A Study on the Effect of Pile Surface Roughness on Adfreeze Bond Strength

Adfreeze bond strength develops upon freezing of pore water within soil and at foundation surface. It has been reported that various factors like temperature, soil type, and pile surface roughness affect adfreeze bond strength. Especially, pile surface roughness has been considered as a primary factor to design pile foundation in frozen ground. It has usually been estimated with fixed correction factors for pile materials. However, even if the pile foundation material is the same, the surface roughness could vary depending on the production circumstances. In this study, laboratory test was carried out to quantitatively analyze the effects of surface roughness on the adfreeze bond strength, and fractal dimension was used as a measure for surface roughness. Test results showed that adfreeze bond strength increased with decreasing temperature, increasing vertical stress and surface roughness. The adfreeze bond strength varies sensitively with surface roughness in the early freezing section of $-2^{\circ}C$, but its sensitivity decreased in the temperature ranging between $-2^{\circ}C$ to $-5^{\circ}C$. The results conclude that the roughness highly affects the frictional resistance of pile surface in frozen ground; however, the roughness does not affect considerably when the temperature drops below about $-2^{\circ}C$.

말뚝표면 거칠기에 따른 동착강도 변화에 관한 연구

수분이 동결하여 이질 재료의 표면에 부착하는 동착현상에 의해 접착된 동결토사와 기초구조물의 접촉면에 발현되는 동착강도는 동결온도, 토사종류 및 물성, 재료표면의 거칠기, 구속응력 등 다양한 영향인자들에 동시다발적인 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 특히 재료의 표면 거칠기는 동착강도에 가장 큰 영향을 미치는 대표적인 영향인자로 인식되어 동토지반 기초설계를 위한 동착강도 산정 시 반드시 고려된다. 기존의 연구사례들을 통해 제안되어온 동착강도 산정방법들은 대표적인 말뚝의 재료에 따른 고정된 수정계수를 적용하는 방식으로 말뚝표면의 거칠기를 고려하고 있다. 하지만 같은 재료로 제작된 말뚝이라 하여도 제작조건과 환경에 따라 재료표면 거칠기에 차이가 날 수 있으며, 이는 동착강도에 큰 변화를 일으킬 수도 있다. 그러므로 본 연구는 프랙탈 차원의 개념을 적용함으로서, 수치화된 재료의 단면 거칠기가 동착강도에 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 직접전단방식의 실내 동착강도 측정실험을 수행하였다. 실험결과 동착강도는 동결온도가 낮아질수록, 수직응력이 증가할수록, 재료 표면이 거칠수록 증가하는 경향을 나타냈다. 동착강도는 비동결 상태에서 동결상태로 넘어가는 $-2^{\circ}C$까지의 구간에서 재료 표면 거칠기에 민감하게 반응한 반면, 동결된 이후 동결온도가 $-2^{\circ}C$에서 $-5^{\circ}C$로 저하되는 구간에서는 거칠기에 대한 민감도가 저감되었다. 이는 비동결 상태에서 보다 동결된 토사에 대하여 지중 구조물의 표면 거칠기가 미치는 영향이 크지만, 약 $-2^{\circ}C$ 부근으로 예상되는 소정의 동결온도 이하로 넘어가면 거칠기가 동착강도의 증가율에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하는 것으로 판단된다.