Correlation of Soil Particle Distribution and Hydrodynamic Dispersion Mechanism in Ununiformed Soils Through Laboratory Column Tests

Laboratory column tests using $Cl^-$ tracer were conducted to study the correlation of soil particle distribution and hydrodynamic dispersion mechanism with three kinds of ununiformed soil samples, in which the ratio of gravel and sand versus silt and clay is 24.5 for S-1 soil, 4.48 for S-2 soil, and 0.4 for S-3 soil. Chloride breakthrough curves with time were fitted with gaussian functions. The relative concentrations of chloride were converged to 1.0 after 0.7 hours for S-1, 6.3 hours for S-2, and 389 hours for S-3. Average linear velocity, longitudinal dispersion coefficient, and longitudinal dispersivity were calculated by chloride breakthrough curves. Longitudinal dispersion coefficients were $1.20{\times}10^{-4}\;m^2/sec$ for S-1, $8.87{\times}10^{-7}\;m^2/sec$ for S-2, and $1.94{\times}10^{-9}\;m^2/sec$ for S-3. Peclet numbers calculated by the molecular diffusion coefficient of chloride and the mean grain diameters of soils were $2.59{\times}10^2$ for S-1, $6.27{\times}10^0$ for S-2, and $1.35{\times}10^{-4}$ for S-3. Mechanical dispersion was dominant for the hydrodynamic dispersion mechanism of S-1. Both mechanical dispersion and molecular diffusion were dominant for the hydrodynamic dispersion mechanism of S-2, but mechanical dispersion was ascendant over molecular diffusion. Hydrodynamic dispersion in S-3 was occurred mainly by molecular diffusion. When plotting three soils on the graph of $D_L/D_m$ versus Peclet number produced by Bijeljic and Blunt (2006), the values of $D_L/D_m$ for S-1 and S-2 were more than 2.0 order compared to their graph. S-3 was not plotted on their graph because the Peclet number was as small as $1.35{\times}10^{-4}$.

실내주상실험에 의한 불균일한 토양의 입도와 수리분산기작의 상관성 연구

자갈, 모래, 실트 및 점토의 입도분포가 다른 3종류의 토양시료(자갈모래/실트점토의 비율 : S-1 토양 24.5, S-2 토양 4.48 및 S-3 토양 0.4)에서 염소이온($C^{-1}$)을 이용한 실내주상실험이 수행되었다. 실내주상실험의 결과를 이용하여 3종류 토양의 입도와 수리분산기작의 상관성이 연구되었다. 실내주상실험에 의한 시간에 따른 염소이온의 농도이력은 가우시안 함수가 적합하였으며, 염소이온의 상대농도가 1.0으로 수렴하는데 경과된 시간은 S-1 토양에서 0.7시간, S-2 토양에서 6.3시간 및 S-3 토양에서는 389시간 이었다. 토양종류에 따른 농도이력곡선 함수에 의해 평균선형유속, 종분산계수 및 종분산지수가 산정되었다. 종분산계수는 S-1 토양에서 $1.20{\times}10^{-4}\;m^2/sec$, S-2 토양에서 $8.87{\times}10^{-7}m^2/sec$, S-3 토양에서는 $1.94{\times}10^{-9}\;m^2/sec$로 산정되었다. 염소이온의 분자확산계수와 토양평균입경에 의해 산정된 페클릿수는 S-1 토양에서 $2.59{\times}10^2$, S-2 토양에서 $6.27{\times}10^0$, S-3 토양에서는 $1.35{\times}10^{-4}$이었다. S-1 토양에서는 역학적인 분산이 지배적이며, S-3 토양에서는 분자확산이 지배적인 것으로 나타났다. S-2 토양에서는 역학적인 분산과 분자확산이 동시에 발생하지만, 역학적인 분산이 우세하였다. Bijeljic et al.(2004)에 의해 보고된 페클릿수 대 $D_L/D_m$의 그래프에 본 연구에서 산정된 값들을 도시하여 비교 분석한 결과, S-1 및 S-2 토양시료는 페클릿수에 대한 $D_L/D_m$의 값이 2.0 order 이상 높게 나타났으며, S-3 토양시료는 페클릿수가 $1.35{\times}10^{-4}$으로 매우 낮아 그래프에 표시되지 않았다.