Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. 30 September 2024. 31-42
https://doi.org/10.12814/jkgss.2024.23.3.031

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 실험 방법

  •   2.1 풍동 장비

  •   2.2 시료 및 소일박스

  •   2.3 MICP 약액 처리

  •   2.4 풍동 실험과 침식성 정수 산정

  •   2.5 고결도 평가

  • 3. 실험 결과

  •   3.1 육안 관찰

  •   3.2 풍속과 침식률의 관계

  •   3.3 고결도와 강도

  • 4. 고 찰

  • 5. 결 론

1. 서 론

해빈은 바다와 육지가 접하는 곳으로 바람과 파랑의 영향을 받는 영역이다. 해빈 중 주로 모래가 쌓여있는 곳을 해안사빈이라고 한다. 해안사빈의 배후에 일반적으로 해안사구가 나타나는데, 해안사구는 해안사빈의 모래가 바람에 의해 운반 및 퇴적되어 형성된 모래언덕의 지형을 뜻한다. 즉, 해안사빈은 파랑, 해안사구는 바람의 퇴적작용으로 형성된다. 해안사빈과 해안사구는 해안지역에서 가장 활발한 에너지 교환이 이루어지는 곳이다(Bird, 2000; Davidson-Arnott, 2010). 해안사구는 특정 시기에 따라 침식과 퇴적이 반복되어 지속적인 모래의 교환이 이루어지며, 그 수준은 풍력의 크기에 영향을 받는다(Yu and Rhew, 2007; Kang, 2011). Park et al.(2017)에 따르면 국내에는 189개의 해안사구가 존재한다. 해안사구는 육지와 바다 사이의 퇴적물 양을 조절하며 해안을 보호하는 특징을 가지고 있다. 내륙과 해안의 생태계를 이어주는 교량 및 완충 기능을 하고 있으며, 자연재해로 인한 피해를 줄여주고 침식으로부터 스스로 회복되는 특징을 가지고 있어 자연 방파제라고 불린다(Shin, 2009; Rhew and Kang, 2023). 하지만 1940년부터 1960년에 조사된 해안사구의 면적과 2017년 자료를 비교해 보면 약 79.4km2에서 50.4km2로 줄어들어 36.5% 가량 면적이 감소한 것으로 나타났다(Kang et al., 2017).

해안지역을 보호하기 위한 호안공법 중에서는 강성공법과 연성공법이 있다(Boswood and Murray, 2001). 방파제와 같은 인공 구조물을 설치하는 방법을 강성공법이라 하며, 비구조적인 형식의 공법을 연성공법이라고 한다(Kong et al., 2018). 강성공법은 해안에 구조물을 설치하여 해안에 작용하는 파력을 감소시키기 위한 목적으로, 해안선 후퇴를 방지함으로써 해안을 구조적으로 보호하는 방식이다. 그러나 침식의 위치 변화 및 모래 퇴적 부족 등으로 인한 제 2차 침식 발생, 자연경관 훼손, 온실가스의 배출 등으로 인해 친환경적이지 못하다는 단점을 가지고 있다(Choi et al., 2017). 연성공법은 양빈, 식생, 지하수위의 조절 등을 활용하여 자연경관의 훼손이 적은 장점을 가지고 있다. 그러나 효과가 일시적이므로 유지 및 관리에 대한 지속적인 비용이 발생한다.

현재 국내에서 해안사구의 침식을 저감하기 위해 대표적으로 모래포집기라는 강성공법을 적용하고 있다. 이 방법은 침식이 발생하는 해안사구에 모래퇴적을 유도하여 침식된 해안사구를 복원하는 방법이다. 모래포집기는 대나무 등을 엮어 만든 약 1.2m 높이의 울타리로 갈지자(之)로 설치하고 바람에 의해 수송된 모래가 울타리에 걸려 퇴적을 유발하는 원리이다. 국립공원공단(Korea National Park, 2021)에 따르면 약 20년간(2001-2021) 모래포집기를 설치하여 태안해안국립공원 해안사구 14곳을 복원하여 약 6.6ha의 면적을 확보하였으며, 향후 2025년까지 전국 해상 및 해안의 국립공원 해안사구를 지속적으로 복원할 목표를 가지고 있다. 또한 최근에는 고분자 합성 섬유를 재질의 투수성을 가진 포대 내에 모래나 준설토 등을 채워 넣은 해안침식방지용 지오튜브(Geotube) 공법이 도입되어 성과를 거둔 사례가 있다(Shin et al., 2004; Yoon et al., 2015). 지오튜브 공법은 현장재료를 바로 사용할 수 있으며, 공사기간 및 공사비용이 적게 소요된다. 설치 및 철거가 편리하며, 유지 관리가 용이한 친환경적인 공법이다. 그러나 지오튜브는 자외선 또는 외력에 의해 품질이 열화되어 파열 및 변형이 발생할 수 있다.

국내외에서 친환경 및 경제적인 지반 공학 기술로서 미생물을 활용한 지반개량 연구가 주목받고 있다(Ki et al., 2013). 그 중 '미생물을 활용한 탄산칼슘 형성(microbially induced carbonate precipitation, MICP)' 기술이 있다(Lee, 2013). 미생물이 요소(CO(NH2)2)를 가수분해하는 과정을 통해 암모늄 이온과 탄산 이온이 만들어지는데, 형성된 탄산염에 칼슘 이온을 추가하면 탄산칼슘(CaCO3)이 형성된다(식 (1)).

(1)
CO(NH2)2+2H2O2NH4++CO32-Ca2++CO32-CaCO3

이 반응을 지반 내에서 유도하면 생성된 탄산칼슘이 흙 입자간의 고결을 유도하여 지반의 강도와 강성이 향상된다. MICP 기술은 합성시멘트를 필요로 하지 않으며, 요소 및 칼슘 그리고 미생물 배양액만을 필요로 하여 친환경적인 성격을 띠고 있다. MICP 약액은 물과 비슷한 수준의 점성을 가지고 있어 지반에 약액을 살포할 경우 땅속으로 쉽게 침투하여 적용하기 유리하다. 따라서 MICP 살포 시 표면의 강도 증진이 가능하다(Choi et al., 2016).

해당 기술을 해안사구의 침식 저항성 증진 목적으로 활용해 볼 수 있다. Wang et al.(2021)은 해안지역의 모래제방을 묘사한 후, MICP 기술을 활용하여 낙하하는 물에 의해 발생하는 침식 및 세굴에 대한 연구를 진행하였다. MICP 처리주기가 증가할 때마다 평균 탄산칼슘 형성량이 비례하는 것과 침식 저항성이 개선된 것을 확인하였다. Kou et al.(2020)은 수로 실험과 침관입시험을 통해 무처리 모래에 비해 MICP 처리한 모래의 침식 저항성이 증가함을 확인하였다. 그리고 MICP 처리 후 탄산칼슘의 질량 비율에 따라 비선형적으로 침식 저항성이 향상되는 것을 확인하였다. Tian et al.(2022)은 MICP 기술을 적용한 경사면에 강우가 발생할 경우 강하하는 물에 발생하는 침식에 대해 실내 실험을 통해 확인하고자 하였다. MICP 약액의 농도가 높아질수록 탄산칼슘 형성량이 증가하였고 그 결과, 투수계수가 균일하게 감소하는 경향을 확인하였다. MICP 약액 처리 후 경사면의 시료 손실은 무처리 시료에 비해 손실이 적으며, 입자간의 고결력이 강화된 것을 확인하였다. 이를 통하여 MICP 기술이 물에 의한 경사면의 침식 저항성이 향상됨을 확인하였다. Tsai et al.(2022)은 MICP 기술을 적용한 모래의 침식 저항성을 확인하기 위해 일축압축실험 및 수로 실험을 진행하였다. 일축압축실험을 통해 농도가 증가함에 따라 일축압축강도가 증가함을 확인하고, 수로실험을 통해 MICP 약액 처리 횟수가 높을수록 유수에 의한 침식 저항 효과가 더 높게 나타남을 확인하였다.

Kim and Do(2021)은 무처리 시료와 MICP 약액 처리한 모래의 비산성을 비교하였는데 MICP 처리한 모래의 비산성이 저하됨을 확인하였다. Chae et al.(2021)은 모래에 0.25M 및 0.1M의 MICP 약액을 처리한 후 15m/sec의 풍력을 시료에 가했을 때, 시료의 손실이 거의 발생하지 않은 것을 확인하였다. 대부분의 MICP 기술의 침식 저항성 증진 연구는 대부분 물에 의한 침식을 연구하였고, 풍력에 의한 침식 연구는 부족한 것으로 파악되었다.

본 논문에서는 모래에 대하여 풍동 실험을 수행하여 MICP 처리된 모래 시료와 무처리 시료의 풍력에 의한 침식 저항성에 대해 평가하고자 하였다. 침식 정도를 파악한 후, 침식성 정수를 도출하였다. 또한 탄산칼슘 형성량과 침식 저항성과의 관계성을 파악하였다. 물에 의한 침식과 바람에 의한 침식에 차이가 있는 것을 확인하고 보정계수를 제안하였다.

2. 재료 및 실험 방법

2.1 풍동 장비

해안사구에 적용하는 풍력을 표현하기 위하여 개방형 풍동 장비(가로 2m × 세로 0.5m × 폭 0.5m, WP-10, 이노사이언스)를 사용하였다(Fig. 1). 모터 팬(motor fan)이 작동하면 공기주입부(air-inlet section)에서 공기가 주입된다. 전원공급 장치(power supply)에는 조그 다이얼이 있어 모터 팬의 RPM을 조절하여 0-22.67m/sec 수준의 풍속 재현이 가능하다. 정류기부(refining section)에는 벌집모양의 정류격자가 있어 주입된 공기의 와류를 억제하고 안정화된 정상류를 유도한다. 실험부(test section) 하부는 소일박스(soil box)가 위치할 수 있게 뚫려있으며 상부는 풍속 측정을 위한 구멍을 뚫려있다. 실험부는 실험 과정을 확인할 수 있도록 투명 아크릴판으로 제작되었다. 실험부에서 열선형 풍속측정기(CTV210 BOS-R, Sauermann Industrie, 프랑스)를 이용하여 실험 전 조그 다이얼 수치에 따른 풍속을 사전 조사하였다. 무처리 또는 MICP 약액 처리 된 모래가 소일박스에 준비되면 소일박스를 리프터 위에 둔 후 리프터를 이용하여 위치를 조절할 수 있게 하였다. 3D 스캐너(Gocator 3520, 크레아텍)가 실험부 위에 위치하고 있어 실험부 상판을 분리하여 실험 전후를 비교하여 침식 정도를 확인할 수 있도록 하였다.

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Fig. 1.

Wind tunnel used in this study

2.2 시료 및 소일박스

본 연구에서는 모래의 대표성과 향후 추가 실험에 대한 반복성을 위하여 표준사를 선택하였다. 주문진 표준사의 비중(Gs)은 2.63, 균등계수(Cu)는 1.3, 곡률계수(Cc)는 1.03이다(Yeon, 2015; KS F 2308, 2022). 통일분류법에 의해 SP(입도 분포가 불량한 모래질 흙)로 분류되며, 평균입경(D50)은 0.47mm, 최대 간극비(emax)는 0.94, 최소 간극비(emin)는 0.66이다. Ghasemi et al.(2024)은 MICP 처리된 해안사구의 파랑에 대한 침식 저항성을 파악하기 위하여 미국 Oregon 주 Newport 해안의 모래를 사용하였으며 D50 = 0.18mm, SP였다. 국내 연구자료에서 해안 사질토 지반을 모사하기 위하여 표준사 및 SP 토질을 이용하는 것을 보았을 때, 해안사구 모사를 위한 표준사는 연구적으로 선택할 수 있다고 판단하였다(Park et al., 2011; Kang et al., 2013; Pyo et al., 2018).

소일박스는 실험 조건상 상부 1cm만큼 노출시켜야 하기 때문에 레이어 형식으로 제작하였다(Fig. 2). 레이어는 두께 2mm, 가로 150mm, 세로 120mm이며 중앙에 시료를 넣기 위해 가로 100mm, 세로 100mm의 구멍이 뚫려있다. 레이어 40개를 쌓아 8cm 높이를 준비하였다. 여러 레이어를 원위치 시킬 수 있도록 밑받침이 있다. 밑받침에는 배수 구멍이 있어 약액 처리 시 중력 배수가 가능하도록 하였다. 밑받침에는 거즈를 두어 배수 구멍을 통한 시료 유실을 방지하였다. 또한 레이어 전후 여백에 지름 10mm의 원형 구멍이 뚫려있는데, 이 구멍에 2mm 높이의 자석을 넣어 레이어의 위치를 유지시키고 레이어 제거 시 함께 제거하도록 하였다.

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Fig. 2.

Soil box system used in the tests

시료 조성 시 표준사를 3회로 분할하고 다짐하여 소일박스를 채웠다. Gao et al.(2019)은 다양한 상대밀도에서 MICP 처리된 모래의 강도를 삼축압축시험으로 평가하였다. 실험 결과 상대밀도가 높을수록 고화 효율이 높아졌고, 그 결과 강도도 높게 측정됨을 파악하였다. 본 연구는 풍력에 의한 MICP 처리 모래의 침식 거동을 분석하고자 하는 기초 연구로서, 그 가능성에 집중하기 위하여 MICP 처리 효율이 높은 초기 지반 상태를 모사하고자 하였다. 조성된 시료는 평균적으로 건조단위중량(γd)은 1.52g/cm3, 초기간극비(e0)는 0.7, 간극률(n)은 41.19%, 상대밀도(Dr)는 85.56%로 계산되었다.

2.3 MICP 약액 처리

MICP 약액은 배양된 미생물액과 고결액으로 구성된다. 본 연구에 사용한 박테리아는 생물자원센터에서 분양 받은 Sporosarcina pasteurii(KCTC 3558)를 이용하였다. 박테리아는 성장배지에 배양시켰다. 성장배지는 트리스 완충액 15.79g/L, 황화암모늄 10g/L, 효모 추출물 20g/L를 탈염수(deionized water, DW)에 넣어 제조한다. 진탕배양기(HSSI-100, 신안)로 30℃와 200rpm 조건으로 배양하였다. 배양은 600nm 파장에서의 광학밀도(OD600)가 1.8이 될 때까지 배양하였다(BKV-1000 VIS, 컨비젼). 배양이 완료되면 코니칼 튜브에 소분하여 원심분리기(Centrifuge 5810, Eppendorf, 독일)로 4000rpm, 15분의 조건으로 원심분리를 수행한다. 원심분리를 통해 코니칼 튜브 하부로 미생물이 분리되면 성장배지와의 접촉 면적을 줄여 활동성을 낮출 수 있다. 또한 사용된 성장배지와 배양된 미생물을 분리한 뒤 상등액을 새 성장배지로 교체하여 저장 수명을 늘릴 수 있다. 따라서 원심분리가 종료 후 상등액을 새 성장배지로 교체한 뒤 냉장 보관하였다. 배양된 미생물을 미생물액(Biological solution, BS)이라하며, 탈염수에 등몰의 요소(CO(NH2)2)와 염화칼슘 2수화물(CaCl2·2H2O)을 혼합한 것을 고결액(Cementation solution, CS)이라고 한다.

소일박스에 대한 MICP 약액처리는 고결액의 농도(0.5M) 및 처리횟수(1일동안 1회처리, #1/1, 2일동안 2회처리, #2/2)에 따른 고결화 정도를 확인하고자 하였다. MICP 약액의 처리는 BS와 CS를 1:5 비율로 55ml, 275ml만큼 섞은 뒤 모래 표면에 살포하고, 중력배수를 통해 소일박스의 상부에서 하부로 침투시키는 표면 살포법(surface percolation method)을 이용하였다(Do et al., 2019). 시료의 표면 변형을 보호하기 위해 메쉬에 거즈를 겹쳐 표면 위에 위치시킨 후 약액을 살포하였다. 본 연구에서는 약액은 총 330ml 살포하였는데, 이는 소일박스 내 시료의 간극의 부피(1 pore volume, 1PV)인 330cm3을 의미한다. 살포된 약액은 모래의 침투율(infiltration rate)에 따라 하부로 중력배수된다. 살포에 소요된 시간은 약 2분 가량 소모 되었다. 소일박스에 약액 처리가 끝난 후 약 24시간 뒤 증류수로 충분히 씻어내었다. 충분한 건조 상태를 모사하기 위하여 상온기에 약 40℃에서 약 일주일 간 건조시켰다.

2.4 풍동 실험과 침식성 정수 산정

소일박스의 무처리 또는 약액 처리된 모래를 풍동 장비에 위치시킨다. 이후 풍동실험을 통하여 풍속을 변경하며 침식 거동을 평가한다. Temple(1992)은 침식 거동을 식 (2)로 표현하였다.

(2)
εr=kd(τi-τc)α

여기서, εr는 침식률(erosion rate, mm/hr), kd는 침식성 계수(erodibility coefficient, mm/hr·Pa), τi는 풍력에 의한 작용전단응력(applied shear stress, Pa), τc는 한계전단응력(critical shear stress, Pa), α는 토질별 지수(exponent)이다. εr은 시간당 침식 정도를 의미한다. 이는 실험 관측 결과를 이용하여 산정한다. τc는 침식이 발생하기 시작하는 최소 τi를 의미한다. 따라서 τi가 τc보다 높은 경우에만 침식이 발생한다. τi는 공기의 밀도(ρ = 1.2kg/m3)에 작용 풍속(v)을 제곱하여 계산한다(= ρv2). kd는 τi와 εr의 관계에서 기울기를 의미하며, 높을수록 Δτi에 따른 Δεr가 높다는 것을 의미한다. α는 침식 패턴을 의미하는 것으로 모래는 일반적으로 1, 즉 선형성을 보인다. α>1은 한번 침식이 발생하면 급격한 침식을, α<1의 경우 둔감한 침식을 의미한다. 따라서 εr와 τi는 침식 변수, τc, kd, α는 대상 시료에 따른 침식성 정수(erodibility parameters)가 된다.

풍속이 1차원적으로 시료의 전면부에서 후면부로 흘러가므로 바람의 진행 방향, 즉 x축의 측정 위치에 따른 풍속 파악이 필요하였다. 따라서 시료 전면부(x = 0cm), 중앙부(x = 5cm), 후면부(x = 10cm)에 대한 풍속을 측정하였다. 또한 풍동 통로의 진행 방향 z축에 해당하는 풍력의 변화를 파악하고자 높이별로 풍속을 측정하였다. 풍속 v = 5.41, 10.1, 14.08m/sec에 대하여 측정 결과는 Fig. 3a와 같다. 폐쇄형 유로의 경우 이론적으로 상하 경계면, 즉 z = 0cm와 10cm에서 벽면 마찰에 의해 v = 0m/sec의 값을 가지며 중앙부에서 최대값으로 타원형을 보인다. 하지만 측정값은 이론적 경향과 상이한 값을 보였다. 이는 난류로 인한 영향으로 판단됨으로 레이놀즈 수(Re = vL/ν)를 통해 바람의 흐름 상태를 확인하고자 하였다. 풍속(v)은 6.65m/sec, 풍동장비의 실험부의 길이(L) 0.1m, 동점성 계수(ν)는 표준대기조건인 1.5*10-5m2/sec를 사용하여 Re를 구하였다. v = 6.65m/sec는 무처리 시료에 대해 침식이 발생하는 최소 풍속을 의미한다. Re는 44333.33로 난류(Re > 4000)로 확인되었다.

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Fig. 3.

Velocity profiles in wind tunnel

각각의 x지점에서 측정해본 결과 시료표면에서의 풍속의 차이는 크게 나타나지 않았다. 따라서 본 실험에서는 풍속의 대표성을 고려하여 중앙부(i.e., x = 5cm)와 하단부 측정한계인 z = 0.5cm, 즉 (x, z) = (5cm, 0.5cm)의 값을 전단응력 계산에 사용하였다. 측정값을 바탕으로 모터의 다이얼 수준에 따른 해당 풍속을 관계시키고 보정곡선을 도출하여 이 곡선을 실험에 사용하였다(Fig. 3b). 예비 실험을 통하여 작용 풍력에 대한 특성을 먼저 파악하였다. 기본 면적인 10cm × 10cm에서는 지표면에서 최대 14.14 m/sec의 풍속이 측정되었다. 이때, 실험에서 풍속을 더 높게 재현하기 위해 풍동의 실험부 양쪽 3.5cm씩 총 7cm를 줄여 3cm × 10cm로 개조하였다. 개조된 면적에서 최대 22.67m/sec의 풍속이 재현됨을 확인하였다.

사구에서 모래가 이동하기 위한 풍속은 약 4-5m/sec이며, 모래입자를 보다 빠르게 이동시키기 위해서는 풍속이 약 20m/sec 수준을 넘어야 한다(Bagnold, 1954; Pethick, 1984). 본 실험에서는 0-22.67m/sec 수준의 풍속 재현이 가능함으로 모래입자를 이동시킬 수 있는 기존연구의 풍속 조건이 성립한다고 판단하였다.

εr의 계산은 시간당 침식된 시료 표면의 평균 높이 변화로 계산한다. 실험 전 풍동 실험부 상부에 위치한 3D 스캐너를 사용해 시료 표면을 스캔한다. 실험 후 같은 위치에서 재스캔한다. 스캔은 시료 표면의 (x, y, z) 좌표계를 제공하는데, 측정된 z 좌표를 평균하여 시료의 평균 높이를 계산하였다. 따라서 실험 전후의 평균 높이 변화(Δz)로 침식 깊이를 계산하고 실험에 소요된 시간을 나누어 εr을 계산하였다.

2.5 고결도 평가

소일박스에서 MICP 처리된 모래의 표면 강도를 측정하기 위해 침관입시험기(SH-70, Maruto Testing Machine Company, 일본)를 사용하였다. 침관입시험기의 관입침이 시료의 표면에 수직이 되도록 위치시킨 후 10mm만큼 관입되었을 때의 관입깊이(D)와 관입력(F)을 이용해 침관입지수(Needle Penetration Index, NPI, F/D)를 산정한다. 계산된 NPI는 경험식, 식 (3)을 통해 일축압축강도(UCS, MPa)로 환산된다(Maruto Testing Machine Company, 2006).

(3)
logUCS=0.978logNPI+2.621

NPI 측정이 종료된 시료는 탄산칼슘 형성량(mc, %)을 측정하였다. MICP는 표면처리기술로서 약액 처리 시 시료의 높이에 따라 비균일성을 보인다(Kim and Do, 2023). 그러므로 높이별 비균일성을 정량화하기 위해 1cm 간격의 높이별로 시료를 채취한 후 염산 세척(acid washing)을 실시하였다. 표면 이하 약 5mm의 시료 채취 후 1cm 간격으로 샘플을 채취하였다. 그리고 표면을 채취하였다. 이후 1M의 염산을 이용한 세척으로 형성된 탄산칼슘을 녹인다. 염산 세척 전후의 질량 비교를 통해 모래당 탄산칼슘 형성량을 비율(%)로 계산하였다.

3. 실험 결과

3.1 육안 관찰

Fig. 45는 왼쪽에서부터 풍동 실험 전 3D 스캐너 스캔 이미지, 종료 이후의 스캔 이미지, 그리고 실험 후 찍은 사진을 나타낸다. Fig. 4(c)의 등고선은 시료의 침식 정도를 나타낸다. 흰색은 시료의 표면의 높이가 제일 높고, 아래 색으로 내려갈수록 시료 표면의 높이가 낮아지는 것을 나타낸다. Fig. 4에서 풍속 ~14m/sec의 동일한 풍속이 가해질 때, 무처리 시료에 비해 #1/1 시료, #2/2 시료가 상대적으로 더 적은 침식이 일어난 것을 확인할 수 있다. #1/1 시료는 #2/2 시료에 비해 침식이 더 발생하였다. 이를 통해 흙 입자 간의 고결화가 진행되었으며, 이는 풍력에 의한 저항성을 가진다는 것을 확인 할 수 있다. 육안상으로 #2/2 시료는 본 실험의 풍동실험에서 가할 수 있는 풍속의 범위 내에서 침식이 발생하지 않았다.

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Fig. 4.

3D scan images and photos before and after test at v = ~14 m/sec

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Fig. 5.

3D scan images and photos before and after test at v = ~22m/sec (Refer to the legend in Fig. 4)

Fig. 5는 풍속 22.67m/sec를 가했을 때, #1/1 시료와 #2/2 시료를 나타낸다. #1/1 시료가 #2/2 시료에 비해 더 많은 침식이 발생한 것으로 보인다. #1/1 시료에서는 Fig. 4b와 같이 침식 이후 부분 고화된 덩어리가 형성되었으며, 풍력이 높아짐에 더 많은 침식이 발생한 것으로 보인다. #2/2 시료에서는 Fig. 4c와 같이 본 실험에서 가할 수 있는 풍속 범위 내에서는 침식이 발생하지 않았다. 이를 통해 약액 처리 횟수가 증가할수록 침식 저항성이 증가하게 되는 것을 확인하였다.

3.2 풍속과 침식률의 관계

풍동 실험에 의해 발생된 침식률과 작용한 풍속의 관계를 Fig. 6에 표현하였다. 실험 결과 무처리 시료는 v = 6.65m/sec 부근부터 침식이 발생하기 시작한다. 이후 풍속의 증가에 따라 침식률 또한 선형적으로 증가하는 것을 파악할 수 있다. #1/1 시료의 경우 v = 12.32m/sec 부근에서 침식률의 증가가 시작된다. 이후 무처리 시료와 마찬가지로 풍속의 증가에 따라 선형적으로 침식률이 증가하는 것을 관측하였다. εr-v의 관계에서 기울기는 침식되는 속도를 의미한다. 무처리 시료와 #1/1 시료는 침식이 발생하고 기울기에서 큰 차이는 보이지 않았다. MICP 2회 처리 시료의 경우 주어진 풍속 범위인 0-22.67m/sec에서는 침식이 발생하지 않았다. 따라서 약액 처리 횟수의 증가, 즉 고결화 유발요인이 높아질수록 침식 저항성이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 6.

Erosion rate - wind velocity relationships

3.3 고결도와 강도

Fig. 7은 소일박스의 높이에 따른 mc을 나타내고 있다. 시료의 표면에서는 #1/1 시료와 #2/2 시료에 대해 각각 0.69%, 1.6%으로 나타났다. mc는 표면에서부터 2-3cm 부근까지 점차 증가하다가 3-4cm 부근에서 가장 높은 값을 보인다. 이 깊이에서의 mc는 #1/1 시료 1.21%, #2/2 시료 2.58%로 나타났다. 하부 0-4cm에서는 점차 mc가 감소하는 추세를 보인다. MICP 처리 방법은 표면 살포식을 바탕에 두고 있으므로 깊이별 상이한 고결도 수준을 보였다.

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Fig. 7.

CaCO3 profiles along with depth in soil box

Fig. 8은 NPI를 UCS으로 변환시킨 값과 mc의 관계를 표현하고 있다. 선행연구와의 연속성 확인을 위하여 Kim and Do(2023)의 데이터를 함께 표현하였다. 침관입시험은 1cm 관입될 때의 저항력을 측정한 것이므로 표면에서부터 깊이 1cm 범위의 mc를 대응시켜 표현하였다. 비교를 위하여 같은 용매(탈염수), 같은 농도(0.5M)이면서 MICP약액 6일 6회 처리(#6/6) 및 12회 6일처리(#12/6) 시료를 선택하였다. 평균 UCS는 #6/6 = 2.68MPa, #12/6 = 7.86MPa이었으며, 평균 mc는 #6/6 = 7.75%, #12/6 = 10.56%이었다. UCS값은 #12/6시료가 #6/6시료보다 약 2.93배, 탄산칼슘 형성량은 1.37배 더 높게 나타났다. 이와 같이 본 연구에서도 유사한 경향을 보였다. 평균 UCS는 #1/1 = 0.03MPa, #2/2 = 0.48MPa이며, 평균 mc는 #1/1 = 0.86%, #2/2 = 2.02%이다. #2/2 시료가 #1/1 시료에 비해 UCS는 약 14.82배, 탄산칼슘 형성량은 약 2.35배 더 높게 나타났다. 따라서 처리 횟수와 침관입저항성 및 탄산칼슘 형성량이 비례하는 경향을 보인다는 것을 유추할 수 있다. #2/2 시료의 경우 mc = ~2%임에도 불구하고 v = 22.67m/sec에서 침식이 발생하지 않은 것으로 나타났다(Fig. 6). 이는 낮은 수준의 mc도 상당한 수준의 침식 저항성이 발현된다는 것을 보여준다.

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Fig. 8.

UCS by NPI with mass of CaCO3

4. 고 찰

Fig. 6의 데이터를 ρv2를 이용하여 작용전단응력(τi)으로 표현 가능하다. 하지만 변환 후 한계전단응력(τc)을 계산해보면 무처리 시료는 58.54Pa, #1/1 시료는 161.83Pa이 나온다. 이는 Briaud et al.(2017)의 침식성 차트(Erodibility chart)의 침식성 카테고리를 참고하였을 때, 무처리 시료의 τc수준은 낮은 침식성(Low Erodibility, Ⅳ), #1/1 시료의 경우 매우 낮은 침식성(Very Low Erodibility, Ⅴ)에 해당된다. 이것은 실제 실험 재료의 기존 범위(e.g., SP = Very High Erodibility, I)와 매우 큰 차이를 보여준다. 본 연구는 바람을, Briaud et al.(2017)의 침식성 차트는 물에 의한 전단응력을 고려했다는 점에서 주요한 차이가 있다. 즉, 바람에 의한 전단응력과 물에 의한 전단응력을 계산할 때 단순 τ = ρv2로는 호환이 되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 실험적 한계 및 유체의 상(phase)에 따른 문제를 해결하기 위하여 보정계수 a를 제안한다(식 (4)).

(4)
τ(water)=a×τ(wind)

Zou et al.(2022)는 전단응력을 보정할 때 사용되는 보정계수가 대상 재료의 표면 거칠기에 따라 정의된다고 하였다. 따라서 MICP 처리된 모래의 mc는 3% 미만으로, 무처리 시료와 MICP 처리 시료에 대하여 동일한 a를 사용해도 된다고 가정한다.

Briaud et al.(2017)에 따르면 통일분류법 기준 SP의 τc는 0.1-0.3Pa이다. 본 연구에서 사용된 시료는 주문진표준사, 즉, SP로서 SP의 τc 범위의 평균인 0.2Pa을 적용하였다. 기존에 계산된 값에 따라 SP에 대한 보정계수 a가 구해진다(식 (5)).

(5)
a=τ(water)τ(wind)=0.2Pa58.54Pa=0.0034161300

즉, 모래 시료에 대해 바람에 의해 계산된 전단응력의1/300 값 수준이 물에 의해 계산된 전단응력 수준과 같다는 의미가 된다.

a를 적용한 값을 Fig. 9에 표현하였다. 무처리 시료의 τc는 0.20Pa이며, #1/1 시료는 τc는 0.54Pa이다. 무처리 시료는 SP의 영역에 위치하고 #1/1 시료는 SM&SC의 영역에 위치한다(e.g., SM = 실트질 모래, SC = 점토질 모래). 침식 패턴을 의미하는 α는 데이터가 선형성을 보이므로 1로 선택할 수 있다. 침식 민감도를 의미하는 kd는 무처리 시료에서 7739.5mm/hr·Pa, #1/1 시료의 경우 4395.0mm/hr·Pa로 계산된다. #2/2 시료는 주어진 범위에서 침식이 발생하지 않아 침식성 정수를 확인할 수 없었다. 종합적으로 MICP 약액 처리 시료가 무처리 시료에 비해 한계전단응력이 높게 나타났으며, 침식속도는 낮게 나타났다는 것을 확인하였다.

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Fig. 9.

Erosion rate-applied shear stress relationships

5. 결 론

본 연구에서는 풍력에 의한 해안사구 침식 저감 대책으로 미생물에 의한 탄산칼슘 형성 기술인 MICP 적용을 제안하였다. 무처리 모래와 MICP 처리 모래를 풍동 실험하여 처리 방식에 따른 침식 거동을 확인하였다. 실험 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.

1.MICP 약액 처리 횟수가 증가할수록 고결화가 증가되어 침식 저항성이 증가된다. 탄산칼슘 형성량이 2%인 시료도 약 23m/sec의 풍속에서 무침식성을 보였다. 낮은 수준의 고결화에서도 모래에 대해 높은 침식 저항성이 확인된다.

2.물에 의한 전단응력과 바람에 의한 전단응력을 비교하기 위하여 보정계수를 제안하였다. 무처리 시료와 MICP 1회 처리 시료는 침식률과 풍속의 관계에서 선형성을 보였다. MICP 처리 시료가 무처리 시료에 비하여 2.7배 높은 한계전단응력, 1.76배 낮은 침식성 계수를 보인다.

3.MICP 약액을 중력 배수로 처리했을 때, 깊이별 고결화 수준이 상이하다. 주입 영역보다 3-4cm 더 깊은 곳에서 가장 높은 고결화가 발생한다. 이후로 고결화 수준이 감소한다. 이것은 MICP 기술이 가진 시료 전달 특성이 반영된 결과이다.

4.침관입시험을 통해 탄산칼슘 형성량에 따른 일축압축강도를 확인하였다. 처리 횟수가 증가할수록 탄산칼슘 형성량이 증가하고 이에 따라 강도가 향상되었다.

본 연구를 통해 풍력의 영향을 받는 해안사구의 침식 저감을 위해 MICP 기술이 활용 가능함을 확인하였다. 향후 연구에서 보다 다양한 풍속 수준과 고결화 수준에 대해 실내 실험을 수행할 필요가 있어 보인다. 또한 물에 의한 침식 데이터와의 호환을 위하여 제시된 보정계수가 보다 면밀히 연구되어야 할 필요가 있다.

Acknowledgements

This work was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Education(2021R1I1A 3049493).

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