1. 동상
기온이 떨어지게 되면 흙 속의 수분이 얼게 되어 동상이 발생하게 된다. 동상에 대해 제대로 대처하지 않은 상태로 토공작업이 이루어지게 되면 추후 기온이 올라갔을 때 흙 속의 수분이 녹아 지지력 약화에 기여하게 된다. 그렇기 때문에 겨울철 토공작업 시에는 동상에 대한 검토와 처리가 필수적이다.
1-1. 동상 발생 조건
동상(Frost Heave)이란 도로 횡단 방향으로 중앙 부분에서 융기량이 최대가 되어 도로 중심선을 따라 균열이 발생하는 현상을 말한다. 융기는 어떻게 해서 발생할까. 융기는 한랭한 지역에서 영하의 저온이 지속되면 지표의 수분들이 얼게 된다. 수분들이 얼며 서릿발을 만드는데 이 서릿발이 점점 커지면서 체적의 팽창을 일으키는데 이때의 체적의 팽창으로 인해 노면이 융기하는 현상이 발생한다. 이 융기는 모관수의 흡입 작용으로 인해 더욱 증대되어 가속화된다.
이와 반대의 현상을 연화(Forst Boil)라고 한다. 이는 해빙기에 발생하는데 해빙기인 봄에 지중의 서릿발이 햇빛을 가장 직접적을 받는 상부층부터 융해되어 녹기 시작한다. 하지만 이 융해되어 발생하는 융해수들은 원활하게 배수가 되지 않는다. 그 이유는 융해는 표면에서부터 시작되는데 하부층은 아직 동결상태에 있으므로 배수의 장애가 생기게 된다. 이때 상부층에서 융해수들이 체류하게 되는데 이로 인해 지지력이 약화가 발생한다. 이 약화된 지반을 중차량들이 지나가게 되면 융해수들에 의해 인장 응력이 과다하게 작용하여 국부적인 침하와 거북등 균열이 발생하게 된다.
위와 같은 동상과 연화로 인한 도로의 파손은 배수불량에 의해 피해가 생기거나 더욱 커지므로 도로 설계시 이를 반드시 고려하여야 하며, 동상과 연화의 기구를 잘 이해하여 원인을 제거할 수 있도록 적절한 대책을 수립해야 한다.
1-2. 동결심도
노면에서 지중온도가 영하가 되는 지점, 즉 깊이를 동결심도(Depth of Frost Penetration)라고 말한다. 이론 최대 동결심도는 동상 대책을 검토할 때 기준이 되는 깊이로 동결이 잘 일어나지 않는 균질한 조립 재료로 구성된 지반에서 최근 10년 중 가장 추운 해에 기록된 최대 동결깊이를 말한다.
동결심도는 다음과 같은 방법으로 결정한다.
1) 실험으로 결정하는 방법
실험으로 결정하는 방법에는 직접 현장에서 동결심도계를 통해 결정하는 방법과 시험굴에서 관찰하는 방법이 있다.
ㅇ 동결심도계 이용하는 방법
-동결시 동결 부분의 색이 변하는 메틸렌블동결 심도계를 동결 전 대상 지반에 삽입하고 동결 후 이것을 빼내 색깔차를 비교하여 동결 깊이를 결정하는 방법
ㅇ 시험굴 관찰 방법
- 조사공을 천공하고 동결기간 동안 지중온도와 동결상황을 직접 관찰하는 방법
2) 일평균 기온으로 구하는 방법
일평균 기온이 영상에서 영하로 변하는 달에서부터 일평균이 기온이 영하에서 영상으로 변하는 달까지의 일평균 기온을 누계하여 플롯(Plot) 했을 때 영상, 영하 최대치의 절댓값을 동결지수라고 한다,
동결지수와 동결깊이의 관계는 다음과 같다
Z = C root F
Z : 동결깊이(cm)
F : 동결지수('C day)
C : 흙의 함수비, 건조밀도, 동결 전 후의 지표면 온도 등에 따라 결정되는 계수(3~5)
1-3. 동상 대책 공법
동상현상은 토질, 온도, 지중수 3가지의 조건이 동시에 만족할 때 일어난다. 따라서 동상 대책공법 수립 시 위 3가지의 조건중 1가지 이상을 제거 또는 개선하는 것이 중요하다.
(1) 차단공법
지하수위를 저하시키거나 동상에 필요한 공급수를 차단한다
(2) 단열공법
포장체 밑에 스티로폼, 기포 콘크리트 층을 두어 흙의 온도 저하를 방지한다.
(3) 안정처리 공법
동결 온도를 낮추기 위하여 NaCl, CaCl2 등을 섞어 화학적 처리를 하여 흙을 안정화시킨다.
(4) 치환 처리 공법
치환이란 동결이 일어나는 깊이까지 동결이 발생하지 않는 재료로 직접 치환하는 방법을 말하며 동상이 일어나지 않는 재료는 다음과 같다.
ㅇ 모래 : 200 번체를 통과하는 것이 전 시료의 6% 이하인 흙
ㅇ 막자갈 : 전 시료에 대해 200번체 통과량이 4 번체 통과량에 대해 9% 이하인 흙
ㅇ 깬 자갈 : 전 시료에 대해 200 번체 통과량이 4 번체 통과량에 대해 15% 이하인 흙
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