1. 서 론
2. 이론적 배경
2.1 동토의 역학적 특성
2.2 파괴역학 이론
2.3 동토의 파괴특성
3. 실험 방법
3.1 사용 시료
3.2 공시체 제작
3.3 Three-point bending test
4. 실험결과 및 토의
4.1 공시체 균질성 검증
4.2 Mode I 파괴 시험 결과
4.3 Mixed-mode 파괴 시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
최근 환경 및 자원문제와 관련하여 세계적으로 극지 기술개발과 관련된 연구의 관심이 증대되고 있다. 극지는 풍부한 생물자원과 에너지, 광물자원을 가지고 있어 경제적으로 매우 가치가 높으며, 지구환경변화 관측의 척도로 활용되기 때문에 전 지구적인 지속 가능한 발전을 위해 극지 관련 연구는 꼭 필요하다고 할 수 있다. 우리나라는 남극과 북극에 과학기지를 운용하고 있으며, 전략적인 극지연구개발사업 추진을 위한 핵심 분야를 선정하는 등(Lee, 2005), 세계적인 극지 과학기술 선도국의 입지를 확보하기 위해 계속적인 노력을 기울이고 있다. 지반공학 분야에서는 이러한 극지 관련 과학기술 중 하나로 극한지 인프라 구축 및 자원이송망 구축을 위한 극한지 건설기술개발과 관련된 연구들이 진행되어 오고 있다(Kim and Hong, 2018; Lee, 2016). 극한지에서의 지반구조물 설계를 위해서는 극한지의 기후조건, 지형학적 특성, 동토의 역학적 특성과 같은 다양한 조건들이 고려되어야 한다. 동토는 일반적인 비동결토와는 달리 흙입자, 얼음알갱이, 부동수분, 얼음의 네가지 성분으로 구성되어 있어 그 공학적 특성이 다르게 나타나며, 특히 동토에 존재하는 얼음과 부동수분이 동토의 역학적 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Andersland and Lananyi, 2004). 세계적으로 동토와 관련된 연구는 1960년대 이후부터 본격적으로 진행되었으며(Dillon and Andersland, 1966; Sayles, 1968; Vyalov, 1963), 온도와 흙의 종류에 따라서 달라지는 얼음과 부동수분이 동토의 강도 및 강성과 같은 역학적 특성에 미치는 영향에 관한 연구들이 주로 진행되었다(Bourbonnais and Ladanyi, 1985; Bragg and Andersland, 1982; Hivon and Sego, 1995).
그러나, 영구동토지역에서의 구조물 건설을 위해서는 이러한 동토의 역학적 특성과 함께 지형학적인 특성에 대해 이해할 필요가 있다. 특히 Ice wedge라고 불리는 영구동토지역의 특별한 지형학적 특성에 주목할 필요가 있다. Ice wedge는 영구동토층 내에 수직으로 형성되어 있는 빙체를 말하며, 초기 지표에 형성되어 있는 균열로 침투한 수분이 수백년간 반복적인 동결･융해작용을 거치면서 확장되어 형성된 거대한 빙체를 말한다(Knott, 1973). 만약 이렇게 형성되어 있는 Ice wedge 위에 구조물을 건설할 경우 다양한 공학적인 문제들을 초래할 수 있으며, 사면에 형성된 Ice wedge는 사면붕괴를 초래하여 막대한 경제적 손실을 발생시킬 수 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 일반적인 토질역학 이론이 아닌 파괴역학 이론을 적용하여 동토의 파괴특성에 대해 파악할 필요가 있으나, 세계적으로 이와 관련된 연구는 거의 수행되지 않은 실정이며, 일부 수행된 연구도 제한적인 조건에서 수행되어왔다. 특히, 외부 하중으로 인해 동결지반 내의 균열 부근에서 발생될 수 있는 응력 조건이 매우 복잡할 수 있음에도 불구하고, 대부분의 연구들이 mode I(opening), mode II(in-plane shear), mode III(out-of-plane shear)와 같은 한 가지 응력 조건만을 고려하여 수행되었다(Azmatch et al., 2011; Li and Yang, 2000; Liu and Liu, 2011). 즉, 외부 하중으로 인해 동결지반의 균열에서 발생되는 응력은 두 개 이상의 응력 조건들이 복합적으로 나타날 수 있으며(mixed-mode), 이러한 응력 조건에서 나타나는 동토의 거동에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 흙의 역학적인 거동에 있어서 세립분 함유량이 큰 영향을 미칠수 있음에도 불구하고, 세립분 함유량이 동토의 파괴특성에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 전무한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 세립분 함유량이 동결 사질토의 파괴특성에 미치는 영향 및 동결 사질토의 mixed-mode 파괴특성을 파악하기 위해 노치(notch)가 형성된 직사각형 공시체를 사용하여 -10℃의 온도조건에서 three-point bending 시험을 수행하였다. Haynes and Karralius(1977)는 동결된 모래나 실트가 -10℃ 이하의 온도에서 취성효과(Brittleness effect)가 강해지는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 취성효과가 발휘되지 않으면서 공시체 제작 및 추출 과정에서 발생될 수 있는 교란의 영향을 최소화 할 수 있도록 최저온도 -10℃로 온도를 설정하여 시험을 수행하였다. 세립분 함유량 조건을 모사해 주기 위해 주문진표준사와 카올리나이트를 혼합하여 세립분 함유량 0, 5, 10, 15%인 시료를 사용하여 공시체를 제작하였으며, 하중조건을 모사해 주기 위해 공시체 제작 시 초기 노치의 위치를 공시체 중심에서 0, 25, 40, 50, 60mm 떨어뜨려 공시체를 제작하였다.
2. 이론적 배경
2.1 동토의 역학적 특성
동토는 흙입자, 얼음알갱이, 공극, 부동수분의 네가지 구성성분으로 이루어져 있어 그 역학적 특성이 일반적인 비동결토와는 매우 다르게 나타난다. 특히 동토의 구성성분 중 얼음과 부동수분은 동토와 비동결토의 역학적 거동에 차이를 발생시키는 주된 원인으로 알려져 있다. Fig. 1은 동토의 구조를 2차원으로 도식화하여 나타낸 그림이다. 동토내의 입자들은 다양한 모양과 크기를 가지고 있으며, 입자의 표면은 얇은 부동수분으로 둘러싸여 있다. 부동수분이란, 영하의 온도에서도 얼지 않고 액체상태로 존재하는 수분을 말한다. 부동수분의 양에 따라서 동토의 역학적 거동 특성은 취성거동에서부터 연성거동에 이르기까지 다양하게 나타나게 된다. 동토 내의 부동수분 양에 영향을 미치는 요소로는 온도와 염분이 있으며, 온도와 염분이 증가할수록 부동수분은 증가하게 되고, 증가된 부동수분은 일정 온도에서 동토의 강도를 감소시키며 크리프 변형속도를 증가시키게 된다(Andersland 등, 2004). Chae 등(2015)은 세립분 함유량에 따른 동토의 강도 및 강성특성을 파악하기 위해 세립분 함유량 조건을 달리하여 일축압축시험을 수행하였으며, 세립분 함유량이 증가할수록 동토의 강도 및 강성은 감소하는 것으로 나타났다. Anderson and Tice(1972)에 따르면, 일정한 온도조건에서 동토의 세립분 함유량 증가는 동토 내 표면적을 증가시켜 부동수분의 양을 증가시키게 되며, 이러한 부동수분의 증가가 역학적 거동에 큰 영향을 미치게 됨을 확인하였다.
2.2 파괴역학 이론
파괴역학이란 구조물에 발생 된 균열의 거동을 해석하는 학문이며, 간단히 말해서 구조물에 존재하는 결함이 성장할 것인지 아닌지를 판단하기 위한 학문이다. 이러한 판단을 위해서는 현재 균열의 상태를 나타내는 특성값과 균열이 진전하기 시작하는 기준값을 비교하여 어떤 값이 더 큰지를 파악해야 한다. 즉, 균열의 상태를 나타내는 특성값이 균열을 진전시키는 기준값보다 큰 경우에 균열은 진전하게 되는 것이다. 파괴역학에서는 균열의 상태를 나타내기 위해 다양한 파라미터를 사용하고 있으며, 어떤 파라미터를 사용할 것인지는 연구 목적 및 평가 재료의 파괴특성에 따라 결정된다. 일반적으로 구조물의 균열을 진전시키는 하중은 세가지로 구분할 수 있으며, 이는 Fig. 2와 같다. 제일 왼쪽부터 균열면의 수직으로 힘이 가해지는 경우를 mode I(Opening), 균열면과 평행하게 힘이 작용하는 경우를 mode II(In-plane shear), 균열면의 좌우로 힘이 가해지는 경우를 mode III(out-of-plane shear)라고 하며, 두 개 이상의 하중 형태가 동시에 작용하는 경우를 mixed-mode라고 정의한다.
본 연구에서는 mode I 파괴특성을 파악하기 위한 응력확대계수(stress intensity factor, K)와 mixed-mode 파괴특성을 정량화하기 위해 fracture energy(G)를 적용하였다. 응력확대계수는 균열 주위에서의 응력 및 변형량의 크기에 주목한 파괴역학 파라미터로, 식 (1)과 같이 표현될 수 있다.
| $$K=Y\sigma\sqrt{\pi a}$$ | (1) |
여기서, K는 응력확대계수, Y는 하중형태 및 공시체 형상에 따른 상수, σ는 작용되는 응력, a는 균열의 길이를 말한다. 즉, 같은 힘에서 균열의 길이가 길수록, 작용하는 응력의 크기가 클수록 균열 부근에서 발생되는 응력에 의한 위험성이 커진다는 것을 알 수 있다. 많은 연구자들에 의해 다양한 조건에서 응력확대계수를 산정하기 위한 식들이 제시되었으며, 본 연구에서 적용한 mode I 하중 조건에서 three-point bending을 받는 직사각형 공시체의 경우 식 (2)와 같이 계산된다(Tada et al., 1985).
여기서, P는 작용 하중, B는 공시체 폭, D는 공시체 높이, a는 균열 길이, S는 공시체 길이를 말한다. 일반적으로 응력확대계수 아래첨자에는 하중모드를 나타내며, 재료에 하중 및 변형이 한계상태에 도달되었을 때의 응력확대계수를 KIC로 나타내고, 파괴인성(fracture toughness)이라 정의하며 재료가 파괴에 저항하는 능력을 나타낸다.
한편, mixed-mode 파괴특성을 정량화하기 위해 사용된 fracture energy의 경우 하중-변형 곡선상의 면적으로 쉽게 계산할 수 있으며, 이를 식으로 나타내면 식 (3)과 같다.
| $$G_f=\frac W{A_{lig}}$$ | (3) |
| $$A_{lig}=(D-a)B$$ | (4) |
여기서, Gf는 fracture energy, W는 하중-변형 곡선상의 면적으로 계산되는 일, Alig는 초기 ligament의 면적으로 식 (4)와 같이 계산할 수 있다.
2.3 동토의 파괴특성
동토의 파괴특성 파악을 위해 몇몇 연구들이 수행되었으며, 균열의 형상, 온도, 변형속도, 입자의 크기와 같은 다양한 인자들이 동토의 파괴특성에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. Liu and Liu(2011)은 실트질 점토를 사용하여 압축 파괴 시험을 수행하였으며, 균열의 형상, 온도, 변형속도에 따른 mode I 파괴 특성을 파악하였다. 그 결과, 동결 실트질 점토는 균열의 각도가 증가함에 따라 파괴인성이 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 온도가 감소할수록, 변형속도가 증가할수록 파괴인성이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. Yamamoto and Springman(2017)은 동결 실트질 자갈을 사용하여 mode I bending 시험을 수행하였으며, 체적함빙비, 온도, 변형속도에 따른 동토의 취성-연성 거동 특성을 파악하였다. 그 결과, 온도 및 변형속도에 따라 취성 및 연성 거동 특성이 다르게 나타남을 확인하였으며, 온도가 낮아질수록, 변형속도가 증가할수록 동토는 취성거동의 형태를 나타내었다. 또한, 체적함빙비가 낮을수록 동토는 연성거동을 나타내었다. Li et al.(2000)은 실트질 모래를 사용하여 다양한 함수비, 온도, 변형속도 조건에서 동토의 mode II 파괴 시험을 수행하였다. 동결 사질토의 mode II 파괴인성(KII)은 온도가 감소할수록, 함수비가 증가할수록 선형적으로 증가하게 되며, 변형속도에는 크게 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다. 본 연구는 세립분 함유량에 따른 동토의 mode I 및 mixed-mode 파괴 특성을 파악하기 위한 연구로, 선행연구를 통해 아직 이와 관련된 연구는 세계적으로 진행된 적이 없는 것으로 확인하였다.
3. 실험 방법
본 연구에서는 온도 및 세립분 함유량에 따른 동결 사질토의 파괴특성을 파악하기 위해 세립분 함유량 0, 5, 10, 15%의 single-edge notched beam 공시체를 사용하여 -5, -10, -15℃의 온도에서 three-point bending 시험을 수행하였다. 또한 동토의 mode I 파괴특성 뿐만 아니라 mixed-mode 파괴특성을 파악하기 위해 초기 공시체 노치의 위치를 조정하여 하중조건을 모사해 주었다. 동토의 경우 별도의 시험 기준이 존재하지 않기 때문에 금속과 콘크리트와 같은 다른 재료의 시험기준(ASTM, 2012; ASTM, 2018) 및 선행연구(Li and Yang, 2000; Yamamoto and Springman, 2017), 실험실 조건등을 바탕으로 시험계획을 수립하였다.
3.1 사용 시료
세립분 함유량 조건을 모사해 주기 위해 주문진 표준사와 카올리나이트를 사용하였으며, Table 1은 공시체 제작에 사용된 주문진 표준사와 카올리나이트의 기본물성시험 결과를 정리한 표이다. 실내시험을 통해 획득된 주문진 표준사의 최대 및 최소 건조단위중량은 각각 16.7kN/m3, 13.3kN/m3으로 나타났으며, 입도분포 시험을 통해 획득한 균등계수와 곡률계수를 바탕으로 통일분류법상 빈입도의 모래(SP)로 확인되었다. 카올리나이트의 경우 소성지수(PI)는 16.13으로 통일분류법상 소성이 낮은 실트(ML)임을 확인하였다. 또한 비중시험을 통해 주문진 표준사와 카올리나이트 비중은 각각 2.62, 2.49로 확인되었다.
Table 1. Physical properties of tested soils
3.2 공시체 제작
본 연구에서는 노치가 있는 직사각형 형태의 동결 공시체를 제작하기 위해 특수 제작된 몰드를 사용하여 공시체를 제작하였다. Fig. 3은 본 연구에서 사용된 공시체의 크기 및 형상을 나타낸 그림이다. Knott(1973)는 같은 조건의 크기가 다른 세 개의 연강(mild steel) 공시체로 파괴시험을 수행하였으며, 시험 후 공시체 표면에 특수 용액을 사용하여 소성변형 발생 영역을 확인하였다. 이를 통해 외부 하중으로 인해 발생되는 소성영역은 공시체의 크기, 즉 시험편의 폭에 따라 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 시험편의 형상과 소성영역 크기와의 관계를 통해 소규모 항복이 발생하는 조건을 만족시키는 공시체 형상으로 시험을 진행하여야 유효한 fracture toughness 값을 획득할 수 있다. 식 (5)는 이러한 소규모 항복 조건을 만족하는 공시체 조건을 나타낸 식이며, 여기서 B는 공시체 폭, a는 노치의 길이, W는 공시체 높이를 말한다. 시험 계획단계에서는 fracture toughness 값을 알 수 없으므로 본 연구에서는 ASTM(2012)에서 제시하고 있는 추천값을 사용하였으며, 이는 식 (6)과 (7)과 같다. Mixed-mode 파괴 시험의 경우 하중 조건 모사를 위해 하중 작용지점(공시체 중심)에서부터 노치의 거리를 조절하여 공시체를 제작하였다. 앞서 Braham et al.(2010)은 아스팔트 콘크리트의 mixed-mode 파괴특성을 파악하기 위해 single-edge notched beam 공시체로 노치의 위치를 조정하여 three-point bending 시험을 수행하였으며, 하중재하지점에서부터 노치까지의 거리와 지지점까지의 거리 비(γ)가 0.6 이상이 될 경우 균열이 노치에서 시작되지 않고 하중재하지점 하부에서 시작됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 하중재하지점으로부터 25, 40, 50, 60mm 노치가 떨어진 경우(γ < 0.6)에 대해서 시험을 진행하였다.
| $$B,a,\left(D-a\right)\geq2.5\left(\frac{K_{IC}}{\sigma_{YS}}\right)^2$$ | (5) |
| $$1\leq D/B\leq4\;\;(\mathrm{for}\;\mathrm{bend}\;\mathrm{specimen})$$ | (6) |
| $$0.45\leq a/D\leq0.55$$ | (7) |
Fig. 4는 공시체 제작에 사용된 동결 몰드 및 공시체 제작 과정을 나타낸 사진이다. 먼저 노건조된 주문진 표준사에 계획된 세립분 함유량과 약 30%의 체적함수비로 시료를 조성한 후 습윤다짐공법을 사용하여 약 70%의 상대밀도(건조단위중량 15.1kN/m3∼15.7kN/m3)로 시료를 조성하였다(Fig. 4b). 공시체에 균질한 노치를 생성하기 위해 동결 전 시료 조성단계에서 높이 35mm, 두께 3mm 길이의 금속판을 미리 삽입하였으며, 동결 후 double nut bolt를 사용하여 일정한 속도로 압출하였다(Fig. 4c). 또한 공시체 하부에 Crack Mouth Opening Displacement(CMOD) 측정을 위한 strain gauge를 부착하기 위해 얇은 플라스틱판을 부착하여 흙입자 탈락으로 인한 오차를 최소화하였다(Fig. 4d). 공시체 동결은 부동수분의 수렴조건을 고려하여 약 24시간 동안 진행되었으며, 완성된 공시체는 Fig. 4e와 같다.
3.3 Three-point bending test
Fig. 5는 본 연구에서 수행한 three-point bending 시험 장비 및 전체 시험 시스템을 나타낸 그림이다. 모든 시험은 온도가 일정하게 유지되는 냉동챔버 내에서 진행되었으며, 시험과정에서 획득되는 시험데이터는 외부 컴퓨터 시스템에 의해 자동으로 저장된다. 재하 장치 상부에 설치된 로드셀은 100kN의 용량을 가지고 있으며 ± 0.3%의 정확도를 가지고 하중을 측정한다. 동결 후 추출된 공시체는 시험 중 구속효과를 최소화하기 위해 롤러 지지 플레이트에 거치되고 CMOD 측정을 위해 4mm의 용량과 ± 0.1%의 정확도를 가진 strain gauge를 설치한 후 0.1mm/min의 일정한 변형속도로 시험을 진행하였다. 시험은 하중이 완전히 손실되거나, CMOD 값이 strain gauge의 용량인 4mm에 도달될 경우 종료하였으며, 시험 진행 중 챔버 전면의 유리를 통해 공시체의 상태를 육안으로 관찰하였다. 시험은 세립분 함유량 0, 5, 10, 15% 온도 -10℃, 하중 재하 지점에서부터 노치의 위치 0, 25, 40, 50, 60mm의 조건에 따라 총 20개의 경우에 대해 시험을 진행하였다.
4. 실험결과 및 토의
4.1 공시체 균질성 검증
일반적으로 재성형 공시체를 사용하여 실내시험을 수행할 경우 공시체의 불균질성으로 인해 같은 조건에서 수행한 시험이라 할지라도 시험결과의 차이가 크게 나타나는 경우가 발생될 수 있다. 이는 시험결과의 신뢰성을 크게 떨어트릴 수 있기 때문에 같은 조건에서 네 번의 시험을 수행하여 그 결과를 바탕으로 공시체의 균질성 검증을 수행하였다. Fig. 6은 같은 조건에서 수행된 네 번의 시험을 통해 획득된 하중-CMOD 곡선을 나타낸 그림이며, 좌측의 전체 시험결과의 앞부분을 확대하여 우측에 함께 나타내었다. 시험결과를 통해 네 번의 시험결과가 최대점 이후 하중이 감소하면서 다소 차이가 나타나기는 하지만 전체적으로 유사한 경향으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히 최대 하중의 경우 평균값의 1% 미만의 오차를 나타내었으며, 최대점까지의 하중-CMOD 곡선의 면적으로 계산된 fracture energy도 평균값의 8% 미만의 오차를 보이며 매우 유사하게 나타났다. 따라서 본 시험결과를 통해 획득된 fracture toughness는 동결 사질토의 파괴특성을 대표할 수 있을 것으로 판단되며, fracture energy의 경우 하중-변형 곡선의 최대점 까지의 넓이를 산정하여 균열의 진행이 시작되는데 필요한 에너지 산정을 통해 mixed-mode 파괴특성을 파악하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
4.2 Mode I 파괴 시험 결과
본 연구에서는 세립분 함유량에 따른 동결 사질토의 mode I 파괴특성 파악을 위해 Single-edge notched beam 공시체를 사용하여 three-point bending test를 수행하였으며, 식 2를 통해 fracture toughness를 산정하고 그 결과를 분석하였다. Fig. 7은 -10℃ 온도에서 세립분 함유량에 따른 하중-CMOD 곡선을 나타낸 그림이다. 시험결과를 통해 세립분 함유량이 동결 사질토의 fracture 거동에 영향을 미침을 확인할 수 있다. Mode I 파괴 시험 결과, 세립분 함유량이 0%, 5%인 경우에는 취성파괴 거동이 나타남을 확인할 수 있었으며, 세립분 함유량 10%, 15%인 경우에는 연성파괴 거동을 하는 것으로 나타났다. 이를 통해 세립분 함유량이 증가할수록 공시체는 연성파괴 거동을 보이는 것으로 판단할 수 있다. Fig. 8은 연성파괴 거동을 나타낸 공시체의 파괴 시 형상을 나타낸 그림이다. 연성 파괴 거동을 나타낸 공시체는 그림과 같이 최대 하중 이후 하중이 감소함에 따라 균열이 점진적으로 진전하며 소성변형이 발생됨을 육안으로 확인할 수 있으나, 취성파괴 거동을 나타낸 공시체는 최대 하중 이후 하중이 급격히 감소하며 갑작스러운 파괴가 발생 되었다. 또한, 연성파괴 거동의 경우 균열 진전 초기에는 계획된 mode I 파괴 거동을 나타냄을 확인할 수 있으나, 균열이 진전함에 따라 흙입자와 얼음알갱이의 불균질성으로 인해 mixed-mode(mode I+mode II)가 발현됨을 확인할 수 있다(Fig. 8b). 한편, 취성파괴 거동을 나타낸 공시체의 경우 균열이 진행되기 전에 갑작스러운 파괴가 발생 되어 균열의 진행을 육안으로 확인할 수 없었다.
최대 하중의 경우 세립분 함유량 10%까지는 세립분 함유량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 세립분 함유량 15%에서는 최대 하중이 다시 감소하는 것으로 나타났다. 이는 세립분 함유량에 따른 동결 사질토 내의 부동수분의 변화로 설명될 수 있다. 일정한 온도조건의 동토에서 세립분 함유량의 증가는 표면적을 증가시키기 때문에 동토 내의 부동수분은 증가하게 되는 것으로 알려져 있으며(Anderson and Tice, 1972), Chae(2015)에서 수행한 세립분 함유량에 따른 부동수분 측정결과에서도 세립분 함유량이 증가할수록 부동수분이 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 세립분 함유량의 증가로 인한 부동수분의 증가가 흙입자와 얼음알갱이 사이의 저항력을 감소시키며, fracture 저항력을 감소시킨 것으로 판단된다.
Table 2는 mode I fracture 시험 결과 및 결과를 통해 계산된 mode I fracture toughness를 정리한 표이며, Fig. 9는 세립분 함유량에 따른 fracture toughness의 경향을 나타낸 그림이다. -10℃에서 동결 사질토의 mode I fracture toughness는 최대하중의 경향과 마찬가지로 세립분 함유량 10%까지는 세립분 함유량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 세립분 함유량 15%에서는 다시 감소하는 것으로 나타났다. 이는 앞서 설명한 세립분 함유량에 따른 부동수분의 변화가 mode I fracture toughness에 영향을 미친 것으로 판단된다.
Table 2. Summary of the mode I fracture test results
|
Temp. (℃) |
Fine contents (%) |
Maximum load (kN) |
Fracture toughness, KIc (MPa･m1/2) |
| -10 | 0 | 1.240 | 0.535 |
| 5 | 1.448 | 0.625 | |
| 10 | 1.919 | 0.828 | |
| 15 | 1.601 | 0.691 |
4.3 Mixed-mode 파괴 시험 결과
본 연구에서는 동결 사질토의 mixed-mode 파괴특성을 파악하기 위해 공시체 중심에서 노치까지의 거리를 네 단계로 조정하여 시험을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 시험결과를 통해 세립분 함유량에 따라 동결 사질토의 mixed-mode 파괴 특성이 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 세립분 함유량이 0, 5%인 공시체는 모든 시험 케이스에 대해서 취성파괴 거동을 나타내었으며, 세립분 함유량이 10, 15%인 공시체는 연성파괴 거동을 나타내었다. 즉, 세립분 함유량이 증가할수록 동결 사질토는 연성파괴 거동을 나타내는 것으로 나타났다. 이는 세립분 함유량의 증가로 인해 증가된 부동수분과 증가 된 소성(plasticity)이 동토의 파괴거동에 영향을 미친 것으로 판단된다. 세립분 함유량에 따른 최대 하중의 경우 뚜렷한 차이를 보이지 않거나, 세립분 함유량이 증가할수록 최대 하중이 감소하는 것으로 나타났다. Chae et al.(2015)에서 수행한 세립분 함유량에 따른 일축압축시험 결과에서도 세립분 함유량의 증가가 일축압축강도를 감소시키는 결과를 나타낸 것으로 볼 때, 동토에서 세립분 함유량은 인장과 압축 거동에서 유사한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 즉, 세립분 함유량 증가로 인해 증가 된 부동수분이 흙 입자들과 얼음 입자들 사이의 마찰 및 결합력을 약하게 만들어 인장 및 압축 강도가 저하 되는 것으로 판단된다.
Fig. 11은 세립분 함유량이 10%인 경우의 파괴 시 공시체 형상과 노치의 거리에 따른 하중-CMOD 곡선의 경향을 나타낸 그림이다. 시험결과를 통해 mode I 시험을 제외한 나머지 시험결과에서 최대하중은 노치의 거리가 멀어질수록 증가하게 되며, 최대하중이 발현되는 CMOD 값 또한 증가하게 되는 것으로 나타났다. 이는 노치의 거리가 공시체 중심에서 멀어질수록 발현되는 mode II 저항값이 증가하게 되며, 전체 파괴저항력 또한 증가하게 되는 것으로 판단된다. 이는 Fig. 11a의 파괴 시 공시체 형상을 통해서도 확인할 수 있다. 노치의 거리가 공시체 중심에서 멀어질 경우 mode II 하중의 발현이 증가하여 균열의 진행 각도 또한 더 커지는 것을 확인하였다.
지반재료와 같은 입자로 구성된 재료의 경우 순수인장에 대한 저항보다는 전단에 대한 저항이 더 크게 발현될 수 있기 때문에 순수 mode I 상태에서의 저항력보다는 mode II가 함께 발현되는 mixed-mode에서의 저항값이 더 크게 나타날 것으로 판단된다. 시험결과에서는 Mode I 시험의 최대하중이 노치 거리 25mm보다 크게, 40mm와 유사하게 나타났으나, 최대하중이 발현되는 CMOD 값이 더 작게 나타나 에너지적인 관점에서 볼 때 균열이 진행하기 시작하는데 필요한 에너지는 더 작거나 유사한 나타날 것으로 판단되며, 이를 fracture energy 계산을 통해 확인해 보았다.
Table 3은 시험결과를 바탕으로 식 (3)을 통해 계산된 fracture energy 값을 정리한 표이며, 이를 세립분 함유량과 노치 거리에 따라서 Fig. 12와 13에 각각 나타내었다. 계산 결과, fracture energy는 세립분 함유량 10% 까지는 세립분 함유량이 증가할수록 fracture energy가 증가하는 것으로 나타났으나, 세립분 함유량 15%에서는 fracture energy가 다시 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 12). 이는 세립분 함유량의 증가로 인한 부동수분의 증가가 원인인 것으로 판단된다. 세립분 함유량 10%까지는 부동수분의 증가로 인한 파괴저항력의 감소에 비해 세립분의 증가로 인한 접촉면 증가 및 마찰력 증가가 동토의 파괴저항력 증가에 주된 영향을 미치나, 세립분 함유량 10% 이후에는 접촉면 증가 및 마찰력 증가에 대한 영향이 미미해지며, 세립분 함유량 증가에 따른 부동수분의 증가가 동토의 파괴저항력에 주된 영향을 미치는 것으로 판단된다. 노치 거리에 따른 fracture energy 경향에 대해서 살펴보면, 노치 거리 25mm까지는 fracture energy에 큰 변화가 발생되지 않으나, 40mm부터는 노치 거리가 증가할수록 fracture energy가 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 13). 또한, 에너지 증가량은 세립분 함유량이 높을수록 증가하게 되며, 세립분 함유량 10%에서 최대로 나타났다. 세립분 함유량 10%까지는 세립분이 증가함에 따라 흙입자와 얼음알갱이들 사이의 접촉 면적의 증가와 함께 마찰저항이 증가하게 되어 발현되는 mode II 파괴 저항 또한 함께 증가하는 것으로 판단되며, 이러한 효과는 세립분 함유량 10%에서 최대로 발현되는 것으로 판단된다. 순수 사질토 시료의 경우 mode II 하중 발현으로 인한 에너지 증가가 미미하여 전단으로 인해 증가하는 파괴저항력이 크지 않은 것으로 판단된다.
Table 3. Summary of the calculated fracture energy at –10℃ (J/m2)
5. 결 론
본 연구에서는 세립분 함유량이 동결 사질토의 파괴 특성에 미치는 영향에 대해 파악하기 위해 주문진표준사와 카올리나이트를 사용하여 세립분 함유량이 0, 5, 10, 15%인 공시체로 -10℃에서 three-point bending 시험을 수행하였다. 또한, mode I 파괴특성뿐만 아니라 mode I과 mode II가 함께 나타나는 mixed-mode 파괴특성을 파악하기 위해 공시체의 초기 노치의 위치를 네 단계로 조정하여 공시체를 제작한 후 시험을 수행하였으며, 시험결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
동결 사질토의 mode I 파괴 시험 결과, 세립분 함유량이 증가할수록 동결 사질토는 연성거동을 나타내며, 파괴인성(fracture toughness)은 세립분 함유량 10%까지 증가하다가 세립분 함유량 15%에서 다시 감소하는 것으로 나타났다. 이는 세립분 함유량의 변화로 인한 동토 내 부동수분의 변화가 주요 원인인 것으로 판단된다.
동결 사질토의 mixed-mode 파괴 시험 결과, 세립분 함유량이 증가할수록 동결 사질토는 연성거동을 나타내며, mode I에서의 결과와 마찬가지로 fracture energy는 세립분 함유량 10%까지는 증가하는 경향을 나타내었으나, 세립분 함유량 15%에서는 다시 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 공시체 중심으로부터 노치의 거리가 멀어질수록 mode II 하중의 발현이 증가하여 더 높은 fracture energy를 나타내었으며, fracture energy 증가량은 세립분 함유량이 증가할수록 커지는 것으로 나타났다.
시험결과를 통해 동결 사질토에서 세립분 함유량은 파괴특성에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 온도조건을 -10℃에 한정하여 시험을 수행하였기 때문에 추후 다양한 온도 범위에서 추가 시험이 수행되고, 이와 함께 SEM 촬영 및 분석과 같은 다른 실험 기법을 적용한 연구가 수행된다면, 동결 사질토의 파괴특성을 좀 더 명확하게 파악할 수 있을 것으로 기대 된다.
