동결심도

동상현상

추운지방에서는 겨울철에 대기온도가 0℃ 이하가 되면 흙 속의 물이 동결된다. 흙 속의 수분이 얼어 동결상태가 된 흙을 동토라고 한다. 흙이 동결되면 아래쪽에서 수분을 공급받아 흙이 크게 팽창되어 지표면이 융기 된다. 이와 같이 동결에 의해 흙의 표면이 팽창되는 현상을 동상이라고 한다.

이 동상은 조건이 갖추어지면 수 십 cm 에 미친다. 동상이 발생되면 흙 속에 동결 전에 있던 간극수가 빙결될 뿐만 아니라 하부 지하수면에서 모세관작용에 의해 물이 상승되어 다량의 물이 동결되어 큰 팽창이 생긴다. 즉 간극에 존재하는 물이 동결되면 외관상의 간극치수가 작아지며 이에 따라 모세관압이 증가되어 이로 인하여 지하수면에서 계속적으로 물이 상승되어 결국 지반의 팽창을 초래하게 된다.

동결깊이와 동상

지반이 동결되는 깊이는 지표면 온도가 낮을 수록 또 지속시간이 길수록 증대된다.
지상에 쌓인 눈은 흙의 냉각을 방지하고 동결깊이를 얕게 한다. 예컨대 비제설 도로 지반의 동결진행은 눈이 15cm 정도로 쌓이면 거의 정지된다고 보아도 된다. 따라서 한냉지, 고랭지라도 눈이 많이 쌓이는 지역에서는 흙의 동결로 인한 피해가 작아지게 된다.

동해와 동상이 생기기 쉬운 흙

동상의 피해는 도로 포장에서 흔히 볼 수 있다. 포장면 하부에서 동상이 생기면 포장에 유해한 변형을 주게 된다. 노면에서의 동상량은 도로의 횡단방향에 불균일하게 생겨 거의 중앙부에서 최대가 되므로 도로 중앙선 부근에 큰 균열이 나타나게 된다.   또 동결부분에는 다량의 물이 집중되어 있고 봄철에 융해되므로써 노상, 노반이 연약화되어 지지력은 현저하게 저하된다. 아스팔트 포장에서는 트랙부분에 육각형의 균열이 생기는 동시에 침하가 발생된다.

일반적으로 동상은 모세관 상승높이가 크고 투수성도 적당히 큰 실트질 흙에서 가장 현저하게 나타난다.모래나 자갈과 같이 모세관 상승높이가 낮은 조립토나 점토와 같은 투수성이 낮은 흙에서는 발생되지 않는다.   동상이 발생되기 쉬운 흙의 투수계수는 k=0.001 cm/s 이며, 투수계수가 이 보다 작으면 하부에서의 물의 공급이 곤란해지므로 동상은 일어나지 않게 된다.

동상방지 대책

도로공사 등에서 동상을 방지하는 대책으로 다음과 같은 방법이 사용된다.

① 치환공법 : 동상이 발생되지 않은 재료와 치환한다.
② 단열공법 : 동상이 발생하기 쉬운 노상토의 온도저하를 감소시키기 위해 노반 밑에 단열층을 설치한다. 단열층으로 판상의 발포 폴리스틸렌이 사용된다.
③ 안정처리공법 : 동상이 발생하기 쉬운 흙에 시멘트나 석회를 혼합하여 그 성질을 변화시키거나 동결온도를 내리는 방법이다.
④ 배수로 등을 사용하고 지하수위를 저하시키는 방법도 있다.

건축물 기초와 동결심도

건축물 기초설계에서 동결심도를 따져야 하는 경우는, 기초가 지표면에 인접하여 형성될 때 얼마나 기초를 땅속에 근입시켜야 하는가 이다. 이 때 기준이 되는 기초의 근입깊이는 지표면부터 기초 슬래브 하단까지의 거리를 지칭한다. 동결심도가 기초에 악 영향을 미치는 것은 기초의 침하이다.

겨울철 얼어 붙어있던 땅이 봄철이 되어 융해될 때 땅은 연약해 지며, 이에 따라 기초는 침하할 수 있으며, 이때 상부 구조물은 하자가 발생한다. 따라서 기초슬래브 저면을 동결심도이하로 근입하여야 하는 이유가 여기에 있다. 동결깊이는 상기에서 기술한 바와 같이 흙의 종류 및 투수량, 지하수위등 건축물이 놓이는 주변 자연여건과 밀접한 관계를 가지고 있으므로, 지역별로 동결깊이를 분류하는 것은 무리가 있을 수 있으나 일반적인 토양에 대하여 지역별로 동결깊이를 산정한 조사사례를 소개하여 본다.

 

관련 규준

건설부에서 제정한 구조물 기초설계기준 (1987년)에 의한 동결심도 관련 규준을 살펴보면 다음과 같다.

( 참고로 이 설계기준은 1997년 개정되었는데, 이때 동결심도 내용이 삭제되었다.)

① 동상방지

동상을 일으키기 쉬운 성질을 갖고 있으며 동해의 염려가 있는 경우에는 기초바닥을 소요의 동결깊이 이하에 설치하든가 동상을 일으키지 않는 재료로 치환하여야 한다.

② 치환재료

치환재료는 동상을 일으키지 않는 성질을 가질뿐 아니라 설계하중에 대하여 소요의 지지력을 갖고 장기간에 걸쳐 변질되지 않는 것이라야 한다.

③ 치환깊이

치환깊이는 경험이나 조사결과에 의해서 결정된 동결깊이 또는 동결지수에 의해서 계산된 동결깊이까지 함을 원칙으로 한다.

④ 동결깊이

가. 제설된 도로에서 2월 하순경 조사구멍을 파고 구멍벽면에서 식별할 수 있는 얼음덩어리의 최저선을 측정하여 동결깊이로 한다.

나. 동결지수에 의하여 동결깊이를 결정하는 경우에는 다음식에 의해서 추정한다.

z = C √ F
z : 동결깊이 (cm)
C : 정수 (3~5)
F : 동결지수(℃ 일)

 

[해설]

동결작용은 흙중에 포화되어 있는 수분의 성질이 변화하여 일어나는 것이기 때문에 모래 또는 자갈같은 입자가 큰 흙에서는 일어나지 않고 실트(0.074mm이하의 세립토)와 같은 비교적 입자가 작은 흙중에서 일어나기 쉽다. 동해는 토질 특히 흙의 입도에 기인되는 경우가 대부분이다.

따라서 동해를 일으키기 쉬운 흙을 판정하기 위해서는 "카사그란드의 방법", "베스코우의 방법"및 "윌리스의 방법"등이 있다.

동결깊이의 결정은 건설부 도로조사단에서 우리나라 22개의 측후소와 농업기상관측분실 70개소 등 총 92개소의 기상자료에 의하여 최근에 만들어진 전국동결 지수도 및 동결지수표를 이용하여 동결지수를 산정하고 아래식에 의해 동결깊이를 구한다.

z = C √ F

z : 동결깊이 (cm)
C : 정수 (3~5)
F : 동결지수(℃ 일)

여기서 정수 C는 노면의 일조조건, 토질, 배수조건등을 고려하여 3~5의 값을 취한다. 가령 북쪽으로 향한 산악도로의 부분에서 용수의 침투가 많고 실트분이 많은 토질로된 노상의 경우에는 "5"를 취하고, 햇빛이 적당히 있고 토질조건 및 배수조건이 비교적 나쁘지 않으면 "3"을 취한다.

< 동결지수 산정 예 >
서울측후소 표고 : 85.5 m
계획지정의 가장 높은 표고 : 280 m
동결지수 : 736 °F
동결기간 : 61일

※ 수정동결지수
= 동결지수 ± 0.9×동결기간×표고차 / 100
= 736 ± 0.9×61×(280-85.5)/100
= 842 °F
= 450 ℃



자료출처 : 조망좋은 임진강