동결토 전단강도를 활용한 동착강도 산정에 관한 연구

Abstract

동토기반 말뚝기초의 지지력은 말뚝구조물 표면과 주변 토사의 접촉면에서 발현되는 동착강도에 의해 산정되며, 이는 동착-강도가 동토지반 기초설계를 위한 가장 주요한 설계정수임을 의미한다. 동착강도는 토사종류, 동결온도, 말뚝표면에 수직방향으로 작용하는 지중응력, 재하속도, 말뚝구조물의 표면 거칠기 등 다양한 인자들에 동시다발적인 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 1960년대부터 동토지반 기초설계를 위한 동착강도 산정방법들이 제안되어 왔으나, 대부분 동결온도와 말뚝구조물 표면특성에 대한 영향은 고려하고 있는 반면 동착강도의 주요 영향인자 중 하나인 지중응력에 의한 영향을 고려하지 않고 있어 소정깊이 이상의 말뚝기초 설계를 위한 동착강도 산정방법으로 활용되기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 동결온도뿐 아니라 지중응력이 동착강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 직접전단시험기를 활용한 동결토 전단강도 및 동착강도 측정실험을 각각 수행하였다. 실험결과 전단강도와 동착강도는 모두 동결온도 조건이 낮아질수록, 혹은 수직응력 조건이 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 전단강도와 동착강도의 정량적 관계분석을 위해 정의된 전단강도와 동착강도의 비 <TEX>$r_s$</TEX>는 초기 동결온도에서는 급격하게 감소하는 경향을 나타냈으나, 동결온도가 낮아질수록 증가하며 수렴구간을 형성해가는 경향을 보였다. 본 연구에서는 최종적인 연구결과로서 동결온도 및 수직응력 조건을 바탕으로 결정된 <TEX>$r_s$</TEX>값을 이용하여 동결토의 전단강도로부터 동착강도를 예측할 수 있는 방법을 제안하고 있다. Bearing capacity of pile foundations in cold region is dominated by adfreeze bond strength between surrounding soil and pile perimeter. It denotes that adfreeze bond strength is the most important design parameter for foundations in cold region. Adfreeze bond strength is affected by various factors like 'soil type', 'frozen temperature', 'normal stress acting on soil/pile interface', 'loading rate', 'roughness of pile surface', etc. Several methods have already been proposed to estimate adfreeze bond strength during past 50 years. However, most methods have not considered the effect of normal stress for adfreeze bond strength. In this study, both freezing temperature and normal stress have been controlled as primary factors affecting adfreeze bond strength. A direct shear box was used to measure adfreeze bond strength between sand and aluminum under different temperature conditions. Based on the test results, the relation between shear strength of frozen sand and adfreeze bond strength have been investigated. The test results showed that both of shear strength and adfreeze bond strength tend to increase with decreasing frozen temperature or increasing confining pressure. The ratio of shear strength and adfreeze bond strength, expressed as <TEX>$r_s$</TEX>, decreased initially frozen section but increased at much lower frozen temperature and there were uniform intervals under the different normal stress conditions. A method for predicting adfreeze bond strength using <TEX>$r_s$</TEX> has finally been proposed in this study.