동결작용은 빌딩, 구조물, 도로, 철도 그리고 공공시설관로에 엄청난 손상을 일으킬 것이다. 자연지반의 동상에 대한 연구는 과거에 많이 수행되었다. 근래에는 사회기반시설 유지의 발전과 함께 각종구조물의 복잡화로 인하여 동상대책에 대한 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 구조물에 작용하는 자연지반의 동상력을 정량적으로 파악하는 것을 목적으로 하였다. 지표면에 설치한 원형강판에 작용하는 동상력이 현장시험에서 측정되었다. 동결면에서 발생하는 동상력은 동결된 토층을 거쳐 구조물에 전달된다. 또한 다단앵커로 보강된 옹벽이 현장에 설치되고 옹벽에 작용하는 동결선과 동상압 등이 측정되었다. 최종적으로 동결면의 위치와 형상이 수치해석수법을 이용하여 추정되었고 치환 범위를 결정하는 설계수법이 토질정보와 기상정보에 따라 제안되었다.
동결작용은 빌딩, 구조물, 도로, 철도 그리고 공공시설관로에 엄청난 손상을 일으킬 것이다. 자연지반의 동상에 대한 연구는 과거에 많이 수행되었다. 근래에는 사회기반시설 유지의 발전과 함께 각종구조물의 복잡화로 인하여 동상대책에 대한 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 구조물에 작용하는 자연지반의 동상력을 정량적으로 파악하는 것을 목적으로 하였다. 지표면에 설치한 원형강판에 작용하는 동상력이 현장시험에서 측정되었다. 동결면에서 발생하는 동상력은 동결된 토층을 거쳐 구조물에 전달된다. 또한 다단앵커로 보강된 옹벽이 현장에 설치되고 옹벽에 작용하는 동결선과 동상압 등이 측정되었다. 최종적으로 동결면의 위치와 형상이 수치해석수법을 이용하여 추정되었고 치환 범위를 결정하는 설계수법이 토질정보와 기상정보에 따라 제안되었다.
Frost action may cause extensive damage to building, structures, roads, railways and utility lines in seasonal frost. The research about frost heave of natural ground has been considerably performed. In late years various structures have become complicated with the development of social infrastructu...
Frost action may cause extensive damage to building, structures, roads, railways and utility lines in seasonal frost. The research about frost heave of natural ground has been considerably performed. In late years various structures have become complicated with the development of social infrastructure maintenance. Therefore countermeasure to frost heave becomes a matter of great importance from a new viewpoint. This study was aimed at catching natural ground frost heaving force quantitatively. Frost heaving forces on circular steel plates which were set on ground surface were measured in field test. The frost heaving forces arise at freezing front propagates to the structures through frozen soil layer. Besides, a full scale model of multi-anchored retaining wall was installed in field, and the freezing lines, frost heave pressure to act on a wall block, and so on were measured. Finally, the position and shape of frost line were estimated by using numerical simulation and a method to determine replacement range was suggested with soil properties and weather data.
Frost action may cause extensive damage to building, structures, roads, railways and utility lines in seasonal frost. The research about frost heave of natural ground has been considerably performed. In late years various structures have become complicated with the development of social infrastructure maintenance. Therefore countermeasure to frost heave becomes a matter of great importance from a new viewpoint. This study was aimed at catching natural ground frost heaving force quantitatively. Frost heaving forces on circular steel plates which were set on ground surface were measured in field test. The frost heaving forces arise at freezing front propagates to the structures through frozen soil layer. Besides, a full scale model of multi-anchored retaining wall was installed in field, and the freezing lines, frost heave pressure to act on a wall block, and so on were measured. Finally, the position and shape of frost line were estimated by using numerical simulation and a method to determine replacement range was suggested with soil properties and weather data.
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문제 정의
본 논문에서는 보강토옹벽를 예로 하여 치환공법의 설계법에 대하여 설명한다. Fig.
정의하였다. 본 실험에서는 평탄한 지반에 설치한 철제원판의 동상변위를 제로로 구속했을 때에 걸리는 동상력을 측정하였다. 동상력은 원판과 지하2m 깊이에 설치한 콘크리트앵커로 고정한 H형강사이에 로드 셀을 설치하여 측정을 실시하였다.
본 연구에서는 구조물에 작용하는 지반의 동상력을평가하기 위하여 자연지반의 동상력과 구조물(보강 토 옹벽)의 동결토압을 중심으로 검토를 진행하였으며 또한 동상대책으로서의 치환공법의 설계방법을 제시하였다. 이상의 내용을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 기타미국립공업대학의 동상 실험장에서 계측한 동상실험의 결과를 소개하며 지반의 동결과 동상에 미치는 영향인자에 대하여 검토하였다. 또한 보강 토 옹벽을 설치하여 동절기간의 동결면 분포와 벽면에 발생하는 동상압을 계측하였다.
제안 방법
(5) 동결면형상과 위치는 적절한 열물성치가 주어 지면기상정보만으로 수치해석수법에 의해 구할 수 있으며 따라서 유해한 동결면을 포함하는 치환 범위를 결정하는 설계법을 제안하였다.
Fig. 7에 나타낸 것처럼 계측대상의 벽면블록은 4개의 타이로드에 의하여 독립하여 수평방향의 지지를 받고 있으므로 이 4개의 타이로드의 인장력의 합을 블록에 작용하는 전토압력으로 하였다. 그리고 전토압력을블록면적(1.
이 특성을 이용하여 무색으로 변한 곳과 얼지 않는 곳의 청색의 경계선까지의 거리를 측정하여 동결깊이를 결정하였다. 그리고 동상량은 H형강을 부동점으로 하여 지표면에 놓여진 원판과의 거리로 간주하였다.
또한 보강 토 옹벽을 설치하여 동절기간의 동결면 분포와 벽면에 발생하는 동상압을 계측하였다. 그리고 수치해석 수법을 적용하여 동결면의 위치와 형상을 추정하여 토질정보와 기상정보를 가지고 동결범위를 비동상재료로 바꾸는 동상대책으로서의 치환공법의 설계방법을 제안하였다.
그림에 북해도 토목개발연구소(1962)에서 자갈 도로의 동결깊이를 실측하여 동결지수와의 관계를 조사한 결과와 배수성 조립재료로 구성된 비행장 포장내의 동결 깊이를 실측한 Arctic Construction and Frost Effects Laboratory, United States Army(ACFEL, U. S. A)의 결과곡선도 병기하였다. 병기한 곡선은 시뮬레이션 수법으로 구한 곡선의 중간값을 나타내고 있으며 Fig.
동결깊이를 구하는 방법은 여러가지 있지만 본 연구에서는 동결시뮬레이션수법을 이용하여 북해도의 대표적인 22개소의 기상 데이터와 많은 실험데이터에서 추정한 열물성치를 입력조건으로 하여 Fig. 13에 동결지수와 동결깊이의 관계를 도출하였다.
동상력은 2시간 간격으로 자동계측을 진행하였고동상력과 지표면의 동상량은 매일 한번씩 수동으로 측정하였다.
본 실험에서는 평탄한 지반에 설치한 철제원판의 동상변위를 제로로 구속했을 때에 걸리는 동상력을 측정하였다. 동상력은 원판과 지하2m 깊이에 설치한 콘크리트앵커로 고정한 H형강사이에 로드 셀을 설치하여 측정을 실시하였다.
미치는 영향인자에 대하여 검토하였다. 또한 보강 토 옹벽을 설치하여 동절기간의 동결면 분포와 벽면에 발생하는 동상압을 계측하였다. 그리고 수치해석 수법을 적용하여 동결면의 위치와 형상을 추정하여 토질정보와 기상정보를 가지고 동결범위를 비동상재료로 바꾸는 동상대책으로서의 치환공법의 설계방법을 제안하였다.
본 논문에서는 일평균기온으로 동결지수를 산정하였다. Fig.
본 동상실험에서 Methylene Blue 동결심도계를 이용하여 동결깊이를 측정하였다. 여기서 Methylene Blue 용액은 상온에서는 청색을 유지한지만 온도가 영도 이하로 내려가면 무색으로 변한다.
이 전달되는 동상력은 원판직하에서 발생하는 동상팽창압뿐만 아니라 그 주변에 발생하는 팽창압도 집중하기 때문에 매우 큰 값을 나타낸다. 본연구에서는 이 동상력을 원지반동상력으로 하였다. Fig.
7에 나타내었다. 실험옹벽은 뒤채움재료의 조건을 변화하여 3개의 구간으로 나누었다.
여기서 Methylene Blue 용액은 상온에서는 청색을 유지한지만 온도가 영도 이하로 내려가면 무색으로 변한다. 이 특성을 이용하여 무색으로 변한 곳과 얼지 않는 곳의 청색의 경계선까지의 거리를 측정하여 동결깊이를 결정하였다. 그리고 동상량은 H형강을 부동점으로 하여 지표면에 놓여진 원판과의 거리로 간주하였다.
10에서 실선 A-B 로 표시하는 동결면부분을 포함 하는 것이 바람직하다. 이상의 구상으로 각종 단면 형상의 옹벽에 대하여 동결 시뮬레이션을 실시하여 동결면형상과 Fig. 10에서의 점 A, B의 관계를 도출하였다.
이상의 측정은 매년 지반의 동결이 시작되는 11월부터 개시하여 동결이 종료하는 다음해 4월까지 진행하였다. 동상력은 2시간 간격으로 자동계측을 진행하였고동상력과 지표면의 동상량은 매일 한번씩 수동으로 측정하였다.
7에서 계측대상으로 되어있는 A-I의 벽면 블록은 독립한 4개의 타이로드에 의하여 수평방향의 지지를 받는다. 타이로드의 직경은 19mm, 인장력은 113kN 정도인 SS4000의 환강을 사용하였으며 벽면블록에 가하는 토압은 타이로드의 인장력으로 측정했다. 타이로드의 인장력의 측정점은 Fig.
4kN 이다. 한편, 절연지반의 동상력의 측정은 절연의 직경을 10cm, 20cm, 40cm의 3종류로 실시하였다. 만약테프론시토와 주변지반이 충분히 격리되었다면, 그 직경의 크기에 관계없이 단위면적당에 해당하는 동 상압은 동일할 것이라고 예상된다.
대상 데이터
7에서 .기호로 나타내는 26곳으로 하였다.
이론/모형
여기서 흙의 실내동상시험은 일본도로토공배수공지침에 의하여 실시하였으며 그 결과 화산재는 비동상성흙, 점성토는 동상성흙으로 판정되었다. 옹벽실험장소의 지하 수위는 부근의 지반조사결과에 의하면 -10m정도로 추정되며 기타 곳에서의 침투수 등에 의한 수분 공급도 확인되지 않았다.
성능/효과
(1) 원지반동상력(皿0)은 측정시즌에 따라서 24.ll~85.5kN 사이에서 변화하며 그 평균치는 56.4kN 정도이다. 이것은 원판직하의 동상력 뿐만 아니라 주변 지반의 발생하는 동상력도 집중되기 때문에 매우 큰 값을 나타낸다.
(2) 동상력은 동결면에서 발생한 팽창압이 동토층을 매체로 하여 전달하며 동토층의 크리프변형과 부동 프레임의 열팽창수축영향을 받기 때문에 동상량과 명확한 상관 관계는 나타나지 않았다.
(3) 보강토옹벽의 동상압의 측정결과로부터 치환공법과 단열공법의 유효성을 검증하였다.
(4) 보강토옹벽의 동상토압을 정량적으로 측정하였으며 옹벽에 작용하는 동결토압은 동결기에는 최대치 40-50kPa까지 증가하고 융해기에는 5-10kPa로 감소하였다.
a) 도로나 철도 등 이른바 계절동토지역의 동상이 문제가 되는 토목구조물에서는 동상변위를 실제의 피해와 결부시키는 경우가 많다. b) 동상거동에 영향을 미치는 요인은 흙의 동상 민감성, 지하수조건, 수분의 공급조건, 하중조건 등 복잡한 요인에 지배되기 때문에 정량적인 평가는 곤란하다. C)현재 동상대책에서는 정량적인 동상의 예측은 어렵고 정성적으로 동상이 발생하지 않도록 억제하는 것을 전제로 하고 있는 경우가 대부분이다.
후속연구
여기에서 직경 20cm와 40cm의 값을 참조하면 절연지반의 동 상압은 9 시즌의 평균치로 150kPa 정도인 것을 알 수 있다. 이상의 데이터는 동일동상실험장에서 측정된 동상력혹은 동상압을 표시하였지만 이러한 값은 어디까지나 한정된 조건하에서 한 개의 실측 치에 불과함으로 주의할 필요가 있다. 그러나 토목구조물에 참가하는 동상력은 토압 등의 외력에 비해 매우 큰 값으로 되는 것은 틀림 없다.
Kauko kujala. (1991), Factors affecting frost susceptibility and heaving pressure in soils, ACTA University of Oulu
Szuki. T, Swada and liu C. (1993), Field and laboratory tests on adfreeze strength of ground to model pile, Proc. 2th Int. Symp. on Frost Geotechnical Engineering, pp.103-109
Szuki, T, Sawada, S. (1994), Full-Scale test on frost having pressure in a reinforced retaining wall, Proc. 7th Int. Symp. on Ground Freezing, pp.311-316
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