남극 대륙은 연구가치가 높은 다양한 생명체들과 풍부한 자원이 매장되어 있어 세계의 많은 국가들이 남극 개발에 관심을 가지고 있다. 우리나라는 2014년 제2의 남극과학기지인 장보고 과학기지를 준공한데 이어 남극 활주로 건설과 제3의 남극 과학기지 건설을 준비하며 남극 개발에 박차를 가하는 중이다. 하지만 동토의 경우 일반적인 흙과는 달리 얼음과 부동수분의 영향으로 시간에 따른 변형이 크게 나타나기 때문에 크리프 변형 특성을 파악할 필요가 있다. 그러나 크리프 변형 특성을 파악하기 위한 시험의 경우 많은 비용과 시간이 소모되기 때문에 예전부터 동토의 크리프 거동을 추정할 수 있는 모델에 대한 연구들이 많이 진행되어 왔으며, 본 연구에서는 동결 사질토의 함빙비를 고려한 장기변형 모델인 Ting의 Tertiary creep model의 모델 도출 방법에 세립분 함량을 고려할 수 있는 계수를 추가하여 다양한 흙에 적용할 수 있는 크리프 모델을 제안하고자 하였다. 이를 위해 세립분 함량이 0, 5, 10, 15%인 동결 시료로 -5, -10, -$15^{\circ}C$의 온도에서 일축 크리프 시험을 수행하였고, 시험 결과를 바탕으로 세립분 함량을 고려한 장기변형 예측 모델을 제안하였다. 그 결과, Tertiary creep model의 모델 도출 방법만을 사용하여 세립분함량을 고려한 장기변형 예측 모델을 제안하는 것은 무리가 있는 것으로 판단되어 동토의 크리프 변형을 고려하기 위한 새로운 개념의 모델이 필요할 것으로 판단된다.
남극 대륙은 연구가치가 높은 다양한 생명체들과 풍부한 자원이 매장되어 있어 세계의 많은 국가들이 남극 개발에 관심을 가지고 있다. 우리나라는 2014년 제2의 남극과학기지인 장보고 과학기지를 준공한데 이어 남극 활주로 건설과 제3의 남극 과학기지 건설을 준비하며 남극 개발에 박차를 가하는 중이다. 하지만 동토의 경우 일반적인 흙과는 달리 얼음과 부동수분의 영향으로 시간에 따른 변형이 크게 나타나기 때문에 크리프 변형 특성을 파악할 필요가 있다. 그러나 크리프 변형 특성을 파악하기 위한 시험의 경우 많은 비용과 시간이 소모되기 때문에 예전부터 동토의 크리프 거동을 추정할 수 있는 모델에 대한 연구들이 많이 진행되어 왔으며, 본 연구에서는 동결 사질토의 함빙비를 고려한 장기변형 모델인 Ting의 Tertiary creep model의 모델 도출 방법에 세립분 함량을 고려할 수 있는 계수를 추가하여 다양한 흙에 적용할 수 있는 크리프 모델을 제안하고자 하였다. 이를 위해 세립분 함량이 0, 5, 10, 15%인 동결 시료로 -5, -10, -$15^{\circ}C$의 온도에서 일축 크리프 시험을 수행하였고, 시험 결과를 바탕으로 세립분 함량을 고려한 장기변형 예측 모델을 제안하였다. 그 결과, Tertiary creep model의 모델 도출 방법만을 사용하여 세립분함량을 고려한 장기변형 예측 모델을 제안하는 것은 무리가 있는 것으로 판단되어 동토의 크리프 변형을 고려하기 위한 새로운 개념의 모델이 필요할 것으로 판단된다.
Many countries are interested in the development of the Antarctic area because of the abundant resources and living things of high research value. Korea completed the second Antarctic research station in 2014 and spurring the development of the Antarctic area by constructing runway for the airplanes...
Many countries are interested in the development of the Antarctic area because of the abundant resources and living things of high research value. Korea completed the second Antarctic research station in 2014 and spurring the development of the Antarctic area by constructing runway for the airplanes and a third Antarctic research station. However, frozen soils, unlike typical soils, are sensitive to creep behavior due to the influence of ice and unfrozen water. The creep tests for evaluating creep behaviors on the frozen soils require expensive laboratory equipments and large amount of time. Thus, various empirical models had been developed to describe the unconfined compressive creep behavior of frozen soils. In this study, new analytical creep model on frozen sands was proposed by modifying Ting's Tertiary creep model with a new parameter considering fine contents. Thus, the unconfined compressive creep tests were conducted with the frozen specimens of dense Jumoonjin sand with fine contents of 0, 5, 10 and 15% under various loads at -$5^{\circ}C$, -$10^{\circ}C$ and -$15^{\circ}C$. Consequently, the modified Tertiary creep model with a new parameter for fine contents are not enough for the description of the acutal creep behavior of the frozen sand and new framework should be developed.
Many countries are interested in the development of the Antarctic area because of the abundant resources and living things of high research value. Korea completed the second Antarctic research station in 2014 and spurring the development of the Antarctic area by constructing runway for the airplanes and a third Antarctic research station. However, frozen soils, unlike typical soils, are sensitive to creep behavior due to the influence of ice and unfrozen water. The creep tests for evaluating creep behaviors on the frozen soils require expensive laboratory equipments and large amount of time. Thus, various empirical models had been developed to describe the unconfined compressive creep behavior of frozen soils. In this study, new analytical creep model on frozen sands was proposed by modifying Ting's Tertiary creep model with a new parameter considering fine contents. Thus, the unconfined compressive creep tests were conducted with the frozen specimens of dense Jumoonjin sand with fine contents of 0, 5, 10 and 15% under various loads at -$5^{\circ}C$, -$10^{\circ}C$ and -$15^{\circ}C$. Consequently, the modified Tertiary creep model with a new parameter for fine contents are not enough for the description of the acutal creep behavior of the frozen sand and new framework should be developed.
따라서 본 연구에서는 기존의 장기변형 예측 모델인 Ting (1983) 의 Tertiary creep model의 기본형태 및 입력정수 도출 방법에 세립분 함량을 고려할 수 있는 계수를 추가하여 다양한 흙에 적용할 수 있는 동토의 장기 변형 예측 모델을 제안하고자 하였다. 이를 위해 주문진 표준사에 카올리나이트를 0, 5, 10, 15%로 혼합한 포화 시료를 제작하여 -5, -10, -15°C의 온도에서 각각 크리프 시험을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 세립분 함량을 고려한 장기 변형 예측 모델을 제작하여 실제 크리프 시험 값과 비교해보고, 새로 제작된 모델의 적용성을 평가하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 기존의 장기변형 예측 모델인 Ting (1983) 의 Tertiary creep model의 기본형태 및 입력정수 도출 방법에 세립분 함량을 고려할 수 있는 계수를 추가하여 다양한 흙에 적용할 수 있는 동토의 장기 변형 예측 모델을 제안하고자 하였다. 이를 위해 주문진 표준사에 카올리나이트를 0, 5, 10, 15%로 혼합한 포화 시료를 제작하여 -5, -10, -15°C의 온도에서 각각 크리프 시험을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 세립분 함량을 고려한 장기 변형 예측 모델을 제작하여 실제 크리프 시험 값과 비교해보고, 새로 제작된 모델의 적용성을 평가하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 세립분 함량에 따른 동결토의 크리프 예측 모델을 만들기 위해 조립질의 주문진 표준사에 세립질의 카올리나이트를 0, 5, 10, 15%로 혼합하여 제작된 공시체로 크리프 시험을 수행하였다. 크리프 시험은 온도, 세립분 함량, 하중비율 별로 총 50번의 시험을 수행하였다.
데이터처리
단순이동평균법은 평균의 계산 기간을 순차로 한개 항씩 이동시켜 가면서 기간별 평균을 계산하여 경향을 구하는 방법으로 현 시점에서 가장 가까운 N개의 데이터를 평균하여 차례로 구하여 나가는 방법이다. 평균에 사용할 데이터의 개수(N)를 결정한 후, 이동평균법을 사용한 결과 원본 데이터의 경향을 반영한 크리프 시험 데이터를 획득할 수 있었다. 평균에 사용된 데이터의 개수(N) 는 데이터의 편차에 따라 다르게 결정되었으며, 모든 크리프 시험 데이터는 단순이동평균법을 사용하여 오차의 영향을 최소화 한 후 Tertiary creep model 계수 결정 및 세립분 함유량을 고려한 크리프 모델 제작에 사용되었다.
이론/모형
크리프 시험은 온도, 세립분 함량, 하중비율 별로 총 50번의 시험을 수행하였다. 시험은 ASTM D5520 (1995)의 방법에 따라 수행하였으며, 온도와 습도가 일정하게 유지되는 밀폐된 냉동 챔버 내에서 진행되었다. Fig.
성능/효과
이를 위해 세립분 함량이 0, 5, 10, 15%인 시료를 -5, -10, -15°C에서 동결 한 후 크리프 시험을 수행하였고, 시험 결과를 바탕으로 세립분 함유량을 고려할 수 있는 변수를 추가한 장기 변형 예측 모델을 제안하였다. 제작된 모델을 실제 시험데이터와 비교하여 그 적용성을 평가해 본 결과 예측값이 시험값을 잘 예측하지 못하여, 세립분 함유량을 고려한 장기변형 예측 모델 제작 시 Tertiary creep model의 모델 도출 방법을 그대로 적용하는 것은 무리가 있는 것으로 나타났다. 따라서 동토의 크리프 변형을 고려하기 위한 새로운 개념모델이 필요할 것으로 판단되며, 추후 동결 시 발생되는 구조적인 변화를 디지털 이미지를 통해 분석하고 크리프 변형을 에너지 개념(fracture energy)으로 분석하는 등 다양한 관점에서 연구를 진행할 계획이며, 이를 바탕으로 새로운 방법을 적용한 모델을 개발할 계획이다
후속연구
제작된 모델을 실제 시험데이터와 비교하여 그 적용성을 평가해 본 결과 예측값이 시험값을 잘 예측하지 못하여, 세립분 함유량을 고려한 장기변형 예측 모델 제작 시 Tertiary creep model의 모델 도출 방법을 그대로 적용하는 것은 무리가 있는 것으로 나타났다. 따라서 동토의 크리프 변형을 고려하기 위한 새로운 개념모델이 필요할 것으로 판단되며, 추후 동결 시 발생되는 구조적인 변화를 디지털 이미지를 통해 분석하고 크리프 변형을 에너지 개념(fracture energy)으로 분석하는 등 다양한 관점에서 연구를 진행할 계획이며, 이를 바탕으로 새로운 방법을 적용한 모델을 개발할 계획이다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동토의 특징은 무엇인가?
하지만 영구동토지역에서 토목구조물의 설계는 국내 및 현재 진출해 있는 다른 지역과 매우 다른 공학적 문제점들을 수반할 수 있기 때문에 기존의 토질역학 이론들을 그대로 동토에 적용하는 것은 무리한 결과를 초래할 수 있다. 동토는 흙, 공극, 부동수분, 얼음의 4상 구조를 가지고 있어 그 공학적 거동이 일반적인 흙과는 다른 응력-변형-시간 거동을 나타낸다. 특히 동토는 시간에 따른 변형이 크게 나타나기 때문에 시간-변형 특성인 크리프 변형 특성을 파악할 필요가 있다.
Ting이 제안한 경험적인 일축 크리프 모델의 장단점은 무엇인가?
(Andersland and Ladanyi, 2004). Ting (1983)의 크리프 모델은 매우 간단하며 모든 크리프 구간을 비교적 정확하게 모사할 수 있다는 점에서 의의가 있으나, 그 적용성이 MFS 동토에 한정되어 있어 흙의 종류가 달라질 경우 새로운 시험을 수행하여 새로운 모델을 만들어야 한다는 단점이 있으며, 아직 흙의 종류에 따른 장기 변형 예측 모델에 대한 연구는 세계적으로 전무한 상황이다.
남극 대륙의 특징은 무엇인가?
남극 대륙은 지구 표면적의 약 9.3%를 차지할 만큼 거대하며 연구가 치가 높은 다양한 생명체들과 풍부한 자원이 매장되어 있어 세계의 많은 국가들이 남극 개발에 관심을 가지고 있다. 하지만 1998년에 발효된 남극환경보호의정서에 따라 2048년까지는 아무도 영유권을 주장할 수 없으며, 현재 남극에는 남극조약에 가입한 36개국만이 연구 기지를 운영하고 있다.
참고문헌 (12)
American Society for Testing and Materials (ASTM) (1995). Laboratory determination of creep properties of frozen soil samples by uniaxial compression (D 5520), sec. 4, Vol. 04.08, ASTM, Philadelphia: ASTM.
Andersland, O. B. and Anderson, D. H. (1978). Geotechnical Engineering for Cold Regions, McGraw Hill, New York, p. 566.
Andersland, O. B. and Ladanyi, B. (2004). Frozen Ground Engineering Second Eddition, John Wiley & Sons, Inc., Canada, pp. 24-25.
Assur, A. (1979). "Some promising trends in ice mechanics." Proc. of the international Union of Theoretical and Applied Mechanics Symposium, Copenhagen, pp. 1-15.
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Cho, W., Chae D., Hwang, B., Oh, M. and Ban, H. (2015). "Effects of fine contents on the mechanical response of frozen sands." Proc. of The 25th International Offshore and Polar Engineering Conference, Kona, Big Island, Hawaii, USA, pp. 1765-1770.
Ladanyi, B. (1972). "An engineering theory of creep of frozen soils." Journal of Canadian Geotechnical, Vol. 9, pp. 63-80.
Sayles, F. H. and Haines, D. (1974). Creep of Frozen Silt and Clay, No. AD0784088, Cold Regions Research and Engineering Lab, Haover N H.
Singh, A. and Mitchell, J. K. (1968). "General stress-strain function for soils." Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, Vol. 94, No. SM1, pp. 21-46.
Ting, J. M. (1981). The Creep of Frozen Sand: Qualitative and Quantitative Models, Research Report R81-5, Massachusetts Institute of Technology Dept. of Civil Engineering, Cambridge.
Ting, J. M. (1983). "Tertiary creep model for frozen sands." Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 109, No. 7, pp. 932-944.
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