모래-자갈 혼합토의 강도 특성에 관한 연구
A Study on Strength Characteristics of Sand-gravel Mixtures
박 성 식† Park, Sung-Sik
ABSTRACT : The strength of granular mixtures can be controlled by the majority of the mixture, fine grains. However, in some cases, the small amount of gravel in the mixture may influence the strength of the mixture. In this study, the effect of some dispersed gravels on strength of sand is evaluated. Gravels are embedded in the middle of each cemented sand layer. The size and number of embedded gravels varies. After two days curing, a series of unconfined compression tests is performed on the cemented sand with dispersed gravels. In addition to that, a series of direct shear tests is also carried out on clean sand with gravels to evaluate its friction angle. For the specimens with the same ratio of gravel weight of 7% in which gravel size and number are different, an unconfined compressive strength(UCS) of a specimen with gravels decreases up to 15% compared to a specimen without gravel and then increases with increasing gravel number. For specimens embedded with the same size of gravel, UCS decreases and then increases as a number of gravel increases. As a number of gravel increases, a friction angle of clean sand with gravels decreases up to 5° and then recovers up to that of a specimen without gravel.
Keywords : Sand, Gravel, Soil mixture, Strength
요 지 : 작은 입자 사이에 소량의 굵은 입자가 고립된 상태로 존재하는 모래-자갈 혼합토의 강도는 흙에서 대부분을 차지하는 작은 입자 즉 모래나 점토의 역학적 특성에 따라 좌우되지만 소량의 굵은 입자인 자갈에 의해 영향을 받는 경우도 있다. 따라서 본 논문에서는 이와 같이 모래 지반 내에 흩어져 있는 소량의 굵은 자갈이 흙의 강도에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 시멘트로 고결된 모래에 일정한 비율로 굵은 자갈을 각층 높이의 중간부분에 넣고 다음 층을 쌓아 다지는 방식으로 자갈이 포함된 공시체를 완성하였다 . 굵은 자갈의 크기와 개수를 달리하면서 다양한 공시체를 제작하여 2일 동안 양생시킨 다음 일축압축강도를 평가하였 다. 한편 내부마찰각을 평가하기 위하여 깨끗한 모래에 포함된 자갈의 개수를 달리하면서 직접전단시험을 실시하였다. 공시체 내에 포함된 자갈의 개수나 크기는 다르지만 중량비가 7%로 동일한 경우, 자갈의 개수가 증가함에 따라 고결모래의 일축압축강도는 약 15% 정도 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 동일한 크기의 자갈이 여러 개 포함된 경우에도 자갈의 개수가 증가할수록 일축압축강도는 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 자갈이 포함된 모래의 내부마찰각은 자갈의 개수가 증가함에 따라 5도 정도 감소하다가 다시 회복되는 경향을 보였다.
주요어 : 모래, 자갈, 혼합토, 강도
† 정회원, 경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공 조교수(E-mail : [email protected])
한국지반환경공학회 논문집
제12권 제5호 2011년 5월 pp. 13～19
1. 서 론
심하게 또는 상당히 풍화된 지역에서 모래와 같이 작은 입자 주변에 풍화가 진행 중인 핵석이나 불규칙하게 자갈과 같은 큰 입자가 존재하는 경우가 있다. 성토나 매립된 지반 에서도 그림 1과 같이 모래에 의해 둘러싸인 쇄석을 볼 수 있다. 연약지반 개량을 위한 쇄석치환공법이나 액상화 대책 으로 사용되는 쇄석말뚝공법에서도 암석 조각이나 자갈과 같은 큰 입자가 모래나 점토와 같은 작은 입자 사이에 흩어 져 존재하는 경우가 있다. Vallejo는 모래-점토 혼합토와 같 이 입자의 크기가 서로 다른 혼합토의 특성에 관한 연구를 다수 수행하였다(Vallejo 등, 2000; Vallejo, 2001; Chik 등,
2005; Vallejo 등, 2005; Gutierrez 등, 2009). Vallejo(2001)는 여러 연구자들이 자갈-모래 혼합토에 대하여 실시한 각각의 삼축시험 결과를 종합하여 모래-자갈 혼합토에서 자갈이 차 지하는 무게비가 70%를 초과할 경우 혼합토의 거동은 자갈 과 같은 거동을 보이고 49% 미만일 경우에는 모래와 같은 거동을 하는 것으로 결론내렸다. 한편 Vallejo(2001)는 직접 5mm와 0.4mm 글라스비즈(glass bead) 혼합물에 대한 직접 전단시험을 실시하였으며, 그 결과 입자가 큰 글라스비즈가 70%를 초과할 경우 전단강도는 큰 글라스비즈에 의해 좌우 되지만 40% 미만일 경우에는 입자가 작은 글라스비즈에 의 해 좌우된다고 하였다. 국내에서도 우익(2007), 이수곤 등 (2003)은 핵석이 포함된 지반의 강도를 평가하기 위하여 인
그림 1. 모래 지반 내에 쇄석이 포함된 경우
그림 2. 백마강모래의 사진
표 1. 백마강모래의 입도분포 특성
Specific gravity Gs Effective grain size D10 (mm) Mean grain size D50 (mm) Coefficient of uniformity, Cu
2.64 0.25 0.41 1.64
그림 3. 다양한 크기의 자갈
위적으로 제작된 20mm 이하의 골재(소형 핵석을 모사)를이용한 실험을 실시하였으며, 핵석의 증가에 따라 강도가 증 가하거나 혹은 감소한다는 서로 상반된 결과를 보였다. 한편 박성식 등(2010, 2011)은 10% 내외의 소량의 자갈이 포함된 모래의 비배수 삼축시험을 실시하였으며, 자갈의 중량비 증 가에 따른 전단강도는 자갈의 크기와 공시체의 직경에 따라 달라지며 일반적으로 자갈의 크기가 증가할수록 강도가 감
소한다는 연구결과를 발표하였다.
지금까지 흙의 강도에 관한 연구는 입자 크기가 균등한 경우에 관한 연구가 대부분이었다. 하지만 실제 토목현장에 서 다루는 흙의 대부분은 입자 크기가 서로 일정하지 않으 며 크고 작은 입자가 섞여 있다. 입도분포곡선에서 갭(gap) 을 가지고 있는 흙(gap graded soil)과 같이 입자의 크기가 서로 다른 재료가 섞여 있는 경우도 있다. 따라서 본 연구에 서는 작은 입자 내에 다양한 크기의 자갈이 흩어져 있는 경 우나 쇄석이 포함된 지반의 강도를 평가하기 위하여 일축압 축시험과 직접전단시험을 실시하였다. 공시체 전체에 포함 된 굵은 자갈의 중량비는 동일하지만 자갈의 크기와 개수를 달리하면서 다양한 공시체를 제작하였다. 본 연구결과는 작 은 입자 사이에 굵은 자갈이 흩어져 있는 지반이나 쇄석을 사용한 연약지반 개량공법에서 자갈의 크기나 양이 흙의 강 도에 미치는 영향을 분석하는데 활용될 수 있다.
2. 공시체 제작방법 및 종류
2.1 실험재료
본 연구에서는 금강유역에서 준설한 백마강모래를 사용 하여 공시체를 제작하였다. 백마강모래는 실리카질 모래로 전자현미경 사진은 그림 2와 같다. 입도분포 특성은 표 1과 같으며 균등계수는 2 이하로 상당히 균등하다. 백마강모래 의 최대건조밀도와 최적함수비는 1.61g/cm3과 14%이다. 지 반 내에 존재하는 흙 입자보다 큰 자갈은 크기와 모양이 다
그림 4. Mold, collar and rammer
표 2. 일축압축시험 종류 및 결과
Test No. Cement ratio
(%) No. of gravel Gravel size* Total weight of gravel(g)
Dry density (g/cm3)
Unconfined compressive strength(kPa) UC-1
4
0 - 0 1.55 450
UC-2 1 XL 60 1.60 395
UC-3 2 L 60 1.59 395
UC-4 4 M 60 1.60 373
UC-5 8 S 60 1.60 380
UC-6 4 S 30 1.59 446
UC-7 12 S 90 1.63 387
UC-8
8
0 - 0 1.62 1888
UC-9 1 XL 60 1.66 1743
UC-10 2 L 60 1.66 1702
UC-11 4 M 60 1.65 1656
UC-12 8 S 60 1.65 1681
UC-13 4 S 30 1.63 1830
UC-14 12 S 90 1.67 1707
UC-15
12
0 - 0 1.66 4142
UC-16 1 XL 60 1.71 3658
UC-17 2 L 60 1.70 3650
UC-18 4 M 60 1.71 3451
UC-19 8 S 60 1.70 3577
UC-20 4 S 30 1.67 3670
UC-21 12 S 90 1.73 3897
*Note: XL = 25mm(12g), L = 20mm(6g), M = 15mm(3g), S = 10mm(1.5g)
양하기 때문에 그림 3과 같이 입자강도가 비교적 강한 화강 암을 부수고 다듬어 크기가 다른 네 종류의 쇄석을 반복 사 용하였다. 자갈의 모양은 약간 모난 형상을 하고 있으나 거 의 비슷하며 무게는 1.5, 3, 6, 12g으로 네 종류이다. 자갈의 크기는 가벼운 것부터 장축이 10, 15, 20, 25mm 정도이다.
일축압축시험에서는 고결제로 초속경시멘트를 사용하여 공 시체를 제작하였다. 고결제는 3시간에 7일 강도 발현이 가 능하고 도로, 교량 긴급보수에 사용되는 비중이 3.14인 국 내 S사의 초속경시멘트를 사용하였으며, 모르타르의 압축
강도는 3시간 후 25MPa, 1일 후 30MPa, 3일 후 35MPa, 7일 후 40MPa이다.
2.2 공시체 제작 및 종류
일축압축시험(ASTM D2166-06, 2003) 공시체는 모래에 소량의 시멘트를 혼합한 고결모래를 사용하여 제작하였다.
시멘트비는 건조된 모래의 무게에 대한 시멘트의 무게로 본 실험에 사용한 시멘트비는 4, 8, 12%이다. 모래에 소량의 시멘트를 혼합할 경우 최대건조밀도는 증가하더라도 최적 함수비는 크게 변하지 않으므로 백마강모래에 최적함수비 14%를 사용하여 시멘트 혼합토를 제작하였다. 다짐에 사용 한 램머(rammer)의 직경은 65mm이고 무게는 2.6kg이며, 다 짐방법은 과다짐으로 입자파쇄가 발생하지 않도록 수정 D 다짐방법에 의한 다짐에너지의 약 95% 정도가 되도록 공시 체를 5층으로 나누고 층당 50회, 낙하높이는 20cm로 일정 하게 유지하였다. 각 층에 들어갈 시멘트 혼합토의 절반 정 도를 먼저 채우고 정해진 개수의 자갈을 중앙 부분에 넣은 다음 나머지 절반의 시멘트 혼합토를 넣어서 한 층을 다지 는 방식으로 5층까지 다짐하여 공시체를 완성하였다. 이와 같은 방법으로 반복해서 제작되는 공시체의 크기는 직경 70mm, 높이 140mm이다. 삼축시험이나 직접전단시험에서
그림 5. 공시체 제작과정 중에 자갈이 들어간 모습
표 3. 직접전단시험 종류 및 결과
Test No. Normal stress (kPa)
No. of gravel*
Dry density (g/cm3)
Max. Shear stress (kPa) DS-1
50
0 1.50 53
DS-2 1 1.51 61
DS-3 2 1.51 57
DS-4 3 1.51 60
DS-5 4 1.52 59
DS-6
100
0 1.50 77
DS-7 1 1.50 96
DS-8 2 1.50 104
DS-9 3 1.52 105
DS-10 4 1.52 109
DS-11
200
0 1.50 185
DS-12 1 1.51 179
DS-13 2 1.51 174
DS-14 3 1.51 174
DS-15 4 1.51 193
*Note: gravel size = S(10mm and 1.5g)
일반적으로 권장하는 공시체의 직경은 시료 최대입경의 10 배 정도이지만(ASTM D3080-98, 2003), 본 연구에서는 소 량의 자갈을 사용하여 이를 반드시 지키지는 않았다. 건조 밀도는 시멘트비가 동일한 경우 거의 동일하며 시멘트비가 증가할수록 비중이 큰 시멘트 양이 증가하여 건조밀도가 약 간 증가하는 경향을 보였다. 공시체 제작에 사용한 장비는 그림 4와 같다. 표 2와 같이 자갈이 60g 들어간 공시체의 건조밀도는 각각의 시멘트비에 대하여 1.59～1.60, 1.65～
1.66, 및 1.70～1.71g/cm3이며, 시멘트비가 동일한 경우 자 갈이 포함되지 않은 공시체의 건조밀도는 약 0.05g/cm3 정 도 작았다. 공시체 제작과정 중에 자갈이 가장 많이 들어간 모습은 그림 5와 같다. 각 층에 들어간 자갈의 무게가 12g일 경우(전체 자갈무게는 60g)에 자갈과 공시체의 건조무게비 는 7%이고, 각층에 1.5g짜리 작은 자갈이 12개 들어간 경우
(전체 자갈무게는 90g)는 10% 정도이다.
직접전단시험(ASTM D3080-98, 2003)에는 장비의 최대 용량을 고려하여 고결되지 않은 깨끗한 백마강 모래를 사용 하였다. 직경이 60mm인 원형 공시체의 아래 절반을 약하게 다짐하여 먼저 채운 다음 굵기가 가장 작은 1.5g짜리 자갈을 전단방향과 수직하게 1, 2, 3 또는 4개 넣고 다시 윗부분에 모래를 채워서 다짐하는 방식으로 공시체를 제작하였다. 자 갈이 4개인 경우 공시체에서 자갈이 차지하는 중량비는 4%
정도이다. 수직응력 50, 100, 200kPa를 가한 다음 0.1%/min 의 속도로 전단을 실시하였다. 표 3에 깨끗한 모래를 사용 한 직접전단시험의 종류와 결과를 비교하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 일축압축시험 결과 및 분석
일축압축시험에서는 동일한 공시체를 3개 제작하여 평균 값을 사용하였으며, 결과를 2가지 방식으로 비교하였다. 첫 번째 비교방식은 공시체 내에 사용된 자갈의 중량비는 동일 하지만 자갈의 크기가 서로 다른 경우이다. 예를 들면 1.5g 짜리 자갈 8개를 사용한 경우와 3g짜리 4개, 6g짜리 2개 또 는 12g짜리 1개를 사용한 경우를 서로 비교하는 방식이다.
이와 같이 각층에 12g의 자갈이 들어간 경우 공시체의 건조 무게에 대한 자갈의 무게비는 7%이다. 첫 번째 비교에서는 각 층에 사용된 자갈의 크기와 개수는 다르지만 각 층에 사 용된 자갈의 무게가 동일한 경우 공시체의 일축압축강도를 비교하였으며, 그 결과는 그림 6과 같다. 일축압축강도는 자 갈의 개수가 4개까지는 지속적으로 감소하다가 자갈이 8개 로 늘어나면서 강도가 다시 증가하는 경향을 보이고 있다.
그림 6의 오른쪽 Y축을 참조하면 굵은 자갈이 포함됨으로 강도는 최대 약 15% 정도 감소하였으며, 자갈의 크기가 공 시체 직경의 1/5 이하로 작아지면서 강도가 다시 증가하였 다. 이것은 자갈의 비표면적이 증가하고 모래와 자갈의 맞 물림이 더 견고해지면서 강도를 약간 회복한 것으로 판단된 다. 본 연구에서는 비록 소량의 자갈을 사용하였지만 이와 같은 결과를 다량의 굵은 자갈을 사용하는 쇄석말뚝공법에 적용할 경우 쇄석말뚝공법에 사용하는 자갈의 크기를 말뚝 직경의 1/5 보다 작은 자갈을 사용하는 것이 강도 증가에 유리하리라 판단된다. 한편 시멘트비의 증가에 따른 일축압 축강도의 변화는 그림 7과 같이 자갈의 유무에 관계없이 선 형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 시멘트비가 증가할수 록 자갈의 혼입에 따른 강도 감소는 커지는 경향을 보였다.
박성식 등(2011)은 자갈의 크기가 공시체 직경의 1/5 이
그림 6. 자갈 중량비가 동일한 경우 크기가 다른 자갈의 개수에 따른 일 축압축강도
그림 7. 시멘트비에 따른 일축압축강도
그림 8. 자갈의 크기가 동일한 경우 자갈의 개수에 따른 일축압축강도
하일 경우 자갈의 크기가 전단거동에 크게 영향을 미치지않는다는 연구결과를 발표하였다. 따라서 두 번째 비교방식 에서는 자갈의 크기가 공시체 직경의 1/5 이하로 본 연구에 서 가장 작고(S size =10mm) 가벼운(1.5g) 자갈을 사용하여 공시체 내에 포함된 자갈의 중량비가 서로 다른 경우를 비 교하였다. 즉 1.5g짜리 자갈을 0, 4, 8, 12개 사용한 경우를 비교하였다. 두 번째 비교에서는 사용된 자갈의 크기는 동 일하지만 개수가 다른 경우 일축압축강도를 그림 8에 비교 하였다. 사용된 자갈의 크기가 동일한 경우에는 자갈의 개 수가 8개(자갈의 중량비는 7%)까지는 일축압축강도가 감소 하다가 자갈의 개수가 12개(자갈의 중량비는 10%)로 증가
그림 9. 수직응력이 200kPa인 경우 전단응력 및 변형률 관계
그림 10. 수직응력 및 최대전단응력 관계
하면서 강도가 다시 증가하는 경향을 보였다. 이와 같이 자갈의 개수가 증가함에 따라 강도가 감소하다가 다시 증가하 는 경향은 시멘트비가 12%인 경우 가장 뚜렷하였으며, 자 갈이 12개 포함된 공시체의 일축압축강도는 자갈이 없는 공 시체보다 약 6% 정도만 작았다. 이와 같은 강도 감소 이후
의 강도 증가는 공시체 내에 포함된 자갈의 중량비가 어떤 값(예: 7%)을 넘어설 경우 자갈과 같은 굵은 골재가 강도에 큰 영향을 미치기 때문으로 판단된다. 만약 사질토 지반에 자갈이 대량으로 포함될 경우 자갈끼리의 맞물림으로 인하 여 강도가 모래 지반보다 증가할 수 있으나, 성토나 매립 시 에 지반 내에 포함된 유사한 크기의 자갈이 10% 내외로 소 량일 경우 지반의 강도가 약 15% 정도 감소할 수 있으므로 이를 설계에 고려할 필요가 있다.
3.2 직접전단시험 결과 및 분석
직접전단시험은 시험과정이 비교적 간단하고 유사한 결 과를 반복적으로 얻을 수 있기 때문에 흙의 전단강도를 측 정하는데 자주 사용되고 있다. 본 연구에서도 이와 같은 편 리성 때문에 시료 높이의 중간 부분에 굵기가 가장 작은 1.5g짜리 자갈을 전단방향과 수직하게 0, 1, 2, 3, 4개 설치 한 다음 직접전단시험을 실시하였다. 시료는 미고결된 백마 강모래를 건조상태로 다짐하여 성형하였으며, 수직응력은 50, 100, 200kPa를 가하였다. 완성된 시료의 직경은 60mm, 높이는 35mm이다. 그림 9는 수직응력 200kPa인 경우 전단 응력-변형률 관계를 나타내고 있다. 자갈의 개수가 증가할
수록 최대전단응력이 약간 감소하다가 다시 증가하는 경향 을 보이고 있다. 그림 10은 자갈의 개수에 따른 수직응력과 최대전단응력 관계를 나타내고 있다. 자갈이 포함되지 않은 공시체의 마찰각은 42도이며, 자갈이 1, 2, 3개로 증가함에 따라 마찰각은 38도, 37도, 37도로 감소하다가 자갈이 4개 로 증가할 경우 다시 자갈이 없는 공시체의 마찰각인 42도 만큼 회복되는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 소량의 자 갈이 포함된 경우 자갈 주변의 모래가 잘 미끄러지는 거동 을 보이지만 자갈 개수 또는 중량비가 일정량 이상으로 증 가하면서 모래보다 자갈끼리의 마찰력이 지배적인 요소로 작용하기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
지금까지 모래-자갈 혼합토와 같이 입자의 크기가 서로 상당히 다른 재료에 관한 연구는 굵은 입자인 자갈의 함유 량이 최소한 10% 이상 함유된 경우에 대한 연구가 대부분 이었다. 하지만 본 논문에서는 매립 및 개량 지반이나 풍화 가 발달된 지역에서 발견할 수 있는 세립토 지반 내에 소량 (10% 이하)의 자갈이 고립된 형태로 존재하는 경우, 이와 같은 혼합토의 강도에 관한 연구를 수행하였다. 일축압축시 험 및 직접전단시험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었으며, 이와 같은 연구 결과는 자연 지반이나 인위적으로 시공되는 지반 내에 포함된 쇄석이나 자갈의 크기와 개수에 따른 지 반의 강도 변화를 예측하는데 활용될 수 있다.
(1) 공시체 내에 포함된 자갈의 중량비가 동일한 경우, 자갈 의 크기가 작아지고 개수가 증가할수록 일축압축강도는 감소하였으며, 포함된 자갈의 중량비가 7%인 경우 강도 는 약 15% 정도 감소하였다. 자갈의 크기가 공시체 직 경의 1/5 이하로 작아지면서 자갈의 비표면적이 증가하 고 모래와 자갈의 맞물림이 더 견고해지면서 강도가 약 간 회복되는 경향을 보였다.
(2) 공시체 내에 포함된 자갈의 크기가 동일한 경우, 공시체 내에 포함된 자갈의 양이 증가할수록 초기에는 강도가 감소하다가 어떤 중량비(본 연구에서는 7%)를 초과하 면 다시 증가하는 경향을 보였다. 한편, 강도 감소에서 증가로 전환되는 중량비는 주변 지반의 고결 정도(시멘 트비)에 영향을 받지 않았다.
(3) 깨끗한 모래 내에 자갈이 포함된 경우 직접전단시험으
로부터 얻은 내부마찰각은 자갈의 개수가 증가함에 따 라 감소하다가 자갈이 없는 경우와 같이 다시 원상태로 회복되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 자갈의 함유량 이 일정 이상으로 될 경우 모래보다 자갈끼리의 마찰력 이 지배적인 요소로 작용하기 때문으로 판단된다.
감사의 글
실험을 도와준 (주)대영엔지니어링 최현석 군과 (주)지반 이엔씨 김창우 군에게 감사드립니다.
참 고 문 헌
