Journal of the Korean Geotechnical Society. 31 December 2021. 47-56
https://doi.org/10.7843/kgs.2021.37.12.47

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 흙의 동상 메커니즘 및 동상민감성

  •   2.1 동상 메커니즘

  •   2.2 동상민감성

  • 3. 실험방법 및 조건

  •   3.1 재료

  •   3.2 동상실험

  •   3.3 투수실험

  • 4. 실험결과

  •   4.1 동상실험 결과

  •   4.2 투수실험 결과

  • 5. 고 찰

  • 6. 결 론

1. 서 론

영하의 온도에 의해 frost front(0℃의 등온선)가 세립분을 함유한 지반에 침투하게 되면 지반의 간극수는 동결되며 비동결토 혹은 외부로부터 freezing front(얼기 시작하는 선) 쪽으로 간극수가 공급되어 ice lens를 형성시켜 지표면이 융기하는 동상현상이 발생한다(Seto and Konrad, 1994). 동상에 의한 피해를 방지하기 위해 미국, 일본, 영국 등은 각 국가별로 실내실험을 통한 동상민감성 판정 기준들을 정립 및 제안하고 있다(Jones, 1980; JGS 2009; ASTM International, 2013). 그 중에서도 가장 널리 활용되는 동상민감성 판정 기준은 Konrad and Morgenstern(1980; 1981) 등에 의해 제안된 동상민감성 지수(Segregation Potential, SP)를 이용한 동상민감성 판정 기준이다. SP는 실험조건에 따라 달라지는 값이 아닌 재료가 가지고 있는 고유 물성으로, 동상민감성 판정 뿐 아니라 동상거동 분석에 있어 활용도가 높다. 따라서 국내에서도 최근 한국형 동상실험 장비를 새롭게 개발하고 이를 활용한 간편 SP를 도출방안을 정립 및 제안하였다(Jin et al., 2019a; 2019b; 2021).

SP는 영하의 온도에서 비동결 상태로 유지되는 frozen fringe의 특성에 의해 정의된다. Frozen fringe는 ice lens와 비동결토 사이에 위치하며 동상 메커니즘의 핵심 역할을 수행한다. 즉, frozen fringe에서는 ice lens로 물을 공급하며 ice lens의 두께를 확장시켜 흙의 동상현상을 유발한다(Konrad and Morgenstern, 1980; 1981; 1994). 이와 같이 frozen fringe로부터의 지속적인 물 공급은 영하의 온도, 토질의 동상민감성과 더불어 동상 발생을 위한 3대 필요조건이나, 현재까지 동상과정에서 지속적인 물 공급을 위한 수리전도도 관련 연구는 전무한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 흙의 동상특성을 대표하는 계수인 SP와 수리전도도 간 상관관계를 분석하기 위해 다양한 세립분 함유량을 가진 모래-실트 혼합토를 활용해 동상실험 및 투수실험을 수행하였다.

2. 흙의 동상 메커니즘 및 동상민감성

2.1 동상 메커니즘

영하의 온도는 지반의 간극수를 동결시키며, 이로 인해 발생하는 음의 간극수압(Cryosuction)은 영하의 온도에서 비동결 구간으로 유지되는 frozen fringe로부터 모세관로로 간극수 이동을 유발해 ice lens를 형성시킨다(Konrad and Morgenstern, 1980; 1981). 이 때 실트나 점토와 같은 세립질 흙의 경우 조립질 흙보다 작은 공극크기로 인해 나타나는 모세관 현상으로 더 큰 음의 간극수압을 발생시킨다(Doré, 2004). 즉, 조립질 흙의 경우 너무 큰 투수성으로 인해 모세관 현상이 발생하지 못하며, 세립질 흙 중 실트의 경우 모세관 현상으로 인한 간극수 이동이 발생하는 반면 점토의 경우 너무 낮은 투수성으로 인해 간극수 이동이 제한적으로 발생한다. 이처럼 ice lens 형성으로 인해 발생하는 동상은 흙의 유형과 직접적인 상관관계를 가지며, 흙의 유형은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 수리전도도에 의해 분류되는(Casagrande, 1938) 등 동상과 수리전도도는 밀접한 연관이 있다.

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Fig. 1

Drainage and soil types by hydraulic conductivity (Casagrande, 1938)

2.2 동상민감성

흙의 동상현상은 지반의 팽창 및 팽창압으로 인해 구조물의 피해를 유발할 수 있어 이를 사전에 방지하기 위해 동상민감성(frost susceptibility) 판정을 수행하고 있다. 오래전부터 토성(soil texture)이 흙의 동상민감성을 판정하는데 유용하다고 제안되어왔으며, 흙의 입경 및 공극크기를 고려한 다양한 동상민감성 판정 기준들이 제시되어 왔다(Taber, 1929; 1930; Casagrande, 1931; Linell and Kaplar, 1959; Lambe et al., 1969; Penner, 1976). 흙의 입경을 이용한 동상민감성 판정 기준은 방법이 간단해 널리 활용될 수 있으나 모든 토질에 적용하기에는 무리가 따른다(Jin et al., 2017). 따라서 최근에는 모든 토질에 적용 가능한 SP를 활용해 동상민감성 판정을 수행하고 있으며, SP는 실내 동상실험을 통해 도출될 수 있다. Eq. (1)에 나타낸 바와 같이 지반이 동결되며 발생하는 frozen fringe에서의 물 주입속도와 온도구배의 비를 SP라고 정의하고 있다(Konrad and Morgenstern, 1980; 1981; 1982).

(1)
v(t)=SP(t)×gradT(t)

여기서, v(t)는 물 주입속도(mm/h), gradT(t)는 온도구배(℃/mm), t는 시간(h)을 뜻한다.

실내실험과 달리 실제 지반은 깊이가 매우 깊을 뿐 아니라 온도변화가 매우 느린 속도로 발생한다. 따라서 이러한 조건을 실험적으로 모사하기 위해 동결 시 시료가 열적으로 정상상태에 도달한 시점에서의 SP를 대표 SP로 정의해 활용하고 있다(Konrad, 1994, 1988a, b, 1999, 2005; Saarelainen, 1996; Dore et al., 2006). 이 시점에서 도출된 대표 SP는 현장과 가장 유사한 조건으로 이를 활용한 동상민감성 판정 기준은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 또한, 열적 정상상태 도달 시 frozen fringe의 온도구배는 비교적 작은 시료 크기로 인해 전체 온도구배와 치환될 수 있으며, 물 주입속도는 동상속도와 치환될 수 있다(Konrad, 1987; Jin et al., 2019a; 2021).

Table 1.

Frost susceptibility classification criteria using representative SP (St-Laurent, 2010; St-Laurent et al., 2019)

Frost susceptibility SP (mm2°C-1h-1)
Negligible SP < 0.5
Low 0.5 ≤ SP < 1.5
Moderate 1.5 ≤ SP < 3.0
High 3.0 ≤ SP < 8.0
Very high 8.0 ≤ SP

3. 실험방법 및 조건

3.1 재료

본 연구에서는 세립분 함유량에 따른 동상 및 수리전도도 특성을 비교분석하기 위해 Fig. 2에 나타낸 바와 같은 입도분포곡선을 가진 주문진표준사와 파쇄 현무암을 혼합하여 실험에 사용하였다. 주문진표준사의 평균 입경크기(D50)는 약 0.47mm이며, 파쇄 현무암은 200번 표준 망체(0.075mm)를 통과한 세립분을 사용하였다(Jin et al., 2020a; 2020b). 각 시료의 물리적 특성은 Table 2에 나타낸 바와 같으며 통일분류법에 의해 각각 SP, ML로 분류된다(ASTM International, 2017a, 2017b). 세립분 함유량의 영향을 파악하기 위해 실트의 혼합비율을 중량비로 5%, 10%, 20%, 30%, 50%, 70%로 설정하고 모래와 건비빔하여 각 경우에 대해 실험을 수행하였다.

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Fig. 2

Particle size distribution curves (Jin et al., 2020a)

Table 2.

Particle grading characteristics and soil classification (Jin et al., 2020a)

Soils Specific
gravity, Gs
*D10 D30 D60 Uniformity
coefficient, Cu
Coefficient of
curvature, Cc
*USCS
Joomunjin sand 2.65 0.36 0.44 0.51 1.42 1.05 SP
Crushed basalt 2.94 0.0076 0.03 0.1 13.16 1.18 ML

*Dn: The portion of particles with diameters smaller than this value is n%

*USCS: Unified Soil Classification System (ASTM International, 2017a)

3.2 동상실험

Jin et al.(2019a, 2019b)은 상부, 하부, 주변부 온도를 개별적으로 조절할 수 있는 투명 온도제어형 셀을 이용한 한국형 동상실험법을 정립 및 제안하였다. 이 방법은 국가별로 제시하고 있는 표준 시험법들과 비교했을 때(Jones, 1980; JGS 2009; ASTM International, 2013), 실험적으로 매우 간편할 뿐 아니라 실험결과의 일관성 보장 측면에서 유리하다. 하지만 본 실험장비는 동상실험 시 시간에 따른 시료의 온도 프로파일 측정이 불가능해 열적 정상상태에 도달하기 시작한 시점에서 결정되는 공학적으로 활용도가 높은 대표 SP 도출이 불가능하다. 따라서 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 5mm 간격으로 총 32개의 온도센서를 포함하고 있는 온도센서 모듈을 추가해 대표 SP 도출이 가능한 수정된 동결셀을 제작하였다(Jin et al., 2021). 실시간으로 동상량을 측정하기 위해 상부 페데스탈 위에 변위계(LVDT, Linear Voltage Displacement Transducer)를 위치시켰으며, 부동액이 포함된 상부 페데스탈의 무게만(1.62kPa) 상재하중으로 작용하기 때문에 이로 인한 영향은 무시할 수 있는 수준이다.

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Fig. 3

Modified freezing cell with embedded temperature sensor module (Jin et al., 2021)

동결셀 내부에 건비빔된 혼합토를 강사 후 태핑을 통해 다짐하여 직경 약 100mm, 높이 약 50mm의 건조시료를 조성한 뒤 하부 배수라인으로 증류수를 주입해 시료를 포화시켰다. 이후 시료가 증류수에 의해 잠겨있는 정수상태를 약 1일간 유지하였으며, 이는 향후 동상실험 시 수분공급에 활용되었다. Table 3에 나타낸 바와 같이 상부, 하부, 주변부 온도를 약 1.5℃로 설정해 동상실험 전 초기 시료 온도조건을 설정하였으며, 동착강도에 의한 영향을 제거하기 위해 동결방향은 하부에서 상부로 설정하였다(Penner, 1986; Konrad and Morgenstern, 1982; Konrad, 1988a, 1988b, 1989, 1994; Svec, 1989; Jin et al., 2019a, 2019b).

Table 3.

Frost heave testing program and initial condition of soil mixtures

No. Weight fraction (%) Initial height
(mm)
Dry unit weight
(g/cm3)
Temperature (°C)
Joomunjin sand Crushed basalt Initial Freezing
Top Bottom
1 95 5 52.91 1.59 1.42 0.97 -3.77
2 90 10 49.91 1.68 1.34 0.81 -3.82
3 80 20 46.80 1.79 1.25 0.98 -3.65
4 70 30 43.72 1.92 1.30 0.85 -3.65
5 50 50 45.46 1.85 1.37 1.13 -3.64
6 30 70 45.77 1.84 1.26 0.99 -4.13

3.3 투수실험

수리전도도를 측정하기 위해 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 컬럼투수실험(column permeability test) 시스템을 구축하고 정수위 투수실험을 수행하였다. 컬럼은 투명아크릴 재질이며 높이와 내경은 각각 127mm와 63mm(각각 5 inch와 2.5 inch)다. 시료 상·하단에 다공질판과 미세다공질철망을 두어 물의 흐름에 따른 시료유실을 방지하였다. 투수실험 시 시료 상부에서 물을 유입하고 하부로 배출하였으며 하부에서 유량을 측정하였다. 실험결과의 신뢰성 확보를 위해 각 경우에 대해 4∼8번의 반복실험을 수행하였다. 시료의 건조단위중량은 동상실험 조건과 유사하게 약 1.6g/cm3으로 설정하였으며, 초기 포화도 조건은 완전포화상태(fully saturated condition)를 목표로 하였다. 이를 위해 물로 채워진 컬럼에 준비된 중량의 시료를 4층으로 나누어 층다짐(강사 후 다짐 및 진동)하였으며, 시료 조성 후 시료 하단의 밸브를 열어 수십 분 이상 물을 충분히 흐르게 한 후 유량측정을 시작하였다.

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Fig. 4

Column permeability test system

4. 실험결과

4.1 동상실험 결과

1-6번 경우에 대한 시간에 따른 시료높이 및 frost front는 Fig. 5에 나타낸 바와 같으며, 실험 종료 시점(1번 경우 54시간, 나머지 72시간)에서 측정된 각 시료의 동상량은 각각 3.66mm, 7.89mm, 21.15mm, 26.23mm, 39.69mm, 42.81mm로 나타났다. Frost front(0℃ 등온선)의 침투 깊이는 동결 시 온도구배의 영향으로 시료 높이의 약 80-90% 수준까지 도달하였으며 동상량과 마찬가지로 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가하고 있다. 이로 인해 대표 SP가 결정되는 열적 정상상태 도달 시점은 압밀도 결정법과 유사한 방식을 적용한 Frost ratio(Fz)를 활용하였다. 즉, Eq. (2)에 나타낸 바와 같이, 정규화된 초기 온도 프로파일 및 완전한 열적 정상상태 도달 시의 정규화된 온도 프로파일을 기준으로 결정되는 면적과 특정 시점에서의 정규화된 온도 프로파일을 기준으로 결정되는 면적의 비로 정의된다. 그러나 지속적인 frost front의 침투로 인해 본 연구에서는 대표 SP를 도출하기 위한 열적 정상상태 도달 시점을 Fz가 약 90%에 도달한 시점으로 간주하였다(Jin et al., 2021).

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Fig. 5

Frost heave behavior of soil mixtures

(2)
Fz=1-AtA

여기서, A는 초기 온도 프로파일을 기준으로 최종 시점의 온도 프로파일로부터 도출되는 면적, At는 특정 시점에서의 온도 프로파일로부터 도출되는 면적이다.

각 경우에 대해 Fz=90%일 때의 온도 프로파일은 Fig. 6에 나타낸 바와 같으며, 이 시점은 Table 4에 나타낸 바와 같다. 이 시점에서의 온도구배 및 동상속도를 이용해 도출된 대표 SP는 각각 0.50mm2-1h-1, 1.70mm2-1h-1, 4,18mm2-1h-1, 4,61mm2-1h-1, 4,80mm2-1h-1, 4,53mm2-1h-1로 나타났다. 즉, SP는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 실트 함유량이 20%이하인 경우(1-3번)에는 실트 함유량이 증가할수록 증가하며 실트 함유량이 그 이상인 경우(3-6번)부터는 수렴하는 경향을 나타낸다. SP에 의한 동상민감성 판정 결과는 Table 4에 나타낸 바와 같이 각각 low(1번), moderate(2번), high(3-6번)로 나타났다.

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Fig. 6

Temperature profiles near the thermal steady state condition

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Fig. 7

Fines (Crushed basalt) fraction effect on SP

Table 4.

Frost susceptibility classification of soil mixtures by representative SP

No. tp
(h)
gradT
(°C mm-1)
Heave rate
(mm h-1)
SP
(mm2 °C-1h-1)
Frost susceptibility classification
1 3 0.09 0.04 0.50 Low
2 3 0.09 0.15 1.70 Moderate
3 5 0.08 0.34 4.87 High
4 5 0.08 0.38 4.91 High
5 8 0.07 0.35 5.04 High
6 8 0.08 0.35 4.53 High

4.2 투수실험 결과

Fig. 8은 실트 함유량에 따른 투수계수 측정 결과를 보여준다. 1∼6번까지 각 경우에 대해 수리전도도는 5.46∼8.53×10-4m/s, 2.70∼4.23×10-4m/s, 3.33∼3.74×10-4m/s, 1.25∼2.32×10-4m/s, 1.52∼1.73×10-5m/s, 1.86∼1.98×10-5m/s 범위 내에서 측정되었다. 특히, 실트 함유량이 50% 이하인 경우(1∼5번)에는 실트 함유량이 증가할수록 수리전도도가 감소하는 경향이 나타나며, 실트 함유량이 그 이상인 경우(5∼6번)부터는 수리전도도가 수렴하는 경향이 나타났다. Casagrande(1938)가 제시한 수리전도도에 의한 분류에 따르면, 모든 경우 배수 조건이 좋은 clean sands로 분류되고 있다.

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Fig. 8

Hydraulic conductivity of soil mixtures

5. 고 찰

조립질-세립질 혼합토의 경우 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 세립분 함유량에 따라 전이 임계값(transition threshold)을 기점으로 조립질 또는 세립질 흙의 공학적 특성의 지배를 받는다. 모래-실트 혼합토의 경우 파괴 패턴 변이(연성-취성 변이)를 기준으로 전이 임계값은 실트 함유량이 약 10-30%인 경우에 나타났으며, 동결 혼합토도 마찬가지로 실트 함유량이 약 10-20%인 경우에 전이 임계값이 나타났다(Thevanayagam, 2003; Kim and Zhuang, 2015; Jin et al., 2020a). 본 연구를 통해 동상민감성 지수 및 수리전도도의 경우도 마찬가지로 실트 함유량에 따른 전이 임계값이 나타남을 확인할 수 있었다. Fig. 7에 나타낸 바와 같이 실트 함유량이 증가할수록 SP가 증가하다 실트 함유량이 20% 이상인 경우부터는 4.53∼5.04mm2-1h-1 사이 값으로 수렴했으며, 수리전도도의 경우 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 실트 함유량이 증가할수록 수리전도도가 감소하다 실트 함유량이 50% 이상인 경우부터 1.52×10-5∼1.98×10-5m/s 사이 값으로 수렴했다. 2장에서 언급한 바와 같이 수리전도도는 간극수 이동으로 인한 ice lens 형성이라는 동상 메커니즘의 핵심적인 역할을 수행함에도 불구하고, 본 연구에서 수행한 실험조건에서는 세립분 함유량에 따른 SP 및 수리전도도의 임계값이 다소 차이가 존재함을 확인하였다. 그러나 SP와 수리전도도(각 경우에 대해 평균 값 사용) 간 상관관계를 도시한 결과, SP는 수리전도도가 낮아질수록 일정 값으로 수렴하는 경향이 나타났다(Fig. 10). 따라서 실트 함유량 20-50% 범위(전이 임계값 간극)에 대한 추가적인 연구수행을 통해 전이 임계값에 대한 보완이 필요할 것으로 판단되며, 향후에는 이를 기반으로 Casagrande(1938)가 제시한 수리전도도 및 토질 유형에 따른 간편한 동상민감성 판정 기준 제시가 가능할 것으로 판단된다.

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Fig. 9

Threshold fractions of coarse-fines mixtures (Park et al., 2018)

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Fig. 10

Correlation between hydraulic conductivity and SP

6. 결 론

영하의 온도에 의해 지반이 동결되며 발생하는 음의 간극수압은 frozen fringe로부터 간극수 이동을 유발하며 이는 ice lens를 형성 및 성장시킨다. 간극수 이동은 수리전도도에 지배를 받으므로 수리전도도에 관한 정보는 동상거동 분석 및 동상민감성 판정을 수행하는데 활용될 수 있다. 본 연구에서는 모래와 실트를 다양한 중량비로 혼합한 혼합토를 이용해 동상실험 및 투수실험을 수행하고 기존에 동상거동 분석 및 동상민감성 판정 시 가장 널리 활용되고 있는 동상민감성 지수인 SP와 수리전도도의 상관관계 분석하였으며, 도출된 결과는 다음과 같다.

(1) 실트 함유량이 20% 이하인 경우, 실트 함유량이 증가함에 따라 SP는 증가하는 경향을 나타내며, 20% 이상인 경우부터는 실트 함유량이 증가하더라도 SP는 더 이상 증가하지 않고 수렴하는 경향을 나타낸다. 특히, 실트 함유량이 20% 미만인 경우 동상민감성이 low, moderate(low에 가까운 moderate)로 판정된 반면, 20% 이상인 경우 동상민감성이 high로 판정되었다.

(2) 실트 함유량이 50% 이하인 경우, 실트 함유량이 증가함에 따라 수리전도도는 감소하는 경향을 나타내며, 50% 이상인 경우부터는 실트 함유량이 증가하더라도 수리전도도는 더 이상 감소하지 않고 수렴하는 경향을 나타낸다.

(3) SP와 수리전도도의 상관관계를 분석한 결과 SP는 수리전도도가 낮아짐에 따라 일정 값으로 수렴함을 확인하였다. 모래-실트 혼합토의 수리전도도를 활용한 동상거동 분석 및 동상민감성 판정을 위해서는 SP 및 수리전도도 각각의 경우에 대한 전이 임계값 사이 간극인 20-50%에 대한 보완이 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업인 “동결지반의 동상 해석 및 장기강도 평가 기술 개발(20210489-001)” 과제의 지원으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

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