Geotechnical Characteristics of a Waste Lime Embankment

부산물석회 성토지반의 지반공학적 특성

Abstract

This work investigated the geotechnical characteristics of an embankment constructed with a mixture of soil and waste lime. The waste lime was a by-product of the manufacture of Na₂CO₃ at a near by chemical factory in Incheon. Field measurements were take three years after construction, and included geotechnical tests such as field density measurement, plate loading testing, dynamic cone penetration testing, and field CBR measurement. The results indicate that the geotechnical characteristics of waste lime mixtures are suitable for embankment works.

연구에서는 부산물석회 혼합토를 이용하여 조성된 시험성토체에 대한 지반공학적 특성에 대하여 고찰하였다. 연구에 사용한 부산물석회는 인천의 화학공장에서 소다회(Na₂CO₃)를 생산하는 공정에서 부수적으로 발생하는 부산물이다. 현장조성 후 3년이 경과된 후에 시험성토체를 대상으로 현장밀도, 평판재하시험, 동적콘관입시험, 현장 CBR시험을 수행하였다. 시험결과로부터 성토재료로써의 부산물석회 혼합토의 지반공학적 특성이 제시되었다.

서 론

부산물석회는 염화나트륨(NaCl) 중의 나트륨(Na)과 석회석(CaCO3)중의 이산화탄소(CO2)를 반응시켜 소다회(Na2CO3)를 제조하는 공정에서 석회석의 잔류물과 석회석 성분 중 이산화규소(SiO2), 생석회(CaO), 산화마그네슘(MgO) 등이 함유된 부산물액의 형태로 발생된다. 부산물석회의 주요성분은 석회석, 생석회, 산화마그네슘, 염화칼슘(CaCl2)이다. 최근까지 부산물석회 재활용에 관한 연구결과를 살펴보면 부산물석회는 연약지반 안정화 처리제, 폐기물매립장의 차수재 및 복토재, 도로성토재 등으로 활용이 가능한 것으로 평가되었다(Diamond and Kinter, 1965; Arman and Munfakh, 1972; Pohland, 1975; Townsend, 1979; OCI, 1996; Kamon and Nontanannandh, 1991; Transportation Research Record, 1994; Chung and Hong, 2003). 부산물석회를 인근의 대규모 건설현장에서 해안매립재, 도로성토재, 단지성토재 등으로 활용한다면 공사비용 절감, 산업부산물의 재활용 촉진, 매립난 해소 등 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 판단된다.

본 연구에서는 부산물석회 혼합토에 의하여 조성된 시험성토체의 지반공학적 특성을 파악하기 위하여 다양한 현장시험을 수행하였다. 현장밀도 시험에 의한 밀도특성, 평판재하 시험에 의한 지지력특성, 동적콘관입시험(DCP, Dynamic Cone Penetration test)에 의한 관입특성, 현장 노상토지지력시험(CBR, California BearingRatio test)에 의한 노상토 지지력 특성을 분석하였다. 시험결과로부터 부산물석회 혼합토가 해안매립재, 매립복토재 및 도로성토재로 활용 가능한지를 평가하였다.

 

현장시험 개요

현장조성

성토체 시공 후, 38개월이 경과한 시점에서 현장시험을 실시하여 시간에 따른 부산물석회 혼합층의 지반개량효과를 분석하였다. 시험성토는 인천 송도 공장지역에서 수행하였으며 흙시료는 준설토, 일반화강토, 1년 이상 적치된 부산물석회를 사용하였으며 성토체는 2.0 m 높이로 층별매립 및 혼합매립을 하였다. 성토지반은 Fig. 1과 같이 일반토, 일반토+부산물석회 층별매립, 준설토+부산물석회 혼합매립 및 일반토+부산물석회 혼합매립의 4개구간이다.

Fig. 1.Overview of the test site.

시험시공 성토체의 규모는 폭 23 m, 넓이 95 m, 높이 2m이고 이를 4개의 구간으로 나누어 각 시험 구간의 크기는 15 m × 15 m × 2m이다. 각층의 두께는 노상, 노체의 기준에 의하여 20 cm~40 cm이다. 각 구간의 층구성은 Fig. 2와 같다. 현장은 해안을 매립한 지역으로 상부로부터 3.5 m~5.9 m 심도까지는 매립층이 있으며, 그 아래로는 점토층이 4.3 m~9.2 m 형성되어 있고, 그 이하는 풍화잔류토, 연암의 순서로 구성되어 있다. 지하수위는 1.0 m~2.0 m에 존재하고 있다.

Fig. 2.Layer construction.

시험방법

현장시험으로는 들밀도시험, 평판재하시험, DCP 시험, 현장 CBR 시험이 수행되었다. 현장 들밀도시험은 대상지반의 흙을 파내어 구멍을 파낸 후, 그 흙과 표준사를 구멍 속에 넣어 치환하는 방법으로 시험구멍의 체적을 구하고, 함수비를 구하여 건조단위중량을 구하였다.

평판재하시험은 지반에 재하판을 설치하고 하중을 가하면서 하중과 침하량을 측정하여 기초 지반의 지지력을 구하는 시험으로 현장에서 지반의 지지력 평가를 목적으로 지반의 강도정수를 추정하는 수단으로 널리 활용되고 있다.

DCP 시험은 국내에서는 도로의 지지력 평가 등에 활용하고 있는 방법으로 수동적인 하중재하방식과 자동 하중재하방식 등 여러 가지 형태로 개발되고 있다. 이는 지반 조사의 콘관입시험(CPT, Cone Penetration Test)과 유사한 방법이다.

현장 CBR 시험은 시험기를 설치할 수 있는 트럭에 하중을 싣고 실험을 실시하며, 시험하려는 깊이까지 굴착 후 시험 위치의 표면을 지름 30 cm의 수평한 면으로 다듬질한다. 평평하게 다듬질 할 수 없는 곳에는 건조모래를 얇게 깔아 고르고 평평한 면으로 다듬질한다. 관입피스톤 주위에 설계하중에 상당하는 하중판(5 kg)을 얹은 다음 관입은 실내 CBR 값에 준하여 1.0 mm/min의 속도로 관입하였다.

 

현장시험 결과

현장밀도시험 결과

시험성토시 밀도특성 분석을 위하여 각 구간에 대한 현장밀도 결과를 Table 1에 정리하였다.

Table 1.Soil density test results.

평판재시험 결과

시험성토 지반을 조성한 후 38개월이 경과한 후 4개의 지점에 대한 평판재하시험의 log P - log S 곡선은 Fig. 3과 같다. Table 2에는 평판재하시험 결과를 정리하여 나타내었다. Fig. 3의 결과는 평판재하시험의 분석방법중 양 대수용지에 그래프를 도시하여 기울기가 급변할 때의 하중을 항복하중으로 보는 log P - log S 곡선법을 사용하여 도출하였다. 이 방법에 의해 구한 일반토 지반의 항복하중은 22.0 t/m2이고, 일반토+부산물석회(8:2) 층별매립지반은 29.0 t/m2, 준설토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 32.0 t/m2이고, 일반토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 42.0 t/m2로 나타났다.

Fig. 3.Results of log P - log S.

Table 2.Results of plate load test.

일반토 지반의 지지력과 비교하였을 때 일반토+부산물석회(8:2) 층별매립지반은 1.12배, 준설토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 1.56배, 일반토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 2.04배의 지지력이 증가하였다. 이상과 같은 결과에서 부산물석회가 혼합된 지반의 지지력이 일반토지반보다 지지력이 현저히 증가하였고 혼합매립지반의 경우에서는 허용지지력이 일반토 지반보다 2배 이상 증가하여 지지력 증가가 가장 큰 것으로 나타났다.

항복하중을 안전율을 고려하여 허용하중을 비교하면 다음 Table 3과 같다. 허용하중 결정은 항복하중을 2로 나누어 산출하였다. 항복하중-경과시간 변화 곡선을 Fig. 4에 도시하였는데 시험성토에서 38개월이 경과한 후의 항복하중은 부산물석회를 혼합한 층의 강도가 현저히 증가함을 알 수 있다. 일반토+부산물석회혼합토의 강도는 초기치(3.5개월)에 비해 5배 이상 증가하였고, 준설토+부산물석회는 4.3배 증가하였다. 지반반력계수(K30)는 재하판에 가해지는 평균압력-침하량관계(P-S)곡선에서 그 기울기를 구하거나 하중-침하량 곡선에서 초기 기울기를 재하판의 면적으로 나누어서 구할 수 있으며, 산정된 결과는 Fig. 5와 같다. Table 4와 같이 지반반력계수도 일반토지반보다 부산물석회 혼합지반이 1.45~3.19배 이상 크게 나타났다.

Table 3.Considering the allowable load safety factor.

Fig. 4.Yield-time graph.

Fig. 5.Results of coefficient of subgrade reaction (K30).

Table 4.Coefficient of subgrade reaction (K30, t/m2).

여러 가지 구조물, 도로, 성토제방, 기초 등 토목, 건축 구조물의 경우 침하는 구조물의 안전과 직결된다. 그러므로 구조물의 기초를 시공하면서 침하를 고려하지 않을 수 없다. 부산물석회혼합토지반의 경우를 비교할 때 모두 일반토 지반보다 큰 지반반력계수 값을 보이고 있다. 위의 결과를 근거로 실제 시공현장에서 매립이나 성토시 매립재와 성토재의 확보가 어려운 점을 감안하면, 본 연구에서 지지력 증강 효과를 확인할 수 있는 혼합토의 활용은 상당히 유용할 것으로 판단된다.

현장 CBR 결과

현장 CBR 값은 Table 5 및 Fig. 6과 같다. 현장 CBR 값은 실내 CBR 값에 비해서 크게 떨어진다. 이런 이유는 현장시공 여건상 다짐정도와 시공성 때문인 것으로 판단된다. 그러나 현장 CBR 값 역시 노체 및 노상의 지반지지력 기준보다 훨씬 상회한다. 그리고, 부산물석회를 혼합하므로서 현장 CBR 값은 일반토지반보다 오히려 증가하였고 시간이 경과할수록 강도는 크게 나타났다.

Table 5.Results of In-Situ CBR.

Fig. 6.Results of coefficient of subgrade reaction (K30).

DCP 시험 결과

DCP 시험은 도출한 각 구간의 DCP 지수와 DCP 지수로부터 환산한 CBR값은 Fig. 7에 도시하였다. 각 성토구간에 대한 DCP 시험 결과는 Table 6~Table 9에 정리하였다.

Fig. 7.Results of DCP.

Table 6.Results of DCP (Cell 1).

Table 7.Results of DCP (Cell 2).

Table 8.Results of DCP (Cell 3).

Table 9.Results of DCP (Cell 4).

Table 6에서 일반토 성토구간(Cell 1)의 DCP 지수는 평균 12.8이고, CBR 값으로 환산하면 23.0%로 나타났다. 심도 375~425 mm에서 DCP 지수는 5.0으로 측정되었고, 환산 CBR 값은 48.1%로 가장 단단한 층으로 판명되었다. 또한 표층에서의 환산 CBR 값은 7.9%로 현장 CBR 값(8.4%)과 비슷한 경향을 나타냈다. 일반토+부산물석회 층별매립 구간(Cell 2)에 대한 동적콘관입 시험 결과는 Table 7과 같다. Table 7에서 일반토+부산물석회 층별매립 구간의 평균 DCP 지수는 10.1이고, 환산 CBR 값은 25.4%로 일반토 성토구간과 비슷한 경향을 나타났다. 가장 단단한 층의 심도는 250~275 mm지점으로 DCP 지수와 환산 CBR 값이 각각 5.0%과 48.1%로 측정되었다. 표층에서의 환산 CBR 값은 7.9%로 나타났다. 준설토+부산물석회 혼합매립 구간(Cell 3)에 대한 동적콘관입시험 결과는 Table 8과 같다. Table 8에서 준설토+부산물석회 혼합매립 구간의 평균 DCP 지수는 4.8이고, 환산 CBR 값은 100.1%이다. 심도 600~625 mm 지점에서는 DCP 지수와 CBR 값이 각각 1.4%와 202.1%로 강도가 가장 큰 층으로 판명되었다. 표층에서의 환산 CBR 값은 7.9%로 나타났다.

일반토+부산물석회 혼합매립 구간(Cell 4)에 대한 DCP 시험 결과는 Table 9와 같다. Table 9에서 일반토+부산물석회 혼합매립 구간의 DCP 지수는 평균 4.1이고, 환산 CBR 값의 평균은 146.6%로 다른 매립성토구간의 평균값을 크게 상회하고 있다. 일반토+부산물석회 혼합매립 구간은 심도 275, 375, 575 mm의 심도에서는 DCP 지수와 CBR 값이 각각 1.2%와 240.2%로 다른 성토구간에 비해 가장 단단한 층으로 나타났다.

Fig. 8과 같이 부산물석회가 혼합된 층은 일반토 성토 구간보다 환산 CBR 값이 크게 나타났다. 따라서 어느 정도의 시간(38개월 후)이 경과하면 부산물석회혼합토의 강도는 증가함을 알 수 있다. 반면 일반토+부산물석회층별 매립 지점(평균 CBR=25.4%)은 일반토(평균 CBR 값=23.0%) 성토구간 보다 크게 나타났다.

Fig. 8.Results of translation CBR (%).

 

결 론

본 연구에서는 부산물석회 성토체에 대하여 현장밀도시험, 평판재하 시험, DCP 시험, 현장 CBR 시험을 수행하였다. 이를 바탕으로 도출된 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 평판재하시험 결과, 일반토지반에 비해 일반토+부산물석회(부피비=8:2) 층별매립지반의 경우 1.12배의 지지력이 증가하였고, 준설토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 1.56배, 일반토+부산물석회(8:2) 혼합매립지반은 2.04배의 지지력이 증가하였다. 이상과 같은 결과에서 부산물석회가 혼합된 지반의 지지력이 일반토지반보다 지지력이 현저히 증가하였고 일반토 혼합의 경우에서는 허용지지력이 일반토보다 2배 이상 증가한 것으로 나타났다.

(2) 현장 CBR 값은 노체 및 노상의 지반지지력 기준보다 훨씬 상회한다. 그리고, 부산물석회를 혼합하므로 서 현장 CBR 값은 일반토지반보다 오히려 증가하였고 시간이 경과할수록 강도는 크게 나타났다.

(3) DCP 시험으로 환산한 CBR 값을 비교해 보면 부산물석회가 혼합된 층은 일반토 지반보다 CBR값이 크게 나타났다. 반면 일반토+부산물석회 층별 매립 지점(평균 CBR=25.4%)은 일반토 지점(평균 CBR=23.0%)과 비슷하였다.

(4) 본 연구를 통해 부산석회혼합토의 활용성을 검토한 결과, 부산석회를 폐기물관리법에서 명시한 일반토사류를 혼합비 8:2 이하로 혼합하여 사용하면 해안매립재, 매립복토재로 사용이 가능하다. 도로에서는 노체의 경우 일반토+부산석회 혼합토의 사용이 가능하다. 일반성토재의 경우에는 일반토+부산석회 혼합토가 사용할 수 있는 것으로 나타났다.