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[국내논문] 표준압밀시험 및 일정변형율 압밀시험 결과를 이용한 포화된 혼합 점성토의 열전도계수 측정에 관한 실험적 연구
Thermal Conductivity Measurement of Saturated Clayey Mixtures using Oedometer Consolidation and Constant Rate of Strain Consolidation Tests 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.22 no.3, 2012년, pp.275 - 281  

김학승 (국민대학교 건설시스템공학부) ,  권형석 (국민대학교 건설시스템공학부) ,  이장근 (한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실) ,  조남준 (국민대학교 건설시스템공학부) ,  김현기 (국민대학교 건설시스템공학부)

초록
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지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다. 최근 들어서는 세립토를 대상으로 열전도계수에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존 연구자들은 세립토의 열전도계수를 정확히 측정하는데 어려움으로 인해 신뢰성 있는 데이터가 부족하다는 문제점들이 제기되고 있다. 본 연구에서는 포화된 카올리나이트와 실리카 혼합점성토를 대상으로 건조밀도 변화에 따른 열전도계수 측정 실내실험을 수행하였다. 표준압밀시험의 단점을 보완한 일정변형율 압밀시험 자동화 장비를 이용하여 건조밀도의 변화에 따른 열전도계수를 연속적으로 측정하고 실내실험 결과의 신뢰성을 분석하였다. 또한, 기존 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thermal distribution in soils must be considered in engineering designs and constructions, including estimates of frost heave and thaw settlement, infrastructure in cold regions, and geothermal systems. Because thermal conductivity is a key parameter for evaluation of thermal distribution in soils, ...

Keyword

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문제 정의

  • 본 연구에서는 기존 연구에서 제시된 열전도계수 측정 장치의 장기 발열에 따른 오차, 상대적으로 낮은 건조밀도로 인한 현장 적용의 한계성, 단계별 하중에 따른 측정치의 불연속성을 극복한 열전도계수 측정 자동화 장비를 개발하였다. 새로운 장비를 활용하여 측정된 열전도계수는 기존 연구에서 검증된 장비를 이용한 열전도계수 측정값과 비교하여 신뢰성을 검토하고, 나아가 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 기존 연구에서 제시된 열전도계수 측정 장치의 장기 발열에 따른 오차, 상대적으로 낮은 건조밀도로 인한 현장 적용의 한계성, 단계별 하중에 따른 측정치의 불연속성을 극복한 열전도계수 측정 자동화 장비를 개발하였다. 새로운 장비를 활용하여 측정된 열전도계수는 기존 연구에서 검증된 장비를 이용한 열전도계수 측정값과 비교하여 신뢰성을 검토하고, 나아가 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
  • CRS #1과 #2의 열전도계수 결과도 표준압밀시험에서 측정한 열전도계수와 상당히 유사한 측정값을 볼 수 있었다. 따라서 압밀시험과 열전도계수 측정결과를 토대로 본 연구에서 개발된 자동화 장비를 활용한 열전도계수 측정의 신뢰성을 확보하였다.

가설 설정

  • Woodside and Messmer (1961)는 흙을 구성하는 공기, 흙입자, 그리고 간극수의 열전도율을 배분하고 체적 비율에 따른 평균을 통해 열전도계수를 계산하였다. 열의 이동경로는 흙입자가 직접 접촉되어 있는 부분, 액체로 이루어진 부분, 그리고 흙입자와 액체로 이루어진 부분으로 총 3가지 경우로 가정하였으며 포화토에 적용하면 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전달 해석에서 가장 중요한 변수는 무엇인가? 지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다. 최근 들어서는 세립토를 대상으로 열전도계수에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일정변형율 압밀시험을 통해 건조밀도의 변화에 따른 포화된 세립토의 열전도계수를 측정하여 얻은 결론을 요약하면 무엇인가? 1) 표준압밀시험 결과와 일정변형율 압밀시험을 활용한 열전도계수 측정 결과의 비교를 통해 본 연구에서 사용된 자동화 장비의 신뢰성을 확보하였다. 또한 최대건조밀도 1.64 g/cm3 이상에서도 열전도계수 측정이 가능하여 현장과 유사한 조건에서 세립토의 열전도계수 평가에 활용 가능하다. 2) De Vries의 경험식과 Johansen의 경험식은 흙의 구성성분이 차지하는 체적배분율에 따른 열전도계수의 평균값으로 비교적 정확하게 포화된 세립토의 열전도계수를 예측하고 있다. 기존 연구에서 명시된 바와 같이 흙을 구성하는 성분들의 열전도계수가 10배 이상 차이가 나지 않을 때에는 다른 경험식들과 비교하였을 때, 상대적으로 간편한 열전도계수의 기하평균만으로도 정확한 예측이 가능하다.
지반 내 열전도 현상은 무엇에 중요한 고려사항인가? 지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. Abuel-Naga, H.M., Bergado, D.T. and Bouazza, A., 2008, Thermal Conductivity Evolution of Saturated Clay under Consolidation Process, International Journal of Geomechanics, 8(2), 114-122. 

  2. Andersland, O.B. and Ladanyi, B., 2004, Frozen ground engineering, John Wiley & Sons, Inc., 2nd Ed., Hoboken, New Jersey, 1-55. 

  3. ASTM, 2006, Standard Test Method for One-Dimensional Consolidation Properties of Saturated Cohesive Soils Using Controlled-Strain Loading, ASTM D4186-06. 

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  5. Cortes, D.D., Martin, A.I., Yun, T.S., Francisca, F.M., Santamarina, J.C. and Ruppel, C., 2009, Thermal conductivity of hydrate-bearing sediments, Journal of Geophysical Research, 114, B11103, doi:10.1029/2008JB006235. 

  6. Cote, J. and Konrad, J.M., 2005, A Generalized Thermal Conductivity Model for Soils and Construction Materials, Canadian Geotechnical Journal, 42(2), 443-458. 

  7. De Vries, D.A., 1952, The thermal conductivity of soils, Mededelingen van de Landbouwhogeschool te Wageningen, 52(1), 1-73. 

  8. Farouki, O.T., 1986, Thermal Properties of Soils, Series on Rock and Soil Mechanics, Trans Tech, Germany, 11, 102-124. 

  9. Gera, F., Hueckel, T. and Peano, A., 1996, Critical Issues in Modelling of the Long-Term Hydro-Thermal Performance of Natural Clay Barriers, Engineering Geology, 41, 17-33. 

  10. Hardy, M., 1992, X-ray Diffraction Measurement of the Quartz Content of Clay and Silt Fraction in Soils, Clay Minerals, 27(1), 45-55. 

  11. Horai, K., 1971, Thermal Conductivity of Rock-Forming Minerals, Journal of Geophysical Research, 76(5), 1278-1308. 

  12. Johansen, O., 1975, Thermal Conductivity of Soils, Ph. D. dissertation, Trondheim, Norway. U. S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory(CRREL) Draft Translation 637, Hanover, N.H., 1977, 248-253. 

  13. Kersten, M.S., 1949, Laboratory research for the determination of the thermal properties of soils, ACFEL Technical Report 23, 153-182. 

  14. Kim, H.S., Lee, J., Kang, J.M., Kim, Y.S. and Hong, S.S., 2011, Thermal Conductivity of Saturated Unfrozen Kaolinite during Consolidation, KSEG The Journal of Engineering Geology, 21(2), 157-162. 

  15. Maky, A.F. and Ramadan, A.M., 2010, Thermal Conductivity, Radiogenic Heat Production and Heat Flow of Some Upper Cretaceous Rock Units, North Western Desert, Egypt, Journal of Applied Sciences Research, 6(5), 483-510. 

  16. Penner, E., 1962, Thermal Conductivity of Saturated Leda Clay, Geotechnique, 12(2), 168-175. 

  17. Sass, J.H., Lachenbruch, A. H. and Munroe, R.J., 1971, Thermal conductivity of rocks from measurements on fragments and its application to heat-flow determination. Journal of Geophysical Research, 76(14), 3391-3401. 

  18. Tien, Y.M., Wu, P.L., Chuang, W.S. and Wu, L.H., 2004, Micromechanical Model for Compaction Characteristics of Bentonite-Sand Mixtures, Applied Clay Science, 26, 489-498. 

  19. Woodside, W. and Messmer, J.M., 1961, Thermal conductivity of porous media, Journal of Applied Physics, 32(9), 1688-1706. 

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