1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 실험 재료
2.2 모래-세립분 혼합비
2.3 실험 방법
3. 연구 결과
3.1 실험 재료 검증
3.2 혼합토의 물리적 특성
3.3 삼축압축시험 결과
4. 결 론
1. 서 론
구조물 설계에서 가장 중요한 요소는 지반의 강도와 변형 특성이며, 이는 구조물의 안정성에 큰 영향을 미친다. 지반의 강도는 크게 압축강도와 전단강도로 구분되며, 구조물의 거동과 지반의 안정성 확보를 위해 이를 명확히 분석하는 것이 필요하다. 압축강도는 지반이 하중을 받을 때 수직 방향으로 저항하는 능력을 의미하며, 전단강도는 외력에 의해 발생하는 전단 변형에 대한 저항력을 나타낸다. 지반의 강도 특성은 토질의 구성 요소 및 혼합 비율에 따라 변화하며, 적절한 공학적 분석을 통해 이를 평가하는 것이 필수적이다.
지반의 강도 특성은 토질의 구성 요소 및 혼합비율에 따라 달라지므로, 이를 적절한 공학적 분석을 통해 평가하는 것이 중요하다. 일반적으로 사질토는 내부마찰각에 의해 거동이 지배되고, 점성토는 점착력에 의해 전단강도가 결정된다. 그러나 대부분의 자연 지반은 사질토와 점성토가 혼합된 혼합토로, 단순한 토양 분류만으로는 지반의 안정성을 정확히 판단하기 어렵다.
혼합토의 거동 특성에 관한 연구 동향을 살펴보면, Been and Jefferies(1985)은 실트질 모래에서 세립분 함유율이 증가할수록 구조가 느슨해지고 정규 압축상태 선이 증가한다고 보고하였다. Coop and Lee(1993)은 모래와 점토 혼합토의 세립분 함유율이 증가할수록 정규 압축상태 선과 비례 관계가 있다고 주장하였다. Mekkiyah and Alkhazragie(2015)은 점토에 모래를 혼합하여 실시한 압밀시험에서 모래 합유율이 높아질수록 압축지수, 체적 변화계수, 재압축지수가 감소한다고 보고하였다. 국내에서는 Park and Jeon(1995)이 입도분포가 양호한 모래-점토 혼합토의 압밀 특성을 분석하고, 세립분 함유율 37.8% 이하 시료에서는 모래와 유사한 e-logP 곡선을 나타냈다고 제시하였다. Kim et al.(2016)은 낙동강 하구의 실트질 모래 및 점토질 모래로 구성된 퇴적 사질토층에 대해 실내 투수시험을 실시한 결과, 세립분 함유율과 상대밀도가 증가할수록 투수계수는 낮아졌으나, 세립분 함유율이 15% 이상인 모래에서는 상대밀도의 영향을 받지 않는다고 주장하였다. 또한 Kim et al.(2017)은 점토의 액소성 한계를 정적 및 동적 시험방법에 따라 비교하였으며, Kim et al.(2018)은 점토의 혼합율을 0% ~ 30%로 변화시켜 가며 점토 함량이 혼합토의 전단강도에 미치는 영향을 분석하였으며 점토 함량이 25% 이상인 경우 점토가 혼합물의 거동에서 핵심적인 역할을 하기 시작한다고 제안하였다. Oh et al.(2021)은 세립분 함유율에 따른 중간토의 컨시스턴시 분석을 통해 제안식의 적용성을 평가하였다. Kim et al.(2023)은 실트질 모래의 세립분 함유율에 따른 역학적 특성 및 압밀 대상층 적용성 평가를 수행하였다.
기존의 연구는 주로 모래와 세립분의 혼합비율에 따른 세립분 함유율을 산정하는 연구이거나, 모래가 주성분인 경우를 대상으로 한 연구가 대부분이었으며, 점토 함량이 전단 거동에 미치는 영향을 비배수 조건에서 정량적으로 분석하는 연구가 상대적으로 미비한 실정이다.
본 연구에서는 모래와 점토를 다양한 비율로 혼합한 후 물리적 특성을 파악하기 위해 입도분석, 비중 시험, 애터버그 한계 시험을 수행했으며, 비 배수 삼축압축시험을 통해 전단강도 특성을 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 흙의 성질이 조립토에서 세립토로 변환되는 전환 세립분 함유율을 제시하였다. 본 연구를 통해 모래와 점토의 혼합비율에 따른 물리적 특성과 전단강도 변화를 체계적으로 분석함으로써, 혼합토의 거동 특성을 분석하고 이를 바탕으로 구조물 설계 시 세립분 함유율에 따른 적합한 설계 기준을 수립하는 데 기여하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 실험 재료
본 연구에서는 사용된 모래의 경우 입도분포가 양호한 상태를 조성하기 위해 서로 다른 입자 크기의 실리카 규사(Silica sand) V3, V4, V5, V6호를 건조 중량비로 Fig. 1과 같이 3:3:2:2의 비율로 혼합하였다. 이러한 혼합 비율은 밀도와 강도를 향상시키기 위한 최적의 입도분포를 형성하기 위함이며, 실험적 연구를 통해 경험적으로 도출한 결과이다. 입도분포의 적합성을 검토하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM)으로 모래의 사진을 촬영하였으며, 총 5회의 입도시험(KS F 2302)를 실시하여 평균 입도분포 값을 산출하였다(Korean Standards Association, 2022a).
모래의 최대 및 최소 건조밀도는 일본 토질공학회 규정(JSF T 161-1990)에 따라 Fig. 2와 같이 최대 건조밀도의 경우 몰드에 동일한 중량의 시료를 10층으로 나누어 주입 후 타격점을 회전시켜 가며 100회씩 타격하여 다진 후 내부 시료의 중량을 측정하였으며, 최소 건조밀도의 경우 몰드 바닥까지 시료를 낙하고 없이 일정한 속도로 상승시켜 시료 입자 배열을 최소화한 후 중량을 측정하였다.
세립분은 대표적인 점토 시료인 카올리나이트(Kaolinite)를 사용하였다. 활성 점토 여부를 판단하기 위해 KS F 2303의 규정에 따라 애터버그한계(Atterberg limits) 시험을 수행하였다(Korean Standards Association, 2020).
2.2 모래-세립분 혼합비
다양한 조건의 공시체를 제작하기 위해 입도 조정된 실리카 규사와 카올리나이트를 혼합하여 공시체를 제작하였다. 아래 Table 1은 각 혼합비에 따른 구성을 나타낸다.
Table 1.
Silica sand mixture and clay mixing ratio
| Type | Silica sand mixture (%) | Kaolinite clay (%) |
| Case 1 | 100 | 0 |
| Case 2 | 95 | 5 |
| Case 3 | 90 | 10 |
| Case 4 | 85 | 15 |
| Case 5 | 80 | 20 |
| Case 6 | 75 | 25 |
| Case 7 | 65 | 35 |
| Case 8 | 50 | 50 |
| Case 9 | 0 | 100 |
총 9가지 Case의 모래-점토 혼합토에 대해 입도분석 시험을 실시하여 조립토와 세립토를 구분하였으며, 세립분(0.074mm 이하)을 대상으로 비중계 시험을 통해 실트 및 점토분을 구분하였다. Case 9의 경우, 100% 세립토(Kaolinite clay) 조건에서의 전형적인 점토 거동을 확인하고, 혼합비율 변화에 따른 물리적 특성 차이를 명확히 비교하기 위해 설정되었다. 비중 시험은 KS F 2308에 따라 수행하였으며 액성한계 및 소성한계를 분석하기 위해 애터버그한계 시험을 수행하였다(Korean Standards Association, 2022b).
2.3 실험 방법
2.3.1 시료 재성형
본 연구에서는 시료의 재성형 방법으로 세립분 함유율 = 0~25%의 시료에 대해서는 상대밀도와 골격 간극비를 고려하여 수평 타격을 적용한 건조퇴적법을 활용하였으며, 공시체의 크기는 직경 50mm 높이 100mm의 크기로 설정하였고 총 5층으로 나누어 시료를 배치하였다. = 35~100% 시료에 대해서는 예압밀법(Preconsolidation method)을 활용하여 Fig. 3과 같이 공시체를 제조하였다.
각 시료의 액성한계의 2배에 해당하는 함수비로 혼합시료를 교반하여 슬러리 상태로 제작한 시료를 Fig. 3(a)와 같은 예압밀셀에 넣고 50kPa의 연직 압밀 하중을 가하여 압밀을 수행하였다. 높이가 더 이상 감소하지 않는 시점부터 약 30일 이상 압밀을 지속시킨 후 직경 50mm, 높이 100mm의 크기로 공시체를 제작하였다.
2.3.2 삼축압축시험
삼축압축시험은 흙의 전단강도를 측정하는 시험으로 본 연구에서는 모래-점토 혼합토에 대해서 등방압밀비배수(Consolidated isotropic undrained test, CIU) 삼축압축시험을 수행하였다. 모든 Case의 시료에 대해 25kPa의 단위로 압력을 증가시켜가며 시료를 포화시켰으며, Skempton (1954)의 간극수압계수 B-Value가 0.95 이상에 도달하였을 때 포화가 완료된 것으로 간주하였다.
본 연구에서는 Fig. 4와 같이 Geo-Comp 사에서 제작한 삼축압축시험 장비를 통해 압밀 과정에서는 등방조건으로 구속압 100kPa의 응력으로 체적변화가 발생하지 않는 시점까지 압밀을 수행하였다. 전단 속도는 0.1%/min의 속도로 수행하였으며 시험조건은 Table 2와 같다.
Table 2.
CIU test condition
3. 연구 결과
3.1 실험 재료 검증
본 연구에서 사용된 모래 시료의 주사전자현미경(FE- SEM)을 촬영한 결과는 Fig. 5와 같다. Fig. 5(a)와 같이 다양한 입자 크기를 가지며, Fig. 5(b)와 같이 모래 입자 표면에 세립분이 분포하고 있음을 확인하였다. 해당 이미지는 Secondary Electron(이차 전자) 신호를 사용하여 촬영된 FE-SEM 이미지로, 입자의 표면 미세 구조 및 거칠기 분석에 초점을 맞추고 있다. 이를 통해 세립분 함유량 증가에 따른 입자 간 결합 상태 및 표면 특성 변화를 보다 정밀하게 분석할 수 있다.
입도시험 결과는 Table 3과 같으며, 모래의 입경 가적 곡선은 Fig. 6과 같다. 분석 결과 균등계수는 2.98, 곡률계수는 1.57로 입도분포가 양호함을 확인하였다. 또한 최대건조밀도는 16.38kN/m3, 최소 건조밀도는 14.12kN/m3로 최대간극비는 0.85, 최소간극비는 0.584로 나타났다.
Table 3.
Particle size of silica sand mixtures
| Sieve number | Aperture (mm) | Percentage passing (%) |
| 4 | 4.750 | 99.97 |
| 10 | 2.000 | 92.89 |
| 20 | 0.851 | 37.58 |
| 40 | 0.425 | 9.19 |
| 60 | 0.250 | 1.57 |
| 100 | 0.150 | 0.91 |
| 140 | 0.106 | 0.40 |
| 200 | 0.074 | 0.23 |
| 270 | 0.050 | 0.15 |
Kaolinite의 애터버그한계 시험 결과는 Table 4와 같다. 시험 결과 소성지수(Plastic index)가 33.52로 중소성 활성 점토로 나타났다.
Table 4.
Results of kaolinite atterberg limit test
| Division | Value |
| Liquid limit (%) | 58.98 |
| Plastic limit (%) | 25.46 |
| Plastic index () | 33.52 |
| Activity | ○ |
3.2 혼합토의 물리적 특성
모래-점토 혼합토에 대한 입도 분석시험 결과는 Table 5와 같다. 시험 결과 세립분 함유율에 따른 다양한 조건의 지반 모사가 가능함을 확인하였다. 또한 비중 시험 결과는 Table 6과 같으며, 시험 결과 = 0%의 모래 비중은 = 2.652, = 100%의 점토의 비중은 = 2.456으로 나타났으며, 세립분 함유율이 증가할수록 비중 값은 감소하는 것으로 나타났다.
Table 5.
Particle size of sand-clay mixtures
Table 6.
Specific gravity test results
| Type | Silica sand mixture (%) | Specific gravity () |
| Case 1 | 100 | 2.652 |
| Case 2 | 95 | 2.638 |
| Case 3 | 90 | 2.625 |
| Case 4 | 85 | 2.614 |
| Case 5 | 80 | 2.592 |
| Case 6 | 75 | 2.582 |
| Case 7 | 65 | 2.572 |
| Case 8 | 50 | 2.523 |
| Case 9 | 0 | 2.456 |
모래-점토 혼합토의 애터버그(Atterberg) 한계 시험 결과는 Fig. 7과 같다. 시험 결과 = 35 ~ 100%의 시료는 활성을 띠며, 세립분 함유율이 증가할수록 액성한계 및 소성한계, 소성지수가 모두 증가하는 모습을 나타냈다. = 0 ~ 25%의 경우 액성한계 및 소성한계 모두 0의 값을 갖는 비소성(Non-Plastic)을 나타내었으며, 자세한 결과는 Table 7에 나타내었다.
Table 7.
Atterberg limit result of sand-clay mixtures
3.3 삼축압축시험 결과
3.3.1 간극비 분석 결과
Fig. 8은 압밀 전후의 간극비를 나타낸 것으로, 압밀 전의 공시체는 실리카 규사의 최대간극비 0.85 이하의 낮은 값을 나타냈으며, 세립분 및 상대밀도가 증가함에 따라 간극비가 감소하는 반비례 경향을 나타내었다. 100kPa의 구속압력으로 압밀을 수행한 공시체에 대해서는 전체적으로 간극비가 크게 감소하였으며, 세립분 함유율 = 20, 25%의 경우 실리카 규사의 최소간극비 0.584 이하의 간극비를 나타내고 감소 폭은 작은 것으로 나타났다. 특히 = 20%에서 상대밀도가 0%인 경우 간극비는 0.553, 상대밀도 40%의 경우 간극비는 0.527로 상대밀도의 영향이 적은 것으로 나타났다. 낮은 간극비를 나타내는 이유는 세립분 함유율의 증가와 함께 모래 골격이 차지하는 비율이 줄어들어 세립분의 매트릭스 구조가 형성되는 것으로 판단된다.
3.3.2 골격 간극비 분석 결과
Fig. 9는 세립분 함유율에 다른 압밀 전후의 골격 간극비를 나타낸 것이다. 시험 결과 압밀 전 공시체는 실리카 규사의 최대간극비 0.85 이상의 느슨한 구조를 형성하고 있었으나, 압밀 후의 공시체는 모래 입자의 접촉이 증가하여 실리카 규사의 최대간극비 부근으로 감소하는 골격구조를 나타내었다. 또한 간극비 분석 결과와 유사하게 = 20%에서 상대밀도가 0%인 경우 골격 간극비는 0.996, 상대밀도 40%의 경우 골격 간극비는 0.924로 상대밀도의 영향이 적은 것으로 나타났다.
3.3.3 비배수 정적 전단강도 특성
삼축압축시험 결과를 바탕으로 세립분 함유율에 따른 최대 축차응력 비를 Fig. 10과 같이 나타내었다. = 0 ~ 20%의 공시체의 경우 세립분 함유율이 증가할수록 최대 축차응력은 감소하였으며, 상대밀도가 증가할수록 감소 폭은 커지는 경향을 나타내었다. = 20, 25%의 경우 상대밀도와 관계없이 최대 축차응력의 감소 폭은 미미하였으며, = 35 ~ 100%와 유사한 최대 축차응력을 나타내었다.
3.3.4 골격구조 및 전단강도 관계 분석
세립분 함유율에 따른 최대 축차응력 비의 관계를 골격구조와 비교하여 분석한 결과는 Fig. 11과 같다. Fig. 9(a)의 간극비와 비교한 경우 세립분 함유율이 증가할수록 간극비와 최대 축차응력 비가 감소하는 경향을 나타냈으며 = 20~35%의 경우 실리카 규사의 최소간극비 0.584 이하의 범위 안에 분포하고 최대 축차응력의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이는 모래보다 낮은 비중을 가진 점토가 모래의 골격구조를 느슨하게 만들어 점토만의 강도 주체를 형성하는 것으로 판단된다.
Fig. 9(b)의 골격 간극비와 비교한 경우 세립분 함유율이 증가할수록 최대 축차응력 비는 감소하지만 골격 간극비는 증가하는 경향을 나타냈다. 간극비와 마찬가지로 세립분 함유율 = 20~35%의 경우 최대 축차응력 감소 폭은 작은 것으로 나타났다.
3.3.5 응력-변형률 관계 및 유효 응력경로
삼축압축시험 결과 비배수 정적 전단강도에 대한 응력-변형률 관계는 Fig. 12, 13, 14, 15, Fig. 16과 같다.
시험 결과 응력-변형률의 경우 변형률이 증가할수록 축차응력도 증가하는 경화거동 특성을 나타냈으며, 상대밀도가 0%에서 40%로 증가할수록 첨두강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 세립분 함유율 = 20% 및 25%의 경우 결과적으로 경화거동을 나타내지만, 변형률에 따른 축차응력 증가는 미미한 것으로 나타났다. 세립분 함유율 = 35% 이상의 예압밀 시료의 경우 축차응력의 최대강도가 나타난 후 강도가 감소하는 연화 거동을 나타내고 있으며, 최대 축차응력 값은 세립분 함유율 = 20% 및 25%와 유사한 값을 나타내었다.
유효응력 경로의 경우 세립분 함유율 = 0~25%의 경우 세립분 함유율이 증가할수록 간극수압이 높아지며, 유효응력의 수축거동을 나타내고 변곡점을 지나 유효응력이 다시 증가하는 경화거동을 나타냈다. 세립분 함유율 = 35% 이상의 경우 전단 중 수축거동을 나타내었다.
4. 결 론
본 연구에서는 모래-점토 혼합토를 대상으로 세립분 함유율에 따른 영향 및 전단 가동 특성을 분석하기 위해 입도 조정한 실리카 규사 및 카올리나이트를 다양한 혼합비로 혼합하여 공시체를 제조하였으며, 실내 시험을 통해 물리적 특성 및 간극비 및 골격 간극비를 활용한 비배수 전단강도 특성을 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
1.간극비 및 골격 간극비를 통한 모래-점토 혼합토의 골격구조 특성을 분석한 결과 = 20%부터 감소의 차이가 미미하며, 한 지점으로 수렴하는 경향을 나타냈다. 이는 모래 골격구조에서 세립분의 매트릭스 구조로 전환되는 특성을 나타내는 것이라 판단된다.
2.세립분 함유율에 따른 모래-점토 혼합토의 비배수 정적 전단강도 분석 결과 세립분 함유율이 증가함에 따라 점토 고유의 성질을 나타냄을 확인하였다. = 20%를 기점으로 세립분 함유율 증가에 따른 간극비는 감소하고, 골격 간극비는 증가하는 점토의 거동을 나타냈다.
3.응력-변형률 관계 및 유효 응력경로 특성을 분석한 결과 = 0~25%의 경우 경화거동을 나타냈으며, 상대밀도 증가에 따라 증가하는 비례 경향을 나타냈지만 = 20% 및 25% 경우 그 증가 폭이 미미하며, = 35% 이상의 강도 값과 유사하게 나타났다.
4.모래-점토 혼합토는 세립분 함유율 = 20%를 기준으로 모래의 골격구조가 약화되기 시작하며, 이로 인해 점토의 강도가 점차 우세해지는 경향을 보이는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 모래-점토 혼합토의 세립분 함유율에 따른 물리적 및 전단 거동 특성을 분석하여 세립분 함유율 20%를 기준으로 골격구조가 변환되는 것을 확인하였으며, 세립분 함유율에 따른 전단강도 특성을 분석하였다. 본 연구를 통해 구조물 설계 시 세립분 함유율에 따른 적절한 설계 기준을 수립하는데 기여할 수 있는 기초 자료를 제공할 수 있을 것이라 판단된다.
