1. 서 론
2. 실험내용
2.1 링 전단시험장치
2.2 실험 시료
2.3 실험조건 및 방법
3. 실험결과 및 분석
3.1 상대밀도에 따른 전단저항 특성
3.2 상대밀도에 따른 수직변위 특성
3.3 상대밀도에 따른 침투수량 및 포화도 특성
4. 결 론
1. 서 론
최근 집중호우의 빈도 증가, 장기 강우의 지속, 지하수위 변동, 배수시설의 기능 저하 및 구조물 주변의 누수 등으로 인해 지반 내 침투가 발생하는 사례가 증가하고 있다(Park&Suh, 2023; Kim et al., 2023). 침투수는 지반의 함수상태와 간극수압 분포를 변화시키고 토립자 간 접촉구조 및 유효응력 상태에 영향을 미침으로써 비탈면 및 토공구조물의 안정성을 저하시킬 수 있다(Godt et al., 2012; Lucas et al., 2022; Lira et al., 2024). 따라서 사질토 지반에서 침투에 따른 전단강도 변화 특성을 파악하는 것은 비탈면 안정성 및 지반구조물의 장기거동을 평가하는데 중요하다.
사질토의 전단강도는 토립자 간 마찰, 입자 맞물림(interlocking), 입자 배열 및 체적변형 특성에 의해 지배된다. 특히 상대밀도는 초기 간극구조와 입자 접촉상태를 결정하는 대표적인 인자로서 최대전단강도, 전단팽창 및 전단연화 거동에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 상대밀도가 높은 조밀한 사질토는 전단과정에서 입자 간 맞물림 및 전단팽창에 의해 높은 최대전단강도를 발현하는 반면, 상대밀도가 낮은 느슨한 사질토는 입자 재배열 및 수축성 거동이 상대적으로 우세하게 나타날 수 있다. 그러나 지속적인 전단변위가 축적되면 입자 간 맞물림이 점차 붕괴하고, 전단대 내부에서 입자 재배열·마모·분급 등이 발생하면서 전단응력은 일정한 범위로 수렴하게 된다. 이때의 전단저항은 잔류전단강도로 정의되며, 초기 최대강도와 구별되는 장기 전단저항 특성을 나타낸다.
잔류전단강도는 단순히 큰 변형이 발생한 재료의 최소 강도를 의미하는데 그치지 않고, 이미 활동 또는 전단변형을 경험하여 뚜렷한 전단면이 형성된 지반의 안정성을 지배하는 중요한 설계변수이다(Skempton, 1964; Bishop et al., 1971). 기존 활동면을 포함하는 비탈면, 재활동 가능성이 있는 산사태 지반, 반복 변형을 경험하는 비탈면부 및 장기간 전단이 지속되는 지반구조물 주변부에서는 최대전단강도보다 잔류강도 수준의 전단저항이 더 직접적인 안정성 지표가 될 수 있다(Skempton&Delory, 1957; Hutchinson, 1967; Stark&Hussain, 2010).
침투는 이미 형성된 전단면에서도 전단저항을 변화시킬 수 있다(Wang et al., 2024). 전단면이 발달한 상태에서 침투수가 유입되면 전단면 주변의 간극수압 또는 수리구배가 변화하고, 전단대 내 입자 접촉상태와 간극구조가 재조정될 수 있다. 화강풍화토 입도분포를 모사한 사질토의 경우에는 침투수 흐름으로 인해 세립분의 이동·유실, 국부적인 입도분리, 전단면 내 입자 배열 변화 및 접촉저항의 변화가 발생할 가능성이 있다. 이러한 현상은 초기 상대밀도, 수직응력 수준, 전단면의 발달 상태 및 침투 조건에 따라 달라질 수 있다. 특히 상대밀도는 전단면이 형성된 이후에도 침투 민감도에 영향을 미칠 수 있다. 느슨한 시료는 상대적으로 큰 공극과 불안정한 입자골격으로 인해 침투에 따른 입자 재배열 또는 수축이 크게 발생할 수 있는 반면, 조밀한 시료는 초기 전단과정에서 큰 맞물림 및 팽창을 경험하지만, 잔류상태에서는 전단면을 따라 입자 마모, 파쇄 및 재배열이 축적되어 초기 조밀도의 영향이 일부 감소할 수 있다. 그런데도 전단면 내 입자구조, 세립분의 분포 및 침투유로는 상대밀도에 따라 다르게 형성될 수 있으므로 잔류상태 이후 침투로 인해 전단저항 변화 역시 상대밀도에 의한 영향을 확인할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 잔류상태에 도달한 사질토에 대하여 침투 시 사질토의 잔류전단거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위해 링전단시험을 수행하였다.
2. 실험내용
2.1 링 전단시험장치
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 1과 같은 링 전단시험장치를 이용하였다. 링 전단시험장치는 배수/비배수 및 포화/불포화 상태를 제어하는 밸브가 부착된 전단상자를 비롯하여, 수직 변위를 측정하는 수직 변위계, 구속압력을 조절하는 하중 제어장치, 수평 하중 측정을 위한 로드셀, 그리고 회전속도 및 회전변위를 제어하는 모터로 구성되어 있다. 링 전단시험장치의 전단상자의 제원은 외경 200 mm, 내경 120 mm, 높이 124 mm로 점토부터 자갈에 이르기까지 다양한 입자 크기를 갖는 시료를 대상으로 시험할 수 있으며, 전단 속도는 0.01 ~ 180 mm/sec 범위 내에서 실험 목적에 맞게 조절할 수 있다. 일반적인 링전단시험은 시료 성형, 포화, 압밀, 배수 전단의 순서로 진행되나, 본 연구에서는 사질토의 상대밀도가 침투 시 잔류상태의 잔류전단거동에 미치는 영향을 확인하기 위해 시료성형, 압밀, 전단, 잔류전단상태 확인 후 침투의 순서로 실험을 수행하였다. 그리고 잔류 전단 강도는 일반적으로 전단 속도에 영향을 받으나 0.1 mm/sec 이하의 속도에서 강도의 변화가 발생하지 않는 것으로 확인(Lian et al., 2020)됨에 따라, 0.01 mm/sec의 전단속도를 적용하였다.
2.2 실험 시료
실험에 사용한 시료는 Fig. 2와 같이 국내에 널리 분포하고 있는 화강풍화토의 입도특성을 참고하여 인조규사를 이용해 조성한 인공사질토를 사용하였다. 자연 화강풍화토는 풍화도 및 세립분 함유량의 공간적 변동으로 인해 시료 간 물성 차이가 발생할 수 있으므로 재료조건의 균질성을 확보하기 위하여 인조규사를 적용하였다.
본 연구에 사용한 인공사질토는 목표 입도분포에 따라 각 입경 구간의 인공규사를 질량비로 혼합하여 조성하였으며, 물리적 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical properties of artificial sandy soil
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위한 상대밀도는 조밀·중간·느슨한 상태로 80 %, 60 %, 40 %의 상대밀도를 고려하였다. 소요 상대밀도를 갖는 인공사질토를 조성하기 위한 최소 건조단위중량 및 최대 건조단위중량은 Bowles(1978)의 방법을 고려하여 결정하였으며, 최소 및 최대 건조단위중량은 각각 15.85 kN/m3 및 18.19 kN/m3으로 확인되었다. 소요 상대밀도를 갖는 시료를 조성하기 위한 방법으로 링 전단시험장치의 전단상자의 부피와 소요 상대밀도에 부합하는 건조단위중량을 고려하여 전단상자에 5층으로 시료를 나누어 투입하고 변위제어방식의 정적다짐방법을 통해 소요 상대밀도를 갖는 시료를 조성하였다.
2.3 실험조건 및 방법
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위한 링 전단시험은 Table 2와 같은 조건을 고려하여 수행하였다.
Table 2.
Condition of test
| Relative density (%) | Shear rate (mm/sec) | Confining pressure (kPa) |
| 80 | 0.01 | 50 |
| 60 | 100 | |
| 40 | 150 |
상대밀도에 따른 링 전단시험은 다음과 같은 절차로 수행하였다. 소요 상대밀도로 조성된 건조된 시료가 담긴 전단상자를 시험 장치에 결합한 뒤, 배수 밸브를 개방한 배수조건에서 소요 구속압력을 재하한 이후 해당 구속압력이 유지되는 상태에서 0.01 mm/sec의 전단속도로 회전 전단변위를 가하고 전단저항을 측정하는 순서로 실험을 수행하였다. 소요 구속압력은 동일한 상대밀도에서 구속압력에 따른 전단저항 및 수직변위 변화를 비교하기 위해 50, 100, 150 kPa로 단계적으로 설정하였다. 침투를 위한 잔류전단상태는 기존 연구(Jeong et al., 1994)를 고려하여 전단변위 200 mm 이상을 참고하여 250 mm로 설정하였다. 전단변위가 250 mm에 도달하면 전단을 지속하면서 일정한 유량의 침투수를 시료에 공급해 침투수가 전단저항에 미치는 영향을 확인하였다. 이러한 일련의 실험 과정은 상대밀도 및 구속압력 조건 별로 동일한 방법으로 수행하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 상대밀도에 따른 전단저항 특성
사질토의 상대밀도가 침투 시 잔류전단저항에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 3과 같이 전단변위에 따른 전단저항의 변화를 구속압력 별로 상대밀도에 따라 비교하였다.
침투 전인 전단변위 250 mm 이전의 전단저항은 건조상태의 전단거동으로 전단 초기에는 전단저항이 급격히 증가하다 최대전단저항이 나타난 이후 점진적으로 감소하여 비교적 일정한 잔류전단저항 수준에 도달하는 전형적인 전단연화 거동을 보였으며, 침투 후인 전단변위 250 mm 이후의 전단저항은 포화도가 변화하는 상태에서의 전단거동으로 전단변위에 따라 전단저항이 단기간에 증가하여 국부적인 최대값을 나타낸 후, 다소 감소하다 일정한 수준의 전단저항으로 수렴하는 거동으로 구속압력 및 상대밀도에 관계없이 전단거동은 전반적으로 유사한 경향으로 나타났다. 그러나 전단저항의 크기는 상대밀도 및 구속압력에 따라 다르게 나타나 침투 전 최대전단저항 및 잔류전단저항과 구분하여 침투 후 국부 최대값은 ‘침투 후 최대전단저항’으로 이후 일정한 전단저항은 ‘침투 후 잔류전단저항’으로 정의하여 Fig. 4와 같이 침투 전·후에서의 최대 및 잔류 전단저항을 구속압력 별로 상대밀도에 따라 비교하였다.
상대밀도에 따른 침투 전·후의 최대 및 잔류전단저항은 Fig. 4와 같이 40 %의 상대밀도를 기준으로 상대밀도가 증가하면 6.61% ~ 42.73 % 증가하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도가 증가할수록 초기 간극비가 감소하고 토립자 간 접촉점 및 입자 맞물림 효과가 증가하여 전단과정에서 더 큰 마찰저항을 동원시켰기 때문으로 판단된다. 침투 후 최대전단저항은 침투 전 잔류전단저항에 비해 21.23 ~ 56.06 % 크게 나타났다. 이는 침투가 진행되면서 포화도가 증가하는 과도구간에서 전단면 내 토립자의 재배열과 입자 간 접촉상태가 변화하여 일시적으로 전단저항이 증가한 결과로 판단된다. 침투 후 최대전단저항과 침투 전 잔류전단저항의 차이는 상대밀도가 증가함에 따라 0.14 ~ 4.86 % 증가하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도가 증가할수록 전단면 내 토립자 간 접촉점 및 입자 맞물림이 발달함에 따라 침투에 의한 과도상태에서도 상대적으로 높은 전단저항이 발현된 결과 때문으로 판단된다. 그리고 침투 후 잔류전단저항은 침투 전 잔류전단저항에 비해 14.80 ~ 41.91 % 크게 나타났다. 이는 침투 직후 발생한 일시적인 전단저항 증가 이후에도 전단면에서의 입자 재배열 및 포화상태 변화에 따른 영향이 일부 유지되어 침투 이전보다 높은 잔류전단저항이 발현된 결과로 분석된다. 그러나 침투 후 잔류전단저항과 침투 전 잔류전단저항의 차이는 상대밀도가 증가함에 따라 7.40 ~ 18.12 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도가 높은 시료일수록 침투 이전부터 입자 간 접촉과 맞물림에 의해 높은 잔류전단저항이 형성되어 있으며, 침투 이후 입자 재배열이 진행됨에 따라 침투에 의해 추가적으로 발현되는 전단저항의 증가 효과가 상대적으로 감소하기 때문으로 판단된다.
구속압력에 따른 침투 전·후의 최대 및 잔류전단저항은 구속압력이 증가하면 50 kPa의 구속압력을 기준으로 9.07 % ~ 62.72 % 증가하는 것으로 나타났다. 이는 구속압력 증가에 따라 전단면에 작용하는 유효 접촉응력과 마찰저항이 증가하기 때문으로 판단된다.
3.2 상대밀도에 따른 수직변위 특성
침투 시 사질토의 상대밀도가 수직변위에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 전단변위에 따른 수직변위 변화를 구속압력 별로 상대밀도에 따라 비교하였다.
침투 전인 전단변위 250 mm 이전의 수직변위는 전단저항 변화와 연계된 거동으로 나타났다. 전단 초기에는 수직변위가 하향으로 급격히 증가하여 수축거동을 보였으며, 최대전단저항이 발생한 이후에는 수직변위가 상향으로 전환되는 팽창거동을 보였다. 이후 전단이 지속됨에 따라 전반적으로 수직변위가 하향으로 나타났으며, 수축량은 구속압력 및 상대밀도가 증가할 수록 크게 나타났다. 침투 후인 전단변위 250 mm 이후의 수직변위는 침투 후 최대전단저항이 발생하는 전단변위까지 상향으로 변화하는 팽창거동을 보였으며, 이후 전단에 대하여 수직변위는 점차 감소하다 일정한 값으로 수렴하는 경향으로 나타났다. 침투 시 팽창거동은 상대밀도 및 구속압력 변화에 따라 변화하는 것으로 나타나 Fig. 6과 같이 수직변화량을 비교하였다.
침투 시 상대밀도 및 구속압력에 따른 수직변화량은 양의 값으로 팽창거동을 보이며, 상대밀도 40 %을 기준으로 상대밀도가 증가하면 20.34 ~ 39.97 % 감소하는 것으로 나타나고 구속압력이 증가하면 구속압력 50 kPa을 기준으로 10.89 ~ 31.89 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 침투 시 발생하는 상향 수직변위가 느슨한 시료와 낮은 구속압력 조건에서 상대적으로 크게 발생하였기 때문으로 판단되며, 상대밀도가 낮은 시료는 침투 전까지 더 큰 수축변위를 경험하였으므로 침투 및 추가 전단 과정에서 발생하는 상향 수직변위의 여지가 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다. 또한 구속압력이 증가할수록 토립자 간 접촉응력이 증가하여 상향 수직변위가 제한된 것으로 판단된다.
3.3 상대밀도에 따른 침투수량 및 포화도 특성
사질토의 상대밀도에 따른 침투조건 및 습윤진행 과정을 확인하기 위해 전단변위 250 mm 이후의 침투수량 및 포화도 변화를 Fig. 7 및 Fig. 8과 같이 구속압력별로 상대밀도에 따라 비교하였다.
수직응력 및 상대밀도에 따른 누적 침투수량의 변화는 Fig. 7과 같이 모든 시험조건에서 전단변위 증가에 따라 누적 침투수량은 지속적으로 증가하는 경향으로 나타났으며, 곡선의 기울기는 전반적으로 유사하게 나타나 일정한 전단속도에서 침투수가 비교적 일정한 속도로 공급되었음을 판단할 수 있다. 다만 동일한 전단변위에 대하여 누적 침투유량은 상대밀도 및 구속압력에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 구속압력 50 kPa의 경우 누적 침투수량은 상대밀도가 높은 80 %인 경우가 상대적으로 크게 나타난 반면, 구속압력 150 kPa의 경우에는 상대밀도가 80 %인 경우가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 높은 구속압력에 의한 수직변위의 변화로 침투수가 이동하는 간극의 크기가 변화하였기 때문으로 판단된다.
침투 후 포화도의 변화는 Fig. 8과 같이 상대밀도 및 구속압력에 영향을 받는 것으로 나타났다. 상대밀도에 따른 포화도는 상대밀도가 큰 80 %의 경우가 상대밀도 60 % 및 40 %에 비해 빠르게 최종 포화도에 도달하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도가 클수록 간극이 작기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 상대밀도에 따라 최종 포화도에 도달하는 경향은 구속압력이 증가함에 따라 최종 포화도에 도달하는 시점의 차이가 미비한 것으로 나타났다. 이는 구속압력에 따른 수직변위의 변화로 인해 간극이 변화하였기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
잔류상태에 도달한 사질토에 대하여 침투 시 사질토의 잔류 전단 거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위해 상대밀도를 40 %, 60 %, 80 %로 변화시켜 링 전단시험을 수행하고 침투 후 전단저항, 수직변위, 누적 침투수량 및 포화도 변화를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 침투 전 전단저항은 초기 최대값에 도달한 뒤 대변위 전단에 따라 점진적으로 감소하는 전형적인 전단연화거동을 보였으며, 침투 후 전단저항은 일시적인 최대값까지 증가한 후 추가 전단에 따라 감소하여 새로운 잔류전단저항에 수렴하는 것으로 나타났다. 침투 후 일시적 최대전단저항은 침투 전 잔류전단저항보다 크게 나타났으며, 침투 후 안정화된 잔류전단저항도 침투 전 잔류전단저항보다 크게 나타났다. 따라서 침투 후 일시적 최대값과 이후의 안정화 저항을 구분하여 평가할 필요가 있을 것으로 판단된다.
(2) 침투 전후의 최대 및 잔류전단저항은 상대밀도가 증가하면 증가하는 것으로 나타났으나 침투 후 잔류전단저항과 침투 전 잔류전단저항의 차이는 상대밀도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도가 높은 시료일수록 높은 전단저항을 유지하나 침투 이후 입자 재배열로 인해 전단저항의 증가 효과가 상대적으로 감소하였기 때문으로 분석된다.
(3) 수직변위는 침투 후 최대전단저항이 발생하는 시점까지 팽창한 후 일정하게 수렴하는 경향을 보였다. 상대밀도에 따른 팽창량의 변화는 상대밀도가 증가하면 감소하는 것으로 나타났으며, 구속압력이 증가하면 감소하는 것으로 나타났다. 이는 침투 후 과도구간에서는 느슨한 시료와 낮은 수직응력 조건에서 더 큰 상향변위가 나타나기 때문으로 보인다.
(4) 침투 후 누적 침투수량은 전단변위에 따라 지속적으로 증가하는 경향으로 모든 시험 조건에 대하여 전반적으로 유사하게 나타났다. 이는 각 시험조건에서 침투수가 비교적 일정한 속도로 공급됨을 의미하며, 상대밀도에 따른 초기 공극구조 차이에 의한 영향으로 누적 침투수량은 상대밀도가 클수록 크게 나타났다 침투 후 상대밀도에 따른 포화도는 상대밀도가 클수록 최종 포화도에 빠르게 도달하나 구속압력이 증가하면 그 차이는 미비하게 나타났다. 이는 낮은 구속압력 조건에서는 상대밀도에 따른 초기 공극구조 차이가 큰 영향을 미칠 수 있으나 구속압력이 증가하면 상대밀도에 따른 영향이 감소하기 때문으로 사료된다.
(5) 이상과 같이 상대밀도는 침투 전 최대 및 잔류전단저항뿐만 아니라 침투 후 최대 및 잔류전단저항에도 영향을 미치는 주요 인자로 나타났다. 특히, 상대밀도가 증가할 수록 전단저항은 증가하였으며, 침투 전 잔류전단저항을 기준으로 한 침투 후 잔류전단저항의 상대적 증가폭은 감소하는 경향을 보였다. 따라서 침투가 작용하는 기존 전단면의 안정성을 평가할 때에는 상대밀도에 따른 초기 저항뿐 아니라, 침투 후 나타나는 최대 전단저항과 잔류저항을 구분하여 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.
