1. 서 론
2. 국제 표준실험법 고찰
2.1 미국(ASTM D5918)
2.2 일본(JGS 0172)
2.3 국제 표준실험법 분석
3. 한국형 동상민감성 판정 실내실험법
4. 동상 민감성 판정 기법
5. 결 론
1. 서 론
우리나라를 비롯하여 대기온도가 0℃ 이하의 추운 겨울을 포함한 국가에서는 구조물이 동상으로 피해가 발생하지 않도록 노력하고 있다. 동상(frost heave)은 지반의 온도가 영하로 내려가면, 0℃ 인근의 비동결 지반층(frozen fringe)에 모세관 현상으로 유입되는 간극수가 얼음으로 상변화(phase change)하며 성장(ice segregation)하는 부피 팽창을 의미한다. 일반적으로 간극수가 얼음으로 상변화하며 발생하는 9%의 부피 팽창은 전체 동상량 대비 미미하며 얼음성장에 의한 부피팽창이 큰 비율을 차지한다(Jin et al., 2019a; Zhou et al., 2022). 동상은 1) 0℃ 이하로 온도 유지, 2) 동상에 민감한 토양, 3) 지하수와 같은 풍부한 수원이 모두 필요하다. 따라서 동상 발생의 유무는 0℃ 이하의 외기온도가 지속되는 시간, 0℃ 이하의 지층 두께(동결심도), 지하수위 등 동상에 필요한 수원 관측을 통해 획득한 정보를 기반으로 평가가 가능하다. 다만, 지반이 동상에 민감한 토양인지에 대한 검토는 보다 정밀한 분석이 필요하다.
토양의 동상 민감성(frost susceptibility)을 간단하게 분류하는 방법으로는 Casagrande(1931)가 제시한 동상 민감성 판정법이 가장 널리 통용되고 있다(Chamberlain, 1981). Casagrande 판정법은 입도분포 곡선에서 균등계수(Cu=d50/d10)와 0.02mm 통과량 백분율을 계산하기 위해 비중계시험을 수행해야 한다. 판정법에 따르면, 물 공급이 충분한 동결 조건에서 비균등한 토질(Cu>5, 0.02mm보다 작은 입자를 3% 이상 함유) 및 매우 균등한 토질(Cu<5, 0.02mm보다 작은 입자를 10% 이상 함유)을 동상에 민감하다고 평가하고 있다. 이밖에도 흙의 물리적 특성을 이용한 분류 방법도 있으나, 이러한 간편 분류방법은 경험에 의존하고 있어 보다 정확한 동상 민감성을 판정하기에는 한계가 있다(Konrad, 1999).
Chamberlain(1981)에 따르면, 토양의 동상 민감성을 판정하기 위한 실험법은 100여개의 국가에서 다양하게 제시되고 있다. 그 중 미국과 일본은 오랜 기간 경험과 실험 결과를 토대로 표준화된 실험법과 동상 민감성 판정 기준을 명확히 제시하고 있다. 다만, 미국 ASTM(American Society for Testing and Materials)과 일본 JGS(Japanese Geotechnical Society)은 표준화된 실헙법은 제시하고 있으나(ASTM D5918, 2013; JGS 0172, 2009), 실험 방법이 복잡하고 공학적인 설명이 부족하며, 결과 분석에 대한 논리가 모호한 부분이 여전히 존재하고 있다.
본 논문에서는 이러한 미국과 일본의 동상 실험법을 동상 실험에 미치는 다양한 요소(온도조건, 시료크기, 동결방향, 배수조건 등)를 고려하여 비교 분석하고, 지금까지 연구결과(Jin et al., 2019a, 2019b, and 2019c; Jin et al., 2021a and 2021b; Jin et al., 2022a and 2022b)를 종합하여 향후 국제적인 연구동향에 부합하는 국내 동상민감성 판정 실험법과 기준의 방향을 제시하고자 한다.
2. 국제 표준실험법 고찰
2.1 미국(ASTM D5918)
ASTM 실험법은 2±1.0℃로 유지되는 소형 냉동챔버(freezer chest, 0.35m3)에 4개의 시료(내경 D=146mm, 높이 H=150mm)를 입상 단열재(granular insulation)로 단열하여 동상 실험을 진행한다(Fig. 1). 각각의 시료는 멤브레인으로 둘러싸이며, 이를 두께 3.18mm의 아크릴 링 세트(6개로 구성)가 감싸고 있다. 시료 하부는 다공판으로 구성하여 하부 바닥판을 통해 물이 원활하게 공급되도록 하고 있다. 상부와 하부에서 온도조절이 가능하도록 온도조절용 판이 설치되어 있으며 별도의 상하부 온도조절 장치가 냉동챔버 외부로 연결되어 있다. 6개의 아크릴 링은 시료 내부의 온도를 측정하기 위해 온도센서 설치가 가능하도록 관통되어 있으며, 시료 준비가 완료되면 최종적으로 온도센서를 설치하고 냉동챔버에 거치한다. 온도 센서는 동상 발생에 방해가 되지 않고 시료에 삽입할 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다. 상부하중은 5.5kg을 재하하여 동상 실험 준비를 완료한다.
동상 실험은 처음 24시간 동안 상부와 하부의 온도는 3℃로 유지하여 시료 내부의 온도분포를 일정하게 조정하고 다음 8시간 동안 상부의 온도를 -3℃로 설정하여 첫 번째 동결을 시작한다. 따라서 동상 실험은 일방향 동결 및 하부 배수 조건을 적용하여 지속적인 물 공급을 통해 진행한다. 그런 다음 16시간 동안 상부 온도 -12℃, 하부 온도 0℃로 설정하여 시료를 완전 동결하고, 다시 16시간 동안 상부 온도 12℃, 하부 온도 3℃로 융해를 실시한다. 그 후, 동일한 방법으로 2차 동상 실험을 실시한다. 동상 실험이 완료되면 시간에 따른 동상량(frost heave amount) 측정값을 사용하여 동상률(frost heave rate)을 계산하고 동상민감성을 판정하게 된다.
2.2 일본(JGS 0172)
JGS 실험법의 시료(D=100mm, H=50mm)는 10mm 이상 두께의 내부가 매끈한 아크릴 몰드에 준비한다. 아크릴 몰드는 상부 온도제어용 판을 수용 가능하도록 충분한 높이로 제작한다. 상하부에서 배수가 가능하도록 다공성 판을 설치한다. 상부 온도제어용 판에 고무 O-ring을 설치하여 수분의 이동은 상부의 배수 시스템을 통해서만 가능하도록 제작한다. 온도센서(±0.1℃)는 상부와 하부에 각각 설치하고 온도변화를 관측한다. 상재압력은 10kPa을 재하하고 상하부 배수 조건에서 시료에 유출입 되는 유량을 측정하고 포화도 80% 이상을 확인한다. 준비가 완료된 시료는 상하부 온도조절 장치를 이용하여 0~1℃ 범위에서 안정화 시킨다. 하부 빙결(ice nucleus)을 확인 후 본격적인 동상 실험을 진행한다.
동상 실험은 하부 온도를 약 0.1℃/h로 지속적으로 낮추며 최종적으로 시료 전체가 동결이 완료될 때까지 실험을 수행한다. 실험이 완료된 후, 시료 내부의 동결 속도(freezing rate)가 1.0~2.0mm/h 이내로 동결되는지 확인한다. 만약 동결 속도가 범위를 벗어날 경우, 하부의 온도 강하 속도를 조정하여 다시 실험을 수행한다. 실험이 완료되면 ASTM과 동일하게 동상률을 계산하고, 추가적으로 동상비(frost heave ratio)도 계산한다.
2.3 국제 표준실험법 분석
동상 실험은 시료 크기, 상하부 온조조건, 외기온도, 상재하중의 영향이 지배적이다. 시료 크기는 몰드와 시료 경계부에 작용하는 마찰과 상하부 온도조건에 따른 온도구배에 영향을 미친다. 시료의 직경 대 높이 비(=D/H)가 클수록 몰드와 시료의 경계부에 발생하는 주변 마찰로 인한 변위 오차를 최소화 할 수 있다. ASTM은 직경 대 높이 비가 약 1:1로 경계부 마찰로 인한 저항으로 동상 변위에 오차가 발생할 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하고자 6개의 분할된 아크릴 링을 시료 몰드로 사용하여 동상에 따른 변위 오차를 최소화 한 것으로 판단된다. 즉, 시료와 아크릴 링이 동결로 인해 결합되어 동상 발생 시 각각의 링은 분리되어 동상 변위가 발생하게 된다. 두께 3.18mm의 비교적 얇은 아크릴 링의 무게는 동상 변위 발생에 큰 무리가 없는 것으로 간주하고 있다. JGS는 시료의 직경 대 높이 비를 2:1로 규정하고 아크릴 몰드 내부의 마찰을 최소화 하고자 매끈한 상태 유지를 각별히 주의하도록 제시하고 있다. 동결방식은 하부에서 상부로 동결하며 상부에서 물이 유입되는 배수조건으로 실험을 수행한다. ASTM에서 제시하고 있는 상부 동결 방식과는 달리 하부 동결 방식은 동상이 발생하더라도 상부가 비동결되어 시료와 몰드의 마찰로 인한 변위 발생에 문제가 미미하다(Jin et al., 2019a). 다만, 상부 온도 제어판에 설치한 O-ring으로 인한 마찰로 동상 변위에 오차가 발생하기에 주의가 필요하다(Jin et al., 2019b). ASTM에서 제시하고 있는 온도구배는 상하부 온도차가 약 6℃, 시료 초기 높이가 150mm로 0.04℃/mm이며, 이러한 조건에서 발생하는 동상률로 동상 민감성을 판정하고 있다. 기존 연구(Jin et al., 2019c)에서 동상량, 동상비, 동상률은 온도구배에 영향을 받는 것으로 확인되었다. 예를 들어, Fig. 3은 통일분류법에 따른 SC로 분류되는 Halden soil의 시료크기와 온도구배에 따른 결과를 보여주고 있다. Fig. 3(a)의 H-1과 H-2는 동일 시료 크기에서 온도구배로 각각 0.118와 0.240℃/mm로 실험한 결과로 온도구배가 클수록 동상량, 동상비, 동상률이 증가하고 있다. Fig. 3(b)는 서로 다른 시료 크기임에도 불구하고 온도구배가 유사한 0.117~0.138℃/mm 범위에서는 동상량은 유사하다. 그러나 동상비와 동상률은 시간에 따라 서로 상이하다. JGS는 시료 내부의 동결속도를 유사하게 조정하여 최종적으로 계산되는 동살률로 동상 민감성을 판정하고 있다. 즉, 시료에 따른 열전도에 차이가 있어 반드시 시료 동결 속도를 유사하게 만든 상태에서 도출된 동상률을 기반으로 동상 민감성을 판정하고 있다.
일반적으로 자연상태에서는 상부에서 하부로 동결되며 동상이 발생하게 되므로 ASTM 방식이 적절하다고 판단된다. 그러나 현장 조건과 실내실험에는 명확한 차이가 있다. 일정 온도 경계조건으로 수행하는 실내실험(step-freezing method)은 온도구배와 조건이 현장과 달리 비교적 급속하게 동결이 진행되는 한계로 인해 동결 방향은 동상에 상당한 영향을 미친다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 상부에서 하부로 동결 시 상부의 온도(Tt)가 급격하게 낮아질 경우에는 0℃ 동결면(frost front)이 초기에는 하향 이동하다가 내부 온도 평형조건에 수렴하여 동상이 발생하면서 오히려 동결면이 상향 이동하게 된다. 동결면의 상향 이동으로 인해 하부에서부터 유입되어오고 있던 물은 더 이상 시료내부로 유입이 불가하게 되므로 동상이 억제된다. 이와는 반대로 하부온도(Tb)를 0℃이하의 일정한 온도로 유지하며 동결하는 방식은 동결면이 항상 상향 이동하게 된다. 시료 내부의 온도 평형상태에 수렴하며 동상이 발생하고 동결면이 상승하더라도 상부에서 지속적인 물 공급으로 동상에는 영향이 없다. JGS는 이러한 하부 동결방식을 채택하고 있으며, 자연상태와 유사하게 하부를 서서히 냉각하도록 냉각 속도와 시료 동결 속도를 검토하도록 제시하고 있다.
외기 온도 조건은 ASTM과 JGS가 서로 상이하다. ASTM은 2±1.0°C로 유지되는 소형 냉동챔버에서 실험을 수행한다. 또한, 시료는 챔버온도와 서로 인접한 시료의 온도에 영향을 받지 않도록 입상 단열재(granular insulation)로 둘러싸고 있다. JGS는 별도의 외기온도를 명시하지 않고 있으며, 몰드 주변으로 충분히 단열하여 외기온도의 영향이 최소화 되도록 제시하고 있다. ASTM은 동결 실험 중에 시료 내부와 외기온도의 차이가 상대적으로 적어 외기 온도의 영향이 미미할 것으로 판단되며, 시료 내부 온도를 지속적으로 측정하고 있어 주변 외기온도 영향 관측이 가능하다. JGS는 상하부에만 온도센서를 설치하고 있어 시료 내부 온도 측정이 불가하다. 시료 동결 속도인 1.0~2.0mm/h를 검토하는 방법에 대해서도 명확히 제시되지 않고 있다. 또한, 상온의 실내에서 실험을 수행할 경우에는 시료 내부와 외기의 급격한 온도차로 인해 충분한 단열도 시료 내부의 온도를 유지하기에 어려움이 있을 것으로 예상된다.
상재 하중은 동상 억제에 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다(Konrad, 1994). 동상 민감성 판정은 동상량을 정량적으로 예측하기 보다는 토양의 동상에 민감한 정도를 평가하는데 목적이 있다. 따라서 기준이 되는 일정 상재 하중으로 동상 실험을 수행하고 동상 민감성을 판정한다. ASTM과 JGS는 모두 상대적으로 미미한 3.2kPa과 10kPa을 각각 제안하고 있다.
3. 한국형 동상민감성 판정 실내실험법
ASTM과 JGS 실험법은 오랜 기간의 경험과 실험 결과를 토대로 동상 민감성을 판정하는 방법을 표준화하여 정리하고 있으나, 동상에 영향을 미치는 온도구배, 동결방향, 배수조건, 상재하중에 대해서는 서로 상이하다. ASTM은 초기 온도조건을 그대로 유지하는 일정 온도 경계조건 실험법(step-freezing method)을 제시하고 있으며, JGS는 하부 온도를 지속적으로 낮추어 동결하는 실험법(ramped-freezing method)을 채택하고 있다. 실험의 용이성 측면에서는 ASTM 방식이 오히려 간단하고 내부 온도분포를 지속적으로 모니터링 가능한 장점을 보유하고 있다. 외기온도의 영향을 최소화 하고자 별도의 소형 냉동챔버를 운영하고 있으나, 실험 준비과정이 복잡하고 소형 냉동챔버로 인한 초기 고비용의 투자가 요구되어 어려움이 예상된다. 동결방향은 동결면의 움직임과 시료-몰드의 경계면 마찰을 고려하여 JGS에서 제시하는 상향 동결 방식이 실내실험에서는 적절하다고 판단된다. JGS는 상향 동결 중 유입되는 물의 양을 정량적으로 관측하고자 상부판에 O-ring을 설치하여 몰드 외부에서의 물의 유출입을 제어한다. 그러나 O-ring의 마찰로 인해 동상이 억제되는 문제가 예상된다(Fig. 5). Jin et al.(2019a)의 연구결과에 따르면, 시간에 따른 동상량 곡선을 통해 동상 발생에 필요한 물의 양을 간접적으로 추정이 가능하다. 따라서 유입되는 물의 양을 관측하기 보다는 동상 곡선을 이용하여 추정하는 방식이 실험적 오차를 줄이고 동상 거동을 분석하기에 적절하다(Konrad, 1987; Jin et al., 2019a). 상재하중은 가급적 동상에 영향이 없도록 10kPa 이하에서 동상 실험을 수행한다.
Fig. 5
Conceptual frost heave testing methods considering the adfreezing bond and side friction (Jin et al., 2019a)
ASTM과 JGS의 비교분석 결과를 토대로 국내 실정에 적합한 동상 실험이 가능한 장비를 소개한다. 동결셀은 투명 아크릴 재질의 이중관으로 구성되어 있으며, 관과 관 사이에 냉각액을 순환시켜 냉동챔버 내에서 실험하는 효과를 간편하게 구현하고 있다. 상부, 하부, 주변부 온도를 독립적으로 조절할 수 있도록 각각 냉각펌프를 연결하여 사용하고 있다. 시료 동결 시 실시간으로 동상량을 측정하기 위해 상부 페데스탈 위에 변위계(Linear Voltage Displacement Transducer, ±0.0001mm)를 설치하였고, 몰드 내벽에는 5mm 간격으로 총 32개의 온도센서(±0.5℃)를 포함하고 있는 온도센서 모듈을 설치하였다. 시료 크기는 직경(D=100mm) 대 높이 비가 약 2:1을 유지하도록 높이는 약 50mm가 되도록 한다. 시료 상부는 상시 물 공급이 원활하도록 증류수로 채워 시료가 항시 잠겨 있도록 조치하여 동상 과정에서 충분한 물 공급이 가능하도록 한다. 초기 온도구배는 0.04℃/mm 이하로 설정하여 하부에서 상부로 동결하는 일방향 동결 방식을 이용한다(Fig. 6).
4. 동상 민감성 판정 기법
기존 연구에 따르면 동상 민감 정도를 정량적으로 판단하고자 국가별로 동상량, 동상률, 동상비를 이용하여 기준을 제시하고 있다(Chamberlain, 1981). 이러한 기준은 장기간의 축적된 실험결과와 현장 검증을 통해 신뢰성을 확보해야 한다. 미국과 일본은 다양한 연구를 수행하며 축적된 지식과 경험을 기반으로 동상 표준실험법 및 판정 기준을 정립하였다. Table 1에 정리된 바와 같이 ASTM과 JGS는 동상률을 이용하여 동상 민감성을 판정하고 있다. 상호 실험법에는 크게 차이가 있음에도 불구하고 동상민감성 판정 기준이 아주 유사하다. ASTM이 상대적으로 세분화하여 동상민감성을 판정하고 있으나, 현장에서는 JGS 판정 기준을 적용하여도 크게 무리가 없을 것으로 판단된다.
Table 1.
ASTM and JGS frost susceptibility criteria
| ASTM D5918 (2013) | JGS 0172 (2003) | ||
| Classification | Heave rate (mm/day) | Classification | Heave rate (mm/day) |
| Negligible | < 1 | - | |
| Very low | 1-2 | ||
| Low | 2-4 | Low | < 2.4 |
| Medium | 4-8 | Medium | 2.4-7.2 |
| High | 8-16 | High | > 7.2 |
| Very high | > 16 | - | |
ASTM과 JGS의 동상민감성 판정 기준이 서로 유사한 이유는 시료를 동결하는 속도에 있다. ASTM은 동상 실험에서 초기 동상 구간을 제외하고 8시간에서의 속도로 동상률을 계산하도록 제안하고 있다(Fig. 7a). 동상 곡선의 초기 구간은 높은 온도구배로 인해 동결면(frost front) 이동이 상대적으로 빠르게 이동하여 실제 현장에서 발생하는 동상과는 차이가 있다. 시료 내부의 온도가 평형상태에 수렴하면서 온도구배가 상대적으로 작아지고 비동결 구간에서 수분이 유입되며 얼음층이 생성되는 동상만으로 동상민감성을 판정하려는 의도로 해석된다(Fig. 7b). JGS는 하부 온도가 시간에 따라 서서히 일정하게 감소하게 되고, 동결면이 시료 내부에서 이동하며 선형으로 동상이 발생하게 된다(Fig. 7c). 즉, ASTM과 JGS는 시료 내부의 0℃ 인근에서 지속적인 간극수의 유입으로 발생하는 얼음층의 생성 속도를 동상률로 간주하고 있다.
동상과 관련하여 최근 연구동향은 Segregation Potential(SP)을 활용하는 방안이 주로 제안되었다. SP는 동상 민감성 판정 기준으로 활용이 가능하고 동상을 정량적으로 예측하는 모델에 활용이 가능한 장점을 보유하고 있어 향후 국제적으로 활용성이 높을 것으로 예상된다. SP는 물 주입속도와 온도구배와의 관계로 다음과 같이 표현된다(Konrad and Morgenstern, 1981).
여기서, v(t)는 시간에 따른 물 주입속도, gradT(t)는 시간에 따른 동결면의 온도구배로 정의된다. SP는 시간함수로 시간에 따라 다양하게 계산되지만, 대표적으로 시료 내부의 온도가 평형상태에 수렴했을 때 계산되는 SP를 대표값으로 제시한다. Jin et al.(2021a)에 따르면 시료 온도 평형상태의 SP는 시료 고유의 물성치로 제시가 가능하다. 즉, 동일 시료의 온도구배가 변화더라도 동상률의 변화도 유사하게 발생하게 되어 결국 SP는 일정한 상수로 변화가 없다. SP를 간단히 산출하는 방식은 1) 시료가 온도 평형상태에 수렴하면, 시료 높이와 시료 상하부의 온도차를 이용하여 gradT를 계산, 2) 온도 평형상태에 수렴하는 시간 구간에 동상률을 계산하여 SP를 구한다. 다만, 시료의 온도 평형상태에 도달한 시간을 관측하기 위해서는 시료 내부의 온도분포를 지속적으로 측정해야 하는 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 동상 곡선을 이용하여 경험적 추정 방식을 Fig. 8에서 제시하고 있다. 반대수 그래프(semi-log graph)의 동상곡선(Fig. 8b)을 이용하여 선형 구간을 확인하고, 선형구간의 시작지점을 온도 평형상태에 수렴하는 시간으로 간주한다. 이렇게 결정한 온도평형 수렴 시간에 동상률과 온도구배를 이용하여 SP 산출이 가능하다.
5. 결 론
동상 실험법은 동토를 포함한 다양한 국가에서 연구되고 있으나, 미국과 일본만이 지속적인 연구와 검증을 통해 표준화된 실험법과 판정 기준을 제시하고 있다. 본 연구에서는 ASTM과 JGS에서 제시하고 있는 동상실험법을 면밀히 분석하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 동상민감성을 판정하기 위해서는 시료 내부의 온도가 평형 상태로 도달하는 시점에서 발생하는 동상지수(동상률 또는 SP)가 매우 중요하다. 상부에서 하부로 동결 시, 시료 내부의 온도가 평형상태에 수렴하며 동상이 발생하면 오히려 동결면이 상향 이동하게 된다. 동결면의 상향 이동은 하부에서 유입되는 물을 이미 동결이 완료된 동결층으로 인해 시료 내부 유입이 불가하게 되고 결국 동상을 억제하게 된다. 이와는 반대로 하부 동결 방식은 상부 동결 방식과 유사하게 동상면이 상향 이동하더라도 상부에서 지속적인 물 공급이 가능하여 동상에는 영향이 없다. 또한, 시료와 몰드의 동결마찰로 인한 동상 억제 문제도 해결이 가능하다.
(2) 시료 크기는 직경 대 높이 비가 2:1 이상으로 시료-몰드 경계부의 마찰에 따른 동상 영향을 최소화 하고, 높이는 최소 50mm 이상이 되도록 한다. 마찰이 최소화 되는 내부가 매끈한 아크릴 몰드를 이용하고 초기 온도구배가 0.04℃/mm 이하로 설정하여 하부에서 상부로 동결하는 일방향 동결 방식을 이용한다. 시료 상부는 증류수에 잠겨 있도록 조치하여 동상 과정에서 충분한 물 공급이 가능하도록 한다. 시료 내부의 온도 측정이 가능하도록 온도센서를 매립하여 실험을 수행한다. 시료 주변의 온도는 가급적 동상 실험에 영향이 최소화 되도록 온도 조절이 가능하도록 조치한다.
(3) 시료 내부의 온도가 평형상태에 수렴하는 시간에 계산되는 대표 SP는 시료 고유의 물성치로 제시가 가능하다. SP를 평가하기 위해서는 시료 내부의 온도가 평형상태에 수렴하는 시점을 반드시 확인해야 한다. 이러한 시점은 반대수 그래프의 동상 곡선을 이용하여 간단하게 결정이 가능하다. 시료 내부의 온도 평형시점에서 시료 높이와 시료 상하부의 온도차를 이용하여 gradT를 계산하고, 시점 구간에서 동상 속도를 계산하여 SP를 구한다. 다만, SP를 활용한 동상민감성 판정을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
