매립지 건설 시 천연 모래를 제조 모래로 대체하는 공학적 이점

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6444(2023) 이 기사 인용

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매립지의 병진 슬라이딩 실패는 종종 라이너와 덮개 인터페이스의 부적절한 전단 강도로 인해 발생합니다. GCL(Geosynthetic Clay Liners)은 침출수를 담기 위해 매립지의 다양한 구성 요소에 사용됩니다. GCL은 일반적으로 더 높은 전단 저항을 개발하기 위해 압축된 모래 노반 위에 배치됩니다. 천연 모래 자원이 고갈되는 상황에서 본 연구는 매립지 건설에서 천연 모래를 제조된 모래(Msand)로 대체하는 타당성을 탐구합니다. 서로 다른 수직응력과 수화조건에서 전단강도를 평가하기 위해 강모래와 유사한 그라데이션의 Msand와 접촉하는 GCL에 대해 경계면 전단시험을 수행했습니다. Msand는 강 모래에 비해 GCL에서 더 높은 인터페이스 전단 강도를 제공하는 것으로 나타났습니다. GCL의 테스트된 표본에 대한 디지털 이미지 분석은 두 모래의 입자 형태의 변화가 전단 강도를 지배하는 미시적 수준의 상호 작용 메커니즘에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 형태학적 매개변수의 정량화에 따르면 Msand 입자는 천연 모래 입자에 비해 각지고 거칠어 입자 결합이 더 높은 것으로 나타났습니다. GCL의 수화는 인터페이스 전단 강도를 감소시켰으며 Msand의 경우 효과가 적었습니다. 이 연구는 천연 모래를 Msand로 대체하면 추가적인 이점이 있음을 강조합니다.

토목합성 점토 라이너(GCL)는 공학적 매립지에서 침출수와 같은 환경적으로 유해한 요소를 함유하여 땅에 유입되어 결국 지하수를 오염시키는 것을 방지하는 데 사용되는 고분자 지구복합재입니다. GCL은 벤토나이트 점토와 지오멤브레인 및 지오텍스타일과 같은 고분자 재료로 구성됩니다. 벤토나이트는 지오멤브레인에 접착식으로 결합되거나 니들 펀칭 또는 스티치 결합된 두 개의 지오텍스타일 사이에 캡슐화됩니다. GCL은 효과적인 수력학적 특성, 자가 치유 능력, 비용 효율성 및 쉬운 설치 이점으로 인해 기존 압축 점토 라이너(CCL)를 이상적으로 대체합니다1,2,3. GCL은 품질 보증, 층 두께 감소, 동결 및 해동 내구성, 쉬운 접근성 및 향상된 건설 속도 측면에서 CCL에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다4,5. 직조 또는 부직포 지오텍스타일을 사용한 GCL은 일반적으로 다른 토목섬유 및 지반 재료와의 인터페이스를 형성하는 데 사용됩니다. 라이너와 커버 시스템에서 GCL의 배치는 그림 1에 표시되어 있으며, 여기서 GCL은 다양한 위치에서 모래층과 접촉하고 있습니다. 매립지 안감과 덮개의 불균일성은 폐기물 투기 및 지진과 같은 기타 특수 조건으로 인해 부과되는 일반 응력 및 전단 응력에서 파손을 초래합니다. GCL이 있는 라이너의 파손의 주요 원인은 GCL-모래 경계면의 전단 강도가 부족하여 병진 슬라이딩 파손이며, 경사진 지반의 경우 가능성이 더 높습니다. 매립지의 슬라이딩 및 기타 기계적 불안정성을 제어하려면 GCL의 인터페이스 전단 강도에 대한 정확한 평가가 필요합니다.

공학적 매립지의 개략도.

기존의 직접 전단 상자를 사용하여 수행된 다양한 인터페이스 테스트에 대한 문헌은 상호 작용하는 층 간의 마찰 및 접착의 발달이 여러 미시적 수준의 상호 작용6,7,8,9에 의해 제어된다는 것을 보여줍니다. 기술의 발전으로 인해 미세한 수준에서 인터페이스의 전단 거동에 영향을 미치는 상호 작용 메커니즘에 대한 조사가 쉬워졌습니다. 연구자들은 다양한 유형의 보강재를 사용하여 경계면 동작에 모래 입자의 크기와 모양이 미치는 영향을 조사했습니다. 강화재의 거칠기 특성과 결합된 모래 입자의 크기는 계면 전단 강도를 제어합니다. 매립지에서 기능하는 동안 GCL은 침출수에 노출되거나 침투하는 강수로 인해 수화되어 캡슐화된 벤토나이트 층이 부풀어오르게 됩니다. 벤토나이트의 팽창은 계면 전단 강도를 상당히 감소시킬 수 있습니다. 벤토나이트의 압출 및 측면 팽창은 GCL14,15,16의 표면 질감에 따라 달라집니다.