이온농도에 따른 점토의 소성변화 및 점토사면 안정성 평가

Abstract

점토입자는 일반적으로 높은 비표면적과 음의 표면전하를 띄고 있으며, 간극수와 결합하여 이중층(double layer)을 형성한다. 이중층수의 형성은 기본적으로 전기적 인력에 의해 형성되므로 점토입자 이중층수의 두께는 간극수의 이온농도 변화에 영향을 받는다. 이중층수 두께의 변화는 점토입자의 배열이나 점토입자 사이의 간격을 변화시키기 때문에 점토지반의 체적, 강도(strength), 강성(stiffness), 소성성(plasticity) 등 여러 지반 물성치에 영향을 끼치게 된다. 본 연구에서는 대표적인 점토광물인 일라이트, 카올리나이트, 벤토나이트의 이온농도에 따른 소성성의 변화를 고찰하기 위하여 액성한계 시험을 초순수부터 2M 까지 진행하고 이에 따른 점토 종류별 액성한계의 경향 파악을 통하여 점토의 소성성에 대하여 논의하였다. 또한 원자가(ionic valence)가 액성한계에 끼치는 영향을 고찰하기 위하여 NaCl과 CaCl2을 이용하여 이온농도를 조절하였다. 또한 이온농도가 점토지반의 사면안정에 끼치는 영향을 고찰하기 위한 수치해석 모델은 COMSOL Multiphysics을 이용하였으며, 사면안정 해석 모델에 경험식을 이용한 내부마찰각 추정식을 적용하여 이온농도에 따른 사면의 안정성 평가를 진행하였다. 사면안정해석은 강도감소기법(Shear Strength Reduction Method)을 사용하였다. 액성한계 시험 결과 이온농도가 증가할수록 시료의 액성한계는 감소하는 경향을 보였으며, 카올리나이트와 벤토나이트의 경우 원자가에 따른 감소 정도 차이가 다르게 나타났다. 수치해석 결과 이온농도가 증가할수록 점토사면의 Strength Reduction Factor(SRF)는 증가하였다. 본 연구에서 산정된 실험결과 및 수치해석 결과를 통하여 이온농도의 변화가 점토의 액소성한계 및 점토를 포함한 사면의 안정성에 끼치는 영향을 보였으며, 점토가 많이 포함된 사면에 대한 안전율 평가에 이온농도의 변화에 따른 강도정수가 고려되어야 함을 보여준다.