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Ⅰ. 개 요

도로건설시 포장의 강도를 크게 약화시켜 포장의 서비스 능력을 감소시키는 동결융해는,

- 동결시에 나타나는 동결작용과

- 해빙기에 나타나는 융해작용으로 나눌 수 있다.

가. 동결의 영향

: 0℃ 이하의 저온이 지속되면, 지표에 있는 물이 얼어서 서릿발이 생기며,

서릿발은 모관수의 흡입작용이 증대되면서 점점 체적팽창을 일으키게 되고,

최적팽창으로 인해 노면의 융기현상 발생

나. 융해의 영향

: 해빙기인 봄에는 지중의 서릿발이 녹은 융해수가

하부의 동결층에 의해 배수가 방해를 받음으로서

노상 및 보조기층이 포화상태가 되고, 지지력이 저하하게되며

이때 중차량 통과시 국부적 침하와 거북등 균열이 발생

Ⅱ. 동결 지배요소

1. 동결의 영향요소

가. 포장층과 노상재료의 세립자 함유비율

나. 포장구조내 수분공급원의 존재유무

다. 포장구조의 배수능력 등에 의해 영향

라. 동결시 대기온도

마. 해빙기의 융해진행속도 및 형식

2. 동결을 일으키기 위한 조건

가. 토 질

1) 실트질(0.074mm 이하의 세립토)을 함유한 흙

2) 토립자의 입도, 흙의 밀도, 소성한계, 투수계수, 열전도율에 따라 다르게 나타남,

3) 토립자의 입도가 가장 중요한 요소임.

나. 토양중의 함수비

1) 수분(물)의 공급이 충분한 경우

2) 함수비가 클수록, 지하수위가 높을수록 동결이 쉽다.

다. 온 도

1) 온도가 0℃ 이하일 것

2) 지표면의 온도, 지하수의 온도 이외에 흙의 열전도율의 영향을 받는다.

3. 동결깊이의 산식

Z = C√F 여기서, Z : 동결깊이(cm)

C : 정수(3～5)

F : 동결지수(℃․일)

(건교부 조사단이 발표한 동결지수표에 의함)

Ⅲ. 동상 방지대책

1. 설계방법

가. 완전방지법

1) 동결깊이까지 비동상 재료로 설계하는 방법

2) 비경제적임

3) 연약지반 포장설계시 적용

나. 감소노상강도법

1) 설계기준 설정에 어려움이 있고,

2) 포장두께가 동결지수와 직접적인 함수관계가 아니므로 잘 사용치 않음

다. 노상동결관입허용법

1) 노상 동결을 어느정도 허용하는 방법

2) 동결지수와 직접적인 함수관계인 본 설계방법을 많이 사용

: 세가지 방법중 완전방지법은 비경제적이므로 특수한 경우에만 사용

감소노상강도법은 우리나라에 설계적용 곤란,

노상동결관입 허용법을 국내도로 설계법에 일반적으로 적용

2. 동상 방지공법

가. 치환공법

1) 소요깊이까지 동상을 일으키지 않는 재료로 치환하는 방법

2) 포장두께보다 동결깊이가 깊을때

그 차이 만큼 노상동결 관입허용법을 적용 비동결 재료로 치환

3) 동상을 일으키지 않는 재료

- #4체 통과분중 #200체 통과량이 15%이하인 부순돌

- #4체 통과분중 #200체 통과량이 9%이하인 막자갈

- #200체 통과량이 6%이하인 모래

나. 차단공법

1) 지하수위를 저하시키거나 성토를 하여 동상에 필요한 공급수를 차단하는 공법

2) 모관수의 상승을 차단하기 위해 Soil Cement나 Asphalt로 안정처리

다. 단열공법

: 포장 바로 밑에 기포콘크리트층으로 단열층을 만들어 흙의 온도저하를 적게하는 공법

라. 안정처리공법

1) 동결온도를 낮추기 위해 지표부 흙을 화학적으로 안정처리하는 것

2) Nacl, Cacl2, Mgcl2 등을 혼합하여 화학적 안정처리

Ⅳ. 결 론

1. 동결융해방지를 위해서는 노상 및 포장층에 용수공급을 차단하는 것이 가장 중요한 것으로 판단되므로,

가. 노선선정시 : 햇볕을 많이 받는곳, 배수가 용이한 지형으로 선형계획

나. 설계시 : 배수계획 철저

노면수의 침투 및 지하수의 상승 차단토록 설계 (맹암거 설치)

다. 시공시 동상을 일으킬 수 있는 깊이는 비동결재료로 치환

라. 공용시 배수시설에 대한 도로유지관리를 철저히 시행

마. 단열, 차수, 화학약품처리공법에 대한 지속적인 연구 필요.

2. 또한 단지내 도로, 주차장 등의 포장설계시

동결심도를 감안하지 않는 경우가 빈번함으로 특히, 유의하여 설계할 것

Ⅰ. 차단층

1. 개요

1) 차단층은 배수층 역할을 하는 입상재료 기층과 보조기층 또는 집수 시스템(맹암거, 지하 배수구 등)이 노상토 침입에 의하여 막히는 것을 보호하고, 지하수위를 낮추기 위한 수단으로서 적정 입도와 투수성을 가지는 15～30cm두께의 선별 입상 재료 또는 토목섬유(geotextile)을 사용하여 보조기층과 노상면 사이에 설치한다.

2) 차단층 재료는 투수성이 좋아야 하며 세립토사를 통과시키지 않는 것이라야 한다. 적용재료로는 굵은 모래나 막자갈이 많이 사용되는데, 입경은 다음 조건을 만족해야 한다.

2. 차단층의 재료조건

1) 차단층 재료보다 세립한 노상토가 배수기능의 입상층으로 이동하거나 용출(piping)되어 막히는 것을 방지하기 위해서는 다음 조건을 만족해야 한다.

2) 차단층 재료가 노상토에 비해 충분한 투수성을 가져서 저항 없이 물을 통과시키기 위해서는 다음 조건을 만족해야 한다.

D15 , D85 입도 누가곡선에서 통과 백분율이 각각 15%, 85%에 해당하는 입경(mm) 또한 , 차단층 재료의 절감과 보다 효율적인 차단 효과를 얻기 위해서 입상재료와 토목섬유의 재료를 병행하여 사용할 수 있다.

3) 토목섬유 재료가 노상토에 의해서 막히지 않기 위한 조건

4) 토목섬유 재료가 노상토에 비해서 충분한 투수성을 가지기 위한 조건

여기서, De = 토목섬유의 유효 구멍크기

Kg = 노상토의 수직 투수계수(m/sec)

Ks = 토목섬유의 수직 투수계수(m/sec)

Ⅱ. 동상방지층

1. 개요

1) 동상방지층은 포장을 동결(凍結)로부터 보호해야 하며, 따라서 그 재료는 자갈 또는 모래와 같은 비동결 재료로서 동결에 의한 분리현상이 생기지 않는 것이어야 한다.

2) 동상방지층은 투수성이 있어 빙막의 형성을 방지하여야 하므로 사용재료는 다음의 요건에 맞는 것이어야 한다.

2. 동상방지층의 재료조건

1) 최대입경 : 동상방지층에 사용될 골재의 최대 입경은 100mm를 초과할 수 없다.

2) 세립토 함유량 : 동상방지층에 사용될 재료는 직경 0.02mm 이하의 세립토 함유량이 3%이하여야 하며, 0.074(No. 200)체를 통과한 재료의 함유량이 15%이어야 한다.

3) 모래 당량 시험값은 20%이상이어야 한다.

Ⅳ. 결론

1. 동결영향과 지하배수를 동시에 고려할 지역인 경우 차단층과 동상방지층 기능을 동시에 가지는 선택층(Selected material layer)으로 설계한다.

2. 선택층 재료의 품질은 부순돌, 하상골재, 슬래그 또는 감독원이 승인한 재료 또는 혼합물로서 이토, 실트, 유기불순물 등을 포함하지 않은 비동결 재료이어야 하며, 다음 규정에 맞는 것이어야 한다.

Ⅰ. 개 요

1. 대기의 온도가 0℃ 이하로 내려가면 지표면의 물이 얼기 시작하고 추위가 심하면 땅이 어는 깊이가 깊어진다. 이와 같이 땅이 얼어 지표면이 부불어 오르는 현상을 동상(Frost Heave)라 한다.

2. 도로 건설후 동상에 대한 고려가 미흡한 경우 포장체의 균열이 발생되며 해빙기 융해(Frost Boil)가 발생될 경우 포장체의 강도저하로 포장의 서비스능력이 저하되어 공용기간의 확보가 어렵게 된다.

3. 따라서 이에 대한 충분한 검토 설계가 필요하다.

Ⅱ. 동상 및 융해의 발생원인

1. 동상의 원인

1) 0℃ 이하의 온도가 상당기간 지속될 때 지표에 가까운 물이 얼어 서릿발

(Icelense)이 발생

2) 지층에 지하수위가 존재하고 토질이 모관수를 발생시키는 조건일 때 서릿발의 체적이 증가

3) 위 영향으로 노면이 융기되어 포장체의 균열이 발생

동상 메케니즘의 개요도

동결․융해 과정에 따른 노상의 강성도 변화 개념도

2. 융해의 원인

1) 해빙기 지중의 서릿발이 상부에서부터 녹기 시작한다.

2) 이때 하부층은 동결상태로 상부층의 융해수의 배수를 방해

3) 위 영향으로 상부층 지지력이 약화되어 중교통량에 의해 국부적인 침하와 균열발생

Ⅲ. 동상의 지배요소

1. 토질조건

1) 모관수 발생이 쉬운 실트질

2) 토립자가 0.02㎜체 통과량이 3%이상 토질

2. 기온의 영향

1) 0℃ 이하의 온도가 지속

2) 흙의 배열 및 열전도율의 영향

3. 물의 영향

1) 아이스렌스(Ice Lense)를 형성할 수 있는 물의 공급

2) 지하수위가 높고 함수비가 큰 경우

Ⅳ. 동상 방지대책

1. 차단공법

1) 지하수위의 저하, 성토고 조정

2) 모관수 차단조치(soil cement, Asphalt 안정처리 등)

2. 단열공법

1) 포장체 밑에 단열재 설치

2) 스치로폴, 기포 콘크리트층

3. 치환공법

1) 동상이 잘 일어나지 않는 재료로 치환

2) 일반적인 재료조건

․모래 : 0.074㎜체 통과분 6% 이하

․막자갈 : 0.074㎜체 통과분이 4.76㎜체 통과분의 9% 이하

․깬자갈 : 0.074㎜체 통과분이 4.76㎜체 통과분의 15% 이하

4. 안정처리공법

1) 동결온도를 낮추기 위한 조치

2) 흙에 등을 섞어 화학적 안정처리

5. 동상을 고려한 설계

1) 개념

① 동결작용에 의한 노면 변위량을 방지 :

포장층과 비동결성 기층의 합계가 동결깊이 보다 두꺼운 깊이로 설계하는 방법

② 동결 시기에 적절한 지지력의 보유 :

지반의 동결을 허용, 동결 및 해빙 기간중 감소되는 지반강도를 예상 기층 두께로 증가시키는 설계 방법

2) 설계방법

Ⅵ. 결 론

1. 동결융해방지를 위해서는 노상 및 포장층에 용수공급을 차단하는 것이 가장 중요한 것으로 판단되므로,

가. 노선선정시 : 햇볕을 많이 받는곳, 배수가 용이한 지형으로 선형계획

나. 설계시 : 배수계획 철저

노면수의 침투 및 지하수의 상승 차단토록 설계 (맹암거 설치)

다. 시공시 동상을 일으킬 수 있는 깊이는 비동결재료로 치환

라. 공용시 배수시설에 대한 도로유지관리를 철저히 시행

마. 단열, 차수, 화학약품처리공법에 대한 지속적인 연구 필요.

2. 또한 단지내 도로, 주차장 등의 포장설계시 동결심도를 감안하지 않는 경우가 빈번함으로 특히, 유의하여 설계할 것