1. 서 론
최근 지구온난화와 기후 변화에 따른 태풍 및 집중호우의 빈도가 높아지고 있으며, 이에 따라 다양한 피해가 전 세계적으로 발생하고 있다. 산림 면적이 전체 국토의 63.7% 가량을 차지하고 있는 한국의 경우 여름철에 강우가 집중되고, 태풍과 국지성 집중호우가 발생하는 빈도가 증가하고 있다. 이에 따라 산사태 및 토석류의 발생 빈도 또한 증가하여 많은 재산 손실과 인명피해가 늘어나고 있는 상황이다(Jee et al., 2017). 따라서, 토석류의 발생 가능성 평가 및 발생 후 거동예측에 대한 연구가 요구되는 실정이다.
토석류는 흙, 암석 및 부유물 등이 경사면을 따라 중력에 의해 흐르면서 형태 및 규모가 바뀌는 동적인 현상을 의미한다. 토석류는 파괴 전, 파괴 중 및 파괴 후 거동으로 나눠지고, 포화, 압밀, 배수 등의 지반강도 특성에 영향을 받는다(Leroueil, 2001). 따라서 토석류는 발생과정에 있어 시간과 변형의 함수이며, 현장조건에 따라 다양한 전단 강도의 특성을 나타낸다(Jeong et al., 2013). 토석류의 거동을 해석하기 위해 전단 강도는 중요한 인자로 작용한다. 특히, 사면의 붕괴 후 토석류 거동은 파괴면을 따라 흙의 함수비가 증가하고 밀도가 감소하는 형태로 나타난다(Igwe et al., 2014). 이러한 붕괴 후 토석류의 유동 및 마찰 특성은 흙의 잔류 전단 강도 특성에 영향을 받는다(Suzuki et al., 2017).
링 전단 시험 장치는 직접 전단 시험 장치와 동일하게 임의의 전단 면에서 토질의 전단변형률의 변화에 따른 전단 강도 변화의 특성을 규명하기 위한 장치이다. 하지만, 링 전단 시험은 지반의 파괴전 첨두 전단 강도뿐만 아니라, 파괴 후 잔류 전단 강도를 측정이 가능하다(Jeong et al., 2011; Jeong et al., 2013; Kwon et al., 2000). 따라서, 본 연구에서는 링 전단 실험을 통해 토석류 발생 가능성을 평가하기 위한 첨두 전단 강도 계수 및 파괴 후 잔류 전단 강도 계수의 특성을 평가하고자 한다.
2. 연구 동향
링 전단 실험은 임의의 전단면에서 변형이 발생하는 동안 흙의 전단 저항을 측정하는 실험이다(Bishop et al., 1971). 실험 중 배수/비배수, 포화/불포화 조건 및 전단 속도의 제어가 가능하다. 하지만, 이러한 변수들은 실험의 결과에 영향을 끼치기 때문에 주의깊은 조절이 필요하다.
전단 속도는 증가할수록 첨두 전단 강도는 증가하고 잔류 전단 강도보다 큰 값을 나타낸다(Tika et al., 1996; Jeong et al., 2014). 또한, 빠른 전단 속도에서는 점착력이 발현 되지 않고, 느린 전단 속도에서 점착력이 발현된다(Sobolev and Morev, 2019). 함수비는 전단 속도 보다 잔류 응력에 더 두드러진 영향을 나타낸다(Lim et al., 2018; Wang and Cong, 2019). 예를 들어, 점토층의 토양은 낮은 함수비(7~14%)에서 연화 거동하는 경향을 보인다(Wei et al., 2019).
국내에서도 링 전단 실험을 통한 다양한 연구가 수행되었다. Jeong et al. (2013)은 토석류 유동성 평가를 위한 링 전단 시험장치 개발 및 활용에 대하여 제안하였다(Sassa et al., 2004; Setiawan et al., 2018). 입자의 크기는 흙의 전단거동에 중요한 영향요소이다(Jeong et al., 2012). 예를들어, 입자크기가 커질수록 지반에서 전단거동 시 입자파쇄 현상이 두드러진다(Sadrekarimi and Olson, 2010; Jeong et al., 2012). 경화 및 연화거동은 전단 속도에 의해 영향을 받는다. 예를들어, 수중 자갈 및 모래와 자갈을 혼합한 시료의 경우 낮은 전단 속도에서 경화 거동을 보이고, 높은 전단 속도에서 연화 거동을 나타냈다(Jeong, 2016; Kim et al., 2021). 전단상자 상하부에 동일의 재료가 사용될 경우, 전단응력은 수직응력과 함께 증가하나, 이질의 재료는 수직응력에 상관없이 일정안 전단응력을 나타낸다(Park et al., 2013). 실트 함유량에 따라 사질토의 전단거동은 함량이 증가할수록 전단 강도가 점차 증가하지만, 실트가 일정량 이상되면 전단 강도가 오히려 감소한다(Yu et al., 2020). 하지만 이에대한 정량적인 평가가 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 세립토 함량에 따른 화강풍화토의 첨두 및 잔류 전단강도 계수에 대해서는 연구를 수행하였다.
3. 실험 재료 및 방법
본 장은 링 전단 실험 과정, 시료 조건 및 실험 방법로 구성된다.
3.1 시료 조건
본 연구에서는 세립분 함량이 첨두 전단 강도 및 잔류 첨두 전단 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 다음과 같이 조건에서 실험을 수행하였다. 시료는 국내에 일반적으로 분포하고 있는 입도분포가 Fig. 1과 같고 비중이 2.53인 화강풍화토를 200번체로 세립분을 제거한 후 화강풍화토에 200번체로 제거한 세립분 함량을 변경(0, 10, 20, 30%)하며 시료를 준비하였다(Lee, 1992; Kim, 2019). 시료 조건은 Table 1과 같이 설정하였다.
Table 1
Experimental Condition
| Fine content [%] | Shear Rate [mm/sec] | Dry unit weight [g/cm3] | Water content [%] | Shear box volume [cm3] |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0.01 | 1.6 | 10 | 1729.1 |
| 0 | 0.1 | |||
| 0 | 1 | |||
| 10 | 0.01 | |||
| 20 | 0.01 | |||
| 30 | 0.01 |
잔류 전단 강도는 일반적으로 전단 속도에 영향을 받는다. 따라서, 신뢰성 있는 잔류 전단 강도 측정을 위해 전단 속도를 조절하여 선행시험을 진행하였고 그 결과 0.1 mm/sec 이하의 속도에서 강도의 변화가 발생하지 않음을 확인하였다(Lian et al., 2020). 이를 바탕으로 본 연구에서 전단 속도는 0.01 mm/sec로 결정하였다. 또한, 건조 단위 중량 및 함수비는 한국 자연사면에서 가장 많이 분포하는 값을 사용하였다(Table 1).
3.2 시험 방법
링 전단 실험은 ASTM D 7608-10 기준을 준수하며 수행되었다. Fig. 2는 본 연구에서 활용된 링 전단 실험 장비의 사진 및 모식도를 나타낸다. 실험 장비는 배수/비배수 및 포화/불포화 상태를 조절해주는 밸브와 실험 중 시료의 수직 변형을 측정하는 수직 변위계, 연직 하중을 조절하기 위한 수직 하중 제어장치, 수평 하중 측정을 위한 수평 하중 측정 로드셀, 전단 상자, 및 모터로 구성되어 있다(Fig. 2).
시험 순서는 다음과 같다. 전단 상자에 Table 1의 건조단위중량에 맞춰 흙과 물 무게를 조절하여 시료를 성형한다. 이후 전단 상자와 시험장치를 결합한 뒤 구속 하중을 재하하고, 수평응력으로 시료를 회전시킴으로써 전단면에 변형을 가한다.
링 전단 시험의 결과는 내부마찰각과 점착력을 산정하는데 활용된다. 실험결과는 Fig. 3과 같이 나타난다. 파괴가 발생하는 첨두지점과 파괴후의 대변형이 발생한 지점에서의 응력을 활용하여 첨두강도 및 잔류강도 계수를 산정하였다.
4. 실험 결과 및 고찰
본 장은 전체 링 전단 실험의 결과에 대해 기술하였으며 전단 속도와 연직응력 및 세립분 함량에 따른 전단강도특성, 세립분 함량에 따른 내부마찰각 및 점착력 변화로 구성된다.
4.1 전단 속도에 따른 전단 강도 특성
전단 속도에 따른 전단강도의 변화를 측정하였다. 동일한 조건의 흙 시료에서 세가지 전단 속도(0.01 mm/sec, 0.1 mm/sec, 1 mm/sec)를 선택하여 실험을 수행하였다. Fig. 4에 나타난 바와 모든 전단 속도에서 전단변형률이 약 10 mm에 도달하였을 때 첨두 전단 강도에 도달하는 경향이 나타났다. 0.01 mm/sec, 0.1 mm/sec 경우에서 잔류 전단 강도는 각각 약 22 kPa, 21 kPa로 유사하게 나타나고, 1 mm/sec의 경우에서는 약 37 kPa로 0.01 mm/sec의 경우보다 약 1.68배 증가하였다. 따라서, 전단 속도의 영향을 배제하기 위해 모든 실험에서 전단 속도는 0.01 mm/sec에서 수행하였다.
4.2 연직응력 및 세립분 함량에 따른 전단 강도 특성
Fig. 5는 연직응력 및 세립분 함량에 따른 링전단 강도 실험 결과를 나타난다. 연직응력이 30 kPa 및 60 kPa인 경우 연화현상이 발생하였으나, 높은 연직응력(90 kPa, 150 kPa)에서는 경화현상이 발생하였다. 연직응력이 커질수록 첨두 및 잔류 전단 강도는 일반적으로 증가하는 현상을 보였다. 낮은 연직응력에서(30 kPa, 60 kPa)에서는 세립분의 함량이 증가할수록 강도가 크게 산정되었으나, 높은 연직응력(90 kPa, 150 kPa)에서는 세립분의 함량에 상관없이 강도 값이 유사하게 나타났다.
Fig. 6은 잔류 전단 강도의 첨두 전단 강도에 대한 비율을 연직응력에 따라 나타냈다. 연직응력이 큰 경우에는 잔류 전단 강도의 첨두 전단 강도에 대한 비율이 1에 근접하나, 연직응력이 낮을수록 비율이 작아지게 나타난다. 구속압이 작을 때는 연화거동, 큰 경우에는 경화거동이 나타나게 되는 것이다.
4.3 세립분 함량에 따른 내부마찰각 및 점착력 변화
Fig. 7은 세립분 함량이 0%, 10%, 30%인 경우 연직응력에 따른 첨두(Fig. 7(a)) 및 잔류(Fig. 7(b)) 전단강도 값을 나타낸다. 추세선의 기울기는 전단강도 계수인 내부마찰각을 나타내고, y축 절편은 점착력을 나타낸다.
세립분 함량에 따른 내부마찰각 및 점착력의 변화는 Table 2 및 Fig. 8을 통해 나타난다. 첨두 및 잔류 전단 강도 계수인 내부마찰각은 세립분 함량이 증가할수록 감소하나 점착력은 증가하는 경향을 보인다. 잔류 전단 강도 상태에서의 변화율은 첨두 전단 강도 상태보다 작은 경향을 보였다.
Table 2
Shear Strenth Parameter by the Change of Fine Content
| Fine content [%] | cmax [kPa] | Φmax [°] | cres [kPa] | Φres [°] |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 17.17 | 13.81 | 15.25 | 14.34 |
| 10 | 22.83 | 10.43 | 14.23 | 12.73 |
| 30 | 35.54 | 3.84 | 23.85 | 6.81 |
첨두 전단 강도 상태인 경우 모든 경우에서 점착력이 잔류 상태보다 높게 측정되었으나 내부마찰각의 경우 잔류 전단 강도 상태에서 더 크게 측정 되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 링 전단 시험장치를 활용하여 세립분 함량에 대한 전단 강도 특성을 분석하고, 내부마찰각 및 점착력을 산출하였다. 연구의 결론 및 요약은 다음과 같다.
(1) 전단 속도가 높아질수록 전단 강도가 증가한다. 하지만, 일정 속도 이하에서는 전단 속도에 상관없이 유사한 전단 강도를 나타낸다.
(2) 낮은 연직응력에서 연화 거동이 관측되며, 연직응력이 높아질수록 연화 거동의 양상이 경화 거동으로 변한다.
(3) 낮은 연직응력에서 세립분 함량이 높을수록 전단 강도가 크게 측정되나, 그 차이가 점진적으로 감소하여 최종적으로 세립분 함량이 적을수록 전단 강도가 증가한다. 이는 입자크기에 영향을 받는 것으로 판단되며 세립분 함량이 적을수록 유효입경의 크기가 크기 때문에 높은 연직응력에서 전단 강도가 가장 높게 측정된 것이라 판단된다.
(4) 세립분 함량이 증가할수록 내부마찰각은 감소하고 점착력은 커지는 경향을 보이며, 잔류 전단 강도 상태일 때가 첨두 전단 강도 상태일 때보다 변화가 적게 나타난다. 기존의 흙 시료에서 200번체로 걸러진 세립분은을 사용하였기 때문에 세립분 함량이 높아질수록 점착력이 발현되고, 세립분 함량이 커질수록 유효입경의 크기가 작아지므로 내부마찰각이 감소한 것으로 판단된다.
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