우리가 이용하는 건물과 도로 등 모든 구조물은 지반위에 놓이게 됩니다. 지구과학적 측면에서 봤을때 맨틀이라는 거대한 지반이 이동하여 지진이 발생하는 사실은 다들 알고 계실겁니다. 이렇게 땅속은 우리 눈에 보이지 않지만 수많은 움직임과 활동들을 하고 있는데요. 그중 한가지가 바로 동결심도입니다.
지반의 동결 발생조건
동결심도는 쉽게 말해 땅이 얼수 있는 깊이를 뜻하는 말로, 일단 물리학적으로 무엇인가가 얼려면 수분이 있어야 합니다. 그리고 그 수분을 공급되고 가두고 있을 토질이 형성되어야 하고, 마지막으로는 어는점 아래로 떨어지는 영하의 기온이 필요합니다. 이를 우리는 동상의 발생조건 3요소라고 부릅니다.
- 동상의 발생조건 3요소 – 수분의 공급, 토질조건, 영하온도
지반 동결의 진행과정
땅이 동결되는 것이 왜 중요한 고려사항일까요?
여름철 맥주캔을 단시간에 차갑게 만들기 위해 냉동실에 넣어보신 적이 있을 겁니다. 5분정도 있다가 맥주를 빼야 하는데 깜빡하고 맥주를 못 뺐을때 맥주캔이 터져 냉동실이 엉망인 경우가 종종 있었는데요.
이렇게 액체는 빙결 되었을 때 부피가 팽창하는 성질이 있습니다. 부피가 팽창하면서 맥주캔을 터트릴 정도로 큰 압력을 행사하는 것입니다.
땅속의 수분이 얼게 되면 지반의 부피가 팽창된 채로 추운 겨울을 유지합니다. 봄이 오고 지반이 녹으면 팽창되었던것이 수축됩니다.
이런 현상을 반복하게 되면 안정되어야 할 지반의 상태가 불안정한 상태로 바뀌게 되므로 구조물을 버티고 있는 지반의 지지력 또한 약해져 부등침하나, 벽체의 균열, 도로가 내려앉는 등의 구조물에 치명적인 결함을 유발하게 됩니다.
구조물의 기초나 도로를 설치할 때에는 동결심도를 고려해야 하는 까닭입니다.
동결심도(Freezing Depth) 깊이 구하는 방법
이 동결심도를 구하기 위해서는 먼저 동결지수와 수정동결지수를 구해야 합니다.
동결지수
도로 포장내의 동결관입 깊이를 산정하는 대표적인 척도로, 포장구조와 노상토를 동결시키는 대기온도의 강도와 지속기간의 누가영향(cumulative effect)으로 표시되는 그래프로부터 구합니다.
동결지수의 단위는 ℃ㆍ일을 사용하며, 동결되는 계절(12월~2월) 동안의 누가 온도ㆍ일에 대한 시간 곡선상의 최고점과 최저점의 차이로 나타냅니다.
수정동결지수
동결지수를 구할 때 사용된 온도자료는 기온을 측정하는 인근의 측후소에서 관측한 값을 토대도 작성이 됩니다. 따라서 이 측후소의 표고와 공사위치의 표고차이에 대한 보정을 해주어야 하는데요. 보정식은 다음과 같습니다.
설계동결깊이
설계동결깊이의 산정방법으로는 완전방지법, 감소노상강도법, 노상동결관입허용법이 있습니다.
그 중 “노상동결관입허용법”을 사용하며, 도로를 개설할 때 노상상태가 수평방향으로 심하게 변하지 않거나 흙이 균질한 경우에 적용되는 설계방법입니다. 이 산정방법은 노상 동결을 어느 정도는 허용하는 방법으로 가장 경제적이라고 할 수 있으며, 생애주기비용(LCC, Life Cycle Cost) 측면에서도 가장 유리하다 하겠습니다
설계동결깊이는 이 노상동결관입허용법에 따라 구한 최대동결깊이 Z값의 75%정도를 설계에 반영하게 됩니다.
여기서 F는 동결지수이고, C는 보정상수로서,
북쪽으로 향한 산악도로의 부분에서 용수의 침투가 많은 실트질의 토질로 된 노상의 경우에는 “5”를 사용하고, 햇빛이 적당히 있고 토질조건에서 배수조건이 비교적 나쁘지 않은 경우에는 “3”을 사용합니다. 그 중간은 “4”를 사용하면 됩니다.
전국동결지수선도(2003)를 이용한 동결심도 활용
세부적으로 위의 공식들을 이용해서 동결심도를 구해도 되지만 전국동결지수선도를 이용해서 해당 지역의 동결심도를 구해도 오차가 거의 없으므로 작은 규모의 구조물 설계시에는 전국동결지수선도를 활용해서 동결심도를 구할 수 있습니다. 단위는 mm입니다.
동상방지층
동상방지층은 보통 도로의 개설공사에 사용되며, 동결심도를 고려해서 도로포장 아래에 위치하는 노상에 동상방지층을 두어 지반의 동상으로 인한 피해를 방지하기 위해 설치합니다.
이 동상방지층은 구조적 능력을 가지고 있다고 보아 도로 설계시 기본 포장두께를 산정하고 난 후 구조적으로 고려하는 동상방지층의 두께를 반영해서 최종 포장 단면을 결정하게 됩니다. 그러므로 동상방지층의 품질확보에 신경을 써야합니다.
동상방지층 설치 판단시 고려사항
동상방지층은 무조건 반영하는 것이 아니라 몇 가지의 고려사항을 거쳐 설치여부를 판정하게 됩니다.
- 먼저 동결깊이를 고려해야 합니다. 포장의 두께가 동결깊이 보다 큰 경우에는 동상방지층을 생략합니다.
- 흙쌓기 구간의 경우에는 흙쌓기 높이가 2m이상인 경우엔 모세관현상으로 인한 수분의 상승이 2m까지 도달하기 어렵다고 보아 수분공급이 억제되어 동상방지층을 생략합니다.
- 비슷한 맥락으로 설계동결깊이를 구하고 나서 지하수위가 측정되었을 때 그 동결깊이와 지하수위의 높이차가 1.5m 이상일 때에도 수분공급이 억제된다고 보아 동상방지층을 생략할 수 있습니다.
동상방지층 재료
동상방지층은 동결되지 않는 재료를 사용해야 합니다. 동상은 실트(silt)질 지반에서 잘 발생하기 때문에 이와 반대로 투수가 잘되고 모세관 현상이 잘 발생되지 않는 세립분이 적은 “골재”를 주로 사용하게 됩니다.
동상방지층용 골재의 품질 판단 기준
동상방지층에 들어가는 골재의 품질관리에 힘써야 할 것입니다. 시공자나 감리는 이 동상방지층의 골재 품질을 시험하고 그 결과를 발주처에 승인받아야 할 사항으로 그 품질의 확보 판단 기준은 다음 표와 같습니다.
