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

말뚝표면 거칠기에 따른 동착강도 변화에 관한 연구

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

최 창 호^† Choi, Changho

ABSTRACT : 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°C, but its sensitivity decreased in the temperature ranging between -2°C to -5°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°C.

Keywords : Adfreeze bond strength, Pile surface roughness, Fractal dimension, Cold region, Frozen ground

요 지 : 수분이 동결하여 이질 재료의 표면에 부착하는 동착현상에 의해 접착된 동결토사와 기초구조물의 접촉면에 발현되는 동착 강도는 동결온도, 토사종류 및 물성, 재료표면의 거칠기, 구속응력 등 다양한 영향인자들에 동시다발적인 영향을 받는 것으로 보고 되고 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 제작 조건과 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 직접전단 방식의 실내 동착강도 측정실험을 수행하였다. 실험결과 동착강도는 동결온도가 낮아질수록, 수직응력이 증가할수록, 재료 표면이 거칠수록 증가하는 경향을 나타냈다. 동착강도는 비동결 상태에서 동결상태로 넘어가는 -2°C까지의 구간에서 재료 표면 거칠기에 민감하게 반응한 반면, 동결된 이후 동결온도가 -2°C에서 -5°C로 저하되는 구간에서는 거칠기에 대한 민감도가 저감되었다. 이는 비동결 상태에서 보다 동결된 토사에 대하여 지중 구조물의 표면 거칠기가 미치는 영향이 크지만, 약 -2°C 부근으로 예상되는 소정 의 동결온도 이하로 넘어가면 거칠기가 동착강도의 증가율에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하는 것으로 판단된다.

주요어 : 동착강도, 말뚝표면 거칠기, 프랙탈 차원, 한지, 동토지반 한국지반환경공학회 논문집

제12권 제12호 2011년 12월 pp. 79～88

1. 서 론

동착(adfreeze bonding)이란 일반적으로 수분이 동결하여 이질 재료의 표면에 부착하는 현상을 의미하며, 지반공학 분야에서는 토사와 기초구조물의 접촉면에 존재하는 간극 수가 동결되어 동결된 토사와 기초구조물이 부착하는 현상 을 의미한다(Terashima 등, 1999). 동착현상은 간극수가 포 함된 토사가 동결되어 부피가 팽창하는 동상(frost heave)현 상과 함께 동토지반에서 나타나는 대표적인 공학적 특성으 로 보고되고 있다(고성규 등, 2010). 동착강도(adfreeze bond

strength)는 동착현상에 의해 접착된 동결토사와 기초구조 물의 접촉면에서 슬립(slip)파괴가 일어날 때의 최대 응력으 로 정의된다(Cutbertson-Black, 2001).

동착강도는 동결온도, 토사종류 및 물성, 재료표면의 거 칠기, 구속응력 등 다양한 영향인자들에 동시다발적인 영향 을 받는 것으로 보고되고 있다(U.S. Army 등, 1983). 특히 재료의 표면 거칠기 즉, 동결토사와 접착된 지중 구조물의 표면 거칠기는 동결온도와 함께 동착강도에 가장 큰 영향을 미치는 주요 인자로 인식되어 동토지반 기초설계를 위한 동 착강도 산정 시 반드시 고려되는 인자 중 하나이다(Weaver

그림 1. 동결온도에 따른 동착강도 (Linell과 Lobacz, 1980)

표 1. 말뚝재료와 슬러리 종류에 따른 수정계수 (Linell과 Lobacz, 1980)

말뚝 재료 Slurry soil

Silt Sand

Steel 1.0 1.5

Concrete 1.5 1.5

Wood, untreated or lightly creosoted 1.5 1.5 Wood, medium creosoted (no surface film) 1.0 1.5 Wood, coal tar-treated (heavily coated) 0.8 0.8

등, 1981).

하지만 기존의 연구사례들을 통해 제안되어온 동착강도 산정방법들을 살펴보면 강재(steel), 콘크리트와 같은 대표 적인 말뚝의 재료에 따른 고정된 수정계수를 적용하는 방식 으로 말뚝표면의 거칠기를 고려하고 있다. 하지만 같은 재 료로 제작된 말뚝이라 하여도 제작 방법과 여건에 따라 재 료의 표면 거칠기는 미세하게 차이가 날 수 있으며, 이와 같 은 차이는 재료표면 거칠기에 민감하게 반응하는 동착강도 에 큰 변화를 일으킬 수도 있다. 그러므로 본 연구는 프랙탈 차원(fractal dimension)의 개념을 적용함으로서, 재료의 단 면 거칠기를 정량화하여 그 변화가 동착강도에 미치는 영향 을 분석하는 것을 목적으로 수행되었다.

본 논문에서는 말뚝재료의 표면 거칠기를 정량화하는 방 법으로 활용가능한 프랙탈 차원의 이론적 배경과 그 활용사 례를 정리하고, 프랙탈 차원을 적용하여 제작한 4가지 거칠 기의 모형재료들에 대해 수행한 동착강도 실험내용을 고찰 하여 제시한다.

2. 프랙탈 차원

2.1 기존의 재료표면 거칠기 적용방법

재료표면의 거칠기는 동착강도를 지배하는 주요 영향인 자로서 실제 기초설계를 위한 동착강도 산정 시 각 말뚝종 류에 따른 표면 거칠기를 고려하여 동착강도를 산정할 수 있는 수정계수가 다양하게 제안되어왔다. Linell과 Lobacz (1980)는 직경 0.22m의 강관말뚝을 활용한 실험결과를 바 탕으로 -3.5°C∼0°C의 동결온도 범위에서 나타나는 동착강 도에 말뚝재료와 슬러리(그라우트 재) 종류에 대한 수정계 수를 곱하여 산정하는 방법을 제안하였다. 그림 1은 기존에 Linell과 Lobacz(1980)가 제시한 그래프를 바탕으로 동결온 도 범위를 -5°C까지 확대하여 동착강도를 추정한 결과를 나 타내고 있으며, 표 1은 Linell과 Lobacz(1980)가 제안한 말 뚝종류와 슬러리 종류에 대한 수정계수를 나타내고 있다.

Weaver와 Morgenstern(1981)은 토사와 기초구조물간의

접촉면에서 작용하는 동착강도 _는 같은 흙의 동결상태에 서의 장기전단강도 _와 식 (1)의 관계가 성립한다고 제안 하였다.

_ _ (1)

여기서, 은 말뚝 표면의 거칠기에 따른 특성을 나타내는 수정계수이며, _는 동결토의 장기 전단강도를 나타낸다.

장기 전단강도란 전단시험 시 파괴강도 발현 이후 지속적인 전단변형율을 유지하기 위해 시료에 가해지는 응력을 의미 한다. 말뚝 표면 거칠기에 따른 계수 ^은 표 2와 같이 대표 적인 말뚝 재료인 강재, 콘크리트, 표면처리가 되지 않은 목 재, 부식된 강재에 대하여 제안되었다.

또한, Thompson과 Tart(1996)는 러시아 코미자치공화국 (Komi Republic)의 송유관 저장시설 건설을 위한 강관말뚝 의 설계 및 현장재하시험 경험을 바탕으로 지중온도가 비교 적 높은 조건의 영구동토(warm permafrost, -2°C이상)의 경 우, 비동결 상태의 토사에서 발현되는 주면마찰력과 동결상 태의 토사에서 발현되는 동착강도의 차이가 크지 않으므로, 현장지반에서 채취한 토사가 융해상태에서 발현하는 전단 강도를 참고값으로 활용하여 말뚝기초의 주면지지력 산정 을 위한 설계 동착강도를 추정할 수 있다고 제안하였다.

Thompson과 Tart(1996)가 제안한 높은 동결온도 조건의 영 구동토지반에서 발현되는 설계 동착강도의 추정방법은 식 (2)와 같다.

_ 

 _

(2)

여기서, _는 말뚝기초 설계에 활용할 수 있는 설계 동착강 도, 는 전단강도의 수정계수(0.6∼0.9), _는 비동결 상

(a) 1차원 (b) 프랙탈 차원 (c) 2차원 그림 2. 프랙탈 차원의 개념

표 2. 말뚝종류에 따른 수정계수 (Weaver와 Morgenstern, 1981)

말뚝 재료 m

Steel 0.6

Concrete 0.6

Uncreosoted Timber 0.7

Corrugated Steel 1.0

태의 토사 전단강도, ^는 안전율을 의미한다. Thompson 과 Tart(1996)는 안전율 2를 적용할 것을 제안하고 있으며, 수정계수는 말뚝의 종류와 현장지반조건을 고려하여 결정 할 것을 권유하였다.

상기 기존의 동착강도 산정 시 말뚝재료의 표면거칠기를 적용하는 방법들은 모두 말뚝의 종류에 따라 경험을 통해 도출된 수정계수를 고정적으로 적용하고 있다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 건설재료는 그 제작 방법과 여건에 따라 거칠기에 변화가 발생할 수 있다. Saouma 등(1990)은 같은 종류의 건설재료인 콘크리트도 배합비와 제작여건에 따라 프랙탈 차원으로 정량화한 표면 거칠기가 1.07에서 1.12의 범위에서 다양하게 나타날 수 있다고 보고한 바 있다. 그러 므로 각 연구자들이 실험이나 현장 측정 시 활용했던 재료 에 따라 같은 종류의 재료라 하더라도 정량적인 거칠기의 정도가 달랐을 가능성이 높다. 그러므로 본 연구에서는 재 료 표면의 거칠기를 정량화하여 수치화된 거칠기의 정도가 동착강도에 미치는 영향을 분석하고자 프랙탈 차원의 개념 을 도입하였다.

2.2 프랙탈 차원의 정의

프랙탈 차원이란 그림 2에 나타내고 있는 바와 같이 굴곡 이 있는 선형의 도형 (b)는 직선의 차원인 1차원 (a)와 면의 차원인 2차원 (c)의 사이에 해당하는 프랙탈 차원으로 정량 화할 수 있다는 물리학적 개념으로부터 도출된 계수이다. 이는 단면의 선형적 특성을 분석하여 정의된 프랙탈 차원 이, 1에 가까울수록 재료의 표면은 평평한 면에 가깝고, 2에 가까울수록 굴곡이 심하여 거칠기의 정도가 심하다는 것을 의미한다. 본 연구에서 다루고 있는 프랙탈 차원은 직선과 면의 차원의 경계에 있는 가상의 차원을 의미하므로, 임의 의 재료의 표면에 대한 평가는 오직 단면의 선형적 특성에 의해서만 가능하다.

프랙탈 차원의 이론적 정의는 다음과 같다. 임의의 곡선

AB가 있을 때, 단위길이 로 곡선 AB의 길이 을 측정하 면 식 (3)과 같다.

  (3)

여기서, 은 단위길이 로 곡선 AB의 길이를 측정하기 위 한 이동회수를 의미한다. 물리학적 개념인 프랙탈 차원을 처음 수문학에 도입한 Mandelbrot(1977)는 에 적용하여 일정한 상수 를 얻을 수 있는 차수를 프랙탈 차원 _라 하여 식 (4)와 같이 제안하였다.

^ (4)

여기서, 는 일정한 상수, _는 프랙탈 차원을 의미한다.

식 (3)과 식 (4)를 결합하면 단위길이 로 측정한 곡선 AB 의 길이 은 식 (5)와 같이 정의할 수 있다.

 ^{  } (5)

식 (5)의 관계를 이용하여 프랙탈 차원 _를 단위길이  과 이동회수 의 관계로 나타내면 식 (6)과 같다.

_{ } log

log

(6)

2.3 프랙탈 차원의 산정방법

앞서 정리한 프랙탈 차원의 정의에 의하면, 프랙탈 차원 은 log차원으로 도시화된 단위길이 과 이동회수 의 역 방향으로의 직선의 기울기로 산정할 수 있다. 예를 들어, 길 이를 알 수 없는 임의의 불규칙한 곡선 H1, H2, H3가 있을 때, 각 곡선을 단위길이 0.5, 1, 2, 4로 측정한 결과가 표 3과 같다고 가정한다면, 각 곡선의 측정결과를 log차원에서 도 시화하면 그림 3과 같다. 그림 3으로부터 각 곡선 H1, H2, H3의 프랙탈 차원은 1.0240, 1.0863, 1.1345임을 도출할 수 있다.

위와 같은 프랙탈 차원의 개념은 지형을 분석하거나 하 천의 길이와 면적특성을 분석하기 위한 목적으로 활용되고 있다(전민우 등, 1999; 권기욱 등, 2005). 또한, 멤브레인과

표 3. 프랙탈 차원 산정의 예

곡선 H1 H2 H3

단위길이 R 이동회수 N1 이동회수 N2 이동회수 N3

0.5 1.0 2.0 4.0

131.2 62.6 31.1 15.6

145.5 63.8 30.8 15.2

167.2 78.2 34.5 15.8

그림 3. 단위길이 R과 이동회수 N의 관계

(a) 전단시험기 본체

(b) 제어판 및 노트북 그림 4. 동결토 전단시험기

적용되기도 하였으며, 강재, 콘크리트와 같은 건설재료의 표면 거칠기를 분석하기 위한 목적으로 활용되기도 하였다 (Vallejo 등, 1995; Brandt 등, 1993). 본 연구에서는 재료 표 면의 거칠기가 동착강도에 미치는 영향을 분석하기 위한 목 적으로, 실내실험 시 적용되는 모형재료의 표면 거칠기를 정량화하기 위한 방법으로 상기 프랙탈 차원의 개념을 활용 하였다. 프랙탈 차원이 1에 가까울수록 모형재료의 표면 거 칠기가 평평한 것을 의미하고, 2에 가까울수록 거친 것을 의미한다.

3. 실내 동착강도 실험

정량화된 거칠기가 동착강도에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 프랙탈 차원을 적용해 제작한 평평한 면, 조금 거친 면, 중간 거친면, 매우 거친면의 4가지 서로 다른 모형재료 와 동결된 사질토의 접촉면에서 작용하는 동착강도 측정실 험을 수행하였다.

3.1 실험장비

본 연구에서 수행한 동결토 전단시험은 -30°C의 저온조 건에서도 작동이 가능하도록 설계된 동결토 전단시험기를 활용하여 수행하였다. 동결토 전단시험기는 크게 본체와 제

어판으로 구분된다. 본체는 변위속도로 제어가 가능한 수평 하중 재하장치와 고정된 상재하중을 재하할 수 있는 수직하 중 재하장치, 수평과 수직방향으로 발생하는 변위를 측정할 수 있는 변위계와 수평으로 재하되는 하중을 측정할 수 있 는 로드셀(load cell)로 구성되어 있다. 그림 4는 동결토 전 단시험기의 모습과 주요 구성요소를 나타내고 있다.

본 장비는 변위제어방식으로 수평하중을 가하여 시료를 전단시키며, 수평하중, 수직변위, 수평변위를 각각 0.01kg, 0.01mm, 0.01mm 단위로 측정할 수 있다. 수평하중의 재하 및 로드셀 최대 측정값은 각각 5tonf이며, 수직 및 수평변위 계의 측정범위는 각각 100mm이다. 전단상자는 가로와 세 로의 길이가 각각 100mm이며, 높이가 40mm이다. 본 장비 는 동토지역의 저온환경을 모사하기 위하여 대형 냉동챔버 내부에 설치하였다. 본 장비가 설치된 대형 냉동챔버는 챔 버내부의 온도를 최저 -20°C까지 설정할 수 있으며, 냉동챔 버의 내부온도 조절 능력은 약 ±1°C이다.

3.2 실험방법

동착강도는 동결된 토사와 이질재료의 접촉면에서 발현 되는 접촉강도의 일종이므로, 동착강도를 측정하기 위한 실 험에 사용된 시료는 말뚝의 표면을 모사하기 위한 모형재료

(a) 평평한 면 (

=1.0000) (b) 조금 거친면 (

=1.0544)

(c) 중간 거친면 (

=1.0994) (d) 매우 거친면 (

=1.1667)

그림 5. 모형재료의 표면 단면도

그림 6. 거칠기가 모사된 모형재료의 실제모습

(a) 모형재료 삽입

(b) 상부 토사채움

(c) 정적다짐

그림 7. 동착강도 실험을 위한 시료제작 과정

형재료는 표면가공이 용이하여 본 연구에서 필요로 하는 단 면형태를 제작하기 알맞은 알루미늄재료를 활용하였다. 각 모형재료의 표면 거칠기를 정량적으로 모사하기 위해 프랙 탈 차원 _를 각각 1.0000(평평한 면), 1.0544(조금 거친면), 1.0994(중간 거친면), 1.1667(매우 거친면)을 갖도록 제작하 였다. 그림 5는 각 모형재료 표면의 제작 단면을 나타내고 있으며, 그림 6은 단면에 의해 제작된 모형재료들 중 거칠 기가 모사된 모형재료들의 실제 모습을 나타내고 있다.

실험에 활용된 토사는 비중 2.67, 최대/최소 건조단위중 량이 각각 16.7kN/m³과 13.3kN/m³인 물리적 특성을 나타내 며, USCS 토질분류 기준에 의해 전형적인 빈립도 사질토 (SP)로 분류되는 주문진 표준사를 활용하였다. 시료 제작 시 공기 중의 습윤화를 방지하기 위하여 토사를 건조로에서 꺼낸 직후에 중량을 측정함으로서 완전건조 상태를 기준으 로 제작되었으며, 상대밀도 77%(=0.66)를 기준으로 제작 하였다. 알루미늄재료로 제작된 모형재료와 주문진 표준사 를 조합한 동착강도 측정실험의 시료는 그림 7에 나타낸 바 와 같이 알루미늄 모형을 하부전단박스에 삽입한 후 상부전 단박스에 토사를 채우고 다짐하는 단계를 거쳐 제작하였으

표 4. 실험조건에 따른 동착강도 측정결과

재료 거칠기 실험온도(°C) 수직응력(kPa) 동착강도(kPa)

평평한 면



상온(>0)

100 41

200 69

300 88

-2

100 239

200 323

300 430

-5

100 665

200 816

300 915

조금 거친면



상온(>0)

100 81

200 165

300 219

-2

100 680

200 781

300 862

-5

100 1,151

200 1,225

300 1,409

중간 거친면



상온(>0)

100 87

200 150

300 247

-2

100 1,059

200 1,322

300 1,283

-5

100 1,265

200 1,353

300 1,634

매우 거친면



상온(>0)

100 98

200 175

300 280

-2

100 1,282

200 1,675

300 1,764

-5

100 1,777

200 1,959

300 2,249

며, 냉동챔버로 이동시켜 동결을 시작하기 전 1시간 동안 수침시켜 시료를 포화시켰다.

포화가 완료된 시료는 대형 냉동챔버 내에서 상재하중 없이 동결시켰다. 포화된 시료의 중심부까지 냉동챔버의 동 결온도조건과 평형을 이루는 총 동결시간을 고려하여 약 24 시간 동안 충분히 동결시켰다. 동결된 시료의 전단 시, 수평 변위로 인해 감소하는 실제 전단면의 면적에서 작용한 전단 응력을 정확하게 측정하기 위하여 각 수평변위에 대하여 전 단면 면적을 보정하였으며, 0.1mm/min의 전단속도를 적용 하였다. 본 동착강도 측정실험에서 고정된 조건은 토사의 종류 및 상대밀도와 전단속도(하중재하속도)였으며, 동결온 도, 수직응력, 재료표면 거칠기를 변수조건으로 적용하여 실험을 수행하였다. 동결온도는 상온(>0), -2, -5°C의 조건 을 적용하였으며, 각 온도조건에서 100, 200, 300kPa의 수 직응력을 재하하였다.

4. 실험결과 및 고찰

본 연구에서는 실험온도, 수직응력, 재료표면의 거칠기를 변화시켜가며 총 36건의 동착강도 측정실험을 수행하였다.

여기서 실험온도 조건은 상온(>0), -2, -5°C이며, 수직응력 조건은 100, 200, 300kPa, 재료표면의 거칠기는 평평한 면, 조금 거친면, 중간 거친면, 매우 거친면을 적용하였다. 표 4는 실험을 통해 측정된 조건별 동착강도 값을 나타내고 있다.

동착강도는 전반적으로 동결온도가 낮아질수록, 수직응 력이 증가할수록, 그리고 재료 표면의 거칠기를 나타내는 프랙탈 차원이 높아질수록 증가하는 경향을 나타냈다. 수직 응력과 동착강도의 관계를 파악하기 위하여 그림 8과 같이 수직응력에 대한 동착강도를 도시하고, 선형으로 회귀분석 하여 직선의 추세선을 나타내었다.

수직응력과 동착강도의 관계를 분석한 결과 거칠기 및

(a) 평평한 면 (

=1.0000) (b) 조금 거친면 (

=1.0544)

(c) 중간 거친면 (

=1.0994) (d) 매우 거친면 (

=1.1667)

그림 8. 수직응력에 따른 동착강도

표 5. 실험조건에 따른 부착력과 마찰각

재료거칠기 동결온도(°C) 부착력(kPa) 마찰각(°) R²

평평한 면



상온(>0) 19 13 0.9879

-2 140 44 0.9952

-5 549 51 0.9858

조금 거친면



상온(>0) 17 35 0.9845

-2 592 42 0.9960

-5 1,004 52 0.9429

중간 거친면



상온(>0) 1.3 39 0.9852

-2 997 50 0.6227

-5 1,048 62 0.9164

매우 거친면



상온(>0) 2.3 42 0.9922

-2 1,092 67 0.8829

-5 1,523 67 0.9828

동결온도와 관계없이 동착강도는 Mohr-Coulomb의 전단강 도이론을 적용하여 식 (8)과 같이 정의할 수 있음을 확인하 였다.

_   tan (8)

여기서, 는 부착력을 의미하며 수직하중이 ‘0’일때 발현되 는 동착강도의 추정값이다. 는 재료표면의 마찰각을 의미 한다. 표 5는 Mohr-Coulomb의 전단강도이론에 의해 추정 된 부착력 와 마찰각 를 나타내고 있다

거칠기 조건에 따른 동착강도의 발현특성을 분석하기 위 하여 상온(>0), -2, -5°C 조건에서 4가지 서로 다른 프랙탈 차원을 나타내는 평평한 면, 조금 거친면, 중간 거친면, 매 우 거친면의 모형재료에 대한 실험결과를 비교하였다. 그림 9는 각 모형재료에 대한 실험을 통해 도출된 동착강도를 동 결온도 조건에 대하여 도시한 것이다. 그림 9의 (a)에서 (d) 까지는 각각 평평한 면(_=1.0000), 조금 거친면(_=1.0544), 중간 거친면(_=1.0994), 매우 거친면(_=1.1667)에 대한 결과를 나타내고 있다.

그림 9에 의하면 재료 표면의 거칠기가 증가할수록 동착

(a) 평평한 면 (

=1.0000) (b) 조금 거친면 (

=1.0544)

(c) 중간 거친면 (

=1.0994) (d) 매우 거친면 (

=1.1667)

그림 9. 실험온도 조건에 따른 재료 거칠기별 동착강도

그림 10. 거칠기 정도에 따른 동착강도의 변화 (

=200kPa)

력 200kPa 조건에서 측정된 동착강도만을 발췌하여 나타낸 것으로 각 거칠기에 따른 변화경향을 비교하고 있다. 프랙 탈 차원이 높아짐에 따라 초기 동결온도 구간에서의 동착강 도 증가 기울기가 변화하고 있음을 확인할 수 있다.

표 6은 각 표면 거칠기에 따른 실험온도 구간별 증가율을 나타내고 있는데, 초기 동결온도 구간에서 프랙탈 차원이 1.0000인 평평한 면에서 약 132kPa/-°C로 나타나던 평균증 가율이 프랙탈 차원이 1.1667로 증가함에 따라 동착강도 평 균증가율이 약 695kPa/-°C로 증가하였음을 확인할 수 있다.

-2°C 이후로는 동착강도 증가 기울기와 거칠기의 상관성이 급감하는 경향을 나타냈는데, 거칠기와 일정한 상관관계를 나타내지 않았으며 중간 거친면에 대한 실험결과를 제외하 고 전반적으로 약 140∼160kPa/-°C 정도의 범위에서 유사 한 증가율을 나타냈다.

앞서 정리한 동착강도정수 부착력 와 마찰각 와 각 재 료 표면의 거칠기의 관계를 파악하기 위하여 그림 11과 같 이 동결온도 조건에 따른 부착력과 마찰각을 도시하였다.

그림 11(a)에서 나타내고 있는 부착력은 동착강도와 유사하 게 초기동결온도 구간에서 급증하고 -2°C 이후로 증가율이 낮아지는 경향을 나타냈다. 또한, -2°C 조건에서 표면의 거 칠기 변화에 따른 증가폭이 약 450kPa에서 405, 95kPa 순으 로 줄어드는 특성을 나타냈다. 이는 거칠기에 따른 부착력 의 증가경향이 소정의 거칠기를 넘어서면 수렴구간을 형성

표 6. 거칠기에 따른 온도구간별 동착강도 증가율

프랙탈 계수 수직응력(kPa) 증가율 (kPa/-°C)

>0°C→-2°C 2°C→-5°C



100 99 142

200 127 164

300 171 162

평균 132 156



100 300 157

200 308 148

300 322 182

평균 310 162



100 486 67

200 586 10

300 518 117

평균 530 65



100 592 165

200 750 95

300 742 162

평균 695 140

(a) 부착력

(b) 마찰각

그림 11. 거칠기 조건에 따른 부착력과 마찰각의 변화

가 크지만, 동결된 이후로는 유사한 결과값을 나타내었고, 조금 거친면과 중간 거친면에 대해서는 비동결 상태에서 -5°C까지 선형적인 증가경향을 보이던 마찰각이 모형재료 의 표면이 매우 거친면에 대해서는 -2°C 이후 약 67°를 넘 어서지 않는 경향을 보이는 특성을 나타냈다.

5. 결 론

본 연구에서는 수치화된 재료표면의 거칠기 정도가 동결 된 토사와 접착된 지중구조물의 표면에서 작용하는 동착강 도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실내에서 직접전단방 식의 동착강도 측정실험을 수행하였다. 재료의 표면 거칠기 를 정량화하기 위한 방법으로 프랙탈 차원의 개념을 도입하 였으며, 4가지 서로 다른 거칠기 정도를 나타내는 모형재료 에 대하여 실험온도와 수직응력 조건을 변화시키며 실험하 였다. 일련의 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

(1) 거칠기를 모사한 실험을 수행하기 위하여 굴곡이 있는 선형의 도형은 직선의 차원인 1차원과 면의 차원인 2차 원의 사이에 해당하는 프랙탈 차원으로 정량화할 수 있 다는 물리학적 개념을 도입하여 정량화된 거칠기 정도를 갖는 평평한 면(_=1.0000), 조금 거친면(_=1.0544), 중 간 거친면(_=1.0994), 매우 거친면(_=1.1667)의 4가 지 모형재료를 제작하였다.

(2) 동착강도는 전반적으로 동결온도가 낮아질수록, 수직응

력이 증가할수록, 그리고 재료 표면의 거칠기를 나타내 는 프랙탈 차원이 높아질수록 증가하는 경향을 나타냈 다. 수직응력과 동착강도의 관계를 분석한 결과 거칠기 및 동결온도와 관계없이 동착강도는 Mohr-Coulomb의 전단강도이론을 적용하여 정의할 수 있음을 확인하였다.

(3) 동착강도는 비동결 상태에서 동결상태로 넘어가는 구 간, 즉 실험온도가 상온에서 -2°C로 변화하는 구간에서 재료 표면 거칠기에 민감하게 반응하였다. 하지만, 동결 된 이후 -2°C에서 -5°C로 동결온도가 저하되는 구간에 서는 동착강도의 증가경향이 모든 모형재료에 대하여 유사하게 나타났다. 이는 비동결 상태에서 보다 동결된 토사에 대하여 지중 구조물의 표면 거칠기가 미치는 영 향이 크지만, 소정의 동결온도 이하로 넘어가면 거칠기 가 동착강도의 증가율에 큰 영향을 미치지 않는다는 것 을 의미하는 것으로 판단된다.

본 연구는 지중 구조물의 표면 거칠기가 동토지역에서 말뚝기초 설계정수로 활용되는 동착강도에 미치는 영향을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 재료의 표면 거칠기를 정량화하여 분석하는 연구를 수행하였으며, 실험온도의 변 화에 따라 재료 표면의 거칠기가 동착강도에 미치는 영향도 변화한다는 것을 실증하였다. 향후, 본 연구결과를 바탕으 로 동결온도, 수직응력, 표면 거칠기 조건별로 동결토 전단 강도와 동착강도의 상관관계를 분석할 수 있는 추가적인 비 교연구를 수행한다면 대표 재료에 대한 고정적 수정계수를 제안해오던 기존의 연구동향과는 달리 비교적 다양한 영향 인자를 고려하여 동착강도를 추정할 수 있는 합리적 기초 설계정수 산정방법의 도출이 가능할 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 한국건설기술연구원 기관고유사업인 “극한지 하부구조 급속시공 플랫폼 기술개발”과제의 지원으로 이루 어진 것으로 이에 감사를 드립니다.

참 고 문 헌

1. 고성규, 최창호, 채종길(2010), 토사의 동상량 및 동상력 측정 을 위한 실내 실험장치 개발 , 2010

, 별권, 한국지반공학회, pp. 131～137.

2. 권기욱, 지형규, 이종달(2005), 프랙탈 기법에 의한 지형의 특 성분석,

, Vol. 11, No. 6, pp. 530～542.

3. 전민우, 송재우(1999), 하천 수계망과 본류 하천길이의 Fractal 차원,

, Vol. 19, No. II-3, pp. 285.

4. Brandt, A. M. and Prokopski, G.(1993), On The Fractal Dimension of Fracture Surfaces of Concrete Elements, Journal of Material Science, Vol. 28, No. 1, pp. 4762～4766.

5. Cuthbertson-Black, R.(2001), The Interaction between a Flighted Steel Pipe Pile and Frozen Sand, Thesis for Master Degree, University of Manitoba, pp. 34～56.

6. Linell, K. A. and Lobacz, E. F.(1980), Design and Construction of Foundations in Areas of Deep Seasonal Frost and Permafrost, U. S. Army, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Special Report No. 80-34, pp. 44～49.

7. Mandelbrot, B. B.(1977), Fratals: Form, Chance ad Dimension, W. H. Freeman and Company, San Francisco, Calif, pp. 9～24.

8. Saouma, V. E., Barton, C. C., Gamaleldin, N. A.(1990), Fractal Characterisation of Fracture Surfaces in Concrete, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 35, No. 1, pp. 47～53.

9. Terashima, T., Kawai, T., Furuya, A., Narita, K., Usami, N., Saeki, H.(1999), Experimental Study on Adfreeze Bond Strength between Ice and Pile Structure, Proceeding of 9th International Offshore and Polar Engineering Conference, International Society of Offshore and Polar Engineers, Brest, France, Vol. 2, pp. 549～556.

10. Thompson, S. R. and Tart, R. G.(1996), Driven Pile Capacities in Warm Permafrost in Komi Republic, Russia, Proceeding of 8th International Conference Cold Regions Engineering, America Society of Civil Engineering, Alaska, USA, pp. 254～265.

11. U. S. Army and Air force(1983), Artic and Subarctic Construction Foundation for Structures, Department of The Army and The Air Force, pp. 92～109.

12. Vallejo, L. E. and Zhou, Y.(1995), Fractal Approach to Measuring Roughness of Geomembranes, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 121, No. 5, pp. 442～446.

13. Weaver, J. S. and Morgenstern, N. R.(1981), Pile Design in Permafrost, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 18, No. 3, pp. 357～370.

(접수일: 2011. 10. 14 심사일: 2011. 10. 20 심사완료일: 2011. 11. 11)