이준용
(Korea Institute of Construction Technology Geotechnical Engineering Research Division)
,
김영석
(Korea Institute of Construction Technology Geotechnical Engineering Research Division)
,
최창호
(Korea Institute of Construction Technology Geotechnical Engineering Research Division)
비동결된 지반에서의 말뚝기초 지지력은 주면마찰력과 선단지지력에 의해 지배되는 것과 달리 동토지역에서의 말뚝기초지지력은 일반적으로 주면마찰력에 의해 지배된다. 동토지역에서 말뚝기초와 동결토 사이 접촉면에서 발현하는 주면마찰력은 동착강도로 정의하며, 동착강도는 동토지역 말뚝기초의 설계 지배정수로 알려져 있다. 동토지역에서 말뚝기초의 지지력을 지배하는 설계정수인 동착강도 특성을 분석하기 위하여 지난 50여 년 동안 많은 연구가 수행되었으며, 현재에도 활발히 연구가 수행 중에 있다. 하지만 동착강도의 경우 토사의 물성특성, 말뚝표면의 거칠기 및 외부적인 시험조건에 의하여 민감하게 반응하는 것으로 알려져 있어 현재까지 진행된 많은 연구들은 제한된 영향인자를 고려하여 수행되었다. 본 연구에서는 동결온도 및 수직응력 조건에 따른 동착강도 특성을 분석하기 위하여 대형 냉동챔버 내에서 직접전단시험을 수행하였으며, 시험결과를 바탕으로 기존에 동일한 조건으로 측정된 동결토 전단강도와 상관관계를 분석하였다. 또한, 향후 동결토 전단강도를 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 동착강도 비례계수를 산정하였으며, 기존 연구와의 비교분석을 통하여 기존 계수에 대한 문제점을 고찰하였다.
비동결된 지반에서의 말뚝기초 지지력은 주면마찰력과 선단지지력에 의해 지배되는 것과 달리 동토지역에서의 말뚝기초지지력은 일반적으로 주면마찰력에 의해 지배된다. 동토지역에서 말뚝기초와 동결토 사이 접촉면에서 발현하는 주면마찰력은 동착강도로 정의하며, 동착강도는 동토지역 말뚝기초의 설계 지배정수로 알려져 있다. 동토지역에서 말뚝기초의 지지력을 지배하는 설계정수인 동착강도 특성을 분석하기 위하여 지난 50여 년 동안 많은 연구가 수행되었으며, 현재에도 활발히 연구가 수행 중에 있다. 하지만 동착강도의 경우 토사의 물성특성, 말뚝표면의 거칠기 및 외부적인 시험조건에 의하여 민감하게 반응하는 것으로 알려져 있어 현재까지 진행된 많은 연구들은 제한된 영향인자를 고려하여 수행되었다. 본 연구에서는 동결온도 및 수직응력 조건에 따른 동착강도 특성을 분석하기 위하여 대형 냉동챔버 내에서 직접전단시험을 수행하였으며, 시험결과를 바탕으로 기존에 동일한 조건으로 측정된 동결토 전단강도와 상관관계를 분석하였다. 또한, 향후 동결토 전단강도를 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 동착강도 비례계수를 산정하였으며, 기존 연구와의 비교분석을 통하여 기존 계수에 대한 문제점을 고찰하였다.
Bearing capacity of pile is governed by only skin friction in frozen ground condition, while it is generally governed both by skin friction and end bearing capacity in typically unfrozen ground condition. Skin friction force, which arises from the interaction between pile and frozen soils, is define...
Bearing capacity of pile is governed by only skin friction in frozen ground condition, while it is generally governed both by skin friction and end bearing capacity in typically unfrozen ground condition. Skin friction force, which arises from the interaction between pile and frozen soils, is defined as adfreeze bond strength, and adfreeze bond strength is one of the most important key parameters for design of pile in frozen soils. Many studies have been carried out in order to analyze adfreeze bond strength characteristics over the last fifty years. However, many studies for adfreeze bond strength have been conducted with limited circumstances, since adfreeze bond strength is sensitively affected by various influence factors such as intrinsic material properties, pile surface roughness, and externally imposed testing conditions. In this study, direct shear test is carried out inside of large-scaled freezing chamber in order to analyze the adfreeze bond strength characteristics with varying freezing temperature and normal stress. Also, the relationship between adfreeze bond strength and shear strength of the frozen soil obtained from previous study was analyzed. The coefficient of adfreeze bond strength was evaluated in order to predict adfreeze bond strength based on shear strength, and coefficients suggested from this and previous studies were compared.
Bearing capacity of pile is governed by only skin friction in frozen ground condition, while it is generally governed both by skin friction and end bearing capacity in typically unfrozen ground condition. Skin friction force, which arises from the interaction between pile and frozen soils, is defined as adfreeze bond strength, and adfreeze bond strength is one of the most important key parameters for design of pile in frozen soils. Many studies have been carried out in order to analyze adfreeze bond strength characteristics over the last fifty years. However, many studies for adfreeze bond strength have been conducted with limited circumstances, since adfreeze bond strength is sensitively affected by various influence factors such as intrinsic material properties, pile surface roughness, and externally imposed testing conditions. In this study, direct shear test is carried out inside of large-scaled freezing chamber in order to analyze the adfreeze bond strength characteristics with varying freezing temperature and normal stress. Also, the relationship between adfreeze bond strength and shear strength of the frozen soil obtained from previous study was analyzed. The coefficient of adfreeze bond strength was evaluated in order to predict adfreeze bond strength based on shear strength, and coefficients suggested from this and previous studies were compared.
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문제 정의
5 mm/min의 전단 속도로 하중을 재하하였다. 본 시험은 수직응력 변화에 따른 동착강도 특성을 살펴보기 위하여 다섯 가지의 동결온도 조건을 설정하여 수행하였다. 즉, 동착강도 시험은 상대밀도(76%), 함수비(15.
본 연구에서는 동토지역의 저온환경을 모사할 수 있는 대형 냉동챔버와 극저온 환경에서도 운영이 가능하도록 설계된 직접전단시험기를 활용하여 동결온도 및 수직응력 변화에 따른 알루미늄재료와 화강풍화토 접촉면에서 발현되는 동착강도 특성을 분석하였으며, 향후 동착강도 추정에 활용하기 위하여 선행연구(Lee & Choi, 2013)와 동일한 조건으로 측정된 화강풍화토의 전단강도 특성을 이용하여 동착강도와의 상관관계를 분석하였다.
이는 토사종류, 모형재료의 종류 및 외부적인 시험조건 등 다양한 인자들에 의하여 동착강도가 민감하게 반응하기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구의 동착강도 측정 시험은 여러 영향인자에 의한 동착강도 특성 분석 및 향후 동결토 전단강도 값을 참고 값으로 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 기준점을 제시하기 위하여 수행하였다. 특히, 본 연구결과에 따르면 동착강도 비례계수는 다양한 인자에 의하여 영향을 받기 때문에 기존 연구를 통해 제안된 고정 수정계수 및 추정곡선을 적용하여 동착강도를 산정하는 것은 많은 오차를 내포하게 된다.
가설 설정
본 연구에서 도출한 실내 동착강도 시험결과와 기존 연구(Lee & Choi, 2013)의 동결토 전단시험 결과의 상관관계를 바탕으로 동토지반 기초설계에 활용할 수 있는 동착강도 비례계수를 도출하였다. 여기서, 상온조건의 시험결과는 간극수의 동결이 발생하는 시기인 0℃ 직전까지 동일하다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
(1) 동착강도 특성은 다양한 매개변수에 의하여 민감하게 반응하기 때문에 기존 동결토 전단강도 시험 값을 활용하기 위하여 동일한 조건을 적용하여 동착강도 측정시험을 수행하였다. 본 연구에 따르면 동착강도는 동결온도가 낮아지거나 수직응력이 커질수록 전반적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다.
(2) 기존 연구에서 정리된 동결토 전단강도와 본 연구의 동착강도 시험결과를 바탕으로 동결온도와 수직응력에 따른 전단강도와 동착강도의 상관관계를 분석하였다. 상기 분석내용을 바탕으로 본 연구에서는 직접적인 동착강도 측정 없이 동결토 전단강도를 참고 값으로 활용하여 동착강도를 산정할 수 있는 동착강도 비례계수(rs)를 제안하였다.
5%의 함수비 조건을 가지고 화강풍화토와 물을 잘 혼합한 뒤 비닐 팩을 이용하여 함수량의 손실을 막고 함수비가 균일하게 퍼지도록 약 24시간 동안 보관하였다. 24시간 이후 하부 전단 상자 내에 알루미늄 모형재료를 Fig. 5와 같이 삽입하고, 상부전단상자 내에 함수비 15.5%의 화강풍화토 시료를 삽입한 후 상대밀도 76%의 기준으로 공시체를 제작하였다. 제작된 시험공시체는 동착강도 시험을 위하여 대형 냉동챔버 내에서 상재하중 없이 동결시켰으며, 동결과정에서 발생할 수 있는 수분 손실을 방지하기 위하여 비닐팩으로 전단상자를 마감하였다.
냉동챔버 내에서 24시간 시험공시체를 동결한 후, 본 연구에서는 Lee & Choi(2013)와 동일한 0.5 mm/min의 전단 속도로 하중을 재하하였다.
본 연구에서는 대형 냉동챔버 내에 구축된 직접전단시험기를 활용하여 동결온도 및 수직응력 조건을 변화시키며, 화강풍화토와 알루미늄 모형재료의 접촉면에서 발현되는 동착강도 특성을 분석하였다. 또한, 화강풍화토를 활용한 기존의 동결토 전단강도 시험 결과 값을 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 비례계수를 산정하였다. 본 연구의 시험 결과 및 분석을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 “동결온도 조건에서의 화강풍화토 전단강도특성에 관한 연구(Lee & Choi, 2013)”의 연결 편으로, 동토지역의 기초구조물 설계에서 필수적인 동착강도 특성을 분석하고 기존의 동결토 전단강도 결과(Lee & Choi, 2013)와의 상관관계를 이용하여 동착강도를 추정할 수 있는 비례계수를 도출하는데 초점을 맞추어 수행하였다.
본 연구에서 도출한 실내 동착강도 시험결과와 기존 연구(Lee & Choi, 2013)의 동결토 전단시험 결과의 상관관계를 바탕으로 동토지반 기초설계에 활용할 수 있는 동착강도 비례계수를 도출하였다.
본 연구에서 수행한 알루미늄 모형재료와 화강풍화토를 활용한 동착강도 시험은 Lee & Choi(2013)에서 수행한 동결토 전단강도 시험과의 일관성을 가지도록 동일한 시험조건으로 공시체를 제작하였다.
본 연구에서는 대형 냉동챔버 내에 구축된 직접전단시험기를 활용하여 동결온도 및 수직응력 조건을 변화시키며, 화강풍화토와 알루미늄 모형재료의 접촉면에서 발현되는 동착강도 특성을 분석하였다. 또한, 화강풍화토를 활용한 기존의 동결토 전단강도 시험 결과 값을 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 비례계수를 산정하였다.
(2) 기존 연구에서 정리된 동결토 전단강도와 본 연구의 동착강도 시험결과를 바탕으로 동결온도와 수직응력에 따른 전단강도와 동착강도의 상관관계를 분석하였다. 상기 분석내용을 바탕으로 본 연구에서는 직접적인 동착강도 측정 없이 동결토 전단강도를 참고 값으로 활용하여 동착강도를 산정할 수 있는 동착강도 비례계수(rs)를 제안하였다. 본 연구에서 제안한 동착강도 비례계수는 0℃에서 -5℃까지의 초기 동결온도 조건에서 수직응력 영향에 의하여 편차가 발생하는 것을 확인할 수 있었으나, 동결온도 조건이 -5℃ 이하로 내려갈수록 수직응력이 동착강도 비례계수에 미치는 영향이 감소하는 것으로 확인하였다.
5%의 화강풍화토 시료를 삽입한 후 상대밀도 76%의 기준으로 공시체를 제작하였다. 제작된 시험공시체는 동착강도 시험을 위하여 대형 냉동챔버 내에서 상재하중 없이 동결시켰으며, 동결과정에서 발생할 수 있는 수분 손실을 방지하기 위하여 비닐팩으로 전단상자를 마감하였다. Lee & Choi(2013)의 동결토 전단시험에 따르면 시험공시체의 중심부 온도는 약 6시간 이후 대형 냉동챔버의 온도조건과 평형을 이룬다는 것을 확인하였으나, 동착강도는 동결시간에 따라 예민하게 달라질 수 있으므로 모든 조건별 공시체를 기존연구와 동일하게 24시간 동안 동결시켰다.
본 시험은 수직응력 변화에 따른 동착강도 특성을 살펴보기 위하여 다섯 가지의 동결온도 조건을 설정하여 수행하였다. 즉, 동착강도 시험은 상대밀도(76%), 함수비(15.5%), 전단속도(0.5 mm/min)의 고정된 조건하에 세 가지의 수직응력(100 kPa, 200 kPa, 300 kPa)과 각 수직응력에 대한 다섯 가지의 동결온도조건(상온, -2℃, -5℃, -10℃, -15℃)에서 수행하였다. 각 조건에 따른 동착강도 시험은 전단응력이 일정해질 때까지 또는 전단변형율이 공시체 너비의 약 10%에 도달할 때까지 하중을 재하하였다.
대상 데이터
본 연구에 활용한 냉동 챔버는 2,000 mm(W)×3,000 mm(L) × 2,500 mm(H) 크기로 ±1℃의 온도분포 조절을 통하여 -20℃까지 온도제어가 가능하며, Fig. 2는 챔버의 외부 및 내부 모습을 보여준다.
본 연구에서 사용한 화강풍화토는 관악산 인근 지역에서 채취하였으며, 통일분류상 ‘SW’에 해당하며, 비중은 2.67이다.
본 연구에서는 Lee & Choi(2013)의 동결토 전단강도 결과와 연계하여 Lee & Choi(2013)에서 활용한 동일한 시험장비와 재료를 활용하였다.
이론/모형
본 연구에서는 Lee & Choi(2012, 2013)가 활용한 대형 냉동챔버 및 직접전단시험기를 활용하여 시험을 수행하였다.
시험장비에 대한 세부적인 사항은 Lee & Choi(2013)를 참조한다.
성능/효과
(3) 본 연구에서 제안한 비례계수와 기존 연구의 비례계수를 비교한 결과 많은 편차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 토사종류, 모형재료의 종류 및 외부적인 시험조건 등 다양한 인자들에 의하여 동착강도가 민감하게 반응하기 때문인 것으로 판단된다.
Table 3은 각 동결온도 및 수직응력에 따른 동착강도 결과를 보여준다. 기존의 동결토 전단강도와 비교해보면 같은 동결온도 및 수직응력 조건에서 동착강도는 동결토 전단강도 대비 약 1/2～1/4배 정도인 것을 확인할 수 있다.
수직응력이 200 kPa과 300 kPa 조건에서의 동착강도 비례계수는 동결온도가 0℃에서 -5℃ 구간에서 감소하는 경향을 보인 후 동결온도가 -5℃ 이하부터는 소폭 증가하는 경향을 나타내고 있다. 또한, 동결온도 0℃～-5℃ 구간에서 동착강도 비례계수는 수직응력 조건에 따라 편차가 나타났으며, 이후 온도가 내려갈수록 유사한 증가경향을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 동결토 전단강도를 참고 값으로 활용하여 동착강도 산정 시 동결온도 및 수직응력 조건이 상관관계에 영향을 미친다는 것을 의미하며, 동결온도조건과는 관계없이 고정된 상수인 Table 1을 이용하여 동착강도를 산정하는 기존의 방법은 한계가 있다는 사실을 시사하는 것으로 판단된다.
6에 나타난 직접전단시험기를 통한 동착강도 측정 시험 결과를 살펴보면 변수조건으로 적용한 동결온도와 수직응력 조건에 따라 동착강도는 다양하게 변화하였는데 동결온도가 낮아질수록, 또는 수직응력이 증가할수록 동착강도는 증가하는 경향을 나타내고 있다. 또한, 알루미늄 모형재료와 토사의 접촉면에서 발생하는 파괴거동은 동결온도가 낮아질수록 취성이 뚜렷해지는 특성을 나타냈으며, 동결온도 조건이 낮아질수록 알루미늄 모형재료와 동결토사의 접촉면에서 미끄럼파괴(slip failure)가 일어나는 최대강도 발현지점이 뚜렷하고, 파괴 이후 발현되는 잔류강도가 적은 취성파괴 거동을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
본 연구에 따르면 동착강도는 동결온도가 낮아지거나 수직응력이 커질수록 전반적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 알루미늄 모형재료와 토사의 접촉면에서 발생하는 파괴거동이 동결온도가 낮아질수록 취성이 뚜렷해지는 특성을 나타내었다.
(1) 동착강도 특성은 다양한 매개변수에 의하여 민감하게 반응하기 때문에 기존 동결토 전단강도 시험 값을 활용하기 위하여 동일한 조건을 적용하여 동착강도 측정시험을 수행하였다. 본 연구에 따르면 동착강도는 동결온도가 낮아지거나 수직응력이 커질수록 전반적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 알루미늄 모형재료와 토사의 접촉면에서 발생하는 파괴거동이 동결온도가 낮아질수록 취성이 뚜렷해지는 특성을 나타내었다.
상기 분석내용을 바탕으로 본 연구에서는 직접적인 동착강도 측정 없이 동결토 전단강도를 참고 값으로 활용하여 동착강도를 산정할 수 있는 동착강도 비례계수(rs)를 제안하였다. 본 연구에서 제안한 동착강도 비례계수는 0℃에서 -5℃까지의 초기 동결온도 조건에서 수직응력 영향에 의하여 편차가 발생하는 것을 확인할 수 있었으나, 동결온도 조건이 -5℃ 이하로 내려갈수록 수직응력이 동착강도 비례계수에 미치는 영향이 감소하는 것으로 확인하였다.
후속연구
특히, 본 연구결과에 따르면 동착강도 비례계수는 다양한 인자에 의하여 영향을 받기 때문에 기존 연구를 통해 제안된 고정 수정계수 및 추정곡선을 적용하여 동착강도를 산정하는 것은 많은 오차를 내포하게 된다. 따라서 향후 동토지역 말뚝기초 설계에 있어 동착강도의 산정은 현장 조건을 고려한 세분화된 연구를 통해 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영구동토지반이란?
극한지(極寒地)에 존재하는 영구동토지반은 지층 내 계절의 변화에 상관없이 일 년 내내 얼어있는 동결토층이 존재하는 지반을 의미하며, 일반적으로 영구동토 층 상부는 계절변화에 따라 동결･융해를 반복하는 활동층이 나타나는 지층 구조를 지니고 있다. 동토지역에서 말뚝기초는 활동층을 통과하여 영구동토 층에 설치하게 되며, 말뚝기초의 지지력 산정은 말뚝 선단에서 동결토사의 전단강도에 의한 선단지지력과 수분이 함유된 토사와 구조체 사이에 작용하는 말뚝 주면마찰력으로 구분되어 예측될 수 있으나, 일반적으로 주면마찰력만을 고려하여 지지력 설계를 수행한다.
동토지역에서 말뚝기초 설치는 어디에 이루어지는가?
극한지(極寒地)에 존재하는 영구동토지반은 지층 내 계절의 변화에 상관없이 일 년 내내 얼어있는 동결토층이 존재하는 지반을 의미하며, 일반적으로 영구동토 층 상부는 계절변화에 따라 동결･융해를 반복하는 활동층이 나타나는 지층 구조를 지니고 있다. 동토지역에서 말뚝기초는 활동층을 통과하여 영구동토 층에 설치하게 되며, 말뚝기초의 지지력 산정은 말뚝 선단에서 동결토사의 전단강도에 의한 선단지지력과 수분이 함유된 토사와 구조체 사이에 작용하는 말뚝 주면마찰력으로 구분되어 예측될 수 있으나, 일반적으로 주면마찰력만을 고려하여 지지력 설계를 수행한다. 여기서, 주면마찰력은 말뚝과 동결토의 접촉면에서 발현되는 동착강도로 산정되며, 이러한 동착강도는 동토지반 말뚝기초의 지지력을 지배하는 설계정수로 알려져 있다(Ladanyi & Theriault, 1990).
말뚝기초의 지지력 산정을 위한 주면 마찰력이란?
동토지역에서 말뚝기초는 활동층을 통과하여 영구동토 층에 설치하게 되며, 말뚝기초의 지지력 산정은 말뚝 선단에서 동결토사의 전단강도에 의한 선단지지력과 수분이 함유된 토사와 구조체 사이에 작용하는 말뚝 주면마찰력으로 구분되어 예측될 수 있으나, 일반적으로 주면마찰력만을 고려하여 지지력 설계를 수행한다. 여기서, 주면마찰력은 말뚝과 동결토의 접촉면에서 발현되는 동착강도로 산정되며, 이러한 동착강도는 동토지반 말뚝기초의 지지력을 지배하는 설계정수로 알려져 있다(Ladanyi & Theriault, 1990).
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