2.1 실험 조건

낙동강 하구 지층 구조는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 일반적으로 부지 조성을 위한 매립토층, 상부 모래층, 중간 점토층, 하부 모래·자갈층 및 기반암의 지층 구조로 되어있다. 여기서 중간 점토층은 불투수층으로 작용하며, 하부 모래·자갈층은 투수계수가 커서 동수경사에 따른 흐름이 발생하는 지층이다. 하부 모래층은 불투수층인 점토층 아래에 있어 지형적 특성 또는 지하수위의 조건 등에 따라 피압이 작용할 수 있다. 본 연구에서는 피압의 작용에 따른 지반개량체의 역학적 특성을 알아보기 위해 낙동강 하구에 위치한 하부 모래층과 중간 점토층 시료를 채취하여 실내실험에 사용하였다.

시료의 균질성을 위해 채취된 시료는 한번에 교반하였으며, 시료를 교반하기 전에 4번체(4.75 mm)로 체가름을 하여 자갈, 조개 등과 같은 불순물을 제거하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 모래 및 점토의 기본물성을 나타낸다. 모래의 초기 함수비는 25.8 %, 비중은 2.67이며, 통일분류법(USCS)에 의한 분류 결과 실트질모래(SM)으로 나타났다. 점토의 경우 초기 함수비 29.7 %, 액성한계 38.2 %이며, USCS 분류 결과 압축성이 낮은 점토(CL)로 나타났다.

Fig. 1. Soil Profile at Nakdong River Estuary

2.2 실험 방법

피압 크기에 따른 DCM 개량체의 역학적 특성을 알아보기 위해 피압 작용과 크기 제어가 가능한 일축압축강도 공시체용 피압 수조 실험 장비(Fig. 2(a))를 제작하였다. 공시체용 피압 수조는 높이 17 cm, 폭 66 cm, 너비 32 cm의 직육면체 형태로 아크릴을 이용하여 제작하였다. 공시체용 피압 수조는 상부 수조와 튜브로 연결되어 있으며, 상부 수조의 높이를 이용하여 피압의 크기를 조절할 수 있다.

실험 방법은 다음과 같다. 먼저 모래 및 점토 개량체를 각 배합비별로 교반하여 PVC 몰드에 성형한 뒤 피압 수조에 연결한다. 이후 피압 제어용 벨브를 열어 피압이 공시체에 작용하도록 하였다. 여기서, 공시체용 피압 수조는 공시체가 설치되는 바닥 부분에 공시체의 면적만큼 뚫려 있어 물의 흐름이 가능하며, 그물망(mesh gird)과 여과지(filter paper)를 설치하여 시료의 포설이 가능하면서 피압이 시료의 바닥 부분 전체에 작용할 수 있도록 하였다(Fig. 2(a)).

일축압축강도시험(KS F2314)을 위한 개량공시체의 크기는 직경 5 cm, 높이 10 cm이며, 피압을 받는 상태로 7일간 수중양생한 후 시험을 수행하였다. 시험은 공시체의 파괴 후(최대강도 이후) 종료하였으며, 하중의 제어 속도는 1 mm/min으로 하였다. 공시체는 총 3개씩 제작하여 실험적 오차를 저감하고자 하였다. 또한 피압 크기에 따른 각각 개량체의 무게를 측정하여 단위중량을 계산하였으며, 함수비(KS F 2306)의 변화를 알아보기 위해 실험 종료 후 시료를 채취하여 함수비의 변화를 측정하였다.

피압의 크기는 동수경사(hydrauric gradient, i=△H/L)를 바탕으로 두 지점간의 수위차를 이용하여 조절하였다. 실험에 적용한 피압의 크기는 Table 2에 나타난 바와 같이 0.1, 0.3, 0.5 및 5.0으로 하였다. 또한 비교군인 비피압 조건(i = 0.0)의 공시체를 제작하여 역학적 특성을 비교하였다. 모래 및 점토 지반의 초기 단위중량은 각각 18.0 kN/㎥과 17.0 kN/㎥이다. 시험용 시료의 배합은 DCM 개량 조건을 고려하여 물/시멘트 비율을 1.57:1로 하여 DCM 공시체를 제작하였다.

Fig. 2. DCM Specimen Under Various Artesian Pressures

3.1 개량체의 역학적 특성

Fig. 3은 피압 크기에 따른 공시체의 파괴 형상을 나타낸다. Fig. 3(a)에 나타난 바와 같이 피압이 작용하지 않은 공시체의 경우 파괴 균열이 주로 공시체의 중앙에서 발생하는 일반적인 전단파괴 거동을 보이는 것으로 나타났다. 반면 피압(i = 0.5)이 작용하는 공시체의 경우(Fig. 3(b)) 공시체의 하단부에서 파괴가 주로 발생하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 피압 작용으로 인해 공시체 하단부에 물이 침투하여 시멘트의 고화작용에 영향을 미쳐 나타난 결과로 판단된다. 즉, 비피압 상태의 공시체는 고화가 전체적으로 균등하게 이루어지므로 상재하중에 대한 저항이 잘 이루어지는 반면, 피압이 작용하는 공시체의 경우 공시체 하단부가 상대적으로 취약해져 강도 저하가 발생할 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 3. Failure Behavior of Specimens

Figs. 4 and 5는 각각 피압 크기에 따른 모래 및 점토 개량체의 일축압축강도 시험 결과를 나타낸다. 시험은 동일한 배합비로 제작된 공시체에 피압 크기를 서로 다르게 하여(i = 0.0, 0.1, 0.3, 0.5) 7일간 양생하였다. 각 피압 조건에서 양생된 시료는 3개이다. 양생된 공시체에 대하여 동일한 방법으로 일축압축강도 시험을 하였다.

각각 지반 및 피압 조건에 따른 실험 결과 일부 공시체의 경우에는 파괴 이후 거동 차이가 약간 있으나, 전반적으로 응력-변형 특성이 유사한 거동을 보였다. 모래 개량체의 경우(Fig. 4) 항복응력은 약 722 kPa∼415 kPa의 범위로 나타났으며, 파괴시 축변형률은 약 1.2~2.0 %의 범위를 보였다. 점토 개량체의 경우(Fig. 5) 피압의 크기에 따라 항복응력은 약 294 kPa∼172 kPa의 범위로 점차 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 6은 각 지반 조건에서 피압의 크기 변화에 따른 응력-변형 거동을 나타낸다. 피압이 증가함에 따라 최대 첨두응력의 크기가 감소하며, 파괴시 축변형률은 점차 증가하는 경향을 보였다. 또한 응력-변형 거동 형태는 피압이 작용하지 않는 개량체의 경우 뚜렷한 취성적인 거동(brittle behavior) 형태를 보였으나, 피압이 증가함에 따라 파괴시 축변형률이 점차 증가하는 연성적인 거동(ductile behavior) 특성을 보였다.

Fig. 4. Unconfined Compressive Test Results of Sand Mixture

Fig. 5. Unconfined Compressive Test Results of Clay Mixtures

Fig. 6. Stress-Strain Behavior Under Different Hydraulic Gradients

Fig. 7은 피압 크기에 따른 각각 모래 및 점토 개량체의 할선탄성계수(E50)와 일축압축강도(qu)의 관계를 나타낸다. 여기서, 할선탄성계수는 개량체 압축강도의 0.5배에 해당하는 압축응력점의 접선 기울기로 계산하였다. 모래 및 점토 개량체의 할선탄성계수는 각각 일축압축강도의 약 100~146배 및 약 90~123배 정도의 범위를 갖는 것으로 나타났다. 또한 피압의 크기가 증가할수록 할선탄성계수와 일축압축강도 관계 그래프의 기울기가 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 피압이 작용함에 따라 개량체의 강도와 탄성계수는 함께 작아지나, 연성거동으로 탄성계수가 더 크게 감소한다는 것을 의미한다.

Fig. 8은 피압의 크기에 따른 모래 및 점토 개량체의 일축압축강도, 단위중량 및 함수비의 분포를 나타낸다. 비피압 조건을 기준으로 각 피압 크기에 따른 변화량을 살펴보면 일축압축강도와 단위중량은 피압의 크기가 증가할수록 선형적으로 감소하였으며, 함수비의 경우 점차 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 8(a)에 나타난 바와 같이 일축압축강도의 경우 모래 지반에서 피압의 크기가 증가함에 따라 약 10.2∼42.4 %, 점토 지반에서 약 7.5∼36.2 %의 범위로 감소하는 결과를 보였으며, 단위중량은(Fig. 8(b)) 각각 약 9.1 %와 11.6 % 가량 감소하였다. 또한 Fig. 8(c)에서 보는 바와 같이 모래 및 점토 개량체의 함수비는 피압이 커질수록 각각 약 15.9 % 및 21.8 % 가량 증가하는 결과를 보였다. 특히 동수경사가 0.1, 0.3과 같이 낮은 피압 조건에서보다 높은 피압(i = 0.5)에서 각 변화량의 기울기가 더 크게 나타나는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 피압의 크기가 증가함에 따라 공시체의 하단에서부터 물의 상향 침투가 크게 발생하여 시멘트의 수화반응이 상대적으로 저하된다. 이로 인해 피압이 압축강도 감소, 단위중량 감소 및 함수비 증가 현상으로 영향을 미친 것으로 판단된다.

피압에 의한 개량체의 용탈 현상을 확인하기 위해 Fig. 9와 같이 페놀프탈레인 용액을 이용하여 반응을 확인하였다. 이때 시료는 동수경사 0.5인 모래 개량체를 이용하였다. 페놀프탈레인(C20H14O4) 용액은 일반적으로 알칼리성인 콘크리트의 탄산화 현상을 측정하기 위한 방법으로 사용된다^{(Chun et al., 2008}; ^{Kim et al., 2008b)}. 시멘트가 혼합된 개량체의 염기 농도는 시멘트 수화물 중 20 % 이상을 차지하는 Ca(OH)2에 기인한다. 페놀프탈레인 용액은 염기성에서 붉은색으로 반응하므로 이를 통해 고화재의 유실 정도를 알 수 있다.

유입수(inflow water)의 경우 페놀프탈레인 용액에 대한 반응이 나타나지 않았으나, 에 의해 개량체를 통과한 후 나온 유출수(outflow water)에 페놀프탈레인 용액을 주입한 경우에는 붉은색으로 뚜렷히 반응하는 결과를 보였다. 페놀프탈레인 반응 실험 결과로부터 상향 침투로 인해 유출수의 일부가 개량체를 통과한 후 배출될 때 고화재 유실이 발생하였음을 알 수 있다. 이와 같이 피압 작용으로 인해 고화재 용탈 현상이 발생할 경우 시멘트의 고화 작용이 저하될 수 있으며 이러한 결과가 개량체의 강도 발현에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

Fig. 7. The Relationship Between Secant Modulus and Unconfined Compressive Strength

Fig. 8. Geotechnical Characteristics according to Artesian Pressure

Fig. 9. Phenolphtalein Reaction Result

3.2 SEM 특성

에트린자이트(ettringite, 3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O)는 시멘트의 초기 수화반응(경화반응)시 생성되는 반응 산물로서 에트린자이트 생성은 개량체의 강도를 증가시키고 수축 작용을 방지하는 아주 중요한 광물이다. 본 연구에서는 피사체의 심도가 깊고 배율이 커 입체적인 화상을 얻을 수 있는 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 Fig. 10과 같이 비피압 조건 및 피압 조건에 따른 개량체의 입자구조 및 결합상태를 확인하였다.

SEM 촬영을 통해 피압의 작용 유무에 따른 개량체의 입자 구조를 확인한 결과 피압이 작용하지 않은 개량체의 경우 에트린자이트의 형성이 입자 사이에 고루 형성되어 있는 반면, 피압이 작용한 개량체(i = 0.5)의 경우 에트린자이트가 부분적으로 형성되어 있으며 특히 입자 사이사이에 공극이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 피압 작용시 개량체 입자 사이에 물이 침투되어 고화재가 부분 유실됨으로써 에트린자이트의 형성과 입자간의 결속을 저해하여 나타난 결과로 판단된다. 또한 3.1절에서 설명한 피압이 작용하는 개량체의 함수비 증가와 강도 및 단위중량 감소 결과와도 연관된다.

Fig. 10. SEM Result

3.3 피압에 의한 보일링(boiling) 현상

피압이 작용하는 지층에 지반개량공사를 위해 드릴링(drilling) 등을 통한 교반을 실시할 경우 피압에 의해 부분적으로 큰 동수경사가 발생할 수 있으며, 이로 인해 지반의 보일링(boiling) 현상이 발생할 수 있다. 보일링은 사질토 지반에서 지하수가 바닥면으로 모래와 함께 솟아오르는 지반 융기 현상으로 주로 지하수위의 차이가 높은 연약 사질토 지반에서 발생한다. 지반굴착시 지하수위 등에 의해 물이 유입되어 보일링이 발생하게 될 경우 지반의 크고 작은 붕괴 사고 등이 유발될 수 있으므로 이에 대한 예방 및 검토를 수행하여야 한다^{(Ham, 2019}; ^{Kim et al., 2017}; ^{Seong et al., 2011)}.

Fig. 11은 상대적으로 높은 피압(i = 5.0)에서 발생한 보일링 현상으로 상향으로 유출된 공시체의 일부분이다. 개량체에 피압이 크게 작용한 결과 시료의 일부가 보일링되어 유실되었으며(Fig. 11(a)) 이로 인해 개량체의 압축강도 시험이 불가능한 상태(Fig. 11(b))가 되었다. 이와 같이 순간적으로 아주 큰 피압이 작용할 경우 시료의 유실이 크게 발생하며, 지반 개량이 원활하게 이루어지지 않을 수 있으므로 주의해야 한다.

본 연구에서는 실내실험을 통해 피압이 개량체의 역학적 특성에 미치는 전반적인 경향을 실내실험을 통해 알아본 것으로 지반공학적 거동 특성을 예측하기 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 본 연구에서는 대상 지역에서 부분적으로 채취된 시료를 사용하여 실내실험을 수행하였으므로 일반화하기에는 한계가 있다. 따라서 현장의 지층 조건 및 피압의 작용 방법 등 추가적인 실험 및 분석을 수행해야 할 필요가 있다.

Fig. 11. Boiling Effect Under a High Hydraulic Gradient