Effect of Cyclic Freezing-Thawing on Compressive Strength of Decomposed Granite Soils

동결 -융해 반복작용으로 인한 화강풍화토의 압축강도 특성 변화에 관한 연구

Effect of Cyclic Freezing-Thawing on Compressive Strength of Decomposed Granite Soils

유 충 식 ¹ * Yoo, Chung-sik 신 부 남 ² Shin, Boo-Nam

ABSTRACT

This paper presents the results of an investigation into the effect of cyclic freezing-thawing on the compressive strength characteristics of decomposed granite soils. A plane strain compression (PSC) tests were performed on a series of test specimens with different freezing-thawing cycles and fine contents to investigate the change in compressive strength under the process of freezing-thawing cycles. Also performed were scanning electron microscope (SEM) tests to investigate the change in structural rearrangement from a micro-scale point of view. The test results showed that the soil particles tend to conglomerate when subject to cycles of freezing and thawing, and that the soil with less fines exhibited decreased shear strength due to the cyclic freezing-thawing while the soils with a larger fine content showed the opposite trend.

요 지

본 논문에서는 동결 -융해 반복작용이 화강풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영향에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해 세립분 함유량을 변화시켜 다양한 시료조건을 조성한 후 동결 -융해 시험 환경을 조성한 후 동결-융해 반복작용 사이클을 강제 부가하 였다 . 시료에 대한 평면변형률압축시험 및 미세입자구조의 변화를 가시적으로 확인할 수 있는 전자주사현미경(SEM) 촬영 및 분석을 수행하였다 . 먼저, SEM 분석 결과 화강풍화토는 동결-융해 반복작용에 노출될 경우 입자들이 뭉쳐 간극이 증가하는 추세를 보였다 . 한편, 압축강도 특성의 경우 세립분 함유량에 따라 다소 차이를 보이는 것으로 나타났는데 세립분 함유량이 적은 경우에는 강도저하 현상을, 세립분 함유량이 많은 경우에는 강도 증가 현상을 보임을 확인할 수 있었다.

Keywords : Cyclic freezing-thawing, Shear strength, Decomposed granite soil, SEM, PSC

한국토목섬유학회논문집 제10권 1호 2011년 3월 pp. 19 ∼ 28

J. Korean Geosynthetics Society Vol.10 No.1 March. 2011 pp. 19~ 28

1* 정회원, 성균관대학교 공과대학 사회환경시스템공학과 교수 (Member, Professor, Dept. of Civil & Envir. Engrg, Sungkyunkwan Univ., E-mail:

[email protected])

2 학생회원, 성균관대학교 공과대학 사회환경시스템공학과 학사과정 (Student member, Bachelor’s student, Dept. of Civil & Envir. Engrg, Sungkyunkwan Univ.)

1. 서 론

동결-융해 현상은 계절적 환경변화로 인한 지반의 역학 외적 현상중 하나이다 . 토류구조물 측면에서 동결-융해는 배면 지반의 토압에 의한 작용외력을 비롯한 다양한 지반 공학적 특성의 변화를 유발시키며, 또한 장기적 관점에서 토류구조물의 시간의존적 안정성에 많은 영향을 미칠 수 있다. 특히 최근 이슈가 되고 있는 지구 온난화로 인한 이

상적 기후변화는 동결-융해 현상과 관련된 토류구조물의

붕괴사례를 증가시키고 있으며, 이에 따른 관련 연구의 필

요성을 더욱 부각시키고 있다. 그에 관한 사례로 Leroueil

등(1991)은 캐나다 퀘백 지역의 동상지역에서 동결-융해

반복과정으로 인한 지반 지지력 저하로 제방의 심각한 피

해를 언급하였으며, 국내에서도 해빙기에 다수의 토류구

조물 붕괴사고가 발생하고 있다. 토류구조물(geo-structure)

은 사용연한 동안 계절적 환경변화를 거치게 되며 따라서

배면 지반에서는 습윤 -건조(wetting-drying), 동결-융해 (freezing-thawing) 등 역학외적인 환경 변화가 이루어지므 로 따라서 이러한 계절적 환경변화에 대응할 수 있도록 토 류구조물의 설계ㆍ시공ㆍ유지관리 기술 개발이 필요하다.

계절적 환경 변화에 의한 동결 -융해는 토류구조물 측면 에서 배면 지반의 토압 등 작용외력의 변화를 유발시키므 로 장기적인 시간 의존적 안정성에 많은 영향을 미칠 수 있다. 특히, 해빙기에 흔히 발생하는 옹벽 및 가시설 붕괴 사고도 동결 -융해 등 계절적 환경변화에 노출된 지반의 열 화현상 및 외력 변화로 발생하는 시간 의존적 불안정에 근 본 원인이 있다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 우리 나라 지반 특성을 반영하는 화강풍화토를 대상으로 다양 한 세립분 함유율의 화강풍화토에 대해 다수 사이클의 동 결-융해 반복작용을 부과하여 동결-융해 반복작용이 화강 풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영향에 대해 심도 있는 연구를 수행하였다. 아울러 동결-융해 반복작용이 흙의 입 자 구조에 미치는 영향 분석을 위해 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 미세 입자구조 변화를 고찰하였다.

2. 기존 연구 동향

동결 -융해 작용에 대한 대부분의 연구는 국내·외적으로 동상 융기와 융해 침하에 대한 연구에 초점이 맞추어져 왔 다 . Konrad and Morgenstern(1980)는 이론적 연구를 토대 로 동상 융기와 융해 침하에 관한 구분모델를 제시하였으 며 , Nixon and Ladanyi(1978)는 이동성 경계 융해 침하모 델을 제시하였다. 또한 Eigenbrod(1996)는 캐나다 퀘백지 역에서의 비포장된 고속도로 제방의 융해침하 등 동토지 역에 토류구조물을 건설할 시 지반의 동결 융해에 대한 연 구를 수행한 바 있다.

한편 동상 융기와 융해 침하 이외에도 동결 -융해 반복 작용으로 인한 흙의 공학적 특성변화에 대한 연구는 계절 적 환경변화로 인한 흙의 특성변화의 중요한 요인으로 작 용한다 . 하지만 현재까지 국내를 비롯한 국외에서도 동결 융해에 관한 대부분의 연구는 동상 민감성흙에 대한 연구 (신은철 등, 2009)를 비롯한 동상 민감성 흙의 크리프 특 성 (Jessberger, 1981; Ladanyi, 1981; Sayles, 1988; Sadovsky et al., 1988;)과 동상 흙의 예측모델과 융기의 메카니즘에 대한 연구 (Loch, 1981; Kay and Perfect, 1988, Slunga, 1988)에 초점이 맞추어졌다.

Liu and Wang(2006)은 동결-융해 작용으로 인한 흙의 공학적 특성은 동결-융해 반복 횟수, 다짐도, 함수비의 정 도에 따라 달라지는 미세입자구조에 관한 연구를 수행하 였으며 Benoit and Voorhees(1990)은 초기응력 상태에 따 른 동결-융해 영향을 고찰하였다. 아울러 Qi and Ma(2006) 는 그들의 연구에서 동결-융해 반복 횟수가 증가할수록 흙 의 점착력은 감소하고 내부 마찰각은 불규칙적으로 변한 다고 보고한 바 있다. Graham and Au(1985), Leroueil et al.(1991) 동결-융해 반복작용으로 인한 비배수 전단강도 에 대한 연구를 수행하였으며 이들의 연구에서는 흙이 동 결-융해 반복작용을 거치는 과정에서 입자의 재배열을 통 해 다짐효과를 유발시킨 다고 보고 한 바 있다.

국내에서는 최근에 김재석(2005)과 하상경(2008)이 암 반사면을 대상으로 강우 및 동결-융해시 암반사면의 풍화 에 대한 연구를 수행한 바 있다. 특히 하상경(2008)은 기 후변화가 암반절취사면의 열화에 미치는 영향을 심도 있 게 다루었는데 동결-융해 및 산성비의 영향을 함께 고찰하 였으며 이러한 기후변화 인자가 암반절리 충진재의 특성 변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구내용을 담고 있다. 다만 이러한 풍화가 사면의 안정성에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 구체적인 연구는 수행하지 않았다. 최근 들어 신은철 등(2009)은 동상 민감성 흙의 지반공학적 특 성에 관한 연구를 도로공학적 관점에서 수행한 바 있다.

알아본 바와 같이 기존의 연구에서는 동결-융해 반복작 용이 흙의 물리적 역학적 특성변화에 어떠한 영향을 미치 는지에 대한 연구와 그에 따른 토류구조물이 받는 영향에 대한 구체적이고 종합적인 연구는 매우 미진한 실정이다.

3. 시험방법 및 조건

본 연구에서는 평면변형률 압축시험을 토대로 동결-융 해 사이클이 화강풍화토의 평면변형률 압축강도에 미치는 영향을 고찰하였다.

3.1 흙 시료

본 연구에서는 국내 지반조건을 반영하는 화강풍화토

를 대상으로 하였다. 화강풍화토의 입도분포를 확인하기

위해 그림 1과 같이 체분석을 통한 입도분포곡선을 얻었

으며, 이 데이터를 바탕으로 통일분류법(USCS)을 적용한

결과, 본 실험에 사용하는 화강풍화토를 SP에 해당하는

그림 1. 입도분포곡선

0 4 8 12 16 20

Moisture content (%)

16

17 18 19 20

Dr y u ni t we ig ht (k N /m

3 )

그림 2. 다짐곡선

0 100 200 300 400 500

Normal stress (kPa)

0

100 200 300 400 500

Sh ea r st res s ( kP a) Stress failure envelope Effective stress failure envelope Total stress failure envelope

27^o 35^o

그림 3. 파괴포락선

표 1. 화강풍화토의 역학적 물리적 특성

채움흙 입도분포 USCS

분류

최대건조 단위중량

최적

함수비 점착력 내부 마찰각 화강풍화토 _ ,

_  SP 19 kN/m³ 11.3 % 8kPa 35°

그림 4. 시료성형과 몰드

세립이 거의 없고 입도분포가 균질하지 않는 모래질 흙으 로 분류되었다 . 또한 그림 2와 같이 다짐시험 KS F 2312 (시험방법 A)를 통하여 최적 함수비와 최대건조단위중량 에 대한 데이터를 확보하였으며 회귀분석을 통해 최대건 조단위중량 및 최적함수비를 결정하였다 . 그림 3은 최대 다짐도로 조성된 시료에 대한 CU시험 결과를 보여주고

있다. 사용된 화강풍화토의 물리적 및 역학적 특성은 표 1에 정리하였다.

3.2 시험성형 및 동결-융해

평면변형률 압축시험을 위한 시편을 성형하기 위해 먼

저 화강풍화토를 24시간 노건조 시킨 후 건조된 흙과 세립

분 그리고 물 각각의 요소들을 비율에 맞게 배합하였는데

여기서 세립분 함유량(  )은      로 변화

시켰다 . 시료를 성형하는 과정은 먼저 90mm× 70mm×110mm

의 몰드 (그림 4)에 배합된 흙을 넣고 5층으로 다짐하여 조

밀한 상태로 만들었으며, 성형된 시료는 성형 직 후 바로

비닐랩으로 2중으로 감싸 함수비의 변화 및 외형변형을

방지하도록 하였다. 한편, 세립분 함유량 변화시 다짐도

그림 5. 동결-융해 온도조절 모식도

정 압 부 압 LO AD 1 LVDT 1 LD T 1 LD T 2 LO AD 2 LO AD 3

만 능 재 하 대

컨 트 롤 박 스 데 이 터 수 집 장 치

데 이 터 저 장 /연 산 장 치

재 하 대 컨 트 롤 라 인 전 송 라 인 정 압 라 인

부 압 라 인

LO AD 4

(a) 시험기 구성도

(b) 시험기 상세도 그림 6. PSC 압축 시험장비 95%가 확보되도록 다짐시험 결과에서 얻어진 최적함수비

를 변화시키며 시료를 성형하였다 .

동결 -융해 반복작용을 적용시키기 위해 준용된 시험법 은 ASTM D 6035-08 으로서 이 시험법은 동결-융해로 인 한 흙의 투수계수 특성변화에 관한 시험법이나 시료성형 과정과 동결 -융해 적용방법이 본 연구의 목적에 적용가능 하다 판단되어 본 시험법에서 요구하는 동결-융해시 사용 장비 및 온도조건으로 정확하게 적용하였다. 즉, 시료 동 결을 위해 -18도 이상의 온도유지가 가능한 냉동고를 사 용하였으며, 장치에 -15의 온도로 성형된 시료를 24시간 동결시킨 후에 16~27도의 상온에 24시간 방치한 상태를 1회 반복으로 하여 실험을 수행하였다.

3.3 시험방법 및 시험조건

3.3.1 시험조건

본 연구의 주요 변수로서 동결 -융해 사이클 반복횟수  과 세립분의 함유량  을 선정하였으며 동결-융해시 강 도 변화는 반복횟수  이 5회 이하에서 발생한다는 기존 연구(Leroueil et al., 1991)를 바탕으로 동결-융해 반복 사 이클을       로 하여 시험을 수행하였다. 또한 앞 에서 언급한 바와 같이 세립분을 변화시켜 세립분 함유량

 에 따른 강도 변화를 고찰하였다. 한편, 본 연구에서 평면 변형률 시험시 구속압을 30kPa로 고정시켰으며 각 케이스 당 3회 시험을 실시하여 시험 결과의 반복성을 확 보하였다. 그림 5는 동결-융해 반복 사이클 개념도를 보여 주고 있다.

3.3.2 평면변형률 압축시험

그림 6은 본 연구에서 사용한 평면변형률(PSC) 압축시 험 장치를 보여주고 있다 . PSC 압축 시험에 사용되는 시 편은 폭 90mm × 높이 70mm × 깊이 110mm 크기이며

시편 거치 후 아크릴판을 이용하여 전 후면 구속하여 평면 변형률조건을 확보하며 하부의 모터와 감속기를 이용하여 상부재하판이 가압봉에 연결되어 하중을 가하게 된다. 또 한 투명한 아크릴 구속벽의 안쪽에 윤활제를 바르고 랩으 로 감쌈으로써 구속 벽과의 마찰을 최소화 하였다.

한편, 평면변형률 압축시험은 동결-융해 사이클을 부과 된 시편을 메브레인으로 감싼 후 시험장치에 거치하고 30kPa의 구속압 작용 후 압축하중을 가하는 방법으로 진 행하였다.

4. 시험결과

4.1 동결-융해 반복작용에 따른 응력-변형률 관계 변화

그림 7에서는 동결-융해 작용 이전의 경우(    )와 5

회의 동결-융해 사이클을 경험한    에 대한 평면변형

률 압축시험 결과를 보여주고 있다. 먼저 축차응력-압축변

형률(  _   _ ) 관계를 보여주고 있는 그림 7(a)에서는 동결

-융해에 따른  _   _ 곡선 변화 경향이 뚜렷하게 나타나

0 4 8 12 16 20 Axial strain, ε

_v

(%)

0 200 400 600 800 1000

D evia tor ic st re ss , σ

d

(k P a) ⁰ 5

FC=2%, σ

3

=30kPa N

FT

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%) 0

40 80 120 160 200

Lat era l st re ss , σ

lat

(k P a)

0 5

N

FT

FC=2%, σ

3

=30kPa

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 7. 동결-융해에 따른 응력-변형률 특성 변화(   )

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%) 0

200 400 600 800

D evia tor ic st re ss , σ

d

(k P a) ⁰ 5

N

FT

FC=10%, σ

3

=30kPa

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%) 0

40 80 120 160 200

Lat era l st re ss , σ

lat

(k P a)

0 5

N

FT

FC=10%, σ

3

=30kPa

?

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 8. 동결-융해에 따른 응력-변형률 특성 변화(   ) 고 있다 . 즉, 보이는 바와 같이 동결-융해 반복작용에 따라

 _   _ 의 기울기가 급격히 감소하고 아울러 최대축차응

력  _{} 또한 현저히 저하하는 경향을 잘 보여주고 있다.

이러한 경향은 평면변형률 압축시험시 측정되는 구속방향 의 응력(  _ )과 압축변형률 관계곡선(  _   _ )에서도 잘 관찰할 수 있다. 이러한 결과는 동결-융해 반복작용이 흙 의 응력 -변형률-강도 특성을 변화시킴을 의미하는 것으로 서 예를 들어 옹벽 시공 후 뒤채움흙이 겪게 되는 동결 -융 해 과정은 결국 뒤채움흙의 역학적 특성을 감소 시킬 수 있음을 의미한다고 하겠다.

세립분 함유율에 따른 동결 -융해 반복작용이 응력-변형

률 관계에 미치는 영향은 그림 7~9 결과의 비교를 통해 확인할 수 있다. 즉, 그림 8과 9는 각각 세립분 함유율이

    로서    결과인 그림 7과 비교하면 세립분 함유량이 다른 흙에 대한 동결-융해 작용의 영향에 대한 평가가 가능하며 보이는 바와 같이 정량적인 차이는 있으나 동결-융해 반복작용으로 최대축차응력이 감소하는 경향을 잘 보여주고 있다. 한편, 그림 10에서는 세립분 함 유량에 따른 강도비(    _{}  _



   _{}  _



  )를 보여주고 있는데 여기서  _{}  _



  는 5회의 동결-융해

반복작용(  _   )에 노출된 시편의 최대축차응력을 의미

0 4 8 12 16 20 Axial strain, ε

_v

(%)

0 200 400 600 800

D evia tor ic st re ss , σ

d

(k P a)

0 5 N

FT

FC=20%, σ

3

=30kPa

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%) 0

40 80 120 160 200

Lat er al st re ss , σ

lat

(k Pa ) ⁰ 5

N

FT

FC=20%, σ

3

=30kPa

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 9. 동결-융해에 따른 응력-변형률 특성 변화(   )

0 5 10 15 20 25

Fine Content, FC(%) 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0

( σ

d,ult

)

NFT=5

/ ( σ

d,ult

)

NFT=0

( σ

_d,ult

)

N

FT=5

=

PSC strength after 5 F-T cycles

( σ

_d,ult

)

N

FT=0

=

PSC strength w/o F-T cycles

그림 10. 세립분 함유량에 따른 강도비 변화경향

하며  _{}  _



  는 노출되지 않은, 즉  _   조건에 대 한 최대축차응력을 의미한다 . 보이는 바와 같이 5회 사이 클의 동결 -융해 반복 작용시 강도는 세립분 함유량에 따라 감소정도가 다른 것으로 나타났으며 특히 세립분 함유량 이 많을 경우 오히려 강도가 증가하는 경향을 보이는 것으 로 나타났다. 즉, 정량적으로 살펴보면 비교적 세립분 함유량 이 적은     의 경우 강도비가 각각   

및    정도를 보이는 것으로 나타나 동결-융해 반 복작용으로 인해 강도가 감소하는 것으로 나타났으나

   의 경우 이와는 상반되게    정도를 보 여 약 15%의 강도 증가가 발생하는 것으로 검토되었다.

그림 7~9에서 관찰할 수 있는 경향은 동결-융해 작용은 대상 흙의 세립분 함유율에 따라 강도를 감소시키거나 증 가시킬 수 있는 것을 의미하다고 할 수 있으며, 특히 세립 분 함유율이 적은     의 경우 강도비가 1.0이 하를 보이는 경향은 일반적으로 사용되는 뒤채움흙의 세 립분 함유율을 감안할 때(일반적으로    ) 옹벽 등 의 뒤채움흙으로 사용되는 흙은 동결-융해 작용으로 강도 가 저하될 수 있음을 나타낸다고 하겠다.

4.2 동결-융해 사이클 횟수에 따른 응력-변형률 관 계 변화

그림 11~13에서는 동결-융해 사이클 횟수(  _ )에 따른 응력-변형률 관계곡선 변화 경향을 보여주고 있다. 각 그 림에서는 세립분 함유량 별로  _ 에 따른  _   _ 및

 _   _ 곡선 변화를 보여주고 있는데 매우 흥미로운 경

향은 세립분 함유량이 적은     의 경우 동결-

융해 사이클이 증가함에 따라  _   _ 또는  _   _ 곡선

이 기울기가 감소하는 경향을 보이는 것이 아니라 1회 사

이클 작용시 큰 감소를 보이다가 사이클 횟수가 증가하면

서 다시 증가하는 경향을 보이는 점이다. 이러한 경향은

최대축차응력을 정리하여 도시한 그림 14(a)에서 보다 뚜

렷하게 관찰할 수 있는데 이 그림에서 관찰할 수 있는 바

와 같이     의 경우 1회 사이클에서 최대축차

응력이 현저히 감소한 후 이후 사이클에서는 오히려 증가

하는 경향을 보이나 세립분이 다량 포함되어 있는   

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0 200 400 600 800 1000

D evi at or ic s tr ess , σ

d

(k P a)

⁰ 1

3 5 FC=2%, σ3=30kPa NFT

0 4 8 12 16 20

A i l t i (%)

0 40 80 120 160 200

0 1 3 5

NFT FC=2%, σ3=30kPa

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 11. F-T 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(    )

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

200 400 600 800

D evi at or ic s tr ess , σ

d

(k P a)

⁰ 1

3 5

NFT FC=10%, σ3=30kPa

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

40 80 120 160 200

L at era l s tre ss , σ

lat

(k P a)

0 1 3 5

NFT FC=10%, σ3=30kPa

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 12. F-T 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(   )

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

200 400 600 800

D evi at or ic s tr es s , σ

d

(k P a)

0 1 3 5 N_FT FC=20%, σ3=30kPa

0 4 8 12 16 20

Axial strain, ε

_v

(%)

0

40 80 120 160 200

L at er al st re ss , σ

lat

(k P a)

0 1 3 5

NFT FC=20%, σ3=30kPa

(a)  _   _ 곡선 (b)  _   _ 곡선

그림 13. F-T 사이클에 따른 응력-변형률 특성 변화(   )

0 2 4 6

Nunber of F-T cycles, N

FT

0 200 400 600 800 1000

U ltim at e d ev iat or ic s tre ss , σ

d,ult

(k P a)

2 10 20 FC (%) Ultimate

PSC strengths

for various FC

0 5 10 15 20 25

Fine Content, FC(%)

0.0

0.5 1.0 1.5

( σ

d,ult

)

NFT

/ ( σ

d,ult

)

NFT=0

1 3 5 Normalized

PSC strengths

for various F-T cycles

NFT

(a)  _{}   _ 곡선 (b) 정규화  _{}   곡선

그림 14. 동결-융해 사이클 횟수 및 세립분 함유량에 따른 최대축차응력 변화

(a) 동결융해 전(      ) (b) 동결융해 후(      )

(c) 동결융해 전(  _     ) (d) 동결융해 후(  _     ) 그림 15.  SEM을 이용한 화강풍화토의 미세입자구조 변화

의 경우 사이클이 누적됨에 따라 점진적으로 강도가 증가 하는 경향을 보이고 있다 . 최대축차응력을 토대로 동결-융

해에 따른 강도비  를 보여주고 있는 그림 14(b)에서

관찰할 수 있는 또 하나의 흥미로운 경향은 세립분함유량

에 따라 동결 -융해에 따른 강도변화비가 다르다는 점이다.

즉 , 세립분이 매우 적은    의 경우    ∼ 

정도의 범위를 보이나    과  의 경우 각각

   ∼  및    ∼  정도를 보이고 있어 세립분 함유량이 적을수록 강도 변화폭이 매우 커지는 경 향을 보이고 있다 . 이러한 경향은 세립분이 적은 흙일 수 록 동결 -융해로 인한 강도 변화가 큰 폭으로 발생함을 의 미하는 것으로 앞서 기술 한 바와 같이 옹벽 등 세립분 사용이 제한되어 있는 흙일 수록 동결-융해에 대한 영향이 크다는 점을 내포한다고 하겠다.

4.3 동결-융해 반복작용에 따른 화강풍화토의 미세 입자구조의 변화

앞에서 기술한 기존의 연구결과에 의하면 동결 -융해 반 복작용은 흙의 입자구조에 영향을 미치는 것으로 분석되 었다. 따라서 본 연구에서도 동결-융해 반복작용이 화강풍 화토의 입자구조에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 영향 을 검토하였다. 이를 위해 스캐닝 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하였으며, 배율은 입자 의 배열상태 및 구조변화의 식별이 가능한  ×  ^ 배로 정 하여 관찰하였다.

그림 15는 세립분 함유량별로 동결-융해 사이클에 노출 되지 않은 경우(  _   )와 5회 노출된 경우(  _   )에 대한 SEM 판독 결과를 보여주고 있다. 추가 연구가 필요 하다고 판단되기는 하나 전반적으로 입자구조의 변화가 발생한 것으로 나타났으며 세립분이 매우 적게 포함된

   의 경우 입자가 비교적 세립화 되는 경향을 띠는 반면 세립분이 많이 함유된    의 경우 입자가 굵 게 형성되어 조립화 되는 경향을 보여주고 있다. 이러한 경향은 앞절에서 제시한 강도저하 경향과 잘 일치하는 것 으로서 조립토의 경우 동결-융해 영향은 입자구조를 세립 화하여 강도를 감소시키는 반면 세립분이 많이 함유되어 있는 흙의 경우 세립분을 조립토화 하여 강도를 오히려 증 가시키는 것으로 판단된다 .

5. 결 론

본 연구에서는 동결 -융해 반복작용이 화강풍화토의 전 단강도 특성에 미치는 영향에 관한 내용을 다루었다 . 이를 위해 세립분 함유량에 따라 성형된 시료에 동결-융해 반복

작용을 강제적으로 부가하였으며, 강도 특성의 변화를 파 악할 수 있는 평면변형률 시험과 미세입자구조의 변화를 가시적으로 확인할 수 있는 전자주사현미경(SEM) 촬영 및 분석을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

동결-융해 반복 작용시 평면변형률 압축강도는 세립분 함유량에 따라 감소정도가 다른 것으로 나타났으며 특히 세립분 함유량이 많을 경우 오히려 강도가 증가하는 경향 을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 동결-융해 작 용은 대상 흙의 세립분 함유율에 따라 강도를 감소시키거 나 증가시킬 수 있는 것을 의미하다고 할 수 있으며 일반 적으로 사용되는 뒤채움흙의 세립분 함유율을 감안할 때 옹벽 등의 뒤채움흙으로 사용되는 흙은 동결-융해 작용으 로 강도가 저하될 수 있음을 나타낸다.

동결-융해 반복 작용 사이클에 따른 평면변형률 압축강 도 변화에 대한 고찰 결과 세립분이 매우 적은 경우 (    ∼  )에는 첫 번째 동결-융해 사이클 작용시 현저한 강도 저하를 보인 후 이후 사이클에서는 강도가 증 가하는 경향을 보이나 세립분 함유량이 큰 경우 (    )에는 강도가 오히려 점진적으로 증가하는 경 향을 보이는 것으로 나타났다. 또한 세립분 함유량이 적 을수록 강도 변화폭이 매우 커지는 경향을 보이는 것으로 검토 되었다. 이러한 경향은 세립분이 적은 흙일 수록 동 결-융해로 인한 강도 변화하가 큰 폭으로 발생함을 의미하 는 것으로 앞서 기술 한 바와 같이 옹벽 등 세립분 사용이 제한되어 있는 흙일 수록 동결 -융해에 대한 영향이 크다는 점을 내포한다고 하겠다.

동결-융해로 인해 전반적으로 입자구조의 변화가 발생 한 것으로 나타났으며 세립분이 매우 적게 포함된 경우 입 자가 비교적 세립화 되는 경향을 띠는 반면 세립분이 많이

함유된    의 경우 입자가 굵게 형성되어 조립화

되는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 강도 저하 경향과 잘 일치하는 것으로서 조립토의 경우 동결-융 해 영향은 입자구조를 세립화하여 강도를 감소시키는 반 면 세립분이 많이 함유되어 있는 흙의 경우 세립분을 조립 화 하여 강도를 오히려 증가시키는 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국연구재단 일반연구자 지원사업(과제번

호 20100008227) 에 의한 것이며 연구비 지원에 감사드립

니다.

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(논문접수일 2011. 2. 16, 심사완료일 2011. 3. 21)