Study in ground improvement has been performed since 19th century in the history of human civilization. It has been developed following the current technology and human resources to make civil engineering projects all around the world feasible to be constructed. Numerous ground improvement techniques have been developed by engineers for solving problems in the field e.g. inadequate bearing capacity, slope stability, even liquefaction resistance with focusing on the physical and mechanical (i.e. fundamental basis) behavior of soil.
For admixture or grouting type ground improvement method, harmful materials such as cement, epoxy, acrylamide, phenoplasts, and polyurethane are ordinarily used (Karol 2003). Consequently, environmental concerns have been arisen due to the usage of those materials. Due to this circumstance, the study and development of environmentally friendly material for soil improvement are emerging.
In recent development of geotechnical engineering, it is not only physical and mechanical behaviors of soils which are considered, but also chemical and biological effects to soil behavior due to unique phenomena in geotechnical engineering e.g. creep and stress relaxation and clay swelling, which the fundamental basis cannot answer completely. Some researchers and engineers have considered biological and chemical aspects in geotechnical engineering to further explain the soil behavior and solve the field problems.
Some researchers have developed microbial injection soil improvement system or bio-mediated system using bacteria or other biological compounds to increase soil strength. This method, however, needs a lot of attention in its cultivation condition e.g. nutrient, temperature, pore size, etc., to grow and accumulate the bacteria inside the soil. Therefore, some other researchers started to use ready-made biopolymers for consistent quality control, which is also investigated in this study.
Biopolymer, as environmentally friendly material, has been used as admixture to enhance the strength of soil. However, the durability of the biopolymer-treated soil against water was not discussed and remained uncertain. Therefore, this study also tries to appoint the water problem and proposes a way to solve the problem.
Gellan gum biopolymer with thermal treatment soil mixing method is used in this study. The soil used was joomunjin standard sand. Several experimental procedures were performed: uniaxial compressive strength, direct shear, triaxial compression, and resonant column tests for investigating strengthening behavior; and flexible wall hydraulic conductivity test for investigation clogging effect of biopolymer to the sand.
The results showed that gellan gum biopolymer can increase water durability of soil and enhance the strength by acting as an apparent cohesion. Both direct shear and triaxial compression tests results showed similar result in strengthening effect of gellan gum-treated sand for both saturated and dried specimen conditions. From resonant column test, the result showed insignificant increment in terms of shear modulus, while the damping ratio increases until two times for gellan gum-treated sand. The challenge arose as the strengthening effect is not substantial, possibly due to particle size-molecular length difference between biopolymer and sand. Meanwhile, the gellan gum affects the hydraulic conductivity of sand by decreasing 10,000 times from its original hydraulic conductivity.
19세기 이후의 산업혁명과 인류 문명의 급속한 발전과 더불어 자연상태의 토양을 개량 또는 보강하여 재해를 줄이거나, 사회의 근간이 되는 각종 구조물 시공을 위한 토대를 제공하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 특히, 지반의 지지력을 증진시키거나, 비탈면의 안정성을 향상 시키고, 나아가 지진에 대한 내진성능 향상이 지반 보강의 주요 골자라 할 수 있다. 이를 위해 인류는 다양한 물리적, 화학적 처리 기술과, 수치해석 기법들을 발전시켜 왔다.
지반 처리 및 개량을 위한 가장 보편적 방법은 시멘트, 에폭시, 아크릴아미드 계열, 페놀 계열, 또는 폴리우레탄 계열 수지 등을 이용하여 지반과 혼합하거나 직접 주입 (즉, 약액주입) 하는 방법으로 크게 분류된다. 하지만, 기존의 지반 처리/개량 방법들에서 사용되고 있는 재료들은 최근 환경 유해성 문제 등이 재기되어 점차 그 사용이 제한될 전망이다. 따라서 새로운 친환경 재료를 이용한 지반 처리/기술 개발의 필요성이 점차 증대되고 있다.
최근의 지반공학 기술은 흙의 물리적, 역학적 거동뿐만 아니라, 흙의 화학적, 생물학적 거동에 대한 고려로 발전하고 있다. 하지만, 흙 속의 화학적, 생물학적 상호거동으로 인해 유발되는 크리프(장기침하), 응력이완, 그리고 팽창(swelling) 등에 대한 기초적이고 이론적인 이해가 크게 부족한 상황이다. 따라서 이러한 흙의 화학적, 생물학적 거동 특성은 지반공학 분야의 미해결 난제로 남아 있는 상황이다.
최근 몇몇 연구들을 통해 흙 속에 미생물을 직접 주입시키거나, 흙 속에 자연적으로 존재하는 미생물을 활성화 시키는 방법으로, 흙의 강도를 증진시키고자 하는 시도들이 있었다. 하지만 미생물을 이용한 흙의 강도 증진은 미생물의 배양 환경 즉, 영양분, 온도, 공극률 등에 따라 민감하게 차이를 보여 신뢰성과 반복성이 높은 결과를 제공하지 못하는 단점이 있다. 따라서 최근에는 미생물의 배설물을 직접 이용하여 흙을 처리/개량하는 시도들이 이루어지고 있다.
바이오폴리머는 친환경적인 미생물 배설물로써, 이를 이용한 흙의 강도 증진 및 침식 억제에 관한 연구들이 수행되고 있다. 하지만, 바이오폴리머 처리토의 내구성, 특히 물에 수침/포화 된 조건에 대한 고려가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 함수 조건에 따른 바이오폴리머 처리토의 거동을 심도있게 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 열적젤화(thermo-gelation) 바이오폴리머의 일종인 젤란검을 대표 사질토인 주문진표준사와 혼합하여 각종 지반공학적 거동인자들을 분석하였다 다양한 실내 실험들 - 일축압축강도시험, 직접전단시험, 삼축압축시험, 공진주시험 등이 공인된 시험표준을 바탕으로 수행이 되어 바이오폴리머 처리토의 역학적 거동을 분석하였으며, 투수시험과 전자주사현미경 관찰은 바이오폴리머 처리토의 미세 거동, 특히 흙 입자 - 공극 - 바이오폴리머 젤 간 상관 관계를 분석하는데 활용되었다.
결과에 의하면 젤란검 바이오폴리머는 흙의 점착력(cohesion)을 증진시킴으로써 전체적으로 흙의 강도를 높이는 효과를 유발함을 확인할 수 있었다. 직접전단시험과 삼축압축시험에서 도출된 응력 - 변위 상관 관계는 상호 유사한 거동을 보였으며, 특히 건조된 시료와 포화된 시료 간 거동 차이를 명확하게 제시해주었다. 공진주 시험결과에 의하면, 젤란검 바이오폴리머 처리는 흙의 최대전단탄성계수 증진에는 큰 효과가 없으나, 흙의 감쇠비(damping ratio)를 크게 향상시키는 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 흙의 투수성은 바이오폴리머 처리 조건이 흙의 투수성은 10,000 배 감소시킴을 확인하였다. 본 연구 결과들과 선행 연구들을 비교해본 결과, 바이오폴리머 처리토의 강도 증진은 상호거동을 하는 바이오폴리머 입자와 흙 입자간 상대적 크기에서 기인함을 모델을 통해 제시하였다.
