Research Article

The Journal of Engineering Geology. 30 June 2022. 241-255
https://doi.org/10.9720/kseg.2022.2.241

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 배경 및 목적

  • 본 론

  •   연구의 범위와 연구 방법

  •   물 세척의 영향과 입자분리 현상

  •   입도분포 변화와 특성

  •   입자손실과 입도변화 지표

  • 고 찰

  • 결 론

서 론

연구의 배경 및 목적

흙의 공학적 분류방법에는 통일분류법(unified soil classification system, USCS), 미국도로및교통협회분류법(american association of state highway and transportation officials, AASHTO), 미국재료표준협회분류법(american society for testing and materials, ASTM), 미국농무성분류법(united states department of agriculture, USDA) 등이 있으며, 흙입자의 크기와 성질에 따라 분류한다. 흙입자의 크기를 입경이라하고, 흙입자의 크고 작은 정도를 파악하는 것을 입도분석이라 한다. 입도분석에는 일반적으로 체 분석(sieve analysis)과 비중계 분석(hydrometer analysis)의 두 가지 방법이 사용된다. 우리나라에서는 한국산업표준 KS F 2302의 흙의 입도 시험방법(standard test method for particle size distribution of soils)에서 체 분석 방법과 비중계 분석 방법에 관하여 입도분석을 위한 표준으로 정하고 있다. 체 분석은 0.075 mm 이상 크기의 흙에 대하여, 비중계분석은 0.075 mm 체를 통과한 흙에 대하여 수행된다. 그러나, 이 두 가지 방법 모두 흙입자가 비균질한 성질을 가지고 있고 등치입경(equivalent diameter)을 가지므로 정확한 값을 결정하는데 어려움이 존재한다. 보다 정확한 흙의 입도를 결정하는 방법으로 KS F 2302의 체 분석 방법에서는 흙입자의 크기가 2~0.075 mm인 경우에는 체분석 방법에 의해 입도를 결정하며 흙 시료에 물 세척을 수행하여 흙의 입도를 결정한다. 본 연구는 예천지역의 화강풍화토에 대하여 KS F 2302의 체 분석 방법과 규정에 준하여 체분석 시험을 수행하고, 물 세척 전후 발생되는 흙의 입자분리와 입도분포 변화의 특성을 비교 분석하였다.

본 론

연구의 범위와 연구 방법

흙의 입도 시험방법에 관하여 우리나라에서는 KS F 2302에 규정하고 있다. 흙입자의 크기가 75~2 mm인 경우 2 mm 체로 물 세척을 하고, 2~0.075 mm인 경우 0.075 mm 체로 물 세척을 수행하여 입도를 확인하도록 규정되어 있다. KS F 2302에서는 ‘2 mm 체 통과 및 0.075 mm 체 잔류분’에 대한 체 분석 시료의 물 세척 규정에서 ‘시료를 0.075 mm 체 위에서 물로 씻고, 가는 입자분을 충분히 씻어낸 후 잔류분의 전량을 110 ± 5°C에서 일정 질량이 될 때까지 노 건조한다’라고 구체적으로 설명하고 있다. 그러나 0.075 mm 체를 이용한 물 세척 전후의 입도변화에 대한 비교연구는 활발히 이루어지고 있지 않다. 지반공학에서는 흙을 조립토와 세립토로 구분하여 특성을 판단하는 경우가 많으므로, 본 연구에서는 2~0.075 mm 크기의 흙입자에 대하여 체분석시험을 수행하였고, 특히 물 세척으로 인한 흙입자의 분리와 그로 인한 입도분포 곡선의 변화와 특성을 중심으로 연구하였다. 본 연구에 사용된 시료는 경북 예천군 용궁면 월오리 지역의 도로 공사 현장에서 채취된 화강풍화토이며 물 세척으로 인한 변화와 영향을 확인하기 위하여 입도분석시험을 수행하였고, 광학현미경을 이용하여 입자의 분리현상을 영상으로 확인하였다. 또한 물 세척 전후의 입도분포곡선의 변화를 분석하였다. 입도분포곡선으로부터 획득된 결과를 이용하여 흙의 특성을 확인하기 위한 연구는 다양한 분야에서 수행되었다. 입도분포를 이용하여 최대건조단위중량을 예측하기위한 연구(Ring et al., 1962; Korfiatis and Manikopoulos, 1982; Wang and Huang, 1984; Song et al., 2004)와 입도분포의 특성이 재료의 변형특성에 미치는 영향을 검토한 연구(Hardin and Kalinski, 2005; Ha and Kim, 2013)가 수행되었고, 입도분포곡선을 이용하여 함수특성곡선을 구하는 방법을 제안한 연구(Gupta and Larson, 1979; Arya and Paris, 1981; Rawl et al., 1982; Fredlund et al., 2002; Lim and Kim, 2012)와 입도분포곡선으로부터 구한 유효입경(D10)과 평균입경(D50)을 이용하여 투수계수를 예측한 연구(Hazen, 1982; Song and Lee, 2002), 그리고 입도분포곡선의 프랙탈차원을 산정하여 투수계수의 예측식를 제안한 연구(Park et al., 2006) 등이 수행되었다. 본 연구에서는 물 세척 전후의 입도분포곡선의 변화를 분석하여 물 세척시 나타나는 입자분리의 발생 정도를 지표값으로 나타내었다.

물 세척의 영향과 입자분리 현상

물 세척에 의한 흙무게의 변화를 확인하기 위하여 2 mm 체 통과 및 0.075 mm 체 잔류분의 흙을 대상으로 체분석하였다. 체가름시험기는 전동식이며 좌우 왕복속도는 3,600 rpm 이다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Sieve shaker.

흙 시료는 예천 지역에서 채취되었으며 다음과 같은 순서로 실험을 수행하였다. 먼저, #200 체로 물 세척 하지 않은 상태로 노건조하여 시료를 준비하였다. 노건조는 110 ± 5°C에서 24시간 수행되었다. 건조된 흙을 부수어 YC-01 부터 YC-10 까지 총 10개의 시료를 준비하고 #4, #10, #16, #30, #40, #60, #100, #200 체에 체가름 하여 체에 남은 흙의 무게를 측정하였고, 그 후 각 체에 잔류된 흙에 대하여 물 세척을 실시하여 물 세척 전후의 흙무게 변화를 측정하였다. 물 세척 방법은 체에 남은 흙을 체와 함께 수중에 잠기게 한 후 수면과 평행한 방향으로 1초에 1회씩 좌우 왕복하여 수중 체가름을 10분간 수행하였고, 흙입자가 물에 의해 분리되어 체눈금 보다 작은 입자는 체를 빠져나가도록 하였다. 이때 흙 시료에 가해진 힘은 물에 의한 접촉이 유일하며 다른 외력은 가해지지 않도록 하였고 물 세척 후 노건조하여 체에 남은 흙의 무게를 측정하였다. 10개 시료에 대한 실험 결과 물 세척 후의 흙의 무게가 물 세척 전의 무게보다 감소하였다. 즉, 물 세척으로 인해 각 체의 눈금 크기보다 더 작은 흙입자들이 씻겨져 체를 통과하였고, 그 결과 각 체에 남은 흙의 무게는 감소하였다(Fig. 2). 흙무게의 감소는 모든 크기의 체에서 발생되었고 감소된 흙 입자의 무게 차이는 #10 체에서 111.2 g이 감소하여 가장 크게 나타났고 #200 체에서는 6.0 g이 감소하여 가장 작게 나타났다(Fig. 3). 그러나, 흙무게의 감소율은 #4 체(-40.21%)와 #40 체(-38.87%)에서 가장 크게 나타났고 #200 체(-23.31%)에서 가장 작게 나타났다(Fig. 4).

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Fig. 2.

Soil weight changes after water washing.

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Fig. 3.

Soil weight decrease after water washing.

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Fig. 4.

Soil weight change rate after water washing.

Figs. 2, 3, 4의 결과로부터 물 세척으로 인해 각 체에 남은 흙의 무게가 감소한다는 사실을 알 수 있으며, KS F 2302에서 언급된 체 분석 시료의 물 세척 규정이 합리적임을 알 수 있다. 한편, 물 세척된 시료의 무게 감소 현상을 시각적으로 확인하기 위하여 광학현미경을 사용하여 흙 시료의 분리 이미지를 획득하였다. 실험에 사용된 광학장비는 OMAX 사의 OMB-RZT90 장비이다. 작동원리로는 시료판의 상부측에서 고휘도 LED 광원을 투사하여 반사되는 광학 이미지를 시료판 상부의 카메라 장치를 통하여 디지털 영상으로 획득하고 장치의 LCD 모니터에 표시하며 동시에 USB 케이블을 통해 컴퓨터로 전송하여 영상 이미지를 저장한다(Fig. 5).

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Fig. 5.

Optical microscope.

실험에서는 각 체(#4, #10, #16, #30, #40, #60, #100, #200)에 남은 흙 입자를 광학현미경의 시료판 위에 올리고 스포이드로 물을 가하여 10분간 경과 후 광학현미경으로 확대하여 흙 시료의 분리된 모습을 획득하였다(Fig. 6). 흙 입자의 크기는 Fig. 6의 영상 이미지 좌측에 표시된 눈금의 크기를 참조하여 확인할 수 있다. 한 눈금의 크기는 1 mm 이다. 영상 이미지 분석결과, 흙 입자에 물을 가하기 전의 이미지에서는 육안으로 평가하기에는 한 개 덩어리의 흙입자로 판단되었으나 물을 가한 후에는 흙 입자들이 여러개의 작은 입자로 분리되었다. 이러한 현상은 점성토에 물이 침투됨에 따라 입자가 분리되는 슬레이킹(slaking)이 발생되었기 때문이며, 동시에 면모구조에서 분산구조로 구조적 변화가 발생된 것으로 판단된다. 입자분리 현상은 #4 체부터 #200 체 까지 모든 체에서 나타났으나, #200 체와 같이 입경이 작은 흙일수록 입자분리의 양이 작게 나타나는 경향을 보였다. 이러한 결과는 Fig. 3의 흙무게 감소 결과와도 일치하며 물 세척의 영향으로 입자가 분리된다는 것을 보여준다.

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Fig. 6.

Photographs of immersed soil.

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Fig. 7.

Soil weight changes after water washing.

입도분포 변화와 특성

선행실험에서는 물 세척 전후의 각 체에 남은 흙무게가 변화되고, 그 원인은 물 세척에 의해 흙입자가 분리되기 때문임을 영상 이미지 분석을 통하여 시각적으로 확인할 수 있었다. 그러나, 물 세척 전후에 대한 흙 전체의 입도분포는 비교하지 못하였다. 물 세척 후의 입도분포 확인을 위해서는 모든 흙을 #4 체로 물 세척하고 통과된 흙은 모두 #10 체에 담겨 물 세척 되어야 하며 순서대로 #16, #30, #40, #60, #100, #200 체에 담겨 물 세척되어 건조 후 각 체에 남겨진 흙무게를 측정하여야 한다. 이와 같은 조건을 만족하는 체분석을 수행하기 위하여 선행실험의 조건과 동일하게 0.075 mm 체로 물 세척을 하지 않은 건조된 YC-11부터 YC-20 까지의 10개의 시료를 준비하고 #4, #10, #16, #30, #40, #60, #100, #200 체를 이용하여 물 세척 하지 않은 흙 시료와 물 세척한 흙 시료의 체분석을 10회 수행하였다. 물 세척된 각 체의 흙은 노건조 하여 무게를 측정하였고 물 세척 이전의 무게와 비교하였다(Fig. 7). 물 세척은 선행실험과 동일한 방법으로 수행되었다. 물 세척으로 인한 흙무게는 #4, #10, #16, #30 체에서 감소하였고 반대로 #40, #60, #100, #200, 팬(Pan)에서 증가하였다(Fig. 8). 이러한 결과는 10개 시료 모두에서 동일하게 나타났다. 분석결과, 물 세척으로 인한 흙무게 감소량은 #10 체에서 가장 크게 나타났으나 흙무게의 감소율은 #4 체에서 가장 크게 나타났다. 반면, #200 체를 통과하여 팬에 남겨진 흙의 무게가 가장 많이 증가하였고 동시에 흙무게의 증가율도 가장 크게 나타났다(Fig. 9). 이러한 결과는 물 세척을 수행하는 것이 세립토의 함량이 실제보다 과소평가 되는 것을 막을 수 있는 효과적인 방법임을 의미한다. 일반적으로 흙속에 포함된 세립토의 양이 많을수록 지반의 강도 확보에 불리하게 작용되는데, 물 세척 수행으로 인해 세립토의 양을 보다 정확히 알 수 있으며 흙의 실제 입도분포를 정확히 파악할 수 있는 장점이 있다.

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Fig. 8.

Soil weight decrease after water washing.

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Fig. 9.

Soil weight change rate after water washing.

입자손실과 입도변화 지표

체가름 후 흙 입자의 무게를 측정하면 입도분포를 알 수 있다. Fig. 7의 결과로부터 물 세척 전후의 입도분포곡선을 작성하여 그 특성을 분석한 결과, 물 세척 전 체가름 결과를 이용한 입도분포곡선은 아래쪽에, 물 세척 후의 입도분포곡선은 상대적으로 위쪽에 나타났다(Fig. 10). 또한, 모든 체의 크기에서 통과중량백분율이 증가하였다. 이러한 경향은 10개 시료 전체에서 동일하게 확인되었다.

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Fig. 10.

Changes in grading curves after water washing.

한편, Fig. 10의 입도분포곡선의 결과는 흙 입자의 파쇄 전후에 나타나는 입도분포곡선의 변화와 유사한 형태로 나타났다. 그러므로, 물 세척시 나타나는 입도분포의 변화를 입도분포곡선의 분석을 통한 입자파쇄의 지표와 같이 나타낼 수 있다. 흙이 외력을 받으면 입자가 파쇄되어 더 작은 입자로 분리되는데 이러한 현상을 입자파쇄(particle crushing)라 한다. 입자파쇄가 발생되면 입자파쇄 전후의 입도분포곡선을 분석하여 입자파쇄의 정도를 지표로 나타낼 수 있다(Fig. 11). 입자파쇄 지표는 입자파쇄에 의한 세립분(0.075 mm)의 증가량(Fc=Fc'-Fc), 임의 입경(0.25 mm)의 증가량, 입자파쇄 전후 입도분포곡선 CC'사이의 최대 통과율 폭(BM), 평균입경(D50)의 변화 등으로 나타낼 수 있다. Lee and Farhoomand (1967)은 배수용 필터재료로 사용되는 입자의 크기가 통과중량백분율 15%에 해당하는 D15를 기준으로 한다는 점을 고려하여, 파쇄 전후의 D15의 입경비(BD=D15'/D15)로써 입자의 파쇄성을 표현하였다. 여기서 D15는 파쇄되지 않은 상태를, D15'는 파쇄상태를 의미한다. Hardin(1985)은 흙입자의 파쇄성을 입도분포곡선 CC'의 이동면적(A)으로 표현하였는데 이 때, 면적 산정시 입자의 크기가 #200 체보다 작은 입자들의 파쇄량은 많지 않다고 간주하였다. Lade et al.(1996)Hazen(1982)이 제안한 투수계수 산정식이 유효경(D10)을 기준으로 하고 있어, 입자의 파쇄성을 투수계수의 산정에 적용 가능하도록 하기 위해 파쇄계수 B10(=1-D10(final)/D10(initial))을 제안하였다.

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Fig. 11.

Indexes of particle crushing.

본 연구에서도 물 세척시 나타나는 입도변화를 분석하기 위하여 YC-11부터 YC-20까지의 10개 시료에 대한 실험 결과를 바탕으로 입자파쇄 지표를 차용하여 입도변화 지표값을 산정하였다. 설정된 지표는 총 5가지이며 세립분의 증가량, 임의 입경(0.25 mm)의 증가량, 입도분포곡선의 최대통과율폭, 입도분포곡선의 이동면적, 그리고 평균입경의 감소량이다. 10개 시료의 실험결과의 평균을 구하여 지표값을 산정한 결과, 물 세척에 의한 입도변화를 나타낼 수 있었으며 산출된 지표값은 입경의 변화를 나타내는 신뢰할만한 분석 방법으로 판단되었다(Table 1). 산출된 지표값을 분석한 결과 0.075 mm (#200)의 통과율은 물 세척 전 1.78%에서 물 세척 후 15.45%로 13.67% 증가하였고, 0.25 mm (#60)에서의 통과율은 7.43%에서 26.87%로 19.44% 증가하였다. 입경에 따른 통과중량백분율의 차이(P)는 위로 볼록한 형태로 나타났고 최대통과율의 폭(BM)은 #30 체에서 발생되었는데 16.72%에서 37.80%로 증가하여 21.08%로 나타났다(Table 2, Fig. 12). 이러한 결과는 #30 체의 입경(0.6 mm)을 입도변화 지표의 한 요소로 나타낼 수 있음을 의미한다. 입도분포곡선 CC' 사이의 이동면적은 가로축의 입경과 세로축의 통과중량백분율을 곱하여 나타낼 수 있으며 69.28% ‧ mm로 확인되었다. 평균입경(D50)은 물 세척 전 1.688 mm에서 물 세척 후 1.025 mm로 0.663 mm가 감소되었다.

Table 1.

Indexes of changes in grading curves after water washing

Index Increase of
0.075 mm passing
(%)
Increase of
0.25 mm passing
(%)
Maximum passage
width (BM)
(%)
Moving area
(A)
(% ‧ mm)
Mean particle diameter
(D50) decrease
(mm)
Result (mean) 13.67 19.44 21.08 69.28 0.663
Table 2.

Change in grading curve of each sieve after water washing

Sieve #4 #10 #16 #30 #40 #60 #100 #200
P (mean, %) 3.76 14.40 19.27 21.08 20.62 19.44 16.90 13.67

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Fig. 12.

Difference in percent passing after water washing.

한편, 흙의 공학적 분류에서 조립토와 세립토의 양에 따라 전혀 다른 공학적 성질의 흙으로 분류될 수 있으며, 흙의 종류와 상태에 따라 지반공학적 문제를 해결하기 위한 대처 방법도 달라진다. Fig. 13에서 물 세척으로 인해 #200 체를 통과한 흙의 무게는 평균적으로 13.67%가 증가되었다. 이러한 결과로 부터 KS F 2302에서 언급한 흙 시료에 대한 물 세척 규정을 따르지 않을 경우 #200 체를 통과하는 세립토의 무게는 작게 평가되고 반대로 조립토의 무게는 크게 평가된다는 것을 알 수 있다. 흙 속에 존재하는 세립토의 양에 따라 흙 전체의 공학적 특성이 달라지므로 세립토의 양과 비율을 정확하게 파악하는 것은 매우 중요하다. 입도 시험 방법에 관한 KS F 2302의 규정에 따라 물 세척을 수행할 경우 세립토의 양과 흙의 입도분포를 보다 정확히 알 수 있다.

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Fig. 13.

Change in the percentage of soil passing the #200 sieve after water washing.

고 찰

점성을 나타내는 세립토가 존재하면 흙입자를 상호 결합시킨다. 건조된 흙의 경우 점토의 면모화가 증진되어 결합력이 강해지고 반대로 물과 접촉 할 경우 점토 입자는 결합력이 약해지고 분리된다. KS F 2302에 언급된 흙 시료의 물 세척 규정도 전술한 바와 동일한 현상을 전제하고 있다. 본 연구에 사용된 화강풍화토 시료는 물 세척 후 #200 체를 통과한 세립토가 평균 15.45% 존재하여 점성에 의한 결합력이 발휘된 것으로 판단된다. 화강풍화토가 아닌 다른 성인에 의해 생성된 흙에서도 흙의 점성이 결합력에 영향을 미치는 주요 요소로 예측되나 다른 성인 및 세립토의 종류와 함유량 차이 등에 따른 입자분리의 영향은 확인하지 못하였다. 또한, 물 세척시 입경 변화에 대한 기존연구가 활발히 이루어지고 있지 않아 연구 결과의 비교 분석에 한계점이 존재한다. 이와 관련하여 추가적인 연구의 필요성이 존재한다.

결 론

한국산업표준 KS F 2302의 흙의 입도 시험방법에는 물 세척을 수행하여 흙의 입도를 분석한다. 본 연구에서는 경상북도 예천지역에서 채취된 화강풍화토에 대하여 물 세척을 수행하고 물 세척 전후의 입도변화를 분석하였다. 대상 흙의 입경은 2 mm 체 통과 및 0.075 mm 체 잔류분의 흙을 대상으로 하였다. 물 세척 후에 남은 흙무게의 양은 감소하였으며 광학 현미경을 이용한 영상 이미지 분석을 통해 물에 의해 입자가 분리됨을 알 수 있었다. 물 세척 전후의 입도분포곡선의 비교에서 물 세척 후의 입도분포곡선은 물 세척 전의 입도분포곡선에 비해 위쪽에 나타났다. 이러한 결과는 물 세척시 흙입자가 분리되어 입경이 더 작은 흙으로 분리되었기 때문이며 모든 체에서 확인되었다. 물 세척으로 인한 입도분포의 변화 특성은 입도변화 지표값으로 나타낼 수 있는데 본 연구에서는 세립분의 증가량, 임의 입경의 증가량, 입도분포곡선의 최대통과율폭, 그리고 입도분포곡선의 이동면적과 평균입경의 감소로 나타내었다. 분석한 결과 세립분(0.075 mm)의 증가량은 13.67%, 임의 입경(0.25 mm)의 증가량은 19.44%, 입도분포곡선의 최대통과율폭(BM)은 #30 체에서 21.08%가 증가되었고 입도분포곡선의 이동면적(A)은 69.28% ‧ mm로 분석되었으며 평균입경(D50)은 0.663 mm가 감소되었다. 전반적으로 입도분포곡선의 이동이 클수록 산출된 지표값의 변화도 크게 발생됨을 알 수 있다. 특히, #200 체 통과 흙의 증가는 세립토의 증가를 의미하고 흙의 분류와 공학적 성질을 판단하는데 중요한 영향을 미치므로 물 세척한 흙의 입도시험은 세립토의 양을 정확히 파악할 수 있는 효과적인 방법이며 입도분포곡선을 이용한 흙의 특성을 분석하는데 매우 유용한 방법으로 판단된다.

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