겨울에는 시베리아기단의 영향으로 한랭 건조한 대륙성 고기압의 영향을 받아 춥고 건조하여 1월 평균기온이 $-6{\sim}-7^{\circ}C$의 영하의 온도로 낮아져 지반동결시 수분이동으로 동상현상이 발생하여 도로의 불균형 동결팽창을 초래하며, 결국 포장체를 파손시킨다. 동상발생시 토립자는 모관력에 의해 지하수를 흡수하여 아이스렌즈를 형성하며, 이 모관 흡수력은 토립자의 크기에 영향을 받는다. 도로는 다양한 재료와 단면으로 구성된 구조물이기 때문에 환경성과 재료 물성뿐만 아니라 포장체 각 층의 구조적 적정성 또는 지지력을 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 기존 동상방지층 설계법에 따르면, 동상방지층은 포장체의 구조적 적정성과는 무관하게 온도 조건에 따른 동결깊이에 따라 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용함으로써 포장의 과다설계 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 도로 동상방지층의 효용성 검증 및 설치기준 확립을 위해 실내동결시스템을 활용하여 도로 노상토의 동상 특성에 대한 민감성을 판별, 도로건설 현장 노상토에 대한 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분 등의 결과값을 통하여 동결 과정에 따른 지반공학적 특성을 평가하였다.
겨울에는 시베리아기단의 영향으로 한랭 건조한 대륙성 고기압의 영향을 받아 춥고 건조하여 1월 평균기온이 $-6{\sim}-7^{\circ}C$의 영하의 온도로 낮아져 지반동결시 수분이동으로 동상현상이 발생하여 도로의 불균형 동결팽창을 초래하며, 결국 포장체를 파손시킨다. 동상발생시 토립자는 모관력에 의해 지하수를 흡수하여 아이스렌즈를 형성하며, 이 모관 흡수력은 토립자의 크기에 영향을 받는다. 도로는 다양한 재료와 단면으로 구성된 구조물이기 때문에 환경성과 재료 물성뿐만 아니라 포장체 각 층의 구조적 적정성 또는 지지력을 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 기존 동상방지층 설계법에 따르면, 동상방지층은 포장체의 구조적 적정성과는 무관하게 온도 조건에 따른 동결깊이에 따라 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용함으로써 포장의 과다설계 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 도로 동상방지층의 효용성 검증 및 설치기준 확립을 위해 실내동결시스템을 활용하여 도로 노상토의 동상 특성에 대한 민감성을 판별, 도로건설 현장 노상토에 대한 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분 등의 결과값을 통하여 동결 과정에 따른 지반공학적 특성을 평가하였다.
The influence of fines of the frost susceptibility of subgrade soils were established by laboratory freezing system test simulating closely the thermal conditions in the field. During the winter season, the climate is heavily influenced by the cold and dry continental high pressure. Because of siber...
The influence of fines of the frost susceptibility of subgrade soils were established by laboratory freezing system test simulating closely the thermal conditions in the field. During the winter season, the climate is heavily influenced by the cold and dry continental high pressure. Because of siberian air mass, the temperature of January is $-6{\sim}-7^{\circ}C$ on average. This chilly weather generate the frost heaving by freezing the moisture of soil and damage potential of the road structure. In the freezing soil, the ice lenses increase the freeze portion of soil by absorbing the ground water with capillary action. However, the capillary characteristics differ from the sort of soil on the state of freezing condition. In the current design codes for anti-freezing layer, the thickness of anti freezing layer is calculated by freezing depth against the temperature condition. Therefore, they have a tendency of over-design and uniform thickness without the considerations of thermal stability, bearing capacity and frost susceptibility of materials. So, it is essential for studying the appropriateness and bearing capacity besides the seasonal and mechanical properties of pavement materials to take a appropriate and reasonable design of the road structure. In this Paper, the evaluation of frost susceptibility was conducted by means of the mechanical property test and laboratory freezing system apparatus. The temperature, heaving amount, heaving pressure and unfrozen water contents of soil samples, the subgrade soils of highway construction site, were measured to determine the frost susceptibility.
The influence of fines of the frost susceptibility of subgrade soils were established by laboratory freezing system test simulating closely the thermal conditions in the field. During the winter season, the climate is heavily influenced by the cold and dry continental high pressure. Because of siberian air mass, the temperature of January is $-6{\sim}-7^{\circ}C$ on average. This chilly weather generate the frost heaving by freezing the moisture of soil and damage potential of the road structure. In the freezing soil, the ice lenses increase the freeze portion of soil by absorbing the ground water with capillary action. However, the capillary characteristics differ from the sort of soil on the state of freezing condition. In the current design codes for anti-freezing layer, the thickness of anti freezing layer is calculated by freezing depth against the temperature condition. Therefore, they have a tendency of over-design and uniform thickness without the considerations of thermal stability, bearing capacity and frost susceptibility of materials. So, it is essential for studying the appropriateness and bearing capacity besides the seasonal and mechanical properties of pavement materials to take a appropriate and reasonable design of the road structure. In this Paper, the evaluation of frost susceptibility was conducted by means of the mechanical property test and laboratory freezing system apparatus. The temperature, heaving amount, heaving pressure and unfrozen water contents of soil samples, the subgrade soils of highway construction site, were measured to determine the frost susceptibility.
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문제 정의
본 연구에서는 도로 동상방지층의 효용성 검증 및 설치기준 확립을 위해 실내동결시스템을 활용하여 도로 노상토의 동상 특성에 대하여 고찰하였다. 즉, 서울, 대전, 원주지방국도관리청 산하 도로 건설 현장 노상토에 대한 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분을 측정함으로써 도로노상토의 동상특성을 규명하였다.
본 연구에서는 전국 도로 현장을 동결지수선도로 구분하여 서울, 원주, 대전지방국도관리청의 도로 현장에서 실제 시공하고 있는 4종류의 노상토 시료에 대하여 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분을 측정 분석함으로써 도로 노상토의 동상특성을 규명하였다.
제안 방법
공시체 내부의 온도변화는 온도센서(thermocouple)를 이용 하여 다져진 공시체 내부에 상, 중, 하로 매설하여 각 온도에서 동상이 시작된 시점부터 끝나는 시점까지 지속시간에 따른 온도를 측정하였다. 그림 7은 최적함수비 상태에서의 노상토 공시체의 온도변화를 측정한 결과로써 온도가 하강함에 따라 공시체 내부의 온도와 대기의 온도와의 차이가 커짐을 알 수 있었다.
동결된 시료의 부동수분량을 결정하기 위해서는 TDR 장비를 이용하여 실험을 수행하였다. TDR은 독일 IMKO 사의 TDR(Time Domain Reflectrometry) 함수량 측정기 모델인 TRIME-FM을 사용하여 노상 시료의 함수비를 깊이에 따라 측정하였다.
또한, 몰드 외벽에 일축 방향으로 동상이 진행되도록 이중보온재로 표면을 처리하였다. 또한 몰드와 시료 사이의 마찰을 최소화하기 위하여 몰드 내벽에 윤활유를 포설하였으며, 몰드 하부에 다공판과 거즈를 설치하여 실제 노상토의 모세관 현상을 재현하였다. -10℃에서도 몰드 외벽의 온도가 영상 1~3℃를 유지할 수 있도록 열선처리 하였다.
챔버내의 시편위치에 따른 온도 차이를 줄이기 위하여 3차원 입체냉각 방식으로 구성하였다. 또한, 몰드 외벽에 일축 방향으로 동상이 진행되도록 이중보온재로 표면을 처리하였다. 또한 몰드와 시료 사이의 마찰을 최소화하기 위하여 몰드 내벽에 윤활유를 포설하였으며, 몰드 하부에 다공판과 거즈를 설치하여 실제 노상토의 모세관 현상을 재현하였다.
시료의 동결 온도는 상부, 중부, 하부로 나누어 설치한 온도측정기로 측정할 수 있다. 본 시험의 계측결과 동결시 시료의 온도 변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분량 등의 결과값을 통하여 동결과정에서의 지반공학적 특성을 평가하였다. 실내동결시스템의 실험방법은 실제 도로 노상토의 다짐 조건인 다짐도 95%와 지하수 유입으로 인한 포화 조건을 만족시키기 위한 포화도 90%로 시료를 개량하였다.
사용된 실내 동결 시험 시스템은 온도센서에 의해 온도를 제어하며 전기히터에 의하여 일정한 온도를 유지할 수 있게 제작 하였다. 본 시험기는 온도의 범위가 -30℃~+30℃까지 설정이 가능하다.
수분 유입을 위한 저수조의 온도를 겨울철 지하수의 평균 온도인 4.0℃로 유지 시켰으며, 동결 온도의 유지는 상온에서 시작하여 동결 지속 온도인 -10℃까지 720분 동안 서서히 냉각 시킨 후 -10℃ 하에서 7일간 유지한 상태에서 시료의 동결 특성을 파악하였다.
본 시험의 계측결과 동결시 시료의 온도 변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분량 등의 결과값을 통하여 동결과정에서의 지반공학적 특성을 평가하였다. 실내동결시스템의 실험방법은 실제 도로 노상토의 다짐 조건인 다짐도 95%와 지하수 유입으로 인한 포화 조건을 만족시키기 위한 포화도 90%로 시료를 개량하였다. 또한 시료의 균일한 다짐과 예정된 위치에 온도센서를 설치하기 위하여 그림 5와 같은 시료 다짐기를 사용하였다.
역학적 특성 시험을 위해서 시험시료는 도로 노상토 다짐 관리 시 사용되는 수정 D 다짐방법을 최대입경 19mm의 모델시료를 사용하여 최대건조단위중량과 최적함수비를 산출 하였으며, 이를 바탕으로 한 시료 개량을 실시하였다. 일반적으로 알려져 있는 것과 같이 입도 배합이 좋은 조립토(GW, SW)가 노상토의 최적 재료이고, 입도 배합이 나쁘거나 세립토가 약간 함유한 조립토는 양호하고, 세립토는 보통으로 평가되고 있다.
본 연구에서는 도로 동상방지층의 효용성 검증 및 설치기준 확립을 위해 실내동결시스템을 활용하여 도로 노상토의 동상 특성에 대하여 고찰하였다. 즉, 서울, 대전, 원주지방국도관리청 산하 도로 건설 현장 노상토에 대한 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동결팽창압, 동결팽창량, 부동수분 등의 실험 결과 다음과 같이 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 도로 동상방지층의 효용성 검증 및 설치기준 확립을 위해 실내동결시스템을 활용하여 도로 노상토의 동상 특성에 대하여 고찰하였다. 즉, 서울, 대전, 원주지방국도관리청 산하 도로 건설 현장 노상토에 대한 역학적 특성과 실내 동결 시험을 수행하였으며, 외부 동결온도의 지속 조건에 대한 시료의 온도변화, 동상팽창압, 동상팽창량, 부동수분을 측정함으로써 도로노상토의 동상특성을 규명하였다.
본 시험기는 온도의 범위가 -30℃~+30℃까지 설정이 가능하다. 챔버내의 시편위치에 따른 온도 차이를 줄이기 위하여 3차원 입체냉각 방식으로 구성하였다. 또한, 몰드 외벽에 일축 방향으로 동상이 진행되도록 이중보온재로 표면을 처리하였다.
대상 데이터
또한 시료의 균일한 다짐과 예정된 위치에 온도센서를 설치하기 위하여 그림 5와 같은 시료 다짐기를 사용하였다. 여기서, 온도센서의 위치는 동결온도 지속에 대한 시료 내 열전달 속도를 확인하기 위하여 그림 6과 같이 시료 상부로부터 50mm, 100mm, 150mm 위치에 온도센서를 설치, 몰드의 크기는 지름이 100mm이며, 높이가 200mm로 구성하였으며 재질은 열전도가 낮은 우레탄 계열로 구성하였다.
이론/모형
동결된 시료의 부동수분량을 결정하기 위해서는 TDR 장비를 이용하여 실험을 수행하였다. TDR은 독일 IMKO 사의 TDR(Time Domain Reflectrometry) 함수량 측정기 모델인 TRIME-FM을 사용하여 노상 시료의 함수비를 깊이에 따라 측정하였다. TDR의 원리는 15cm의 probe를 얇은 플라스틱관 안으로 삽입시켜서 주변의 얼지 않은 부동 수분을 체적함수비로 측정하는 장비이다.
도로현장에서 채취한 노상토 시료에 대한 물리적인 성질을 파악하기 위하여 KS F에 명시된 표준시험방법으로 비중시험(KS F 2308), 액·소성시험(KS F 2303), 체가름 시험(KS F 2302), 다짐 시험(KS F 2301) 등을 수행하였다.
공시체를 적재하는 적재부에는 모두 4개의 공시체를 실험할 수 있으며, 적재부의 바닥에는 두께 10mm, 직경 100mm의 다공성 투수판을 놓는다. 측정부는 동상팽창압 측정을 위해 로드셀(load cell)을 장착할 수 있는 거치대와 LVDT를 장착할 수 있는 거치대로 구성되며, 부동수분을 구할 수 있는 독일 IMKO사의 TDR(time domain reflectrometry) 함수량 측정기 모델인 TRIME-FM3을 사용하였다.
현장 축소 및 재현하여 현장 조건에 맞게 흙의 동상성을 평가하는 방법으로 실내 동상실험에 의한 방법 ASTM D 5916-06(1996) 기준을 바탕으로 그림 4와 같이 실내동결시스템 실험 장치를 제작하여 채취된 시료의 동상 특성을 파악하였다.
성능/효과
1. 실제 현장에서의 온도조건으로 설정된 동상시험조건에서 도로 노상토 시료의 경우 동결 온도의 시간이 지속되면서 시료의 온도 분포, 그리고 동상팽창압에 대한 비교 분석 결과, 시료의 온도 분포는 약 3,100분 이후로 안정화되는 양상을 보였지만 팽창압 발생량은 3,100분 이후에도 증가 및 감소 하였다. 이는 3,100분 이후 시료의 온도가 동일하게 유지되는 조건하에서도 아이스렌즈부분의 증가와 지하수의 유입으로 인한 동상팽창량의 증가로 인한 것으로 판단된다.
2. 동상팽창압 실험결과, 초기 지속시간이 나타나는 것은 시료가 동결되면서 입자 재배열과 간극수가 얼음으로 상변화되는 과정으로 판단된다. 즉, 포화된 노상토 시료에 동결된 부분의 함수비는 증가되어 아이스렌즈로 발달하며, 미동결 부분에서의 함수비는 감소하는 결과가 나타난다.
3. 동상팽창량 변화를 살펴보면, 초기에는 동결시 상부시료의 수축으로 동상팽창량이 감소하면서, 원할한 수분공급과 함께 다시 일정한 비율로 동상팽창량이 증가하였다. 또한, 동상의 진행이 모든 시료에서 정상적인 동상발현 구간 이후에는 동상이 증가하지 않고 일정한 값으로 나타나고 있다.
4. 온도변화에 따른 부동수분 측정결과, Type-1은 상온에서 28%의 함수량을 보이던 시료는 0℃이하의 온도에서 부터 동결 현상을 보인 뒤 약 25% 정도의 부동수분 감소량을 나타내었다. 이는 수분의 동결로 인하여 얼음의 상태로 변한 것으로 보이며 이 양으로 인하여 체적 팽창을 야기한 것으로 보인다.
-10℃에서도 몰드 외벽의 온도가 영상 1~3℃를 유지할 수 있도록 열선처리 하였다. LVDT를 장착한 시료에는 직경 98mm의 원형 아크릴판으로 LVDT 측정판을 만들어 시료 위에 올려놓아 최대한 적은 하중으로 동상 팽창량의 구속을 줄였으며, 시료가 팽창했을 때 가장 많은 팽창이 일어난 부위를 효과적으로 측정할 수 있게 하였다.
McGaw와 Penner(1972)는 지하수위의 깊이와 동상팽창량과의 관계를 규명하기 위해 자갈질 모래부터 모래질 점토에 이르는 4가지 시료에 대하여 실내실험을 수행한 결과, 원시료 두께에 대한 동상팽창량은 모든 흙에 있어서 수위의 깊이는 물론 동상속도에도 의존한다고 발표하였다. 즉, 지하수를 일정하게 하였을 때, 동상비는 동결속도가 빠를수록 증가하였고 동결속도가 일정하게 되었을 때에는 수위를 낮출수록 감소하였다. 미동결토의 동결면까지 이동하는 물은 흙 입자 사이 모관을 통하여 이동하는 거리와 그 흙속에 있어서 물의 모관상승 높이와 같다.
동상팽창압 실험결과, 초기 지속시간이 나타나는 것은 시료가 동결되면서 입자 재배열과 간극수가 얼음으로 상변화되는 과정으로 판단된다. 즉, 포화된 노상토 시료에 동결된 부분의 함수비는 증가되어 아이스렌즈로 발달하며, 미동결 부분에서의 함수비는 감소하는 결과가 나타난다. 시료가 동결 되면서 비동결 시료에서는 느슨한 상태에서 조밀한 상태로의 변화됨을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영하의 온도에서 포장 구조체의 손상은 어떤 과정을 통하여 일어나는가?
일반적으로 지하수 및 강우에 의한 노상 토의 함수비 증가는 모세관 현상에 의하여 지반내 동상에 대한 활동영역의 함수비를 증가시킨다. 이렇게 상승된 동결영역의 함수비는 0℃ 이하의 온도가 지속됨에 따라 아이스렌즈를 형성하여 노상토의 불균등한 동결팽창을 초래하며, 결국 포장 구조체의 손상을 가져온다(권기철, 2002).
동절기에 영하의 온도가 지속되는 지역에서 포장체가 동상에 민감한 노상 상부에 건설될 경우, 어떤 위험성을 갖게 되는가?
동절기 0℃ 이하의 온도가 지속되는 지역에서 포장체가 동상에 민감한 노상 상부에 건설될 경우 동결융해에 의한 손상 위험성을 가지게 된다. 일반적으로 지하수 및 강우에 의한 노상 토의 함수비 증가는 모세관 현상에 의하여 지반내 동상에 대한 활동영역의 함수비를 증가시킨다.
국내에서는 미국과 일본의 설계법을 바탕으로 도로 동상방지층 설계가 진행 중인데, 기존의 설계법으로 인하여 우려되는 점은?
이러한 피해를 줄이기 위하여 국내에서도 미국 AASHTO 설계법과 일본 TA 설계법을 바탕으로 도로 동상방지층 설계가 진행되고 있다. 그러나 이와 같은 기존의 설계법에 따르면, 동상방지층은 도로 노상토의 동상특성이 아닌 온도에 따른 동결 깊이에 근거해 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용함에 따라 포장설계의 부실 또는 과다설계가 우려되고 있다(남영국 등, 2002).
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