1. 서 론
2. 실험내용
2.1 링 전단시험장치
2.2 실험 시료
2.3 실험조건 및 방법
3. 실험결과 및 분석
3.1 실트함량에 따른 전단저항 특성
3.2 실트함량에 따른 수직변위 특성
3.3 실트함량에 따른 누적 침투수량 및 포화도 특성
4. 결 론
1. 서 론
최근 기후변화에 따른 국지성 집중호우의 빈도 및 강도 증가, 하천·저수지 수위의 급격한 변동, 제방 및 성토체 내부의 누수는 지반 내 침투를 유발할 수 있다. 침투는 지반의 함수상태를 변화시키는 데 그치지 않고 토립자 간 접촉구조, 간극구조, 투수성 및 세립분의 분포 상태를 변화시켜 지반의 역학적 거동과 안정성에 영향을 미칠 수 있다(Semar et al., 2012; Huang et al., 2023). 특히 사질토 지반은 상대적으로 큰 간극과 높은 투수성을 가지므로 침투가 비교적 빠르게 발생할 수 있으며, 실트와 같은 세립분을 포함하는 경우에는 침투력에 의해 세립분이 조립입자 골격의 공극을 따라 이동하거나 재배열될 가능성이 있다. 이러한 현상은 간극구조, 토립자 간 접촉상태, 투수성 및 전단저항 특성에 영향을 미칠 수 있어 침투가 발생하는 사질토 지반의 안정성을 평가할 때는 단순한 초기 전단강도뿐만 아니라 대변위 조건에서 발현되는 잔류전단강도도 함께 검토할 필요가 있다.
비탈면의 활동, 제방 변형, 성토체 파괴를 비롯해 세굴이나 반복 하중에 의한 전단변형 집중과 같은 지반 문제에서는 외부 수리 조건이 변화하기 전, 지반 내부에 전단대나 활동면이 먼저 형성되는 경우가 많다. 전단대나 활동면이 먼저 형성된 지반 문제에서는 최대전단강도보다 잔류전단강도가 안정성 평가에 더 중요한 변수로 사용되고 있다(Skempton, 1964; Bishop et al., 1971). 잔류전단강도는 충분한 전단변위 이후 토립자 배열이 재구성되고 전단면이 발달한 상태에서 나타나는 안정된 전단저항으로 정의할 수 있다. 기존 활동면을 포함하는 비탈면, 이전 전단이력이 존재하는 층리면 또는 단층면, 그리고 반복적인 활동 가능성이 있는 전단대의 안정성 검토에서는 형성된 전단면을 따라 발현되는 배수 잔류전단강도를 고려할 필요가 있다.
실트가 함유된 사질토의 전단특성은 실트 함량, 상대밀도, 구속압력, 입자 형상 및 배수 조건 등 다양한 인자에 영향을 받는다. 실트 함량이 낮을 때는 조립질 모래의 마찰과 맞물림이 전단저항을 주도하며, 실트는 단순한 공극 충전재 역할에 머문다. 반면, 실트 함량이 증가하면 실트가 미끄러짐을 유발하거나 조립질 모래의 힘사슬(force chain)을 약화시켜 모래 입자 간 직접 접촉을 감소시키고 나아가 일정 한계를 넘으면 실트가 하중 전달에 직접 찹여하는 복합 골격을 형성한다. 따라서, 실트 증가에 따른 전단강도는 단순하게 증가하지 않고 모래 골격 지배형에서 세립분 참여형 구조로 전이되며, 비선형적인 거동을 나타내게 된다(Salgado et al., 2000; Thevanayagam et al., 2002; Hu et al., 2026).
침투를 고려한 사질토의 전단강도에 관한 연구는 주로 초기 시료에 침투를 반영한 후 강도를 평가하거나 침투 전후로 개별 조성된 시료의 강도를 비교하는 방식으로 이루어졌다(Chen et al., 2016; Ke&Takahachi, 2012; Xu et al., 2022; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2023). 이러한 접근은 초기 공극 구조와 최대전단강도를 평가하는데에는 유용하지만 현장에서 전단면이나 활동면이 형성된 잔류전단상태를 직접적으로 반영하기에는 한계가 있다. 특히 전단면이 형성된 후 침투가 적용되는 경우, 침투의 영향은 재배열된 전단면의 입자 접촉구조, 세립분 분포 및 공극구조 변화에 의해 지배될 수 있어 이를 고려한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 잔류전단상태의 사질토 시료를 대상으로 침투 시 실트 함량이 사질토의 잔류전단거동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 링 전단시험을 수행하였다.
2. 실험내용
2.1 링 전단시험장치
실트 함량이 침투 시 사질토의 잔류전단거동에 미치는 영향을 확인하기 위한 링 전단시험은 Fig. 1과 같은 링 전단시험장치를 이용하였다. 링 전단시험장치의 구성은 배수/비배수 및 포화/불포화 상태를 제어할 수 있는 밸브가 부착된 전단상자와 구속압력을 제어하는 하중제어장치, 실험 중 수직변위를 측정하는 수직변위계, 회전 속도 및 변위를 제어하는 모터, 수평저항을 측정하는 로드셀로 되어 있다. 전단시험 시 전단 속도는 0.01 ~ 180 mm/sec 범위에서 실험 목적에 맞게 조절이 가능하며, 외경 200 mm, 내경 120 mm, 높이 124 mm인 전단상자의 크기를 고려하여 세립토인 점토부터 조립토인 자갈까지 다양한 입자 크기를 갖는 시료에 대하여 시험이 가능하다. 시험방법은 일반적으로 시료 성형, 포화, 압밀, 배수 전단의 순서로 진행되나 본 연구에서는 잔류전단상태에서 침투 시 사질토의 잔류전단전특성에 실트의 함량이 미치는 영향을 확인하기 위해 시료성형, 압밀, 전단, 잔류전단상태 확인 후 침투의 순서로 실험을 수행하였다.
2.2 실험 시료
본 연구에 사용한 사질토는 Fig. 2와 같이 국내에 널리 분포하고 있는 화강풍화토의 입도특성을 고려하여 인조규사를 이용해 조성한 인공사질토를 사용하였다. 자연 화강풍화토는 풍화도 및 세립분 함량의 공간적 변동으로 인해 시료 간 물성 차이가 발생할 수 있으므로 재료조건의 균질성을 확보하기 위하여 인조규사를 사용하였다.
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 실트 함량이 미치는 영향을 확인하기 위해 기존 연구를 고려하여(Thevanayagam et al., 2002; Yu et al., 2020) 실트 함량이 다른 인공사질토는 실트 함량이 0 %인 Fig. 2의 인공사질토를 기준으로 10 %, 20 %, 30 %를 고려하였으며, 실트 함량에 따른 인공사질토의 입도분포는 Fig. 3과 같다. 실트 함량 별 인공사질토는 목표 입도분포에 따라 각 입경 구간의 인공규사를 질량비로 혼합하여 조성하였으며, 실트 함량 별 인공사질토의 액성한계 및 소성한계 시험 결과 모두 비소성으로 확인되었다.
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 실트 함량이 미치는 영향을 확인하기 위하여 실트 함량이 다른 인공사질토를 중간 정도의 조밀도를 나타내는 60 %의 상대밀도로 통일하여 실험에 적용하였다. 시료 조성에 필요한 최소 및 최대 건조단위중량은 Bowles(1978)의 방법을 통해 결정하였으며, 결과는 Table 1과 같다.
Table 1.
Maximum, minimum, and target dry unit weights of artificial sandy soils with different silt contents
| Classification | Silt 0 % | Silt 10 % | Silt 20 % | Silt 30 % |
| γd-min (kN/m3) | 15.851 | 16.599 | 16.877 | 16.624 |
| γd-max (kN/m3) | 18.186 | 19.335 | 19.732 | 19.063 |
| γd-60 % (kN/m3) | 17.174 | 18.140 | 18.481 | 18.006 |
실트 함량이 다른 인공사질토를 동일한 60 %의 상대밀도를 갖는 시료로 조성하기 위해 전단상자의 체적과 목표 상대밀도에 부합하는 각 실트 함량 별 인공사질토의 건조단위중량(γd-60 %)을 산정하였다(Table 1). 이를 바탕으로 시료를 전단상자에 5층으로 분할 투입하고 변위제어방식의 정적다짐방법을 통해 실트 함량 별로 60 %의 상대밀도를 갖는 인공사질토를 조성해 실험에 적용하였다.
2.3 실험조건 및 방법
침투 시 사질토의 잔류전단거동에 실트 함량이 미치는 영향을 확인하기 위한 링 전단시험은 Table 2과 같은 조건을 고려해 수행하였다.
Table 2.
Condition of test
| Relative density (%) | Shear rate (mm/sec) | Confining pressure (kPa) | Silt content (%) |
| 60 | 0.01 | 50 | 0 |
| 10 | |||
| 100 | |||
| 20 | |||
| 150 | |||
| 30 |
실트 함량에 따른 링 전단시험은 다음과 같은 절차로 수행하였다. 실트 함량 0 %, 10 %, 20 % 및 30 %인 건조된 시료를 목표 상대밀도 60 %에 해당하는 조건으로 조성한 후, 시료가 담긴 전단상자를 링 전단시험장치에 설치하였다. 이후 배수 밸브를 개방한 상태에서 목표 구속압력을 재하하였고, 시료의 수직변위가 안정된 것을 확인한 후 해당 구속압력을 유지한 상태에서 0.01 mm/sec의 전단속도로 회전 전단변위를 가하며, 전단저항을 연속적으로 계측하였다. 침투가 잔류전단저항에 미치는 영향을 확인하기 위하여 잔류전단상태를 의미하는 대변위는 기존 연구(Jeong et al., 1994)에서 제시한 전단변위 200 mm 이상을 참고하여 250 mm로 설정하였으며, 전단변위 250 mm에 도달하면 시료 내부로 일정한 유량의 침투수를 공급하여 침투 작용이 잔류전단저항에 미치는 영향을 확인하였다. 이러한 일련의 실험 과정은 실트함량 및 구속압력 조건 별로 동일한 절차를 반복 수행하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 실트함량에 따른 전단저항 특성
실트 함량이 침투 시 잔류전단저항에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 4과 같이 전단변위에 따른 전단저항의 변화를 구속압력 별로 나타내었다.
침투가 발생하기 전인 전단변위 250 mm 이전 구간에서의 전단거동은 건조상태의 전형적인 전단연화 거동이 뚜렷하게 나타났다. 즉, 초기에 전단저항이 급증하여 최대전단저항에 도달한 이후 점진적으로 감소하다 일정한 잔류전단저항에 수렴하는 경향으로 나타났다. 반면 침투가 시작된 250 mm 이후 구간에서는 침투로 인해 포화도가 변화하면서 전단저항은 단기적으로 상승해 국부적인 최대값을 형성한 뒤, 다시 감소하여 일정 수준으로 수렴하는 양상을 보였다. 이러한 전반적인 거동 패턴은 실트 함량 및 구속압력에 관계없이 유사하게 나타났으나, 전단저항의 크기는 각 조건에 따라 다르게 나타났다. 이에, 침투 후 나타난 국부 최대값은 ‘침투 후 최대전단저항’, 이후 수렴된 값을 ‘침투 후 잔류전단저항’으로 정의하고 실트 함량 및 구속압력에 따른 침투 전·후의 최대 및 잔류 전단저항을 Fig. 5와 같이 비교하였다.
침투 후 최대전단저항은 침투 전 잔류전단저항에 비해 13.33 ~ 50.13 % 크게 나타났다. 이는 포화도가 증가하는 과도구간에서 전단면 내 토립자의 재배열과 입자 간 접촉상태가 변화하여 일시적으로 전단저항이 증가한 결과로 판단된다. 실트 함량이 증가함에 따라 침투 후 최대전단저항과 침투 전 잔류전단저항의 차이는 17.59 ~ 66.91 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 실트 함량에 따른 전단면의 입자 접촉조건에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 즉, 실트가 적은 시료에서는 모래 입자 간 직접 접촉이 상대적으로 우세한 반면, 실트 함량이 증가하면 모래와 실트가 함께 구성하는 골격의 접촉조건이 변화하기 때문으로 보인다. 그리고 침투 후 잔류전단저항은 침투 전 잔류전단저항에 비해 4.34 ~ 34.51 % 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. 실트 함량이 증가함에 따라 침투 후 최대전단저항과 침투 후 잔류전단저항의 차이는 29.35 ~ 85.90 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 실트 함량이 증가하면 모래 입자 간 직접 접촉 및 맞물림의 기여가 감소됨에 따라 침투 후에도 계속되는 전단 과정에서도 이와 같은 현상이 영향을 미침에 따라 전단저항이 감소한 것으로 판단된다.
구속압력에 의한 침투 전·후의 최대 및 잔류전단저항은 구속압력이 증가하면 구속압력 50 kPa를 기준으로 15.16 ~ 62.15 % 증가하는 것으로 나타났다. 이는 구속압력 증가에 따라 전단면에서의 유효 접촉응력과 마찰저항이 증가하였기 때문으로 판단된다.
3.2 실트함량에 따른 수직변위 특성
침투 시 실트 함량이 사질토의 수직변위에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 6과 같이 전단변위에 따른 수직변위 변화를 구속압력 별로 실트 함량에 따라 비교하였다. 수직변위의 음의 방향은 시료 높이 감소에 따른 수축거동을 양의 방향은 시료 높이가 증가하는 팽창거동을 의미한다.
침투 전인 전단변위 250 mm 이전에는 모든 실트 함량 조건에서 전단 초기에 수직변위는 음의 방향으로 급격히 변화한 후, 전단이 진행됨에 따라 비교적 변화율이 완만하게 변화하다 일정한 수직변위로 수렴하는 경향으로 나타났으나 동일한 구속압력 조건에서 실트 함량에 따른 수직변위는 실트 함량이 증가함에 따라 크게 나타났으며, 구속압력에 따른 수직변위도 구속압력이 증가함에 따라 크게 나타났다. 이는 실트 함량이 높은 시료일수록 전단 중 입자배열 변화나 간극구조의 변화가 크게 나타났기 때문으로 판단된다. 침투 후인 전단변위 250 mm 이후의 수직변위는 구속압력에 관계없이 실트 함량에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 실트 함량이 0 %인 경우 수직변위는 양의 수직변위로 팽창거동을 보였으며, 이후 전단에 대하여 수직변위가 일정한 값으로 수렴하는 경향으로 나타났고 실트 함량이 30 %인 경우 수직변위는 음의 수직변위로 수축거동을 보였으며, 이후 전단에 대하여 수직변위가 일정한 값으로 수렴하는 경향으로 나타났다. 이와 같이 실트 함량에 따른 수직변위는 양의 수직변위에서 음의 수직변위로 변화하는 것으로 나타나 Fig. 7과 같이 침투 후 수직변화량을 실트 함량 및 구속압력에 따라 비교하였다.
침투 후 실트 함량에 따른 수직변화량은 Fig. 7와 같이 양의 값인 팽창거동에서 음의 값인 수축거동으로 변화하는 양상을 보였다. 실트 함량 0 %를 기준으로 실트 함량이 증가하면 수직변화량은 44.74 ~ 779.75 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 실트 함량에 따라 모래 입자 사이의 접촉 조건과 공극구조가 변화하기 때문으로 판단된다. 즉 실트 함량이 적은 경우 모래 입자간 접촉 및 맞물림이 우세한 반면 실트 함량이 증가하면 모래 입자간 접촉 및 맞물림이 감소하고 침투, 습윤, 전단 과정에서 입자의 수축성 재배열이 상대적으로 높게 나타났기 때문으로 판단된다. 또한 구속압력이 증가하면 팽창거동은 감소하고 수축거동이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 구속압력이 증가할수록 입자의 상향 이동을 수반하는 전단팽창이 더 강하게 억제되고, 침투, 습윤, 전단 과정에서 입자의 수축성 재배열이 상대적으로 높아졌기 때문으로 판단된다.
3.3 실트함량에 따른 누적 침투수량 및 포화도 특성
실트 함량에 따른 침투 및 습윤 진행 특성을 확인하기 위해 전단변위 250 mm에서 침투를 시작한 이후의 누적 침투수량과 포화도 변화를 각각 Fig. 8과 Fig. 9와 같이 구속압력별로 실트 함량에 따라 비교하였다.
실트 함량 별 누적 침투수량은 Fig. 8과 같이 전단변위가 증가함에 따라 증가하였다. 침투 초기에는 실트 함량별 곡선이 비교적 가깝게 위치하였으나 동일 전단변위에 대하여 누적 침투수량은 실트 함량에 따라 0, 30 %, 10 %, 20 %의 순서로 작게 나타났다. 이는 동일한 상대밀도에 대하여 실트함량에 따라 조성되는 간극비가 0 %, 30 %, 10 %, 20 %의 순서로 작기 때문인 것으로 판단된다. 반면 초기 침투를 지나 전단변위가 지속됨에 따른 누적 침투수량은 실트 함량에 따라 0 %, 10 %, 20 %, 30 %의 순서로 작게 나타났다. 이는 실트 함량이 증가하면서 모래 입자 사이의 공간을 실트가 점유하면서 물이 흐르는 유효 공극의 크기와 연결경로를 변화시켰기 때문이며, 침투 중 계속된 전단은 시료 높이를 변화시켜 유로 조건 역시 변화시켰기 때문으로 판단된다.
침투 시 실트 함량 별 포화도 변화는 Fig. 9와 같이 전단변위 증가에 따라 포화도는 증가하는 경향으로 나타났으며, 전단변위 258 ~ 262 mm에서 최종 포화도인 포화도 100 %에 도달하는 것으로 나타났다. 실트 함량에 따라 최종 포화도에 도달하는 것은 누적 침투수량의 거동과 유사하게 완전 포화되기 전까지 동일 전단변위에 대한 포화도는 0 %, 30 %, 10 %, 20 %의 순서로 느리게 나타났으며, 구속압력에 따라 유사한 경향을 보였다. 이는 실트 함량이 증가하면서 모래 입자 사이의 공간을 실트가 점유하면서 물의 이동경로와 간극체적을 변화시켰기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
침투 시 실트 함량이 사질토의 잔류전단거동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 실트 함량을 0 %, 10 %, 20 %, 30 %로 변화시켜 링 전단시험을 수행하고 침투 후 전단변위에 따른 전단저항, 수직변위, 누적 침투수량 및 포화도를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 침투 후 발생한 최대전단저항은 침투 전 잔류전단저항보다 크게 나타났으나 두 전단저항의 차이는 실트 함량이 증가하면 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 침투 후 잔류전단저항 역시 침투 전 잔류전단저항 보다 크게 나타났으나 침투 전·후 잔류전단저항의 차이는 실트 함량이 증가하면 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 실트 함량이 증가하면 침투에 의해 추가적으로 발현되는 전단저항의 증가 정도가 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 실트 증가에 따른 모래 입자 간 직접 접촉 및 맞물림의 감소와 전단면 내 입자 접촉구조의 변화와 관련된 것으로 분석된다.
(2) 침투 전의 수직변위는 전단과정에서 수축거동을 나타낸 후 점차 일정한 값으로 수렴하는 경향으로 나타났으며, 실트 함량 및 구속압력에 따라 수축량은 증가하는 경향으로 나타났다. 반면, 침투 후의 수직변위는 실트 함량에 따라 0 %에서는 팽창거동을 30 %에서는 수축거동을 실트 함량에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 이는 실트 증가로 모래 입자의 직접적인 접촉과 맞물림이 감소하고, 침투와 전단이 동시에 진행되는 과정에서 입자의 수축성 재배열이 증가한 것과 관련된 것으로 분석된다. 또한 구속압력이 커질수록 입자의 상향 이동이 제한되어 팽창은 감소하고 수축거동은 증가하였다.
(3) 누적 침투수량은 전단변위 증가에 따라 지속적으로 증가하였으나, 초기 침투구간에서는 실트 함량에 따라 조성되는 초기 간극비에 영향을 받으나 전단변위가 증가할수록 수직변위에 의한 영향으로 실트 함량이 높은 조건일 수록 누적 침투수량이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 모래 입자 사이의 공극을 실트가 점유하면서 침투수의 이동에 유효한 공극 및 연결경로를 변화시킨 결과로 분석된다. 포화도는 침투가 진행됨에 따라 지속적으로 증가하다 전단변위 258 ~ 262 mm에서 100 %에 도달하였으며, 완전포화에 도달하기 이전의 포화 진행 특성도 누적 침투수량과 유사한 양상으로 실트 함량에 따른 초기 간극비에 의한 영향이 크게 나타나 실트 함량에 따른 공극구조의 차이는 침투 및 포화 과정에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.
(4) 이상과 같이 실트 함량은 침투가 작용하는 사질토의 잔류전단저항, 수직변위 및 침투·포화 거동을 결정하는 주요 영향인자로 확인됨에 따라 이미 전단면이 형성된 사질토 지반에서 침투에 따른 안정성을 평가할 경우 초기 또는 최대전단강도만을 적용하기보다는 실트 함량에 따른 침투 후 최대전단저항 및 침투 후 잔류전단저항의 변화를 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
