1. 서 론
2. 시험 재료 및 시험 방법
2.1 시험 시료
2.2 직접전단시험
2.3 소수성 시험
3. 시험 결과 분석
3.1 직접전단시험 결과
3.2 소수성 평가
4. 요약 및 결론
1. 서 론
전세계적으로 기후온난화로 인해 집중호우가 발생하고 있으며 이로 인해 지반구조물의 비탈면으로의 침투 촉발과 함께 사면붕괴가 빈번하게 발생하고 있다(Collins and Znidarcic, 2004; Kim et al., 2016). 일반적으로 지반은 불포화 상태에 있기 때문에 사면 내부는 음의 간극수압, 즉 모관 흡수력(suction)의 영향으로 인한 겉보기 점착력(apparent cohesion)의 증가로 사면 안정성을 높게 유지하게 된다(Fredlund and Rahardjo, 1993). 그러나 강우 시의 사면 침투는 지반 내부의 모관흡수력을 낮추고 토립자간의 겉보기 점착력의 저하, 즉 흙의 전단강도 감소로 이어진다(Fredlund et al., 1978). 이러한 역학적 관계에 의해 지반 내부의 습윤전선이 임계깊이까지 도달하며 발생하는 강우에 의한 사면 붕괴는 얕은 깊이의 활동 파괴 형태를 보인다(Fredlund and Rahardjo, 1993). 따라서, 강우 침투를 효과적으로 제어하고 지반 내부의 모관흡수력을 보존하는 것은 사면의 안정성을 확보하기 위한 근본적인 해결 과제라 할 수 있다.
강우 시 사면 붕괴를 저감하기 위한 전통적인 지반 공학적 접근법 중 하나는 사면 표층부에 차수층을 설치하는 것이다. 차수층의 기본 원리는 투수성이 낮은 재료로 물리적 장벽을 형성하여 외부의 물이 하부 지반으로 유입되는 것을 차단하는 것인데, 일반적으로 사용되는 재료로는 지오멤브레인과 지오신세틱 클레이 라이너 등이 있다. 그러나 이러한 전통적인 재료들은 높은 시공 비용과 복잡한 설치 과정, 장기적인 내구성 문제, 그리고 재료 수급의 어려움 등 여러 한계를 가지고 있다(Pearlman, 1999). 반면, 불투수성 지반재료는 전통적인 지반재료에 비해 연속적인 차수층을 쉽게 만들 수 있으며, 찢어지거나 균열이 생기기 쉬운 기존 재료와 달리 국부적인 손상에 강하다는 장점이 있기 때문에 흙 입자 자체를 소수성으로 개량하여 만든 토층을 차수층으로 활용하는 연구도 주목받고 있다(Lourenço et al., 2015; Kim et al., 2021).
한편 해외에서는 소수성 흙의 수리적, 역학적 특성을 함께 평가하고(Movasat and Tomac, 2021), 그 상충 관계를 규명하려는 연구가 수행되고 있으나(Bardet et al., 2011; Byun et al., 2012), 국내에서는 이러한 소수성 지반재료의 복합적인 거동에 대한 연구가 아직 초기 단계에 머물러 있다. Park et al.(2023)이 친수성 주문진 표준사를 대상으로 하여 세립분 함유율이 사질토의 습윤성에 미치는 영향을 평가하였으나, 주문진 표준사를 대상으로 소수성 부여에 따른 수리적 특성과 역학적 강도 변화를 종합적으로 분석하고, 이를 통해 향후 안정성 평가에 필요한 기초 자료를 제시한 연구는 미미한 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 주문진 표준사를 대상으로 하여 국내의 강우에 의해 발생한 사면 붕괴의 대책으로서 소수성 재료를 차수층으로 적용하는 방안의 공학적 타당성을 평가하고자 한다. 이를 위해, 주문진사를 화학적 처리하여 소수성 시료를 제작하고, 실내 시험을 통해 시료의 소수성 및 역학적 특성을 정량적으로 분석했다. 이 결과로부터 소수화 처리에 따른 사질토의 전단강도 변화 양상을 실험적으로 규명하고, 차수층 적용 시의 공학적 안정성을 평가하고자 한다.
2. 시험 재료 및 시험 방법
2.1 시험 시료
본 연구의 대상시료인 주문진 표진사의 물성치는 비중(Gs) 2.63, 최대 간극비(emax) 0.94, 그리고 최소 간극비(emin) 0.65이고, Fig. 1에서 보인 입도분포곡선을 통해 평균입경(D50)은 0.55 mm, 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cg)는 각각 1.88과 1.10, 통일분류법상 SP로 분류되었다(Table 1 참조).
Table 1.
Physical properties of Jumunjin sand
한편, 본 연구에서 소수성 시료는 친수성 주문진사에 화학용액을 이용한 실란처리를 통해 제작되었다. 실란처리에는 Triethoxy-n-octylsilane과 Isopropyl alcohol의 1% 부피비 혼합 용액을 제작했다. 이러한 부피 비율은 선행 연구(Kim et al., 2021)에서 WIH 실험 결과 시 가장 효율적인 차수성능을 보이는 농도가 1%로 보고된 내용을 근거로 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 해당 1% 혼합 용액에 주문진사를 24시간 동안 액침시킨 후 110°C의 건조로에서 24시간 동안 건조하는 방법을 채택하여 소수성 시료를 제작했다.
2.2 직접전단시험
2.2.1 시험 장치
본 연구에서 사용된 불포화토용 직접전단시험기의 개략도는 Fig. 2와 같다. 시험기는 크게 하중 재하 시스템, 전단 시스템, 계측 시스템으로 구성된다. 본 시험기의 주요 장점 중 하나는 상부와 하부에 각각 로드셀이 설치되어 있어 시료에 실제 가해지는 수직응력을 정밀하게 측정할 수 있다는 점이다. 수직응력은 벨로프레임 실린더를 통해 재하되며, 디지털 방식의 레귤레이터를 이용하여 크거나 작게 가해진 응력을 자동으로 조절함으로써 목표 응력까지 일정하게 제어된다. 수평 전단은 정밀 스테핑 모터가 장착된 구동 장치를 이용하여 일정한 변위 속도로 제어된다. 수평 하중은 로드셀을 이용하여 측정되었고, 수직 및 수평 변위는 다이얼 게이지를 통해 계측되었다. 모든 데이터는 데이터 로거를 통해 실시간으로 컴퓨터에 저장되어 분석에 사용되었다.
2.2.2 시험 방법
본 연구에서는 소수성 처리가 모래의 근본적인 역학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 ASTM D3080(2011) 규정에 따라 직접전단시험을 수행했다. 모든 시험은 건조 상태의 시료에 대해 세 가지 이상의 수직 응력 상태에서 수행되었다.
시험 과정에서 공시체는 직경이 6.0 cm, 높이가 2.0 cm인 전단상자에 건조밀도 1.48 g/cm3(상대밀도, Dr = 55.3%)에 맞추어 3층 정적 다짐으로 건조 상태에서 제작되었다. 이때, 건조 상태 조건은 간극수압이나 모관흡수력과 같은 복잡한 변수의 영향을 배제하고, 소수성 코팅이 입자 간 상호작용과 전단강도에 미치는 근본적인 영향을 명확히 분석하기 위함이다(Bareither et al., 2008; Karim et al., 2018). 압밀 단계에서는 친수성 원시료에 대해 40, 80, 120, 160 kPa과 소수성 시료에 대하여 50, 100, 150 kPa의 수직응력이 각각 재하되었다. 압밀 과정이 완료된 후, 전단 과정에서 입자 파쇄 및 측벽 마찰로 인한 다이레이턴시의 과도한 변화와 시료 유출로 인한 전단강도의 과소평가를 방지하기 위해 Kim(2021)이 제안한 최대 임계점(Maximum threshold point, MTP) 개념에 기반하여 식 (1)을 근거로 전단상자 상부와 하부 사이의 간격(Opening)을 조절했다. 전단상자 상하부의 오프닝 없이 직접전단시험을 할 경우, 전단면 주위에 집중 압축 구역이 나타나게 되어 다이레이턴시를 확대시키고 불균질한 변형을 야기한다(Yatabe et al., 1995). 따라서, 최대 임계점(MTP)은 아래 식과 같이 주문진사의 D50에 근거하여 1.744 mm로 산정되었으며, 이에 따라 Opening = 1.74 mm를 적용했다.
한편, 직접전단시험에서의 전단 속도는 ASTM D3080(2011) 규정을 준수하여 결정했다. 해당 규정에 따르면, 본 연구에 사용된 주문진사와 같이 통일분류법상 SP로 분류되는 모래의 경우, 예상 파괴 변위(df)를 5 mm로 고려할 때 최소 파괴 도달 시간은 10분으로 권장된다. 이를 통해 산정된 최대 전단 속도는 0.5 mm/min이다. 그러나 본 연구에서는 전단 속도 효과(rate effect)로 인한 전단강도의 과대평가 가능성을 최소화하고 안정적인 데이터를 확보하기 위해, 이보다 보수적인 0.1 mm/min의 속도를 모든 시험에 동일하게 적용했다. 수직 변위와 전단 변위, 수직응력, 전단응력은 전단 과정이 진행되는 동안 자동측정 시스템에 의해 측정되었고, 시험은 수평 전단변위(dh)가 6.0 mm에 도달했을 때 종료되었다.
2.3 소수성 시험
본 연구에서는 소수성 주문진사의 소수성을 정량적으로 평가하기 위해 Water infiltration head(WIH) 시험, Water drop penetration time(WDPT) 시험, 그리고 접촉각(Contact angle) 측정시험을 수행했다. 앞서의 직접전단시험과 같이 시험 공시체는 3층 정적 다짐을 통해 건조밀도 ɤd = 1.48 g/cm3로 제작되었으며, 건조 상태에서 제작하여 시험 조건의 일관성을 확보했다.
(1) Water infiltration head(WIH) 시험
WIH 시험은 흙 표면이 물의 침투없이 저항할 수 있는 최대의 수두를 측정하는 직접적인 방법으로 Kim et al.(2021)에 의해 제안되었다. WIH 시험의 공시체는 그림 Fig. 3(a)에서 같이 직경 D = 49 mm, 높이 H = 50 mm로 제작되었다. 공시체 하부에도 공기가 통할 수 있도록 실린더 하부에 여과지를 설치하였고, 다지는 도중 시료의 유출을 막기 위하여 원형 실린더를 하부 페트리접시에 고정했다. 시료가 저항할 수 있는 최대의 수두를 측정하기 위하여 공시체의 표층에 스포이드를 이용하여 증류수를 1.0 mmH2O씩 서서히 가했다. 이때 1.0 mm의 수두는 0.01 kPa의 간극수압을 나타내므로 WIH는 토양수분특성곡선(Soil water characteristic curve, SWCC)에서의 수분함입치(Water entry value, WEV)와 동일한 의미를 가지며, 그림 Fig. 3(b)에서 보인 바와 같이 최대 수두 형성 후 침투하기 시작하는 최초의 물기둥 높이(WIH, cmH2O)를 측정했다.
(2) WDPT 시험
WDPT 시험은 흙 표면에 떨어진 물방울이 완전히 흡수될 때까지의 시간을 측정하여 소수성의 지속시간을 평가하는 방법이다. 본 시험에서는 Fig. 4와 같이 페트리 접시에 정적 다짐으로 제작된 공시체의 표층에 마이크로피펫을 이용하여 50 µl의 물방울을 떨어뜨려 침투 시간을 3회씩 측정하였으며, 측정된 시간은 Bisdom(1993)이 제안한 분류 기준(Table 2 참고)에 따라 평가되었다.
Table 2.
Classification of water repellency for Hydrophobic Jumunjin sand (Bisdom, 1993)
(3) 접촉각(Contact angle) 측정시험
소수성을 판별하는 기준 중 하나인 접촉각은 고체 표면 위에 놓인 액체 방울이 표면과 이루는 각도로, 90° 이상일 경우 소수성으로 판단하며 그 값이 클수록 소수성이 강함을 나타내는 직접적인 지표이다. 본 시험에서는 페트리 접시에 정적 다짐으로 제작된 공시체의 표면에 마이크로피펫을 이용하여 50 µl의 물방울을 위치시키고, 측면에서 촬영한 사진을 토대로 Fig. 5와 같이 ImageJ 프로그램(Schneider et al., 2012)을 이용하여 접촉각을 분석했다.
3. 시험 결과 분석
3.1 직접전단시험 결과
본 연구에서는 소수화 처리된 소수성 주문진사의 역학적 특성을 평가하기 위해 건조 상태에서 직접전단시험을 실시했다. 특히, 본 연구에서 사용한 직접전단시험기로부터의 결과에 대한 정확도의 검증을 위하여 기존 문헌들과 강도정수를 비교했다. 본 연구에서 친수성 주문진사에 대해 상대밀도 55.3%의 조건에서 내부마찰각 40.3°가 얻어졌고, 이 결과는 Table 3에서 보인 바와 같이 직접전단시험(direct shear test)과 삼축압축시험(triaxial compression test), 평면변형률시험(plane strain test)을 이용한 상대밀도 30~80% 조건의 기존 연구들로부터 얻어진 내부마찰각 31~43°의 범위에 해당하기 때문에 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다. 또한 시험 결과로부터, 모든 수직 응력 조건에서 소수성 시료는 친수성 시료에 비해 낮은 최대 전단강도와 함께 더 작은 다일레이턴시 거동을 보였다(Fig. 6(a)~(d)). 이러한 다일레이턴시의 감소는 사질토 전단강도의 주요 구성요소인 입자 간 맞물림 효과가 약화되었음을 의미한다. 이는 선행 연구들에서 보고된 바와 같이, 입자 표면의 매끄러운 코팅이 입자 간 마찰을 줄이고 체적 팽창을 억제하기 때문으로 분석된다(Bolton, 1986). Fig. 6(e)와 (f)에서 보이는 것과 같이, 두 시료 모두에서 점착력은 0 kPa, 파괴포락선의 기울기로부터 산정한 내부마찰각은 친수성 시료가 40.3°인 것에 비해 소수성 시료는 32.3°로 8°(약 20%) 감소했다(Holtz and Kovacs, 1981; Table 4). 결국, 소수성 코팅은 입자 표면의 마찰 특성 변화와 이로 인한 다일레이턴시의 발생을 저감시키므로 전단강도 감소에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
Table 3.
Summary of internal friction angle for Jumunjin sand
| Reference | Test type | Relative density, Dr (%) | Internal friction angle, ϕ (°) |
| Kim and Kim, 2019 | Large direct shear test | 50 | 32.6 |
| 60 | 38.2 | ||
| Small direct shear test | 50 | 31.0 | |
| 60 | 35.5 | ||
| Kim et al., 2014 | Triaxial compression test (CU) | 61 | 31.5 |
| Park et al., 2008 | Plane strain | 51 | 41.2 |
| 64 | 43.0 | ||
| Triaxial compression test | 51 | 35.2 | |
| 60 | 35.9 | ||
| Direct shear test | 56.9 | 35.0 | |
| 62 | 36.2 | ||
| Han et al., 2014 | Triaxial compression test (CD) | 30 | 37.0 |
| 80 | 42.0 |
Table 4.
Results of cohesion and internal friction angle for wettable and non-wettable Jumunjin sand
| Cohesion, c (kPa) | Internal friction angle, ϕ (°) | |
| Wettable | 0 | 40.3 |
| Non-wettable | 0 | 32.3 |
3.2 소수성 평가
본 연구에서는 소수화 처리된 주문진사의 소수성을 평가하기 위해, Water infiltration head(WIH) 시험, Water drop penetration time(WDPT) 시험, 그리고 접촉각 측정시험을 수행했다. 먼저, WIH 시험 결과, 친수성 시료는 물이 즉시 침투하여 수두가 0 cmH2O로 나타났지만, 소수성 시료에서는 총 7회 반복 시험 후 최대와 최솟값을 제외한 나머지는 5회에 대한 평균치 10.24 cmH2O의 수두를 가질 때까지 물이 침투하지 않는 것을 알 수 있었다(Fig. 7(a)). 다음으로, WDPT 시험에서는 친수성 시료의 경우 WIH 시험과 마찬가지로 물방울이 표면에 닿자마자 흡수되어 침투 시간이 0초에 가까웠으나, 소수성 시료의 표면에서는 총 3회의 실험 결과, 물방울이 3,600초(1시간) 이상 원상태를 유지했다(Fig. 4). 이는 Bisdom(1993)의 분류 기준에 따라 극한 소수성(Extremely water repellent)에 해당한다. 마지막으로 접촉각 측정시험에서는 WIH 시험과 같이 7회 측정 후 최댓값과 최솟값을 제외한 5회 평균치 134.6°가 얻어졌다(Fig. 7(b)). Table 5는 친수성과 소수성 주문진사에 대한 세 가지 소수성 평가 시험의 결과를 정리한 것이다. WIH 시험 결과와 Modified Kovács model(Aubertin et al., 2003)에 기반하여 Kim et al.(2021)이 제안한 식 (2)의 WIH 이론값을 비교해보면, 형상계수 α = 6, 25°C에서의 물의 표면장력 Ts = 72 mN/m, 접촉각 θ = 134.6°, 간극비 e = 0.777, 유효 입경 D10 = 0.32 mm, 균등계수 Cu = 1.88, 20°C에서의 물의 단위중량 ɤw = 9.8 kN/m3 일 때 추정값 WIHestimated = 9.43 cmH2O가 산정되었으며, 이 값은 앞서의 실험값 WIHavg = 10.24 cmH2O를 하회하는 것으로 나타났다. 이는 실험실 온도에 따른 물의 표면장력과 단위중량 변화, 그리고 주문진사의 입자의 형상에 따른 형상계수가 달라짐에 따라 나타나는 것으로 추측된다.
4. 요약 및 결론
본 연구는 강우 침투에 의한 사면 붕괴를 방지하기 위한 대안으로, 소수성 지반재료를 사 면표층부 내의 불투수 차수층으로 적용하는 방안에 대한 공학적 타당성을 평가했다. 이를 위해 주문진 표준사를 실란계 용액으로 소수화 처리하여 인공 소수성 시료를 제작하고, 수리적·역학적 특성 평가를 통해 기초 연구자료를 획득했다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 실란계 화학 처리를 통해 표준사의 표면이 개질되어 강한 소수성을 부여되었음을 실험적으로 확인했다. WIH시험, WDPT시험, 그리고 접촉각 측정시험으로부터, 소수성 주문진사는 물 침투 수두 10.24 cmH2O, 물방울 침투 시간 3,600초 이상, 접촉각 134.6°를 나타내어, 강우 침투를 효과적으로 차단할 수 있는 불투수성 차수층으로서의 우수한 수리적 성능을 입증했다.
(2) 직접전단시험의 결과로부터, 소수성 처리는 모래의 전단강도 특성을 변화시키는 것으로 나타났다. 소수성 코팅이 입자 표면에서 윤활 작용을 하여 입자 간 맞물림을 약화하고, 이에 따라 팽창성이 억제되면서 내부마찰각이 40.3°에서 32.3°로 약 20% 감소함을 확인했다.
(3) 본 연구의 결과는 소수성 차수층이 우수한 불투수 성능과 함께 재료의 전단강도의 저하라는 상반된 특성을 나타낸다는 것을 실험적으로 규명했다. 이러한 상반된 특성은 향후 사면 표층부 내의 소수성 차수층의 공학적 적용 시, 국부적인 강도 감소와 사면 전체의 강우 침투 차단 효과를 종합적으로 고려한 안정성 평가가 필요함을 시사한다. 끝으로, 본 연구에서 도출된 결과는 이러한 종합적인 안정성 평가를 위한 필수적인 기초 자료로 활용될 수 있다.
(4) 지반공학 분야에서 소수성 지반재료의 현장적용을 위해서는 다양한 조건에서의 수리적·역학적 특성 평가에 대한 연구들이 추가적으로 요구된다. 특히 향후 연구과제로서 소수성 지반재료의 차수성 및 전단강도 증대에 대한 연구가 진행될 예정이다.
