1. 서 론

지구 온난화와 이상 기후 등 기후변화 문제를 해결하기 위해서 전 세계적으로 신재생에너지의 확대가 이루어지고 있다. 이 중 천부 지열에너지를 활용한 지열히트펌프(Ground Source Heat Pump, GSHP) 시스템은 점차 확대 중이며, 지반구조물 내부에 열교환기를 삽입하여 해당 구조물을 지중 열교환기(Ground Heat Exchanger, GHE)로 활용하는 기술인 에너지 지반구조물(Energy Geo-Structures)은 구조물의 기능과 열교환 기능을 동시에 수행할 수 있는 장점으로 인해 주목받고 있다(Kim et al., 2023). 대표적인 형태로는 에너지 파일, 에너지 터널, 에너지 벽이 있으며, 이들은 별도의 열교환기 설치 공간 없이 구조물 자체를 지열에너지 시스템의 일부로 이용함으로써, 건설비 절감 및 효율적인 부지 사용의 이점을 제공한다. 이러한 이점으로 인해 전 세계적으로 에너지 지반구조물의 사용에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.

에너지 지반구조물은 기존에 사용하던 지반구조물의 기능 외에 열교환기로서의 기능이 추가되었기 때문에 운영 시 온도 변화에 따른 주변 지반의 열-역학적 특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. Di Donna et al.(2016)과 Maghsoodi et al.(2020)은 모래와 점토를 대상으로 직접전단시험을 통해 전단강도 및 전단 시 체적변형 특성에 관한 연구를 수행하였다. 또한, Yavari et al.(2016), Ravera et al.(2021), Hashemi et al.(2022)는 온도 변화가 점토의 전단강도와 체적 거동에 미치는 영향을 규명하는 연구를 수행하였다. 이들의 연구에서는 건조한 깨끗한 모래와 포화된 점토가 주요 시험 대상으로 활용되었다. 깨끗한 모래는 온도 변화에도 전단강도 특성이 거의 변하지 않아 온도의 영향이 미미하다고 보고되었다(Maghsoodi et al., 2020; Yin et al., 2021). 반면, 점토는 온도 변화가 전단강도 특성에 영향을 미친다는 결과가 보고되었으며 Di Donna et al.(2016)과 Maghsoodi et al.(2020)은 열 하중에 따른 열적 압밀 현상으로 인해 발생되었다고 주장하였다.

한편, 우리나라에서 지반구조물 건설이 이루어지는 30m 내외의 중저심도 지반은 화강풍화토가 주를 이루며 통일분류법 상 세립분이 포함된 모래질 흙으로 분류된다. 특히, 화강풍화토의 세립분 함량은 지역에 따라 매우 다양하며, 세립분이 증가함에 따라 내부마찰각이 감소하는 경향이 있다(Lee and Lee, 1999; Lee et al., 2014; Jeong et al., 2022). Monkul와 Ozden(2007)은 세립분의 증가가 조립토 입자 사이의 간극을 메워 입자간 직접 접촉을 줄이고, 그 결과 전단저항이 감소한다고 주장하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 에너지 지반구조물과 화강풍화토에 관한 연구는 많이 진행되었지만, 우리나라에 건설될 에너지 지반구조물의 거동특성 예측에 반드시 필요한 화강풍화토의 다양한 온도조건에서의 열-역학적 특성 연구는 아직까지 미흡한 실정이다. 기존의 연구들에서 나타난 바와 같이 화강풍화토는 깨끗한 모래와 달리 세립분이 증가할 경우 열적 압밀로 인한 온도의 영향을 받을 가능성이 높다. 따라서, 국내에 에너지 지반구조물을 적용하고 실용화하기 위해서는 열하중이 화강풍화토의 전단강도 특성에 미치는 영향을 규명하는 것은 중요하다. 이에 본 연구에서는 광주광역시 지역의 지하철 건설 공사현장에서 채취된 화강풍화토를 대상으로 다양한 세립분 함량과 온도 범위를 적용하여 건조 시 및 포화 시 전단강도 및 전단 시 체적변화 특성에 대한 연구를 진행하였다.

2. 열-역학적 직접전단시험

2.1 시험 조건

에너지 지반구조물 운영에 따른 가열 조건에서 화강풍화토의 전단강도 및 전단 시 체적 거동 특성을 파악하기 위해서 직접전단시험을 실시하였다. 본 연구의 시험 조건은 이러한 에너지 지반구조물이 설치된 실제 지반 환경을 최대한 반영하여 Table 1과 같이 설정되었다. 중요한 시험조건은 시료의 종류 및 상태, 습윤 조건, 하중 경계조건, 온도 범위, 가열 속도 및 전단 속도 등이다.

Fig. 1은 본 연구를 위해 화강풍화토 시료를 채취한 광주광역시 도시철도 공사현장의 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 1

Sampling location of WGS

Fig. 2는 광주광역시 내 다양한 위치의 중저심도에 분포하는 화강풍화토(Weathered granite soil, WGS)의 통일분류결과와 세립분 함량이며, 그림에 나타난 바와 같이 세립분 함량이 2.5%에서 30.4%까지 넓은 범위로 분포하고 있다. 따라서 화강풍화토의 세립분 함량 값의 결정은 특정값으로 고정하게 되면 다양한 지반특성을 반영하기 어렵고, 모든 범위를 포함하도록 하면 실질적인 실험이 불가능하기 때문에 대표적인 세립분 함량을 5%, 15%, 25%로 조성하여 열-역학적 전단강도 특성을 분석하였다. 한편 시험 시료의 상대밀도는 일반적인 자연지반의 보통 조밀한 상태(medium dense)를 고려하여 60%로 조성하였다(Bowles, 1982; Das, 2014).

Fig. 2

USCS classification of WGS in Gwangju

또한 실제 지반은 지하수위에 따라 건조, 불포화 상태 또는 포화 상태로 존재하므로 습윤 상태에 따른 평가가 필요하다. 그러나, 실험 특성상 온도 상승 조건에서 불포화토의 함수비를 일정하게 유지하는 데에는 한계가 있어, 본 연구에서는 다양한 온도 변화 아래에서도 안정적으로 습윤 상태를 유지할 수 있는 건조 및 포화 조건에서만 실험을 진행하였다.

하중 경계조건은 시험 중 일정한 수직하중이 작용하는 Constant Normal Load(CNL) 조건을 적용하였다. 이는 일반적인 직접전단시험에서 적용되는 경계조건으로 수직 방향에 대한 추가적인 강성(Elastic stiffness, K)을 고려하지 않음으로써, 전단 과정에서 발생하는 수직 방향의 체적 변화(수축 또는 팽창)를 허용하는 방식이다.

사질토의 경우, 전단 속도는 국내외 기준(ASTM D3080 (2011), BS 1377-7(1990), KS F 2343:2022)에 따르면 공통적으로 과잉간극수압이 발생하지 않는 배수 조건이 되도록 설정할 것을 제안하고 있기 때문에 이를 본 시험의 시료인 화강풍화토에 대한 실험적 규명이 필요하다. 시료들 중 상대적으로 투수성이 낮은 세립분(FC) 25% 시료를 대상으로 수직응력 150kPa 조건에서 다양한 전단 속도(0.5, 0.05, 0.025, 0.01mm/min)에서 직접전단시험을 수행하였다. Fig. 3에 나타난 결과에 따르면, 모든 전단 속도에서 전단강도 및 체적 거동이 유사하게 나타났으며, 이는 모든 속도 조건에서 배수 조건이 유지되었음을 간접적으로 의미하기 때문에 전단 속도를 0.5mm/min으로 설정하였다.

Fig. 3

Comparison of shear stress and volumetric behavior at various shear rates

마지막으로 에너지 지반구조물이 가동 시, 주변 지반은 지중 열교환기의 반복적인 열 하중 변화에 의해 온도 변화가 발생한다. 주변 지반의 온도는 최대 약 40℃ 수준까지 상승할 수 있다고 보고되었다(Di Donna et al., 2015). 그러나 본 연구에서는 실제 운용 조건보다 더 넓은 온도범위(20℃, 40℃, 60℃)까지를 대상으로 설정하였다. 이는 온도변화에 따른 화강풍화토의 열-역학적 특성을 보다 명확하게 분석하고, 선행 연구들(Di Donna et al., 2016; Maghsoodi et al., 2020; Ravera et al., 2021; Yavari et al., 2016)과의 비교를 위한 목적도 고려되었다. 가열 속도는 건조 상태에서는 20℃/hr, 포화 상태에서는 5℃/hr로 구분하여 적용하였다. 이는 포화 상태에서 온도 상승 시 흙 입자와 간극수의 팽창으로 과잉간극수압이 발생할 가능성을 억제하기 위한 것이며, 건조 상태에서는 이러한 영향이 없으므로 비교적 빠른 가열 속도를 적용하였다.

2.2 시험 시료

본 연구에서 사용한 화강풍화토 시료는 광주광역시 도시철도 2호선 유촌동 공사현장에서 채취하였으며 광주광역시 지역 25개 시료의 세립분 함량(Fig. 2 참조)를 기반으로 질량비를 고려하여 5%, 15%, 25% 세립분 함량에 해당하는 시료를 조성하였다(Lee et al., 2024). 이때 #4 체를 통과하지 않은 시료는 시료 조성에서 제외하였다. Fig. 4는 이렇게 조성된 세립분 함량 5%, 15%, 25% 화강풍화토의 입도분포 곡선을 나타낸다.

Fig. 4

Grain size distribution of WGS with controlled fine content

각 시료의 물성은 Table 3와 같다. 통일분류법 상 FC 5%는 입도분포가 좋은 실트질 모래(SW-SM)로, FC 15%와 FC 25%는 실트질 모래(SM)로 분류되었다. 또한, JIS A 1224에 따라 최소건조밀도(ρdmin)와 최대건조밀도(ρdmax)를 결정하였으며, KS F 2308:2022 기준에 따라 흙 입자의 비중(Gs)을 측정하였다.

2.3 시험 장비 및 기구

온도변화에 따른 전단강도 특성을 분석하기 위해서 Fig. 5(a)와 같이 시험 장비를 구성하였다. 시험 장비는 온도 조절 시스템과 전단시험 시스템으로 구성되며, 물 순환식 온도 조절 직접전단박스(Modified thermal direct shear box)를 새롭게 제작하였다(Fig. 5(b)). Fig. 6(a)는 제작한 전단 박스의 조립도를 나타낸 것으로, 시료의 직경은 60mm, 높이는 30mm이며, 전단면은 시료 중앙에 형성된다. 이 전단박스는 Di Donna et al.(2016)과 Yavari et al.(2016)을 참고하여 제작하였다. Di Donna et al.(2016)은 시료 하부에 열원을 위치시켜 실제와 유사한 열 전달 메커니즘을 구현하였으나, 전기식 실리콘 고무 히터를 열원으로 사용함에 따라 장시간 운용 시 일정한 온도를 유지하기 어렵다는 한계가 있다. 반면, Yavari et al.(2016)은 전단 박스 내부에 위치한 구리관을 통해 물을 순환시켜 온도를 조절하는 방식으로, 장시간 실험에도 안정적으로 온도를 유지 할 수 있지만, 이는 실제와는 다른 열 전달 경로를 갖는다는 한계가 존재한다.

Fig. 5

Experimental device setup: (a) configuration of test device; (b) modified thermal direct shear box

이에 본 연구에서는 두 방식의 장점을 결합하고 단점을 보완하여, 전단 박스 하부에 물 순환용 수로를 설계하였다(Fig. 6(c) 참조). 설정된 온도의 물은 항온수조(Water bath for heating)에서 고무관(Circulating water tubes)을 통해 직접전단박스 하부의 수로로 이동하며 시료의 온도를 조절하는 방식으로, 이러한 방식은 실제 에너지 지반구조물 가동 시와 유사한 열 전달 메커니즘을 가지며 장시간 실험에서도 안정적인 운용이 가능하다(Fig. 6(b) 참조). 또한, 시료 내 열 손실을 최소화하기 위해 상부에 아크릴 커버를 설치하였다.

Fig. 6

Detail of the modified thermal direct shear box: (a) overall assembly; (b) schematic of heat transfer mechanism; (c) water channel layout

2.4 시험 방법

Fig. 7은 시험 경로를 도식화하여 나타낸 것이다. 시험은 크게 세 단계로 구분된다. ① 수직응력 재하 단계, ② 온도 상승 단계, ③ 전단 단계이며, 전체 시험 경로는 습윤 상태(건조 및 포화)에 따라 달라진다. 건조 조건에서는 수직응력 재하 후, 해당 목표 온도(40℃, 60℃)까지 가열하고 열 평형을 이룬 뒤 전단을 실시한다. 상온 조건(20℃)의 경우에는 온도 상승 단계를 생략한다. 포화 조건의 경우 4시간 동안 시료를 완전 포화시킨 후, 수직응력을 재하한다. 이후 수직응력으로 인한 과잉간극수압이 완전히 소산될 때까지 6시간 동안 압밀을 충분히 진행한 뒤, 해당 목표 온도까지 가열한다. 열 평형 상태에 도달하면 전단을 수행한다. Fig. 8(a), (b)는 투수성이 가장 작은 FC 25% 시료에 대하여 시간에 따른 수직 변위를 측정하여 완전 포화 및 수직 하중에 의한 침하량을 확인한 사례이다. Fig. 8(a)는 시료를 24시간 동안 수침시킬 때 측정한 수직변위를 나타낸 것이다. 초기에는 공기로 채워진 간극이 물로 대체되면서 급격한 부피 변화가 발생하였으며, 이후 변화가 거의 없어진 시점에서 포화가 완료된 것으로 간접적으로 판단 할 수 있다. Fig. 8(b)는 동일한 시료에 수직 하중을 재하한 후 24시간 동안 측정한 침하 거동을 나타낸 것으로, 하중 재하 후 약 6시간 이내에 24시간 침하량의 약 98%에 도달하였다. 이는 대부분의 압밀 침하가 6시간 이내에 완료되었음을 나타낸다.

Fig. 7

Thermo-mechanical testing paths

Fig. 8

Evaluation of saturation and consolidation time for FC 25%

3. 시험 결과 및 분석

3.1 전단강도 및 전단 시 체적 거동 특성

Fig. 9는 FC 5%인 건조상태의 시료에 대한 전단시험 결과로, 수직응력이 증가함에 따라 전단강도가 증가하고 전단 시 팽창 거동이 억제되어 다일러턴시(dilatancy) 현상이 감소하는 경향을 잘 보이고 있다. 이러한 거동은 모래질 토사의 직접전단 특성에서 일반적으로 나타나는 현상으로, 본 연구에서 얻어진 결과는 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 이러한 결과는 시료의 습윤상태와 관계없이 Fig. 10~14까지 모두 일관성있게 나타나고 있어 모든 시료 조건에서 얻어진 직접전단시험 결과 또한 신뢰성을 확보한 것으로 생각된다.

Fig. 9

Dry WGS (FC 5%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

건조 상태에서 수행된 온도변화에 따른 직접전단시험 결과와 전단강도 값이 Fig. 9, 10, Fig. 11과 Table 3에 나타나 있다. 일정한 세립분 함량 조건 내에서는 온도에 따른 전단강도 변화가 거의 모든 시료에서 나타나지 않아 전단강도에 미치는 온도의 영향이 미미한 것으로 나타났다. 한편, FC 5%와 FC 15%의 경우 전단 시 온도 변화에 따른 체적 거동의 차이가 거의 나타나지 않았다. 반면, FC 25%에서는 순환수 온도가 60℃일 때 다른 온도 조건에 비해 다소 큰 팽창 거동이 관찰되었으나, 그 변화 폭이 크지 않아 유의미한 수준의 영향으로 보기는 어려웠다.

이상의 결과로부터 건조 상태의 화강풍화토는 온도 변화가 전단강도 및 전단 시 체적 거동에 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 10

Dry WGS (FC 15%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

Fig. 11

Dry WGS (FC 25%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

다음으로, Fig. 12, 13, 14와 Table 4는 포화 상태에서 수행된 직접전단시험 결과와 전단강도 값이다. 모든 세립분 함량 조건에서 온도가 증가함에 따라 전단강도가 증가하며, 전단 시 체적 팽창 거동이 뚜렷하게 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 12

Saturated WGS (FC 5%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

Fig. 13

Saturated WGS (FC 15%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

Fig. 14

Saturated WGS (FC 25%) shear test results: shear stress-horizontal displacement and volumetric behavior under normal stresses of (a) 50 kPa, (b) 100 kPa, (c) 150 kPa

세립분 함량별로 분석한 결과, 온도 증가에 따른 전단강도 및 전단 시 체적 팽창 경향이 시료별로 다소 상이하게 나타났다. 먼저, FC 5%는 온도 60℃에서 전단강도와 체적 팽창 거동이 명확하게 증가하였다. 다음으로, FC 15%의 경우, 온도 40℃와 60℃에서 20℃에 비해 전단강도와 체적 팽창 거동이 증가하였으나, 40°C와 60°C 사이에서는 유사한 수준의 전단강도 및 체적 거동을 보여, 일정 온도 이상에서는 열적 영향이 더 이상 뚜렷한 변화를 유발하지 않는 경향을 보였다. 마지막으로, FC 25%는 온도 증가에 따라 점진적인 전단강도 증가와 체적 팽창이 발생하는 경향을 보였다.

이상의 결과로부터, 포화 상태의 화강풍화토는 온도 변화가 전단강도 및 전단 시 체적 거동에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만, 세립분 함량별로 그 경향은 다소 상이하게 나타났다.

3.2 내부 마찰각

건조 상태와 포화 상태에서 온도변화에 따른 화강풍화토의 첨두 내부마찰각을 산정하기 위한 파괴포락선을 세립분 함량별로 Fig. 15와 16에 그리고 그 결과를 Table 5에 정리하였다. Fig. 15에 나타난 바와 같이 건조 상태에서의 화강풍화토의 파괴포락선은 온도 변화에 따라 크게 변하지않는 것으로 나타났으나, 포화 상태에서 화강풍화토의 파괴포락선은 Fig. 16에 나타난 바와 같이 세립분 함량에 따라 약간의 차이는 있지만 온도가 상승함에 따라 파괴포락선의 기울기인 첨두 내부마찰각이 증가하는 경향이 나타났다.

Fig. 15

Internal friction angle of dry WGS

Fig. 16

Internal friction angle of saturated WGS

3.2.1 열적 압밀 현상이 내부마찰각에 미치는 영향

Fig. 17은 온도 변화에 따른 화강풍화토의 첨두 내부마찰각의 변화를 모든 세립분에 대하여 나타낸 것이다. Fig. 17(a)는 건조 상태에서는 온도 증가에 따른 내부마찰각의 변화로 세립분에 따라 약간의 차이는 있으나 전체적인 경향에는 큰 변화가 없는 것으로 보인다. 자세히 살펴보면 FC 15%의 경우, 온도가 상승함에 따라 첨두 내부마찰각이 약 2.77%(1.16°) 감소하는 것으로 나타났으나 전체 세립분에 대한 내부마찰각의 평균 감소율은 0.62%(∆ϕ'peak = 0.26°)로 미미한 수준의 변화였다. 따라서 건조 상태의 화강풍화토에 대해서는 온도의 변화가 내부마찰각에 실질적인 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 17

Effect of temperature on the internal friction angle

한편 Fig. 17(b)는 포화 상태의 화강풍화토에 대한 내부마찰각을 온도 변화에 따라 나타낸 것으로, 전체적으로 온도가 증가함에 따라 내부마찰각이 증가하는 경향이 확인되었다. 온도 변화에 따른 평균 내부마찰각 증가율은 4.27%(∆ϕ'peak = 1.63°)로 뚜렷한 경향을 보였다. 이러한 경향은 온도 상승에 따른 간극수와 흙 입자의 열팽창으로 일시적인 과잉간극수압을 유발하며, 이 과잉간극수압이 소산되며 흙 입자 간의 구조가 재배열되는 열적 압밀(thermal consolidation) 현상에 기인하는 것으로 해석할 수 있다(Campanella and Mitchell, 1968; Baldi et al., 1991). 즉, 열 하중에 의해 발생한 열적 압밀로 인해 흙 입자의 구조가 조밀하게 재배열되며, 이에 따라 전단 저항이 증가한 것으로 볼 수 있다. Fig. 18은 온도 상승 단계에서 시료의 온도가 60℃까지 증가할 때 나타난 수직 변형률의 시계열 변화를 보여준다. Fig. 18(a)에 나타난 바와 같이, 건조 시료의 경우 초기 30분 전후까지는 팽창하며 그 이후로는 수축하여 최종적으로는 0.0112%의 미미한 수준의 수축만 발생하여 온도에 영향을 거의 받지 않은 것을 알 수 있다. 반면 Fig. 18(b)에 나타난 포화 시료의 수직 변형률 변화는 초기 120분까지 약하게 팽창하나 그 이후로는 수축하여 최종적으로 0.1805% 수축하는 것으로 나타나 포화된 시료의 열적 압밀 현상을 보여주는 것으로 해석할 수 있고 이러한 해석은 Fig. 12, 13, 14에 나타난 온도증가에 따른 전단강도 증가 및 전단 시 체적거동의 결과를 뒷받침할 수 있다.

Fig. 18

Vertical strain during heating phase in 60°C

또한 이러한 현상은 Fig. 17(b)를 참조하면 세립분 함량에 영향을 받는 것을 알 수 있으며 열적 압밀 발생 메커니즘에 대한 민감도 차이를 발생시키는 것으로 판단된다. 이러한 열적 압밀이 발생하기 위해서는 흙 입자의 구조를 붕괴시킬 수 있을 정도의 일정 수준 이상의 에너지가 필요하며, 이는 세립분 함량에 따라 다르게 작용할 수 있다. 세립분 함량이 높은 시료는 투수성이 작아 동일한 열 하중 조건에서도 더 큰 과잉간극수압을 형성할 수 있다.

FC 5%는 투수성이 커서 40℃의 온도에서는 충분한 과잉간극수압이 내부에 축적되지 않아 열적 영향이 미미한 것으로 보인다. 반면, 온도 60℃에서는 높은 열 에너지로 인해 충분한 과잉간극수압이 내부에 형성되고 축적되어 열적 압밀이 발생하였고, 이로 인해 내부마찰각이 증가하였다.

FC 15%는 FC 5% 비해 투수성이 작아 적은 열에너지에도 내부에 과잉간극수압이 형성되고 축적되기 쉬운 조건이다. 따라서, 온도 40℃에서부터 열적 압밀이 발생하고 이로 인해 내부마찰각이 증가하였다. 그러나 60℃로 온도가 상승하여도 내부마찰각에 큰 변화가 나타나지 않았다.

FC 25%는 투수성이 더욱 작아, 열 하중에 의해 간극수압이 쉽게 형성될 수 있다. 이로 인해 온도가 상승함에 따라 지속적으로 열적 압밀이 발생하여 내부마찰각이 점진적으로 증가하는 경향을 보인 것으로 판단된다.

3.2.2 세립분 함량이 내부마찰각에 미치는 영향

Fig. 19는 세립분 함량에 따른 화강풍화토의 첨두 내부마찰각의 변화를 나타낸 것이다. 전반적으로 건조 상태와 포화 상태 모두 세립분 함량이 증가함에 따라 평균 내부마찰각은 감소하는 경향을 보였다. 감소율은 건조 상태의 경우 4.21%(∆ϕ'peak = 1.80°), 포화 상태의 경우 3.75%(∆ϕ'peak = 1.49°)로 나타났다. 이러한 결과는 기존 연구(Lee et al., 2014; Yin et al., 2021)와 동일하게, 20℃의 상온에서 세립분 함량 증가에 따라 내부마찰각이 점진적으로 감소하며, 세립분이 증가할수록 마찰 특성이 저하되는 일반적인 경향성과도 잘 부합한다. 40℃와 60℃에서는 FC 15%의 건조측와 습윤측에서 다소 상이한 경향을 보였다. 이는 동일한 상대밀도 조건 하에서도 세립분 함량에 따라 간극비에 차이가 발생할 수 있으며, 특히 FC 15%의 시료는 FC 5% 및 25%에 비해 간극비가 작게 형성되어, 일반적인 세립분 증가에 따른 마찰각 감소 경향성과는 상이한 거동을 나타낸 것으로 해석된다(Fig. 20 참조).

Fig. 19

Effect of fine content on the internal friction angle

Fig. 20

Void ratio of soil sample

3.2.3 습윤 상태가 내부마찰각에 미치는 영향

Fig. 21은 온도 20℃에서 습윤 상태에 따른 내부마찰각의 차이를 나타낸 것이다. 건조 상태에서의 내부마찰각이 포화 상태보다 더 크게 나타났으며, 이는 수분 증가로 인해 입자 간 결합력이 감소한 결과로 해석된다. 이러한 경향은 기존 화강풍화토를 대상으로 한 연구에서도 보고된 바 있다(Lee and Lee, 1999).

Fig. 21

Effect of water content on the internal friction angle at ambient temperature

4. 결 론

본 연구는 에너지 지반구조물의 열 하중 작용 시, 온도 변화와 세립분 함량이 화강풍화토의 전단강도 및 체적 거동 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 수행되었다. 세립분 함량(5%, 15%, 25%), 온도 조건(20℃, 40℃, 60℃), 그리고 습윤 조건(건조, 포화)을 변수로 설정하고, 실제 운용 조건을 모사할 수 있도록 새롭게 제작한 물 순환식 온도 조절 직접전단박스를 활용하여 열-역학적 직접전단시험을 수행하였다. 실험을 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 건조 조건에서는 온도 변화에 따른 전단강도, 체적 거동, 내부마찰각의 변화가 미미하여, 온도의 영향이 실질적으로 나타나지 않았다.

(2) 포화 조건에서는 온도 상승에 따라 전단강도, 체적 팽창, 내부마찰각이 모두 뚜렷하게 증가하는 경향을 보였다. 이는 열 하중에 의해 간극수와 흙 입자가 팽창하면서 일시적인 간극수압이 유발되고, 이후 이 간극수압이 소산되면서 흙 입자 간의 구조가 붕괴되어 재배열되는 열적 압밀(thermal consolidation) 메커니즘에 기인한 것으로 해석된다.

(3) 세립분 함량 증가에 따른 내부마찰각 변화는 전반적으로 감소하는 경향을 보였으나, 고온 조건에서는 시료별로 서로 다른 열적 영향이 존재하여 다소 상이한 경향을 보였다. 이는 열적 압밀 메커니즘이 세립분 함량에 따라 서로 다른 민감도를 가지며 투수성의 차이로 인해 동일한 열 하중 조건에서도 간극수압의 형성 정도가 달라졌기 때문으로 해석된다.

(4) 종합적으로, 건조 조건에서는 세립분 함량이 내부마찰각 변화의 주된 결정 요인이었으며, 온도의 영향은 제한적이었다. 반면, 포화 조건에서는 세립분 함량이 증가함에 따라 마찰각이 감소하지만, 온도가 증가하면 마찰각이 증가하는 복합적인 거동을 보이므로 두 조건을 모두 고려하여야 한다.