동상현상(Frost heave)과 연화현상(Frost thawing)

작성자최현기|작성시간07.01.03|조회수2,060 목록 댓글 0

- 동상현상 (Frost heave)

; 대기의 온도가 0。C이하로 내려가면 지표면의 물이 얼기 시작하여 추위가 계속되면 땅이 어느 깊이가 깊어진다. 이처럼 땅이 얼어서 지표면이 부풀어오르는 현상을 동상(Frost Heave)라 한다. 물이 얼어서 얼음이 되면 약 90%의 체적 팽창이 생기나 실제로는 훨씬 크게 팽창되므로 간극 속의 물이 어는 것같이 동상의 주원인이 아님을 알 수 있다.

동결선 (frost line) ~ 0。C이하의 온도가 상당기간 지속되면 지표면 아래에는 0。C이하의 지반선이 존재하는데 이것을 동결선이라 함.

Perma frost ; 영구적인 동토 (Permanently frozen ground)

아이스렌스 (ice lense) ~ 동결선위의 비교적 큰 간극에 존재하는 물이 온도가 더 하강하므로 이들이 먼저 얼음의 결정을 만들고, 이 얼음덩이는 인접한 작은 간극 속의 물을 빨아들여 결정이 더 커지며, 인접한 간극이 비게되면 지하수위 아래의 물을 모관 장력으로 빨아올린다. 이런 과정을 반복하여 형성된 얼음을 ice lence라 한다.

지표면의 동상은 바로 이 아이스렌스 때문이며, 실제로 조사해보면 아이스렌스의 두께만큼 부풀어오른 것을 알 수 있다.

동상의 발생조건

① 동상을 받기 쉬운 흙이 존재해야 하며,

; 동상을 받기 쉬운 흙은 실트이며, 조립토는 간극이 비교적 크고 그 속의 흙이 얼 때는 물 자체만 얼기 때문에 동해를 심하게 받지 않으며, 점토는 불투수성이기 때문에 아이스렌스를 형성하는데 필요한 충분한 물의 공급이 이루어지지 않으나, 점토에 균열이 있으면 이 균열을 통해 아이스렌스가 형성될 수 있다.

② 0。C이하의 온도가 오랫동안 지속(포화된 세립토나 소성한계 근처의 자연함수비를 가진 점토는 지하수위면에 관계없이 대개 동해를 받으며 불포화 또는 동상의 피해가 거의 없다)되어야 하고,

; 대기 온도의 하강이 크면 클수록 동결선의 관입속도는 빠르며, 0。C이하의 온도가 오랫동안 지속되면 동결 깊이가 깊고 아이스렌스의 간격이 촘촘하여 동상의 피해가 가장 심해진다.

③ 아이스렌스를 형성할 수 있도록 물의 공급이 충분하여야 한다.

; 다른 조건이 동일하다면 지하수위에 지표면 가까이 있을 때 동해가 가장 심하며 지하수위가 깊더라도 동결선이 모관 상승고까지 내려오면 동해를 받을 수 있다. 일반적으로 지표면 아래 10m에 지하수위가 존재한다면 동상의 피해는 거의 없다.

●동결의 형태

① Concrete상 동결 ; 사질토
② 상주상동결 ; silt질 토
③ 상상동결 ; 점토

●동상량을 지배하는 주요 원인

  ① 흙의 투수도
  ② 지하 수위
  ③ 모관 상승고의 크기
  ④ 동결 온도의 유지기간

●Cassagrande의 균등계수(Cu)에 의한 동상판정 (심한 동상 유발)

ⅰ) Cu < 5 (매우균등)이고, 0.02mm이하의 입경이 10%이상 포함.

ⅱ) Cu > 15 (불균등) 이고, 0.02mm이하의 입경이 3% 이상 포함.

●동결깊이 (Stefan공식)

여기서, K : 흙의 전도율 (㎈/㎝ㆍsec。C)

θ ; 대기온도로서 0。C이하의 온도

t ; 겨울에 평균 기온이 0。C이하로 되었을 때부터 봄의 평균기온이 0。C이상으로

될 때까지의 시간 (sec)

W ; 흙의 함수비(%)

L ; 단위 용적의 토중의 흙의 용해열(㎈/㎤)

동결지수(Freezing Index)

동상 방지 대책

① 지하 수위를 저하시킴 ; 배수구 등을 설치

② 모관수의 상승을 차단하기 위해 조립토의 차단층을 지하수위보다 높은 위치에 설치

③ 동결깊이 위의 흙을 동결하기 어려운 재료로 치환

④ 포장의 아래에 외기와 단열 시키기 위해 단열재(lnsulation)설치 (도로등)

⑤ 지표의 흙을 화학 처리하여 동결온도를 낮춘다.

⑥ 보온 장치

-, 연화현상(Frost boil)

; 동결된 지반이 기온이 상승하면 아이스렌스(icc lense)가 녹기 시작하며, 녹은 물이 적절하게 배수되지 않으면 녹은 흙의 함수비는 얼기 전보다 훨씬 증가하여 지반이 연약해지고 강도가 떨어진다. 이런 현상을 융해 (thawing)라 한다. 연화 현상을 방지하기 위해서는 동결부의 함수량의 증가를 사전에 방지해야 하는데 수분을 배수할 수 있는 배수층을 동결 깊이의 하부에 설치함이 필요하다. 연화한 상태의 함수비는 일반적으로 액성한계 보다 높다.

투수계수