Sabkha층 탄산질 모래의 삼축압축시 입자파쇄로 인한 응력경로 특성

Characteristics of the Stress Path of a Sabkha Layer Consisting of Carbonate Sand, as Obtained by the Triaxial Test after Particle Crushing

Abstract

아랍에미리트연합(UAE)의 Ruwais지역 Sabkha층 탄산질 모래는 석영질 모래와는 구성성분이 다르며 낮은 외부하중에서 쉽게 입자파쇄가 발생한다. 이러한 지반은 상부하중으로 인한 입자파쇄를 유발하여 추가 침하가 발생하며 전단강도가 감소하게 된다. 이러한 문제에 대한 구체적인 연구를 위하여 표준압밀시험과 삼축압축시험을 수행하여 탄산질 입자의 파쇄에 대한 다양한 공학적 특성을 분석하고자 하였다. 그 결과 탄산질 모래는 선행입자파쇄 정도에 따라서 파괴시 전단 응력의 크기가 다르게 나타났다. 즉, 응력경로를 나타내는 p-q 다이어그램에서 p' > p인 경우가 발생하였으며, 이때 내부 공극이 외부로 노출되어 음(-)의 간극 수압이 발생되었다. 또한, 입자파쇄로 인하여 증가하던 q값이 감소하였다. 삼축압축시험결과 탄산질 모래의 선행입자파쇄 정도에 따라서 압축시 발생되는 간극수압의 형태가 다르게 나타나 Sabkha층 탄산질 모래의 입자파쇄시 나타나는 다양한 거동특성을 알 수 있다.

The composition of carbonate sands from a sabkha at Ruwais in the UAE differs from that of silica sand, and these sands are crushed easily under low compression pressures. Accordingly, particle crushing of carbonate sand occurs under high pressure, which results in additional settlement and reduces the shear strength. In this study, consolidation and triaxial tests were conducted to analyze the characteristics of carbonate sands following particle crushing. The unusual shear strength graphs of the carbonate sands result from the degree of particle pre-crushing. For the range at p' > p in the p (p')-q diagram, negative (-) excess porewater pressures occur if the axial pressure causes particle crushing that induces exposure of the inner voids. In addition, the q value decreased after particle crushing. In conclusion, the unusual characteristics of the carbonate sands were induced by particle crushing. The triaxial tests revealed that the degree of particle pre-crushing influenced the excess porewater pressure.

서 론

최근 중동지역의 개발과 성장에 맞물려 우리나라 건설사의 해외 진출이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 현지 지반에 대한 경험이 풍부하지 못하여 국내 기술자들에게 많은 어려움이 되고 있다. 본 연구의 대상인 Sabkha는 국내에 주로 존재하는 화강풍화토와는 공학적으로 많은 차이점이 있어 적절한 기초의 형식과 공법선정시 기술자들이 많은 어려움을 겪고 있다. 중동지역의 대표적인 연약지반인 Sabkha는 염분함량이 높고 전단강도와 지지력이 매우 작으며 동시에 고압축성을 나타낸다. 이러한 지반의 상부에 정유시설과 물류이동을 위한 철도 등의 큰 하중의 구조물이 축조될 경우 장기적인 큰 침하가 발생되어 구조물의 안전에 영향을 준다. 일반적으로 느슨한 Sabkha층 상부에 구조물 축조시 지지력과 침하가 토목설계 기준에 부합되지 않아 자연상태 그대로 구조물을 설치하기 어렵고, 파괴 가능성이 커 일반적인 조건에서도 그 위험도가 허용치를 초과한다는 보고가 있다(Khan and Hasnain, 1981; Dhowian et al., 1987; Al-Amoudi, 1992). 이와 같이 느슨한 Sabkha층의 낮은 지지력과 과도한 침하의 문제를 해결하기 위한 연구가 지속되었다. 대표적인 사례로 Sabkha층의 압축성을 감소시키기 위하여 선행재하(Pre-loading)를 실시하면 선행압축으로 인해 일차와 이차 압축침하가 감소한다는 연구결과(Al-Shamrani and Dhowian, 1997)가 있고, 인공적으로 결합된 탄산질 모래의 결합특성에 관한 연구(Huang and Airey, 1998), 지반의 강도증진을 목적으로 한 토목섬유(Geotextile)의 사용이 Sabkha층의 지반을 보강하는 효과가 있다는 연구가 있다(Aiban et al., 2006). 즉, 지반개량 및 지반보강 공법들이 제시되고 있다. 이들 연구는 외부공극을 감소시키거나 보강재와 입자 간의 마찰을 증진하여 지반을 안정화 시키고자 하였으나 하중 작용시 입자파쇄에 의한 흙 입자의 부피감소와 대변형 침하와의 관계에 대한 연구는 수행되지않았다. 본 연구에서는 전자주사현미경을 이용한 영상으로부터 입자의 형상과 크기에 대한 분석을 수행하였고, Sabkha층 탄산질 모래와 석영질 모래의 화학적 구성성분에 대하여 비교하였다. 또한, 표준압밀시험과 삼축압축시험을 통한 탄산질 모래의 응력-변형 특성과 입자파쇄 발생에 따른 응력경로(Stress path)의 특성을 분석하였고 그 결과를 기존 연구 결과들과 비교하여 Sabkha 지반의 중요한 거동특성인 입자파쇄 특성을 분석하였다.

 

현장지반 조건

표준압밀시험과 삼축압축시험에 사용된 Sabkha 시료는 Fig. 1에 나타낸 아랍에미리트연합(UAE)의 Ruwais 지역에서 채취되었다. Ruwais 지역은 유류저장 시설이 축조되는 현장으로 수도인 Abu Dahabi에서 남서쪽으로 약 250 km 지점에 위치하고 있으며, 석유 및 화학제품의 물류이동을 위한 철도시설 등이 계획되어 있다.

Fig. 1.Location of Ruwais in the UAE.

Ruwais 지역에 널리 분포되어있는 Sabkha층은 초기에 지표면에 노출되어 있었으나, 상부구조물 축조시 충분한 지지력의 확보를 위하여 현장 인근 바다에서 모래(Seabed층)를 5 m 두께로 준설하였다. 준설토층은 주로 패각류(Shell fragments)가 많이 포함되어 있었으며, 통일분류법(USCS)에서 SM으로 분류되었다. 준설성토가 완료되고 약 6개월 후에 조사된 Sabkha층의 지반조건은 Table 1에 보인바와 같이 공학적으로 매우 불리한 특성을 나타내었다. 지반조사시 Thin Wall Tube로 불교란 시료채취가 어려울 정도로 Sabkha층의 점착력이 거의 없고 200번체 통과량이 60~80%이며 표준관입시험(SPT)의 N치가 1~10으로 나타났다. 현장지반은 내부마찰각이 28°인 느슨한 사질지반으로, Peck은 내부마찰각이 28.5° 이하일 경우, Meyerhof는 30° 이하일 경우, 상대밀도가 20% 이하인 매우 느슨한 사질지반으로 규정하였다.

Table 1.Properties of the in situ Sabkha layer.

Table 2는 현장 하부지반의 지층분포와 지층별 특성을 나타낸 것이다. Sabkha층 하부의 원지반은 Cemented sandstone이나 Siltstone이 물리·화학적 작용으로 생성된 조밀한 모래질 암반으로 구성되었고 준설성토로 인하여 지하수위는 성토완료 후 GL-3.0 m에서 확인되었다.

Table 2.Geotechnical condition of the in situ Sabkha layer.

Ruwais 지역의 Sabkha 시료는 바다와 인접한 지형적인 조건으로 인하여 흙속에 패각류 등 다량의 유기물이 포함되었을 것으로 판단되었다. Kwag (1999)의 연구에 의하면 모래에 칼슘(Ca) 성분이 많을수록 흙 입자의 강도는 작아진다고 하였다. 따라서 Sabkha 흙의 유기물 함량 확인을 위해 KS F 2104의 규정을 적용하여 최대 910℃까지 온도를 상승시켜 열중량 분석을 수행하였다. 그 결과 Sabkha층에서 18.13%, 준설 성토층에서 23.17%의 다량의 유기물이 확인되어 낮은 압력에서도 입자파쇄가 발생될 것으로 판단되었다. 반면 주문진 표준사는 0.24%로 나타나 유기물 함량이 미미한 것으로 확인되었다.

 

입자파쇄 하중

Terzaghi et al. (1996)은 입자에 항복응력이 발생하면 흙의 구조가 깨지고 파열이 발생되어 입자간 결합이 깨진다고 하였다. Lee and Seed (1967)는 흙 입자의 압축과 파쇄에 대한 삼축압축시험을 수행하였고, Ismael (1993)은 해안모래의 용탈에 대한 연구를 수행하였다. Miura and O-hara (1979)는 화강암계 풍화 퇴적토인 화강풍화토, Golightly and Hyde (1988)와 Coop (1990)은 조개나 산호의 유해로 이루어진 카보네이트계 모래 등은 낮은 구속압에서도 입자 파쇄가 발생하고, 이로 인한 높은 압축성을 나타내기 때문에 입자파쇄가 강도 및 변형특성에 중요한 영향을 미친다고 하였다. 특히, 탄산질 모래(Carbonate sand)지반이나 석회질 모래(Calcarious sand)는 석영질 모래에 비하여 입자파쇄가 잘 일어난다.

입자파쇄가 발생하면 모래의 압축성은 현저하게 증가한다(Lee and Seed, 1967). Fig. 2와 같이 e-logp' 관계는 명확히 구분되는 점을 가진 곡선이 되며, 이 지점 이후의 직선 기울기는 정규압밀 점토의 e-logp' 직선 기울기와 근사하다. 이 지점은 압축에 있어서 압력과 간극비의 관계가 탄성영역에서 소성영역으로 이동할 때의 압축응력이다. Kwag (1999)은 이 지점을 압축항복응력(Pc)이라고 소개 하였으며, 모든 모래에서 항복응력의 위치는 입자파쇄가 현저히 발생되기 시작하는 위치와 거의 일치한다고 하였다. 이 방법에 의한 압축항복응력은 Casagrande (1936)에 의한 선행압밀압력보다 약간 작은 값을 나타낸다고 하였다. 본 논문에서는 편의상 압축항복응력을 Pc로 표기한다.

Fig. 2.Yield compression stress, Pc.

시료에 가해진 응력이 압축항복응력에 도달하면 입자파쇄가 발생한다. 탄산질 모래에서는 입자파쇄가 발생하면 급격한 침하가 발생되고 간극비도 감소하게 되어 입자파쇄 이전 하중에서의 최종침하량보다 더 큰 침하가 발생된다(Kim and Han, 2013).

현장에서 채취된 채취된 3개 시료의 표준압밀시험을 수행한 결과 각 시료의 압축항복응력(Pc)은 Fig. 3과 같이 GL-1.5 m에서 170 kPa, GL-7.0 m와 GL-7.5 m에서 80 kPa로 확인되었다.

Fig. 3.Yield compression stress of the sabkha.

 

입자파쇄 없는 모래의 거동

삼축압축시험시 일반적인 모래의 축변형에 대한 응력변화에서 느슨한 모래의 축차응력에 따른 거동은 극한응력으로 수렴되나, 촘촘한 모래의 경우 최대응력에 도달한 후 감소하여 극한응력으로 수렴한다. 간극수압의 변화에서 느슨한 모래의 경우 재하시 지속적인 부피감소에 따른 양(+)의 간극수압 증가를 보여주나, 촘촘한 모래의 경우 초기 부피감소에 따른 양(+)의 간극 수압을 보인 후 부피팽창으로 인한 음(−)의 간극수압이 나타난다.

Sabkha층 탄산질 모래는 석영질 모래와 비교하여 구성성분과 생성조건의 차이가 있으므로 삼축압축시 나타나는 결과와 특성에 차이가 존재한다.

 

Sabkha층 모래의 삼축압축 파괴시 모아원

본 연구의 대상인 Sabkha 모래의 특성을 분석하고자 지중 세 지점의 흙시료에 대하여 비배수 삼축압축시험(CU test)을 수행하였다. 시료 채취시 지반의 점착력이 낮아 불교란시료의 획득이 불가하여 교란시료를 사용하였다. 시료는 현장의 초기함수비와 현장밀도 조건을 고려하여 성형하였다. 초기함수비 GL-1.5 m에서 28.34%, GL-7.0 m에서 22.74%, GL-7.5 m에서 29.61%로 나타났다. 지하수위의 영향으로 GL-7.0 m와 GL-7.5 m의 위치는 포화영역으로, GL-1.5 m는 불포화 영역으로 확인되었다. 현장밀도는 GL-1.5 m에서 18 kN/m3, GL-7.0 m와 GL-7.5 m에서 15 kN/m3로 확인되었다. 시료의 초기구속압은 현장의 단위중량과 깊이로부터 산출된 연직응력에 횡방향토압계수(K)를 곱하여 결정되었으며, 횡방향토압계수는 일반적으로 사용되는 Jaky (1944)의 정지토압계수(K0)의 경험식을 적용하였다. 그 결과 초기구속압은 GL-1.5 m에서 13.5 kPa, GL-7.0 m와 GL-7.5 m에서는 같은 구속압 52.5 kPa을 적용하였다.

본 연구에서 수행된 삼축압축시험은 현장 지반조건에서 상부하중이 재하될 경우 지반의 파괴를 확인하고자 한 것이므로 초기 등방압축 후 축방향으로 축차응력을 증가시켜 시료의 파괴를 발생시켜 전단응력을 산출하였다. 축변형은 최대 15% 이상 지속되었고 간극수압이 동시에 측정되었다.

Fig. 4~Fig. 6은 Sabkha 탄산질 모래(GL-1.5 m, GL-7.0m, GL-7.5 m)의 파괴시 모아원(Mohr-circle)을 전응력과 유효응력으로, Table 3~Table 5는 그 결과를 표로 정리하여 나타낸 것이다. 삼축압축시험은 GL-1.5 m 시료에서 3회, GL-7.0m와 GL-7.5m 시료에서 2회 수행되었다

Fig. 4.Mohr-circle of Sabkha GL-1.5 m.

Fig. 5.Mohr-circle of Sabkha GL-7.0 m.

Fig. 6.Mohr-circle of Sabkha GL-7.5 m.

Table 3.Total stress and effective stress of the Mohr-circle for sabkha GL-1.5 m.

Table 4.Total stress and effective stress of Mohr-circle of Sabkha GL-7.0 m.

Table 5.Total stress and effective stress of the Mohr-circle for sabkha GL-7.5 m.

Fig. 7은 3개의 Sabkha 시료에 대한 파괴시 모아원전응력(Fig. 7(a))과 유효응력(Fig. 7(b))으로 나타낸 것이다. 일반적인 흙시료의 삼축압축 결과는 초기구속압이 증가하면 파괴시 전단응력이 증가하지만, Fig. 7의 Sabkha층 탄산질 모래의 경우 초기구속압이 13.5 kPa(GL-1.5 m)에서 52.5 kPa(GL-7.0 m, GL-7.5 m)로 증가하였으나 최대주응력은 오히려 감소하여 파괴시 전단응력은 오히려 감소하였고(Table 6), Fig. 7(b)의 GL-1.5 m에서는 유효 최소주응력(σ3')이 음(−)의 값을 갖는 독특한 결과가 나타났다. 초기구속압의 증가에도 불구하고 전단응력이 오히려 감소하는 현상은 전응력 상태와 유효응력 상태에서 모두 동일하게 확인되었다. 이러한 결과는 축차응력 증가시 발생된 입자파쇄가 주요한 원인으로 판단되며, 탄산질의 모래는 압축항복응력의 결과에서 확인된 바와 같이 선행입자파쇄가 심할수록 삼축압축시험에서의 파괴시 전단응력 즉 전단강도가 감소함을 알 수 있다.

Fig. 7.Mohr-circle for sabkha sand.

Table 6.Shear stress of sabkha sand depending on the initial conditions.

 

일반적인 삼축압축시험의 응력경로

표준삼축압축시험의 응력경로(Stress path)는 배수조건에 따라 전응력경로(Total stress path, TSP)와 유효응력경로(Effective stress path, ESP)가 다르게 나타난다. 전응력경로는 와 에 의해, 유효응력경로는 와 에 의해 결정되며 q′는 q와 같은 값을 가진다. 정규압밀점토에 대한 압밀비배수(CU)시험에서 유효응력경로(ESP)는 전응력경로(TSP)의 좌측상향으로 휘어진다. 과압밀점토의 압밀비배수(CU) 시험에서 유효응력경로는 전응력경로의 좌측에 존재하지만 우측상향으로 휘어진다. 그리고 점토의 압밀배수(CD) 시험에서는 간극수압이 항상 ‘0’이 되므로 전응력경로와 유효응력경로는 일치한다.

 

파쇄성 탄산질 모래의 응력경로

최초입자파쇄(GL-1.5 m)

Fig. 8은 GL-1.5 m의 삼축압축시험 결과를 전응력경로(TSP)와 유효응력경로(ESP)를 나타낸 것이다. Sabkha층의 탄산질 모래 중 지표에서 채취한 모래는 선행입자 파쇄가 발생되지 않았다.

Fig. 8TSP & ESP of Sabkha GL-1.5 m.

Fig. 8의 응력경로 결과는 일반적인 삼축압축시험의 응력경로 결과와 차이를 나타내었다. 즉, 압밀비배수(CU)시험에서 유효응력경로(ESP)는 전응력경로(TSP)의 좌측상부에 나타나는 것이 일반적인데, Sabkha GL-1.5 m 시료에서는 응력경로의 일부구간에서 유효응력경로(ESP)가 전응력경로(TSP)의 우측하부에 나타났다. 이러한 결과는 Sabkha층 탄산질 모래에서 발견된 독특한 특성으로 판단되며, 수직응력의 증가로 인한 입자파쇄가 주요한 원인으로 판단된다. Fig. 8에서 유효응력경로(ESP)가 전응력경로(TSP)의 우측하부에 나타나는 범위 즉, p (p') 축상에서 p' > p 영역을 나타내면 Table 7과 같고 영역의 범위는 21.42~22.55 kPa로 나타나 p' > p 영역의 범위가 탄산질 입자의 파쇄지표 및 내부공극노출 지표가 될 수 있을 것으로 판단된다.

Table 7.Zone of p' > p in the p (p')-q diagram for GL-1.5 m.

삼축압축시험시 축변형에 따른 간극수압의 부호가 바뀌는 경우는 조밀한 모래와 과압밀 점토의 경우이며, 초기에 양(+)의 간극수압을 나타낸 후 변형이 증가됨에 따라 음(−)의 간극수압을 나타난다. 그러나 Fig. 8과 Fig. 12~Fig. 14에서 확인된 GL-1.5 m의 탄산질 모래의 삼축압축시 축변형에 따른 간극수압은 Fig. 9와 같이 나타났으며, 초기에 음(−)의 간극수압이 발생된 후 양(+)의 간극수압의 발생되었다. 즉, 조밀한 모래와 과압밀점토는 축변형 초기에 축차응력이 증가하여 간극비가 감소하고 간극수압이 증가되나, Sabkha GL-1.5m 시료는 Fig. 9와 같이 초기에 축차응력이 증가하였으나 오히려 간극비는 증가하여 간극수압이 음(−)의 값을 나타내었다. 이러한 결과는 Sabkha층 탄산질 모래에서 나타나는 매우 특별한 경우로 판단된다.

Fig. 9.Porewater pressure of GL-1.5 m.

음(−)의 간극수압이 발생된 GL-1.5 m(준설토층) 시료의 입자파쇄로 인한 변화를 확인하기 위하여 Fig. 10과 같이 전자주사현미경(SEM) 영상을 측정하였다. Fig. 10(a)는 입자파쇄가 발생되지 않았으나, Fig. 10(b), (c)에서 입자들이 파편화되어 나타났고 파쇄면에서 입자 내부의 공극들이 외부로 노출되어 삼축압축시 음(−)의 간극수압이 나타났다.

Fig. 10.SEM image of GL-1.5 m.

한편, 삼축압축시험의 결과 중 축변형에 따른 간극수압과 축차응력의 변화는 Fig. 12~Fig. 14와 같고, p' > p 범위를 타나낼 수 있다. 그런데, 축변형과 간극수압의 관계를 타나내는 Fig. 12(a), Fig. 13(a), Fig. 14(a)에서 음(−)의 간극수압이 나타나는 범위는 Fig. 8과 Table 7의 p' > p 범위와 정확히 일치하였다(Table 8). 즉 p' > p 가 성립될 수 있는 조건은 간극수압이 음(−)의 값을 나타낼 때이며, 음(−)의 간극수압 발생은 곧 입자파쇄로 인한 것이다. 탄산질 모래는 Fig. 11과 같이 입자내부에 공극을 포함하고 있으며 입자파쇄시 내부공극이 외부로 노출되면서 공극사이로 물이 흡수된다. 그러므로 음(−)의 간극수압 발생과 p' > p의 결과는 곧 입자파쇄의 영향으로 볼 수 있다.

Fig. 11.Particle crushing and void change.

Fig. 12.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-1.5 m from 1st test.

Fig. 13.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-1.5 m from 2nd test.

Fig. 14.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-1.5 m from 3rd test.

Table 8.Comparison of p' > p and the negative porewater pressure zone for GL-1.5 m.

Fig. 12(a), Fig. 13(a), Fig. 14(a)에서 입자파쇄가 발생되어 음(−)의 간극수압을 나타내는 영역을 축변형과 축차응력 관계 그래프에 나타내면, Fig. 12(b), Fig. 13(b), Fig. 14(b)와 같고, Table 7의 p' > p의 영역과 정확히 일치하였다. 그러므로 p' > p 영역과 음(−)의 간극수압이 발생되는 축변형 영역은 일치하며 Table 8와 같이 나타낼 수 있다.

추가입자파쇄(GL-7.0 m, GL-7.5 m)

GL-7.0 m와 GL-7.5 m의 시료는 선행입자파쇄가 발생되어 입자가 매우 미세하며 지지력이 매우 작다. Fig. 15~Fig. 17은 GL-7.0 m 시료의 삼축압축시 전응력경로(TSP)와 유효응력경로(ESP)를 나타낸 것이다. 2회 시험한 결과 전응력경로(TSP)의 q와 유효응력경로(ESP)의 q' (= q)가 모두 증가한 후 감소하였다. 이는 내부응력 감소와 입자파쇄 발생으로 인한 급격한 부피감소가 원인인 것으로 판단된다. 일반적인 석영질 모래에서는 축차응력 증가시 응력경로의 q와 q'가 감소되는 특성이 나타나지 않으며, Sabkha층 탄산질 모래의 응력경로에서 나타나는 독특한 현상이다.

Fig. 15.TSP & ESP of sabkha GL-7.0 m from 1st test.

Fig. 16.TSP & ESP of sabkha GL-7.0 m from 2nd test.

Fig. 17.TSP & ESP of sabkha GL-7.0 m.

p (p')-q 다이어그램에서 q값은 첫 번째 시험에서는 27.80 kPa의 최대값을, 두 번째 시험에서는 29.77 kPa의 최대값을 나타낸 후 감소되었다. 이와 같은 결과는 GL-7.0 m 시료에 수직응력이 증가될 경우 값이 감소될 수 있음을 나타내는데, 일반적인 흙의 응력경로에서는 q값의 감소에 대한 설명이 불가하다. 즉 수직응력 증가시 발생된 q값의 감소는 Fig. 7과 Fig. 11의 설명과 같이 입자파쇄로 인한 응력감소와 관련된 것으로 볼 수 있다.

삼축압축시 Sabkha GL-7.0 m 시료의 축변형에 따른 간극수압과 축차응력의 변화는 Fig. 18~Fig. 19와 같다. 축변형 증가에 따른 간극수압의 변화는 GL-1.5 m 시료의 간극수압 변화(Fig. 12(a), Fig. 13(a), Fig. 14(a))와 비교하여 특이할만한 변화 없이 점진적으로 증가 하였고 간극수압 변화에서는 입자파쇄 발생을 확인하기 어려웠다. 이것은 GL-7.0 m 및 GL-7.5 m의 탄산질 모래의 경우 이미 선행입자파쇄가 발생하였으므로, 입자파쇄시 노출된 입자내부공극의 노출보다 외부공극의 감소로 인한 간극수압 증가가 현저히 크기 때문이다. 그러나 입자파쇄가 발생한 것은 q값의 감소로 확인할 수 있다. Fig. 17의 입자파쇄로 인한 q값의 감소가 나타나는 지점은 축차응력과 축변형의 관계 그래프로 확인할 수 있으며, 최대축차응력이 55.60 kPa 일 때 최대 q값 27.80 kPa(Fig. 18(b))이, 59.55 kPa일때는 29.77 kPa(Fig. 19(b))의 최대 q값이 나타나고 이때 입자파쇄가 발생한다. 그 후 축차응력이 감소됨에 따라 q값도 점차 감소되었다. 또한, 입자파쇄가 시작된 지점의 축변형률은 0.89%(Fig. 18(b))와 2.08%(Fig. 19(b))로 확인되었다.

Fig. 18.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-7.0 m from 1st test.

Fig. 19.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-7.0 m from 2nd test.

GL-7.0 m 시료의 최대 q값과 최대축차응력 발생의 위치는 동일하며 q값 감소로 인한 입자파쇄 발생지점을 축변형률로 동시에 나타내면 Table 9와 같다(Fig. 18(b), Fig. 19(b)).

Table 9.Particle crushing occurrence of GL-7.0 m.

추가입자파쇄가 발생된 Sabkha GL-7.5m 시료의 삼축압축시험 결과 전응력경로(TSP)와 유효응력경로(ESP)는 Fig. 20~Fig. 22와 같이 나타났다. 2회 시험한 결과 GL-7.0 m 시료에서와 같이 전응력경로의 q값과 유효응력경로의 q' (= q)값 모두 증가한 후 감소하는 형태를 나타내었다.

Fig. 20.TSP & ESP of sabkha GL-7.5 m from 1st test.

Fig. 21.TSP & ESP of sabkha GL-7.5 m from 2nd test.

Fig. 22.TSP & ESP of sabkha GL-7.5 m.

p (p')-q 다이어그램에서 q값은 첫 번째 시험에서는 18.49 kPa의 최대값을, 두 번째 시험에서는 15.86 kPa의 최대값을 나타낸 후 감소되어 Sabkha GL-7.0m 시료에서와 같이 q값의 감소에 대한 일반적인 흙의 응력경로 형태로는 설명이 불가하며 이는 입자파쇄 발생으로 인한 응력의 감소로 인한 것임을 알 수 있다.

삼축압축시 Sabkha GL-7.5 m 시료의 축변형에 따른간극수압과 축차응력의 변화는 Fig. 23~Fig. 24와 같다. Sabkha GL-7.0 m 시료의 결과와 같이 점진적으로 증가한 간극수압의 변화(Fig. 24(a), Fig. 24(a))에서는 입자파쇄에 관한 특징을 확인할 수 없었으나, q의 최대값이 최대축차응력에서 나타남을 확인하였다.

Fig. 23.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-7.5 m from 1st test.

Fig. 24.Porewater pressure and deviatoric stress of sabkha GL-7.5 m from 2nd test.

GL-7.5 m 시료의 최대 q값과 최대축차응력 발생의 위치는 동일하며 q값 감소로 인한 입자파쇄 발생지점을 축변형률로 동시에 나타내면 Table 10과 같다(Fig. 23(b), Fig. 24(b)).

Table 10.Occurrence of particle crushing of GL-7.5 m.

 

삼축압축 거동 비교

Fig. 25는 Sabkha 3개 시료의 축변형에 따른 간극수압 및 축차응력의 변화를 동시에 나타낸 것이다. 일반적으로 석영질 모래에서는 축차응력의 증가가 클수록 간극수압도 상대적으로 크게 나타나는데 반하여 Sabkha 시료에서는 이와는 정반대의 결과가 확인되었다. 삼축압축시험에 대한 Sabkha층 탄산질 모래의 3가지 시료에 다한 시험결과를 Table 11에 정리한 결과, 가장 큰 축차응력(GL-1.5 m)에서 가장 작은 간극수압 발생되었고, 가장 작은 축차응력(GL-7.5 m)에서 가장 큰 간극수압이 발생되었음을 알 수 있다. 이러한 현상은 입자파쇄의 발생정도에 따라 간극수압이 변화되어 나타나기 때문이다.

Fig. 25.Porewater pressure and deviatoric stress change of the sabkha.

Table 11.Variable characteristics of carbonate sand following particle crushing.

이러한 결과를 바탕으로, 각 시료의 축변형에 따른 축차응력과 간극수압의 변화를 3차원 공간상에 나타내면 Fig. 26~Fig. 28과 같다. Sabkah층 탄산질 모래의 경우선행입자파쇄 정도에 따라서 εa-Δu-Δσ 관계가 다양한 형태로 나타나며 이러한 거동의 차이는 근본적으로 Sabkha의 생성조건에 기인하며, 외부하중 작용시 입자의 강도와 입자파쇄 발생시 내부공극의 노출 정도에 따라서 다양한 형태로 나타남을 알 수 있다.

Fig. 26.εa-Δu-Δσ relation of Sabkha GL-1.5 m.

Fig. 27.εa-Δu-Δσ relation of Sabkha GL-7.0 m.

Fig. 28.εa-Δu-Δσ relation of Sabkha GL-7.5 m.

 

결 론

본 연구에서는 Sabkha층에서 채취된 3가지 시료에 대하여 표준압밀시험 및 삼축압축시험을 수행하여 입자파쇄에 따른 탄산질 모래의 공학적 특성을 분석하였다. Sabkha층 탄산질 모래는 생성원인의 차이로 인하여 석영질 모래에 비해 입자파쇄가 쉽게 발생한다. Sabkha 시료는 패각류 파편의 퇴적으로 생성되어 삼축압축시험의 결과 석영질 모래와는 상이한 다양한 공학적 특징들이 나타났고, 입자파쇄시 발생된 내부공극은 간극수압 및 응력경로 등의 변화에 영향을 미쳤다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

1) Sabkha층 탄산질 모래는 내부공극을 포함하고 있어 입자파쇄시 내부공극이 외부로 노출되고, 노출된 내부공극은 시료의 공극을 도리어 증가시켜 음(−)의 간극수압이 발생될 수 있다. 그러므로 음(−)의 간극수압이 발생된 구간은 입자파쇄로 인한 내부공극 노출이 시료의 압축으로 인한 외부공극 감소보다 우세한 영역이다.

2) 삼축압축시 선행입자파쇄 여부에 따라 파괴시 모아원(Mohr-circle)의 전단응력이 달라진다. 즉, 선행입자 파쇄 정도가 작은 경우(GL-1.5 m) 시료가 큰 힘을 받을 수 있어 최대전단응력이 크게 발생하며, 선행입자파쇄 정도가 큰 흙의 경우(GL-7.0 m, GL-7.5 m) 최대전단응력이 상대적으로 작게 발생 되었다.

3) 선행입자파쇄가 없는 Sabkha층 GL-1.5 m 탄산질모래의 응력경로는 p' > p 구간에서 음(−)의 간극수압이 발생되었다. p' > p의 범위는 21.42~22.55 kPa로 나타났고, 이 범위는 음(−)의 간극수압이 발생한 축변형 1.50~2.90%의 영역과 정확히 일치 한다. 그러므로, p' > p의 범위에서 입자파쇄가 발생하며, p' > p 영역의 범위가 탄산질 입자의 파쇄지표 및 내부공극 노출의 지표가 될 수 있을 것이다.

4) 추가 입자파쇄가 발생된 GL-7.0 m, GL-7.5 m 시료의 경우 전응력경로의 q와 유효응력경로의 q'가 증가한 후 감소하였다. 이것은 축차응력이 증가한 후 감소한 지점과 정확히 일치하였다. 즉, p (p')-q 다이어그램의 q값의 감소는 입자파쇄로 인한 것이며 이는 탄산질 모래의 입자파쇄시 나타나는 특이한 공학적 특성이다.

5) Sabkha층 탄산질 모래의 삼축압축에서 파괴시 축차응력이 크게 나타날 경우 간극수압은 상대적으로 작게, 축차응력이 작게 나타날 경우 간극수압은 상대적으로 크게 나타나며, 이러한 현상은 탄산질 모래의 입자파쇄정도에 따른 것이다.

6) 삼축압축시 탄산질 모래는 석영질 모래와는 상이한 거동이 나타나므로 초기 생성조건과 입자파쇄 정도에 따라 응력, 변형 및 간극수압이 다양한 형태로 나타남을 알 수 있다. 그러므로 탄산질 모래의 상부에 구조물 축조시 현장지반의 입자파쇄 발생정도를 파악하기 위하여 정확한 실내시험이 선행될 필요가 있다.