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문제 정의
- 본 연구에서는 우리나라 전 지역에 널리 분포된 화강풍화토와 인천지역 해안 매립지반의 대부분으로 구성되어 있는 모래질 흙과 실트질 흙에 대한 토질 및 기초공학적 기본 성질을 제시하였다. 그리고, 동상 민감성 기준을 기초로 하여 기존에 제시된 동상과 관련된 실험을 통하여 단일방향으로 흙이 동결될 때 함수비에 지배되는 결과와 더불어 시간과 온도변화에 대한 동상팽창압을 연관시켜 본 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 널리 분포되어 있고, 동상에 민감한 반응을 보이는 실트질 흙과 동상에 큰 영향을 받지 않는 모래질 흙, 그리고 건설 공사 시 많은 부분에 대해 활용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압과 함수비 특성에 대한 실험을 실시하였다. 사용된 시료는 인천 LNG 인수기지 현장에서 채취한 시료로서 공시 체는 매립지반의 특성상 지하 수위가 지표면에 위치한 것을 감안하여 각각의 포화도에 따라 실시하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 우리나라 전 지역에 널리 분포된 화강풍화토와 인천지역 해안 매립지반의 대부분으로 구성되어 있는 모래질 흙과 실트질 흙에 대한 토질 및 기초공학적 기본 성질을 제시하였다. 그리고, 동상 민감성 기준을 기초로 하여 기존에 제시된 동상과 관련된 실험을 통하여 단일방향으로 흙이 동결될 때 함수비에 지배되는 결과와 더불어 시간과 온도변화에 대한 동상팽창압을 연관시켜 본 실험을 수행하였다. 그 결과, 동상팽창압을 보다 더 용이하게 측정할 수 있었고, 각각의 흙마다 다른 특성을 나타내고 있었다.
- 이 측정된 값은 자동수집 장치로 나타내 어진 다. 동결 온도는 동상 실험기 내부에 설치되어 있는 Thermometer와 시료 내부의 상부, 중부, 하부로 나누어 설치한 Thermocouple로 측정하였다.
- 동결된 시료의 부동 수분량을 결정하기 위해서는 TDR 장비를 이용하여 실험을 수행하였다. 그림 4.
- 이는 동결토안에 아직 얼지 않은 부동 수의 영향으로 사료된다. 따라서 동상팽창 압 측정 이후 부동 수분량을 측정하여 제시하기로 하였다.
- 또한, 알류미늄 디스크 위에 밀착 시켜 로드 셀을 반력 지지대에 대하여 지지됨과 동시에 시료를 구속시 킬 수 있도록 하였다. 또한, 몰드 내부에는 그리스를 발라서 마찰력을 최소화시켰고, 냉각기를 통해 단일 방향으로의 동결을 진행시켜서 동결 조절을 적절하게 진행시켰 다. 시료가 동결되면서 발휘되는 압력은 로드 셀로 측정되어진다.
- 몰드 저 면에는 다공판을 설치하였고, '0' 링으로 몰드를 실링 하였다. 또한, 몰드의 상부에는 알류미늄 디스크를 제작하여 시료에서 작용되는 압력을 로드 셀로 전달할 수 있게 제작하였다. 또한, 알류미늄 디스크 위에 밀착 시켜 로드 셀을 반력 지지대에 대하여 지지됨과 동시에 시료를 구속시 킬 수 있도록 하였다.
- 또한, 몰드의 상부에는 알류미늄 디스크를 제작하여 시료에서 작용되는 압력을 로드 셀로 전달할 수 있게 제작하였다. 또한, 알류미늄 디스크 위에 밀착 시켜 로드 셀을 반력 지지대에 대하여 지지됨과 동시에 시료를 구속시 킬 수 있도록 하였다. 또한, 몰드 내부에는 그리스를 발라서 마찰력을 최소화시켰고, 냉각기를 통해 단일 방향으로의 동결을 진행시켜서 동결 조절을 적절하게 진행시켰 다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 구성되어 있는 실트질 흙과 모래질 흙, 그리고 노상토용 건설재료로 사용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압 실험과 수분 특성 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, 시간과 온도변화, 그리고, 포화 조건에 따른 동상팽창압 특성과 동상팽창압 거동의 근거를 제시하는 수분 특성값을 도줄하였다.
- 1에 나타낸 바와 같다. 실험은 초기온도를 각각 설정한 다음, 단계적으로 온도를 변화 시켜 가며 측정한 것으로서, 해당 온도에서 팽창압의 변화가 일정하게 유지될 때, 온도를 더 하강 시켜 연속된 팽창압의 변화를 측정하였다.
- 포화도에 따른 동상팽창압의 변화를 알아보기 위하여 포화도가 100%, 90%, 80%, 그리고 60%인 흙 시료를 영하 19E로 설정하여 단계적으로 온도를 변화 시켜 동상실험을 측정하였으며, 그 결과는 그림4.5에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 포화도가 최적 함수비 상태보다 클 경우에 영하의 온도 지속시간이 길고 온도가 낮을수록 동상팽창압은 증가하며, 포화도가 증가할수록 동상팽창압은 더 크게 증가하고 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 동결융해 시험기는 그림 3.1에 나타낸 바와 같이 실험 장치는 직경 10cm, 높이 13cm인 몰드로 된 장치로서 내부에는 Teflon으로 도포하였다. 몰드 저 면에는 다공판을 설치하였고, '0' 링으로 몰드를 실링 하였다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 널리 분포되어 있고, 동상에 민감한 반응을 보이는 실트질 흙과 동상에 큰 영향을 받지 않는 모래질 흙, 그리고 건설 공사 시 많은 부분에 대해 활용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압과 함수비 특성에 대한 실험을 실시하였다. 사용된 시료는 인천 LNG 인수기지 현장에서 채취한 시료로서 공시 체는 매립지반의 특성상 지하 수위가 지표면에 위치한 것을 감안하여 각각의 포화도에 따라 실시하였다. 다음에 제시된 표 3.
이론/모형
- 사용된 시료는 인천 LNG 인수기지 현장에서 채취한 시료로서 공시 체는 매립지반의 특성상 지하 수위가 지표면에 위치한 것을 감안하여 각각의 포화도에 따라 실시하였다. 다음에 제시된 표 3.1은 각각의 시료에 대한 공학적 특성을 나타낸 것으로서 시험 방법은 한국공업규격에 명시된 표준시험 방법에 의거하여 실시하였다.
- 또한, 시료의 수분 특성은 TDR(time domain reflectometry)을 이용하여 측정하였다. 유전 상수는 TDR 장비를 이용하여 다 공매 체를 통한 전자기파의 전달속도로부터 결정된다.
성능/효과
- 1. 시간에 따른 최대 동상팽창압 실험 결과, 화강풍화토는 3.549kg/cm2, 실트질 흙은 4.237kg/cm2, 모래질 흙은 Q397kg/cm2으로서 세립분을 많이 함유할수록 발휘되는 동상팽창압은 우세하게 나타났다.
- 2. 세립분을 많이 함유할수록 동상이 발현되기까지의 시간과 동상 지속시간이 더 크게 나타났다. 즉, 실 트질 흙, 화강풍화토, 모래질 흙 순으로 지속시간이 크게 도출되었다.
- 3. 동상실험을 완료한 후, 실트질 흙에 대하여 동상 몰드 상부의 알류미늄 디스크를 로드 셀과 분리시킨 결과, 시료의 상부 표면에 균일하지 않은 상태로 14mm의 동상팽창량이 발생하였다. 이는 입자 사이에서 팽창압력이 가장 작게 저항하는 방향으로 그 힘이 발휘된 것으로 판단된다.
- 4. 각각의 토사에 대하여 포화도에 따른 최대 동상팽창압 실험 결과, 포화도 60%, 80%, 90%, 100%에 대하여 화강풍화토의 최대 동상팽창압은 0.121, 0.839, 1.744, 3.576kg/cm2^-S 나타났다. 실트질 흙의 최대 동상팽창압은 0.
- 5. TDR 장비를 이용한 부동 수분 측정 결과, 각각의 시료는 온도가 낮아질수록 부동 수분량이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 영하 5℃를 기준으로 감소율을 살펴보면, 화강풍화토는 68.
- 그리고, 동상 민감성 기준을 기초로 하여 기존에 제시된 동상과 관련된 실험을 통하여 단일방향으로 흙이 동결될 때 함수비에 지배되는 결과와 더불어 시간과 온도변화에 대한 동상팽창압을 연관시켜 본 실험을 수행하였다. 그 결과, 동상팽창압을 보다 더 용이하게 측정할 수 있었고, 각각의 흙마다 다른 특성을 나타내고 있었다.
- 따라서, 동토 중에는 부동 수분량이 존재하며, 부동 수분은 흙의 동상과 정에서 중요한 역할을 하게 되고, 아울러 동토 중의 부동 수분량은 온도가 낮아질수록 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 따라서, 온도의 범위가 0℃~-5℃ 범위에서 전체 부동 수량의 68% 이상이 변화되는 양상을 알 수 있다. 또한, 영하 5℃를 기준으로 화강풍화토와 실트질 흙은 모래질 흙보다 부동 수분량이 많은 것을 나타냈는데, 이는 비 표면적이 큰 세립분을 많이 함유하고 있다는 결과로서, 동결된 간극 수의 체적증가가 축적되어서 더욱 큰 체적변화와 Ice segregation이 발생하게 되어, 부동 수분량이 많은 흙일수록 동상팽창 압도 커지는 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 해안매립지반에 구성되어 있는 실트질 흙과 모래질 흙, 그리고 노상토용 건설재료로 사용되고 있는 화강풍화토에 대하여 동상팽창압 실험과 수분 특성 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, 시간과 온도변화, 그리고, 포화 조건에 따른 동상팽창압 특성과 동상팽창압 거동의 근거를 제시하는 수분 특성값을 도줄하였다.
- 실험결과를 살펴보면, 토립자는 수분의 손실과 얼음 렌즈의 성장으로 인해 그 변위가 발생하게 되고, 열전달은 본질적으로 한 방향으로 전달되기 때문에 얼음 결정체는 열 손실 방향의 수평 방향으로 렌즈 모양을 형성하는 것을 알 수 있었다. 이는 토립자에 접해 있는 간극에 수분이 많을수록 그 주변간극으 로부터 얼음렌즈로 진행되는- 자유수는 더 많아지는 것을 의미한다.
- 세립분을 많이 함유할수록 동상이 발현되기까지의 시간과 동상 지속시간이 더 크게 나타났다. 즉, 실 트질 흙, 화강풍화토, 모래질 흙 순으로 지속시간이 크게 도출되었다. 또한, 화강풍화토와 실트질 흙은 모래질 홁에 비해 초기 지속시간이 크게 나타나고 있다.
- 즉, 영하 5℃를 기준으로 감소율을 살펴보면, 화강풍화토는 68.6%, 실트질 흙은 68%, 모래질 흙은 87.5%의 감소율을 나타내었다. 따라서, 온도의 범위가 0℃~-5℃ 범위에서 전체 부동 수량의 68% 이상이 변화되는 양상을 알 수 있다.
- 4는 설정 온도에 따른 동상팽창압과 최대동상팽창압의 변화를 나타내고 있다. 측정 결과, 온도가 낮을수록 팽창압은 증가하는데, 영하 19℃를 기준으로 최대팽창압을 살펴보면, 실트질 흙은 4.346kg/cm2, 화강풍화토는 3.603kg/cm2, 모래질 흙은 0.405kg/cm2을 나타내었다. 특히, 앞선 실험과 일치 시켜 분석하면, 초기온도를 영하 5℃와 영하 10℃로 설정하였을 때, 동상팽창압은 지속적으로 증가하다가 일정하게 유지된 후, 온도를 더 하강시키면 팽창압은 상당히 증가하는 양상을 나타내었다.
- 405kg/cm2을 나타내었다. 특히, 앞선 실험과 일치 시켜 분석하면, 초기온도를 영하 5℃와 영하 10℃로 설정하였을 때, 동상팽창압은 지속적으로 증가하다가 일정하게 유지된 후, 온도를 더 하강시키면 팽창압은 상당히 증가하는 양상을 나타내었다. 한편, 초기온도를 영하 15℃, 19℃로 설정한 경우에는 영하 5℃, 10℃로 설정된 실험 결과와는 다르게 기울기가 더욱 급하게 팽창압이 증가하다가 일정하게 유지될 때, 온도를 더 하강시키더라도 거의 큰 변화 없이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있었다.
- 특히, 앞선 실험과 일치 시켜 분석하면, 초기온도를 영하 5℃와 영하 10℃로 설정하였을 때, 동상팽창압은 지속적으로 증가하다가 일정하게 유지된 후, 온도를 더 하강시키면 팽창압은 상당히 증가하는 양상을 나타내었다. 한편, 초기온도를 영하 15℃, 19℃로 설정한 경우에는 영하 5℃, 10℃로 설정된 실험 결과와는 다르게 기울기가 더욱 급하게 팽창압이 증가하다가 일정하게 유지될 때, 온도를 더 하강시키더라도 거의 큰 변화 없이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있었다. 이는 동결토안에 아직 얼지 않은 부동 수의 영향으로 사료된다.
후속연구
- 지하구조물 설치를 위한 연약지반의 동결, LNG와 같은 저온 액체를 저장하기 위한 지하저장 탱크 건설 및 주변 지반의 동결 등 인공동결 공법이 시도되고 있다. 따라서, 해안매립지반에 건설공사 수행 시 지반동결과 관련하여 예상되는 지반 공학적 특성들을 분석하고, 이에 따른 기술적 해결방안의 밑걸음이 될 수 있는 연구성과를 제시하여 향후 해안매립지반의 개발 사업 수행 시 기초자료로 활용될 수 있도록 해야 할 것이다.
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