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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 지하구조물 설치를 위한 연약지반의 동결, LNG와 같은 저온 액체를 저장하기 위한 지하 저장 탱크 건설 및 주변 지반의 동결 등 인공동결공법의 이용이 절실함에 따라서 해안매립지반에 건설공사 수행시 지반동결과 관련하여 예상되는 동상 특성 뿐만 아니라 국내의 계절적 동결지반 조건을 고려하여 시간과 온도변화에 따른 동상팽창압과 포화도에 따른 동상팽창압 특성을 분석하였고, 온도변화에 따라 부동 수분이 어떻게 달라지는지를 TDR 장비를 이용하여 관계식을 제시하였다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 널리 분포되어 있고, 동상에 민감한 반응을 보이는 실 트질 흙과 동상에 큰 영향을 받지 않는 모래질 흙, 그리고 건설공사시 많은 부분에 대해 활용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압과 함수비 특성에 대한 실험을 수행하였다. 각각의 실험종류 및 조건에 따른 내용을 간략히 정리하면 Table 1과 같다.
- 내적 요인에 대해서는 저온지반의 자연 동토를 대상으로 한 다수의 기초적 연구가 있으나 외적 요인에 대해서는 인공 구조물 지반의 안정 및 인공동결공법이라는 현실적 요구에도 불구하고, 연구된 바가 그리 많지 않아서 이에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있다. 이 변수들의 가장 큰 특성 값들은 대부분 통일분류법을 통한 입도 분포가 가장 큰 변수로서 동상 민감성 기준을 고려하여 기존에 제시된 동상실험을 통해서 동결토의 물리적 특성 및 동 상압 특성을 규명하고자 한다.
제안 방법
- TDR prove의 오차를 줄이기 위하여 시료 표면은 평평하게 다듬고 prove가 몰드의 저 면과 측면에 접촉되지 않도록 삽입하였다. 이후 공시 체를 동상 시험기 속에 넣은 후 상자 내부의 온도를 약 (TC에서 -24C까지 변화 시켜 해당 온도에서의 부동수분을 측정하였다.
- 그리고, 몰드 내부에는 그리스(grease) 를 발라서 마찰력을 최소화시켰고, 냉각기를 통해 단일방향으로 동결을 진행시키면서 로드 셀로 측정되어진 압력은 자동수집장치로 나타내었다. 동결 상자 내부의 온도는 내부에 설치되어 있는 온도센서(thermometer)와 성형된 시료내부의 상부, 중부, 하부로 나누어 설치된 온도 센서 장치(thermocouple)로 측정하였다.
- 동결시켰다. 동상시험이 완료되었을 때는 공시 체를 동상 실험 상자에서 꺼내어 동결된 상태와 동결융해 후의 함수비 변화를 확인하였다. 또한, 몰드의 상부에는 알류미늄 디스크를 제작하여 시료에서 작용되는 압력을 로드셀로 전달되도록 하고, 알류미늄 디스크 위에 밀착시켜 로드 셀을 반력 지지대에 대하여 지지됨과 동시에 시료를 구속시킬수 있도록 하였다.
- 동상실험시 대기 온도는 우리나라의 최저 평균기온과 인공동결공법에서 적용되는 온도변화를 감안하여최저 -19℃를 원칙으로 하되 필요에 따라 조금씩 변경하였다.
- 동상시험이 완료되었을 때는 공시 체를 동상 실험 상자에서 꺼내어 동결된 상태와 동결융해 후의 함수비 변화를 확인하였다. 또한, 몰드의 상부에는 알류미늄 디스크를 제작하여 시료에서 작용되는 압력을 로드셀로 전달되도록 하고, 알류미늄 디스크 위에 밀착시켜 로드 셀을 반력 지지대에 대하여 지지됨과 동시에 시료를 구속시킬수 있도록 하였다. 그리고, 몰드 내부에는 그리스(grease) 를 발라서 마찰력을 최소화시켰고, 냉각기를 통해 단일방향으로 동결을 진행시키면서 로드 셀로 측정되어진 압력은 자동수집장치로 나타내었다.
- 5kg/cm2을 24시간 동안 가하여 포화 시 켰다. 몰드 상부의 포화된 부분에서 전단링으로 시료를 채취하여 초기 다짐시의 다짐 도와 간극비를 비교함으로써 정확한 시료의 초기조건을 부여하였다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 구성되어 있는 실 트질 흙과 모래질 흙, 그리고 노상토용 건설재료로 사용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압 실험과 수분 특성 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, 시간과 온도변화, 그리고, 포화 조건에 따른 동상팽창압 특성과 동상팽창압 거동에 큰 영향을 미치는 수분 특성값을 도출하였다.
- 부동 수분 측정은 ASTM 시험 기준에 의거 현장에서 채취한 시료를 직경 100mm, 높이 150mm의 투수시험용 몰드에 넣虱 강제 포화 시켜 공시 체를 만든 후 부동수분 측정 TOR prove 및 온도 측정용 센서를 삽입하였다. TDR prove의 오차를 줄이기 위하여 시료 표면은 평평하게 다듬고 prove가 몰드의 저 면과 측면에 접촉되지 않도록 삽입하였다.
- 시료의 성형은 몰드 내의 공 시체가 차지하는 부분까지 시료가 압축이 되도록 압축 다짐기를 이용하여 정적다짐을 하였다. 정적다짐 과정에서 함수비가 높으면 몰드 상부로 물이 흘러나와 멤브레인을 부착하여 함수비의 변화를 최소화하였다.
- 실험 과정은 최적 함수비로 제작된 공시체를 48시간 동안 강제 포화시킨 후 몰드의 적재 부에 설치한 다음 원통형 아크릴 셀을 적재 부에 끼워 넣고, 스티로폼 알갱이를 몰드의 측면 상부까지 균일하게 채워 넣었다.
- 실험 내용은 각각의 토사 종류에 따라 초기설정 온도를 -5, -10, -15, -19℃로 하여 지속시간에 따른 온도를 단계적으로 강하시키면서 동상팽창압을 측정하였고, 포화도는 초기함수비에서 변환하여 계산된 값으로서 각기 시료 모두 최적 함수비 상태일 때의 포화도가 대략 60%로 나타남에 따라서 포화도 60, 80, 90, 100%일 때의 동상팽창압 실험을 실시하였다.
- 때, 온도를 더 하강시 키더 라도 거의 변화 없이 일정하게 수렴하였다. 이는 동결토 안에 아직 얼지 않은 부동 수의 영향으로서, 동상팽창압 측정 이후 부동수분을 측정하여 그 상관성을 예측하였다.
- 이후 공시 체를 동상 시험기 속에 넣은 후 상자 내부의 온도를 약 (TC에서 -24C까지 변화 시켜 해당 온도에서의 부동수분을 측정하였다. 이때 각각 해당 온도에서 7번씩 측정하였고, 각각의 시료에 대해 상대적인 비교 값을 추정하기 위해서 3번의 실험을 반복 수행하였다.
- 온도를 강하하였다. 이때 각각의 초기 설정 온도에서 일정 시간이 지나면 동상팽창압이 발현되기 시작하고, 이후 그 해당온도에서 동상팽창압이 증가되다가 일 정한값을 유지할 때 -0.5 ℃ 씩 온도를 강하 시켜 가면서 연속적으로 지속시간에 따른 팽창압의 변화를 측정하였다. 그러나, 초기설정온도를 -19℃ 상태에서 시작하여 단계적으로 -0.
- 정적다짐 과정에서 함수비가 높으면 몰드 상부로 물이 흘러나와 멤브레인을 부착하여 함수비의 변화를 최소화하였다. 이때 공 시체 직경 100mm, 높이 180mm의 전 길이에 걸쳐 균등한 다짐에너지가 가해지도록 다짐작업은 5층으로 나누어 실시하여 최적 함수비 상태에서 소정의 건조밀도가 되도록 성형하였다. 이후 시료의 포화는 삼축 압축시험 장치를 이용하여 상부의 진공펌프와 하부에서의 가해지는 수압을 시료가 받는 간극수압과 같거 나 그 이하의 배압 0.
- TDR prove의 오차를 줄이기 위하여 시료 표면은 평평하게 다듬고 prove가 몰드의 저 면과 측면에 접촉되지 않도록 삽입하였다. 이후 공시 체를 동상 시험기 속에 넣은 후 상자 내부의 온도를 약 (TC에서 -24C까지 변화 시켜 해당 온도에서의 부동수분을 측정하였다. 이때 각각 해당 온도에서 7번씩 측정하였고, 각각의 시료에 대해 상대적인 비교 값을 추정하기 위해서 3번의 실험을 반복 수행하였다.
- 하였다. 정적다짐 과정에서 함수비가 높으면 몰드 상부로 물이 흘러나와 멤브레인을 부착하여 함수비의 변화를 최소화하였다. 이때 공 시체 직경 100mm, 높이 180mm의 전 길이에 걸쳐 균등한 다짐에너지가 가해지도록 다짐작업은 5층으로 나누어 실시하여 최적 함수비 상태에서 소정의 건조밀도가 되도록 성형하였다.
- 포화도에 따른 동상팽창압의 변화를 알아보기 위하여 포화도가 100%, 90%, 80%, 그리고 60%인 흙 시료를 3.1 절에 제시된 시간에 따른 팽창압 변화와 동일한 실험조건으로 온도를 단계적으로 강하시키면서 동상실험을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 즉 포화도가 최적함수비 상태보다 클 경우에 영하의 온도 지속시간이 길고 온도가 낮을수록 동상팽창압은 증가하며, 포화도가 증가할수록 동상팽창압은 더 크게 증가하고 있다.
- 한편, 화강풍화토와 매립지반에 구성되어 있는 실 트질 흙과 모래질 흙에 대한 지반 공학적 기본 성질을 제시하였고, 해안매립지반과 같이 지하 수위가 지표면에 일치할 때 얼음층 아래로부터 수분공급이 없는 폐합 시스템에서 동상압이 발생할 수 있는 사실을 감안하여 함수비 뿐만 아니라 시간과 온도변화를 동상압과 연관시켜본 실험을 수행하였다. 그 결과, 동 상압을 보다 더 용이하게 측정할 수 있었고, 온도변화에 따른 동상팽창압과수분특성을 알 수 있었다.
대상 데이터
- Patterson 과 Smith, 1980). 본 실험에 사용된 TDR 장비 (Trime FM-version P3)는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 측정용 prove를 동토 속에 설치하고, 시험기 내에서 전자파를 발생시키면 전자파는 probe의 길이를 따라 이동하는 전자파의 속도를 계산함으로써 흙의 유전율 상수를 즉정하게 된다. 동토를 구성하는 요소인 토립자, 얼음, 간극수, 공기 등의 유전율이 서로 다른 원리를 이용하여 동결토의 체적함수비를 구할 수 있다.
- 본 실험에 사용된 흙은 LNG 인수기지 현장에서 지하 탱크 내부공사를 실시하기 위하여 지반굴착을 하였을 때 채취한 시료로서 세 가지 시료의 물리적 특성은 Table 2 와 같고, 각 시료의 입도 분포곡선은 Fig. 1 에 나타내었다.
- 본 연구에서 사용된 동상 시험기는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 직경 100mm, 높이 130mm인 몰드로써 내부에는 Teflon으로 도포하였다. 몰드 저면에는 다공판을 설치하고, 'O' 링으로 몰드를 실링 하였다.
성능/효과
- (1) 시간에 따른 최대 동상팽창압 실험 결과, 실트질 흙이 가장 큰 값을 나타내었으며, 반면에 모래질 흙의 동상팽창압은 현저히 낮았다. 즉, 세립분을 많이 함유할 수록 발휘되는 동상팽창압은 우세하게 나타났다.
- (2) 동상이 발현되기까지의 시간과 동상지속시간을 살펴보면, 실트질 흙과 화강풍화토가 모래질 흙에 비하여 상당히 크게 나타났다. 즉, 초기설정온도에 따라 큰 차이를 보이고 있는 것은 각각의 흙마다 열전도율이 다르며, 실 트질 흙과 화강풍화토는 모래 질흙보다 열전도율이 작고, 세립분을 더 많이 함유하고 있어 발현 시간과 동상 지속시간의 차이를 보이는 것으로 사료된다.
- (3) 동상 시험을 완료한 후, 실 트질 흙에 대하여 동상 몰드 상부의 알류미늄 디스크를 로드 셀과 분리시킨 결과, 시료의 상부 표면에 균일하지 않은 상태로 14mm 의 동상팽창량이 발생하였다. 이는 입자사이에서 팽창압력이 가장 작게 저항하는 방향으로 그 힘이 발휘된 것으로 판단된다.
- (4) 실트 질 흙과 화강풍화토에 대하여 포화도 60%, 80%, 90%, 100%일 때, 동상팽창압측정 결과, 포화도 90%와 100%일 때의 팽창압 증가율이 가장 크게 나타났는데, 이는 포화도 90% 단계를 통과하여 간극은 100%의 얼음으로 포화되는 단계에서 안정된 동결 전선이 형성되어 Ice segregation 현상이 발생됨으로서 팽창 압력으로 인한 거대한 얼음렌즈를 형성되는 과정으로 판단된다.
- (5) TDR 장비를 이용한 부동수분 측정 결과, 각각의 시료는 온도가 낮아질수록 부동수분이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 비표면적이 큰 세립분을 많이 함유하고 있는 실트 질 흙과 화강풍화토는동결된 간극수의 체적 증가로 인한 체적 변화와 Ice segregation이 발생하게 되어, 부동수분이 많은 흙일수록 동상 팽창압도 커지는 것으로 판단된다.
- 각각의 시료 모두에서 온도가 낮아질수록 부동 수분은 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 특히, 영하 10℃ 이하에서의 부동수분 변화 곡선은 일정한 값에 수렴하였다. 또한, 각각의 흙은 온도변화에 따라 부동수분 곡선이 서로 다르게 나타나고, 특히 모래질 흙의 경우에는 영하 2C 정도에서부터 거의 일정한부동수분값을 나타내고 있어 Fig.
- 실험을 수행하였다. 그 결과, 동 상압을 보다 더 용이하게 측정할 수 있었고, 온도변화에 따른 동상팽창압과수분특성을 알 수 있었다.
- 따라서, 동토 중에는 부동 수가 존재하며 부동 수는 흙의 동상과 정에서 중요한 역할을 할 뿐만아니 라 온도가 낮아질수록 감소하는 것을 알 수 있었다. 흙의 부동 수는 흙의 종류에 따라 다르며, 동 상압의 크기와 관련이 있다.
- 또한, 각각의 흙은 온도변화에 따라 부동수분 곡선이 서로 다르게 나타나고, 특히 모래질 흙의 경우에는 영하 2C 정도에서부터 거의 일정한부동수분값을 나타내고 있어 Fig. 4(c)와 비교 분석하면 부동 수가 적은 조립 토에서는 흙의 동결과정 중 통로 역할을 하는 부동 수가 적으므로 발휘되는 동상팽창압은 현저하게 저하되는 것을 알 수 있었다.
- 따라서, 온도의 범위가 0℃ ~-5℃ 범위에서 전체 부동 수의 71% 이상이 변화되는 양상을 알 수 있다. 또한, 영하 5℃를 기준으로 화강풍화토와 실트 질흙은 모래질 흙보다 부동 수분이 많은 것을 나타냈는데, 이는 비표면적이 큰 세립분을 많이 함유하고 있다는 결과로서, 동결된 간극 수의 체적증가가 축적되어서 더욱 큰 체적변화와 Ice segregation이 발생하게 되어, 부동 수분이 많은 흙일수록 동상팽창 압도 커지는 것으로 사료된다. 각각의 세 가지 시료에 대하여 온도변화에 따른 부동 수의 변화 관계를 식으로 표시하면 Table 4와 같다.
- 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, 시간과 온도변화, 그리고, 포화 조건에 따른 동상팽창압 특성과 동상팽창압 거동에 큰 영향을 미치는 수분 특성값을 도출하였다.
- 실험 결과를 살펴보면, 토립자는 수분의 손실과 얼음 렌즈의 성장으로 인해 그 변위가 발생하게 되고, 열전달은 본질적으로 한 방향으로 전달되기 때문에 얼음 결정체는 열 손실 방향의 수평 방향으로 렌즈 모양을 형성하는 것을 알 수 있었다. 이는 토립자에 접해 있는 간극에 수분이 많을수록 그 주변 간극으로부터 얼음렌즈로 진행되는 자유수는 더 많아지는 것을 의미한다.
- 경향을 나타내었다. 즉, 비표면적이 큰 세립분을 많이 함유하고 있는 실트 질 흙과 화강풍화토는동결된 간극수의 체적 증가로 인한 체적 변화와 Ice segregation이 발생하게 되어, 부동수분이 많은 흙일수록 동상 팽창압도 커지는 것으로 판단된다.
- 6은 각각 초기 일정 온도에 따른 동상팽창압과 최대동상팽창압의 변화를 나타내고 있다. 측정 결과, 온도가 낮을수록 팽창압은 증가하는데, 영하 19℃ 를 기준으로 최대팽창압을 살펴보면, 실 트질 흙은 4.346kg/cm2, 화강풍화토는 3.603kg/cm2, 모래질 흙은 0.405kg/cm2< 나타내었다. 특히, 앞선 실험과 일치 시켜 분석하면, 초기온도를 영하 5℃와 영하 10℃로 설정하였을 때, 동상팽창압은 지속적으로 증가하다가 일정하게 유지된 후, 온도를 더 하강시키면 팽창압은 상당히 증가하는 양상을 나타내었다.
- 405kg/cm2< 나타내었다. 특히, 앞선 실험과 일치 시켜 분석하면, 초기온도를 영하 5℃와 영하 10℃로 설정하였을 때, 동상팽창압은 지속적으로 증가하다가 일정하게 유지된 후, 온도를 더 하강시키면 팽창압은 상당히 증가하는 양상을 나타내었다.
- 한편, 초기온도를 영하 15℃, 19℃로 설정한 경우에는 영하 5℃, 10℃로 설정된 실험 결과와는 다르게 기울기가 더욱 급하게 팽창압이 증가하다가 일정하게 유지될 때, 온도를 더 하강시 키더 라도 거의 변화 없이 일정하게 수렴하였다. 이는 동결토 안에 아직 얼지 않은 부동 수의 영향으로서, 동상팽창압 측정 이후 부동수분을 측정하여 그 상관성을 예측하였다.
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