1. 서 론

세계적으로 도시 및 산업 개발과 함께 기후 변화가 매우 가속화되고 있으며, 이는 지반 내에 다양한 오염원을 발생시키고 흙 입자 표면 특성의 변화를 유발해 산사태, 산불 및 생태계의 구조적 변화와 같은 자연 환경 파괴의 주요 원인이 되기도 한다(Moody et al., 2013; Abatzoglou et al., 2019; Jones et al., 2022; Ng et al., 2022; Park et al., 2023).

특히, 다양한 원인에 따른 흙 입자 표면 특성의 변화는 지반 내 유체의 유동에 영향을 미치게 된다. 즉, 지하수 유동의 변화는 지반의 포화 조건을 변화시킬 수 있는데, 흙 입자의 습윤 특성의 변화가 이류, 분산, 확산 및 흡착과 같은 오염물의 지반 내 거동에 영향인자로 작용하게 된다(Kim et al., 2022; Park et al., 2022). 이는 오염물의 거동 예측을 위해 오염물 정화 및 제거, 확산 방지 분야뿐만 아니라 흙 입자 표면 특성, 지하수 유동 변화 유발인자 등을 통한 물리적/역학적 상호 관계 및 이를 기반으로 하는 오염물 거동 특성 평가 등에 관한 연구도 매우 중요함을 의미한다(Méndez et al., 2012; Shackelford et al., 2016).

흙 입자와 같은 고체의 표면과 유체의 경계 특성에 관한 많은 연구들이 수행된 바 있다. Bachmann and McHale (2009)은 흙 입자의 접촉각을 통한 습윤성 평가를 위하여 다양한 분석 모델을 적용한 바 있다. Jordán et al.(2016)은 유기물이 포함된 흙이 연소되는 경우 소수성의 표면 특성이 발현됨에 따라 습윤성 변화에 의해 경사지에서의 거동이 달라짐을 확인하였다. Alghunaim et al.(2016)은 액체가 파우더 타입의 재료 사이에서 형성하는 접촉각을 결정하는 방법들과 함께 침투 특성 등에 대하여 정리하였다. Susana et al.(2012), Nowak et al.(2013a, 2013b)은 입자의 표면 거칠기 등과 같은 복합한 문제로 인해 입자 표면 접촉각의 측정이 어렵기 때문에, 침투 속도 등을 접촉각과 연계할 수 있는 간접적인 측정 방법들을 제시한 바 있다. Lourenço et al.(2018)는 입상 재료 표면에 대한 습윤성 평가는 흙 속의 침투, 흐름, 유출 등의 특성을 분석하는데 매우 중요한 평가 요소임을 제시하였다. Abel et al.(2013)과 Ivanova et al.(2023)은 각각 흙의 습윤성에 대한 바이오의 영향과 흙의 습윤성 및 표면 구조의 변화 특성에 대하여 바이오차에 대한 영향을 평가하였다. de Jesus Duarte et al.(2022)과 바이오차 등을 이용해 친/소수성 성질의 모래에 대한 침투 능력을 평가한 바 있다. Gupta et al.(2015)은 친수성 및 소수성 표면 조건의 흙을 대상으로 물의 증발 속도를 평가한 결과, 소수성 층으로 이루어진 흙 속의 지하수 증발이 현저히 낮은 것을 확인한 바 있다. 한편, Doshi et al.(2018)은 유류와 같은 흡착이 가능한 오염물에 대해 흡착 재료의 표면 상태에 따른 오염물 분리 특성을 분석하기 위해 흡착 재료에 대한 습윤성을 평가하였다. 이와 같이, 입자 표면에 의해 발생되는 다양한 특성들을 평가한 연구들은 많지만, 오염물 거동과 연계한 연구는 상대적으로 미미한 수준이다.

본 연구에서는 흙 입자의 표면 조건에 따른 세립토 함유율을 고려한 사질토의 투수성능 모형실험을 실시하였다. 그리고 실험결과를 기존 연구 결과(Park et al., 2023)와 연계해 흙 입자 표면의 소수성 수준이 흙의 투수성에 미치는 영향을 평가하였다.

2. 투수성 평가 실험

2.1 실험 재료 및 장치

실험을 위한 모형지반은 통일분류법에 의해 각각 빈입도 모래 및 저압축성 실트로 분류된 주문진 표준사와 세립토를 이용해 조성하였다. 각 흙 시료의 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다.

일반적으로 흙 입자는 친수성의 상태를 나타내기 때문에, 흙 입자의 표면 조건을 구분하기 위하여 완전 건조된 흙 시료를 중량비(1%, 3%)가 고려된 소수성 코팅 용액과 충분히 교반하였다. 그리고 상온 조건에서 24시간 동안 방치함으로써 흙 입자 표면에 소수성 코팅이 원활히 이루어지도록 하였다. 또한 흙 시료는 표준사와 세립토 함유율 5%를 적용한 표준사 2종류를 사용하였다.

모형실험 장치는 정수두 및 변수두에 대한 투수성능 평가 실험이 가능한 수조와 모형지반 조성을 위한 토조로 구성되며, 유체의 유동 확인이 용이하도록 반사율이 거의 없는 강화 아크릴로 제작하였다. 또한 토조는 폭과 길이가 0.3m인 정사각형으로 모형지반의 최대 높이는 0.2m까지 조성할 수 있으며, 모형지반의 높이에 따라 지하수의 유입 및 유출 높이를 변경할 수 있도록 토조 벽면에 유입구 및 유출구를 적용하였다. Fig. 1 및 Fig. 2는 각각 모형실험 장치의 구성과 실험 개요도를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Experiment apparatus configuration

Fig. 2.

Model experiment schematic

2.2 실험 방법 및 내용

투수성 평가를 위한 모형실험은 각 모형지반 조건에 대한 지하수 유동의 안정화를 유도한 후 정수두 시험방법에 준하도록 실시하였다. 또한 실험 과정에서 지하수 유동에 기인해 흙 입자 표면의 소수성 코팅면이 제거되어 투수계수 변화가 유발될 수 있다고 판단하여 4시간 이상의 실험 시간을 확보하였다.

모형지반은 40% 수준의 동일한 상대밀도 조건을 구현하기 위하여 전체 높이(0.1m)를 5개 층으로 구분해 0.02m 높이에 부합할 수 있도록 다짐에너지를 적용해 포설하였다. 그리고 수조의 수면을 유지할 수 있도록 한 후, 시간별 유량을 측정하여 투수계수를 산정하였다.

전술한 바와 같이, 사질토는 표준사에 세립토 함유율을 고려하였고, 해당 흙 시료의 입자 표면에 소수성 특성을 반영하기 위해 각각 1% 및 3%의 소수성 용액으로 코팅하였다. 소수성 표면 특성과 세립토 함유율에 대한 균질한 사질토 모형지반을 모사하기 위하여 기존 연구(Park et al., 2023)를 참고해 각 조건의 실험은 3회씩 실시하여 실험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있도록 하였고, 투수성 평가는 투수계수의 평균값으로 분석하였다. Table 2는 모형실험 내용을 나타낸 것이다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 흙 입자의 표면 조건에 따른 사질토의 투수계수 평가

Table 3은 각 실험 조건별로 3회씩 실시하여 얻은 실험 결과를 나타낸 것으로서, 모든 실험 조건에서의 투수계수는 시간 경과에 관계없이 거의 유사한 것으로 확인되어, 실험이 수행되는 동안 흙 입자 표면의 소수성 수준의 변화는 없다고 판단하였다. 따라서 투수계수의 평균값을 이용해 흙 입자의 표면 조건에 따른 사질토의 투수성을 평가하였고, Fig. 3은 실험 결과를 도식화한 것이다.

Fig. 3.

Experiment results

소수성 특성이 반영되지 않은 경우의 표준사(case 01)와 세립토 함유율 5% 함유 사질토(case 02)의 투수계수는 각각 7.5×10^-3cm/s 및 2.0×10^-3cm/s으로 세립토에 의한 영향은 있지만 전형적인 빈입도 모래 지반의 투수성을 나타내었다. 1% 및 3%의 소수성 특성이 반영된 표준사(case 03, case 05)와 세립토 함유율 5% 함유 사질토(case 04, case 06)는 1.9×10^-3cm/s ∼ 4.5×10^-4cm/s 범위의 모래 또는 실트질 모래에 가까운 투수성을 갖는 것으로 확인되었다. 각 조건에서의 실험 결과는 일부 상대적 오차가 발생한 것으로 파악되었지만, 투수계수의 크기가 작고 일반적인 지반 조건을 고려하면 투수성을 평가하는데 문제가 없을 것으로 판단되었다.

Fig. 4는 흙 입자 표면의 소수성 특성에 따라 표준사 및 사질토의 투수계수 변화를 도식화한 것이다.

표준사의 투수계수는 입자 표면의 소수성 수준이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 특히, 친수성 표면에서 소수성 표면으로 변하는 경우의 투수계수 감소율은 매우 큰 것을 확인하였고, 소수성 특성이 증가하여도 투수계수 감소율은 낮은 것으로 평가되었다. 5%의 세립토가 함유된 사질토의 경우에도 소수성 특성의 증가와 함께 투수계수가 감소되는 결과를 보였다. 그러나 1% 소수성이 적용되었을 때의 투수계수 감소율에 비하여 3% 소수성 수준에서의 투수계수 감소율이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4.

Comparison of average permeability coefficients by soil type

3.2 접촉각과 투수성 상관 관계

Table 4와 같이, 흙 입자의 소수성 표면 특성에 따라 습윤성을 평가한 기존 연구 결과(Park et al., 2023)를 참고하여 동일한 소수성 및 세립토 함유율 조건에서의 접촉각과 투수계수의 관계를 Fig. 5와 같이 도식화하였다.

Fig. 5.

Contact angle and permeability coefficient from water drop test

먼저, 세립토의 함유 여부와 관계없이 흙 입자 표면의 소수성 수준 증가에 따른 접촉각이 증가할수록 투수계수는 감소하였다. 표준사의 경우, 흙 입자 표면의 소수성 특성이 1%일 때 접촉각의 크기가 매우 증가함과 동시에 투수계수의 감소율은 약 300%인 것으로 분석되었다. 그러나 3%의 소수성 특성인 경우에 접촉각의 증가율이 감소하면서 투수계수 감소율도 약 70%로 수준으로 감소되는 것으로 평가되었다. 세립토 함유율이 5%인 사질토의 경우, 1%의 소수성 특성을 갖는 흙 입자 표면의 접촉각은 기존 연구(Park et al., 2023)를 통해 친수성인 것으로 확인된 바 있으며, 이때의 투수계수 감소율은 약 45%로 표준사에 비해 현격하게 낮은 것을 알 수 있었다. 그리고 접촉각이 크게 증가함으로서 소수성 특성의 발현이 시작되는 3%의 소수성 코팅 수준이 되어야 투수계수는 약 200%의 감소율을 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 흙 입자의 표면이 소수성 특성을 나타내는 조건에서 모형지반의 투수계수는 크게 감소하는 것으로 평가되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 흙 입자의 표면 조건이 사질토의 투수성에 미치는 영향을 평가하기 위한 모형실험을 실시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

표준사 및 사질토의 투수계수는 약 10^-3cm/s로 세립토 함유율에 따른 지반의 투수계수 감소는 있지만 일반적인 모래 지반의 투수성을 보였다. 소수성 특성이 반영된 표준사 및 사질토의 경우에는 10^-3cm/s ~ 10^-4cm/s 범위의 투수계수가 나타났으며, 이는 흙 입자 표면의 소수성 조건이 지하수의 투수계수를 감소시키는 영향인자로 작용하는 것을 의미하며, 세립토 함유율이 낮을수록 그 특성은 증가하는 것을 알 수 있었다.

소수성의 표면 특성을 갖는 표준사 지반의 투수계수는 친수성 조건에 비하여 매우 큰 감소율을 보이는 것으로 미루어, 흙 입자 표면의 소수성 특성은 빈입도 모래 지반의 투수계수 변화에 매우 민감하게 작용하는 것을 알 수 있었다. 사질토의 투수계수 감소율은 표준사의 소수성 수준에 비해 높은 조건이 되어야 크게 증가하는 것으로 나타났다.

본 연구를 통해 동일한 지반 조건이라 하더라도 다양한 자연적 및 인위적 환경 변화에 따라 흙 입자의 표면 특성이 소수성 조건을 만족하게 되는 경우에는 지하수 유동에 변화가 발생할 수 있음을 확인하였다. 즉, 다양한 지반 구성 및 흙 입자 표면 조건과 함께 입자의 구조적 특성에 따른 영향인자 평가가 필요할 것으로 판단된다.