Journal of the Korean Geotechnical Society. 28 February 2016. 53-62
https://doi.org/10.7843/kgs.2016.32.2.5+3

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 모래의 다짐 특성

  • 3. 다짐 시험 조건

  •   3.1 시험 시료

  •   3.2 다짐 방법의 결정

  •   3.3 온도별 시료의 준비

  •   3.4 함수비 측정 및 다짐 과정

  • 4. 시험 결과

  •   4.1 온도별 다짐 시험 결과

  •   4.2 온도별 부피 팽창율

  • 5. 결 론

1. 서 론

다짐이란, 토립자를 재배열시킬수 있는 일정에너지를 흙에 가해 흙속의 간극을 줄여주는 과정을 말한다. 주어진 흙에서 다짐에 영향을 미치는 인자로는 다짐에너지, 다짐 함수비 그리고 흙의 다짐온도가 있다. 이들 인자 중 흙 속의 물의 양을 나타내는 다짐 함수비는 흙이 다짐에너지를 받았을 때 입자간의 이동에 영향을 주는 역할을 하는데, 흙의 온도변화에 따라 흙 속에 존재하는 물의 점성이 바뀌므로 흙의 다짐특성변화가 예상된다.

국내의 경우 건축공사표준시방서(MOLIT, 2013)에 따라 동절기공사 시행지침을 매년 12월부터 익년도 2월말까지 토목공사에 대한 일반지침을 제시하고 있으나 정량적인 기준보다는 현장 실정에 맞는 시공계획서를 수립하고 보온 및 콘크리트 양생관리 철저, 한중콘크리트 시공 시 소요의 품질이 얻어지도록 적절한 조치를 강구 하는 등의 정성적인 기준제안에 머무르고 있다. 해외의 경우에도 최근 알래스카, 시베리아, 사할린, 북아메리카 지역을 중심으로한 프로젝트에서는 동절기 다짐에 대한 기준을 제한된 참고문헌과 각 프로젝트별로 참여한 토질기술자들의 경험에 의해 동절기 공사지침을 정하고 있어 정량적인 기준은 부족한 실정이다. 동절기 다짐 기준에는 대기온도, 또한 이에 따른 흙의 온도별 정량적인 기준마련이 시급하나 이에 대한 연구문헌자료는 제한적이다.

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Fig. 1. Typical compaction curve for cohesionless sands and sandy gravels (modified after Foster, 1962)

연구문헌자료를 보면, Phukan(1985)은 대기온도가 -7°C이하가 되었을 경우, 일반적으로 현장에서 다짐을 하는것이 경제적이지 않다고 서술하고 있다. Phukan(1985)은 흙의 종류, 대기온도와 그 지속시간에 따라 변화하는 흙의 온도 등을 고려한 흙의 다짐특성변화를 자세히 서술하지 않고 있다. Low와 Lyell(1967)에 따르면 댐의 심벽재료 건설 시 대기온도가 -4°C였음에도 불구하고, 댐의 심벽재료를 운반 시에 +2°C에서 +5°C로 유지하고 바로 다짐하면 현장에서 요구한 다짐을 얻을 수 있다고 서술하였다. Heiner(1972)과 Alkire 등(1975)은 사질토의 다짐에 대한 연구를 하였으나 Heiner(1972)는 동결된 흙에 작용하는 다짐에너지와 그에 따른 상대다짐도에 관한 연구이며, Alikire 등(1975)는 첨가제(염화칼슘)에 따른 흙의 동결 유무에 관한 연구에 그쳐 흙의 온도에 따른 다짐특성변화에 대한 자세한 정량화가 시급한 실정이다.

따라서 본 연구는 최근 개발자원으로 각광받는 캐나다 오일샌드나 건설공사가 확대되고 있는 러시아 등에서도 종종 발견되는 사질토를 모델로, 온도에 따른 모래의 다짐특성을 파악하고자 한다. 이를 수행하기 위하여 주문진 표준사를 이용하였으며, 외부 환경 인자인 흙의 온도를 -10°C~+17°C 범위에서 변화시키며 다짐 시험을 수행하였다. 다양한 영상 온도에 대하여 함수비를 0%부터 24%까지 증가시키며 모래 다짐을 수행하였으며 이에 따른 다짐특성변화를 분석하였다. 또한 세가지 영하 온도(0°C, -5°C, -10°C)에 대하여 동결된 흙의 함수비에 따른 다짐 특성 및 부피 변화를 분석하였다.

2. 모래의 다짐 특성

상온에서 모래를 다짐하였을 때, 일반적인 다짐곡선의 형태는 Fig. 1과 같다. 완전히 건조된 상태에서 흙에 물이 추가가 되면 물은 토립자 주변을 둘러싸기 시작하며, 공극수가 모세관 메니스커스(menisci)를 형성함으로써 모래에 이른바 겉보기 점착력(apparent cohesion)을 나타나게 된다. 이러한 겉보기 점착력은 특정한 함수비 내에서 흙 구조물이 느슨한 벌집모양의 구조물을 형성하도록 해주는데 이러한 효과를 “벌킹(팽창 작용)”이라 한다(Kim, 2014). 소량의 함수비가 추가될 경우 모래입자는 계속 벌집구조를 형성하여 부피는 점차 증가하게 되나 일정 함수비가 지나면 모래가 포화되면서 부피는 다시 감소한다(건조단위중량 증가, Fig. 1 참조). 결국 모래는 완전건조시나 포화에 가까운 상태가 되었을 때 최대건조단위중량을 보여주는 다짐특성을 가지고 있다.

결국 위의 Fig. 1에서 보는 바와 같이 모래 속의 다짐함수비가 모래의 다짐특성에 주는 영향은 매우 크다. 결국 모래 속 물의 상태에 따라 모래의 다짐특성은 변하게 된다. 흙 속의 물은 크게 0°C를 기준으로 영하냐, 영상이냐에 따라 각각 다른 특성을 지닌다. 영상 온도에서는 온도가 증가함에 따라 물은 열에너지를 통한 분자 운동 활성화로 인해 0°C~4°C 물의 부피를 기준으로 부피가 소폭 상승하며, 영하 온도에서는 물 분자의 배열이 6각형 구조를 가지게 되어 부피가 약 10%정도까지 증가한다. 이러한 영하 온도에서의 물 분자 구조변화로 인하여 지반은 동결되었을 때 흙은 4상구조가 되며 4상을 도식화 하면 Fig. 2와 같다(Ting, 1981). 다양한 모래 입자들 사이에는 공극과 얼음 알갱이, 얼지 않는 부동수분(unfrozen water)이 존재하게 된다.

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Fig. 2. Two dimensional schematic of the proposed structure of frozen sand (modified after Ting, 1981)

4상 구조를 가지는 흙의 공학적인 특성을 분석하기 위해서는 3상 구조 흙의 주요 인자로 사용되는 흙의 함수비 이외에도 흙 입자 사이 공극에 존재하는 얼음 입자들의 비인 함빙비라는 인자를 고려해야 한다(Anderson and Morgenstern, 1973). 따라서 얼음 입자들이 존재하는 동결 지반은 함빙비로 인해 일반적인 비동결 지반과는 다른 물리적 거동 특성을 가지게 된다. 이에 따라 다짐 연구 수행 시 영하 온도에서는 흙의 동결로 인한 물리적 특성 변화 때문에 영상 온도와 영하 온도를 구별하여 분석해야 한다.

국내의 경우, 영하 온도 시 다짐에 관한 연구로 Hwang 등(2015)이 -8°C와 -3°C에서 주문진 표준사에 카올리나이트를 다양한 중량비로 혼합하여 다짐시험을 실시하였으며, 실험결과 동결온도에서는 불균질한 얼음 알갱이들이 흙입자와 비슷한 역할을 한다고 결론 내렸다. 해외의 경우, 사질토를 이용한 다짐에 대한 연구는 주로 1960~1980년대 이루어졌다(Highter, 1969; Heiner, 1972; Alkire et al., 1975).

Highter(1969)에 따르면 온도는 다짐과정과 강도특성에 영향을 미치며 건조단위중량과 일축압축강도, 파괴 변형율, 최대응력을 측정에 사용되는 시컨트 계수(secant modulus) 산정을 위한 주요 인자라고 설명하였다. Hass 등(1978)은 얼음 알갱이로 인해 생성되는 성질인 함빙비의 함유량에 따라 얼음의 형태를 4단계(intergranular contact only, discontinuous pore ice, continuous pore ice, ice filling voids)로 구분하였으며, 함빙비가 10%이상 존재 할 경우 흙의 모든 공극을 채우게 된다고 하였다. Heiner (1972)는 동결토를 다짐할 때 사용된 에너지는 상대 다짐도에 큰 영향을 미치며 함수비가 높을수록 그 효과가 증가한다고 하였다. 이러한 효과는 Fig. 3과 같으며, 여러 온도에 대한 사질토의 상대 다짐도를 나타낸다. 영상 온도(20°C)와 비교하여 영하 온도에서는 상대다짐곡선은 함수비가 증가함에 따라 지속적으로 감소하였으며, 온도가 낮을수록 낮은 상대다짐을 나타내었다.

Alkire 등(1975)는 영상과 영하 온도에서 실트질 모래를 대상으로 다짐시험을 하였으며, 염화칼슘을 일정량 첨가하였다. 시험결과는 Fig. 4와 같다. -7°C에서는 덩어리채로 다짐되어 선형인 다짐곡선을 나타내었으며 염화칼슘 첨가 시(흙의 질량 대비 1%, 2%), 흙-물의 동결 온도가 낮아져 영상 온도(20°C)의 다짐곡선과 비슷한 경향을 보였다.

Johnson과 Sallberg(1946)는 사질토의 다짐 과정에서 온도가 24°C에서 5°C로 내려갈 경우 건조단위중량(γd)이 0.315~0.472kN/m3 가량 감소한다고 하였다. 온도에 따른 사질토의 다짐곡선을 Fig. 5에 나타내었다. 다짐 결과, 0°C 부근 및 그 이상 온도에서는 종 모양의 다짐곡선이 형성되었으며, 영하 온도인 -12°C와 6°C에서는 다짐곡선은 영상온도 시의 다짐곡선과 다른 형태(지속적으로 건조단위중량이 감소하는 형태)의 그래프가 나타났다. 이를 통해 영상과 영하 온도에서의 다짐 결과가 극명히 상이함을 파악 할 수 있다.

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Fig. 3. Compaction curves for a granular material placed at freezing temperatures (modified after Heiner, 1972)

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Fig. 4. Low temperature compaction of a silty sand (modified after Alkire et al., 1975)

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Fig. 5. Effect of freezing temperatures on compaction of silty fine sand (modified after Johnson and Sallberg, 1946)

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Fig. 6. Effect of moisture content on the bulking of sand (modified after Murari, 2013)

일반적으로 모래가 낮은 함수비를 가질 때, 부피 팽창율은 모래입자의 직경이 작을수록 크다. 이는 단위부피당 모래입자의 표면적이 증가함에 따라 공극수가 입자 사이로 많이 침투하기 때문이다. 일반적인 모래는 함수비가 0%부터 증가할수록 부피가 증가 하며 최대 15%~40%의 부피 팽창이 발생한다. 최대 부피 발생 후 모래가 완전히 포화될 때까지 함수비가 증가하면 부피가 감소한다. 함수비가 0%일때의 부피를 기준으로 함수비와 입도에 따른 모래의 부피 팽창 비율은 Fig. 6과 같다. 이러한 모래의 팽창작용은 모래의 지지력을 감소시킬 뿐 아니라, 다짐에 있어서 단위중량을 감소시키는 효과가 있다.

3. 다짐 시험 조건

3.1 시험 시료

본 연구에 사용된 시료는 주문진 표준사이다. 다짐 시험에서 필요한 시료의 물리적 특성을 파악하기 위하여 ASTM 규정에 따라 체분석(D6913-14), 비중 시험(D891-09)을 진행하였다. 주문진 표준사의 입도분포곡선과 입도분포곡선으로부터 도출된 입도특성은 Fig. 7과 Table 1과 같다. 세립분의 기준인 No.200체 통과량(0.075mm)은 0.065%로 극소량이었다. 따라서 Unified Soil Classification System(USCS) 분류(ASTM, 1985)에 따라 해당 시료를 빈입도의 모래(SP)로 분류되었다

3.2 다짐 방법의 결정

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Fig. 7. Particle size distribution curve of Jumunjin sand

본 시험은 ASTM D698-12(ASTM, 2012)에 따라 시험을 진행하였다. ASTM 기준에 따라 체분석을 통하여 Methods A, B, C를 결정하고, 해당하는 Method에 따른 몰드, 램머, 타격횟수, 층 수를 결정하였다. Table 2는 ASTM D698-12 기준에 따른 다짐방법 분류를 나타낸다. 본 시료는 No.4체를 모두 통과하였기 때문에 Method A를 사용하였다.

Table 1. Properties of Jumunjin sand

D10*

(mm)

D30**

(mm) 

D60***

(mm)

Coefficient of

uniformity Cu

Coefficient of

 curvature Cc

Passing

 No.200 sieve (%)

Soil classification based on USCS****

0.272

0.402

0.503

1.46

1.18

0.065

Poorly graded sand (SP)

*D10: Particle diameter in percent finer of the soil corresponding to 10%; **D30: Particle diameter in percent finer of the soil corresponding to 30%; ***D60: Particle diameter in percent finer of the soil corresponding to 60%; ****Unified Soil Classification System, ASTM D 2487-83 (ASTM, 1985)

Table 2. Determination of compaction method following ASTM standards (ASTM D698-12; ASTM, 2012)

Method

A

B

C

Mold

4-in

(101.6-mm)

4-in

(101.6-mm)

6-in

(152.4-mm)

Material passing

Passing No.4 sieve

Passing 3/8-in

Passing 3/4-in

Layers

3

3

3

Blows per layer

25

25

56

Usage

May be used if 25% or less by mass of the material in retained on the No.4 (4.75 mm) sieve

May be used if 25% or less by mass of the material in retained on the 3/8-in sieve

May be used if 25% or less by mass of the material in retained on the 3/4-in sieve

Other usage

If this gradation requirement cannot be met, then Method C may be used

If this gradation requirement cannot be met, then Method C may be used

-

3.3 온도별 시료의 준비

본 실험은 온도에 따른 흙의 다짐특성을 분석하기 위하여 외기온도와 흙의 온도, 몰드의 온도가 같게 하여 다짐을 실시하였다. 실험에 설정된 온도는 -10°C, -5°C, 0°C, 5°C, 10°C, 17°C(시험 당일의 외부 기온)이며, 온도가 정밀하게 제어되는 냉동챔버 내부에서 시험을 진행하였다. 실험에 설정된 온도로 냉동 챔버를 세팅하고 시료 및 몰드를 냉동챔버 넣어 시료와 몰드의 온도가 충분히 설정된 온도로 수렴되는 24시간 후 다짐을 수행하였다. 시험이 진행되는 챔버의 규격은 (폭)3m × (길이)3m × (높이)2.1m이며, 냉동챔버 내 온도는 외부 컨트롤박스에서 설정 가능하다. 챔버의 냉동 방식은 냉각 팬과 실외기를 사용하고 있다.

영상 온도일 경우 동일 시료에 물을 첨가하여 함수비를 증가시키면서 시험을 진행하였다. 노건조된 시료(3kg)가 냉동 챔버 안의 습기로 인한 함수비 증가를 막기 위하여, 지퍼백에 넣고, 밀봉하였다. 물은 볼에 담아 보관하였으며, 온도계를 두어 온도변화를 관찰하였다.

영상의 온도일 경우 기존 시료에 물을 추가하여 함수비를 증가시키며 시험하는 것에 비해, 영하 온도일 경우 물이 동결되어 얼음이 되기 때문에 기존 시료에 함수비를 추가하는 것이 불가능 하였다. 또한 동결되는 과정에서 물 또는 얼음이 기화되어 함수비가 변할 수 있기 때문에 Fig. 8처럼 함수비를 맞춘 시료를 9가지(함수비 = 0%, 3%, 6%. 9%, 12%, 15%, 18%, 21%, 24%)를 제작한 후, 지퍼백에 밀봉 한 후 냉동 챔버에 보관하였다. 이후 지퍼백 내부 흙의 온도가 설정해 놓은 온도와 같아지면 24시간 후에 다짐 시험을 진행하였다. 0°C 온도의 경우 물이 동결될 수도 있어 영하 온도 시험 방법을 따랐다.

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Fig. 8. Preparation of the sample at below zero temperature

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Fig. 9. Locations of water content measurements of compaction specimens

3.4 함수비 측정 및 다짐 과정

본 시험에서 함수비는 동결과정 전의 흙의 수분포함율을 의미하며, 동결 시 흙에서는 동결된 수분과 얼지 않는 부동수분층이 존재한다. 따라서 함수비는 함빙비와 부동수분을 함께 포함하는 용어이며, 편의를 위해 이 논문에서는 함빙비를 함수비로 표현하였다. 다짐 시험은 각 온도당 3번 진행되었으며, 정확한 공시체의 함수비를 측정하기 위해 상, 중, 하 부분으로 나누어 시료를 채취하였다(Fig. 9).

영하 온도에서는 지퍼백에 담긴 다양한 함수비(0%~24%)의 시료를 꺼내어 차례대로 다짐을 진행하였다. 0%, 3%, 6%, 9%, 12%의 시료는 원활한 다짐 시험이 가능하였다. 하지만 15% 이상의 함수비에서는 물과 흙이 완전히 동결되어 덩어리로 남아 있었기 때문에 고무망치를 이용하여 Method A를 적용할 수 있도록 최대 직경인 No.4체(4.75mm)를 모두 통과할 수 있도록 만들었다(Fig. 10).

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Fig. 10. Preparation of frozen soils: (a) Frozen specimen out from zipper bag and (b) Process of smooth smashing lump of frozen specimen

4. 시험 결과

4.1. 온도별 다짐 시험 결과

각 온도에 따른 다짐 시험 결과는 Fig. 11과 같다. 초기 함수비 0%일 때 건조단위중량은 영상 및 영하 온도와는 무관하게 비슷한 값을 가지고 있었으며, 이후 함수비에 대해서는 영상과 영하 온도, 즉 물의 동결 유무에 따라 다짐 곡선의 형태가 상이함을 확인할 수 있다. 영상 온도 및 물이 동결되지 않았던 0°C의 경우에는 일반적인 모래의 다짐곡선 형태를 가지고 있다.

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Fig. 11. Total compaction result with temperature

영하 온도 및 물이 동결되었던 0°C에서는 일반적인 다짐곡선 형태(영상온도의 다짐곡선)가 아닌 지속적으로 감소하는 곡선을 나타내고 있다. 0°C의 건조단위중량보다 그보다 낮은 온도(-5°C, -10°C)의 건조단위중량 값이 작았다. 함수비 약 11%를 기점으로 이전까지는 -5°C의 건조단위중량이 -10°C의 건조단위중량보다 큰 값을 나타내었고, 그 이후부터는 -10°C의 건조단위중량이 더 큰 값을 나타내고 있다.

Hass 등(1978)의 연구에 따라 10% 이상의 함수비에서는 흙의 모든 공극을 얼음이 채우게 되며, 이때를 ‘Ice filling voids’라고 하였다. ‘Ice filling voids’ 전의 함수비에서는 -10°C에서 -5°C 보다 얼음의 부피 팽창이 더 크기 때문에 건조단위중량이 작다. 그 이후의 함수비에서는 공극이 사라지며, 흙 입자와 얼음입자 사이의 간격이 밀접해진다. 이에 따라 얼지 않고 있던 부동수분층의 일부가 얼음입자로 바뀌게 된다. -10°C에서 -5°C보다 부동수분층에서 얼음입자로 바뀌는 양이 많기 때문에 수분과 얼음의 밀도차에 의하여 -10°C에서 부피가 상승하고 밀도는 낮아지게 된다. 물론 ‘Ice filling voids’ 이전의 함수비에서도 부동수분층의 일부가 얼음입자로 바뀌지만, 온도에 따른 얼음의 부피 팽창보다는 효과가 미비하다고 판단된다.

영하 온도에서는 물의 동결로 인해 벌킹 효과가 발휘한다고 보기 어렵다. 벌킹 효과는 공극수가 입자 사이에 침투하여 이로 인한 부피 팽창이고, 동결된 물의 경우 부동수분 층이 존재하기는 하지만 그 양은 미세하기 때문에 별다른 영향을 주지 못한다. 따라서 본 시험에서 영하 온도에서의 단위중량 감소는 물의 동결과정에서의 구조변화로 인한 부피 팽창의 영향으로 사료된다.

영상 온도에서의 실험 결과값을 자세히 보기 위하여 Fig. 12(Fig. 11 영상온도 다짐 결과 일부)를 다시 확대하여 그렸으며, 그 결과의 최대 겉보기 점착력이 나타나는 함수비와 최적함수비는 Table 3에 정리된 바와 같다. 초기함수비 0%일 때부터 함수비가 추가되면서 벌킹 현상으로 인해 건조단위중량이 감소하고 함수비 2%~4% 구간에서 최저점을 나타내었다. 이 후 약 14%~16% 함수비에서 벌킹 현상이 사라지고 모래가 완전 포화되어 건조단위중량이 감소하였다.

온도에 따른 벌킹 영향을 보면 온도가 낮을수록 최대 겉보기 점착력이 나타나는 점까지 건조단위중량의 변화폭이 작고, 상대적으로 많은 함수비까지 벌킹 효과가 증가함을 알 수 있다. 또한, 벌킹 효과가 사라지는 최적함수비 부근에서 온도가 낮을수록 급격히 벌킹 효과가 사라져 건조단위중량이 감소하는 경향을 보였다.

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Fig. 12. Compaction result with zero above temperature

Table 3. Water contents and dry unit weights corresponding to maximum apparent cohesions and optimum water contents under zero above temperature conditions

Temperature 

(°C)

Maximum apparent cohesion

Optimum water content

Water content (%)

γd (kN/m3)

Water content (%)

γd (kN/m3)

17

2.44

14.51

15.35

15.50

10

2.66

14.58

14.77

15.54

5

2.92

14.63

14.58

15.58

0

3.46

14.69

14.39

15.65

4.2 온도별 부피 팽창율

초기 상태(ω=0%)에 비해 함수비 증가에 따른 흙의 부피 팽창 정도를 파악하기 위해 초기상태를 기준으로 각 함수비의 부피에 대한 비를 구하였다. 부피를 구하기 위해 각 함수비의 건조단위 중량을 역으로 두고 1kN당 부피를 계산하였으며, 함수비가 0%일 때의 부피와 비교하여 식 (1)을 이용하여 부피 팽창율을 구하였다.

여기서, γd,x%는 함수비가 x%일 때의 건조단위중량이며, γd,0%는 함수비가 0%일 때의 건조단위중량이다.

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(1)

영상 온도에 따른 부피 팽창율은 Fig. 13과 같으며 각 온도에서 최대 부피 팽창율과 그에 해당하는 함수비는 Table 4와 같다. 온도가 높을수록 최대 부피 팽창율이 크며, 최대 부피 팽창율에 해당하는 함수비가 가장 적다. 또한, 지속적으로 부피 팽창에 해당하는 구간인 함수비가 가장 길다는 것을 알 수 있다. 즉, 온도가 높을수록 부피 팽창율은 상대적으로 높은 값을 가지게 되며 함수비를 많이 포함하고 있어도 초기부피에 비해 부피가 증가한다. 반대로 온도가 낮으면 부피 팽창율은 감소하고 낮은 함수비에서 벌킹 효과가 사라진다.

영하 온도에서는 0°C(얼음 상태) 시료의 부피 팽창율이 가장 낮게 나타났으며, -5°C와 -10°C에서는 약 11% 함수비까지 -10°C의 부피 팽창율이 더 크지만 그 이상의 함수비에서는 -5°C의 부피 팽창율이 더 크게 나타났다(Fig. 14). 해당 그래프는 ‘Ice filling voids’ 상태 전후의 거동때문으로 판단된다.

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Fig. 13. Percent increase in volume with zero above temperature

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Fig. 14. Percent increase in volume by percentile under zero below temperature conditions

Table 4. Maximum volume increases by percentile and the corresponding water contents under zero above tem-perature conditions

Temperature (°C)

Maximum volume increase by percentile (%)

Corresponding water content (%)

17

6.73

2.44

10

5.90

2.66

5

5.61

2.92

0

3.45

3.46

5. 결 론

본 연구는 다짐 특성에 외적으로 영향을 미치는 주요 인자인 온도가 사질토(주문진 표준사)의 다짐 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 온도 조건에서 다짐 시험을 수행하였다. 설정된 다짐 온도의 범위는 -10°C~17°C이며, 영상 온도와 영하 온도에서 거동이 다르기 때문에 각 온도범위를 구분하여 다짐 결과를 분석하였다. 해당 시험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

(1)영상 온도에서의 주문진 표준사의 다짐곡선은 기존 모래의 다짐곡선과 비슷한 경향을 보였다. 영하 온도에서는 함수비가 증가함에 따라 건조단위중량이 지속적으로 감소하고 정점을 가지지 않는 편곡선 형태를 가졌다. 물이 액체 또는 얼음으로 존재하는 0°C에서는 액체의 경우 영상 온도의 다짐곡선, 얼음의 경우 영하 온도의 다짐곡선과 비슷한 경향을 나타내었다. 물이 동결됨에 따라 구조가 변화하고, 그에 따라 다짐 경향도 변화함을 알 수 있다.

(2)영상 온도에서는 벌킹 현상으로 낮은 함수비에서 최대부피가 나타났으며 온도가 높을수록 부피 팽창율은 더 큰 값을 나타내었다. 또한 함수비가 증가함에 따라 부피 팽창율은 작아졌으며, 온도가 낮을수록 낮은 함수비에서 벌킹이 종료되었다. 최대 온도(17°C)에서 15.35%의 함수비까지 벌킹은 지속됨을 확인 할 수 있다. 하지만, 영하 온도에서는 벌킹 효과를 확인 할 수 없었다. 따라서 벌킹은 온도의 영향을 받는다. 얼음과 같은 고체에서는 벌킹 효과가 나타나지 않고, 영상 온도에서 온도가 높을수록 활성화되며, 오직 물과 같은 액체가 있는 조건에서 발생함을 알 수 있다.

(3)영상 온도의 부피 팽창율은 0%~6%인 것에 비해 영하 온도는 그 값이 지속적으로 상승하였으며, 24%함수비에서 최대 28%의 부피 팽창이 발생하였다.

(4)함수비 0%의 부피를 기준으로 부피 팽창율은 영상 온도에서 온도가 높을수록 큰 값을 나타내었다. 이는 온도가 높아짐에 따라 분자운동의 활성화와 온도에 따른 물의 점성 변화로 인한 부피 팽창으로 판단된다. 영하 온도에서는 0°C 얼음 상태의 부피 팽창율이 가장 낮은 값을 가졌고, 모든 공극을 얼음이 차지하는 10% 부근의 함수비까지는 -10°C에서 부피 팽창율이 더 높았지만 10%이상에서는 -5°C의 부피 팽창율이 더 높게 나타났다.

(5)해당 시험을 통해 다짐곡선은 영상과 영하 온도에서 상이함을 알 수 있으며, 이는 물의 동결 유무에 따른 영향임을 파악하였다. 영상 온도에서는 물이 벌킹 효과에 영향을 미치며 영하 온도에서는 동결되어 부피 팽창을 일으킨다. 또한, 부피 팽창율은 영하 온도에서 더 큰 값을 가지고 지속적으로 상승하고 있으므로 함수비를 많이 포함하고 있는 동결된 지반의 경우 다짐 시 흙의 부피 팽창에 대한 각별한 주의와 지침이 필요할 것으로 판단된다.

(6)본 연구는 모래의 함수비와 온도에 관련된 연구로 동결토의 중요 영향 인자인 부동수분을 측정하지 않았다. 향후 연구에서 다양한 동결 온도에서 흙의 다짐이 수행 할 때 부동수분을 측정한다면 온도와 함수비에 따른 부동수분 및 함빙비의 거동 파악이 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부의 오일샌드 플랜트 연구단 과제(No. 201404590002)를 통하여 수행되었으며 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원에 감사 드립니다.

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