• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제25권7호
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• pp.21-27
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• 2024

동상은 동토지반의 중요한 공학적 특성 중 하나로, 겨울철에 국내에서는 동상으로 인한 다양한 피해가 발생한다. 미국과 일본은 동토지역을 포함하고 있어 동상에 대한 연구가 활발히 이루어졌으며, 표준화된 실험법을 보유하고 있다. 특히, 일본 동상 실험법은 시료 준비와 실험 과정이 비교적 간단하다는 장점이 있다. 그러나 동상 실험 결과의 공학적 해석이 모호하며, 동상 민감성 판정 기준이 제시되지 않아 실제 활용에 문제가 있다. 본 논문에서는 모래-실트 혼합토를 대상으로 일본 동상 실험법에 따라 온도제어형 셀을 활용한 실내실험을 수행하고, 동상속도 산정 과정을 면밀히 분석하였다. 더불어, 일본 동상 실험법으로 산정된 동상속도가 미국에서 제시한 동상 민감성 판정 기준에 적용 가능한지 검토하였다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제13권12호
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• pp.5-16
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• 2012

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 공시체 상부에 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.

• 한국지반공학회논문집
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• 제39권7호
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• pp.39-48
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• 2023

동상으로 인한 구조물의 피해를 방지하고자 세계 100여개의 국가에서는 토양의 동상민감성을 판정하는 실내실험법에 대해 연구를 진행하였다. 미국과 일본은 알래스카와 홋카이도와 같은 동토지역을 포함하고 있어 동상에 대한 연구가 활발히 진행되었으며, 연구 결과와 현장 적용을 통해 동상민감성 판정 표준 실험법과 기준을 제시하고 있다. 그러나 실험 방법이 복잡하고 공학적인 해설이 부족하며, 결과 분석에 대한 논리가 모호한 부분이 여전히 존재하고 있다. 본 논문에서는 이러한 미국 ASTM(American Society for Testing and Materials)과 일본 JGS(Japanese Geotechnical Society)의 동상 실험법을 동상 실험에 미치는 온도조건, 시료크기, 동결방향, 배수조건 등을 고려하여 면밀히 비교 분석하고, 지금까지 연구결과를 종합하여 향후 국제적인 연구동향에 부합하는 국내 동상민감성 판정 실험법과 기준의 방향을 제시하고자 한다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제10권4호
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• pp.93-103
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• 2011

극한지에 적합한 지반구조물의 설계를 위해서는 일반적으로 영구동토지반의 공학적 특성에 대한 고려가 필요하다. 동상현상은 가장 대표적인 동토지반의 공학적 특성으로, 구조물 설계에 있어서 동착 및 크리프 현상과 함께 주요한 설계정수로서 고려된다. 그러므로 극한지 지반구조물 설계에 관한 연구를 위해서는 동상현상에 대한 기초적 연구가 선행되어야 한다. 이미 다양한 동상 관련 실험장비가 개발되어 연구에 활용되고 있지만, 기존의 동상 연구를 위한 실험장비들은 기초의 설계정수로서 동상현상을 분석하기에는 한계점이 나타난다고 판단된다. 따라서 본 논문에서는 동상현상을 비롯하여 토사의 동결현상을 보다 면밀히 분석할 수 있도록 개발된 실내 동결 실험장비를 소개하고, 장비의 활용성을 검증하기 위한 실내실험 결과를 제시한다. 검증 실험결과로부터, 개발된 고효율 동결실험장비의 다양한 동결현상 모사성능과 동상시험에의 활용 가능성을 검증하였다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제17권6호
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• pp.23-31
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• 2016

최근 들어 우리나라에 이상한파가 자주 발생하고 있으며, 이로 인해 지반에서는 동상에 따른 도로, 철도, 사면과 같은 구조물을 대상으로 지반변형에 따른 문제가 야기되고 있다. 동상현상은 가장 대표적인 동토지반의 공학적 특성으로, 구조물 설계에 있어서 동착 및 크리프 현상과 함께 주요한 설계정수로서 고려된다. 그러므로 극한지 지반구조물 설계에 관한 연구를 위해서는 동상현상에 대한 기초적 연구가 선행되어야 한다. 이미 다양한 동상 관련 실험장비가 개발되어 연구에 활용되고 있지만, 기존의 동상 연구를 위한 실험장비들은 기초의 설계정수로서 동상현상을 분석하기에는 한계점이 나타난다고 판단된다. 국내에는 동상을 실험적 모사하기에는 필요한 장치와 냉동챔버의 고비용으로 시험방법 및 기준이 전무한 실정이다. 이에 본 논문에서는 다양한 방법으로 동결-융해를 모사할 수 있는 투명 온도제어형 삼축셀 을 소개하고자 한다. 새롭게 개발된 동결-융해 실험장치를 활용해 동상 실내실험을 수행하였으며, 본 장치를 활용한 실내실험법을 제안하고자 한다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제26권4호
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• pp.5-14
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• 2010

본 연구에서는 새로운 동상 억제제로서 폐타이어 파우더의 활용가능성을 검토하기 위해 폐타이어 분말 혼합토와 미혼합토를 대상으로 3년간 일본 토마코마이에서 야외실험 수행하였다. 야외실험 결과, 폐타이어 파우더를 20% 혼합함에 의해 현저한 동상억제 효과가 발생함을 확인하였으며, 관련 동상억제 효과를 동상량, 동상율, 열전도율, 투수성, segregation potential 이론 등을 중심으로 정량적으로 검토하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제19권2호
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• pp.65-74
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• 2003

최근 우리나라는 산업화 및 기술의 현대화로 국토의 유효면적이 인구에 비해 부족하기 때문에 대규모 공유수면을 매립하여 지하구조물 설치를 위한 연약지반의 동결, LNG와 같은 저온 액체를 저장하기 위한 지하저장탱크 건설 및 주변지반의 동결 등 인공동결 공법에 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 화강풍화루 실트질 흙, 모래질 흙에 대해서 동결시 흙의 거동을 지배하는 동상팽창압과 부동수분의 변화에 대해서 연구하였다. 즉, 단일방향으로 흙이 동결될 때 함수비에 지배되는 결과 뿐만아니라 시간과 온도변화에 대한 동상팽창압을 연관시켜 연구를 수행하였다. 그 결과, 동상팽창압을 보다 더 용이하게 측정할 수 있었고, 온도변화에 따른 동상팽창압과 수분특성을 알 수 있었다. 또한,TDR 장비를 이용하여 온도와 함수비와의 관계를 도출함으로서 동상팽창압이 발현되는데 지배적인 역할을 하는 수분 특성을 제시하였다. 실험조건은 매립지반의 특성상 지하수위가 지표면에 위치하며, 수분공급 방식 또한 수분이동이 없는 폐쇄형에 적합하므로 완전포화 및 각각의 포화도에 따라 동상팽창압 실험과 수분 특성 실험을 수행하였다. 연구 결과, 동상팽창압은 세립분을 많이 함유한 흙일수록 발휘되는 동상팽창압은 크게 나타났고, 동상이 발현되기까지의 시간과 동상 지속시간 또한 크게 나타났다. TDR을 이용한 부동수분 측정 결과, 온도가 감소할수록 부동수분이 급격히 감소하였고, 비표면적이 큰 세립분을 많이 함유할수록 부동수분이 많이 존재하였다. 이는 동결된 간극수의 체적증가로 인한 Ice segregation이 발생되어, 부동수분이 많은 흙일수록 동상팽창압도 증가하는 것으로 판단되었다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제24권9호
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• pp.41-46
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• 2023

동상은 토양과 외부 환경적 영향으로 인해 수치해석적 평가에 어려움이 있다. 열-수리-역학 연계 해석은 입력변수가 과도하고 주로 점토성 토양에 대한 검증에 국한되어 실제 동상에 민감한 실트질 토양에 적용하기에는 한계가 있다. 열역학 관점의 경험적 접근 방법은 비교적 간단하게 동상 해석이 가능하고, 구성방정식과 동상 해석 결과를 연계하여 역학적 해석도 가능하다는 장점을 보유하고 있다. 본 논문에서는 Segregation Potential(SP)을 이용한 동상 해석 모델을 소개하고 실트질 함유량에 따른 동상 실험 결과와 비교·분석을 통해 신뢰성을 평가하고 있다. SP 모델은 본 연구에서 검토된 실트질 토양의 동상 해석이 가능하지만, 다양한 실트질 토양에 대한 추가적인 검토를 통해 핵심 입력변수에 대한 자료수집이 필요하다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제20권1호
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• pp.67-74
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• 2019

동상은 동토지역에서 발생하는 대표적인 공학적 특성이다. 계절동토(seasonal frost area)에 해당하는 우리나라는 동결융해에 의한 구조적 피해가 발생하고 동상에 관한 연구의 필요성이 증대되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 새롭게 개발한 투명 온도제어형 셀을 활용하여 동상에 관한 연구를 수행하였다. 동상에 민감한 흙을 인공적으로 조성하여 동상민감성 판정에 있어 중요한 인자 중 하나인 물 주입속도(water intake rate)에 관한 분석을 실시하였다. 간극수 동결에 의한 부피팽창(heave by pore water)이 수렴하는 시점 이후에 동상속도(frost heave rate)와 물 주입속도는 거의 유사하게 나타났다. 그러나 물 주입속도를 측정하기 위해 상부 페더스탈에 설치한 O-ring은 몰드 내벽과의 마찰을 발생시켜 동상발생을 저하시켰다. 따라서 물 주입속도를 활용한 동상민감성 판정 기준은 신뢰하기 힘들다고 판단되었으며, 유사한 거동을 보이는 동상속도를 활용하는 것이 적절하다는 결론을 내렸다. 또한, 동상민감성 흙을 활용해 시료크기가 동상에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 시료크기가 다른 2가지 경우에 대해 동상시험을 수행하였으며 상재하중, 온도구배, 그리고 건조단위중량을 동일하게 설정하였다. 실험결과를 토대로 시료크기는 동상에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견하였다.

• 한국도로학회논문집
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• 제12권2호
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• pp.99-106
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• 2010

도로는 다양한 재료와 단면으로 구성된 구조물이기 때문에 계절적 및 재료 물성특성 뿐만 아니라 포장체 각 층의 구조적 적정성 또는 지지력 정도를 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재, 기존 동상방지층 설계법에 따르면, 동상방지층은 포장체의 구조적 적정성과는 무관하게 온도조건에 따른 동결깊이에 따라 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용하다 보니 포장 설계의 부실 내지는 과다설계의 우려가 있다. 이에 본 논문은 2m 이하 저성토부, 절토부 및 절성경계부 등을 구분하여 포장 하부층에서 동상방지층의 구조적 역할을 규명하기 위하여 Falling Weight Deflectormeter(FWD) 시험을 수행하였다. 전국 10개 현장에 대하여 보조기층면에서 FWD 시험을 수행하였다. 각각의 단면은 동방방지층이 있는 구간과 없는 구간으로 구분하여 실험을 수행하였다. 이번 현장 실험을 통하여 동상방지층이 있는 경우가 없는 경우에 비해 처짐량이 작게 측정되어 동상방지층이 포장체에서 구조적 역할을 담당하는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 절토부에서 동상방지층이 있는 경우에 처짐량 값이 약 15~55% 정도 감소하며, 절성경계부에서 동상방지층이 있는 경우에 처짐량 값이 약 11~64%, 저성토부의 경우 약 2~38%정도 감소하는 것으로 나타났다. SCI를 이용하여 분석한 결과, 동상방지층의 두께가 전체 포장체의 구조적인 능력에 약 24% 차지하는 것으로 나타났다. 피로수명은 동상방지층이 있는 구간이 없는 구간에 비해 약 2배 높은 결과를 보여 피로균열 저항성을 증진시키는 것으로 나타났다. 이것은 동상방지층이 포장체에서 구조적인 역할을 한다는 의미이다.