[논문]동상시험장비의 실험적 검증 및 시료크기의 영향에 관한 연구

진현우; 유병현; 이장근

doi:10.14481/jkges.2019.20.1.67

동상시험장비의 실험적 검증 및 시료크기의 영향에 관한 연구
Experimental Assessment and Specimen Height Effect in Frost Heave Testing Apparatus 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.1, 2019년, pp.67 - 74

진현우 (Department of Smart City & Construction Engineering, Korea University of Science & Technology) , 유병현 (Future Technology and Convergence Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 이장근 (Future Technology and Convergence Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)

초록
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동상은 동토지역에서 발생하는 대표적인 공학적 특성이다. 계절동토(seasonal frost area)에 해당하는 우리나라는 동결융해에 의한 구조적 피해가 발생하고 동상에 관한 연구의 필요성이 증대되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 새롭게 개발한 투명 온도제어형 셀을 활용하여 동상에 관한 연구를 수행하였다. 동상에 민감한 흙을 인공적으로 조성하여 동상민감성 판정에 있어 중요한 인자 중 하나인 물 주입속도(water intake rate)에 관한 분석을 실시하였다. 간극수 동결에 의한 부피팽창(heave by pore water)이 수렴하는 시점 이후에 동상속도(frost heave rate)와 물 주입속도는 거의 유사하게 나타났다. 그러나 물 주입속도를 측정하기 위해 상부 페더스탈에 설치한 O-ring은 몰드 내벽과의 마찰을 발생시켜 동상발생을 저하시켰다. 따라서 물 주입속도를 활용한 동상민감성 판정 기준은 신뢰하기 힘들다고 판단되었으며, 유사한 거동을 보이는 동상속도를 활용하는 것이 적절하다는 결론을 내렸다. 또한, 동상민감성 흙을 활용해 시료크기가 동상에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 시료크기가 다른 2가지 경우에 대해 동상시험을 수행하였으며 상재하중, 온도구배, 그리고 건조단위중량을 동일하게 설정하였다. 실험결과를 토대로 시료크기는 동상에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Frost heave is one of the representative engineering characteristics in cold regions. In South Korea, which is located in seasonal frost area, structural damage caused by frost heave and thaw happens and the need for research on the frost heave is increasing. In this paper, newly developed transparent temperature-controllable cell is used to focus on the frost heave. Frost susceptible artificial soil is used to analyze water intake rate which is one of the important factors in frost susceptibility criteria. Frost heave rate and water intake rate have similar behavior after heave by freezing of pore water converges. O-ring installed in the upper pedestal to measure water intake rate generates side friction between the inner wall of the freezing cell and O-ring, thereby hindering frost heave. Therefore, the frost susceptibility criteria using the water intake rate is not reliable. It is appropriate to use frost heave rate which has similar behavior with water intake rate. Frost heave tests were performed under two different specimen heights. Overburden pressure, temperature gradient and dry unit weight were set under similar state. Based on laboratory testing results, frost heave is independent on the specimen height.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Testing apparatus including the transparent temperature-controllable cell (Jin et al., 2019)
표 Table 1. Characteristics and freezing method using the transparent temperature-controllable cell
그림 Fig. 2. Grain size distribution curve of artificial soil
그림 Fig. 3. Laboratory frost heave testing results including water intake (Jin et al., 2019)
표 Table 2. Engineering properties of Joomunjin standard sand
표 Table 3. Boundary conditions for frost heave test (Jin et al., 2019)
그림 Fig. 4. Temperature profile of the tested artificial soil
표 Table 4. Calculated and measured heave by pore water (Jin et al., 2019)
그림 Fig. 5. Decision process for thermal equilibrium and heave rate
그림 Fig. 6. Measurement of side friction without soil
표 Table 5. Boundary conditions for frost heave test without O-ring
그림 Fig. 7. Frost heave testing results with and without O-ring
그림 Fig. 8. Grain size distribution curve of Halden silt
표 Table 6. Engineering properties of Halden soil
그림 Fig. 9. Frost heave testing results with different specimen heights
표 Table 7. Boundary conditions for frost heave test of Halden silt
표 Table 8. Frost heave ratio (ξ)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 새롭게 개발된 투명 온도제어형 셀을 활용해 기존의 시험법에서 발생할 수 있는 실험적인 오차의 검증에 관한 연구를 수행하였다. 또한 실험적 오차를 제거한 후 시료크기라는 경계조건이 동상발생에 미치는 영향을 파악하고자 했으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 논문에서는 새롭게 개발된 투명 온도제어형 셀을 활용해 기존의 시험법에서 발생할 수 있는 실험적인 오차의 검증에 관한 연구를 수행하였다. 또한 실험적 오차를 제거한 후 시료크기라는 경계조건이 동상발생에 미치는 영향을 파악하고자 했으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

O-ring과 몰드 내벽 사이에서 발생한 마찰력이 동상발생량에 차이를 발생시키는지를 확인하기 위해 Table 5와 같이 기존의 실험조건과 유사한 경계조건에서 O-ring만을 제거하여 추가적인 동상시험을 수행하였다. O-ring이 없는 경우에는 시간에 따른 동상발생량만이 측정 가능하며, 이 값을 O-ring이 있는 경우와 비교하여 Fig.
3에서 heave by water intake)을 측정하기 위해서는 상부 페더스탈에 O-ring을 설치하여 물의 누수를 방지하여야 하며, 기존의 시험법들도 같은 방법으로 물 주입속도를 측정하고 있다(JGS 0172, 2003; ASTM D5918, 2013). O-ring과 몰드 내벽과의 마찰이 발생할 수 있을 것으로 판단하여 빈 몰드에 O-ring을 설치한 상부 페더스탈을 다양한 속도로 변위를 발생시켜 그때 발생하는 압력(마찰력)변화를 측정하였다(Fig. 6a). 그 결과 변위에 따른 압력변화가 Fig.
1과 같으며, Table 1에 셀의 특성 및 시험법을 간략히 정리하였다. 내경 100.00mm의 동결셀은 투명한 아크릴 재질로, 2중관 형태로 구성되어 관과 관 사이에 부동액을 순환시킴으로써 외부로부터 단열되어 일방향 동결 구현이 가능하도록 하였다. 상부와 하부 페더스탈 역시 부동액을 순환시켜 시료의 상･하부 온도를 조절할 수 있도록 하였으며 상부, 하부, 그리고 주변부 온도를 개별적으로 조절할 수 있도록 각각의 냉각펌프에 연결하였다.
7℃)로 온도구배를 유지시켰다. 동결깊이(frozen depth)는 상･하부 페더스탈에 설치된 온도 측정 장치(thermocouple)로부터 측정된 온도를 일직선으로 연결하여 계산하였으며(Jin et al., 2019), 하부로부터 각각 86.69mm(초기 시료의 88.49%) 및 26.32mm(초기 시료의 90.54%)까지 동결되었다(Table 7). 시간에 따른 동상량은 Fig.
9℃로 설정한 뒤 24시간 후에 동결을 시작하였다. 동결시험은 유사한 온도구배로 수행하였으며, 각각 0.240℃/mm(상부온도 2.7℃, 하부온도 -20.8℃)와 0.255℃/mm(상부온도 0.7℃, 하부온도 -6.7℃)로 온도구배를 유지시켰다. 동결깊이(frozen depth)는 상･하부 페더스탈에 설치된 온도 측정 장치(thermocouple)로부터 측정된 온도를 일직선으로 연결하여 계산하였으며(Jin et al.
동상시험 시에 시료의 크기가 동상 발생에 미치는 영향을 파악하기 위해 추가적인 동상시험을 수행하였다. 이때 사용한 흙은 동상에 민감한 흙으로 알려진 노르웨이의 대표 실트인 Halden silt를 활용하였다.
96mm다. 두 값의 오차는 7.81%로 실험적 오차는 미미하다고 판단되어 간극수 동결에 의한 부피팽창(Fig. 3에서 heave by pore water) 그래프의 타당성을 검증하였다(Table 4)(Jin et al., 2019).
이 과정에서 기존 해외 동상 실내시험법에서 발생할 수 있는 실험적 오차에 관한 연구결과를 발견하였으며, 이를 바탕으로 보다 간편한 방법으로 동상민감성 판정을 적용할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 시료의 크기가 동상에 미치는 영향에 대해 파악하기 위한 동상시험을 수행하였다.
본 논문에서는 투명 온도제어형 셀을 활용하여 동상시험을 수행하였다. 이 과정에서 기존 해외 동상 실내시험법에서 발생할 수 있는 실험적 오차에 관한 연구결과를 발견하였으며, 이를 바탕으로 보다 간편한 방법으로 동상민감성 판정을 적용할 수 있는 방안을 제시하였다.
상부 페더스탈에 설치된 배수관으로 지속적으로 물이 공급되도록 하였고 유량계를 설치하여 시간에 따른 물 주입량을 측정하였다. 상부 페더스탈에 변위계(LVDT, Linear Voltage Displacement Transducer)를 설치하여 시간에 따른 동상발생을 측정하였다(Ryu et al., 2016; Jin et al., 2017; 2019). 본 장비는 주변부 온도 설정을 통해 일방향 동결이 가능토록 함으로써, 기존에 제시된 표준 시험법들(Croney & Jacobs, 1967; Jones, 1980; JGS 0172, 2003; ASTM D5918, 2013)에서 냉동챔버 설비로 인한 고비용의 문제점을 해결하였다.
본 장비를 활용하여 동상시험을 수행할 때는 동결토와 몰드 간 발생하는 동착강도(adfreeze bond strength)를 제거하기 위해 동결방향을 하부에서 상부로 설정하였다. 상부 페더스탈에 설치된 배수관으로 지속적으로 물이 공급되도록 하였고 유량계를 설치하여 시간에 따른 물 주입량을 측정하였다. 상부 페더스탈에 변위계(LVDT, Linear Voltage Displacement Transducer)를 설치하여 시간에 따른 동상발생을 측정하였다(Ryu et al.
00mm의 동결셀은 투명한 아크릴 재질로, 2중관 형태로 구성되어 관과 관 사이에 부동액을 순환시킴으로써 외부로부터 단열되어 일방향 동결 구현이 가능하도록 하였다. 상부와 하부 페더스탈 역시 부동액을 순환시켜 시료의 상･하부 온도를 조절할 수 있도록 하였으며 상부, 하부, 그리고 주변부 온도를 개별적으로 조절할 수 있도록 각각의 냉각펌프에 연결하였다. 상･하부 페더스탈에 배수관 및 온도계(thermocouple)를 설치하여 배수조절 및 온도측정이 가능하도록 하였다.
상부와 하부 페더스탈 역시 부동액을 순환시켜 시료의 상･하부 온도를 조절할 수 있도록 하였으며 상부, 하부, 그리고 주변부 온도를 개별적으로 조절할 수 있도록 각각의 냉각펌프에 연결하였다. 상･하부 페더스탈에 배수관 및 온도계(thermocouple)를 설치하여 배수조절 및 온도측정이 가능하도록 하였다. 본 장비를 활용하여 동상시험을 수행할 때는 동결토와 몰드 간 발생하는 동착강도(adfreeze bond strength)를 제거하기 위해 동결방향을 하부에서 상부로 설정하였다.
인공토양의 시료준비과정과 같은 방법으로 시료 포화 및 내부온도설정을 실시하였다. 앞 장에서 발견한 실험적 오차를 방지하기 위해 상부 페더스탈의 O-ring은 제거하였으며, 시료높이와 같은 비율로(약 10:3) 초기시료 온도를 각각 3.0℃ 및 0.9℃로 설정한 뒤 24시간 후에 동결을 시작하였다. 동결시험은 유사한 온도구배로 수행하였으며, 각각 0.
본 논문에서는 투명 온도제어형 셀을 활용하여 동상시험을 수행하였다. 이 과정에서 기존 해외 동상 실내시험법에서 발생할 수 있는 실험적 오차에 관한 연구결과를 발견하였으며, 이를 바탕으로 보다 간편한 방법으로 동상민감성 판정을 적용할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 시료의 크기가 동상에 미치는 영향에 대해 파악하기 위한 동상시험을 수행하였다.
91kN/m³)의 2개 시료가 준비되었다. 인공토양의 시료준비과정과 같은 방법으로 시료 포화 및 내부온도설정을 실시하였다. 앞 장에서 발견한 실험적 오차를 방지하기 위해 상부 페더스탈의 O-ring은 제거하였으며, 시료높이와 같은 비율로(약 10:3) 초기시료 온도를 각각 3.

대상 데이터

(4) 동상을 저해하는 요인(O-ring)을 제거한 뒤, 시료의 크기가 동상에 미치는 영향을 파악하고자 97.94mm, 29.07mm의 시료를 준비하였다. 시료 크기를 제외한 나머지 경계조건, 즉, 상재하중, 건조단위중량, 그리고 온도구배는 유사하게 유지하여 동상시험을 수행하였으며, 그 결과 시료의 크기와는 상관없이 동상속도 및 동상발생량이 유사한 동상 거동을 나타냈다.
100.00mm, 30.00mm 높이의 건조시료를 건조단위중량 15.00kN/m³에 맞춰 준비하고자 하였으며, 실제로 측정된 높이는 97.94mm(건조단위중량 14.75kN/m³)와 29.07mm(건조 단위중량 14.91kN/m³)의 2개 시료가 준비되었다. 인공토양의 시료준비과정과 같은 방법으로 시료 포화 및 내부온도설정을 실시하였다.
본 동상시험의 경계조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다. 건조상태의 인공토양을 높이 100.00mm, 건조단위중량 16.00kN/m³에 맞춰 준비하고자 하였으며, 실제로 높이 102.98mm, 건조단위중량 15.86kN/m³의 시료가 준비되었고 포화 및 온도숙성(3.0℃) 단계를 거쳐 동상시험이 수행되었다. 1차원 동결을 위해 시험이 진행되는 동안 주변부 온도를 1.
동상시험 시에 시료의 크기가 동상 발생에 미치는 영향을 파악하기 위해 추가적인 동상시험을 수행하였다. 이때 사용한 흙은 동상에 민감한 흙으로 알려진 노르웨이의 대표 실트인 Halden silt를 활용하였다. Halden silt의 입도분포곡선은 Fig.

이론/모형

본 논문에서는 최근 개발된 투명 온도제어형 동결셀을 사용하였다. 시험장비의 개략도는 Fig.

성능/효과

(1) 동상에 민감한 인공토양을 조성하여 동상시험을 수행하였고 그 결과로 동상발생량(total heave)과 물 주입에 의한 부피팽창(heave by water intake)을 직접적으로 얻을 수 있었다. 동상시험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 실험에 사용되는 시료의 상･하부 페더스탈에 설치된 온도 측정 장치(thermocouple)로부터 측정된 온도를 일직선으로 연결하여 간극수 동결에 의한 부피팽창(heave by pore water)을 계산하고, 이렇게 계산된 결과를 동상발생량(total heave)과 물 주입에 의한 부피팽창(heave by water intake)의 차이 값과 비교하여 실험적 오차 검증이 가능하다.
(2) 실험결과로부터 간극수 동결에 의한 부피팽창 값이 수렴하는 시점(시료내부 온도분포가 수렴하는 시점)이 1차적인 동상(in-situ freezing)의 종료이고 2차적인 부피 팽창 원인인 얼음분리(ice segregation)가 시작되는 시점으로 간주될 수 있음을 발견하였다. 이 시점에서 동상 속도(frost heave rate) 및 물 주입속도(water intake rate)는 거의 유사하게 나타났으며, 실험 종료까지 일정한 값으로 유지되는 것을 발견하였다.
3에서 heave by pore water)이 수렴하는 시점과 동일한 시점으로 판단된다. 간극수 동결에 의한 부피팽창(Fig. 3에서 heave by pore water)이 수렴하는 시점을 먼저 육안으로 예측한 뒤(Fig. 5a), 정밀한 판단을 위해 시간에 따른 간극수 동결에 의한 부피팽창의 속도를 구하였으며 측정 장비의 노이즈로 인해 추세선을 활용한 결과 16시간부터는 기울기가 0에 가까운 곡선으로 나타나 간극수 동결에 의한 부피팽창의 수렴을 확인할 수 있다(Fig. 5b). 16시간 이후부터의 동상속도(frost heave rate) 및 물 주입속도(water intake rate)는 시험이 지속되는 시간 동안 유사한 거동을 나타내고 있으며, 특히 16시간일 때의 속도는 각각 18.
50mm라는 것 확인할 수 있다. 동결 깊이까지 존재하는 간극수 상변화에 따른 9.00%의 부피팽창을 계산한 결과 2.74mm로 계산되었으며, 실험으로부터 얻어진 종료 시점에서의 간극수에 의한 부피팽창은 2.96mm다. 두 값의 오차는 7.
07mm의 시료를 준비하였다. 시료 크기를 제외한 나머지 경계조건, 즉, 상재하중, 건조단위중량, 그리고 온도구배는 유사하게 유지하여 동상시험을 수행하였으며, 그 결과 시료의 크기와는 상관없이 동상속도 및 동상발생량이 유사한 동상 거동을 나타냈다. 이를 통해 시료의 크기는 동상시험에 있어 영향을 미치지 않는 인자로 판단되었다.
9a와 같이 나타났다. 실험적 오차 발생을 허용하지 않기 위해 O-ring을 제거했기 때문에 동상발생량만을 실험을 통해 직접적으로 얻을 수 있으며, 그 결과 온도구배가 유사할 때 시료 높이와는 상관없이 동상속도 및 동상발생량이 유사한 거동을 보였다. 실험종료 후의 시료의 상태는 Fig.
7b). 즉, 본 실험을 통해 동상발생이 O-ring에 의해 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 동상민감성 판정 기준을 위해 사용하고 있는 물 주입속도를 구하기 위해서는 O-ring을 설치해 하나, 이는 동상발생을 저해하기 때문에 O-ring을 설치했을 때의 물 주입속도를 활용해 동상민감성을 판정하는 것은 실험적으로 어려울 뿐만 아니라 상당한 오차를 포함한다.

후속연구

그러나 O-ring을 제거한 동상시험 결과를 O-ring을 설치한 결과와 비교하였을 때, O-ring이 몰드 내벽과의 마찰을 발생시켜 동상을 방해한다는 것을 발견하였다. 따라서 상대적으로 실험적 측정이 어려운 물 주입 속도(water intake rate) 대신 동상발생량(total heave)을 토대로 계산이 가능한 동상속도(frost heave rate)를 활용하여 동상민감성을 판정하는 것이 더욱 신뢰성 높은 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
3에서 heave by pore water)이다. 위 값들 중 간극수 동결에 의한 부피팽창은 실험으로부터 얻어진 값으로 추가적인 검증이 필요하다. 높이가 상대적으로 작은 시료의 경우에 내부 온도 프로파일은 상･하부 페더스탈에 설치된 온도 측정 장치(thermocouple)로부터 측정된 온도를 일직선으로 연결하여 예측할 수 있다(Jin et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동상이란?	동상은 동토지역에서 발생하는 대표적인 공학적 특성이다. 계절동토(seasonal frost area)에 해당하는 우리나라는 동결융해에 의한 구조적 피해가 발생하고 동상에 관한 연구의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
	동상이 발생하기 위한 필요조건이 무엇인가요?	동상이 발생하기 위해서는 3가지 필요조건이 존재한다. 동상에 민감한 흙, 일정 시간 동안 지속되는 영하의 온도, 그리고 지속적인 물의 공급이다. 물은 분자의 양극성으로 인해 동결(freezing)될 때 9.
	투명 온도제어형 동결셀을 사용하여 동상 시험을 수행할 시 장점은?	, 2017; 2019). 본 장비는 주변부 온도 설정을 통해 일방향 동결이 가능토록 함으로써, 기존에 제시된 표준 시험법들(Croney & Jacobs, 1967; Jones, 1980; JGS 0172, 2003; ASTM D5918, 2013)에서 냉동챔버 설비로 인한 고비용의 문제점을 해결하였다. 또한 투명 몰드를 사용하여 동상발생 과정을 육안으로 관찰할 수 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (16)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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