저작자표시-비영리-동일조건변경허락 2.0

(1)

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(2)

(3)

을 의 으로 함.

本論文崔憲雨工學碩士學位論文認准

위원장 공학박사 김 태 형 ( ) 인 위 원 공학박사 서 영 교 ( ) 인 위 원 공학박사 최 경 식 ( ) 인

년 월

2011 5

한국해양대학교 대학원

해양공학과

최 헌 우

(4)

- i -

목 차

< >

(5)

- ii -

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(6)

- iii -

(7)

- iv -

그림 목차

< >

토목섬유를 이용한 모관상승 억제 폐EPS 골재

경량점토골재 유리골재

현장에서 스티로폼(XPS)를 현장토와 혼합하는 장면 재활용 동상방지재료 현장 포설 모습

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(8)

- v -

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(9)

- vi -

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(10)

- vii -

표 목차

< >

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(11)

- viii -

Abstract

Recently the world is suffering from the difficulty in demand and supply of energy due to the democratic movements sweeping across the Middle East.

Subsequently, the world is putting the eyes on never-developed extreme places such as polar lands or deep sea where a lot of underground resources are deposited.

Especially in Antarctica so-called the last repository of natural resources, 6 billion tons of gas hydrate, called as future energy, was recently discovered by research teams. Moving in line with it, Korea is planning to construct ‘Jangbogo Station’, the second Antarctic research station, different from ‘Sejong Research Station’ that has been concentrating on the research for antarctic lives and fishery resources, at Terra Nova Bay located in the Southeast Antarctica, using cold extremity

(12)

- ix -

construction methods with a goal to complete by 2014. However the eternal frost region has completely different construction environments condition such as weather, climate, engineering characteristic of the ground, cultural geography and custom from those of Korea or other regions. Therefore, applying the basic knowledge of normal ground construction methods to the eternally-frozen ground may cause unreasonable results, so more systematic and professional studies of frozen ground are necessary.

This research investigated the strength value and initial elastic modulus value of the eternally-frozen ground through uniaxial compression test and indirect tensile test using frozen artificial soil specimen. For the accuracy of the test results, the sandy-mud mix of standard Jumunjin sand and 20% in weight of kaolinite was used as the specimen of these laboratory tests. The specimen was prepared by varying the water content ratio of 7%, 15% and 20%, then the variation of strength value depending on the water content was observed. This research also established three kinds of environments under freezing temperature of -5 , -10 and -15 , then observed the variation of strength value depending on the freezing environments. In addition, the tests were divided the loading rate into 6 phases and observed the variation of the stress-strain ratio depending on the loading rates.

The result of test data showed the conclusions that the lower the freezing temperature, the larger the strength value; the increase of the ice content in the specimen according to the increase of water content ratio makes influence on determining the strength value of the specimen; the faster the load rate the more of influence on the strengths of uniaxial compression and indirect tensile of the frozen specimen and produce the different strength engineering property through initial tangential modulus of elasticity. Finally long-term strength under contain water content ratio and freezing temperatures was checked through producing stress-strain ratio curves depending on the loading rate.

(13)

- 1 -

서 론 1.

연구배경 및 목적

1.1

(14)

- 2 -

(15)

- 3 -

극한지 건설공법 1.2

동상방지공법 1.2.1

⁽ ⁾

토목섬유를 이용한 동상방지 기술 1.2.1.1

(16)

- 4 -

⁽ ⁾

폐기물을 이용한 동상방지 기술 1.2.1.2

(17)

- 5 -

(18)

- 6 -

⁽ ⁾

(19)

- 7 -

지반동결공법

1.2.2 (ground freezing method)

공법 개요

1.2.2.1

(20)

- 8 - 공법 특징 및 적용분야

1.2.2.2

⁽ ⁾

(21)

- 9 - 시공방법 및 장비

1.2.2.3

⁽ ⁾

(22)

이론적 배경 2.

동결토의 일반적 성질 2.1

⁽ ⁵⁾

⁽

⁵⁾

⁽ ⁵⁾

(23)

⁽⁵⁾

동상 메커니즘 2.1.1

⁽ ⁶⁾

(24)

⁽⁶⁾

(25)

동결토의 물리적 성질

2.1.2 ⁽ ⁵⁾ ¹

_ 

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(26)

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(27)

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__ __

_  _

동결토에 영향을 미치는 요소

2.2

(28)

토질 2.2.1

⁽⁷⁾

⁽⁵⁾

동결 온도 2.2.2

⁽⁸⁾

(29)

1 2 3 4 5 유

형

콘크리트 모양의 동결

미세한 서리모양의

콘크리트 동결

미세한 서리

모양 서리 모양 서리 기둥

모양

형 상 설 명

빙정이 확인되지

않음

일부에 빙정이 가늘다

빙정이 매우 가늘고 촘촘함

1 2mm∼ 두께 정도의

빙정

순수한 서리 기둥 모양

동결유형 동상율 판정

1 콘크리트 모양의 동결 20% 미만 합격

이상

20% 요주의

2 부분적으로 매우 미세한 서리모양의 동결을 포함한 콘크리트 모양의 동결

미만

20% 요주의

이상

20% 불합격

3 미세한 서리모양 얼음층 등 분명한, 빙정(ice lens) 분리 경향이 있는 동결

동상율의 크기에

관계없음 불합격

수분 얼음

2.2.3 ( )

(30)

⁽⁹⁾

⁽ ⁰⁾

재하속도 2.2.4

⁽ ⁾

(31)

동결토의 공학적 성질 2.3

압축강도와 인장강도 2.3.1

⁽ ⁾

_    ^



  



(32)

⁽ ⁾

거동

2.3.2 Creep

(33)

⁽ ⁾

융해압밀

2.3.3

(34)

(35)

⁽⁵⁾

(36)

실험 내용 및 방법 3.

공시체에 사용된 시료의 물리적 성질 3.1

⁽ ⁾

Properties of soil Clay content (Kaolinite) 20%

Particle size distribution test

#4 100

#10 100

#40 17.3

#200 0.3

Proctor compaction test

_{ } (^) 1.93

_ (%) 12.0

Permeability (k, cm/sec) 8.25*^{ } Uniformity coefficient (Cu) 1.88 Coefficient of gradation (Cg) 1.24

(37)

실험 장비 3.2 Cold Room

사양 3.2.1 Cold Room

±

만능재료 시험기

3.2.2 UTM (Universal Testing Machine)

(38)

공시체 제작 및 추출 방법

3.3

(39)

F ro ze n tim e(m in )

0 2x1 0³ 4 x1 0³ 6 x1 0³ 8x 10³ 1 0 x1 0³

Compressive Stress(Mpa)

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

L /R = 1.11*10^-4(s^-1) L /R = 2.22*10^-4(s^-1) L /R = 2.22*10^-3(s^-1) L /R = 5.56*10^-3(s^-1) L /R = 1.11*10^-2(s^-1) L /R = 2.22*10^-2(s^-1)

(40)

일축압축시험 의 원리 3.4 (Unconfined Compression Test)

⁽ ⁾

(41)

⁽ ⁷⁾

  





^

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(42)

(43)

간접인장시험 의 원리 3.5 (Split Tensile Test)

⁽ ⁷⁾

_ 





_





P (하 중)

d

P (하 중)

l 가 압 판

공 시 체

가 압 판

P (하 중)

(44)

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_ _

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(45)

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(46)

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(47)

실험결과 및 분석 4.

일축압축강도 실험 결과 4.1

재하속도

4.1.1

  × ^{ }^{ }

에서의 실험 결과

A x ia l s tra in (% )

0 1 2 3 4 5 6 7

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

함수비가 일 때 동결온도에 따른 일축압축강도

(a) 7%

A x ia l s t ra in (% )

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0

0 2 4 6 8 1 0

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

(48)

0 5 1 0 1 5 2 0

0 2 4 6 8 1 0

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(49)

D e g r e e s b e lo w f r e e z in g ( 0 ^oC )

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

Max Compressive Stress(Mpa)

0 2 4 6 8 1 0

w a te r c o n te n t : 7 % w a te r c o n te n t : 1 5 % w a te r c o n te n t : 2 0 %

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ } w = 7% w = 15% w = 20%

-5℃ 1.534 5.814 5.391

-10℃ 2.334 7.885 6.243

-15℃ 2.618 8.208 7.321

(50)

재하속도

4.1.2

  × ^{ }^{ }

에서의 실험 결과

0 2 4 6 8

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(a) 7%

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

0 2 4 6 8 1 0

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

(51)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

0 2 4 6 8 1 0

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

D e g re e s b e lo w fr e e z in g ( 0 ^oC )

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 2 4 6 8 1 0

  × ^{ }^{ }

(52)

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ } w = 7% w = 15% w = 20%

-5℃ 1.730 6.669 5.879

-10℃ 2.396 7.817 7.248

-15℃ 2.923 8.951 8.552

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ }

(53)

재하속도

4.1.3

  × ^{ }^{ }

에서의 실험 결과

0 2 4 6 8

0 1 2 3 4 5

- 5℃ - 1 0℃

- 1 5℃

(a) 7%

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

(54)

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

- 5℃

- 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ }

⁽ ⁾

(55)

D e g re e s b e lo w fr e e z in g ( 0 ^oC )

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ } w = 7% w = 15% w = 20%

-5℃ 2.519 8.365 8.223

-10℃ 3.038 9.937 8.841

-15℃ 3.525 11.129 12.429

(56)

4.1.4

재하속도   ×^{ },  ×^{ },  ×^{ }^{ } 에서의 실험 결과

A x i a l s t r a i n ( % )

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 2 4 6 8 1 0 1 2

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 2 4 6 8 1 0 1 2

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(57)

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(58)

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 2 4 6 8 1 0

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 2 4 6 8 1 0

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(59)

D e g r e e s b e l o w f r e e z i n g ( 0 ^oC )

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

w a t e r c o n t e n t : 7 % w a t e r c o n t e n t : 1 5 % w a t e r c o n t e n t : 2 0 %

(a)   ×^{ }^{ }

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

(b)  ×^{ }^{ }

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

(c)   ×^{ }^{ }

  × ^{ }  × ^{ }  × ^{ }^{ }

(60)

  × ^{ }  × ^{ }  × ^{ }^{ }

재하

속도   × ^{ }^{ }   × ^{ }^{ }   × ^{ }^{ }

w 7% 15% 20% 7% 15% 20% 7% 15% 20%

-5℃ 3.019 9.323 10.051 3.374 9.764 10.084 3.482 8.631 9.467

-10℃ 3.557 10.571 10.685 4.018 11.798 11.759 4.042 11.531 12.736

-15℃ 4.398 11.619 14.271 4.457 13.879 16.041 4.663 14.294 15.782

  × ^{ }^{ }

(61)

간접인장강도 실험 결과 4.2

재하속도

4.2.1

  × ^{ }

,

 × ^{ }^{ }

에서의 실험 결과

0 1 2 3 4 5 6 7

Split Tensile Stress(Mpa)

0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

함수비가 일 때 동결온도에 따른 간접인장강도

(a) 7%

0 1 2 3 4 5 6

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(b) 15%

(62)

0 2 4 6 8

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

0 1 2 3 4 5 6

0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(a) 7%

(63)

\

0 2 4 6 8 1 0

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5

-5℃ -1 0℃

-1 5℃

(b) 15%

0 2 4 6 8

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(64)

D e g r e e s b e lo w fr e e z in g ( 0 ^oC )

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

Max Split Tensile Stress(Mpa)

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5

(a)   × ^{ }^{ }

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 1 2 3 4

(b)   × ^{ }^{ }

  × ^{ }  × ^{ }^{ }

(65)

  × ^{ }  × ^{ }^{ }

재하속도   × ^{ }^{ }   × ^{ }^{ }

w 7% 15% 20% 7% 15% 20%

-5℃ 0.346 2.100 2.393 0.449 2.500 2.746

-10℃ 0.536 2.747 2.972 0.565 2.948 3.215

-15℃ 0.601 3.094 3.309 0.642 3.529 3.479

(66)

재하속도

4.2.2

  × ^{ }^{ }

에서의 실험 결과

0 1 2 3 4 5 6

0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(a) 7%

0 1 2 3 4 5 6 7

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(b) 15%

(67)

0 1 2 3 4

0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5

-5℃ -1 0℃ -1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(68)

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 1 2 3 4 5

  × ^{ }^{ }

  × ^{ }^{ } w = 7% w = 15% w = 20%

-5℃ 0.618 3.086 2.177

-10℃ 0.769 3.699 4.044

-15℃ 1.001 4.150 4.302

(69)

4.2.3

재하속도  ×^{ },  ×^{ },  ×^{ }^{ } 에서의 실험 결과

0 2 4 6 8

0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(70)

A x ia l s t r a in ( % )

0 1 2 3 4 5 6 7

0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 1 2 3 4

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 1 2 3 4 5

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(71)

0 1 2 3 4 5

0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(a) 7%

0 1 2 3 4 5 6

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(b) 15%

0 1 2 3 4 5

0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0

- 5℃ - 1 0℃ - 1 5℃

(c) 20%

  × ^{ }^{ }

(72)

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 1 2 3 4 5

(a)   ×^{ }^{ }

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 1 2 3 4 5

(b)  ×^{ }^{ }

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 1 2 3 4 5

(c)   ×^{ }^{ }

  × ^{ }  × ^{ }  × ^{ }^{ }

(73)

  × ^{ }  × ^{ }  × ^{ }^{ }

재하

속도   × ^{ }^{ }   × ^{ }^{ }   × ^{ }^{ } w 7% 15% 20% 7% 15% 20% 7% 15% 20%

-5℃ 0.658 3.226 3.468 0.750 3.020 3.141 0.786 2.758 2.961

-10℃ 0.951 3.545 3.967 0.977 3.811 4.125 1.052 3.469 3.523

-15℃ 0.974 4.230 4.471 1.086 3.563 4.211 1.046 4.095 4.041

(74)

실험 결과 분석 4.3

초기탄성계수 4.3.1

⁽ ⁾

Axial strain (%)

0 2 4 6 8 10 12 14

Compressive stress (Mpa)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

e = 2.22 * 10-4 sec-1 e = 5.56 * 10-3 sec-1 e = 1.11 * 10^-2 sec^-1 Temperature : -15 degrees

(75)

Axial strain (%)

0 2 4 6 8 10 12 14

Compressive stress (Mpa)

0 2 4 6 8 10 12 14

e = 2.22 * 10-4 sec-1 Temperature : -15 degrees

tan q

_

저작자표시-비영리-동일조건변경허락 2.0

을 의 으로 함.

本 論文 崔憲雨 工學碩士 學位論文 認准

위원장 공학박사 김 태 형 ( ) 인 위 원 공학박사 서 영 교 ( ) 인 위 원 공학박사 최 경 식 ( ) 인

년 월

2011 5

한국해양대학교 대학원

해양공학과

최 헌 우

목 차

< >

,

,

,

,

,

그림 목차

< >

표 목차

< >

Abstract

서 론 1.

연구배경 및 목적

1.1

극한지 건설공법 1.2

동상방지공법 1.2.1

지반동결공법

1.2.2 (ground freezing method)

이론적 배경 2.

동결토의 일반적 성질 2.1

동상 메커니즘 2.1.1

동결토의 물리적 성질

2.1.2 ⁽ ⁵⁾ ¹

동결토에 영향을 미치는 요소

2.2

토질 2.2.1

동결 온도 2.2.2

수분 얼음

2.2.3 ( )

재하속도 2.2.4

동결토의 공학적 성질 2.3

압축강도와 인장강도 2.3.1

거동

2.3.2 Creep

융해압밀

2.3.3

실험 내용 및 방법 3.

공시체에 사용된 시료의 물리적 성질 3.1

실험 장비 3.2 Cold Room

사양 3.2.1 Cold Room

만능재료 시험기

3.2.2 UTM (Universal Testing Machine)

공시체 제작 및 추출 방법

3.3

일축압축시험 의 원리 3.4 (Unconfined Compression Test)

간접인장시험 의 원리 3.5 (Split Tensile Test)

























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





실험결과 및 분석 4.

일축압축강도 실험 결과 4.1

재하속도

4.1.1

에서의 실험 결과

재하속도

4.1.2

本論文崔憲雨工學碩士學位論文認准