1. 서 론
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
2.2 화강풍화토 물성 및 시료 형성 방법
2.3 실험 방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 가열-냉각 반복횟수 ()에 따른 영향
3.1.1 OCR = 1
3.1.2 OCR = 1.5
3.1.3 OCR = 3
3.2 삼축셀 내부 온도(T)에 따른 영향
3.2.1 OCR = 1
3.2.2 OCR = 1.5
3.2.3 OCR = 3
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 여름 및 겨울철에 발생하는 전력대란 등이 우리 일상생활에 영향을 미치는 중요한 이슈가 되었으며 전기에너지를 저감할 수 있는 신재생에너지원의 필요성이 나날이 증대되고 있다. 새로운 에너지원 중 지열을 활용하고자 하는 시도가 꾸준히 이어지고 있으며 지반공학 분야에서도 지열을 활용하였을 때 발생하는 영향에 대한 연구가 진행되고 있다(Brandl 2006; Ooka et al., 2007). 지열을 활용한 지중 열교환시스템의 지반구조물에 대한 사용이 점차 증가하고 있어 지반내 지중 열교환 시스템 설치로 인해 지반에 부과되는 강제 온도변화를 고려한 설계․시공․유지관리 기술의 정립이 요구되고 있다.
Abuel-Naga et al. (2006)은 온도변화가 가능한 압밀셀을 이용하여 Bangkok clay, Boom clay, MC clay에 온도변화를 가하며 압밀을 진행하여 OCR 값에 따른 온도변화 및 시료의 변형률을 검토한 결과 지반 내에서 온도 상승시 변형률이 증가하며 OCR 값이 증가한 경우에는 변형률의 차이가 점차 감소하는 것을 확인하였다. 또한 Abuel-Naga et al. (2007)은 Heater가 설치된 삼축압축 장치를 이용하여 점토에 가열-냉각 작용에 대한 체적변화와 온도 변화(25°C, 70°C, 90°C)에 따른 전단강도를 측정하였으며 온도 상승시 점토의 축차응력값이 점차 낮아지는 것을 확인하였다. Laloui (2004)은 카올린나이트를 온도변화 삼축압축실험하여 온도 및 구속압의 변화에 따라 체적 및 축차응력의 차이를 분석하였으며 OCR 값이 증가하면서 온도에 의한 축차응력의 영향이 감소하며 간극수압 또한 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Laloui et al. (2003, 2006)은 실험 및 수치해석을 통해 에너지 파일 적용 관점에서 온도변화에 따른 지반 거동에 관한 연구를 수행한 바 있으며 McCarteny et el. (2010)은 지열활용 지반구조물 적용시 지반의 거동에 관한 연구결과를 발표한 바 있다. 동결-융해 반복작용이 화강풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영향에 관한 내용을 다루었다. Yoo and Shin (2011)은 세립분 함유량을 변화시켜 다양한 시료조건을 조성한 후 동결-융해 시험 환경을 조성한 후 동결-융해 반복작용 사이클을 강제 부가하여 동결-융해 반복작용이 화강풍화토의 압축강도 특성에 미치는 영향을 연구하였다.
이와 같이 관련된 많은 연구가 수행된 바 있으나 지열활용 지반구조물 적용을 위해 필수적인 지반내 강제 온도변화가 흙의 물리적․역학적 특성에 미치는 영향에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 관련연구의 일환으로 화강풍화토를 대상으로 다양한 온도변화 조건을 구현하고 다양한 온도(T)변화와 가열-냉각 반복횟수(
)에 노출된 시료를 성형하여 각각의 OCR 조건(1, 1.5, 3)에 대한 비배수 삼축압축실험을 수행하여 그 결과를 토대로 온도변화가 시료의 응력-변형률-강도 톡성에 미치는 영향을 검토하였다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
본 연구에서는 우리나라의 대부분을 차지하고 있는 화강풍화토를 대상으로 CU-test를 진행 하였으며 시료가 다짐실험을 선행하여 확보한 최적함수비를 갖도록 일정하게 조성하여 온도조절이 가능한 삼축셀을 제작하여 실험하였다. Fig. 1에서와 같이 삼축압축셀 내부의 온도를 조절하기 위해 동파이프를 삼축셀 상판에 연결시켜 삼축셀 내부에 설치하였고 연결된 동파이프 내부로 항온수조에서 가열된 물을 지속적으로 순환시켜 삼축셀 내부 온도를 조절 가능하도록 하였다. 또한 K-type의 온도측정계를 설치하여 셀 내부의 온도를 확인하고 시료에 가해지는 온도를 측정 가능하도록 하였다. Table 1은 Fig. 1에 나타난 각각의 장비들의 용량 및 성능을 나열하고 있다.
2.2 화강풍화토 물성 및 시료 형성 방법
우리나라의 건설 환경을 고려하여 화강풍화토(Weathered granite soil; WGS)를 대상 시료로 선정하였다. 다양한 조건의 강제 온도변화를 반복 적용한 후 X-선 회절시험 등 화강풍화토에 대한 기본 물성을 분석하였다. Fig. 2에서는 화강풍화토의 X-선 회절분석한 결과를 나타내고 있으며 주파수의 크기에 따라 화강풍화토에 함유되어있는 성분이 나타나 있다. 실험에 사용된 화강풍화토는 수정, 장석과 아울러 운모(mica) 등의 광물을 주로 포함하는 것으로 검토되었다.
Fig. 3과 Fig. 4에서는 실험에 사용한 화강풍화토의 입도분포 곡선과 다짐곡선을 보여주고 있는데 통일분류법(USCS)에 따라 시험에 사용한 화강풍화토는 SM으로 분류되었었으며 삼축압축실험에서는 화강풍화토를 상대밀도 90%, 다짐도 90%를 갖는 시료를 제작하여 사용하였다. 화강풍화토의 다짐시험을 통해 확인한 화강풍화토의 최적함수비는 약 11%이였으며 일반적인 옹벽의 다짐도는 약 90%를 가지므로 10%의 함수비와 건조단위중량 20
을 가지도록 시료를 성형하였다. Table 2는 실험에 사용된 흙의 입도분포 특성 및 전단강도 정수 등 지반공학적 특성을 나열하고 있다.
시료 성형시 직경 5cm 높이 12cm를 가지는 몰드를 이용하여 4층 다짐을 하였으며 온도변화에 따른 시료의 비배수 거동을 삼축압축 시험을 통해 분석하기 위해 삼축압축 시험 장치를 이용하여 포화도가 95%이상 되도록 포화시킨 후 삼축셀 내부에 300kPa압력을 가하여 10시간 동안 압밀하였다.
Table 2. Material property of weathered granite soil | ||||||
soil | gradation | USCS | Max. dry unit weight
| Opt. water content
| Cohesion c(kPa) | Int. friction angle
|
Weathered granite soil |
| SM | 19 | 11.3 % | 8.0 | 35 |
(
)
(%)
2.3 실험 방법
온도변화에 따른 시료의 비배수 거동을 삼축압축 실험을 통해 분석하기 위하여 일정한 다짐도로 조성된 시료를 포화시킨 후 300kPa로 8시간 동안 압밀한 후 Fig. 5에서처럼 구속압을 300kPa, 200kPa, 100kPa로 변화시켜 OCR 값을 설정하였다. OCR값 설정 후 Fig. 6에서처럼 온도를 45°C 및 70°C로 가열-냉각 작용을 반복하여 OCR 값과 가열-냉각 반복횟수에 따른 비배수 화강풍화토의 축차응력과 간극수압의 변화를 비교 분석 하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 가열-냉각 반복횟수 (
)에 따른 영향
삼축압축실험 시 삼축셀 내부 온도 변화 횟수에 따른 시료의 축차응력 및 간극수압의 변화 모습을 비교하기 위해 삼축셀 내부온도(T)를 가열온도(
= 20°C, 45°C, 70°C) 및 냉각온도(
= 20°C)로 설정하여 셀 내부의 시료에 온도변화를 반복 적용(
= 1, 2, 3) 하였으며 이때의 각각의 OCR 값 1, 1.5, 3을 가질 때 축차응력 및 간극수압을 비교하였다.
가열온도 20°C인 실험 케이스의 경우 상온인 물의 온도가 20°C이므로 가열-냉각 반복 작용을 수행할 수 없기 때문에 20°C에서의 삼축실험 결과는 하나의 그래프로만 나타내었다.
지반 내의 온도가 증가할 경우 흙입자와 간극수가 각각 팽창하게 되는데 그 팽창률이 다르다. 물의 체적 변화가 흙입자보다 크기 때문에 큰 폭의 강제 온도 변화는 지반을 다소 교란시키는 효과를 가져온다. 다음 절에서 각 OCR에서 계측한 값을 정리한 축차응력 그래프와 간극수압그래프를 통해 더 높은 온도와 온도 변화 횟수가 많을수록 축차응력의 최대값이 작아지는 경향을 확인하고 간극수압이 증가하는 것을 알 수 있다.
3.1.1 OCR = 1
Fig. 7과 8는 화강풍화토에 대한 가열-냉각 반복사이클 횟수(
)에 따른 축차응력-축방향변형률(
) 곡선을 보여주고 있다.
OCR 값이 1일 때 삼축셀 내부 온도를 각각 20°C, 45°C, 70°C로 가열-냉각시키고 반복 적용한 횟수에 따른 축차응력값을 비교하고 있다. Fig. 6(a)은 삼축셀 내부 온도가 20°C인 경우로 온도변화 반복작용을 할 수 없기 때문에 하나의 축차응력 값을 가지고 있으며 Fig. 7(b)의 45°C에서의 축차응력값과 Fig. 7(c)의 70°C에서의 축차응력값 보다 크게 나타났다. Fig. 7(b)와 Fig. 7(c)에서는 가열-냉각 반복횟수가 증가하면서 축차응력값이 점차 감소하는 것으로 확인되었으며 반복횟수에 따라 최대 축차응력을 그린 그래프인 Fig. 8을 통해 동일한 결과를 더 명확하게 확인할 수 있다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=1)
with 
for various Temp (WGS)Fig. 9에서 각각에 온도에서 삼축압축 실험을 진행시 간극수압의 변화 모습을 나타내고 있다. Fig. 9(b), (c)에서는 45°C, 70°C에서 가열-냉각 반복 횟수가 증가하고 적용한 온도가 높은 경우 간극수압이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 온도가 높을수록 간극수압의 변화 크기가 커지는 것으로 나타나며 이는 온도가 높은 상태에서의 지반의 비배수 거동시 간극수압의 영향이 매우 크다고 판단할 수 있다. Fig. 10에서는 각 가열-냉각 반복횟수에 따른 간극수압 측정값이 수렴하는 점으로 경향선을 나타냈으며 가열-냉각 횟수가 증가할수록 간극수압은 점차 증가하는 것을 다시 확인하였다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=1)
with 
for various Temp (WGS)3.1.2 OCR = 1.5
OCR 값이 1.5인 경우는 삼축압축 실험 진행 시 시료를 300 kPa로 압밀을 수행후 200kPa로 구속압을 변경하여 내부 온도를 조절하고 축차응력을 적용하여 삼축실험을 수행하였다.
Fig. 11과 12에서는 OCR값이 1.5일 때 각각의 온도 20°C, 45°C 그리고 70°C에서의 가열-냉각 반복작용 횟수가 증가함에 따라 축차응력값이 어떻게 변화하는지 나타내고 있다. OCR값이 1일 때와 마찬가지로 가열-냉각작용 반복횟수가 증가함에 따라 축차응력값이 감소하는 경향을 나타내고 있으며 삼축압축 실험 시 구속압이 감소하였기 때문에 최대 축차응력값은 감소하였으며 가열-냉각 반복작용에 의한 최대축차응력의 변화율은 OCR값이 1일 때와 큰 차이를 나타내고 있지는 않다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=1.5)
with 
for various Temp (WGS)Fig. 13, 14은 OCR값이 1.5에서 각각의 온도(T°)20°C, 45°C, 70°C에서 가열-냉각 반복횟수(
)에 따른 삼축압축실험시 간극수압의 변화모습을 나타내고 있다. Fig. 13에서는 각각의 온도에서 반복횟수가 증가함에 따라 간극수압의 차이를 확인 가능하도록 그래프를 나타내고 있다. 온도가 증가하면서 간극수압 또한 증가하게 되며 가열-냉각 반복작용 횟수가 증가하면서 간극수압값이 점차 증가하는 추세를 나타내고 있다. Fig. 14에서는 간극수압 값이 수렴하는 지점인 축방향 변형률이 16%의 지점에서 간극수압 값을 나타내며 가열-냉각 반복 횟수가 증가하면서 점차 증가하는 경향선을 나타내고 있다. 이는 가열-냉각 반복작용이 증가하면서 시료 내부의 간극수압이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=1.5)
with 
for various Temp (WGS)3.1.3 OCR = 3
Fig. 15, 16에서는 OCR값이 3에서 각각의 온도(T°)20°C, 45°C, 70°C일 때 가열-냉각 반복작용을 통해 삼축압축 실험을 진행하여 나타난 축차응력값들을 비교하고 있다. OCR값이 3이기 때문에 300kPa로 압밀 후 구속압을 100kPa로 설정하여 온도변화 작용과 삼축압축실험을 수행 하였다. Fig. 15에서는 각각의 온도(T°)20°C, 45°C, 70°C에서의 축차응력 그래프를 나타내고 있으며 가열-냉각 반복횟수가 증가하면서 각각의 온도에서의 축차응력값이 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 16에서는 최대축차응력값을 통해 가열-냉각 반복작용에 의한 축차응력 변화 경향을 나타냈으며 OCR 3에서도 가열-냉각 반복작용에 의해 축차응력값이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=3)
with 
for various Temp (WGS)Fig. 17, 18는 OCR 3에서의 삼축압축실험시 간극수압의 변화 모습을 나타내고 있다. 가열-냉각작용이 증가함에 따라 간극수압값도 점차 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 OCR 3에서의 간극수압은 Fig. 9, 13에서의 OCR이 1과 1.5에서 간극수압 보다 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 가열-냉각 반복작용 횟수가 3일 때가 반복작용 횟수 1, 2일 때보다 차이가 크게 나타났다. 이는 가열-냉각 반복작용 횟수가 시료 내부의 간극수압에 많은 영향을 준다는 것을 보여준다. Fig. 18에서는 간극수압 수렴값을 가열-냉각 반복횟수에 따라 나타냈으며 가열-냉각 반복횟수가 증가함에 따라 간극수압도 올라가는 것을 확인할 수 있다.
curves with no. of heating-cooling cycle 
(WGS) (OCR=2)
with 
for various Temp (WGS)3.2 삼축셀 내부 온도(T)에 따른 영향
압밀 비배수 실험을 통해 삼축셀 내부 온도 변화에 따른 시료의 응력 및 간극수압을 측정하기 위하여 OCR 값이 1, 1.5, 3에서 가열-냉각 반복횟수(
) 1, 2, 3회를 가질 때 삼축셀 내부 온도(T°)변화(20°C, 45°C, 70°C)에 따른 비교를 하였다. 시료의 온도변화에 따른 직접적인 영향을 비교할 수 있으며 온도변화에 따라 시료의 응력 및 내부 간극수압의 변화를 분석하였다.
3.2.1 OCR = 1
OCR 1일 때 300kPa로 압밀 작용 후 구속압을 300kPa로 작용하여 온도변화 및 삼축압축실험을 수행하였다. Fig. 19, 20에서는 각각의 가열-냉각 반복횟수(
)1, 2, 3에서 온도변화에 따른 축차응력값의 변화를 나타내고 있다. Fig. 19의 (a)는 가열-냉각 반복작용 횟수가 1회일 때 온도변화에 따른 축차응력 값의 변화를 나타내고 있으며 (b)는 가열-냉각 반복작용 횟수가 2회 (c)는 3회일 때의 온도변화에 따른 축차응력 값의 비교를 나타내고 있다. 온도가 증가하면서 축차응력값은 점차 감소하였으며 가열-냉각 반복작용이 증가함에 따라 축차응력의 차이도 점차 증가하였다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=1Fig. 20은 OCR 1에서의 온도변화에 따른 간극수압의 변화를 비교하고 있다. 온도가 증가하면서 시료내부에 작용하는 간극수압은 증가하였다. 또한 가열-냉각 반복작용 횟수가 증가하면서 간극수압의 차이도 점차 증가하는 것을 확인하였으며 온도변화가 시료의 비배수 거동시 간극수압 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=13.2.2 OCR = 1.5
OCR 1.5일 때는 300kPa로 시료를 압밀 후 200kPa의 구속압을 작용하여 온도변화 및 삼축압축 실험을 수행하였다. 그 결과 Fig. 21의 그래프와 같이 OCR값이 1일 때와 마찬가지로 온도가 증가하면서 축차응력값이 감소하였으며 가열-냉각 반복작용 횟수가 증가할수록 변화폭 또한 증가하였다. 이는 온도변화가 지반의 응력변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단할수 있다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=1.5Fig. 22는 온도변화에 따른 삼축압축 실험 수행 시 간극수압의 변화와 경향을 나타내고 있다. OCR 1에서와 같이 OCR 1.5에서도 온도 상승으로 인해 간극수압이 증가하고 있으며 경향 또한 흡사하게 나타나고 있다. 온도상승은 간극수압의 증가에 직접적인 영향을 미치고 있으며 온도가 점차 증가할수록 간극수압의 변화 폭 또한 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=1.53.2.3 OCR = 3
Fig. 23, 24는 OCR 3에서의 온도변화에 따른 삼축압축 실험 수행 시 나타나는 축차응력을 비교하고 있다. OCR 1, 1.5일 때와 동일하게 온도가 증가하면서 축차응력 값이 감소하는 경향을 보이고 있으며 온도가 20°C, 45°C의 차이보다 45°C와 70°C에서의 축차응력값의 차이가 더 크게 나타나는 것을 보여주고 있다. 이는 OCR 값이 증가하면서 온도변화에 의한 축차응력값에 미치는 영향이 점차 커지는 것을 확인할 수 있으며 가열-냉각 반복작용 횟수가 증가함에따라 온도에 따른 축차응력 변화폭도 증가하는 것으로 확인된다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=3Fig. 24은 OCR값을 3을 가질 때 각각의 온도에서 삼축압축 실험 수행 시 발생한 시료 내부의 간극수압을 비교 하였다. 비배수 조건에서 온도가 증가할수록 시료 내부의 간극수압은 증가하게 되고 시료에 축방향 하중을 가할시 온도가 높은 상태에서의 간극수압의 변화 폭이 그래프 상에서 더 크게 나타난다. 또한 가열-냉각 반복횟수(
)가 증가할수록 변화폭과 간극수압의 증가가 Fig. 24의 그래프를 통해 알 수 있다.
curves with no. of temperature (WGS) OCR=34. 결 론
본 연구에서는 다양한 OCR값을 가지는 지반에 부과되는 온도변화(
T) 및 가열-냉각 반복작용 횟수(
)가 흙의 비배수 거동에 미치는 영향에 대한 고찰을 위해 화강풍화토를 대상으로 온도변화 조건을 구현하고 이에 따른 흙의 응력-간극수압 변화 경향을 확인하였고 결과는 다음과 같다.
화강풍화토를 임의 온도에서 가열-냉각 반복 작용횟수(
)가 증가함에 따라 삼축압축 실험 수행 시 축차응력의 값이 점차 감소하는 것으로 검토되었다. 축차응력의 변화폭은 온도가 증가할수록 가열-냉각 반복 작용횟수(
)에 따른 축차응력의 변화 폭 또한 증가하였다. 특히 가열 온도가 45°C에서는 가열-냉각 반복 작용횟수가 증가하면서 최대축차응력 
값은 평균적으로 약 5%씩 감소하며 70°C에서는 평균적으로 12%씩 축차응력이 감소하는 것으로 나타나 가열-냉각 반복작용 
에 의한 흙의 강도 변화가 온도가 증가하면서 더 크게 나타나는 것으로 검토되었다.
화강풍화토의 비배수 상태에서 임의 반복 작용횟수(
)에 따라 간극수압 
의 변화를 분석한 결과 온도변화 반복 작용횟수가 증가할수록 간극수압은 점차 증가하며 축차응력 적용 시 간극수압의 변화 폭 또한 증가하는 것으로 나타났다. 또한 온도변화 반복작용횟수(
)가 1씩 증가할 때 마다 가열 온도가 45°C에서의 간극수압은 평균적으로 8kPa씩 증가하였으며 70°C에서는 15kPa씩 증가하는 추세가 나타나 가열-냉각 반복작용이 간극수압
의 증가에 큰 영향을 미치는 것으로 검토되었다.
임의 온도(T)에서 비배수 삼축압축실험시 최대축차응력 및 간극수압에 미치는 영향을 검토한 결과 화강풍화토에 온도가 증가함에 따라 축차응력
값이 감소하는 것으로 나타났으며 온도가 20°C~70°C로 변화함에 따라 최대 축차응력이 30%이상 감소하는 것으로 나타나 화강풍화토에 작용하는 온도에 의한 흙의 강도에 미치는 영향이 크게 나타났다. 또한 간극수압의 변화폭은 온도가 20°C에서 45°C로 변화할 때 보다 45°C에서 70°C의 차이가 크게 나타났으며 이는 온도가 높아질수록 간극수압에 더 큰 영향을 미치게 되는 것으로 검토되었다.
다양한 OCR 환경에서 온도변화 및 가열-냉각 반복 작용에 의한 화강풍화토의 비배수 삼축압축 실험 결과 온도의 증가와 가열-냉각 반복 작용횟수가 증가함에 따라 최대 축차응력 값은 감소하고 간극수압은 점차 증가하는 것으로 나타났다. 또한 OCR 값이 증가하면 시료에 작용하는 압력이 감소하여 축차응력값은 감소하였고 온도변화 및 온도변화 사이클에 의한 간극수압의 변화 폭은 감소하는 것으로 검토되었다.
