동남극 테라노바만 흙 시료의 동상특성에 관한 실험적 연구

홍승서(Hong, Seungseo),박정희(Park, Junghee),이종섭(Park, Junghee),이장근(Lee, Jangguen),강재모(Kang, Jaemo),김영석(Kim, Youngseok) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.12

우리나라는 세종과학기지에 이어 두 번째로 남극에 과학기지를 건설하는 사업을 진행하고 있다. 남극은 영구동토지역으로 분류되지만 일부 지반의 상부에는 활동층이 존재한다. 이 활동층이 동결되면 동결팽창으로 인해 지반의 융기가 발생하고 구조물에 부가적인 응력이 유발되어 구조물 안정에 심각한 영향을 미치게 된다. 그러므로 남극 기지 건설지에 대한 동상 특성을 파악하는 것은 구조물의 수명 및 안정성을 확보하기 위해 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구의 목적은 남극 제2기지 건설지에 대한 동상민감성을 정량적으로 평가하고 흙 입자의 크기와 부동수분량이 동상에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 이를 위해 동남극 테라노바만 주변 기지 건설지 표층에서 채취한 흙 시료에 대해 기본물성실험과 부동수분실험, 동상실험을 수행하였다. 동상실험의 경우 공시체상부에 냉기를 주입하고 하부에는 물을 지속적으로 공급하여 동상이 발생하도록 유도하였다. 동상실험으로부터 공시체의 동상량과 동상비, 동상속도를 도출하였고, 실험 결과가 흙 입자의 크기 및 부동수분량과 어떤 상관관계가 있는지 분석하였다. 분석 결과 채취한 시료의 미세분 함량이 일정비율을 넘으면 흙 시료의 동상이 크게 발생하였고, 동결토 내의 부동수분에 따라 동상정수는 영향을 받는 것으로 나타났다. 본 연구는 동남극 테라노바만 흙 시료에 대하여, 동결토의 동상에 중요한 영향인자인 흙 입자의 크기 및 부동수분량과 동상량 사이의 관계를 실험적으로 규명하였다는 데에 그 의의가 있다. The second scientific antarctic station of South Korea is under construction at Terra Nova Bay located in eastern Antarctica. Ground condition in the Antarctica is frozen in general, but there are seasonal frozen grounds with active layers sporadically. When the active layer is frozen, frost heaving occurs that might cause the differential movement of frozen ground and the failure of structures. Therefore, it is necessary to determine the frost heaving susceptibility of soils at Terra Nova Bay before starting antarctic station construction. This study presents experimental investigation of the frost heaving susceptibility of soil samples with variation of particle sizes and unfrozen water contents. The soil samples were taken from five different locations at Terra Nova Bay and physical properties, unfrozen water content, and frost heaving tests were performed. For the frost heaving tests, soil specimens were frozen with constant freezing temperatures at the top and with drainage at the bottom in order to stimulate the frost heaving. The frost heaving tests provide volume expansion, volumetric strain, and heaving rate which can be used to analyze the relationship between the frost heaving vs. particle size and the frost heaving vs. unfrozen water content. Experimental results show that the more the fine contents exist in soils, the more frost heaving occurs. In addition, the frost heaving depends on unfrozen water content. Experimental data can be used to evaluate the frost heaving susceptibility of soils at the future construction site in the Antarctica.

동결지수와 전국 포장국도에서 실측한 동결깊이의 관계

김영진(Kim Youngchin),홍승서(Hong Seungseo) 한국지반환경공학회 2009 한국지반환경공학회논문집 Vol.10 No.4

우리 나라는 계절 동토지대로서 겨울에는 기온이 영하로 떨어져 지반에 동상현상이 발생하고, 봄에는 얼었던 지반이 융해하면서 도로포장을 파손하거나 그 수명을 단축시킨다. 이러한 동상 및 융해로 인한 도로포장의 파손을 방지하기 위하여 도로포장하부에 동상방지층을 설치하고 있다. 그런데 국내에서는 도로 동상방지층의 두께 결정시 사용되는 동결깊이 추정식으로서 미국이나 일본에서 개발된 식을 이용하고 있다. 그러나 이 식들은 자국의 기후 및 지반 조건에서 만들어진 것이므로 국내에서 그대로 적용하는 것이 합리적이라고 말하기는 어렵다. 우리 나라의 기후 및 지반조건에 맞지 않는 동결깊이 산정식을 도로 설계시 적용할 경우 전국에 새로 설치하는 도로 동상방지층의 두께가 달라질 수 있으며, 이에 따라 공사비가 잘못 산정될 수도 있다. 따라서 도로 공사비의 효율적인 집행과 도로의 내구성 향상을 위해 국내 기후 조건과 지반 여건에 맞는 동결깊이 산정식의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전국 89개 포장국도에서 측정한 동결깊이와 기상청 측정 기온으로부터 산정한 동결지수를 함수로 하여 동결깊이 산정식(안)을 만들어 보았다. 아울러 지역별, 음/양지(陰/陽地) 조건별로 동결깊이가 어떻게 다르게 나타나는지 분석하였다. 또한 국내에서 기존에 이용하고 있던 동결깊이 산정식 및 외국의 동결깊이 산정식들과 그 결과가 어떻게 다르게 나타나는지 분석하였다. Korea is known to have seasonal frost during winter and the effect of low temperatures and water may cause a weakening of pavements. For that reason, frost protection layers have been constructed in pavements to avoid damage caused by frost action. The practies established in USA and Japan have been adopted as anti-frost design methods in Korea. However, the characteristics of Korean soils are different. Additionally, there is no formulation of a reasonable equation for frost penetration depth and the criterion to identify potentially frost-susceptible soils in present pavement design manuals in Korea. Therefore, adequate pavement design procedures in seasonal frost areas, as well as construction and maintenance practices are required. In this paper, frost penetration depths along national roads in Korea were measured and analyzed over several years. The frost penetration depth was analyzed with respect to the provinces of Korea and sunny/ shaded areas. Additionally, measurement results were compared to the formula of the US Army Corps of Engineers and Ifukube in Japan.

동결에 따른 모래-실트 혼합토의 탄성파 특성

박정희(Park, Junghee),홍승서(Hong, Seungseo),김영석(Kim, Youngseok),이종섭(Lee, Jongsub) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.4

대기의 온도가 0℃ 이하로 내려가면 지표면의 물이 얼기 시작한다. 체적팽창을 수반하는 지반의 동결현상은 흙의 거동에 영향을 미치며 지반구조물의 심각한 피해를 야기한다. 본 연구의 목적은 지표면에서 지반 내부로 진행되는 자연적인 동결현상을 반영할 수 있도록 제작된 동결용 셀을 이용하여 모래-실트 혼합토의 온도변화에 따른 탄성파의 특성을 파악하는 것이다. 나일론으로 제작된 동결용 셀에 모래와 실트로 구성된 시료를 조성한 후 시료의 깊이별로 상부, 중앙부 및 하부에 설치된 세 쌍의 벤더 엘리먼트와 피에조 디스크 엘리먼트를 이용하여 전단파와 압축파를 측정하였다. 시료의 온도가 20℃에서 -10℃로 변하는 동안 시료의 깊이에 따른 탄성파 속도, 공진주파수, 진폭을 연속적으로 측정하였다. 시료가 동결됨에 따라 전단파와 압축파의 속도 및 공진주파수는 0℃에서 큰 변화를 보였으며, 전단파와 압축파의 진폭은 각기 다른 경향을 나타내었다. 상온에서 전단파 속도는 유효응력의 영향을 받지만 흙이 동결된 후에는 흙입자와 얼음의 결합력에 큰 영향을 받는다. 본 연구는 흙의 동결에 따른 탄성파 특성의 기초적인 정보를 제공한다는 점에서 의의가 있다. The water in surface of the earth is frozen under freezing point. The freezing phenomenon, which causes the volume change of soils, affects on the behavior of soils and causes the significant damage on the geotechnical structures. The purpose of this study is to investigate the characteristics of elastic waves in sand-silt mixtures using small size freezing cells, which reflect the frozen ground condition due to temperature change. Experiments are carried out in a nylon cell designed to freeze soils from top to bottom. Bender elements and piezo disk elements are used as the shear and compressional wave transducers. Three pairs of bender elements and piezo disk elements are placed on three locations along the depth. The specimen, which is prepared by mixing sand and silt, is frozen in the refrigerator. The temperature of soils changes from 20℃ to -10℃. The velocities, resonant frequencies and amplitudes of the shear and compressional waves are continuously measured. Experimental results show that the shear and compressional wave velocities and resonant frequencies increase dramatically near the freezing points. The amplitudes of shear and compressional waves show the different tendency. The dominant factors that affect on the shear wave velocity change from the effective stress to the ice bonding due to freezing. This study provides basic information about the characteristics of elastic waves due to the soil freezing.

탄성파를 이용한 모래-실트 혼합토의 동결-융해 특성

강민구(Mingu Kang),김상엽(Sangyeob Kim),홍승서(Seungseo Hong),김영석(Youngseok Kim),이종섭(Jongsub Lee) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.5

겨울철의 낮은 기온으로 인하여 지반 내부의 간극수는 동결과 융해를 반복한다. 지반에 이러한 동결-융해작용이 반복되면 흙의 입자구조 변형이 발생하며 이는 지중 기반시설에 손상을 가져올 수 있다. 본 연구는 흙의 동결-융해 과정에서의 탄성파 속도변화를 통하여 흙의 강성 변화 양상을 알아보기 위하여 수행되었다. 40 %, 60 %, 80 %의 3가지 모래-실트의 무게비를 가진 모래-실트 혼합토를 포화도 40 %, 상대밀도 70 %로 동일하게 조성하였다. 각 시료를 동결-융해를 위해 제작된 사각형 형태의 셀에 다짐법으로 조성하였다. 탄성파를 측정하기 위하여 한 쌍의 벤더 엘리먼트와 피에조 디스크 엘리먼트를 시료 양편에 설치하였으며, 시료의 온도 변화 양상을 관찰하기 위하여 탄성파 트랜스듀서와 같은 깊이의 중앙부에 열전대를 설치였다. 조성한 시료에 대하여 시료를 20 ℃에서 -10 ℃까지 동결시킨 후 -20 ℃를 18시간 동안 유지하였으며, 다시 실험실 상온(20 ℃)까지 온도를 서서히 올려 융해시켰다. 이 과정에서 온도, 전단파, 그리고 압축파를 측정하였다. 연구결과, 융해 이후의 탄성파 속도는 같은 온도의 동결 이전보다 감소하였다. 이때 전단파의 속도가 압축파의 속도보다 더 큰 비율로 감소하는 모습을 보였다. 실트의 함량이 40 %에서 80 %까지 증가함에 따라 탄성파의 속도는 증가하는 양상을 보였다. 본 연구를 통해 동결-융해가 불포화토의 입자구조를 느슨하게 만들며, 그 영향은 압축파에 비해 전단파 속도의 변화에서 잘 나타남을 알 수 있었다. In winter season, the pore water inside the ground freezes and thaws repetitively due to the cold air temperature. When the freezing-thawing processes are repeated on the ground, the change in soil particle structure occurs and thus the damage of the infrastructure may be following. This study was performed in order to investigate the stiffness change of soils due to the freeze-thaw by using elastic waves. Sand-silt mixtures are prepared with in the silt fraction of 40 %, 60 % and 80 % in weight and in the degree of saturation of 40 %. The specimens are placed into the square freezing-thawing cell by the temping method. For the measurement of the elastic waves, a pair of the bender elements and a pair of piezo disk elements are installed on the cell, and a thermocouple is inserted into soils for the measurement of the temperature. The temperature of the mixtures is decreased from 20 ℃ to -10 ℃ during freezing, is maintained at -20 ℃ for 18 hours, is gradually increased up to the room temperature of 20 ℃ to thaw the specimens. The shear waves, the compressional waves and the temperature are measured during the freeze-thaw process. The experimental result indicates that the shear and the compressional wave velocities after thawing are smaller than those of before freezing. The velocity ratio of after thawing to before freezing of shear wave is smaller than that of the compressional wave. As silt fraction increases from 40 % to 80 %, the shear and compressional wave velocities are gradually increased. This study suggests that the freezing-thawing process in unsaturated soil loosens the soil particle structure, and the shear wave velocity reflects the effect of freezing-thawing more sensitively than the compressional wave velocity.

낮은 구속응력에서 모래-실트 혼합토의 동결강도 평가를 위한 동적 콘 저항력 및 전단강도 상관성 연구

김상엽(Sangyeob Kim),이종섭(Jong-Sub Lee),홍승서(Seungseo Hong),변용훈(Yong-Hoon Byun) 한국지반환경공학회 2016 한국지반환경공학회논문집 Vol.17 No.1

극한지에서는 환경적 요인과 접근성의 한계에 따라, 동결토의 강도를 현장 상태에서 파악하기 어렵다. 본 연구에서는 극한지 현장의 동결강도를 평가하기 위하여 계장화된 동적 콘 관입기로부터 산정된 동적 콘 저항력과 직접전단실험으로부터 획득된 전단강도 간의 상관성을 조사하였다. 실트가 혼합된 주문진사를 함수비 2.3%로 동일하게 조성하였으며, 시료를 냉동 챔버 내에서 동결시킨 후 직접전단실험과 동적 콘 관입실험을 진행하였다. 실험은 동결과정 및 전단과정, 그리고 동적 콘 관입과정에서 수직응력을 5kPa 및 10kPa로 조합한 4가지 경우로 구성하였으며 이에 따른 동적 콘 관입지수와 전단강도를 산정하였다. 또한 해머타격으로부터 전달되는 에너지의 손실에 대한 영향을 최소화하기 위하여 선단에서 산정된 에너지 및 변위를 이용함으로써 동적 콘 저항력을 산출하였다. 직접전단실험 및 동적 콘 관입실험을 수행한 결과 구속조건에 의한 전단강도의 증가에 따라 동적 콘 관입지수는 비선형적으로 감소하였으며, 동적 콘 저항력은 전단강도와 선형적으로 비례하는 관계로 나타났다. 본 연구는 동결토에 대한 동적 콘 관입실험과 직접전단실험을 통한 강도정수를 비교 및 평가한 연구이며 본 연구에서 도입된 동적 콘 저항력은 극한지 현장에서 동결토의 강도를 추정하기 위한 유용한 지표가 될 수 있을 것으로 기대된다. Investigation of in-situ ground in cold region is difficult due to low accessibility and environmental factors. In this study, correlation between dynamic cone resistance and shear strength is suggested to estimate the strength of frozen soils by using instrumented dynamic cone penetrometer. Tests were conducted in freezing chamber after preparing sand-silt mixture with 2.3% water content. Vertical stresses of 5 kPa and 10 kPa were applied during freezing, shearing, and penetration phase to compare the dynamic cone resistance and shear strength. The dynamic cone resistance, additionally, is calculated to minimize the effect of energy loss during hammer impact. Experimental results show that as the shear strength increases, the dynamic cone penetration index (DCPI) decreases nonlinearly, while the dynamic cone resistance increases linearly. This study provides the useful correlation to evaluate strength properties of the frozen soils from the dynamic cone penetration and direct shear tests.

직접전단시험을 통한 토사 혼합 염색슬러지의 특성 평가 연구

정재형(Jaehyeung Jeoung),조삼덕(Samdeok Cho),홍승서(Seungseo Hong),조진우(Jinwoo Cho) 한국지반환경공학회 2021 한국지반환경공학회 학술발표회논문집 Vol.2021 No.10