Assessment of Internal Instability of Well-graded Soils through Seepage Tests

Abstract

Internal erosion is an important process that affects the stability of a fill dam. Suffusion and suffosion, also known as internal instability, are forms of internal erosion. Suffusion involves the selective erosion of fine particles from the matrix of coarse particles of an internally unstable soil through seepage flow, thereby removing the fine particles through the voids and leaving behind a soil skeleton formed by coarse particles. Suffosion is a similar process but results in volume changes. The erosion of fine particles increases the soil permeability, resulting in a decrease in shear strength and changes in hydraulic conditions. In turn, this scenario may cause various types of dam failures. Generally, gap-graded soil with two distinct grain sizes is vulnerable to internal instability. Such soils show clear manifestations of suffusion, such as the erosion of a significant quantity of fine particles and an increase in permeability and void ratio. Therefore, previous studies on seepage erosion problems commonly focused on gap-graded soils as the target. However, no study has shown whether the well-graded soils, used as fill dam materials in South Korea, are susceptible to suffusion. Moreover, the process and cause of internal instability in well-graded soils have not been investigated. In this dissertation, suffusion tests were performed on gap-graded and well-graded soils with different relative densities by using a newly developed suffusion test apparatus. In short-term tests, hydraulic gradient was increased stepwise, and the occurrence of internal instability were analyzed. In contrast to gap-graded soils, well-graded soils showed a continuous reduction in permeability before the initiation of internal instability. At the onset of internal instability, permeability and soil discharge suddenly increased. Additionally, when the relative density of well-graded soils increased, the hydraulic gradient required to reach an unstable state also increased. Long-term tests were carried out to analyze the progress and cause of the internal instability of well-graded soils at constant hydraulic gradients. Results revealed that well-graded soils in internally stable conditions had clogging of fine particles in the bottom, which reduces the overall permeability. Similar clogging was identified in internally unstable conditions, and subsequent unclogging resulted in a rapid increase in permeability and erosion rate with the collapse of soil structure. Consequently, the internal instability of well-graded soils developed in the form of suffosion. On this basis, the mechanism of internal instability and its progress in well-graded soils were proposed. Seepage tests with pore water pressure transducer were used to verify the above mechanism of internal instability in well-graded soils. The erosion of fine particles increased permeability and decrease the pressure, while the clogging of fine particles decreased permeability and increased pressure. Consequently, the test confirmed that the movement path of fine particles and verified the mechanism of internal instability in well-graded soils. Results indicated that the characteristics and development of the internal instability of well-graded soils differed from those of gap-graded soils. The findings can be used to deepen the understanding of the development of internal instability in well-graded soils.

내부 침식은 성토댐의 안정성에 영향을 미치는 중요한 원인 중 하나이며, 내부불안정성으로 알려진 suffusion과 suffosion은 내부 침식의 한 형태이다. Suffusion은 부피 변화없이 침투압에 의해서 세립질이 조립질 사이를 이동하여, 선택적으로 침식되는 것으로 정의하고, Suffosion은 suffusion과 같은 메커니즘으로 발생한, 부피변화를 동반한다고 정의하고 있다. 내부불안정성이 발생하면 세립질이 유출되어 간극비가 증가하고, 이로 인해 투수계수가 증가하며, 흙의 전단강도가 감소할 수 있다. 또한, 후방침식, 침하, 사면붕괴의 원인이 될 수도 있다고 알려져 있다. Gap-graded soil은 양극화된 세립질과 조립질로 이루어진 흙으로, 일반적으로 내부불안정성에 취약하며, 세립질의 유출과 투수계수, 간극비의 증가와 같은 명확한 내부불안정성을 보인다. 따라서, 주로 gap-graded soil을 이용하여 내부불안정성에 대한 연구를 수행하였다. 그러나 국내 흙댐 제체재료와 같이 여러가지 입도분포가 혼합되어있는 well-graded soil에 대한 연구는 제한적으로 수행되었으며, 내부불안정성 발생 여부 및 형태, 원인에 대한 분석이 부족한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 새로 개발한 내부불안정성 실험 장치를 이용하여, gap-graded soil과 well-graded soil에 대하여 다양한 상대밀도와 동수경사에서 침투실험을 실시하였다. 단기실험에서는 동수경사를 단계적으로 증가시키며 실험을 수행하고, 흙의 유출량과 투수계수를 기준으로 내부불안정성의 발생을 분석하였다. 실험 결과, well-graded soil은 gap-graded soil과는 달리 내부불안정성이 시작되기 전에 투수계수가 감소하다 내부불안정성이 시작될 때 급격하게 투수계수와 흙의 유출속도가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 상대밀도가 증가할수록 내부불안정성이 발생하는 동수경사가 증가하였다. 장기실험은 내부불안정성의 진행과정과 원인을 분석하기 위하여 동수경사를 일정하게 유지하면서 수행하였다. 내부적으로 안정한조건에서 well-graded soil은 하부에 세립분들이 막히면서 전체 투수계수를 감소시켰고, 내부적으로 불안정한 조건에서는 투수계수가 감소하다가 흙의 유출량과 투수계수가 갑자기 증가하는 경향을 보였다. 또한, 조립질과 세립질이 같이 유출되며 침하가 발생하는 suffosion의 형태로 내부불안정성이 진행되었다. 실험결과를 바탕으로 well-graded soil의 내부불안정성의 진행 메커니즘을 제안하였다. 제안된 내부불안정성 메커니즘을 검증하기 위하여 간극수압계를 설치한 침투실험을 실시하였다. 세립질이 유출되는 부분은 투수계수가 증가하고, 간극수압이 감소한 반면, 세립질이 쌓이는 부분은 투수계수가 감소하고, 간극수압이 증가하였다. 따라서, 간극수압을 측정하여 세립질의 이동을 조사하고 메커니즘을 검증하였다. 본 연구에서는 well-graded soil의 내부불안정성의 특성 및 진행과정이 gap-graded soil과 다름을 확인하였고, 그 원인에 대하여 분석하였다. 이 연구 결과는 well-graded soil에서 내부불안정성의 진행과정을 이해하고, 안정성을 평가하는 참고자료로 사용될 수 있을 것이다.