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문제 정의
- 동상 실험장비의 개발 방향을 설정하기 위해 국외에서 수행되고 있는 동상 실내실험 및 장비들의 특성을 살펴보고자 한다.
- 동상 민감성을 판정하기 위해 수행되는 실내실험은 해외에서 기준이나 연구사례들을 통하여 다양하게 제시되어 왔으나, 시료 동결에 필요한 장비와 냉동챔버와 같은 설비로 인한 고비용의 문제로 국내에서 활용하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 현재까지 제시된 동상 실험장비들의 장･단점을 분석하고 동상 실험을 비롯하여 다양한 지반의 동결현상을 분석하기 위한 새로운 동결 실험장치를 개발하고 성능평가를 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 사항을 정리하면 다음과 같다.
- 본 실험장비의 대표적인 특성은 첫째, 상･하부 개별 냉각 제어방식, 둘째, 시료 주변 온도 보냉(保冷)시스템, 셋째, 동상량/동상력 측정시스템 장착이다. 본 절에서는 경제적이고 효율적인 동결 실험장비의 특성을 구체적으로 제시하며, 새롭게 개발된 실험장비의 동결 성능평가 실험 결과를 제시함으로써 개발된 새로운 실험장비의 활용 가능성을 살펴본다.
- 따라서 보다 경제적이고 간편한 실험장비를 이용한 동상 민감성 판정 기준을 위한 실험방법이 필요하다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 동결-융해 실험장비를 새롭게 개발하고 동상 민감성 흙에 대한 동상 실내실험을 실시하여 동상 실내실험 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 국외 흙의 동상 실내실험과 관련된 장비의 특성을 정리하면 동결방식, 동결방향, 시료의 크기, 모세관 현상으로 인한 수분의 유입조건과 같은 핵심 요소를 고려해야 한다. 각 장비들의 특성을 바탕으로 새로운 동상 실험장비의 인자들을 설정하였다.
- 625)로 제작하였다. 건조된 사질토 시료를 높이 100mm로 몰드에 주입 후 시료 포화를 위해 몰드 외부에 설치된 실린더를 통하여 수분을 하부에서 상부로 공급하였으며, 시료 상부와 약 100mm의 수두차가 유지되도록 하였다. 포화는 상부의 유입수를 제거하며 약 48시간에 걸쳐 진행되었다.
- (3) 시료의 동상을 판정하기 위해서는 외부에서 수분을 공급하며 수행하는 방법이 효과적이며, 수두차에 따른 수분공급이 발생하지 않도록 주의한다. 단 동결 발생에 따른 모세관압으로 수분의 이동만이 가능하도록 수두 높이는 가급적 시료의 높이와 동일하게 유지하며 실내실험을 수행한다.
- 상기 개발된 동상 실험장비의 성능을 검증하기 위하여 동상 실내실험을 수행하였다. 동결성능은 동일한 시료에 대하여 3가지 서로 다른 동결조건을 적용해 시료 내부의 온도변화와 동상량을 측정함으로써 상･하부 개별냉각시스템의 성능을 검증하였다. 또한, 동상에 민감한 시료를 대상으로 실내실험을 수행함으로써 개발된 장비의 동상발현 유도 성능 및 동상량 측정성능을 검증하였다.
- 동상 실험방법은 시료를 동결하는 방법에 따라 첫째, 토사의 상부와 하부로부터 동시에 온도를 낮추는 ‘양단면온도강하식’, 둘째, 상부와 하부의 온도를 일정하게 유지하는 ‘양단면온도일정식’, 셋째, 한 면의 온도를 일정하게 유지한 채 다른 한 면의 온도를 낮추는 ‘편면온도강하식’으로 구분된다.
- 1)은 -10℃의 상부에서 3℃의 하부로 동결하는 방식으로 시료 주변 온도는 3℃로 유지하며 상부는 배수, 하부는 비배수 상태로 진행하였다. 두 번째 조건(No. 2)은 동결방식은 No. 1과 동일하게 진행하되 하부는 배수조건으로 외부 실린더와 연결된 상태를 유지하고 외부 실린더의 수두는 시료 높이와 일치시켜 수두차가 없도록 하였다. 세 번째 조건(No.
- 지금까지 동상현상은 동상팽창량을 통해 평가되는 경향이 있지만 동상현상을 보다 정확히 분석하기 위해서는 동상팽창량에 더해 동상팽창압, 즉 동상현상에 의한 체적 팽창을 구속했을 때 발현되는 힘에 대한 측정이 함께 이루어져야 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안하는 새로운 동결-융해 시험기는 일정한 상재하중을 유지한 상태에서 흙의 동결-융해작용으로 인해 일어나는 동상량과 동상팽창압 측정을 위해 LVDT와 Load cell을 설치하였으며, 상･하부에 배수가 가능하도록 제작되었다.
- 동결성능은 동일한 시료에 대하여 3가지 서로 다른 동결조건을 적용해 시료 내부의 온도변화와 동상량을 측정함으로써 상･하부 개별냉각시스템의 성능을 검증하였다. 또한, 동상에 민감한 시료를 대상으로 실내실험을 수행함으로써 개발된 장비의 동상발현 유도 성능 및 동상량 측정성능을 검증하였다.
- 본 연구에서 개발된 동상 실험장비의 해외 실험장비들과 다른 주요한 특징은 상부와 하부, 몰드 주변 온도를 각각 ±0.1℃의 범위로 조절할 수 있도록 독립적인 냉각장치가 연결되어 있는 것이다.
- 일본 JGS기준의 경우 동상 실험의 목적에 따라 시료의 크기가 다른 실험을 제시하고 있다(JGS 0171, 2003; JGS 0172, 2003). 본 연구에서는 시료 주변이 아크릴 몰드로 구속되어 주변 마찰력으로 발생하는 문제를 최소화하기 위해 시료의 직경과 높이의 비가 2:1을 권장하고 있지만, 시료의 동결현상을 관찰하기 위해 직경과 높이를 1:1로 선정하여 실내실험을 수행하였다.
- 상기 개발된 동상 실험장비의 성능을 검증하기 위하여 동상 실내실험을 수행하였다. 동결성능은 동일한 시료에 대하여 3가지 서로 다른 동결조건을 적용해 시료 내부의 온도변화와 동상량을 측정함으로써 상･하부 개별냉각시스템의 성능을 검증하였다.
- 새롭게 개발된 온도제어형 삼축셀을 이용하여 2차례 동상 실험을 수행하였다. 실험에 활용된 시료는 화강풍화토와 주문진 표준사를 이용하여 시료를 제작하였다.
- 1과 동일하게 진행하되 하부는 배수조건으로 외부 실린더와 연결된 상태를 유지하고 외부 실린더의 수두는 시료 높이와 일치시켜 수두차가 없도록 하였다. 세 번째 조건(No. 3)은 하부에서 상부로 동결하는 방식으로 하부 동결에 따른 비배수, 상부는 배수로 수두차가 없는 외부 실린더와 연결된 상태를 유지하도록 설정하였다.
- 7kN/m3, 높이 100mm로 시료를 제작하였다. 시료를 초기 함수비로 혼합하여 온도제어형 삼축셀에 느슨한 상태로 채운 후 일축압축시험기를 이용하여 3번에 걸쳐 층별 정적다짐으로 준비하였다. 주문진 표준사는 건조단위중량 18.
- 시료의 내부에는 5개의 온도센서를 설치하여 시간의 흐름에 따른 시료 내부의 온도변화를 측정하였다. Fig.
- 화강풍화토는 상부에서 물을 공급하고 하부에 진공압을 이용하여 시료 내부로 유입수를 순환시켜 포화를 진행하였다. 주문진 표준사는 건조된 모래를 온도제어형 삼축셀에 채우고 유입수를 상부에서 하부로 순환시켜 포화를 진행하였다. 포화가 완료된 시료의 상부는 배수상태로 시료 높이와 동일한 수두를 유지하며, 시료의 하부(-10℃)에서 상부방향(3℃)으로 동결을 시켰다.
- 외부 관과 내부 관 사이에는 항온액체가 순환이 가능한 공간이 형성되어 있어 동상 실험을 수행하면 항온액체가 순환하면서 시료 주변의 온도를 일정하게 유지하도록 고안되었다. 투명한 아크릴 재질의 이중 관으로 이루어져 있어 시료가 동결되는 과정을 육안으로 관찰할 수 있으며, 상부와 하부에도 독립적으로 온도조절이 가능하도록 항온액체를 순환시켜 실험자가 원하는 방향으로 시료를 동결시키는 것이 가능하도록 설계되었다. 이러한 동결방식은 환경조건에 따라 시료 동결속도의 차이가 발생하는 것을 최소화하고, 실험이 지연되거나 국부적인 동결형태가 발생하는 것을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 포화는 상부의 유입수를 제거하며 약 48시간에 걸쳐 진행되었다. 포화가 완료된 시료는 상부의 유입수를 제거하고 Table 3과 같이 서로 다른 온도 및 배수조건에서 성능평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제안하는 동상 실험장비는 투명 온도제어형 삼축셀을 외부 관과 내부 관의 이중 관으로 구성하였다. 외부 관과 내부 관 사이에는 항온액체가 순환이 가능한 공간이 형성되어 있어 동상 실험을 수행하면 항온액체가 순환하면서 시료 주변의 온도를 일정하게 유지하도록 고안되었다.
- 새롭게 개발된 온도제어형 삼축셀을 이용하여 2차례 동상 실험을 수행하였다. 실험에 활용된 시료는 화강풍화토와 주문진 표준사를 이용하여 시료를 제작하였다. 화강풍화토의 #200번체 통과량은 약 30% 이상으로 USCS 토질분류 기준에 따라 동상에 민감한 SM으로 분류되었다.
- 온도제어 및 배수 성능평가에 활용된 시료는 비중 2.67, 최대/최소 건조단위중량이 각각 16.7kN/m3와 13.3kN/m3인 물리적 특성을 나타내며, USCS 토질분류 기준에 의해 전형적인 빈입도 사질토(SP)로 분류되는 주문진 표준사를 활용하여 상대밀도 77%(emax=0.919, emin=0.625)로 제작하였다. 건조된 사질토 시료를 높이 100mm로 몰드에 주입 후 시료 포화를 위해 몰드 외부에 설치된 실린더를 통하여 수분을 하부에서 상부로 공급하였으며, 시료 상부와 약 100mm의 수두차가 유지되도록 하였다.
- 시료를 초기 함수비로 혼합하여 온도제어형 삼축셀에 느슨한 상태로 채운 후 일축압축시험기를 이용하여 3번에 걸쳐 층별 정적다짐으로 준비하였다. 주문진 표준사는 건조단위중량 18.9kN/m3로 높이 100mm의 시료를 준비하였다. 동상 발현을 초기에 가속시키고자 준비된 시료를 포화시켰다.
- 화강풍화토의 #200번체 통과량은 약 30% 이상으로 USCS 토질분류 기준에 따라 동상에 민감한 SM으로 분류되었다. 화강풍화토는 건조단위중량 16.7kN/m3, 높이 100mm로 시료를 제작하였다. 시료를 초기 함수비로 혼합하여 온도제어형 삼축셀에 느슨한 상태로 채운 후 일축압축시험기를 이용하여 3번에 걸쳐 층별 정적다짐으로 준비하였다.
성능/효과
- (3) 시료의 동상을 판정하기 위해서는 외부에서 수분을 공급하며 수행하는 방법이 효과적이며, 수두차에 따른 수분공급이 발생하지 않도록 주의한다. 단 동결 발생에 따른 모세관압으로 수분의 이동만이 가능하도록 수두 높이는 가급적 시료의 높이와 동일하게 유지하며 실내실험을 수행한다.
- 6(c)는 하부에서 상부로 동결하는 방식으로 상부에서 하부로 동결하는 방식(Fig. 6(a)와 (b))에 비해 온도 구배가 직선으로 동결되는 높이는 최대치인 8.5cm로 관측되었다. 동결 진행방향과 관계없이 0℃ 이하의 동결되는 깊이(또는 높이)는 동일할 것으로 예상되었으나 하부에서 상부로 동결하는 방식이 효과적인 것으로 관측되었다.
- 5cm로 관측되었다. 동결 진행방향과 관계없이 0℃ 이하의 동결되는 깊이(또는 높이)는 동일할 것으로 예상되었으나 하부에서 상부로 동결하는 방식이 효과적인 것으로 관측되었다.
- 위와 같은 동결 성능평가를 통해 본 연구에서 개발 및 제작한 실험장비는 연구의 목적에 따라 시료의 다양한 동결양상을 모사하여 연구를 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 추가적인 단열재가 필요치 않아 동결 실험 중 시료 내부의 변화를 실험자의 육안으로 관찰할 수 있다는 장점이 확인되었으며, 투명 온도제어형 삼축셀을 사용함으로써 냉동챔버가 없어도 충분한 동결효율을 나타내는 것으로 판단된다.
- 상기 기술한 바와 같이 시료를 동결시키는 과정에서 몰드와 시료의 접촉면에서 동착현상이 발생하면 동상현상에 의한 체적팽창 현상이 저감될 수 있으므로 몰드의 재료는 마찰력이 최대한 작은 재료를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한, 주변 온도변화가 동상 실험에 문제를 야기할 수 있기에 열전도도가 낮은 재료를 사용해야 한다.
- 일본 JGS 기준과 영국 TRRL 동상 실험에서는 시료 동결 시 지하수를 공급하는 개방형 조건을 제안하고 있는 반면, 미국 ASTM 기준의 현장조건을 반영하여 개방형과 폐쇄형 조건을 모두 제안하고 있다. 시료의 동상 판정과 같이 정성적으로 판단하기 위한 실험의 경우 개방형 조건이 적합할 것으로 사료되나 정량적 결과 값을 얻기 위한 요소실험을 수행할 경우 개방형 조건을 적용할 시 동상현상이 과대 측정되어 실험결과를 실제 현장에 적용하는 것이 보수적인 결과를 유도할 수 있다. 반면 폐쇄형 조건은 지하수위가 높은 지반의 자연현상을 모사하는 실험에는 적합하지 않을 수 있으므로, 지하수 조건은 현장조건 및 실험의 목적과 상황에 따라 개방형과 폐쇄형 조건을 선택적으로 적용할 수 있어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 빙정 형성에 따른 모세관압으로 외부의 수분이 추가적으로 공급되었다는 가정을 뒷받침하고 있다. 주문진 표준사의 경우 완전 동결되지 않은 시료에서 발생하는 동상량이 완전 동결된 시료의 간극수만의 동결로 발생하는 동상량의 약 0.6배로 시료 내부의 간극수만의 동결로 동상이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 동상현상의 전형적인 메커니즘을 모사하고 있으며, 본 장비의 동상 실험 적용 가능성을 시사하는 것으로 사료된다.
- 실험에 활용된 시료는 화강풍화토와 주문진 표준사를 이용하여 시료를 제작하였다. 화강풍화토의 #200번체 통과량은 약 30% 이상으로 USCS 토질분류 기준에 따라 동상에 민감한 SM으로 분류되었다. 화강풍화토는 건조단위중량 16.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 실험장비는 시료의 다양한 동결양상을 모사할 수 있어 연구의 목적에 따라 적합하게 활용될 수 있을 것으로 판단되며 향후 다양한 시료를 대상으로 동상 실내실험을 수행하고 동상 민감성 판정 기준을 제시하고자 한다.
- 위와 같은 동결 성능평가를 통해 본 연구에서 개발 및 제작한 실험장비는 연구의 목적에 따라 시료의 다양한 동결양상을 모사하여 연구를 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 추가적인 단열재가 필요치 않아 동결 실험 중 시료 내부의 변화를 실험자의 육안으로 관찰할 수 있다는 장점이 확인되었으며, 투명 온도제어형 삼축셀을 사용함으로써 냉동챔버가 없어도 충분한 동결효율을 나타내는 것으로 판단된다.
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