1. 서 론
2. 실험재료 및 실험방법
2.1 벤토나이트 및 모래
2.2 실험방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 액성한계시험 결과
3.2 흐름한계시험 결과
3.3 압밀시험 결과
4. 흐름한계와 압축지수의 상관관계
4.1 기존 경험식과 압축지수 비교
4.2 흐름한계를 활용한 압축지수 제안
5. 결 론
1. 서 론
점토는 자연함수비 증가에 따라 고체, 반고체, 소성체, 또는 액체 상태로 구분되며, 이를 흙의 연경도라고도 한다(Sowers, 1965; Boekel and Peerlkamp, 1956). 애터버그(Atterberg)한계는 이러한 흙의 상태를 구분하는 가장 일반적인 지표로 사용되고 있다(McBride, 2008). 애터버그한계 측정시험은 실험자의 숙련도나 판단에 따라 오차가 발생할 수 있으며, 특히 액성한계시험은 개인의 숙련도에 따라 결과값의 차이가 크게 나타난다(Kim et al., 2017). 이를 보완하고자 영국에서는 측정방법이 간단한 정적 콘관입시험법(fall cone test)(Hansbo, 1957)이 사용되고 있으나, 국내에서는 이를 표준시험방법으로 사용하고 있지 않다.
한편, Park and Nong(2013)은 액성한계 함수비에서 점토가 완전한 유체 상태가 아니라 소성체로 낮은 강도를 나타내므로 점성토의 비배수전단강도가 0이 되는 흐름한계(Flow Limit, FL)와 새로운 소성지수 및 액성지수를 제안한 바 있다. 흐름한계의 경우 강도에 기초한 구분으로 역학적 판단에 기존의 액성한계시험법 보다 더욱 간편하게 연경도를 판단할 수 있는 측정법이라 할 수 있다. 또한, 토베인(Torvane) 시험기로 점토의 비배수전단강도를 측정한다면 측정방법이 어렵지 않고, 비교적 간단히 흐름한계를 결정할 수 있다. 최근 Kim(2024)은 점토 뿐 아니라 모래가 포함된 점성토에 대한 흐름한계를 구한 다음 액성한계와의 상관관계를 분석하기도 하였다. 한편, Karakan(2022, 2023)은 흐름지수(Flow index)를 사용하여 다양한 점토-모래 혼합토에 대한 액성한계, 소성지수를 비롯하여 비배수전단강도와의 상관관계에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 새로운 흐름한계 개념을 실무에 적용하기 위하여 압축지수와의 경험적인 상관관계를 도출하고자 하였다. 애터버그한계는 단순히 흙의 상태구분에만 사용되는 것이 아니라 다양한 지반정수를 예측하거나 해당 지반의 특성을 추정하는데 사용될 수 있다. 특히 액성한계는 흙의 압축지수(Compression index, Cc)의 간접적인 산정에 많이 사용된다. 압축지수는 실내 압밀시험을 통해 구할 수 있으나 압밀시험은 결과를 얻기까지 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 24시간 마다 하중을 재하 및 제하해야 하는 등의 이유로 실무에서는 액성한계를 사용하여 압축지수를 간접적으로 산정하기도 한다. 흙의 물성치를 이용한 압축지수 추정은 Skempton(1944)의 압축지수와 액성한계의 경험식 발표 이후로 많은 연구자들에 의해 제안되었다. Nishida(1956)는 간극비를 활용하여 점토를 대상으로 경험식을 제안하였고, Hough(1957)도 간극비를 사용하여 무기질 점토에 대한 압축지수 경험식을 제안하였다. Terzaghi and Peck(1967)은 불교란 점토와 교란 점토를 대상으로 액성한계를 이용한 압축지수 산정법을 제안하였으며, Azzouz et al.(1976)은 비중과 자연함수비를 이용하여 압축지수를 산정하기도 하였다. 국내의 경우 Jin and Chun(1977)이 국내 전역에 걸친 연약지반 흙을 대상으로 애터버그한계에 대해 연구한 바 있다. 또한, Jang et al.(2001)은 경남 해안지역 연약 점토들을 대상으로 토질 특성과 압축지수의 상관관계에 대해 연구하였다. 또한, Kim et al.(2001)은 인공신경망을 도입하여 국내 시료들의 액성한계와 압축지수를 비교하고 해외 연구자들의 경험식과 함께 분석하여 관계성을 분석하기도 하였다.
본 연구에서는 이러한 다양한 경험식들 간의 오차를 최소화할 수 있는 방안으로 실험자 및 실험조건에 따라 결과가 일정하지 않을 수 있는 액성한계 대신 흐름한계를 이용하여 압축지수를 예측하고자 하였다. 이를 위해, 두 종류의 벤토나이트에 소량의 모래를 혼합하여 액성한계와 흐름한계 및 압축지수를 구하고, 각 수치들의 상관관계를 비교하고 흐름한계와 압축지수의 상관관계를 제안하였다.
2. 실험재료 및 실험방법
2.1 벤토나이트 및 모래
본 연구에서 사용한 벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주성분으로 한 점토로 현장에서 차수제로 주로 널리 사용되고 있으며, 성능개선을 위한 개발과 연구도 다양하게 진행되고 있다. 조성광물에 따라 수분 흡수능력과 공학적 특성이 달라지게 되며, 일반적으로 칼슘계 벤토나이트와 소디움계 벤토나이트로 분류된다. 즉, 재성형 점토로 칼슘계와 소디움계 두 종류의 벤토나이트를 사용하였으며, 규사를 배합하여 다양한 지반조성을 재현하였다. Table 1에 X선 형광분석(X-Ray Fluorescence, XRF)에 의한 벤토나이트의 구성성분을 비교하였다. 벤토나이트 A는 백색을 띄는 점토로 석영 외에 알루미늄과 포타슘 및 칼슘 등이 주로 포함되어 있으며, Fig. 1의 X선 회절 분석(X-Ray Diffractometer, XRD) 결과 기존 연구자료들의 칼슘계 벤토나이트와 유사한 파장을 보였다(Salah et al., 2019; Pokharel and Siddiqua, 2021). 반면 벤토나이트 B는 적갈색으로 벤토나이트 A와 다르게 소디움과 철이 더 함유되어 있으며, XRD 결과 일반적인 소디움계 벤토나이트와 유사한 결과를 보였다(Zhirong et al., 2011). 두 종류 벤토나이트 모두 XRD 결과에서 몬모릴로나이트를 포함하고 있으며, 두 시료의 XRD 결과 차이는 칼슘계 및 소디움계 몬모릴나이트의 차이로 나타났다.
Table 1.
Chemical component of Bentonites
모래는 일반 규사로 입경 0.2~0.075mm 사이의 모래를 사용하였다. 모래의 구성성분은 Table 1과 같으며, 세척과 체분석을 통해 세립분을 모두 제거한 후 각 벤토나이트와 혼합하여 실험에 사용하였다. Fig. 2는 실험에 사용한 두 종류의 벤토나이트와 모래 사진이며, 각 시료의 입도분포 곡선은 Fig. 3과 같다. 각각의 벤토나이트에 모래를 0%, 10%, 20%, 30% 비율로 섞어 총 8 종류의 점성토 시료에 대하여 실험을 수행하였다. 모래의 함유량은 전체 혼합토에 대한 모래의 중량비로 계산하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 액성한계시험
본 연구에서 사용한 액성한계시험법은 1911년 미국 Casagrande가 개발한 방법으로 KS F 2303기준을 비롯하여 ASTM D 4318 등에 표준시험방법으로 채택된 방법이다. 시험법은 소정의 함수비로 배합된 시료를 황동그릇에 담고 표준 홈파기 주걱을 이용하여 시료를 갈라 홈을 낸다. 이후 황동그릇을 고무재질의 저판으로 일정한 주기로 낙하시키며 갈라진 홈이 12.5mm 접합할 때의 낙하횟수를 기록한다. 각 시료마다 다섯 종류의 함수비를 사용하였으며, 로그 스케일 그래프에서 선형회귀분석을 통해 낙하횟수 25회 시의 함수비를 액성한계로 결정하였다.
2.2.2 흐름한계시험
흐름한계를 구하기 위한 비배수전단강도 측정에는 Fig. 4와 같은 토베인 시험기를 사용한다. 토베인 시험기는 실내에서 점토의 Cu를 측정하는 시험기로 측정이 간편하고 사용이 용이하다. 시험기는 중단부에 포함된 교정된 용수철에 작용되는 비틀림 토크를 이용하여 Cu를 측정하는 방식으로 시험기를 토체에 관입해 회전시키는데 용수철의 토크가 Cu를 넘어설 때 토체가 분리되면서 회전이 발생하게 된다. 이때의 토크값과 시험기의 보정계수를 적용시켜 주면 토체의 Cu를 산정할 수 있다. Park(1985)에 의하여 연약한 점성토에 대해서 토베인으로 측정한 Cu와 일축압축시험으로 측정한 Cu의 비는 0.92로 유사하지만, 동일한 시료에 대한 삼축압축시험으로 구한 강도는 일축압축시험으로 구한 값보다 약 1.3배 정도 높게 나타났다. 다양한 함수비 상태에서 실험을 수행하고 선형회귀분석으로 Cu가 0이 되는 함수비를 흐름한계(Flow limit, FL)로 정의하였다(Park and Nong, 2013).
2.2.3 압밀시험
압밀시험에는 영국 VJ Tech사의 자동화 압밀시험기를 사용하였다. 압밀시험은 KS F 2316(흙의 압밀 시험방법)에 의거하여 수행하였으며, 총 8단계의 하중을 단계마다 24시간 동안 재하하며 시험을 수행하였다. 압밀시험을 위해 먼저 액성한계 상태 함수비로 흙을 성형하고 압밀시험 링에 넣어 72시간 동안 포화를 진행하였다. 포화과정에서 일부 팽창된 시료를 정리한 다음 압밀시험 재하를 시작하였다. 실험 후 각 유효응력 단계에 따른 간극비와 침하량을 기록하여 최종적으로 압축지수를 결정하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 액성한계시험 결과
각 점성토마다 3회씩 액성한계시험을 실시하여 각 실험의 오차가 5% 이내인 결과의 평균값을 사용하였다. Table 2와 같이 벤토나이트 A의 액성한계는 52, 벤토나이트 B의 액성한계는 233으로 나타났다. 일반적으로 벤토나이트는 수분을 많이 흡수하고 팽창성이 높은 특성을 나타낸다(Komine, 2004; Diman and Wijeyesekera, 2008). 이는 주 구성성분인 몬모릴로나이트의 영향으로 부정형 판상구조 결정의 특징이다. 그러나 벤토나이트 A는 벤토나이트 B와 비교하여 매우 낮은 액성한계를 보였다. 이는 Table 1에서 벤토나이트 A가 석영 함유량이 높고 칼슘계 벤토나이트 특징을 보이기 때문이다. 팽창성이 좋은 소디움계 벤토나이트와 달리 칼슘계 벤토나이트는 간극수 흡수율이 낮아 상대적으로 낮은 애터버그한계를 보인다. 변동성이 다소 있으나 기존의 연구들은 칼슘계 벤토나이트의 액성한계가 80~150(Yang et al., 2018; Widjaja and Inkiriwang, 2016; Wijeyesekera et al., 2012) 정도의 결과를 보이며, 본 연구에 사용한 벤토나이트 A는 규소가 높은 석영가루가 많이 포함되어 액성한계가 상대적으로 낮은 것으로 판단된다. 벤토나이트 B는 소디움계 벤토나이트로 A보다 높은 액성한계를 나타내며, Bilgen et al.(2018), Raj and Toshniwal(2019)의 벤토나이트와 유사한 수준을 보였다. 하지만, 함수 성능이 좋은 소디움 벤토나이트 경우 300% 이상의 액성한계를 나타내기도 하는데(Xu et al., 2017; Sagnak, 2018), 벤토나이트 B 또한 높은 규소의 함유량으로 일부 벤토나이트 보다는 낮은 값을 보인 것으로 판단된다.
Table 2.
Results of liquid limit test
벤토나이트의 종류에 관계없이 모래 함유량이 증가함에 따라 액성한계는 점점 감소하였다. 벤토나이트 A는 모래 함유량 30%인 경우 액성한계가 35까지 감소하였고 벤토나이트 B는 157까지 감소하였다.
3.2 흐름한계시험 결과
흐름한계시험은 각 시료의 액성한계 상태에서 점차적으로 함수비를 증가시키며 비배수전단강도시험을 실시하였다. 각 배합비마다 6번의 시험을 수행하였으며, Cu가 10 미만으로 측정될 때까지 함수비를 증가시켰다. 흐름한계시험에서 점성토의 Cu는 함수비의 증가에 따라 선형적으로 감소하다가 특정 구간을 지날 경우 감소추세가 완화되는 경향을 보인다. 따라서, 충분한 실험을 통해 Fig. 5와 같이 상대적으로 감소하는 경향이 완화되는 구간의 선형회귀선을 기준으로 Cu가 0이 되는 지점이 흐름한계이다. 그리고 상대적으로 Cu가 빠르게 감소하는 경향을 보이는 선과의 교점을 흐름함수비(Flow water content, FW)라 정의한다. 흐름한계에 대해서 전체 구간의 선형회귀선을 이용한다면 지수형의 회귀곡선을 산정할 수 있지만, 이경우 Cu가 0이 되는 지점을 찾지못해 흐름함수비 이후의 구간의 직선형 회귀선을 활용한다. 본 연구는 상대적으로 낮은 액성한계를 지닌 벤토나이트 A의 경우 액성한계의 함수비로부터 약 5~10% 증가 폭으로 Cu를 측정하였고, 벤토나이트 B의 경우 액성한계의 함수비로부터 약 50% 증가 폭으로 실험을 수행하였다. 흐름한계시험 결과는 Fig. 6과 Table 3에 비교 정리하였다.
Table 3.
Results of flow limit test
Fig. 6과 같이 모래의 함유량이 증가할수록 흐름한계는 감소하는 경향을 보였으며, 최대 22.4%까지 감소하였다. 벤토나이트 A계열보다 벤토나이트 B계열이 약 7배 정도 높은 흐름한계 값을 보였으며, 흐름흐름한계와 액성한계의 상관관계는 식 (1)과 같이 표현할 수 있다. 상관식의 결정계수 R2은 0.989로 매우 높은 상관성을 나타내었다. 한편, 벤토나이트 A의 경우 모래 함유량이 증가할수록 즉 점토 입자가 감소할수록 점토 입자 사이의 인력이 감소하면서 흐름함수비가 벤토나이트 B에 비해 상대적으로 명확히 나타나지 않은 것으로 판단된다.
3.3 압밀시험 결과
압밀시험은 현장 시추공에서 추출된 불교란 시료를 실내로 운반하여 선행압밀응력과 현장압밀응력을 고려한 압축지수 산정을 기본으로 한다. 하지만, 현장시료에 대한 불균질성과 특정 시료 획득의 어려움으로 동일 시료를 재성형하여 수행하기도 한다. 본 연구 또한 모래의 비율을 일정하게 유지하고 동일 조성의 점성토에서 액성한계와 흐름한계 등의 물성치와 압축지수를 비교하기 위해 시추시료가 아닌 건조 상태의 시료를 재성형하였다. 이러한 재성형 시료의 경우 불교란 시료에 비해 압밀곡선이 비교적 선형으로 나타날 수 있고 압축지수가 상대적으로 낮게 평가될 수 있다. Schmertmann(1955)은 재성형 시료가 본래의 압밀곡선과 0.42e0 지점에서 일치된다는 것을 제안하였으며, 이로부터 재성형시료에 대한 압축지수는 선행압밀응력(σp)과 초기간극비 e0 및 0.42e0의 값으로 결정하는 것이 일반적이다. 상세한 제도방법은 Fig. 7과 같으며, 이렇게 계산된 압밀시험 결과는 Table 4와 같다.
Table 4.
Results of consolidation test
Fig. 8은 각 점성토의 압밀응력에 따른 간극비 변화를 나타내고 있다. 두 점성토 모두 초기간극비는 모래가 함유되지 않았을 때 제일 높았고 모래 함유량이 증가할수록 감소하였다. 특히 벤토나이트 B는 초기간극비 10.23, 압축지수 4.91로 높은 간극비와 압축성을 보였다. 이는 팽창되었던 벤토나이트 B가 다시 재압축되면서 응력 증가에 따른 감소비인 압축지수가 높게 평가된 것으로 판단된다. 특히 모래가 포함되지 않은 벤토나이트 B의 경우 팽창성이 가장 높아 초기에 큰 간극비 변화가 발생하면서 점차 감소하는 경향이 완화된 것으로 판단된다. 두 점성토 모두 모래가 증가할수록 초기간극비와 압축지수가 감소하였다. 특히 벤토나이트 B는 간극비 감소가 직선적인 형태로 재성형 시료의 특징을 잘 보여주고 있다.
4. 흐름한계와 압축지수의 상관관계
4.1 기존 경험식과 압축지수 비교
Table 5에 두 종류의 점성토로부터 구한 액성한계, 흐름한계 및 압축지수를 비교 정리하였다. 본 연구에서 압밀시험으로부터 구한 압축지수와 기존 경험식을 비교하기 위해 Skempton(1944)이 제안한 식 (2)와 Terzaghi and Peck(1967)이 제안한 식 (3)를 Table 5와 Fig. 9에 함께 비교하였다.
Table 5.
Summary of LL, FL, and Cc
낮은 액성한계를 가진 칼슘계 벤토나이트인 점성토 A의 압축지수는 Fig. 9와 같이 기존 경험식과 비슷한 결과를 보였다. 하지만, 높은 액성한계를 가지고 팽창성이 높은 소디움계 벤토나이트인 점성토 B의 경우, Fig. 9와 같이 기존의 경험식보다는 훨씬 높은 압축지수를 나타내었다. 이는 기존의 제안식이 상대적으로 낮은 범위의 액성한계 데이터와 압축지수를 기반으로 발생한 차이로 판단된다. 특히, 식 (2)의 경우 130 이하의 액성한계 점성토와 압축지수를 토대로 작성한 제안식이다. 점차적으로 벤토나이트의 품질이 개량되고 기능성 점성토가 건설현장에 도입되는 만큼 높은 팽창성과 수축율을 보이는 지반재료들이 공급됨으로써 기존의 제안식들보다 높은 압축지수가 나타나는 것으로 판단된다.
본 연구에서 구한 두 종류의 벤토나이트 점성토의 압축지수를 국내외 실험 결과와 Fig. 10에 비교하였다. Fig. 10(a)는 Kim et al.(2001)이 국내 11개소의 지반조사 보고서로부터 구한 압축지수이며, Fig. 10(b)는 Al-Khafaji(2019)가 조사한 해외 연구자들이 수행한 압축지수를 비교하고 있다. 기존 연구자들의 실험 결과들 또한 전반적으로 액성한계가 낮은 영역에서는 식 (2) 및 (3)과 유사하나, 액성한계가 증가할수록 기존 경험식과의 상관성이 떨어지는 것으로 나타났다. 즉, 액성한계가 낮은 영역에서는 기존 경험식과 높은 상관관계를 보였으나, 액성한계가 높아질 경우 실제 압축지수를 과소평가하는 것으로 나타났다.
4.2 흐름한계를 활용한 압축지수 제안
이에 본 연구에서는 첫번째로 높은 액성한계에서 압축지수를 낮게 평가하는 경험식을 보완하기 위해 지수 관계를 적용한 경험식을 제안하였다. Fig. 11(a)는 두 종류의 점성토로부터 구한 액성한계와 압축지수의 관계를 선형관계가 아닌 식 (4)와 같이 지수형 관계식으로 제안하였다. 기존 Skempton, Terzaghi & Peck의 경험식과 비교하여 액성한계 변화에 따른 압축지수의 변동을 모두 잘 나타낼 수 있으며, 결정계수 R2은 0.8135의 상관성을 보였다. 즉, 본 연구에서 제안한 지수형 식 (4)는 Fig. 12와 같이 기존 데이터들과도 잘 부합되는 것을 알 수 있다.
두번째로 흐름한계를 사용하여 새로운 압축지수 경험식을 제안하였다. Fig. 11(b)는 흐름한계에 따른 압축지수 변화를 식 (5)와 같이 지수형으로 나타낼 수 있으며, 결정계수 R2은 0.9869로 식 (4)의 액성한계 기반 경험식보다 높을 뿐만 아니라 압축지수와도 매우 높은 상관성을 보여주었다. 이는 액성한계와 흐름한계의 측정 시험법에 따른 차이로 판단된다. 상대적으로 오차의 유발 가능성이 높은 액성한계시험이 일관적인 관계성을 보이지 않아 압축지수 평가의 결정계수를 저감시킨 것으로 판단된다. 한편, 흐름한계시험은 상대적으로 간편하면서 짧은 시간에 많은 데이터를 취합할 수 있어 액성한계보다 우수한 상관성을 보인 것으로 판단된다.
따라서, 차수목적으로 사용되는 고소성 점토의 경우 액성한계가 높아지고 팽창성이 향상됨에 따라 100% 이상의 높은 액성한계에 대한 압축지수를 평가할 경우 기존 선형적인 경험식이 아닌 지수관계식을 고려해 볼 필요가 있다고 판단된다. 또한, 향후 흐름한계 관련 더 많은 실험 자료가 축적된다면 신뢰할 만한 압축지수를 추정하거나 다른 지반정수를 유추하는 것도 가능하리라 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 두 종류의 벤토나이트에 소량의 모래를 섞어 다양한 조성의 점성토를 재성형하였다. 벤토나이트가 주성분인 재성형 점성토에 대하여 액성한계시험, 흐름한계시험 및 압밀시험을 수행하였으며, 애터버그한계와 압밀시험을 통한 압축지수의 상관관계를 분석하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 본 실험에 사용한 칼슘계 벤토나이트 및 소디움계 벤토나이트는 각각 백색과 적갈색의 색상을 보이며, 각 시료의 액성한계는 각각 52와 233으로 나타났다. 또한 각 시료의 Cu가 0인 흐름한계는 각각 85와 583으로 결정되었다. 이를 통해 소디움계 벤토나이트의 높은 팽창성과 흡수율을 확인할 수 있었다.
(2) 두 종류의 벤토나이트에 모래 함유량이 증가할수록 액성한계와 흐름한계는 점차적으로 감소하였다. 즉, 칼슘계 벤토나이트 점성토는 모래 함유량 30%에서 액성한계 35 및 흐름한계 66으로 감소하였고, 소디움계 벤토나이트는 모래 함유량 30%에서 액성한계 157 및 흐름한계 494로 감소하였다. 액성한계(LL)와 흐름한계(FL)의 상관관계는 LL = 33.231e0.0033FL으로 나타났다.
(3) 액성한계시험 및 흐름한계시험에 사용한 동일한 시료에 대해 압밀시험을 수행하여 압축지수를 산정하였다. 모래 함유량이 증가함에 따라 소디움계 벤토나이트의 압축지수는 0.31에서 0.24로 감소하였으며, 칼슘계 벤토나이트는 4.91에서 3.43으로 더 크게 감소하였다. 액성한계로 압축지수를 예측하기 위해 본 연구 결과와 기존 연구자료와 비교하였으며, 낮은 액성한계를 가진 점성토의 경우 기존 선형적인 경험식이 충분히 압축지수를 유사하게 평가하였으나, 높은 액성한계를 가진 경우 압축지수를 평가하기에 상관성이 떨어지는 것으로 나타났다.
(4) 본 연구에서는 압축지수를 추정하기 위한 기존의 선형적인 경험식이 아닌 지수형 관계식을 제안하였다. 그 결과, 결정계수 0.81의 지수형 액성한계-압축지수 관계식을 제안하였으며, 흐름한계를 사용한 지수형 흐름한계-압축지수 경험식의 경우 결정계수 0.98로 액성한계 기반 경험식보다 높은 상관성을 보였다.
