Soil improvement is one of the most important issues in geotechnical engineering practices to increase soil strength and stiffness and control hydraulic conductivity and seepage. Cement and chemicals have been widely used for various soil improvement strategies owing to their performance, workability, and affordability. However, demand for an alternative to cement and chemicals is rising due to concerns with carbon dioxide (CO$_2$) footprint and environmental impacts on the ground ecosystem. In response, several bio-inspired approaches have been introduced in the geotechnical engineering field. Biopolymer is an environmentally friendly compound produced from natural resources, and recently it has been intensively investigated to modify various engineering properties in soil. In particular, xanthan gum (XG), a commercialized polysaccharide biopolymer, has shown soil strengthening, permeability reduction, increased erosion resistance, vegetation promotion, and promising economic feasibility. Although XG-soil treatment has positively affected geotechnical engineering performance even with a small dosage to soil mass, several challenges now need to be solved to improve practical sustainability. XG-soil treatment concerns low strengthening efficiency at a hydrated state and durability under water-exposure conditions. These water-related vulnerabilities in XG-treated soil raise concerns about practical sustainability and narrow down its feasibility in field application. In response, to overcome the issues, this dissertation studied on utilization of the trivalent cation-induced crosslinking method to enhance XG-soil treatment from a geotechnical engineering perspective. The main objectives of this study are to (1) identify the XG–Cr$^{3+}$ crosslinking characteristics in rheology, (2) multifariously assess geotechnical engineering performance and applicability of XG–Cr$^{3+}$ soil treatment, and (3) suggest feasible application strategies to widen the potentials of XG-based soil treatment technique. Rheological analysis showed that the Cr$^{3+}$-crosslinking method achieves XG gel, forming soft to stiff gel without any additional heat and pH control. As gelation proceeded, the yield stress of XG–Cr$^{3+}$ gel significantly increased, and the final gel strength and gelation time can be adjusted depending on the recipe. Cr$^{3+}$-crosslinking effectively enhances the wet unconfined compressive strength (UCS) of XG-treated soil, which is peculiarly remarkable in sandy soil. Strengthening in the hydrated state is induced by that rigid XG–Cr$^{3+}$ gel structure filling the pore spaces provides interparticle connections, which increase the cohesion of sand particles more effectively at low confinement. In addition, the strengthening effect was more evident in around 10% of clay fraction, while higher clay fraction rather interferes with the gelling effect of XG–Cr$^{3+}$ gel. XG–Cr$^{3+}$-treatment can effectively reduce the hydraulic conductivity of sand by approximately four orders of magnitude compared to clean sand. As the hydraulic gradient increases, the wash-out occurs easily in pure XG-treated sand, while Cr$^{3+}$-crosslinked XG treated soil has a higher resistance to the breakdown of permeability and residual pore filling effect. The increased yield stress of XG gel by Cr$^{3+}$ crosslinking was attributed to a stability increase in hydraulic performance. Meanwhile,the increase of yield stress is concerned with the injectability of XG–Cr$^{3+}$ gel into soil media. Since the flow stoppage of XG and XG–Cr$^{3+}$ gel has been dominantly affected by their yield stress, thus the injectability reduction occurred by Cr$^{3+}$ crosslinking, but sufficient injection performance is still available in coarse sand. Contrary to pure-XG-treated sand that is wholly disturbed in water, the XG–Cr$^{3+}$-treated sand samples remain stable up to 100 d without any swelling and failure because the water reactivity is reduced effectively via consumption of carboxyl group in crosslinkage. Moreover, the acute fish toxicity test showed that the XG–Cr$^{3+}$ gel has less toxicity than cement-based material in terms of mortality. However, XG–Cr$^{3+}$ gel induces acidification of the water due to acidic hydrolysis of Cr$^{3+}$; thus, it is recommended to respond to the pH effect by adjusting the Cr/XG ratio. The field-scale implementation of XG–Cr$^{3+}$-treated soil was conducted on a levee slope using the pressurized-spraying method with a watering system. We confirmed that the levee whose surface is reinforced by XG–Cr$^{3+}$-treated soil has much higher resistance against flood overtopping failure compared to the natural levee and XG-compound reinforced levee. In this dissertation, the wet strength and water-related stability in XG-soil treatment are remarkably improved by the Cr$^{3+}$-crosslinking method without additional heat and pH control. The enhanced geotechnical engineering performance can widen the field applicability of XG-based soil treatment. The XG–Cr$^{3+}$ treated soil can be effectively applied to ground improvement near the shallow foundation, hydraulic barrier construction in water-retaining structures, and backfill grouting around underground structures.
지반공학분야에서 가장 중요한 관심분야인 지반보강공법은 지반의 강도와 강성 향상, 투수계수 및 침투 조절을 주목적으로 한다. 지반보강재료로써 시멘트 또는 화학적 재료가 성능, 시공성 및 경제성 측면의 이점으로 주로 사용되어왔으나, 최근 이산화탄소 발생, 주변 지반 환경 오염 등의 우려로 인해 새로운 대체 재료의 필요성이 증가하며 지반공학분야에서는 여러 생물학적 지반보강기술이 제안되었다. 바이오폴리머는 생물체에서 기원하는 친환경 물질로 최근 흙의 공학적 성능을 개선하기 위해 적용되고 있다. 여러 바이오폴리머 중 가장 상업화된 유기다당류 계열의 잔탄검은 상용성뿐만 아니라 우수한 흙 강도 증진, 투수계수 저감, 침식 저항성 증진, 식생 증진의 효과를 보인다. 잔탄검-흙 처리공법은 흙 중량대비 소량 처리를 통한 뛰어난 지반공학적 성능 개선 효과에도 불구하고, 잔탄검의 친수성에서 기인한 낮은 습윤강도와 물에 대한 내구성 부족이 주요 해결과제로 남아있으며, 이로 인해 현장에서의 지속성 및 활용성을 확보하는데 한계점이 존재한다. 본 학위에서는 3가 양이온 활용 교차결합을 통한 잔탄검-흙 처리 기술의 지반공학적 성능 개선을 다룬다. 잔탄검-3가크롬 교차결합 젤의 유변학적 특성을 규명하였고, 잔탄검-3가크롬 교차결합 젤 처리 흙의 다양한 지반공학 성능 및 현장 적용성 평가를 수행하여 적용 가능한 방안 및 전략을 제시하였으며, 이를 통해 잔탄검-기반 흙처리 공법의 가능성을 확장하는데 기여하였다. 유변 특성 평가를 통해 3가크롬 교차결합된 잔탄검 하이드로겔이 열처리와 pH 조절 없이도 견고한 젤을 형성하며, 젤화 반응이 진행됨에 따라 젤의 항복응력이 증가하며, 젤의 강도 및 젤화 시간은 잔탄검의 농도 및 혼합비율에 따라 조절가능함을 확인하였다. 강도 실험을 통해 3가크롬 교차결합이 잔탄검 처리 사질토의 습윤 강도를 획기적으로 증가시키며, 이는 공극 내 잔탄검-3가크롬 젤과 모래 입자간 물리적인 결합을 통한 점착력 증진에서 기인한 것을 확인하였다. 그리고 소량의 점토입자가 포함된 흙에서 강도 증진 효과는 더 뛰어났으나, 점토의 함량이 많아질수록 교차결합에 의한 젤화 반응 효과가 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 한편 잔탄검-3가크롬 처리를 통해 사질토의 투수계수를 무처리 흙 대비 10000배 저감할 수 있다. 또한 수두차가 증가하는 환경에서도 순수 잔탄검 처리 흙에 비해 안정적으로 공극막힘 현상을 유지하는 것을 확인했으며, 이는 젤화를 통한 항복응력의 증가에서 기인한 것으로 판단된다. 반면 교차결합 직후 젤의 항복응력 증가로 인해 사질토 내에서 주입성능은 순수 잔탄검 하이드로겔에 비해 소폭 감소하나, 조립토 조건에서는 충분히 주입이 가능함을 확인하였다. 장기 내구성 측면에서 잔탄검-3가크롬 교차결합 처리 흙은 교차결합 과정에서 잔탄검의 카르복실기가 소모되어 물에 대한 반응성이 현저하게 감소하였기 때문에, 순수 잔탄검 처리 흙과 달리 장기 수침 조건에서 팽창이나 파괴 없이 안정적으로 강도 성능을 유지할 수 있다. 또한 어독성 실험을 통해 잔탄검-3가크롬 교차결합 겔의 환경성을 간접적으로 평가하였고, 포틀랜드 시멘트에 비해 어류 독성은 덜하나 3가 크롬의 가수분해를 통해 물의 산성화를 유도됨을 확인하였다. 최종적으로는 현장 적용의 한 가지 방안으로써 고압 분사 공법을 활용하여 잔탄검-3가크롬 처리 흙을 실규모 제방 사면에 표면도포 시공하였다. 그리고 횡월류 실험을 통해 무처리 또는 순수 잔탄검 처리 조건에 비해 월류침식 저항성을 획기적으로 증진시킬 수 있음을 확인하였다. 본 학위 연구에서는 3가크롬 교차결합을 활용해 잔탄검-흙 처리 기술의 한계점이었던 낮은 습윤강도 및 수분 취약성을 열 처리와 pH 조절 없이 성공적으로 개선하여, 잔탄검 기반 흙 처리 기술의 현장 적용성을 넓히는데 기여하였다. 이 기술은 얕은 기초 주변 지반 안정화, 수리-지반 구조물 내 차수벽 형성, 그리고 지하구조물 주변부의 뒷채움 그라우팅 방안으로 활용 가능 할 것으로 예상된다.
