세립분 함량에 따른 화강 풍화토의 흙-함수특성곡선 특성
Soil Water Characteristic Curve Analysis of Weathered Granite Soils with Various Fine Content
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Abstract
불포화 지반 특성과 관련된 정수들은 표면력으로 인한 모세관 및 흡착 현상의 영향으로 불확실성을 내포하기 때문에 사면안정해석에 활용되는 대표적인 값을 얻는 것에 어려움이 있다. 또한, 불포화 상태에서 발생하는 모관흡수력은 사면의 안정성을 증가시키지만, 집중호우로 인한 모관흡수력의 감소는 사면 안정성 감소를 유발한다. 따라서, 지반 조건에 맞는 적합한 불포화 정수 값의 제시는 중요하다. 본 연구에서는 국내 산지를 대표하는 흙인 화강풍화토를 활용하여 불포화 상태에서의 공학적 특성을 분석하였다. 화강풍화토의 세립분의 함량을 0%, 10%, 20%, 30%로 달리한 4가지 시료를 조성한 후 시료에 대하여 흙-함수특성곡선 시험을 수행하였다. 이론식으로 van Genuchten 모델을 활용하였으며 건조과정에 대해 화강풍화토의 세립분에 따른 공기함입값 및 파라미터 값을 분석하였다. 그 결과, 화강풍화토 내의 세립분 함량에 대한 공기함입값 및 파라미터에 따른 상관관계를 평가하였다.
Trans Abstract
Determining the parameters related to unsaturated soil properties considering capillary and adsorption phenomena is challenging. In addition, the matric suction generated in unsaturated soil increases the stability of the slope; however, the decrease in matric suction owing to heavy rain causes a decrease in slope stability. Therefore, it is crucial to determine the parameters of unsaturated soil accurately. In this study, the engineering characteristics in the unsaturated state were analyzed using weathered granite soil, which is typically distributed in mountainous areas in Korea. Four samples were prepared in which the compositions of the fine contents of weathered granite soil were 0%, 10%, 20%, and 30%, and a soil characteristic curve test was performed on the samples. In the coefficient prediction method, the widely applied van Genuchten model was used to analyze the air entry value and parameter values according to the fine content of weathered granite soil in the range of the drying process. As a result, a correlation between the fine content in the weathered granite soil and the air entrainment value and parameter values was identified.
1. 서 론
국내의 경우 전체 국토 중, 60% 이상이 산지로 구성되어 있다. 근래에 들어 이상기후에 의한 빈번한 집중호우 발생에 따라 국내에서 사면파괴 및 산사태의 발생 횟수가 증가하고 있다. 대부분의 국내 실제 사면붕괴 사례는 집중호우가 발생하는 6월에서 9월 사이인 하절기에 주로 발생한다고 보고되었다(Yoo, 2019).
사면파괴는 강우침투로 인한 토사 내부의 수분증가와 간극수압의 변화로 인해 발생한다. 간극수압의 증가로 인해 흙의 전단강도가 감소하며 최종적으로 사면붕괴의 결과로 나타날 수 있다(Lumb, 1975). 이러한 메커니즘에 의해 집중호우를 고려한 화강풍화토(Weathered granite soil)의 비탈면 안정성 연구가 진행되고 있다(Kim, 2020).
사면에서 강우가 발생하여 지표면에 도달하면 사면경사를 통해 유출되거나 지반 내부를 통해 침투된다. 지반 내부로 침투되는 강우의 침투속도는 지반의 특성, 강우강도에 따라 변화한다(Kim et al., 2018). 침투된 강우에 의해 모관흡수력(Matric suction)은 감소되어 사면파괴를 유발하게 된다. 또한, 투수계수가 작거나, 지반 내 불투수층이 존재할 경우 침투된 강우가 지표에서 가까운 곳에 누적되어 간극수압이 양(+)으로 변화하면서 표면파괴와 같은 유형의 사면 붕괴가 발생할 수 있다. 강우의 유량이 많을수록 사면붕괴와 같은 재해가 늘어나는 것으로 나타났다(Lam et al., 1987). 국내에 존재하는 사면의 지반은 대부분 지하수위 상부에 존재하며, 증발 및 모세관 현상 등에 따라서 일정량의 수분을 포함하고 있는 불포화 상태로 유지된다(Lee, 2007). 지반이 불포화 상태로 존재하면 대기압에 따른 간극수압이 음(-)의 값이 되며 이는 사면의 안정성에 큰 영향을 미친다(Lee et al., 2018). 이와 같은 강우침투에 의한 상부지반에서의 포화가 자연사면에 따른 얕은 사면파괴의 주원인으로 확인되고 있다(Godt et al., 2006; Lu et al., 2013; Song et al., 2016; Park and Song, 2020). 모관흡수력은 사면의 안정성을 증가시키는 특징이 있지만, 이와 반대로 강우에 인한 모관흡수력의 감소는 안정성이 감소하여 사면 붕괴를 유발할 수 있다. 또한, 강우 침투로 인해 지반의 습윤 전선이 하강하여 임계파괴 깊이까지 도달하면 얕은 사면파괴가 발생할 수 있다(Fredlund and Rahardjo, 1993; Ng and Shi, 1998; Song and Hong, 2011; Y.S. Kim et al., 2013; Kim et al., 2021). 따라서 불포화 사면지반의 강우에 의한 침투현상과 이를 고려한 안정성 해석에 대한 연구가 필요하다.
불포화토는 포화도와 다른 거동특성을 보이며 지반의 전단강도에 영향을 미친다(Lee et al., 2010). 공기압과 수압의 차이에 따른 모관흡수력은 흙 입자 서로를 당기는 힘으로 작용하며, 지반의 강도를 증가시키는 특징이 있다. 따라서, 함수비가 증가하면 모관흡수력이 작아지고 함수비가 감소하면 모관흡수력이 커지게 되어 결과적으로 사면의 안정성에 영향을 미치게 된다(Fredlund, 1995). 하지만 불포화토에 대한 실험수행의 어려움에 의해 국내 고유의 흙에 따른 실험적 분석이 부족한 실정이다. 따라서 본 논문의 경우 국내 사면의 대부분이 화강풍화토 지반으로 형성되어 있는 것을 고려하여, 세립분 함량(Fine content)을 0%, 10%, 20%, 30%로 달리한 4가지 시료를 조성하였다. 각각의 시료에 대하여 흙-함수특성곡선(Soil-water characteristic curve) 시험을 수행하고 van Genuchten (1980)이 제안한 이론식을 활용하여 흙-함수특성곡선의 계수들을 도출하였다.
2. 연구 동향
모관흡수력은 불포화 지반의 거동특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 따라서 불포화토에 관련된 유체의 흐름, 지반의 강도 및 변형특성에 대해 이해하기 위해서는 모관흡수력의 영향을 고려하여야 한다(Fredlund and Xing, 1994; Vanapalli et al., 1996). 대표적으로 불포화토의 함수비에 따른 모관흡수력의 관계를 나타내는 것이 흙-함수특성곡선이다(Oh and Kim, 2021; Oh et al., 2022). 흙-함수특성곡선(Soil-water characteristic curve)은 주로 시료의 입경, 간극률, 그리고 단위중량 등에 영향을 받는다(Hillel, 1982). 따라서, 모래, 실트, 그리고 점토질 등과 같이 흙의 종류에 따라 다른 형상과 특징을 나타낸다. 전형적인 흙-함수특성곡선의 모양은 S자 형태를 보이며, 이는 Fig. 1과 같다. 흙 간극 사이에 함유된 함수비는 포화도, 그리고 중량함수비(Gravimetric water content)와 같은 표현이 가능하지만, 불포화지반의 침투분석을 위해서는 불포화토의 구성요소인 물, 공기, 흙 입자인 세 가지 구성성분이 모두 고려되어야 한다. 따라서, 포화지반 해석에는 중량함수비(Ww/Ws)가 아닌 간극의 공기를 고려하는 체적함수비(Volumetric water content,Vw/V)의 개념으로 표현하는 것이 바람직하다(Lim et al., 2005; Y.M. Kim et al., 2013). 따라서, 흙-함수특성곡선은 시료 내 함수를 나타내는 축이 체적함수비(Volumetric water content, θ) 또는 유효포화도(Effective degree of saturation Se)로 나타내며, 시료 내 발생하는 압력을 나타내는 축은 모관흡수력 또는 압력수두(Pressure head)로 나타낸다. 흙-함수특성곡선에서 초기 상태인 포화된 지반은 모관흡수력이 증가하여도 지반특성의 고유수치인 공기함입값(Air entry value)을 초과하기 전에는 시료 속의 간극에서 물이 밖으로 유출되지 않으며 이 영역을 포화영역(Saturated zone)이라 한다. 공기함입값이 측정된 이후, 모관흡수력이 증가할수록 흙 속의 간극으로 공기가 계속 유입되면서 물이 배출되는 영역을 전이영역(Transition zone)이라 한다. 따라서, 공기함입값은 포화영역과 전이영역을 구분할 수 있는 중요한 매개변수이다. 모관흡수력이 증가하여도 물이 배출되지 않는 영역을 잔류영역(Residual zone)이라 하며, 이 시점에서의 체적함수비를 잔류함수비(Residual water content θr)라 한다. 동일한 국내의 화강풍화토임에도 불구하고 흙 입자의 입경 간극 및 건조단위중량 등, 물성치가 다르기 때문에 흙-함수특성곡선의 포화체적함수비, 공기함입값 및 잔류체적함수비에서 차이가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 우리나라의 산지 대부분을 차지하는 화강풍화토를 활용하여 세립분 함유량에 따른 흙-함수특성곡선을 평가하기 위해 실험을 수행하였다.
Soil-water Characteristic Curve
3. 실험 장비 및 조건
3.1 실험 장비
흙-함수특성곡선 실험을 수행하기 위하여 GCTS SWC-150 장비를 활용하였다(Pham and Fredlund, 2004). 장비의 전경 및 모식도는 Fig. 2와 같으며, 장비 시스템은 시료가 들어갈 압력셀(Pressure chamber), 압력조절 장치(Pressure panel), 압력으로 유출된 수분의 부피를 측정하는 부피측정장치(Volume tube), 그리고 세라믹디스크 등으로 구성 된다. 세라믹디스크는 압력을 견딜 수 있는 크기가 다르기 때문에 시료에 따라 공기함입값이 다른 세라믹 디스크를 사용해야 한다(모래 : 100 kPa, 실트질 모래 : 300~500 kPa, 점토 : 1,500 kPa) (Y.M. Kim et al., 2013). 실험장비의 적용 가능한 압력의 범위는 1~2,000 kPa이며, 압력셀 밑 부분에 2개의 유출부를 통해 시료의 함수비 변화를 측정하는 것이 가능하다. 시료는 수침법을 활용하여 완전포화상태를 확인하였으며, 내부 셀의 20% 정도 물을 채운 후 시료를 넣어준뒤 다지는 방법을 반복적으로 수행하여 시료를 성형하였다. 본 연구에서는 포화된 시료에 점진적으로 압력을 가하면서 시료로부터 배출된 유량의 부피를 측정하여 체적함수비를 산정하였다. 이를 통해 세립분을 포함한 화강풍화토의 흙-함수특성곡선을 평가하였다.
GCTS SWC-150 Plate Apparatus
3.2 실험 조건
각 시료의 물리적 특성들은 Table 1과 같고, Fig. 3과 같이 실험에 사용하는 시료의 입도분포곡선을 나타내었다. 본 시험에서는 공기압을 1~300 kPa까지 가하여 실험을 진행하였다.
Material Properties
Grain-size Distribution Curves
3.3 함수특성곡선 이론식
많은 연구자들을 통해 불포화토의 흙-함수특성곡선을 추정하기 위한 다양한 모델이 제안되었다(Gardner, 1958; Brooks and Corey, 1964; Campbell, 1974; van Genuchten, 1980; Fredlund and Xing, 1994). 본 논문에서는 최소한의 계수를 통하여 넓은 범위에 대한 흙-함수특성곡선의 표현이 가능한 van Genuchten (1980)의 이론식을 활용하여 흙-함수특성곡선을 추정하였다(Hwang et al., 2012). van Genuchten (1980) 이론식은 Eq. (1)과 같다.
여기서, Se는 유효포화도, (ua-uw)는 모관흡수력, α는 공기함입값과 관련된 계수, n는 곡선의 경사에 관련된 계수, 그리고m은 곡선 맞춤과 관련된 계수이다(Lee and Yoon, 2015).
4. 실험 결과
4.1 화강풍화토의 함수특성곡선 산정
Fig. 4는 세립분 함량이 다른 4개의 시료를 활용하여 모관흡수력과 체적함수비의 관계를 표현한 흙-함수특성곡선을 산정한 것이다. 모든 조건에서 체적함수비가 감소함에 따라 모관흡수력이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 같은 모관흡수력에서 세립분이 증가할수록 더 많은 체적함수비가 나타났으며, 간극수의 유출이 발생하는 공기함입값이 증가하는 것으로 나타났다.
Soil-water Characteristic Curve of All Samples
4.2 이론식을 통한 함수특성곡선 추정
Fig. 4의 흙-함수특성곡선을 활용하여 van Genuchten (1980) 이론식을 적용한 함수특성곡선을 추정하여 Fig. 5와 같이 나타내었다. 그림에서 나타나는 바와 같이 함수특성곡선에서 모관흡수력과 체적함수비는 S자 형태로서 비선형적인 관계가 나타나는 것으로 확인되었으며, 세립분에 따라 곡선 기울기의 차이가 보이는 것으로 나타났다.
SWCC Estimated by the van Genuchten (1980) Model
건조과정에서의 측정된 모관흡수력과 체적함수비를 토대로 van Genuchten (1980) 이론식을 통해 추정된 공기함입값과 세립분에 따른 잔류체적함수비를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 추정 결과, 세립분이 0%일 때 공기함입값이 7 kPa, 10%일 때 9 kPa, 20%일 때 25 kPa, 30%일 때 35 kPa로 나타났으며, 잔류함수비는 세립분이 0%일 때 0.1058, 10%일 때 0.1767, 20%일 때 0.1918, 30%일 때 0.2036으로 나타나, 세립분이 많이 함유할수록 공기함입값과 잔류함수비가 증가하는 경향을 보였다. 또한, van Genuchten (1980) 이론식의 관련계수(curve-fitting parameters)를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 관련계수 추정 결과(Fig. 7), 공기함입값과 관련된 계수α는 세립분이 0%일 때 0.1428, 10%일 때 0.1111, 20%일 때 0.04, 30%일 때 0.0286으로 나타나, 세립분이 많이 함유할수록 감소하는 경향을 보였다. 이론식 관련계수 m은 세립분이 0%일 때 0.43, 10%일 때 0.45, 20%일 때 0.5, 30%일 때 0.58로 나타나, 세립분이 클수록 증가하는 경향을 보였다. 세립분이 클수록 van Genuchten parameters의α는 감소하고, m은 증가하는 경향은 문헌 값과 유사한 것을 확인하였다.
Air Entry Value and Residual Water Content of All Samples
Curve-fitting Parameters of All Samples (α, m)
5. 결 론
본 연구에서는 화강풍화토를 대상으로 불포화 특성을 분석하였다. 시료는 청주시에서 채취한 화강풍화토를 활용하였고, 세립분에 따른 불포화 특성을 조사하기 위해 화강풍화토의 세립분을 0%, 10%, 20%, 30%로 달리하여 시료를 조성하였다. 함수특성곡선을 측정하기 위해 GCTS SWC-150 장비를 통하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다. 그리고 계수 예측을 하기 위해 van Genuchten (1980) 이론식을 적용하여 건조과정에 따른 화강풍화토의 함수특성곡선을 추정하였다. 이와 같이 추정된 함수특성곡선과 이론식에 적용된 계수를 이용하여 화강풍화토의 세립분에 따른 불포화 특성을 고찰하였으며, 연구의 결론은 아래와 같다.
(1) 유사한 건조단위중량의 화강풍화토를 활용하여 세립분에 따른 흙-함수특성곡선(Soil-water characteristic curve)을 산출하였다. 그 결과 세립분이 증가할수록 모관흡수력에 따른 간극수 유출량의 완만한 변화가 관찰되었다. 그 이유는 세립분의 특성인 작은 간극 크기로 인해 세립분의 함유량이 클수록 낮은 투수계수 값을 가지고 있기 때문으로 사료된다.
(2) 함수특성곡선을 산출한 결과를 토대로 van Genuchten (1980) 이론식에 의한 흙-함수특성곡선을 추정하였으며, 모든 결과에서 모관흡수력과 체적함수비의 관계가 S자의 형태로서 비선형적인 형태로 나타났다. 또한, 세립분의 함유량이 클수록 잔류체적함수비 그리고 공기함입값이 모두 큰 값을 나타내었다. 세립분의 함유량이 클수록 잔류체적함수비가 큰 이유는 모관흡수력에서 지배적으로 작용되는 표면력이 세립분의 함유량에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 공기함입값이 세립분의 함유량이 클수록 더 큰 이유는 세립분의 함유량이 많을수록 간극크기가 작기 때문에 초기에 낮은 모관흡수력에서 더 큰 모관력을 나타내는 것으로 사료된다.
(3) 본 연구에서 화강풍화토의 함수특성 분석을 통하여 흙의 구조적 특성(입도분포, 세립분 함량)이 흙-함수특성곡선에 영향을 미치며, 세립분이 많을수록 잔류체적함수비와 공기함입값이 크고, 모관흡수력 변화에 따른 체적함수비의 변화율이 작은 것으로 나타났다. 따라서, 향후 국내 불포화토 사면에 대해 계속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
감사의 글
이 논문은 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(과제번호 RS-2021-KA164367)에 의해 수행되었습니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.