on test specimens with varying fine contents under different wetting -drying cycles to investigate the change in compressive strength under the process of wetting -drying cycles. The effect of wetting-drying cycles on the structural particle rearrangement at a micro -scale level was also examined using scanning electron microscope (SEM) tests. It was shown that the soil containing larger fines showed more significant decrease in compressive strength compared with the soils with less fines. Also found was that the wetting-drying cycle did not have significant effect on the particle arrangement.

요 지

본 논문에서는 습윤-건조 반복작용이 화강풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영향에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해 세립분 함유량을 변화시켜 다양한 시료조건을 조성한 후 습윤-건조 시험 환경을 조성한 후 습윤-건조 반복작용 사이클을 강제 부과시 키고 각 시편에 대한 평면변형률압축시험 및 미세입자구조의 변화를 가시적으로 확인할 수 있는 전자주사현미경(SEM) 촬영 및 분석을 수행하였다. 시험결과 세립분 함유량이 많을 수록 습윤-건조에 의한 강도 감소율이 큰 것으로 나타났다. 아울러 SEM 분석결과 습윤-건조 반복작용은 입자구조 배열에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 검토되었다.

Keywords : Cyclic freezing-thawing, Shear strength, Decomposed granite soil, SEM, PSC

한국토목섬유학회논문집 제10권 4호 2011년 12월 pp. 19 ∼ 28

J. Korean Geosynthetics Society Vol.10 No.4 December. 2011 pp. 19 ~ 28

1* 정회원, 성균관대학교 공과대학 사회환경시스템공학과 교수 (Member, Professor, Dept. of Civil & Envir. Engrg., Sungkyunkwan Univ., E-mail:

[email protected])

1. 서 론

토류구조물(geo-structure)은 시공 후 사용연한 동안 계 절적 환경변화를 거치게 되며 따라서 토류구조물의 주 구 성요소인 배면 지반 또한 습윤-건조(wetting-drying), 동결- 융해(freezing-thawing) 등 역학외적인 계절적 환경 변화 과정을 거치게 된다. 최근 이슈가 되고 있는 지구 온난화 및 기후변화는 이러한 계절적 환경 변화 강도를 증가시키 고 있는 추세라고 할 수 있어 토류구조물 또한 계절적 환 경변화에 대응할 수 있도록 설계･시공･유지관리 기술이 필요하다.

계절적 환경 변화에 의한 습윤-건조 및 동결-융해는 토 류구조물 측면에서 배면 지반의 토압 등 작용외력의 변화 를 유발시키므로 장기적인 시간 의존적 안정성에 많은 영 향을 미칠 수 있다. 장마기간 혹은 장마 후, 그리고 해빙기 에 흔히 발생하는 옹벽 및 가시설 붕괴 사고도 습윤-건조, 동결-융해 등 계절적 환경변화에 노출된 지반의 열화현상 및 외력 변화로 발생하는 시간 의존적 불안정에 근본 원인 이 있다고 할 수 있다(그림 1).

계절적 환경변화에 의한 토류구조물 붕괴 사고가 해마

다 반복적으로 발생하는 근본적 원인은 습윤-건조, 동결-

융해 등의 환경적 요인이 지반의 역학적 특성에 미치는 메

침투 강우

증발

동결

융해

그림 1. 계절적 환경변화에 노출되는 토류구조물 예시

카니즘과 이러한 계절적 환경변화가 가져오는 지반내 작 용하중의 변화 및 시간 의존적 불안정 메카니즘에 대한 이 해가 부족하고 이에 대한 예측 및 설계기법, 그리고 제어 기법의 부재에 기인한다고 하겠다. 따라서 계절적 환경변 화에 대응할 수 있는 토류구조물의 설계/시공을 위해서는 계절적 환경변화가 토류구조물에 장･단기적으로 어떠한 영향을 미치는 지와 불안정해지는 과정에서 어떠한 징후 를 보이는지, 그리고 이러한 계절적 영향을 현재 적용되고 있는 설계에 어떻게 반영하여야 하는지에 대한 구체적인 연구가 수행되어야 한다.

이러한 관점에서 유충식과 신부남(2011)은 동결-융해 반복작용으로 인한 화강풍화토의 압축강도 특성변화에 관 한 연구를 수행한 바 있다. 이에 대한 후속 연구로서 본 연구에서는 계절적 환경변화가 화강풍화토의 지반공학적 특성에 미치는 영향에 대한 요소수준(element level)의 연 구 r관점에서 습윤-건조 반복작용이 화강풍화토의 압축강 도 특성에 미치는 연구를 수행하였다. 이를 위해 본 연구 에서는 우리나라 지반 특성을 반영하는 화강풍화토를 대 상으로 다양한 세립분 함유율의 시편을 조성하고 이에 대 해 다수 사이클의 습윤-건조 반복작용을 부과하여 습윤-건 조 반복작용이 화강풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영 향에 대해 심도 있는 연구를 수행하였다. 아울러 습윤-건 조 반복작용이 흙의 입자 구조에 미치는 영향 분석을 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 미세입자구조 변화를 고찰하였다.

2. 기존 연구 동향

계절적 요인에 의한 습윤-건조 현상에 대한 지반공학적

연구는 습윤-건조 반복작용시 흙의 특성 변화에 관한 연구 와 강우 침투로 인한 흙의 습윤대(wetting front) 이동과정 이 사면의 안정성에 미치는 영향에 관한 연구로 대별된다.

특히 강우 침투로 인한 습윤대 이동으로 인한 사면 불안정 에 관한 연구는 불포화토(unsaturated soil) 개념에서 접근 되고 있다.

Allam and Sridharan(1981) 은 습윤-건조 반복작용이 흙 의 전단강도에 미치는 영향을 고찰한 불포화토에 대한 기본적인 이론을 정립한 연구라고 할 수 있다. 여기서는

“intrinsic effective stress” 라는 개념을 도입하여 습윤-건조 과정에서의 유효응력 변화에 대한 기본적인 현상을 고찰 하였으며 이러한 intrinsic effective stress(고유 유효응력) 는 불포화시 화학적 본딩에 의한 것이라고 보고하였다. 또한 Rajaram and Erbach(1999) 는 농학적 측면에서 계절적 습 윤-건조 반복작용이 흙의 역학적 특성과 응력장에 미치는 영향을 다루었으며 점토를 대상으로 실험적 연구를 수행 하였다. 이들은 연구를 통해서 습윤-건조과정에서 흙의 응 력장의 변화가 발생함을 밝혀냈으며 이는 흙의 강도에도 영향을 미치는 것으로 보고한 바 있다.

Tsaparas 등(2002)은 강우시 발생하는 산사태의 영향인 자에 관한 연구를 수행하여 흙의 침투특성과 강우강도 등 다양한 영향인자들이 산사태에 미치는 영향을 고찰하였 다. 여기서는 주로 강우강도 및 침투특성에 따라 안전율이 어떻게 변화하는지에 초점을 맞추고 연구를 수행하였다.

한편, Pathma 등(2006)은 낮은 모관흡수력 상태에서 습윤- 건조 반복작용이 실트질 점토의 불포화 전단강도에 미치 는 영향에 대한 연구를 수행하였는데 여기서는 다양한 실 험을 통해 습윤-건조 반복작용과 불포화 전단강도와의 관 계를 고찰하였으며 아울러 이를 흙-함수 특성곡선(soil- water characteristic curve; SWCC) 과 연계하여 습윤-건조 반복작용이 불포화 사면의 안정성에 미치는 영향을 고찰 하였다.

아울러 Zhan and Ng(2004)은 수치해석적 접근방법으 로 불포화토에 있어서의 강우 침투에 관한 메카니즘 규명 을 위해 자연사면을 대상으로 강우강도 및 불포화 특성 변 화시 사면의 안전율 변화에 관한 연구를 수행한 바 있다.

한편, Cheuk 등(2005)이 수행한 연구는 홍콩 지역을 대상

으로 강우시 발생하는 성토사면의 붕괴 메카니즘을 흙의

불포화 특성과 연계하여 분석한 연구로서 홍콩 지역에서

발생하는 집중 강우를 대상으로 하여 성토사면의 불안정

성과 흙의 불포화 특성과의 관계를 분석하였다. 최근 들어

표 1. 화강풍화토의 역학적 물리적 특성

입 도 분 포 최대건조 단위중량

_{m ax}^ 최적 함수비

_ 점착력

  내부 마찰각

 

_ , _  19 11.3 8 35

그림 2. 시료성형과 몰드(유충식과 신부남, 2011) Rahardjo 등(2007)은 자연 사면을 대상으로 사면의 기하

조건, 흙의 특성 및 투수계수, 강우특성에 대한 매개변수 연구를 수행하고 그 결과를 통해 이들 영향인자와 사면의 안전율 변화에 대한 특성을 고찰하였다. 이러한 대부분의 연구는 홍콩 또는 열대지방의 사면과 강우조건을 대상으 로 수행되었다는데 그 특징이 있다고 할 수 있다.

국내에서도 강우시 사면 혹은 옹벽의 안정성에 대해 불 포화토 개념을 도입하여 활발한 연구를 수행하고 있다. 대 표적인 연구로서 Cho and Lee(2002), 이규현 등(2007), 유 충식 등(2008a, 2008b) 등을 들 수 있다. 이들의 연구 역시 강우시 침투특성과 불포화토 개념의 침투 특성을 고려한 사 면안정 개념의 안전율 변화에 초점을 맞춘 연구라고 하겠다.

알아본 바와 같이 기존의 연구에서는 습윤-건조 반복작 용이 흙의 물리적 역학적 특성변화에 어떠한 영향을 미치 는지에 대한 구체적이고 종합적인 연구는 매우 미진한 실 정이다.

3. 시험방법 및 조건

본 연구에서는 평면변형률 압축시험을 이용하여 습윤- 건조 사이클이 화강풍화토의 평면변형률 조건에서의 압축 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 이와 아울러 전자주사 현미경(SEM)을 이용하여 습윤-건조 반복작용이 입자구조 에 미치는 영향을 고찰하였다.

3.1 흙 시료

본 연구에서는 동결-융해에 관한 연구를 수행한 유충식 과 신부남(2011)의 연구에서와 마찬가지로 경기도지역 화 강풍화토를 대상으로 하였다. 화강풍화토의 입도분포 분 석결과를 바탕으로 통일분류법(USCS)의거할 때 SP로 분 류되어 세립이 거의 없고 입도분포가 균질하지 않는 모래 질 흙으로 검토되었다. 본 연구에서 사용된 화강풍화토의 물리적 및 역학적 특성은 표 1에 정리하였다.

3.2 시험성형 및 습윤-건조

평면변형률 압축시험을 위한 시편 성형을 위해 먼저 화 강풍화토를 24시간 노건조 시킨 후 건조된 흙과 세립분 (#200 체 통과분) 그리고 물 각각의 요소들을 비율에 맞게 배합하였는데 여기서 세립분 함유량(  ) 은  =2%, 10%, 20% 로 변화시켰다. 시료를 성형은 먼저 90mm×70mm×

110mm 의 몰드(그림 2)에 배합된 흙을 넣고 5층으로 다짐 하여 조밀한 상태로 만들었으며, 성형된 시료는 성형 직 후 바로 비닐랩으로 2중으로 감싸 함수비의 변화 및 외형 변형을 방지하도록 하였다. 한편, 세립분 함유량 변화시 다짐도 95%가 확보되도록 다짐시험 결과에서 얻어진 최 적함수비를 변화시키며 시료를 성형하였다.

흙의 대한 습윤-건조 반복작용은 명시된 시험방법이 존

그림 3. 습윤-건조 시험 개념도

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

v

(%)

0

200 400 600 800 1000

D evi at or ic s tr es s , σ

d

(k Pa )

⁰ ₄

FC=2%, σ3=30kPa NWD

(a)

__

곡선

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

v

(%)

0

20 40 60 80 100 120

L at er al st re ss , σ

lat

(k Pa )

^{0 4}

NWD

FC=2%, σ3=30kPa

(b)

_ _

곡선

그림 4. 습윤-건조에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

) 재하지 않아 기존의 연구(Rajaram and Erbach, 1999; Rao

and Revanasiddappa, 2006; Zhang and Kushwaha, 1998) 에서 채택한 방법을 참고하여 시편 제작 후 시편을 24시간 수침시킨 후 15℃의 실내온도에서 24시간 건조시키는 과 정을 1 사이클로 규정하고 습윤-건조 반복작용을 모사하 였다.

3.3 시험방법 및 시험조건

본 연구에서는 습윤-건조 사이클 반복횟수 

_

과 세립 분의 함유량  을 주 변수로 선정하였다. 한편, 습윤-건조 시 강도 변화는 반복횟수 4회 이하에서 발생한다는 기존 연구(Zhang and Kushwaha, 1998)를 참고하여 다양한 세 립분 함유율을 포함하는 시편을 조성하고 습윤-건조 반복 횟수로 

_

      고려하였다. 한편, 본 연구에서 평면 변형률 시험시 구속압을 30kPa로 고정시켰으며 각 케이스 당 3회 시험을 실시하여 시험 결과의 반복성을 확 보하였다. 그림 3은 습윤-건조 시험 개요도를 보여주고 있 는데 보이는 바와 같이 시편을 24시간 수침시켜 습윤조건 을 조성한 후 다시 24시간 건조시키는 시험 방법을 채택하 였다.

한편, 본 연구에서는 유충식과 신부남(2011)의 연구에 서와 마찬가지로 다양한 조건에 노출된 시편에 대한 평면 변형률압축시험을 실시하였다. 평면변형률압축시험은 유 충식과 신부남(2011)의 연구에서 사용한 동일한 시험장비 를 이용하여 수행하였으며 지반공학 문제의 많은 부분이 평면변형률 조건에 해당하므로 본 시험방법을 채택하였 다. 한편 동결-융해 연구(유충식과 신부남 2011)에서와 유 사하게 습윤-건조 사이클을 부과된 시편을 멤브레인으로 감싼 후 시험장치에 거치하고 30kPa의 구속압 작용 후 압 축하중을 가하는 방법으로 진행하였다.

4. 시험결과

4.1 습윤-건조 반복작용에 따른 응력-변형률 관계 변화

그림 4에서는 습윤-건조 작용 이전의 경우( 



  ) 와 4 회의 습윤-건조 사이클이 작용한 경우( 



  ) 에 대한 평면변형률 압축시험 결과를 보여주고 있다. 먼저 축차응 력-압축변형률( 

_

 

_

) 관계를 보여주고 있는 그림 4(a)에

서는 습윤-건조 반복작용에 따라 

_

 

_

의 기울기가 급격

히 감소하고 아울러 최대축차응력 

_{}

또한 현저히 저하

하는 것으로 검토되었는데 이러한 경향은 



 

_

곡선을

보여주고 있는 그림 4(b)에서도 잘 관찰할 수 있다. 이러한

결과는 습윤-건조 반복작용이 흙의 응력-변형률-강도 특

0 10 20 30 Axial strain, ε

v

(%)

0 200 400 600 800

D ev ia to ric st re ss , σ

d

(k Pa ) ⁰ ₄

N

WD

FC=10%, σ

3

=30kPa

0 10 20 30

Axial strain, ε

v

(%) 0

20 40 60 80 100 120

Lat er al st re ss , σ

lat

(k Pa ) ⁰ ₄

N

WD

FC=10%, σ

3

=30kPa

(a)

_ _

곡선 (b)

_ _

곡선

그림 5. 습윤-건조에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

)

0 5 10 15 20 25

Axial strain, ε

v

(%) 0

200 400 600 800

D ev ia to ric st re ss , σ

d

(k Pa )

0 4 N

WD

FC=20%, σ

3

=30kPa

0 5 10 15 20 25

Axial strain, ε

v

(%) 0

20 40 60 80 100 120

Lat er al st re ss , σ

lat

(k Pa ) ⁰ 4

N

WD

FC=20%, σ

3

=30kPa

(a)

_ _

곡선 (b)

_ _

곡선

그림 6. 습윤-건조에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

) 성에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 의미하는 것으로서 옹

벽 시공 후 뒤채움흙이 겪게 되는 습윤-건조 과정은 결국 뒤채움흙의 역학적 특성을 감소시킬 수 있음을 의미한다 고 하겠다.

세립분 함유율에 따른 습윤-건조 반복작용이 응력-변형 률 관계에 미치는 영향은 그림 5~7에 제시된 결과의 비교 를 통해 확인할 수 있다. 즉, 그림 5와 6은 각각 세립분 함유율이     로서    결과인 그림 4와 비교하면 세립분 함유율이 다른 흙에 대한 습윤-건조 작용 의 영향에 대한 평가가 가능한데 보이는 바와 같이 정량적

인 차이는 있으나 습윤-건조 반복작용으로 최대축차응력 이 감소하는 경향을 잘 보여주고 있다.

한편, 그림 7에서는 세립분 함유율에 따른 강도비

[   

_{}



_{ }



_{}



_{ }

]를 보여주고 있는데 여

기서 

_{}



_{  }

는 4회의 습윤-건조 반복작용( 



  )

에 노출된 시편의 최대축차응력을 의미하며 

_{}



_{  }

는 습윤-건조에 노출되지 않은, 즉 

_

  조건에 대한

최대축차응력을 의미한다. 보이는 바와 같이 여기서 제시

된 강도비는 세립분 함유율별로 일정한 경향을 보이고 있

지는 않으나 4회 사이클의 습윤-건조 작용시 약 70~80%

0 5 10 15 20 25 Fine Content, FC(%)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

( σ

d,ult

)

NDW=4

/ ( σ

d,ult

)

NDW=0

( σ

_d,ult

)

N_WD=4

=

PSC strength after 4 W-D cycles

( σ

_d,ult

)

^N_WD⁼⁰

=

PSC strength w/o W-D cycles

그림 7. 세립분 함유율에 따른 강도변화비 변화경향(

_ 

)

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

200 400 600 800 1000

D evi at or ic s tr es s , σ

d

(k Pa )

⁰ ₁

2 3 4

FC=2%, σ3=30kPa NWD

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

20 40 60 80 100 120

La te ra l s tr es s , σ

lat

(k Pa )

^{0 1}

2 3 4 NWD

FC=2%, σ3=30kPa

(a)

_ _

곡선 (b)

_ _

곡선

그림 8. 습윤-건조 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

)

0 10 20 30

Axial strain, ε

_v

(%)

0

200 400 600 800

D evi at or ic s tr es s , σ

d

(k Pa )

⁰ ₁

2 3 4

NWD FC=10%, σ3=30kPa

0 10 20 30

Axial strain, ε

_v

(%)

0

20 40 60 80 100 120

La te ra l s tr es s , σ

lat

(k Pa )

⁰ 1

2 3 4

NWD FC=10%, σ3=30kPa

(a)

_ _

곡선 (b)

_ _

곡선

그림 9. 습윤-건조 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

)

의 강도 감소가 발생한 것으로 분석되었다. 이러한 경향을 토대로 할 때 정량적인 결론을 내리기에는 무리가 있으나 이러한 경향은 옹벽시공시 뒤채움흙의 강도 특성은 습윤- 건조로 인해 강도저하가 현저히 발생할 수 있음을 의미한 다고 하겠다.

4.2 습윤-건조 사이클 횟수에 따른 응력-변형률 관 계 변화

그림 8~10에서는 습윤-건조 사이클 횟수( 



)에 따른





 

_

및 



 

_

곡선 변화 경향을 세립분 함유율에 따

라 보여주고 있다. 이 그림들에서 관찰할 수 있는 경향은

세립분 함유율이 적은     의 경우 습윤-건조

사이클이 증가함에 따라 



 

_

및 



 

_

곡선의 기울

0 5 10 15 20 25 Axial strain, ε

v

(%)

0 200 400 600 800

D ev ia to ri c st re ss , σ

d

(k Pa )

0 1 2 3 4 N

WD

FC=20%, σ

3

=30kPa

0 10 20 30

Axial strain, ε

v

(%) 0

20 40 60 80 100 120

La te ra l s tr es s , σ

lat

(k Pa ) ⁰ 1

2 3 4

N

WD

FC=10%, σ

3

=30kPa

(a)

_ _

곡선 (b)

_ _

곡선

그림 10. 습윤-건조 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(

  

)

0 2 4 6

Number of F-T cycles, N

FT

0 200 400 600 800

Ul ti ma te d ev ia to ri c st re ss , σ

d,ult

(k P a )

2 10 20 FC (%) Ultimate

PSC strengths

for various FC

0 5 10 15 20 25

Fine Content, FC(%) 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

( σ

d,ult

)

NDW

/ ( σ

d,ult

)

NDW=0

1 2 3 4 Normalized

PSC strengths

for various W-D cycles

N

WD

(a)

_{ } _

곡선 (b) 정규화

_{} 

곡선 그림 11. 습윤-건조 사이클 횟수 및 세립분 함유량에 따른 최대축차응력 변화

기가 변화하는 경향을 뚜렷하게 관찰할 수 있으나 세립분 함유율이 큰    의 경유 1차 습윤-건조 사이클에서 급격한 감소를 보인 후 그 이후 사이클에서는 별다른 차이 를 보이지 않고 있다. 이러한 경향은 최대축차응력을 정리 하여 도시한 그림 11(a)에서 보다 뚜렷하게 관찰할 수 있 는데 여기서 관찰할 수 있는 바와 같이     의 경우 1차 사이클에서 최대축차응력이 현저히 감소한 후 이후 사이클에서도 점진적으로 감소하는 경향을 보이나 세립분이 다량 포함되어 있는    의 경우 사이클이 누적되어도 최대축차응력이 큰 차이를 보이지 않고 있다.

이러한 경향은 1차 습윤-건조 사이클로 인한 시편내 모관 흡수력 감소에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.

한편, 최대축차응력을 토대로 습윤-건조에 따른 강도비

를 보여주고 있는 그림 11(b)에서는 습윤-건조 반복 작용에 따른 강도비의 범위가 세립분 함유율에 따라 달라 지는 경향을 관찰할 수 있다. 즉, 세립분이 매우 적은

   와 의 경우 각각    ∼  및  

 ∼  정도의 범위를 보이나    의 경우  

 ∼  정도를 보이고 있어 세립분 함유율이 많을수

록 1차 사이클 이후 강도 변화는 그다지 크지 않으나 감소

(a) 습윤-건조 전(

_    

) (b) 습윤-건조 후(

_    

)

(c) 습윤-건조 전(

_    

) (d) 습윤-건조 후(

_    

) 그림 12. SEM을 이용한 화강풍화토의 미세입자구조 변화(습윤-건조)

정도가 현저히 큰 것으로 나타났다. 이러한 경향은 세립분 함유율이 증가할수록 습윤-건조시 강도저하가 상대적으로 더 크게 발생하기는 하나 세립분이 적은 흙일 수록 습윤- 건조 반복 사이클 횟수에 따라 강도 저하정도가 크게 영향 을 받음을 의미한다고 하겠다.

이러한 경향은 세립분이 많은 흙일 수록 습윤-건조로 인한 강도 변화가 큰 폭으로 발생함을 의미하는 것으로 앞 서 기술 한 바와 같이 옹벽 등 세립분 사용이 제한되어 있는 흙일 수록 습윤-건조에 대한 영향이 크다는 점을 내 포한다고 하겠다. 한편, 위에 제시된 바와 같이 시험결과 강도비가 매우 낮게 나타났는데 이는 습윤-건조 사이클에 서 건조기간이 24시간에 국한되었기 때문으로서 함수비 증가로 인한 강도 저하의 영향이 있었을 것으로 판단되어 정량적인 수치는 큰 의미는 없을 것으로 판단된다. 그럼에

도 불구하고 본 연구 결과의 정성적인 추세는 습윤-건조의 영향을 충분히 반영한다고 할 수 있을 것으로 판단된다.

4.3 습윤-건조 반복작용에 따른 화강풍화토의 미세 입자구조의 변화

동결-융해 반복작용이 흙의 입자구조에 영향을 미치는 것으로 분석된 바와 같이(유충식과 신부남, 2011) 습윤-건 조 반복작용이 화강풍화토의 입자구조에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 검토를 위해 습윤-건조 반복작용에 노출 된 시편을 스캐닝 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였 다. 본 연구에서 사용한 SEM 장비는 제품명 SEI로서

 의 해상도를 가지고 있다.

그림 12는 세립분 함유율별로 습윤-건조 사이클에 노출

되지 않은 경우( 

_

  )와 3회 노출된 경우( 

_

  )에

대한 SEM 판독 결과를 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 전반적으로 입자구조의 변화는 육안상으로 큰 변화를 확 인할 수 없어 그다지 크지 않은 것으로 검토되어 세립분 함유율에 관계없이 습윤-건조 반복작용 여부는 입자구조 에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 보다 구체적 인 연구가 필요한 것으로 판단되나 동결-융해의 경우 온도 변화 과정이 입자구조를 변화 시키는 반면 습윤-건조의 경 우 입자구조의 변화 보다는 함수특성을 변화 시키는 것으 로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 습윤-건조 반복작용이 화강풍화토의 압 축강도 특성에 미치는 영향에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해 세립분 함유량에 따라 성형된 시료에 습윤-건조 반복 작용을 강제 부과하여 강도 특성의 변화를 파악할 수 있는 평면변형률 시험을 수행하였으며 미세입자구조의 변화를 가시적으로 확인할 수 있는 전자주사현미경(SEM) 촬영 결과를 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 화강풍화토로 조성된 시편이 습윤-건조 노출됨에 따 라 압축응력-변형률 곡선의 기울기가 급격히 감소하 고 아울러 최대축차응력 또한 현저히 저하하는 것으 로 검토되었는데 이러한 경향은 습윤-건조 반복작용 이 흙의 응력-변형률-강도 특성에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

(2) 습윤-건조 반복작용 사이클에 따른 평면변형률 압축 강도 변화에 대한 고찰 결과 세립분 함유율별로 일정 한 경향을 보이고 있지는 않으나 4회 사이클의 습윤- 건조 작용시 약 70~80%의 강도 감소가 발생한 것으 로 분석되었다.

(3) 세립분 함유량에 따른 습윤-건조 사이클 반복횟수 ( 



)의 영향을 검토한 결과 세립분 함유율이 증가할 수록 습윤-건조시 강도저하가 상대적으로 더 크게 발 생하기는 하나 세립분이 적은 흙일 수록 습윤-건조 반 복 사이클 횟수에 따라 강도 저하정도가 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

(4) SEM 촬영 결과를 고찰한 결과 전반적으로 습윤-건조 반복작용은 입자구조의 변화는 매우 미미한 것으로 검토되어 세립분 함유율에 관계없이 습윤-건조 반복 작용 여부는 입자구조에 큰 영향을 미치지 않는 것으

로 나타났다. 보다 구체적인 연구가 필요한 것으로 판 단되나 습윤-건조 작용은 입자구조의 변화 보다는 함 수특성을 변화 시키는 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국연구재단 일반연구자 지원사업(과제번 호 20100008227) 에 의한 것이며 연구비 지원에 감사드립 니다.

참고문헌

1. 유충식, 신부남 (2011), “동결-융해 반복작용으로 인한 화 강 풍화토의 압축강도 특성 변화 연구”, 한국토목섬유공 학회논문집, 제10권, 제3호, pp.1-10.

2. 유충식, 김선빈, 정혁상 (2008a), “보강토 옹벽에 적용되는 연직배수시스템의 강우시 수압 저감 효과 - 수치해석 연 구”, 한국지반공학회 논문집, 제24권, 제5호, pp.99-106.

3. 유충식, 김선빈, 한준연 (2008b), “강우시 보강토 옹벽의 안정성에 관한 수치해석 연구”, 한국지반공학회 논문집, 제24권, 제12호, pp.1-12.

4. 이규현, 정상섬, 김태형 (2007), “불포화 사면안정에 미치 는 세립분의 영향분석”, 한국지반공학회 논문집, 제23권, 제3호, pp.101-109.

5. Allam, M. M. and Sridharan, A. (1981), “Effect of wetting and drying on shear strength”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol.107, No.4, pp.421-438.

6. Cheuk, C. Y., Ng, C. W. W. and Sun, H. W. (2005), “Numerical experiments of soil nails in loose fill slopes subjected to rainfall infiltration effects”, Computers and Geotechnics, Vol.32, No.4, pp.290-303.

7. Cho, S. E. and Lee, S. R. (2002), “Evaluation of Surficial Stability for Homogeneous Slopes Considering Rainfall Chara- cteristics”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.128, No.9, pp.756-763.

8. Pathma, C., Gallage, K. and Uchimura, T. (2006), “Effects of wetting and drying on the unsaturated shear strength of a silty sand under low suction”. Proceedings, Unsaturated soils 2006, AZ, USA, pp.1247-1258.

9. Rahardjo, H., Ong, T. H., Rezaur, R. B. and Leung, E. C.

(2007), “Factors Controlling Instability of Homogeneous Soil Slope under Rainfall”, Journal of Geotechnical and Geoenviron- mental Engineering, Vol.133, No.12, pp.1532-1543.

10. Rajaram, G. and Erbach, D. C. (1999), “Effect of wetting and drying on soil physical properties”, Journal of Terramechanics, Pergamon, Vol.l36, pp.39-49.

11. Rao, S. and Revanasiddappa, K. (2006), “Influence of cyclic

wetting drying on collapse behavior of compacted residual

soil”, Geotechnical and Geological Engineering, Vol.24, pp.725-734.

12. Tsaparas, I., Rahardjo, H., Toll, D. G. and Leong, E. C. (2002),

“Controlling parameters for rainfall-induced landslides”, Computers and Geotechnics, Vol.29, No.1, pp.1-27.

13. Zhang, Z. X. and Kushwaha, R. L. (1998), “Modeling soil freeze-thaw and ice effect on canal bank”, Canadian Geotechnical

Journal, Vol.35, No.4, pp.655-665.

15. Zhan, L. T. and Ng, C. W. W. (2004). “Analytical Analysis of Rainfall Infiltration Mechanism in Unsaturated Soils”, International Journal of Geomechanics, Vol.4, No.4, pp.273-284..

( 논문접수일 2011. 10. 25, 심사완료일 2011. 12. 11)