• 한국지반공학회논문집
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• 제27권10호
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• pp.13-23
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• 2011

동토기반 말뚝기초의 지지력은 말뚝구조물 표면과 주변 토사의 접촉면에서 발현되는 동착강도에 의해 산정되며, 이는 동착-강도가 동토지반 기초설계를 위한 가장 주요한 설계정수임을 의미한다. 동착강도는 토사종류, 동결온도, 말뚝표면에 수직방향으로 작용하는 지중응력, 재하속도, 말뚝구조물의 표면 거칠기 등 다양한 인자들에 동시다발적인 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 1960년대부터 동토지반 기초설계를 위한 동착강도 산정방법들이 제안되어 왔으나, 대부분 동결온도와 말뚝구조물 표면특성에 대한 영향은 고려하고 있는 반면 동착강도의 주요 영향인자 중 하나인 지중응력에 의한 영향을 고려하지 않고 있어 소정깊이 이상의 말뚝기초 설계를 위한 동착강도 산정방법으로 활용되기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 동결온도뿐 아니라 지중응력이 동착강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 직접전단시험기를 활용한 동결토 전단강도 및 동착강도 측정실험을 각각 수행하였다. 실험결과 전단강도와 동착강도는 모두 동결온도 조건이 낮아질수록, 혹은 수직응력 조건이 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 전단강도와 동착강도의 정량적 관계분석을 위해 정의된 전단강도와 동착강도의 비 $r_s$는 초기 동결온도에서는 급격하게 감소하는 경향을 나타냈으나, 동결온도가 낮아질수록 증가하며 수렴구간을 형성해가는 경향을 보였다. 본 연구에서는 최종적인 연구결과로서 동결온도 및 수직응력 조건을 바탕으로 결정된 $r_s$값을 이용하여 동결토의 전단강도로부터 동착강도를 예측할 수 있는 방법을 제안하고 있다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제14권12호
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• pp.23-30
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• 2013

비동결된 지반에서의 말뚝기초 지지력은 주면마찰력과 선단지지력에 의해 지배되는 것과 달리 동토지역에서의 말뚝기초지지력은 일반적으로 주면마찰력에 의해 지배된다. 동토지역에서 말뚝기초와 동결토 사이 접촉면에서 발현하는 주면마찰력은 동착강도로 정의하며, 동착강도는 동토지역 말뚝기초의 설계 지배정수로 알려져 있다. 동토지역에서 말뚝기초의 지지력을 지배하는 설계정수인 동착강도 특성을 분석하기 위하여 지난 50여 년 동안 많은 연구가 수행되었으며, 현재에도 활발히 연구가 수행 중에 있다. 하지만 동착강도의 경우 토사의 물성특성, 말뚝표면의 거칠기 및 외부적인 시험조건에 의하여 민감하게 반응하는 것으로 알려져 있어 현재까지 진행된 많은 연구들은 제한된 영향인자를 고려하여 수행되었다. 본 연구에서는 동결온도 및 수직응력 조건에 따른 동착강도 특성을 분석하기 위하여 대형 냉동챔버 내에서 직접전단시험을 수행하였으며, 시험결과를 바탕으로 기존에 동일한 조건으로 측정된 동결토 전단강도와 상관관계를 분석하였다. 또한, 향후 동결토 전단강도를 활용하여 동착강도를 추정할 수 있는 동착강도 비례계수를 산정하였으며, 기존 연구와의 비교분석을 통하여 기존 계수에 대한 문제점을 고찰하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제27권9호
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• pp.67-76
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• 2011

동토지역 말뚝기초의 지지력은 말뚝과 토사의 접촉면에서 작용하는 동착강도에 지배된다. 말뚝주변 토사 내 간극수의 동결로 인해 발현되는 동착강도는 동토지반 기초설계에 있어 가장 주요한 설계정수로 고려되고 있다. 지난 50년간 동착강도에 대한 연구가 다각도로 수행되어 왔으나, 대부분 동결온도와 지중온도를 고정조건으로 그 영향력을 고려하지 않은 채 토사종류, 말뚝종류, 재하속도 등의 영향인자를 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 동결온도와 마찰면에 작용하는 수직구속응력을 주요 변수로 적용하고, 토사종류, 말뚝종류, 재하속도 등은 고정조건으로 적용하여 직접전단방식의 동착강도 측정실험을 수행하였다. 실험재료로는 표면 가공이 용이하여 거칠기를 정밀하게 조절할 수 있는 알루미늄 모형과 주문진표준사를 활용하였다. 실험은 상온(> $0^{\circ}C$), $-1^{\circ}C$, $-2^{\circ}C$, $-5^{\circ}C$, $-10^{\circ}C$의 동결온도및 1atm, 2atm, 3atm의 수직구속응력 조건에서 수행되었으며, 그 결과를 바탕으로 동결온도와 수직구속응력이 동착강도에 미치는 영향을 분석하였다. 전반적으로 동착강도는 동결온도가 낮아질수록, 혹은 수직구속응력이 커질수록 증가하는 경향을 보였으며, 특히 단위온도차에 따른 동착강도의 증가율이 1)급증하는 구간과 2)점진적으로 감소하는 구간을 뚜렷하게 나타내며 변화하는 특성을 보였다. 또한, 동결온도의 저하에 따라 동착강도의 변화를 지배하는 요소가 마찰각에서 부착력으로 변화하며 수렴구간을 형성하는 경향을 나타냈다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제27권11호
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• pp.71-81
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• 2011

동착강도는 동토지반 말뚝기초 설계시 지지력을 결정하는 주요 설계정수이다. 동착강도는 동결온도, 구속응력, 말뚝표면 특성, 토사종류 등 다양한 인자들에 의해 동시다발적인 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 하지만 동착강도에 대한 연구는 소수의 인자들만 반영할 수 있는 실험연구를 중심으로 수행되어온 경향이 있으며, 설계정수로서 동착강도를 산정하기 위한 방법들은 동결온도, 말뚝재료 등의 주요 인자들만을 고려할 수 있는 한계가 있어 왔다. 본 연구는 인공신경망 이론을 동착강도 산정에 활용함으로서 다양한 영향인자 조건에서 동착강도를 예측할 수 있는 방안을 모색하기 위한 목적으로 수행되었다. 인공신경망 학습을 위하여 총 5종류의 연구사례로부터 137개의 자료를 수집하였으며, 그 중 100개를 학습자료로, 37개를 실증자료로 구분하였다. 연구결과 단계적 인공신경망 학습을 통하여 동착강도 산정 시 다양한 영향인지를 다차원적으로 고려하여 예측하는 방법이 병행되어야 할 필요성을 확인하였으며, 5개 영향인자를 동시에 고려하여 동착강도를 예측할 수 있는 신뢰성 높은 학습결과를 도출 및 검증하였다. 또한, 매개변수 연구결과 동착강도는 동결온도와 말뚝재료의 변화에 가장 민감하게 반응하는 것으로 나타났고 수직응력에 의한 영향은 일부 온도구간에서만 뚜렷하게 나타나며 토사종류와 재하속도의 변화에 따라 동착강도가 증가하는 경향이 변화하는 특성을 나타내었다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제12권12호
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• pp.79-88
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• 2011

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.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제13권11호
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• pp.51-60
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• 2012

동토지반의 기초구조물을 설계하는데 있어 기초의 안정성을 지배하는 설계정수인 동결토의 전단강도 및 동착강도를 측정하기 위하여 지난 50여 년 동안 많은 연구가 수행되어 오고 있다. 하지만, 아직까지 동결토의 전단강도 특성에 관한 많은 연구들은 토사 종류, 수직구속응력, 동결온도조건 등 여러 가지 영향인자 중 제한된 영향인자의 변화를 통해 수행되어 왔다. 동결토는 일반 토질과는 달리 토립자, 물, 공기뿐만 아니라 얼음을 포함한 4상으로 구성되어 있으며, 동토의 역학적인 성질의 변화는 일반적으로 온도, 수직구속응력, 동토의 구성물질에 따라 영향을 받는다. 이와 같은 동결토의 전단강도 특성을 측정하기 위하여 영하 30도의 저온환경에서도 동작이 가능하도록 설계된 동결토 직접전단시험기를 활용하였으며, 동토지역의 저온환경을 모사하기 위하여 대형 냉동챔버 내에 직접전단시험기를 설치하였다. 동결토의 전단강도 특성을 측정하기 위하여 비교적 균질한 입경분포를 지닌 주문진표준사 및 실리카모래와 입도분포가 좋은 화강풍화토를 활용하였다. 각각 세가지 시료에 대하여 전단시험은 세가지 동결온도 조건 및 수직구속응력 조건에서 수행되었으며, 그 결과를 바탕으로 동결온도조건 및 수직구속응력이 동결토의 전단강도에 미치는 영향을 분석하였다. 전반적으로 동결토의 전단강도는 동결온도가 낮아질수록 증가하는 경향을 보였으나, 수직구속응력에 의한 영향은 미미한 것으로 나타났다.

• 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.