18. 동결토압(frost heaving pressure)

   가. 서언

 최근 에너지원이 석탄에서 석유로 그리고 더 나아가서는 원자력으로 변천되어 가는 과정에서 제3의 에너지인 LNG(liquefied natural gas)가 주목을 받게 되었다. LNG는 메탄을 주성분으로 하는 천연 가스를 냉각하여 액화한 것으로서, 깨끗하고 공해가 없으며, 칼로리가 높은 장점을 갖고 있다.

천연가스의 주성분인 메탄 1 kg는 섭씨 0°C의 1기압하에서 가스상태로 약 1.4m3이지만 이것을 영하 162°C의 1기압하에서 액화하면 불과 0.0024m3 가 되어 최적이 1/600로 감소된다. LNG를 도입하는 데 있어서는 잔고, 저장설비, 기화설비 등이 필요하며, 그 중에서도 저장설비 즉, 저장탱크가 주요설비가 되므로 가장 안전하고 경제적인 탱크를 만드는 것이 최대의 과제가 된다. 저장탱크에는 지상과 지하의 두 종류가 있으며, 최근에는 대외적, 사회적 요청에 따라 지상 저장탱크보다 지하탱크를 선호하는 경향이 있다. 그 이유는 ① 인근의 주민들에게 안도감을 주는 것. ② 만일의 경우에 발생될 액체가스 유출에 대한 안정성. ③ 용지으 lwjfdir 등이 있다. LNG 이외에도 LPG(liquefide petroleum gas) 등의 저온 핵화가스의 지하 저장 탱크의 설계시공보수 등에 있어서 가장 중요한 문제가 되는 것이 동결토압이다.

   나. 동결토압의 정의, 동상력과의 관계

 LPG 는 영하 162°C 라는 초저온에 저장되므로, 종래의 토질역학에서 다루지 않았던 "저온에 있어서 흙의 거동" 이라는 새로운 문제를 야기하고 있다. 이것은 토목기술자뿐만 아니라 물리, 기계공학 등을 포함하는 경계영역의 학문으로써 새로운 분야의 학문이다.

동결토압이란 흙이 0°C 이하로 냉각되는 데 따르는 토양동결로 발생되는 토압의 증가를 말하며, "동토압", "동결압" 또는 동결팽창압"이라고 부른다. 저온액화가스(LNG, LPG를 말함)를 저장하는 지하탱크를 건설하는 경우 시간이 경과됨에 따라 주변지반이 동결된다 이때, 발생되는 지반의 동결팽창은 수평방향뿐만 아니라 수직방향(지표면)으로도 발생하며, 지표면으로의 동결팽창에 의한 동결토압을 "동상력"이라고 한다. 흙의 동상 또는 동결현상에 관해서는 지금까지 많이 규명되어왔으나. "동결토압"에 대해서는 아직도 정설이 확립되어 있지 않다.

   다. "동결토압"에 영향을 미치는 요인

 1) 토질

동결토압에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 토질인데 특히 입도분포가 동결팽창에 관계가 있다. 일반적으로 자갈이나 사질토와 같은 조립질 흙에서는 모관작용이나 토립자 주위의 흡착수가 적기 때문에 동상이나 동결팽창이 거의 일어나지 않으므로 "동결토압" 의 발생은 매우 적다.

이에 반하여 실트질 흙에서는 모관작용이 크고 흡착수도 많고, 흡착수막 내의 이동이 비교적 용이하며, 아이스펜즈(ice lens)가 형성되기 때문에 동결팽창이 비교적 크게 발생한다. 더욱이 점성토이면 간극이 미세하여 오히려 동결팽창이 발생하기 어폅다.

하지만, 후술한 바와 같이 동결팽창과 동결토압은 반드시 비례하는 것은 아니고 지반의 구속조건에 크게 관계된다. 따라서, 자연구속상태에서는 실트질과 같은 경우에 동결팽창량(변위)은 커지지만 "동결토압"은 적고, 반고결 점토층과 같은 경질지반에서는 역현상이 나타난다.

2) 동결속도

동결속도가 느린 쪽이 동결명에 흡입하는 물의 양이 많아지고 그 결과 동결팽창에 따른 "동결토압"도 크게 된다는 설과 동결속도가 느릴수록 동결토의 점탄성적 성질에 의해 동토가 크리프현상을 일으키기 때문에, 응력이 이완되어 "동결토압"이 감소한다는 상반된 두가지 설이 있다 .이것은 동결속도뿐만 아니라. 토질ㆍ구속조건 등도 연관되므로 어려운 문제이다. 즉, 첫째로, 동결속도의 감소에 따른 동결토압의 증가와 둘째로, 동결속도의 감소에 의한 크리프현상의 증대 및 응력완화의 증감결과를 종합하여 보면, 전체적으로 "동결토압"이 증가하는 경우와 감소하는 경우도 발생되는 것이다.

3) 구속조건

구속압과 동결팽창은 서로 상반되는 관계가 있다. 즉, 변위를 작게 할수록 동결토압은 크게 된다. Beskow는 변위와 구속값의 관계를 식(2)호 표시하였다.

                                            (1)

고지는 동결팽창을 ξ로 하여 식(2)로 제안하고 실험결과와 잘 일치함을 확인 하였다.

                                    (2)

이상과 같이 동결토압은 ① 토질 ② 동결속도 ③ 구속조건의 3가지 조건 이외에 함수비, 함수량의 증가 등의 요인이 복잡하게 연관되어 있으므로 이들 요인과 동결토압과의 연관관계를 명확히 하는 것이 앞으로의 과제이다.