1. 서 론
2. 실험재료 및 실험방법
2.1 모래 및 섬유
2.2 공시체 성형방법 및 실험방법
3. 직접전단시험 결과 및 분석
3.1 섬유 보강 공시체의 전단응력-전단변위 관계
3.2 섬유 보강 공시체의 최대전단응력 및 전단강도 비교
3.3 시멘트 슬러리 및 섬유 복합 보강 공시체의 전단강도 비교
4. 섬유 및 시멘트 슬러리 보강 재료에 따른 비교
5. 결 론
1. 서 론
섬유 혼합 모래는 천연 혹은 인공 섬유를 모래에 혼합하여 구성된 복합재료로서 주로 전단강도, 변형 특성, 체적변형률 등의 물리적 특성을 개선하고자 할 때 사용된다. 특히 무작위 방향으로 분포된 섬유는 모래 입자 간의 상호작용에 변화를 유도하며, 파괴 시 에너지 흡수와 연성 거동 개선에 기여하는 것으로 알려져 있다(Gray and Ohashi, 1983; Maher and Gray, 1990; Tang et al., 2007). 섬유 혼합은 일반적으로 일정한 방향성을 갖지 않고 불규칙하게 분포하는 단섬유를 토사에 일정 비율로 혼합하는 방식을 의미한다. 이러한 방식은 여러 방향으로 작용하는 하중에 대해 보다 균등하게 저항력을 발휘할 수 있으며, 시공과정에서도 별도의 정렬이나 배치 계획이 필요 없다는 장점이 있다. 대부분의 섬유에 대한 실험 연구의 경우 이러한 혼합방식을 사용하고 있다(Yetimoglu and Salbas, 2003; Shao et al., 2014; Benziane et al., 2019).
공학적인 측면에서 흙에 섬유가 포함된 구조를 고려해보면 Fig. 1과 같이 도식화할 수 있다(Consoli et al., 2005). 최초 매립 이후 주변 토사의 변형에 따라 인장응력이 유발되면서 섬유를 포함한 흙 입자의 전단 변위에 대한 저항력을 보여주는 개념도이다. 일부 섬유는 파괴면을 가로지르며 인장되고, 파괴 후에도 모래 입자의 급격한 이탈을 방지하여 잔류 전단강도를 유지시킨다는 해석을 내포하고 있다. 섬유가 포함된 모래의 구조는 입자 간의 구속력을 증가시키고, 전단 시 발생하는 체적 팽창을 억제할 수 있다. 또한, 섬유는 입자 사이의 가교(bridging) 역할을 하게 됨에 따라 입자의 상대 이동을 제한함으로써 전단강도를 증가시키기도 한다(Zaimoglu and Yetimoglu, 2012; Zhang et al., 2024). Consoli et al.(2002)은 섬유비가 0.5~1.0% 수준일 때 가장 높은 전단강도가 발현된다고 발표하기도 하였다.
이처럼 무작위로 섬유를 혼합한 모래나 점토뿐 아니라 다양한 고결방법을 모래에 적용하여 지반을 보강하고자 하는 다양한 연구가 진행되었으며, 관련된 해석들도 꾸준히 발전되어 왔다(Choi and Park, 2016; Moon et al., 2023; Park and Woo, 2019). 반면, 본 연구는 기존 연구자들의 접근과 다르게 공시체 전체 높이와 유사한 길이의 섬유 다발을 수직으로 매립하여 직접전단시험을 실시하여 전단강도를 분석하고자 하였다. 또한, 본 연구는 섬유 다발뿐만 아니라 섬유와 동일한 배열의 강성이 높은 시멘트 슬러리 기둥을 각각 단독으로 매립하거나, 두 재료를 모두 복합적으로 매립하여 실험하고자 하였다. 이와 같이 재료를 매립하는 방식은 자연상태의 식생환경에서 지반 내 식물의 뿌리나 다양한 구조물의 역할을 모사할 수 있을 것으로 판단된다. 이렇게 지반 내부에 매립된 보강재들은 Fig. 1의 모사도와 같이 모래 입자 사이에 위치해 전단 거동에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 한편, 일부 연구자들만 특정 방향으로 매립하는 방식의 연구를 수행하였으며, 특히 Nhema et al.(2021)은 섬유의 매립 방향에 대한 연구 결과를 발표하기도 하였다.
즉, 국내 건설현장에서 일반적으로 사용되는 실리카 규사에 일정한 배열의 polypropylene(PP) 섬유 다발을 수직으로 매립한 후 직접전단시험을 실시하여, 섬유에 의한 강도 변화를 분석하였다. 또한, 물시멘트비가 높은 시멘트 슬러리를 얇은 튜브에 넣어 양생 및 탈형하여 시멘트 슬러리 기둥을 만든 다음 PP 섬유 보강 모래와 동일한 조건에서 전단강도의 차이를 비교 및 분석하였다.
2. 실험재료 및 실험방법
2.1 모래 및 섬유
Fig. 2는 실험에 사용한 규사, PP 섬유 및 시멘트 슬러리 기둥의 사진이다. 모래는 일반 규사로 세척과 체거름을 통해 세립분을 모두 제거한 후 입경 0.2 - 0.075 mm 사이의 모래를 실험에 사용하였으며, 입도 특성은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Material properties of silica sand and PP fiber
PP 섬유는 낮은 밀도와 우수한 내수성과 내알칼리성 그리고 낮은 수분 흡수율을 가져 토사 환경에서의 화학적 안정성이 높고, 단섬유가 전단면을 가로질러 가교 역할을 함으로써 최대강도뿐 아니라 잔류강도 및 연성 거동을 향상시키는 장점이 있다. 섬유의 대표 물성은 Table 1의 하단과 같이 인장강도 400 MPa, 탄성계수 5 GPa, 포아송비 0.44, 전단계수 2.2 GPa이다.
시멘트 슬러리 기둥은 물-시멘트 비 0.7의 시멘트 슬러리를 만들어 직경 2 mm의 튜브 속에 넣어 약 3일간 양생하였다. 시멘트는 경화가 빠른 3종 포틀란드 시멘트를 사용하였으며, PP 섬유와 동일 길이로 제작하여 동일한 배열로 모래에 매립하였다. 그러나 시멘트 슬러리는 일정 크기 이하로는 지름을 줄이지 못해 9 지점 배열에 대한 실험만 수행하였으며, 이를 섬유 다발과 복합적으로 매립하여 복합 배열에 따른 변화도 분석하였다.
2.2 공시체 성형방법 및 실험방법
본 연구에서는 지반의 느슨한 상태와 조밀한 상태를 모사하기 위해 모래의 상대밀도를 각각 40% 및 80% 목표로 하였다. 건조모래 중량 대비 섬유 혼합률(섬유비)은 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%의 네 가지 조건으로 설정하였으며, 각각의 조건에 대해 9개 및 25개의 지점에 위치시켰다. 시멘트 슬러리 기둥은 성형에 제한이 있어 9개의 지점에 대한 실험만 수행하였다.
Fig. 3은 본 연구에서 성형한 혼합모래의 사진을 나타내며, 각각 섬유 혼합 모래의 사진(a), 시멘트 슬러리 기둥이 매립된 모래의 사진(b), 내부에 섬유를 자립시키기 위해 튜브를 케이싱으로 활용한 틀(c) 이다. 직접전단시험기의 전단상자는 원형 모양의 상자를 사용하였으며, 상대밀도에 관계없이 직경 63.5 mm, 높이 25.4 mm의 규격으로 모래를 성형하였다. 또한, 섬유 혼합에 따른 응력 및 변형 특성을 정량적으로 분석하기 위해 50 kPa, 100 kPa 및 150 kPa의 세 종류의 수직응력을 가하였다. 직접전단시험기는 Geocomp사의 Shear Trace II 모델을 사용하였다.
3. 직접전단시험 결과 및 분석
상대밀도 40% 및 80%인 섬유 혼합 모래에 대한 직접전단시험 결과를 Table 2에 정리하였다. 각 시험 결과는 동일한 케이스를 3회 이상 수행한 다음 시험 결과 값이 5% 이내의 오차를 가진 3회 이상 시험의 중간값을 선택하였으며, 다음과 같이 상세한 분석을 수행하였다.
Table 2.
Results of direct shear tests with fiber columns
|
Relative density (%) |
Normal stress (kPa) | Fiber ratio (%) | ||||||
| 0.0% | 0.5% | 1.0% | 1.5% | |||||
| 9 Point | 25 Point | 9 Point | 25 Point | 9 Point | 25 Point | |||
|
Max. Shear stress (kPa) [Shear displacement at max. shear stress (mm)] | ||||||||
| 40 | 50 | 32.93 | 62.40 | 77.95 | 83.23 | 101.78 | 106.78 | 131.49 |
| [3.54] | [4.12] | [4.75] | [5.11] | [5.34] | [5.15] | [5.18] | ||
| 100 | 65.00 | 82.06 | 97.85 | 103.31 | 122.12 | 127.12 | 152.23 | |
| [3.12] | [4.47] | [5.05] | [5.89] | [5.57] | [5.17] | [5.94] | ||
| 150 | 104.93 | 137.21 | 153.86 | 159.68 | 179.35 | 184.35 | 210.46 | |
| [4.00] | [4.25] | [4.97] | [5.47] | [5.79] | [6.04] | [6.27] | ||
| Angle of internal friction (°) | 35.75 | 36.80 | 37.20 | 37.40 | 37.80 | 37.80 | 38.30 | |
| Cohesion (kPa) | 0.00 | 20.14 | 33.90 | 38.96 | 57.90 | 61.56 | 85.76 | |
| R2* | 0.954 | 0.952 | 0.928 | 0.930 | 0.951 | 0.924 | 0.930 | |
| 80 | 50 | 55.23 | 103.78 | 111.2 | 129.1 | 138.36 | 151.46 | 164.00 |
| [2.55] | [3.47] | [3.84] | [4.33] | [4.52] | [4.73] | [4.49] | ||
| 100 | 98.45 | 125.16 | 132.3 | 160.08 | 171.23 | 174.93 | 201.23 | |
| [2.73] | [3.50] | [3.96] | [4.40] | [4.85] | [4.69] | [5.14] | ||
| 150 | 135.23 | 185.34 | 191.6 | 211.28 | 221.09 | 238.39 | 252.07 | |
| [2.89] | [3.29] | [3.79] | [4.45] | [4.97] | [4.89] | [5.21] | ||
| Angle of internal friction (°) | 38.66 | 39.20 | 38.80 | 39.60 | 40.10 | 40.20 | 41.00 | |
| Cohesion (kPa) | 11.01 | 57.86 | 64.11 | 82.17 | 92.48 | 101.33 | 115.54 | |
| R2* | 0.968 | 0.954 | 0.919 | 0.943 | 0.966 | 0.934 | 0.971 | |
3.1 섬유 보강 공시체의 전단응력-전단변위 관계
Fig. 4는 수직응력 100 kPa인 경우 각각의 상대밀도에 따른 직접전단시험 결과로 섬유가 포함되지 않은 모래와 섬유가 25지점에 포함된 모래의 전단응력-전단변위 관계를 대표적으로 나타내고 있다. 최대전단응력은 상대밀도에 따라 4-5 mm(Dr=40%) 및 3-4 mm(Dr=80%) 정도에서 발현되는 것을 알 수 있다. 상대밀도 40%와 80% 모두 섬유가 포함되지 않은 모래의 전단변위는 각각 3.12 mm 및 2.73 mm이고, 섬유비 1.5%로 25개 지점에 보강된 경우는 각각 6.27 mm와 5.21 mm로 증가하는 결과를 보였다. 이는 전단 변형이 진행되면서 모래 입자와 섬유 다발 간에 간섭이 발생하여, 크랙 브리징 효과가 나타나 전단 변위를 지연시키는 것으로 판단된다.
특히, 상대밀도가 낮은 상태에서 최대전단응력 발현이 지연되는 효과가 더 크게 나타났는데, 이는 모래 입자 사이에 공극이 상대적으로 많고 강도가 상대적으로 낮아 상대밀도가 높은 경우보다 혼합된 섬유 다발과 시료 전체의 전단 변형에 더욱 크게 영향을 미친 것으로 판단된다.
3.2 섬유 보강 공시체의 최대전단응력 및 전단강도 비교
섬유비에 따른 최대전단응력은 Fig. 5와 같다. 섬유비가 0%에서 1.5%까지 증가함에 따라 최대전단응력은 점점 증가하였으며, 최대값은 상대밀도 80% 및 수직응력 150 kPa에서 섬유비가 1.5%일 때 약 252 kPa이다. 섬유비가 동일한 경우 보강 지점이 더 늘어날수록 최대전단응력이 더 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 상대밀도와 수직응력에 관계없이 섬유 다발이 25지점에 보강된 경우 더 높은 최대전단응력을 보였다.
수직응력과 상대밀도가 낮을수록 섬유 다발의 전단응력 증가가 더 효과적으로 나타났다. 즉, 무보강 모래와 섬유비 1.5%인 공시체의 최대전단응력을 비교하면, 수직응력 50 kPa인 경우 상대밀도 40%는 약 4배 상승하였고 상대밀도 80%는 약 3배 상승하였다. 수직응력이 150 kPa로 증가할 경우, 최대전단응력의 증가 폭이 각각 약 2배(Dr=40%)와 1.8배(Dr=80%)로 약간 감소하였다. 이는 상대밀도와 수직응력이 낮을수록 내부에 다수의 공극이 존재하여 전단 변형 동안 모래가 본래의 위치에서 이탈하기 용이하고, 매립된 섬유 다발이 전단을 효과적으로 억제해 준 영향으로 판단된다. 반대로 상대밀도가 높고 수직응력이 높을수록 전단이 되더라도 입자들끼리의 강한 구속력으로 매립된 섬유 다발의 기여도가 상대적으로 낮은 것으로 판단된다.
Fig. 6은 섬유비 변화에 따른 내부마찰각과 점착력의 변화를 비교하였다. 내부마찰각-점착력 산정에는 선형 회귀분석을 적용하였으며, 결정계수(R2)가 모두 0.9 이상의 높은 상관관계를 보이고 있다. 본 연구에 사용한 규사는 일반적인 모래와 유사하게 무보강의 경우 상대밀도에 따라 약 36° 및 39° 정도의 내부마찰각과 낮은 점착력을 보였다. Park et al.(2008)은 국내에서 생산되는 주문진 규사에 대해 상대밀도와 시험방법에 따라 내부마찰각과 점착력의 변화를 연구하였으며, 본 연구의 무보강 결과와 유사한 결과를 얻기도 하였다.
상대밀도 80%에 섬유비 1.5%로 25 지점에 보강한 경우 점착력은 약 115 kPa, 내부마찰각은 41°까지 증가하는 결과를 보였다. 이는 일반적인 분산 혼합 방식의 섬유 보강처럼 일정한 방향으로 매립된 섬유 다발도 모래의 전단강도를 증가시킬 수 있음을 나타낸다. 또한, 전단강도(내부마찰각, 점착력) 또한 최대전단응력과 동일하게 9지점보다 25지점이 더 높게 나타났으며, 이는 25지점이 섬유 다발과 모래 입자가 접촉하는 비표면적이 더 넓어 나타난 결과로 판단된다. 따라서, 현장이나 연약 지반에 식물 뿌리나 길이가 긴 보강재를 적용한다면 최대한 여러 지점에 매립할 수 있도록 고려하고, 지표면에 가까울수록 구속응력이 낮아 보강에 대한 효과를 더 크게 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
3.3 시멘트 슬러리 및 섬유 복합 보강 공시체의 전단강도 비교
시멘트 슬러리 기둥은 공간 제약에 따라 9개의 시멘트 슬러리 기둥을 섬유 다발 기둥과 동일한 크기와 배열로 제작 비교하였다. 실험에 적용한 섬유 및 시멘트 슬러리 복합 공시체의 단면 모양은 Fig. 7과 같다. 총 9개의 시멘트 슬러리 및 섬유 다발 기둥을 섞어 매립한 실험 결과는 Table 3과 같으며, 최적의 복합 재료 혼합방식을 비교 분석하였다.
Table 3.
Results of direct shear tests with cement slurry and fiber columns
Fig. 8은 수직응력이 100 kPa인 경우 각각의 상대밀도에 대한 전단응력-전단변위 관계와 나타내고 있다. 3.1절에서 서술한 것처럼 최대전단응력이 발현되는 전단변위는 상대밀도에 따라 섬유 보강 모래와 비슷한 범위로 나타났다. 또한, 보강방법의 차이를 비교하기 위해 초기 전단구간에서의 기울기인 초기 전단강성을 계산하였다.
최대전단응력은 Fig. 9와 같이 시멘트 슬러리 기둥이 많을수록 높은 전단응력을 나타내었다. 초기 전단강성 또한 시멘트 슬러리 기둥이 많을수록 증가하였는데 이는 시멘트 슬러리의 강성이 섬유 다발보다 높기 때문으로 판단된다. 특히 초기 전단강성의 경우 상대밀도가 40%일 때 보다 80%일 때 시멘트 슬러리 기둥에 의한 증가효과가 월등히 발휘되는 것으로 나타났다. Fig. 10은 시멘트 슬러리와 섬유 다발 기둥을 매립한 복합 공시체의 내부마찰각과 점착력을 비교하였다. 시멘트 슬러리 기둥만 사용한 경우 점착력은 상대밀도 40%에서 약 190 kPa, 상대밀도 80%에서 약 230 kPa로 나타났는데, 이는 섬유 다발만 사용했을 때 보다 각각 약 3배 및 2배 이상 높은 값을 보였다. 또한, Table 3의 섬유 다발을 25지점에 매립한 공시체의 점착력 86 kPa(Dr=40%) 및 116 kPa(Dr=80%) 보다도 높은 점착력을 보여 주었다. 하지만, 내부마찰각의 경우 Fig. 7의 (a)-(d) 배열에서 시멘트 슬러리 기둥만 사용한 경우인 (a) 배열이 섬유 다발만을 사용한 경우인 (d) 배열보다 상대밀도 40%의 경우 내부마찰각은 약 4.3° 정도 감소하였으며, 상대밀도 80%의 경우도 4.0° 정도 감소하였다. 이는 취성재료인 시멘트의 역학적 성질에 기인한 결과와 시멘트 슬러리 기둥 표면이 매끄러워 주변 모래와의 상호작용이 부족하여 마찰력이 감소하였기 때문으로 판단된다. 많은 연구자들 또한 모래에 대한 시멘트의 영향으로 점착력은 크게 증진시키지만 내부 마찰각의 변화에는 효과가 미미하다는 유사한 연구 결과를 발표하였다(Balmer, 1958; Clough et al., 1981; Balasingam and Farid, 2008).
두 종류의 기둥을 복합적으로 사용한 배열의 경우 두 가지 재료의 특성이 모두 발현되었다. 시멘트 슬러리 기둥만을 적용했을 때보다 최대전단응력은 감소하였지만, 내부마찰각이 증가하는 효과를 나타냈으며, 시멘트 슬러리 기둥 3개와 섬유 다발 6개를 사용한 (c) 배열에서 기존의 모래보다 마찰각이 높게 나타났다. 섬유만 사용했을 때보다 내부마찰각은 2° 미만으로 감소하였으나, 점착력은 각 2배 및 1.7배 이상 증가하였다. 따라서, 섬유만 사용하는 것보다 섬유보다 낮은 빈도로 취성 재료인 시멘트 슬러리 기둥을 매립하는 것이 기초지지력에 기여하는 점착력을 확보할 수 있어 보강효과가 더 뛰어날 것으로 판단된다.
4. 섬유 및 시멘트 슬러리 보강 재료에 따른 비교
본 연구는 현장 지반 내 자연적으로 존재하는 각종 식물의 뿌리나 식생들이 지반의 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 기존 연구들에서 사용하였던 섬유를 무작위로 혼합하는 방식이 아닌 섬유를 길게 재단하여 전단방향에 수직으로 매립하였다. 또한 취성의 보강재가 포함되었을 때의 전단특성을 평가하기 위해 시멘트 슬러리 기둥을 같이 매립하였다. 자연상태의 식생환경과 나무뿌리는 지표면 인근에 존재하므로 이를 고려할 경우, 수직응력 50 kPa 정도의 수직응력이 자연 조건을 잘 모사하고 비교하는데 적절할 것으로 판단된다.
Fig. 11은 수직응력 50 kPa에서 무보강 모래보다 내부마찰각이 높은 두 종류의 보강방법을 비교하였다. 시멘트 슬러리 기둥 3개와 섬유 다발 6개의 구성은 섬유 보강 9개의 보강보다 더 넓은 면적으로 보이고 있으며, 이렇게 보강할 경우 최대전단응력, 초기 전단강성, 전단변위, 내부마찰각, 점착력 모두 효율적으로 증가하리라 판단된다. 따라서, 일반 자연환경에서도 식생이 조성되어 있다면, 일부 구간에 시멘트 슬러리 기둥과 같은 취성재료를 혼합할 경우 지반의 강도를 충분히 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 식생이나 나무 뿌리 등과 같이 지반 내에 특정한 형태로 매립되어 존재하는 물체가 지반의 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 섬유 다발과 시멘트 슬러리 기둥을 수직으로 매립하고 모래의 전단강도에 미치는 영향을 분석하였다. 상대밀도, 섬유비, 보강 지점 및 수직응력의 복합적인 영향을 실험적으로 비교 분석하였으며, 본 연구에서 얻은 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 63.5mm의 원형 전단상자에 섬유 다발을 일정한 간격으로 9 지점 혹은 25 지점으로 나누어 매립하고 직접전단시험을 수행하였다. 시험결과 동일한 양의 섬유 다발의 경우 모든 섬유비에서 25 지점이 모래의 전단강도를 높게 증가시키는 것으로 나타났다.
(2) 시멘트 슬러리 기둥은 9개의 지점에 매립하여 전단시험을 실시한 결과, 동일한 개수의 섬유 다발보다 점착력은 상당히 증가하여 최대 231 kPa 정도의 값을 보였으나, 내부마찰각은 무보강 모래보다 최대 2.3° 가까이 감소하는 경향을 보였다.
(3) 섬유 다발의 경우 내부마찰각과 점착력을 모두 증가시키는데 효과가 있었으며, 시멘트 슬러리 기둥은 점착력을 섬유 다발보다 큰 폭으로 증가시켰지만 내부마찰각을 감소시키는 결과를 보여 주었다. 따라서, 두 가지 재료를 모두 매립할 경우, 내부마찰각과 점착력이 모두 증가하는 효과를 나타내었다. 6개의 섬유 다발과 3개의 시멘트 슬러리 기둥을 혼합한 조합이 모래의 전단강도를 가장 효과적으로 증가시켰으며, 상대밀도 80%에서 내부 마찰각 39°, 점착력 173 kPa의 결과를 보였다.
(4) 특히 상대밀도와 점착력이 낮을수록 비보강 모래와 비교하여 증가 폭이 높았으며, 이는 주변 공극이 발달되어 전단 변형이 진행될 때 상대적으로 모래 입자들이 원래 위치를 이탈하기 쉬워 섬유 다발과 시멘트 슬러리 기둥이 효과적으로 시료의 전단에 저항했기 때문으로 판단된다. 이는 효과적인 강도 발현을 위해서는 재료 간의 어느 정도의 상대적인 변위가 필요한 것으로 판단된다.
(5) 일반적으로 지반 보강에서 가는 섬유를 지반 내에 균등하게 분포할 수 있도록 혼합하는 방식을 적용한다. 본 연구에서는 다발 형태로 매립된 경우 연성뿐 아니라 어느 정도의 취성 재료의 공학적인 성질도 동시에 발현될 수 있을 것으로 판단된다. 이는 식물의 뿌리나 소형 말뚝과 같이 표층에 존재하는 매립물도 지반의 강도에 영향을 줄 수 있으리라 판단된다.
