한국지반공학회논문집 제28권 3호 2012년 3월 pp. 45 ~ 54
1. 서 론
폐기물 매립장은 낮은 접촉면 전단강도에 의해 토목
섬유-흙 사이에 미끄러짐이 발생하여 과대변위를 일으 켜 파괴가 일어날 수 있다. 이로 인해서 폐기물 매립장 차수시설의 접촉면 전단강도 특성이 중요한 과제로 부
폐기물 매립장 차수시설 접촉면 전단특성에 관한 연구
A Study on the Shear Behaviors of Geosynthetic-soil Interface in the Waste Landfill Site
박 인 준1 Park, Inn-Joon 곽 창 원2 Kwak, Chang-Won 박 준 범3 Park, Jum-Bum 조 준 식4 Cho, Jun-Sik
Abstract
Various geosynthetics are widely applied to civil structures and waste landfill site for reinforcement and water resistance. The use of geosynthetics inevitably involves the coupled behaviors of different materials which include large displacement and strain-softening behaviors, etc. In this study, the effect of chemical element in the leachate on the interface shear strength under the cyclic loading condition was analyzed. The Multi-purpose Interface Apparatus (M-PIA) has been modified and cyclic direct shear tests have been performed. The submerging period of each specimen is 200 days. Additionally, the Field-Emission Scanning Electronic Microscopy (FIB) analysis has been also performed to induce the reason of the variation of disturbance function and verify the hypothesis on the decay-proof ability of geosynthetics.
Consequently, the charateristics of chemical degradation of geosynthetic-soil interface are verified and the variation of the disturbance function is mainly caused by the different type of soil mineral decay, based on the FIB results.
요 지
최근 쓰레기 매립장에 널리 사용되고 있는 토목섬유는 흙과의 접촉면에서 대변형 거동 및 변형율 연화 등의 전단거 동 특성을 보이는데, 이는 토목섬유-흙 접촉면에서 함수비, 연직응력, 화학적 요소의 영향 등 고유물성에 기인한다.
본 연구에서는 침출수 내의 산성 및 염기성과 같은 성분의 영향이 진동하중 상태에서 토목섬유-흙 접촉면의 전단강도 감소에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 이미 구축된 다기능 접촉면 시험기(M-PIA)를 수정 제작하고 200일간 수침시킨 토목섬유와 흙 시료를 이용하여 진동 직접전단시험을 수행하였고, 그 결과 교란상태개념에 기초하여 화학적 인자들에 의한 토목섬유-흙 접촉면의 화학적 전단강도 감소 특성을 교란도 함수로써 확인하였다. 또한 전계방출주사 현미경(FIB)을 이용하여 화학적 인자에 따른 흙입자 및 접촉면 손상의 차이를 확인하였다.
Keywords : Chemical degradation, FIB, Geosynthetic-soil interface, Soil mineral decay, Waste landfill site
1 정회원, 한서대학교 토목공학과 교수 (Professor, Dept. of Civil Engineering, Hanseo Univ., [email protected], 교신저자) 2 정회원, 서울대학교 토목공학과 박사과정 (Graduate student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Seoul National Univ.) 3 정회원, 서울대학교 토목공학과 교수 (Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Seoul National Univ.)
4 비회원, 한서대학교 토목공학과 석사 (Graduate student, Dept. of Civil Engineering, Hanseo Univ.)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2012년 9월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
그림 1. 교란도의 변화에 따른 재료 내부의 상태변화(박인준 외, 2000)
각되고 있다. 국내외에서는 주로 대형 직접전단 시험에 의해 정적 전단강도 연구가 진행되고 있다(Christensen 외, 1994). 폐기물 매립장 차수시설은 침출수가 매립지 에서 유출되어 주변 환경을 악화시켜 생활환경의 보존 상 지장이 생기지 않도록 침출수의 유출을 방지하는 중 요한 요소이다. 매립장에서 발생하는 침출수에는 환경 에 유해한 물질들이 다량 포함되어있기 때문에 매립장 설계시 침출수가 외부로 누출되지 않도록 주의를 기울 여야 한다. 이러한 목적으로 매립장의 바닥과 사면에는 토목섬유로 이루어진 차수시설이 설치된다. 폐기물 매 립장 차수시설에 사용된 토목섬유-흙 사이에는 폭넓은 접촉면(interface)이 형성되는데 이러한 접촉면은 일반 적으로 낮은 전단강도를 보이기 때문에 매립장의 구조 적 안전성에 큰 문제를 나타내며, 매립장 설계시 중요하 게 고려해야 한다. 따라서 토목섬유-흙 접촉면 전단 강 도를 정확하게 평가하는 것이 매립장의 안정성 확보에 중요한 요소이므로 접촉면의 정적 또는 동적 전단거동 에 대한 다수의 연구가 진행되어 왔다(Seo et al, 2007, Yegian et. al., 1995).
본 연구에서는 산성 또는 염기성을 띠는 침출수에 지 속적으로 접촉되어 있는 토목섬유 및 흙의 상태를 고려 하여 지진하중이 작용할 때의 전단거동특성을 파악하 도록 한다. 200일간 산성, 중성 및 염기성 용액에 수침 시킨 토목섬유 및 모래 시료에 대하여 0.5Hz의 동적 전 단하중을 재하하여 화학적 영향인자에 따른 전단응력 과 전단변형률 및 접촉면 두께 변화를 산정하여 정리, 분석 하였다. 접촉면의 손상 정도는 시험 결과를 바탕으 로 교란상태개념(disturbed state concept)에 기초한 교란 도함수(disturbance function)를 이용하여 표현하였다.
M-PIA장비에 의해 결정된 각 하중별 토목섬유-흙의 접 촉면에 대한 전단응력-변형률 관계곡선을 산정하고, 재
하회수별 전단소성변형률 상각궤도() 및 교란도값(D) 을 파악하여 교란도함수를 구하였다.
2. 접촉면 교란상태의 개념
재료가 외부로부터 하중을 받게 되면 재료내부의 미 세구조는 그로 인해 변화를 일으키게 된다. 교란상태개 념은 하중을 받는 재료의 거동을 이러한 미세구조의 변 화를 이용하여 표현할 수 있다는 가정에 기초하고 있다. 교란상태 개념에서는 하중을 받는 재료의 거동을 정의 하기 위해 두 개의 기준 상태를 도입하였다. 첫 번째는 상대적으로 손상되지 않은(relatively intact, RI) 상태로 써 재료가 외력을 받기 전의 초기 상태에는 미세한 결함 들을 포함하더라도 재료가 상대적으로 손상되지 않은 상 태로 보는 개념이다. 두 번째는 완전파괴(fully adjusted, FA) 상태로써 재료의 초기상태에 미세하게 존재했던 손상된 부분이 외력에 의해 점차로 확산되어 재료가 전 단저항력을 완전히 잃은 상태를 말한다. 하중을 받는 재 료가 파괴에 이르기까지는 RI 상태와 FA 상태의 사이 에 존재하게 된다. RI 상태는 탄성모델 또는 탄소성 모 델 등의 구성방정식으로 나타낼 수 있으며, FA 상태는 한계상태개념을 통해 나타낼 수 있다(Desai 외, 1997:
Desai, 2001). 그림 1은 진동하중을 받는 재료의 거동을 RI 상태와 FA 상태를 통해 정의한 것이다.
어떤 재료에서 임의의 응력상태를 RI 상태 및 FA 상 태와 비교하여 교란도(D) 값으로 표현할 수 있으며 이 는 다음 식 (1)과 같다. 초기상태에 재료는 전혀 교란된 부분이 존재하지 않는 RI 상태라고 가정하면 D 값은 0 이다. 재료가 완전히 교란된 상태를 FA 상태라고 보면, D값은 1이 되는데 실제로 대부분의 재료는 D가 1에 도 달하기 전에 파괴에 이르므로 실제의 경우 FA 상태의
그림 3. M-PIA(multi-purpose interface apparatus)(박인준 외, 2010) 그림 2. 접촉면의 기본 개념도
D는 1보다 작은 값을 가진다.
D i c
i a
(1)
여기서 i, c 그리고 a는 각각 RI 상태, FA 상태 그 리고 시험을 통해 얻은 재료의 평균 전단응력 값을 나타 낸다. 교란도와 응력-변형률 상관도로부터 산정한 소성 변형의 누적량을 표현하는 매개변수를 전단 소성변형 률 상각궤도()라고 하고 이에 관한 상관식은 식 (2)와 같이 표현하였다.
(2)
여기서, Du는 한계 교란도이고, A, Z는 재료의 고유 특성에 의존하는 변수이다. 상수 는 여러 연구 결과 에 근거하여 1로 간주할 수 있다. 의 산정 방법 및 개 념도는 아래의 식 (3) 및 그림 2에 정리하였다.
2 1
) ( rp rp rp rp
D=∫ du •du +dv •dv
ξ (3)
여기서, 및 는 각각 상대적 수평 및 연직 소성변 위로 정의한다.
본 연구에서는 화학적 인자에 따른 고유특성치 A 및 Z 값을 산정하였으며 접촉면재료는 이 값에 의존하여 고유의 접촉면 전단거동특성을 나타내게 된다.
3. 접촉면 전단특성 분석
3.1 실내 시험 방법
본 연구에서는 접촉면 전단파괴의 거동특성을 분석 하기 위해서 다기능 접촉면 전단시험기(M-PIA)를 제작 하였다. 토목구조물의 안정성에 영향을 미치는 지진에 의한 기초 지반과 강도저하를 평가하는 방법을 조사할 수 있는 시험기로서 조립토 및 세립토의 반복하중을 작 용시켜 지반의 특성을 조사할 수 있다. 이 시험기는 크게 하부 전단상자와, 수평 및 수직하중 재하장치(⑦, ⑧), 전단하중 측정용 로드 셀, 수직 변위계, 6개의 와이어 게 이지(①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥)와 시험기를 제어하는 프로 그램을 내장하고 있는 조절장치 및 자동 데이터 수집프 로그램으로 구성되었다. 그림 3은 M-PIA(multi-purpose interface apparatus) 시험기를 제작하여 설치한 모습과 시험기의 모식도이고 M-PIA의 사양은 표 1에 나타냈다.
본 시험에 사용된 주문진 표준사와 토목섬유를 현장 매립장 접촉면과 유사하게 이루어지도록 하기 위해서 화학적 반응에 따라 매립장 침출수의 pH의 범위를 3가 지로 구분하여 표 2와 같은 조건을 적용시켰다. 화학적 반응이 충분히 일어나기 위하여 주문진 표준사와 일체 형 토목섬유(HDPE+부직포)를 표 3과 같이 200일간 수 침시켰다. 또한 상재하중에 따른 전단거동의 비교를 위 하여 각 시료에 따라 5kN, 15kN의 연직하중을 가하여
표 1. M-PIA의 장비사양
장치 사 양 비 고
전단력 50kN - max
전단속도 0.5Hz(mm/sec) - 설정가능
전단상자 200mm × 170mm
공시체 100mm × 100mm - 자재 : 스테인레스
수평변위계 +/- 5mm - LVDT(자동계측)
수직변위계 20mm - LVDT(자동계측)
Wire draw transducer +/- 0.05/100mm+양자화 오차
제어장치 자동제어 및 데이터 수집 프로그램
- 측면 변위 제어 프로그램 - 자동 다점 인터벌기능 - 속도제어
- 정하중제어 - 응력제어 - 변위제어
표 2. 시험의 화학조건
용액 pH
염기성(NaOH) 11
중성(Water) 7
산성(CH3COOH) 3
표 3. 시료상태
시료 sample 수침기간
HDPE+부직포(일체형) 200일
주문진 표준사 200일
(a) HDPE 표면 (b) HDPE 단면
그림 4. 토목섬유(HDPE)
총 6가지 경우에 대한 시험을 실시하였다.
본 시험에 사용된 토목섬유는 일체형 HDPE로써 하 부 보호용 Fiter Mat(부직포)와 HDPE 시트를 사전 접착 하여 HDPE 시트의 접촉 손상을 방지하며, 지반 밀착력 을 높게 하여 설치할 수 있는 섬유이다. 그림 4는 일체 형 HDPE의 표면과 측면을 나타낸 것이다.
3.2 시료에 대한 전계방출주사현미경(FIB) 분석결과
본 시험에서는 화학인자별 수침기간에 따른 토목섬 유-흙의 손상정도를 알아보기 위해 전계방출주사현미 경(Field-Emission Scanning Electronic Microscopy, FIB) 으로 관찰하여 분석하였다. 그림 5는 주문진표준사와 토목섬유를 FIB로 관찰한 결과이다. 토목섬유의 관측결 과 산성과 염기성의 경우 내화학성 물질인 카본블랙과 항자외선 성분을 포함하여 제작된 HDPE 시트의 손상 정도는 미미하게 나타났다. 중성에서는 HDPE, 부직포 모두 손상정도가 거의 관측되지 않고, 산성과 염기성에 서는 부직포의 부분적 손상이 관측되었으나 심각한 손 상은 나타나지 않았다. 산성과 염기성에서 HDPE 시트 자체의 손상은 적었으나 부직포-HDPE 연결부에 주로 손상이 나타났다. 흙입자에 대한 관측결과 중성에서는 수침 후 약간의 표면 손상이 관찰되었으나 미미하였고, 염기성에서는 국부적 부식현상이 관찰되었다. 또한 산
(a) 토목섬유 (중성) - 100배 확대
(c) 토목섬유 (산성) - 100배 확대
(e) 토목섬유 (산성) - 100배 확대
(g) 주문진표준사 (중성) - 100배 확대
(b) 토목섬유 (중성) - 300배 확대
(d) 토목섬유 (염기성) - 300배 확대
(f) 토목섬유 (산성) - 300배 확대
(h) 주문진표준사 (중성) - 1,000배 확대 그림 5. 전자현미경 관찰결과
(i) 주문진표준사 (염기성) - 100배 확대
(k) 주문진표준사 (산성) - 100배 확대
(j) 주문진표준사 (염기성) - 1,000배 확대
(l) 주문진표준사 (산성) - 1,000배 확대 그림 5. 전자현미경 관찰결과 -계속
성에서는 표면조직의 층상분리현상이 관찰되었다.
FIB 분석 결과 주문진표준사에서 염기성과 산성의 열화현상이 서로 다른 경향을 보이며 이로 인하여 교란 도함수의 형상이 다르게 나타날 것이라 추정할 수 있다.
반면 내화학적 성분(카본블랙) 및 항자외선 성분 등이 첨가된 HDPE 시트의 화학적 손상은 상대적으로 미미 함을 확인하였다. 따라서 토목섬유-흙의 접촉면 교란도 함수는 주로 흙입자에 의해 영향을 받는 것으로 판단된다.
3.3 동적전단시험에 따른 전단응력(Shear stress)/전단변 형률(Shear strain) 관계 곡선
접촉면의 전단파괴 특성을 분석하기 위해서 3가지 경 우의 화학조건 및 연직하중 조건을 형성하여 총 6가지 의 경우에 대하여 동적전단시험을 실시한 결과는 그림 6과 같다. 그림 6은 동적하중을 최대 50회에 걸쳐 재하 한 결과이고 대표 재하회수 4가지(1회, 10회, 30회, 50회) 에 대하여 전단응력/전단변형률 관계를 도시하였다. 모 든 화학조건에서 연직하중이 증가 할수록 초기 전단응
력이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 진동 재하횟수 가 증가 할수록 전단응력 감소(Shear stress degradation) 가 뚜렷하게 나타났다. 그림 7에서는 하중별로 대표적 인 재하회수(1회, 10회, 30회, 50회)에서의 최대 전단응 력 화학 조건별로 산정하여 비교하였다. 진동 재하회수 가 증가함에 따라 최대 전단응력이 감소하는 것을 알 수 있다. 상대적으로 접촉면에 가장 큰 손상을 받은 산 성의 경우 염기성과 중성에 비해 최대 전단응력이 최대 약 25%까지 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 상재 하중이 작은 경우 각 조건별 최대 전단응력의 차이가 현저히 크게 발생하므로 지진과 같은 동적하중 재하시 상재하중이 작고 상대변위량이 큰 표층부의 접촉면에 서 파괴 위험이 커진다고 판단된다.
3.4 화학 인자별 접촉면의 게이지별 상대변위
침수기간에 따른 화학인자별 접촉면 두께를 분석한 결과는 다음 그림 8과 같다. 모든 경우에서 접촉면에서 가장 근접한 1번 게이지에서 큰 상대변위를 나타내며,
(a) 염기성 5kN
(c) 중성 5kN
(e) 산성5kN
(b) 염기성15kN
(d) 중성 15kN
(f) 산성15kN 그림 6. 전단응력/전단변형률 관계곡선
(a) 5kN 최대전단 응력 (b) 15kN 최대전단 응력 그림 7. 하중별 최대전단 응력
(a) 1번 게이지
(b) 2번 게이지
(c) 3번 게이지
그림 8. 화학인자별 접촉면 상대변위
접촉면에 근접하지 못한 2번 게이지는 1번 게이지에 비 해 상대변위가 작게 나타났다. 접촉면에서 가장 멀리 위 치한 3번 게이지의 경우, 산성의 경우 가장 큰 상대변위 를 보이므로 염기성과 중성에 비해 손상 정도가 크다고 판단된다. 상재하중이 증가함에 따라 3번 게이지의 상 대변위는 염기성과 중성의 경우 거의 변화가 없고, 산성 의 경우 증가하므로 접촉면 두께는 손상을 작게 받은 염기성과 중성에서 약 6∼8mm, 산성에서 약 10mm로 예측 할 수 있다. 따라서, 상대변위 분석을 통해 화학적 영향인자별로 접촉면에 반응하였을 때 접촉면에 손상 을 받아 서로 다른 정도의 변위가 일어남을 알 수 있다. 파악된 접촉면 두께는 추후 연구에서 접촉면 물성산정 시 이용할 수 있다.
3.5 화학 인자별 접촉면 거동특성
실험결과 진동 재하회수가 증가할수록 접촉면 전단 응력이 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났으며 이는 교 란도 증가로 인해 손상 축적을 의미한다. 전단소성변형 율 상각궤도()를 산정하기 위해 M-PIA 장비에 의해 결정된 각 하중별 토목섬유-흙의 접촉면에 대한 상대변 형율 값을 주요 재하회수에 대해 누적하여 산정하였다. 실내시험을 통해 얻은 전단응력으로부터 진동 재하회 수별 교란도함수의 D값을 산정하였고, 하중별 상대변 위에 대한 분석, 그리고 D값에 대한 를 그래프로 나타 내었다. 그림 9에서 초기 전단응력 값과 FA 상태의 전 단응력 값의 차에 대한 초기 전단응력 값과 현재 전단응 력 값의 차이가 교란도 함수값이 된다(박인준 외, 2000).
그림 9에서, 중성일 경우 진동재하횟수에 따라서 교란
교란도(D)/상각궤도()-염기성
교란도(D)/상각궤도()-산성
하중별 교란도(D)/상각궤도()-중성
교란도(D)/상각궤도() 그림 9. 하중별 교란도(D)/상각궤도()
도가 정비례 형태로써 완만한 파괴 형상을 나타냈고, 염 기성의 경우 중성과 다르게 초반에 교란도가 급격히 증 가하해 재하 초기에 파괴되는 형상을 나타냈고, 그 이후 진동재하횟수가 증가함에 따라 교란도가 정비례 형태 로써 완만한 파괴 형상을 나타내었다. 산성의 경우 모든 연직하중 조건에서 교란도가 초기부터 급격히 증가하 는 경향을 나타내었고 상대적으로 교란도가 집중되는 형상으로 나타났다. 따라서 산성의 경우 하중재하 초기 에 토목섬유-흙 접촉면의 전단강도 감소가 발생하였고, 화학적 영향인자가 접촉면에 반응할 경우 접촉면에서 초기 전단파괴가 급격히 일어남을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 폐기물 매립장의 차수시설에서 형성 되는 접촉면의 파괴에 대한 실험적 연구를 통해 폐기물 매립장의 화학적 영향인자로 인한 토목섬유-흙 접촉면 의 전단 거동특성을 연구하였다. 이를 위하여 다기능 접 촉면 전단시험기(M-PIA)를 이용하여 동적하중 재하시 토목섬유-흙 접촉면의 전단강도 특성 시험을 수행하였 으며, 실내시험 결과를 토대로 교란상태개념을 접목시 켜 최종적으로 교란도 함수의 매개변수를 구하여 접촉 면 거동을 분석하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 폐기물 매립장의 접촉면에 수침별 화학적 영향인자 3가지를 통하여 연직하중(5kN, 15kN)에 따른 접촉 면 전단두께와 전단파괴 거동특성에 대하여 분석하 였다. 염기성, 중성, 산성 모두 연직하중이 증가 할 수록 전단 응력이 감소하는 경향을 나타내었다. 중 성인 경우 모든 연직하중 조건에서 진동재하 횟수 증가에 따라 교란도가 정비례 형태를 보여 완만한 파괴진행을 보였다. 염기성의 경우 초기에는 상대 적으로 빠른 손상정도를 나타내었고, 진동횟수가 증가함에 따라 완만한 파괴진행을 나타내었다. 산 성의 경우 모든 연직하중 조건에서 초기에 교란도 가 급격히 증가하였다. 따라서 산성의 경우 진동하 중 재하 초기에 토목섬유-흙 접촉면의 전단강도 감 소가 발생하였고 접촉면에서 초기 전단파괴가 급격 히 일어남을 알 수 있다.
(2) 접촉면의 상대 변위는 접촉면에 가장 근접한 1번 게 이지에서 가장 큰 상대 변위가 일어남을 알 수 있고, 접촉면과 떨어진 2번, 3번 게이지의 경우 상대변위 가 작게 발생함을 알 수 있다. 상재하중이 증가함에 따라 3번 게이지의 상대변위는 염기성과 중성의 경 우 거의 변화가 없고, 산성의 경우 증가하므로 접촉 면 두께는 손상을 작게 받은 염기성과 중성에서 약 6∼8mm, 산성에서 약 10mm로 예측 할 수 있다. 이 를 통해 접촉면이 화학적 영향을 받으면 그 두께가 pH에 따라 달라지는 현상을 명확하게 알 수 있다.
(3) 각 화학 조건별로 전계방출주사현미경(FIB)을 이용 하여 수침된 시료를 관찰한 결과 내화학 성분을 포 함하여 제작된 HDPE 시트 자체의 손상 정도는 미 미하게 나타난 반면에 흙입자에 대한 손상은 명확 하게 관측되었다. 흙입자 관측결과 염기성에서의 국부적 부식현상 및 산성에서의 표면조직 층상분리 현상이 관측되어 염기성과 산성의 열화현상이 서로 다른 경향을 보였다. 따라서 이로 인하여 교란도함 수의 형상이 다르게 나타나는 것이라 추정되며, 토 목섬유-흙의 접촉면 교란도 함수는 주로 흙입자에 의해 영향을 받는 것으로 판단된다.
(4) 주문진 표준사의 화학적 주성분은 이산화규소(SiO2) 라 볼 수 있으며 규소 원자를 중심으로 산소 원자가 정사면체로 연결된 공유결합구조를 가진다. 따라서 화학적으로 비교적 안정된 구조이므로 산성 또는
염기성 침출수와 활발한 화학반응을 일으키지는 않 는다. 본 실험에서는 pH3, pH11의 강산 및 강염기 용액을 사용하여 장기간 수침시킨 결과 흙 입자의 전반적인 화학적 결합손상이 아닌 입자 표면에서의 박리현상 및 열화현상을 관측하였으므로 흙입자의 손상은 흙 접촉면의 표면손상(surface damage)에 기 인한다. 이로 인하여 동적하중 하의 토목섬유-흙의 접촉면 거동이 달라짐을 확인하였으며, 특히 재하 초기단계에서 손상이 비교적 빨리 발생하는 특성을 보였다.
감사의 글
본 연구는 2009년 교육과학기술부의 재원으로 한국 연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다(No.2009-0085545).
참 고 문 헌
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(접수일자 2012. 1. 9, 심사완료일 2012. 3. 17)