구조물은 영하의 온도가 유지되는 겨울철에 동상으로 인해 크고 작은 피해가 발생한다. 동상은 동토지반의 가장 대표적인 공학적 특성으로 다양한 동상민감성 판정법이 존재한다. 동상민감성 판정법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 동상민감성은 입도분포를 이용하여 결정된다. 많은 국가들이 지반의 입도분포를 이용해 비교적 간편한 동상민감성 판정법을 현장에 적용하고 있다. 그러나 본 논문에서 몇 가지 시료의 입도분포를 이용해 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과에 따르면 입도분포로 토질의 동상민감성을 판정하기에는 다소 무리가 있다. 두 번째로는 동상시험에 의한 동상민감성 판정법이다. 새롭게 개발된 온도제어형 삼축셀을 이용한 동상 실내시험을 통해 동상민감성 기준 신뢰성을 분석하였다. 새롭게 개발된 장비와 시험방법은 기존에 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준을 충족하는 것으로 판단되었다. 세 번째로는 복합적인 동상민감성 판정법으로 흙의 입도분포, 분류, 그리고 동상시험을 고려한 복합적인 동상민감성 판정 기준 그래프를 제시하고 있다. 본 논문에서 몇 가지 시료에 대해 복합적인 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과 다양한 토질에 대한 추가적인 데이터를 바탕으로 복합적인 동상민감성 판정 그래프를 보완해야 할 것으로 판단되었다.
구조물은 영하의 온도가 유지되는 겨울철에 동상으로 인해 크고 작은 피해가 발생한다. 동상은 동토지반의 가장 대표적인 공학적 특성으로 다양한 동상민감성 판정법이 존재한다. 동상민감성 판정법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 동상민감성은 입도분포를 이용하여 결정된다. 많은 국가들이 지반의 입도분포를 이용해 비교적 간편한 동상민감성 판정법을 현장에 적용하고 있다. 그러나 본 논문에서 몇 가지 시료의 입도분포를 이용해 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과에 따르면 입도분포로 토질의 동상민감성을 판정하기에는 다소 무리가 있다. 두 번째로는 동상시험에 의한 동상민감성 판정법이다. 새롭게 개발된 온도제어형 삼축셀을 이용한 동상 실내시험을 통해 동상민감성 기준 신뢰성을 분석하였다. 새롭게 개발된 장비와 시험방법은 기존에 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준을 충족하는 것으로 판단되었다. 세 번째로는 복합적인 동상민감성 판정법으로 흙의 입도분포, 분류, 그리고 동상시험을 고려한 복합적인 동상민감성 판정 기준 그래프를 제시하고 있다. 본 논문에서 몇 가지 시료에 대해 복합적인 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과 다양한 토질에 대한 추가적인 데이터를 바탕으로 복합적인 동상민감성 판정 그래프를 보완해야 할 것으로 판단되었다.
Structural instability and damage are caused by frost heave during the winter when atmospheric temperature maintains below $0^{\circ}C$. Frost heave is the most representative engineering characteristics of frozen ground and there are various frost susceptibility criteria. Frost susceptib...
Structural instability and damage are caused by frost heave during the winter when atmospheric temperature maintains below $0^{\circ}C$. Frost heave is the most representative engineering characteristics of frozen ground and there are various frost susceptibility criteria. Frost susceptibility criteria can be roughly divided into three categories. First, frost susceptibility is determined from particle size distribution, which is practically useful and many countries are adopting. In this paper, several particle size distributions (PSDs) are applied to the frost susceptibility criteria but PSD seems to be not enough to determine whether soils are frost susceptible. Second, it is judged from laboratory frost heave testing results. Laboratory frost heave tests were performed with newly developed thermal controlled triaxial cell and the reliability of frost susceptibility criteria is evaluated. New testing apparatus and method are suitable to meet the existing frost susceptibility criteria. Third, it is compositive frost susceptibility criteria envelope including the particle size distribution, soil classification, and frost heave test. The compositive frost susceptibility criteria envelope should be supplemented based on additional data on various soil types.
Structural instability and damage are caused by frost heave during the winter when atmospheric temperature maintains below $0^{\circ}C$. Frost heave is the most representative engineering characteristics of frozen ground and there are various frost susceptibility criteria. Frost susceptibility criteria can be roughly divided into three categories. First, frost susceptibility is determined from particle size distribution, which is practically useful and many countries are adopting. In this paper, several particle size distributions (PSDs) are applied to the frost susceptibility criteria but PSD seems to be not enough to determine whether soils are frost susceptible. Second, it is judged from laboratory frost heave testing results. Laboratory frost heave tests were performed with newly developed thermal controlled triaxial cell and the reliability of frost susceptibility criteria is evaluated. New testing apparatus and method are suitable to meet the existing frost susceptibility criteria. Third, it is compositive frost susceptibility criteria envelope including the particle size distribution, soil classification, and frost heave test. The compositive frost susceptibility criteria envelope should be supplemented based on additional data on various soil types.
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문제 정의
본 논문에서는 국내에서 개발한 온도제어형 삼축셀을 이용하여 동상시험을 수행하고 국외에서 제시하는 동상민감성 판정 기준에 대입해 신뢰성에 대해 판단한 후 한국형 동상민감성 판정 기준 정립 방향을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 국외에서 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준의 신뢰성에 관한 연구를 수행했다. 국외에서 제시하고 있는 동상민감성 3가지 판정 기준에 대해 4가지 흙(주문진 표준사, 화강풍화토, 인공토양 1, 2)을 활용해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
88mm 발생했다. ASTM에서 사용하고 있는 동상민감성 판정 기준인 동결 초기 8시간을 기준으로 동상률(Heaving rate) 및 동상비(Heaving ratio)를 계산했다(Table 10). 주문진표준 사의 경우 동상률은 0.
본 논문에서는 국외에서 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준의 신뢰성에 관한 연구를 수행했다. 국외에서 제시하고 있는 동상민감성 3가지 판정 기준에 대해 4가지 흙(주문진 표준사, 화강풍화토, 인공토양 1, 2)을 활용해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
Army Corps of Engineers) CRREL (Cold Regions Research and Engineering Laboratory)의 동상민감성 판정법은 3단계를 거친다. 첫 번째는 0.02mm보다 작은 입경을 가진 흙 입자의 비율, 두 번째는 통일분류법 (USCS, Unified Soil Classification System)에 의한 토질 분류, 그리고 세 번째는 동상시험이다. CRREL은 0.
대상 데이터
(2) 새롭게 개발된 “투명 온도제어형 삼축셀”을 이용하여 4가지 흙을 대상으로 동상시험을 수행하였다.
Table 9와 같이 주문진표준사, 화강풍화토, 인공토양 1, 2를 직경 100mm, 높이 100mm로 준비하였다. 건조단위중량은 각각 15.
이론/모형
주문진표준사, 화강풍화토, 인공토양 1, 2의 동상시험 결과를 동상민감성 판정 기준(TRRL, ASTM, JGS)에 적용했다 (Table 11). TRRL 동상률(Frost heave rate, mm/hr) 기준을 적용할 경우 주문진표준사만 동상민감성을 무시할 수 있는 수준(NFS)으로 판단되었으며 그 외 나머지 시료(화강풍화토, 인공토양 1, 2)는 동상이 발생할 수 있는(PFS) 토질로 판단되었다.
성능/효과
(3) 4가지 흙에 대해 미국 육군 공병대 CRREL에서 제시하고 있는 복합적인 동상민감성 판정법을 적용한 결과에 따르면 4가지 흙 모두 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준에 해당되지 않았다. 주문진표준사의 경우 0.
(4) 주문진표준사의 경우 3가지 동상민감성 판정 기준에 의해 대개 동상을 무시할 수 있는 수준 혹은 동상민감성 낮음 수준으로 분류되었다. 하지만 주문진표준사에 카올리나이트 5%, 10%를 혼합한 인공토양 1, 2의 경우 3 가지 동상민감성 판정 기준에 의해 동상이 발생할 수 있는 수준, 동상민감성 높음 혹은 매우 높음 수준으로 분류되었다.
TRRL 동상비(Frost heave ratio, %) 기준을 적용할 경우 주문진표준사만 동상민감성을 무시할 수 있는 수준 (NFS)으로 판단되었으며 그 외 나머지 시료(화강풍화토, 인공토양 1, 2)는 동상이 발생할 수 있는(PFS) 토질로 판단되었다. ASTM 동상률(Frost heave rate, mm/day) 기준을 적용할 경우 동상에 민감한 정도가 주문진표준사만 NFS(Negligible Frost Susceptibility)로 판단되었으며, 그 외 나머지 시료(화강풍화토, 인공토양 1, 2)는 VH(Very High)로 판단되었다. JGS 판정기준(동상률, mm/hr)을 적용할 경우 동상에 민감한 정도가 주문진표준사의 경우 Low로, 그 외 나머지 시료(화강풍화토, 인공토양 1, 2)는 High로 판단되었다.
화강풍화토 및 인공토양 1과 2의 경우에는 영국과 미국 기준에서 동상이 발생할 수 있는 흙(PFS), 일본 기준에서 동상민감성이 높음(High)으로 판단되었다. 결론적으로 동상이 거의 없는(1.27%) 주문진표준사를 동상민감성을 무시할 수 있는 수준(NFS) 및 동상민감성 낮음(Low)로 판단하고 동상이 상당한(16.02~31.18%) 화강풍화토 및 인공토양 1, 2를 동상이 발생할 수 있는 흙(PFS) 또는 동상민감성 높음(High)으로 판단한 것으로 미루어 보아 동상시험에 의한 동상민감성 판정 기준은 흙의 동상민감성을 올바르게 판정한 것으로 판단된다. 또한 “투명 온도제어형 삼축셀”을 활용한 동상시험이 다른 국가에서 제시하고 있는 동상시험방법을 대체할 수 있는 것으로 판단되나 향후 다양한 흙으로 추가적인 시험을 수행해야 할 것으로 판단된다.
4%고, 통일분류법에 의해 각각 입도분포가 균일한 모래(SP), 점토질 모래(SC), 입도분 포가 균일한 모래(SP), 실트질 모래(SM)로 분류된다. 동상 실험결과를 CRREL기준에 적용한 결과 동상민감성이 주문 진표준사만 Very Low로 판단되고, 그 외 나머지 시료(화강 풍화토, 인공토양 1, 2)는 모두 Very high로 판단되었다. 세가지 기준 중 2개 이상 충족시킨 것을 토대로 동상그룹(Frost group)을 나눴을 때 주문진표준사, 화강풍화토, 인공토양 1, 2는 각각 None, F3, F2, F2로 분류된다.
(2) 새롭게 개발된 “투명 온도제어형 삼축셀”을 이용하여 4가지 흙을 대상으로 동상시험을 수행하였다. 동상실험 결과를 토대로 영국 TRRL, 미국 ASTM, 일본 JGS에서 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과에 따르면, 주문진표준사는 영국과 미국 기준에서 동상 민감성을 무시할 수 있는 수준(NFS), 일본 기준에서 동상 민감성이 낮음(Low)으로 판단되었다. 화강풍화토 및 인공토양 1과 2의 경우에는 영국과 미국 기준에서 동상이 발생할 수 있는 흙(PFS), 일본 기준에서 동상민감성이 높음(High)으로 판단되었다.
물 공급이 충분한 조건에서 비균등 토질(Cu >5, 0.02mm보다 작은 입자 3% 이상 함유) 또는 매우 균등한 토질(Cu <5, 0.02mm보다 작은 입자 10% 이상 함유)인 경우를 동상에 민감하다고 판정하는데 유일하게 화강 풍화토만이 비균등한 토질로 동상에 민감한 것으로 분석된다.
하지만 주문진표준사에 카올리나이트 5%, 10%를 혼합한 인공토양 1, 2의 경우 3 가지 동상민감성 판정 기준에 의해 동상이 발생할 수 있는 수준, 동상민감성 높음 혹은 매우 높음 수준으로 분류되었다. 이를 통해 #200체 통과백분율이 전체 질량의 5%만 차지해도 동상에 민감한 흙이 될 수 있다는 사실을 발견하였다. 결론적으로 입도분포와 토질의 분류를 토대로 동상민감성을 판정하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.
5와 같은 모양으로 나타났다. 최종 동상량은 주문진표준사는 1.27mm, 화강풍 화토는 31.18mm, 인공토양 1은 16.02mm, 인공토양 2는 18.88mm 발생했다. ASTM에서 사용하고 있는 동상민감성 판정 기준인 동결 초기 8시간을 기준으로 동상률(Heaving rate) 및 동상비(Heaving ratio)를 계산했다(Table 10).
동상실험 결과를 토대로 영국 TRRL, 미국 ASTM, 일본 JGS에서 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과에 따르면, 주문진표준사는 영국과 미국 기준에서 동상 민감성을 무시할 수 있는 수준(NFS), 일본 기준에서 동상 민감성이 낮음(Low)으로 판단되었다. 화강풍화토 및 인공토양 1과 2의 경우에는 영국과 미국 기준에서 동상이 발생할 수 있는 흙(PFS), 일본 기준에서 동상민감성이 높음(High)으로 판단되었다. 결론적으로 동상이 거의 없는(1.
후속연구
겨울철 동상으로 인한 크고 작은 피해가 발생하는 우리나라는 동상민감성을 가장 잘 판단할 수 있는 동상시험을 추가적으로 수행하여 한국형 동상민감성 판정 기준을 정립할 것을 제안하는 바이다.
이를 통해 #200체 통과백분율이 전체 질량의 5%만 차지해도 동상에 민감한 흙이 될 수 있다는 사실을 발견하였다. 결론적으로 입도분포와 토질의 분류를 토대로 동상민감성을 판정하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 세립분 함유량의 미세한 변화만으로도 동상에 민감한 토질로 분류될 수 있기에 가급적 실내시험을 통한 동상판정이 가장 유효하다고 판단된다.
이처럼 입도분포에 따른 동상민감성 판정 기준은 흙의 입경이 특정 범위 내에 있을 때만 동상 민감성을 판정할 수 있는 것으로 판단된다. 따라서 추후 다양한 토질에 대한 데이터 확보를 통해 수정 및 보완되어야 할 것으로 판단된다.
또한 “투명 온도제어형 삼축셀”을 활용한 동상시험이 다른 국가에서 제시하고 있는 동상시험방법을 대체할 수 있는 것으로 판단되나 향후 다양한 흙으로 추가적인 시험을 수행해야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물이 동결될 때 부피팽창이 발생하는 이유는 무엇인가?
물은 분자의 양극성으로 인해 동결(freezing)될 때 9%의 부피팽창이 발생한다(Lackner et al., 2005).
동상민감성 판정법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 그 3가지는 무엇인가?
동상민감성 판정법은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 동상민감성은 입도분포를 이용하여 결정된다. 많은 국가들이 지반의 입도분포를 이용해 비교적 간편한 동상민감성 판정법을 현장에 적용하고 있다. 그러나 본 논문에서 몇 가지 시료의 입도분포를 이용해 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과에 따르면 입도분포로 토질의 동상민감성을 판정하기에는 다소 무리가 있다. 두 번째로는 동상시험에 의한 동상민감성 판정법이다. 새롭게 개발된 온도제어형 삼축셀을 이용한 동상 실내시험을 통해 동상민감성 기준 신뢰성을 분석하였다. 새롭게 개발된 장비와 시험방법은 기존에 제시하고 있는 동상민감성 판정 기준을 충족하는 것으로 판단되었다. 세 번째로는 복합적인 동상민감성 판정법으로 흙의 입도분포, 분류, 그리고 동상시험을 고려한 복합적인 동상민감성 판정 기준 그래프를 제시하고 있다. 본 논문에서 몇 가지 시료에 대해 복합적인 동상민감성 판정 기준에 적용한 결과 다양한 토질에 대한 추가적인 데이터를 바탕으로 복합적인 동상민감성 판정 그래프를 보완해야 할 것으로 판단되었다.
동상(Frost heave)현상이 발생하는 원인은 무엇인가?
, 2005). 영하의 온도가 지속될 때 흙 속에 존재하는 물이 얼음으로 변화하는 동결 현상이 발생하며 동결지역으로 물이 공급되며 아이스렌즈 (ice lense)가 형성되고, 아이스렌즈 형성에 의해 지표면이 팽창하는 동상(Frost heave)현상이 발생한다(Cwiakala et al., 2016).
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