1. 서 론
건설공사에서 지반의 특성을 파악하는 것은 필수적이며 다양한 조사방법이 지반공학적인 문제를 해결하기 위해서 활용된다. 지반의 특성을 파악하기 위한 조사방법은 현장시험과 실내시험으로 나눌 수 있다. 현장시험은 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT), 콘관입시험(Cone Penetration Test, CPT), 다운홀테스트, 표면파탐사 등 원위치에서 수행하여 현장특성을 잘 반영한다. 하지만 현장시험의 경우 지반의 강도를 근사적으로 추측하는 점, 시험법별로 상이한 물리량으로 측정되는 점, 시험을 수행하는 작업자의 숙련도 등에 따라 결과가 달라질 수 있는 점 등의 문제점이 있다. 실내시험의 경우 지반의 강도를 직접적으로 측정할 수 있는 장점이 있는데 반해 현장에서 채취한 시료가 현장특성을 얼마나 잘 보존하고 있는지가 중요하다. 즉, 현장을 대변할 수 있는지와 시료의 교란이 최소화 되었는지가 중요하다. 불교란시료가 현장을 대변할 수 있는지는 기술적인 문제보다는 현장상황 및 작업자의 위치선정 등이 영향을 주는 요소로 이를 통제하는 것은 매우 어렵다. 반면 시료의 교란정도는 샘플러의 종류, 샘플링 방식 등에 따라 차이가 나타난다(Yoon et al., 2008).
실내시험을 통해 현장에서 채취한 시료의 정확한 강도를 측정하기 위해서 무엇보다 중요한 것이 시료의 교란을 최소화 하는 것이다. 교란은 시료를 채취할 때 발생하는 구속압의 해방과 샘플러의 삽입, 시료 채취, 운반, 보관 등에 따른 물리적인 교란으로 구별할 수 있다(Son, 2000; Kwag et al., 2003). 구속압의 해방에 따른 교란은 억제하는 것이 어려우나 시료 채취 중 발생하는 물리적인 교란은 채취방식 및 기술에 따라 억제하는 것이 가능하다.
여러 가지 샘플링 방식 중 씬월튜브샘플러(Thin-walled tube sampler, TB) 또는 Shelby tube sampler라고 불리는 방식이 교란의 영향이 적어 가장 널리사용되고 있다. 채취 시료를 점토로 한정 짓는다면 Rochelle et al.(1981), 및 Lefebvre and Poulin(1979)에 의해 제안된 샘플링, block sampling 방법 등이 널리 활용되고 있으나 이러한 샘플링 방법은 사질토에는 적합하지 않다. 사질토는 점착력이 없어 구속압이 없어지면 구조를 유지하기 어려워 이 경우 하단부로 토사가 유출되는 현상이 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 제안된 것이 ‘gel-pushing’(GP) sampling이다(Taylor et al., 2012; Chen et al., 2014; Umehara et al., 2015). GP는 윤활성분의 겔을 사용하여 튜브벽과 흙시료 사이의 마찰력을 줄여 시료를 채취하는 방식이다. 다만, Umehara et al.(2015)의 연구에 따르면 GP방법이 기존의 TB방법에 비해 샘플링 품질이 큰 차이가 나지 않는다는 결과가 도출된 바 있다. GP방법 또한 채취방법이 복잡하고 밀도가 높은 지반의 경우 사질토 채취가 가능하나 액상화 발생 가능성이 높은 연약한 지반의 경우 시료채취가 어려운 단점이 존재한다. 동결시료채취 방법은 사질토 및 연약한 지반의 불교란시료 채취에 가장 적합한 샘플링방식이다(Yoshimi et al., 1978; Shuster, 1981; Micheal et al., 2014; Kim et al., 2018). 동결시료채취는 지반내에 액체질소를 주입하여 동결시킨뒤 채취하는 방식으로 지반을 가장 교란시키지 않고 시료를 채취할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 하지만 동결샘플링은 비용이 매우 비싸고 기술적 난이도가 매우 높다는 단점이 있다. 또한 동결시료를 실내시험에서 활용하기 위해 추가적인 기술과 도구 등이 필요하고 동결된 시료를 상온으로 돌리는 과정에서 시료 변형이 발생할 수 있는 등 현실적으로 널리 활용되기엔 난이도가 매우 높다(Kim et al., 2017). 따라서, 동결샘플링 방식에 비해서 교란은 발생하나 보다 쉽게 사질토 시료를 채취할 수 있는 기술이 필요하다.
본 연구에서는 기존의 튜브샘플링 방식을 바탕으로 샘플러 선단부에 새롭게 개발한 캐쳐(Catcher)를 부착하여 튜브관입 후 선단부가 좁아짐에 따라 시료의 손실을 최소한으로 하여 시료를 채취하는 방법을 개발하였고 이를 기존 튜브샘플링 방식과 비교하여 이 방법의 적용가능성에 대해서 검토하였다.
2. 개발 샘플러 개요
2017년 포항지진시 포항시 흥해읍 일대 사질토 지반에서 발생한 액상화현상과 관련하여 지반의 동적 특성 파악을 위해 느슨한 사질토 지반의 불교란시료 채취가 필요하다. 하지만, 앞서 언급한 불교란시료 채취 방법들은 작업 난이도와 비용 측면에서 적합하지 않아 본 연구에서는 기존의 시추공을 그대로 활용한 상태에서 불교란시료 채취가 가능한 방법을 고안하였다.
일반적인 유압 회전수세식의 시추조사시 샘플러 방식으로 느슨한 사질토의 샘플링이 어려운 이유는 사질토 시료의 경우 점착력이 없거나 매우 작아서 샘플채취관(황동관 등) 인발 시 진공압에 의해 시료가 같이 인양되지 않거나 인양되더라도 회수하는 과정에서 탈락하기 때문에 이러한 문제를 개선하기 위하여 사질토 샘플러를 개발하였다(Fig. 1).
불교란시료 채취 샘플러는 큰 범위로 셸비튜브 샘플러와 피스톤 샘플러로 구분된다. 셸비튜브 샘플러는 황동관에 직접 샘플러 헤드를 장착한 후 유압식 시추기의 하중으로 지중에 인입하여 시료를 채취하는 방식이며, 피스톤 샘플러는 피스톤 형식으로 개발된 샘플러 헤드에 황동관을 장착한 후 수압을 이용하여 황동관으로 시료를 채취하는 방식을 사용한다. 본 연구에서 개발한 샘플러는 이 두 가지 샘플러가 합쳐진 형태의 원리로 제작되었으며, 시료의 탈락률을 줄일 수 있는 슈와 캐처가 장착된 형식으로 구성되었다. 시료 채취 시 시추장비를 이용하여 시료를 채취하는 방식은 셸비튜브 샘플러와 동일하며, 샘플러 길이만큼 인입한 후 마개를 밀어 넣을 때는 피스톤 샘플러의 방식을 이용한다. 슈의 내벽에는 캐쳐가 마개에 의해 하향 이동할때 캐쳐의 톱니를 휘게 할 수 있도록 약 20도의 경사를 갖도록 제작하였다. 롯드 커넥터에 연결되어있는 AW사이즈 롯드 안에 수압을 가하면 마개가 약 5~10cm정도 아래로 이동하게 되고(Fig. 2(a)), 이때 황동관과 맞닿아있는 캐쳐가 하향 이동해 슈와 맞닿게 되어 캐쳐의 톱니가 안쪽으로 휘어 오므라드는 형태로 작동하여 시료의 탈락을 방지하게 된다(Fig. 3(b)).
3. 개발샘플러 성능검토
3.1 시료채취
개발된 샘플러의 성능검토를 위하여 2017년 11월 15일 포항지진 발생시 액상화 현장이 관찰되었던 경상북도 포항시 흥해읍 흥안리 일원에서 시추조사를 수행하였다(Fig. 3). 시추조사는 불교란시료를 채취할 수 있는 충적층인 27.45m까지 굴진을 수행하였으며, 기존 샘플러와 새롭게 개발한 샘플러의 시료채취 상태 및 검증을 위하여 이격거리 5m에서 동일지층과 동일심도에서 시료채취를 진행하였다. 불교란시료는 상부 전답토층(0.0~1.5m)을 제외한 나머지 지층에서 각각 채취하였으며, 충적층 구간인 심도 2.0~15.0m까지 1~2m 간격으로 기존샘플러 10회(BH-2), 개발된 샘플러 10회(BH-3), 총 20회 채취하였다. Fig. 4는 BH-1위치에서 실시한 표준관입시험에 따른 시추 주상도를 나타낸다. 지표면에서 1.5m부분까지 전답토층이며 이후 27m 부근까지 점토 퇴적층으로 구성되었다. 또한, SPT-N값이 거의 0에 가까울정도로 매우 연약한 지반으로 구성되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
기존샘플러의 시료회수 방법은 셸비튜브 샘플러를 이용하였으며, 황동관과 샘플러의 헤드를 연결하여 유압시추기의 하중을 이용하여 시료채취를 수행하였고, 이때 회수율은 75~87%로 확인되었다(BH-2). 개발된 샘플러는 목표 심도까지 케이싱 인입 후 AW사이즈 롯드와 연결된 샘플러를 지중으로 인입후, 유압시추기 하중을 이용하여 시료채취를 수행하였다. 시료채취 수행 후, 수압을 이용하여 샘플러 마개를 하향 이동시켜 캐쳐의 톱니부분을 안쪽으로 휘게 만들어 시료의 탈락을 방지하였다(Fig. 5). 개발된 샘플러의 시료채취 전, 후 작동 및 선단부 모습은 Fig. 6과 같다.
개발된 샘플러를 이용한 현장 시료채취 회수율은 81~87%로 확인되었다(BH-3). 현장적용 위치의 퇴적층은 모래섞인 점토(CL)가 분포하고 있어 쉘비튜브샘플러와 개발된 샘플러의 회수율이 큰 차이는 보이지 않으나 개발된 샘플러의 회수율이 기존 샘플러보다 높은 것으로 확인되었으며, 느슨한 사질토의 경우에는 회수율 격차가 더 크게 나타날 것으로 판단된다.
Fig. 7 및 Table 1은 현장에서 채취한 시료의 물성시험결과를 나타낸다. 입도분포 곡선 및 물성시험 결과를 보면 모든 시료가 OH로 분류되긴 하나 두 샘플링 위치 간 거리가 5m에 불과함에도 14~16m 이외의 5~7m 및 8~10m의 경우 동일하지 않은 시료인 것으로 나타났다. BH-3에 비해 BH-2에서 채취된 시료가 좀 더 세립분을 많이 포함하고 있는 것으로 나타났다.
Table 1.
Properties of samples
3.2 컴퓨터단층촬영
본 연구에서는 컴퓨터단층촬영(X-ray Computed Tomography, CT)을 통해 현장에서 두 가지 방식으로 채취한 시료의 상태를 평가하였다. X-ray촬영은 물체의 밀도차이를 이용하여 해당 밀도의 차이를 회색조값으로 변환하여 내부 구조를 가시화할 수 있다. CT는 나노미터에서 미터단위까지 넓은 범위에 걸쳐 다양한 물질의 내부구조를 가시화 하는데 큰 장점이 있어 널리 활용되어왔다(Sun et al., 2012; Cnudde et al., 2013). 특히 CT는 건설재료의 공극 및 균열을 정량적으로 분석하는데 자주 활용되었다(Zhuang et al., 2020; Zhuang et al., 2022). 본 연구에서 사용한 장비는 한국건설기술연구원에서 보유한 산업용 멀티튜브 X-ray CT 장비이며 대상시료에 사용된 X-ray tube는 최대 관전압 320kV를 가진다. 최적의 해상도를 가진 영상을 획득하기 위해 촬영 조건을 Table 2와 같이 설정하였다.
Table 2.
Details of exposure conditions
| Voltage | 220 kVp |
| Current | 0.7 mA |
| Dimension (voxels) | 1024 × 1024 × 1024 |
| Pixel pitch | 0.10173 mm |
| Number of projections | 1200 |
현장에서 채취한 시료는 두 가지 방식으로 CT촬영을 진행하였다. 먼저 황동관에 밀봉된 상태에서 촬영 전 하단에서 약 15cm를 절단 후 CT촬영을 진행한 방식과 황동관에 밀봉된 약 80cm의 시료를 그대로 촬영하는 방식을 사용하였다. CT촬영 결과는 Fig. 8과 같이 연직(A-A단면) 및 수평방향(B-B단면)으로 절단하여 확인하였다. Fig. 9 및 Fig. 10는 심도 5~7m에서 채취한 BH-2 및 BH-3시료의 CT촬영 결과이다. Fig. 9의 결과를 보면(A-A단면) 새롭게 개발한 샘플러를 사용한 경우 균열이 거의 없는데 반해 기존 샘플링 방식의 경우 내부에 상당한 균열이 발생한 것을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 B-B단면에서도 확인 할 수 있다(Fig. 10). Fig. 11은 심도 14m에서 채취한 시료의 결과를 나타낸다. 두 시료 모두 상당히 많은 균열이 보이나, BH-2의 경우 수평방향으로 균열이 발달해 있는데 반해 BH-3의 경우 수직방향으로 균열이 발달한 것을 알 수 있다. 이는 새롭게 개발한 샘플러의 경우 샘플러 선단에서 시료를 가두는 효과를 냄으로써 시료이탈을 최소화하여 수직방향으로 작용하는 힘에 따른 균열 발생이 억제된 것으로 생각된다.
앞서 설명한 심도 5~7m 및 14m의 경우 시료의 일부를 커팅하여 CT촬영을 수행하였기 때문에 이에 따른 균열이 발생했을 가능성이 있다. 따라서 심도 2~3m시료에 대해 샘플링 후 밀봉한 상태 그대로 CT촬영을 추가적으로 진행하였고, 그 결과는 Fig. 12와 같다. 결과를 보면 두 시료 모두 내부에 공극이 상당히 있는 것을 알 수 있다. 두 시료의 가장 큰 차이점은 BH-2의 경우 중간부분에 수평방향의 큰 균열이 발생한데 반해 BH-3의 경우 이와 같은 수평방향 균열은 확인되지 않았다. 하지만, 두 시료 모두 내부에 공극 및 작은 균열이 상당히 많아 샘플링 방식의 영향인지에 대한 판단을 내리기엔 어려움이 있다. 다만, 새롭게 개발한 샘플러의 경우 메커니즘 상 수평방향 균열의 발생을 상대적으로 억제할 가능성이 높고, 본 연구에서 확인한 샘플링 결과에서는 그 가능성이 확인되었다.
3.3 실내실험
본 연구에서는 샘플링한 시료의 역학적 특성을 비교하기 위해 압밀시험 및 전단시험을 수행하였다. 앞선 절에서 언급했던바와 같이 시추간격이 5m에 불과함에도 불구하고 BH-2와 BH-3의 물성치가 상이한 지층이 많았기 때문에 물성치가 거의 동일했던 심도 14m에 대해서만 결과를 비교하였다. Fig. 13 및 Fig. 14는 BH-2 및 BH-3의 압밀시험 및 전단시험 결과를 나타낸다. 압밀시험 결과를 보면 초기 간극비는 BH-2가 약간 큰데 반해 압밀 후 간극비 및 제하에 따른 간극비는 거의 유사한 것을 알 수 있다. 또한 심도 14m에서의 유효응력에 해당할 것으로 보이는 100~200kPa 범위에서의 간극비는 거의 동일하다. 이를통해 BH-2의 경우 시료 채취시 응력해방 및 선단부가 고정되지 않은 영향으로 밀도가 다소 낮아져 간극비가 커졌을 가능성이 있다. 초기 간극비의 변화에 따른 영향은 Fig. 15의 전단시험 결과에도 나타난다. 두 시료의 전단시험 결과는 거의 유사한 값을 나타내고 있으나 최대전단응력만으로 비교해 보면 BH-3이 BH-2보다 최대전단응력이 약 9% 가량 큰 것을 알 수 있다. 이러한 차이는 시료 채취시 선단부가 중력방향으로 빠지려 하는 영향으로 인해 간극비가 커지면서 시료의 교란이 발생한 영향으로 추측된다. 특히 압밀시험 결과에서 초기 간극비가 다소 차이가 있더라도 유효응력 100kPa이상에서 거의 유사한 간극비를 나타내는데 반해 전단시험 결과를 보면 100kPa 및 150kPa의 구속압하에서 BH-3가 BH-2보다 최대전단응력이 큰 것을 알 수 있다. 이는 동일한 간극비임에도 불구하고 새롭게 개발한 샘플러를 사용한 경우 시료교란을 기존 샘플러에 비해 줄일 수 있다는 것을 시사한다.
4. 고찰 및 결론
본 연구에서는 인발시 시료이탈을 최소화 하기 위해 새롭게 개발한 샘플러(BH-3)의 시료채취 성능과 기존 샘플러(BH-2)와의 차이점을 CT촬영 및 실내실험을 통해 검토하였다. 현장에서 채취한 시료의 CT촬영 결과 새롭게 개발한 샘플러의 경우 기존 샘플러에 비해 시료채취 시 수평방향으로 발생하는 균열이 억제되는 것이 확인되었다. 이는 새롭게 개발한 샘플러의 경우 선단부에 설치된 캐쳐가 연직방향의 시료이탈을 억제하기 때문으로 보인다. 이러한 경향은 실내실험결과에서도 확인할 수 있었다. 압밀실험결과 심도 14m에서 채취한 시료의 경우 기존 샘플러가 새롭게 개발한 샘플러에 비해서 초기 간극비는 다소 크지만, 압밀응력이 증가함에따라 거의 동일한 간극비를 나타내는 결과로부터 샘플링 방식에 따라 초기 간극비 차이가 발생했다고 추측 할 수 있다. 또한, 전단시험 결과를 보면 동일한 구속압 상태에서 새롭게 개발한 샘플러가 쉘비튜브샘플러에 비해 최대전단응력이 큰 것으로 나타났다. 이를 통해 새롭게 개발한 샘플러의 경우 시료 채취시 선단부를 감싸안아 시료의 이탈을 방지하지만, 기존 샘플러는 시료 이탈을 방지하지 못하기 때문에 중력방향으로 시료가 빠지려는 영향으로 간극비가 커지고 시료의 교란이 발생했다고 판단 할 수 있다.
본 연구결과는 하나의 현장에 대해서 기존 샘플러와 새롭게 개발한 샘플러를 비교한 한계가 있다. 다만, 샘플러 선단에 설치된 캐쳐가 실제 샘플링시 교란을 억제하는 유효한 효과가 있다는 것이 확인되었기 때문에 다른 토질에 대해서도 유사한 결과가 도출될 것으로 예상된다. 특히 기존 샘플러로는 불교란시료의 채취가 어려웠던 사질토에 대해서도 새롭게 개발한 샘플러를 통해 충분히 불교란 시료 채취가 가능할 것으로 기대된다. 따라서 추후 사질토로 이루어진 현장에 대해서도 검증이 필요하다.
