서리의 작용에 따른 토양 변형
서리가 작용하면 흐르지 않는 자유수는 0°C에서 얼며, 이때 부피의 9%만큼 팽창한다. 그러나 좁은 모세관 속의 물은 0°C에서 얼지 않고, -1°C에서 -78°C 사이의 더 낮은 온도에서 얼게 된다. 이 마지막 어는 온도는 미국에서 실시한 실험실 시험으로 확인되었다. 모세관이 더 좁을수록 어는 온도는 더 낮다.
토양에는 여러 방향으로 서로 연결된 공극이 있어 모세관을 이룹니다. 모래에서는 공극이 크고 넓은 모세관을 형성하며, 그 안에서는 물이 0°C 또는 그보다 약간 낮은 온도에서 얼어붙습니다. 물은 균일하게 얼면서 공극 내에 얼음 결정이 형성되고, 이때 부피 증가가 9%에 이르더라도 토양에 큰 변형을 일으키지 않습니다. 세립질 토양에서는 공극이 더 작고 좁은 모세관을 형성하며, 그 안의 물은 0°C보다 낮은 온도에서 얼어붙습니다. 그러나 표층에서는 토양이 항상 더 느슨하고 더 큰 공극을 가지므로, 그 안의 물은 0°C에서 얼어붙어 얼음 결정을 형성합니다. 이 결정들은 소위 _결정화력_이라고 하는 큰 힘으로 좁은 공극의 냉각된 물을 끌어당깁니다. 이렇게 끌려온 물이 얼음 결정과 접촉하여 스스로 얼고, 얼음 결정의 부피를 증가시켜 얼음 렌즈가 되는데, 그 두께는 약 0,1에서 10 mm 정도가 될 수 있습니다. 형성된 얼음 렌즈는 동결 작용 동안 상당한 토양 변형을 일으키며, 특히 불리한 조건에서는 30 및 50 cm까지 이를 수 있습니다.
서리 작용으로 인한 토양 변형의 발생과 크기는 주로 다음 3가지 요인에 좌우된다:
-
지하수위
-
서리 지속 시간.
Ad 1) 입도 조성의 관점에서 보면, 동결의 영향은 세립토에서 가장 크게 나타난다. 이 토양은 공극이 충분히 작아 좁은 모세관을 형성할 수 있고, 동시에 투수성이 충분히 커서 동결 작용 동안 물이 빠르게 순환할 수 있다. 이러한 토양은 동결에 가장 민감하며, 발현 속도와 변형의 크기 측면 모두에서 그렇다. 이는 주로 크기 0,02-0,002 mm의 입자로 이루어진 실트질 토양이다. 크기 >0,02 mm의 입자는 모세 상승 높이가 낮고, 크기 < 0,002 mm의 입자는 모세 상승이 느리므로, 두 경우 모두 동결 지속 동안 동결 영향 구역으로 유입될 수 있는 물의 양은 적다. 점성토가 < 25%의 입자 크기 < 0,002 mm를 가진 입자를 포함하는 경우, 토양의 투수성은 매우 낮고 공극 내 물의 순환이 매우 느려서, 얼음 렌즈가 끌어당겨지기 전에 공극 내에서 먼저 얼어버린다.
Ad 2) 토양의 입도 구성에 관한 조건 외에도, 동결에 의한 토양 변형이 발생하려면 또 하나의 조건이 충족되어야 합니다. 즉, 동결 작용이 미치는 영역으로 물이 공급될 가능성이 있어야 합니다. 이 조건이 충족되지 않으면, 다시 말해 토양의 모세관이 동결 기간 동안 그 안을 계속 흐르는 물과 연결되어 있지 않으면, 토양의 입도 구성이 어떠하든 동결 변형은 발생하지 않습니다.
지하수위가 높을수록 동결 작용으로 인한 토양 변형 가능성은 더 커집니다. 지하수위가 해당 토양의 모세 상승 높이보다 더 깊으면, 동결 작용에 의한 변형은 미미합니다.
Ad 3) 동결의 지속 시간이 길수록 더 크고 많은 렌즈가 형성되므로 동결에 의한 변형도 더 커진다. 강하고 짧은 동결은 변형을 적게 일으키는데, 이 경우 공극 내 물이 급격히 얼고 모세관 수분 이동이 중단되기 때문이다. 반대로 중간 정도이거나 장기간 지속되는 동결은 얼음 렌즈가 방해받지 않고 형성되므로 더 큰 변형을 일으킨다.
제빙의 영향
해빙 시에는 먼저 표층토 상부의 얼음 렌즈가 녹고, 그 바로 아래에는 동결된, 따라서 불투수성인 층이 남아 있다. 녹은 얼음 렌즈는 다량의 물을 생성하지만, 이 물은 동결된 하부 층을 통해 스며들 수 없으므로 표층의 이러한 증가한 수분은 토양을 과포화시키고, 이를 유동성 덩어리로 만들어 어떠한 강도도 갖지 못하게 하며, 압력에 의해 측방으로 밀려나간다. 해빙 작용으로 인한 지반 변형은 상당할 수 있으며 경우에 따라 위험할 수 있다. 이러한 변형은 철도 노반 절개부와 도로에서 흔히 나타나며, 봄철에는 녹은 얼음 렌즈로 인한 물로 지반이 과포화되어 사면이 부분적으로 미끄러지기도 하고, 또한 교통 하중 아래에서 포화로 인해 지지력을 잃은 지반 위의 도로 포장이 변형되기도 한다.
토양에 대한 서리 영향 평가 기준
서리의 작용이 여러 종류의 토양에 미치는 영향을 연구한 결과, 동결 거동의 관점에서 토양은 두 가지로 구분해야 한다는 결론에 이르렀다. 안전한 토양과 서리에 위험한 토양.
_동해에 안전한 토양_은 동결 기간이 아무리 길어도 얼음 렌즈가 형성되지 않는 토양을 말한다. 이러한 종류의 토양에서는 공극 내 물이 얼고 얼음 결정이 형성될 뿐이며, 동결 작용에 따른 변형은 미미하다. 이 그룹에는 자갈, 모래 및 이와 유사한 토양이 포함된다.
_동결에 취약한 토양_은 얼음 렌즈가 형성되어 그 결과 큰 변형이 발생할 수 있는 토양을 말한다. 동결 작용 중 표층에 얼음 렌즈 형태로 축적된 물은 또한 융해 작용도 일으킨다. 이 그룹에는 일부 실트질-점토질 토양, 특히 실트질 토양이 포함된다.
지반의 동결 저항성을 평가하기 위한 여러 기준이 있으며, 그중 가장 잘 알려진 것은 아서 카사그란데와 루클리의 기준으로, 여기서는 이를 설명한다.
Casagrande의 기준 A
이 기준은 토양의 입도 조성에 기초하며 다음과 같다:
a) 입도 균일한 토양의 경우, 불균등계수 U < 5인 토양은 10%보다 작은 입자의 함유량이 0,02 mm보다 많으면 동상 위험이 있다.
b) 불균일성 정도 U > 15인 불균일한 토양의 경우, 3%%를 초과하는 0,02 mm보다 작은 입자를 포함하면 그 토양은 동상에 취약합니다.
비록 이 기준은 오랫동안 적용되어 항상 신뢰할 수 있는 결과를 주었지만, 그 결점은 토양의 입도에만 근거하고 토양 내 동결 작용에 영향을 미치는 다른 요인들을 고려하지 않는다는 점이다. 따라서 오늘날 이 기준은 지나치게 엄격하고 비경제적이라고 본다.
루클리예프 기준
이 방법에 따르면 토양은 고형 입자의 경도에 따라 두 분획으로 나뉘는데, 즉 입경 d > 2 mm의 조립분획과 입경 d < 2 mm의 세립분획으로 구분한다. 동결에 대한 토양의 안정성을 평가하기 위해 세립분획의 양과 조립분획의 양 사이의 관계를 설정하며, 이 관계는 하한과 상한으로 제시된다(그림 1).
하한은 충전재의 건조 중량에 대한 직경 d < 0,02 mm의 고체 입자, 즉 0-2 mm 입자의 최대 허용 비율을 나타내며, 이 값 이하에서는 높은 지하수위, 불리한 기후 조건(장기 동결) 및 토양의 큰 자연 함수율과 같은 불리한 조건에서도 서리로 인한 실질적인 손상이 발생하지 않는다.
상한은 건조된 미세립 분획의 중량 대비 d < 0,02 mm 입자의 허용 최대 비율을 의미하며, 지하수위가 낮고, 기후 조건이 양호하며(단기간의 동결), 토양의 자연 함수율이 낮은 경우에는 사실상 동해 피해가 발생하지 않습니다.
그림 1 Rukli 기준에 따른 동결 시 토양 위험성 평가의 하한 및 상한 경계
토양에서의 동결 작용에 대한 보호
토양에서의 동결 깊이는 지역의 기후 조건에 따라 달라진다. 우리나라에서는 대체로 지표면 아래 0,8에서 1,0 m이다. 따라서 기초가 1,0 m와 같거나 더 깊게 놓인 구조물은 동결의 영향을 받지 않는다.
도로 포장과 같은 얕은 기초 구조물은 동결의 영향을 받으며, 이로 인해 동결 시와 해빙 시 모두 포장에 더 큰 변형과 손상이 발생할 수 있다. 따라서 도로 및 공항의 활주로를 시공할 때에는 동결 작용에 대한 토양 조사가 필요하며, 기초 지반이 동해에 취약한 경우 보호 조치를 취해야 한다. 도로와 공항 포장에서 가장 효과적인 조치는 보조층을 설치하는 것이며, 그 두께는 포장 전체 두께와 보조층의 합이 중차량 교통의 경우 0,80 m에서 경차량 교통의 경우 0,60 m가 되도록 정한다. 대개 포장 아래 0,30 m의 보조층 두께면 동결 작용에 대한 충분한 보호가 된다.
보조층의 재료는 보통 모래 또는 사질 자갈이며, 다음 조건을 충족해야 합니다:
소성지수 IP < 5
d < 0,02 mm인 분획의 함량은 3%보다 작다
불균질도 U > 7.
완충층 상부는 두께 20 cm에서 불충분한 다짐과 제한된 지지력 때문에 균질하고 미립의 모래여서는 안 됩니다. 이 구간에서는 완충층이 30-70%의 입자와 입도 2-30 mm의 사질 자갈이어야 합니다. 30 mm보다 큰 입자는 권장되지 않습니다.
얕게 기초한 담장은 토양의 동결 영향도 받게 되며, 그 결과 기울어지고, 이러한 동결 작용이 반복되면 시간이 지나면서 전도 및 붕괴로 이어진다. 따라서 토양이 서리 피해를 받는 경우, 이러한 벽은 1,0 m 깊이에 기초해야 한다.