동결지수와 전국 포장국도에서 실측한 동결깊이의 관계

김영진(Kim Youngchin),홍승서(Hong Seungseo) 한국지반환경공학회 2009 한국지반환경공학회논문집 Vol.10 No.4

우리 나라는 계절 동토지대로서 겨울에는 기온이 영하로 떨어져 지반에 동상현상이 발생하고, 봄에는 얼었던 지반이 융해하면서 도로포장을 파손하거나 그 수명을 단축시킨다. 이러한 동상 및 융해로 인한 도로포장의 파손을 방지하기 위하여 도로포장하부에 동상방지층을 설치하고 있다. 그런데 국내에서는 도로 동상방지층의 두께 결정시 사용되는 동결깊이 추정식으로서 미국이나 일본에서 개발된 식을 이용하고 있다. 그러나 이 식들은 자국의 기후 및 지반 조건에서 만들어진 것이므로 국내에서 그대로 적용하는 것이 합리적이라고 말하기는 어렵다. 우리 나라의 기후 및 지반조건에 맞지 않는 동결깊이 산정식을 도로 설계시 적용할 경우 전국에 새로 설치하는 도로 동상방지층의 두께가 달라질 수 있으며, 이에 따라 공사비가 잘못 산정될 수도 있다. 따라서 도로 공사비의 효율적인 집행과 도로의 내구성 향상을 위해 국내 기후 조건과 지반 여건에 맞는 동결깊이 산정식의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전국 89개 포장국도에서 측정한 동결깊이와 기상청 측정 기온으로부터 산정한 동결지수를 함수로 하여 동결깊이 산정식(안)을 만들어 보았다. 아울러 지역별, 음/양지(陰/陽地) 조건별로 동결깊이가 어떻게 다르게 나타나는지 분석하였다. 또한 국내에서 기존에 이용하고 있던 동결깊이 산정식 및 외국의 동결깊이 산정식들과 그 결과가 어떻게 다르게 나타나는지 분석하였다. Korea is known to have seasonal frost during winter and the effect of low temperatures and water may cause a weakening of pavements. For that reason, frost protection layers have been constructed in pavements to avoid damage caused by frost action. The practies established in USA and Japan have been adopted as anti-frost design methods in Korea. However, the characteristics of Korean soils are different. Additionally, there is no formulation of a reasonable equation for frost penetration depth and the criterion to identify potentially frost-susceptible soils in present pavement design manuals in Korea. Therefore, adequate pavement design procedures in seasonal frost areas, as well as construction and maintenance practices are required. In this paper, frost penetration depths along national roads in Korea were measured and analyzed over several years. The frost penetration depth was analyzed with respect to the provinces of Korea and sunny/ shaded areas. Additionally, measurement results were compared to the formula of the US Army Corps of Engineers and Ifukube in Japan.

국내 LTPP 온도 자료를 이용한 동결지수와 동결깊이 검증 연구

김부일,전성일,이문섭,임광수 한국도로학회 2009 한국도로학회논문집 Vol.11 No.4

본 연구의 목적은 현재 국내에서 적용되고 있는 동결지수와 동결깊이 산정의 타당성을 검증하는 것이다. 이에 국내에서 운영되고 있는 LTPP-SPS(Long Term Pavement Performance- Specific Pavement Study)구간의 대기온도와 포장체 깊이별 온도 데이터를 이용하여 동결지수와 동결깊이를 산정하였으며, 기존 계산식을 이용하여 산출된 동결깊이와 비교 분석하였다. 또한 이 구간들의 인근 측후소 데이터를 이용하여 연도별 동결지수 추이를 분석하였다. 본 연구 결과, 지구온난화에 의해 1987년 이후에는 동결지수가 급격히 감소하였으며, 현재 도로설계 시 적용되고 있는 동결지수가 과하게 적용되고 있음을 알 수 있었다. 이에 동결지수 산정 시 현행 30년 데이터를 토대로 산정하기보다 기후가 변화된 시점부터 현재까지의 추이를 분석하는 것이 바람직 할 것으로 사료된다. 또한 LTPP-SPS 구간에서 측정된 포장체 깊이별 온도데이터를 분석한 결과, 동상방지층이 설계되어 있는 3개구간에서 대체적으로 보조기층까지만 동결이 발생하는 것으로 나타나, 동상방지층이 제 역할을 수행하지 못하는 것으로 나타났다. 실제 측정된 동결깊이와 계산식을 통해 산정된 동결깊이를 비교한 결과, 노상동결관입허용법을 이용한 설계방법이 실제 측정된 동결깊이와 가장 유사한 경향을 나타내었다. The purpose of this study is to evaluate the freezing index and frost penetration depth. The freezing index and frost penetration depth were analyzed using air temperature and temperature profile of pavement system in Korea LTPP-SPS(Long Term Pavement Performance-Specific Pavement Study) site. The predicted frost penetration depth were then compared with the measured one from the LTPP sites. And the trend of annual freezing index was analyzed using the temperature data of meteorological stations located in the vicinity of Korea LTPP-SPS site. The result showed that the freezing index was rapidly decreased since 1987, and it was known that the use of freezing index determined from the past 30 years temperature data could cause the over estimates in the pavement thickness design. The temperature profile measured at 3 sections of LTPP-SPS sites showed that the temperature of subbase layer was above 0℃, even though anti-frost layers were found in these sections. Comparing the measured and calculated frost depth, the frost depth calculated from the subgrade frost penetration permissible method showed a similar trend with the measured frost depth.

환경변수 및 도로재료의 특성을 고려한 동결깊이 분석

김석명(Kim Suk Myung),이석근(Rhee Suk Keun),김석남(Kim Suk Nam) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 D Vol.29 No.1D

이 연구는 지역별 환경변수 및 도로포장재료의 물리적 특성을 토대로 하여 국내에서 최근에 개발된 동결해석모델인 FrostAM을 사용하여 최근에 사업시행중인 전국 9개 사업지구에 대해 동결깊이 분석을 실시하였다. 동결깊이 분석에 필요한 자료중 환경변수는 기상청 사이트의 측정자료를 사용하였으며, 물리적 특성중 수리특성 분석을 위해 전국 각 지역으로부터 시료를 채취하여 불포화토 물성측정 장치를 사용하여 실내실험 및 분석을 실시하였다. FrostAM을 사용하여 분석된 동결깊이는 동결지수를 사용하여 결정된 각 사업지구의 동결깊이와 비교한 결과 14㎝~44㎝ 작게 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 동결지수에 의한 동결깊이는 전반적으로 크게 계상되었으며, 사업지구별로 설계자가 다르다는 점을 고려할 때 동결깊이 산정이 설계자에 따라 상당한 편차가 있는 것으로 보인다. In this research freezing depth analyses were performed for the recent 9 project field sites using FrostAM which is a freezing analysis model developed recently within the country and a model based on regional environmental factors and physical properties of pavement materials. The environmental factors needed for freezing depth analysis were obtained from the meteorological agency website. And there were laboratory tests and analyses using a measuring device for properties of unsaturated soil for the field site samples across country to obtain hydrographical properties among physical properties. The freezing depths analyzed by FrostAM were deeper in the range of 14㎝~44㎝ than those based on freezing index. It is considered that the freezing depths based on freezing index were overestimated. And there are considerable differences among the freezing depths based on freezing index which were designed by different designers.

철도궤도에서의 동결깊이 측정 결과

김영진(Young Chin Kim),김은영(Eun Young Kim),김현석(Hyun Seok Kim) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

최근 겨울철 장기간의 한파로 철도궤도에 동상이 발생하는 사례가 늘고 있다. 동상을 정확히 평가하기 위해서는 우선 동결 깊이 산정식이 필요한데, 우리 나라에서는 일본의 ‘철도구조물 등 설계 표준’에 나와 있는 식을 주로 이용하고 있고, 콘크리트궤도에 대해서는 적용할 동결깊이 산정식이 아직 없다. 핀란드 등에서는 자국의 기후, 지반조건에서 실측한 동결 깊이 산정식을 이용하는 추세다. 본 연구에서는 강원, 충북, 경기지방의 실제 철도 옆에 모형 자갈궤도와 콘크리트궤도를 설치한 후 Methylene Blue 동결심도계로 2년 동안 동결깊이를 실측한 결과를 분석하였다. 자갈궤도의 경우 XPS 등 단열층을 궤도 밑에 포설했을 때의 동결깊이 차단효과도 분석하였다. 실측 결과 동일한 동결지수일 때 콘크리트궤도에서 자갈궤도 보다 동결깊이가 더 깊게 나타났다. Extended cold wave during current winter has increasingly caused frost heaving in railway track. To accurately evaluate the frost heaving, it’s necessary to develop the equation to calculate the frost depth and in Korea, the equation quoted in Japanese “Design standard for railway structure” has been commonly used. However the equation applicable to concrete track has yet to be available. In some countries including Finland, the equation developed considering their own data on climate and ground conditions has been adopted. In this study, model ballast track and concrete track were installed near the railway in Gangwon, Choongbuk and Gyeonggi province and frost depth was measured for two years using Methylene Blue frost depth gauge. When it comes to ballast track, interception effect in frost depth when laying insulation layer such as XPS beneath the track was also evaluated. As a result of measuring, frost depth in concrete track was greater than ballast track at same freezing index.

도로포장 현장계측 온도데이터를 이용한 도로포장체의 동결깊이 연구

신은철,이재식,조규태 한국도로학회 2011 한국도로학회논문집 Vol.13 No.1

포장의 동결깊이는 30년간의 기온자료를 분석하여 만든 동결지수를 근거로 하여 동상방지층의 두께를 결정한다. 본 연구에서의 현장계측 지역은 동결지수에 따라 동결지수 550~650℃・일, 450~550℃・일, 350~450℃・일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 구간으로 단면을 구분하였다. 각 단면에 동상방지층 유・무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 설치하고 데이터를 수집하였다. 현장 모니터링 시스템을 통하여 수집된 데이터 분석을 통하여 포장된도로의 동결깊이를 결정하는데 이용할 수 있다. 연구 결과, 동상방지층이 없을 경우 동결지수 550~650℃・일 지역에서는 대기온도에따라 겨울철 노상층의 온도가 0℃ 이하로 나타났고, 동결지수 450~550℃・일 지역에서는 지역별로 상이했으며, 동결지수350~450℃・일 지역에서는 동상방지층이 없어도 노상층의 온도가 0℃ 이하로 나타나지 않았다. 또한, 포장 단면별로 동결깊이를 비교한 결과 대기온도에 따라 동결깊이는 절토부가 가장 높았으며, 절성경계부, 저성토부 순으로 단면별 차이가 나타났다. The frost penetration depth of pavement is usually estimated from the freezing index that made temperature data analysis of 30 years and decided the thickness of anti-frost layer. The field monitoring region in study was divided into five regions by freezing index 550~650℃・day, 450~550℃・day and 350~450℃・day. Each region has three-section of road pavement such as cutting area, boundary area of cutting and banking, and lower area of banking. The field monitoring system was established both in the section of anti-frost layer and in the section without anti-frost layer. The data analysis was conducted for determination of frost penetration depth within the paved road by the field monitoring system. The result showed that The temperature of subgrade without anti-frost layer shows below zero in centigrade for the region of freezing index 550~650℃・day, up and down around zero degree in subgrade for the region of freezing index 450~550℃・day, and there is no place existed below zero degree in subgrade for the region of freezing index below 450℃・day. With comparison of field frost penetration depth for the cross-sections of pavement, the cutting area shows the greatest frost penetration depth, and less influence of frost penetration depth for the boundary area of cutting and banking, and the least influenced for the lower area of banking.

콘크리트 궤도의 동결깊이 및 동상량 측정 연구

이대영(Daeyoung Lee),김영진(Youngchin Kim) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.1

계절적 동토 지역에 건설되는 도로, 철도 등의 구조물은 동결 융해의 반복으로 인한 기후조건으로 인해 동상 피해가 발생한다. 구조물 건설 시 동결깊이는 계절적 동토 지역에 건설되는 도로, 철도의 구조물 설계에 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 현장시험시공을 통한 고속철도 콘크리트 궤도의 동결깊이 및 동상량 계측을 수행하였다. 강원도, 경기도, 충청북도 철도노선 인근에 모형 콘크리트 궤도를 설치한 후 메틸렌블루를 이용한 동결깊이와 동상량을 측정하였다. 본 연구를 통해 계측된 최대 동결깊이 및 동상량은 국내 한랭지 철도노반설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. Many infra suructure such as road, railway, building and utility foundations have been damaged by the repeated freezing and thawing of the soil during winter and spring every year in seasonal frost region. The frost penetration depth is most important factor in the design of structure such as road, railway and building in seasonal frost region. This paper presents the results of calculation of frost penetration depth and frost heaving in concrete track for railway construction. Model concrete track were installed near the railway track in Gangwon, Gyeonggi, Choongbuk province and frost penetration depth were measured using methylene blue frost penetration depth gauge. Model concrete track in Cheolwon, frost heaving of concrete track were also evaluated. The measure of maximum frost penetration depth and frost heaving can be applied to design railway track for cold region in Korea.

현장계측 데이터를 이용한 일평균 대기온도 산정방법과 동상방지층 설계를 위한 동결지수 보정

조명환(Cho Myung-hwan),김낙석(Kim Nakseok),심재필(Shim Jaepill) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 D Vol.31 No.3D

도로의 동상방지층을 설치하기 위하여 동결섬도(동결관입깊이)를 산정하는데, 동결지수는 0℃ 이하의 기온과 영하온도의 지속시간을 곱한 값을 연간을 통하여 누계한 수치로 표시된다. 따라서 일평균 대기 온도를 구하는 방법이 동결지수에 영향을 미칠 수 있다. 기상청의 경우 1999년을 기점으로 이전에는 1일 4회 평균 대기온도 제공하였으며, 현재는 1일 8회 평균 대기온도를 제공하고 있다. 본 연구에서는 이러한 일평균 대기온도를 산정하는 방법이 동결지수의 산정결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 한반도 남부(동결지수 350℃ · 일 미만) 6개 지역을 현장조건(저성토부, 절성경계부 및 절토부)에 따라 구분하여 15개소에 대하여 현장계측시스템을 구축하였다. 그리고 현장계측시스템으로부터 얻어진 대기온도를 통하여 동결지수를 산정하고 상호 비교분석 하였다. 비교분석 결과 일반적으로 1일 4회 평균 대기온도를 사용한 경우가 1일 8회 평균 대기온도를 사용하는 경우보다 약 3% 전후 큰 것으로 나타났으며, 본 연구 지역에 대한 동결지수를 결정할 때 동결지수를 보정 할 수 있는 보정식을 제안하였다. The frost depth(frost penetration) is used to install anti-frost heave layers in pavement designs. The freezing index is calculated by an annual accumulated value of multiplying the period of time with temperatures below zero, and the corresponding temperature. Therefore, the DAAT(daily average air temperature) calculation method may play an effect on the FI(freezing index). The Weather Observatory used to supply 4 average air temperatures per day, but currently supplies 8 per day. With this study, we divided the southern part(below FI=350°C · day) of the Korean peninsula into 6 areas according to site conditions(low embankment, embankment-cutting slope, and the cutting slope) and established a field measurement system for 15 positions to check the effects on the result of PI according to differing DAAT calculation methods. The air temperatures obtained by the field measurement system was used to calculate and compare the FI. As a result, the freezing index calculated based on the DAAT₄(T₄) is normally greater by 3% than the one on DAAT?(T?). In addition, the calibration equation for the freezing index using air temperatures was proposed through the research.

수정 Berggren 법과 수치해석법에 의한 동결깊이 산정 비교

김광진(Kwangjin Kim),김영진(Youngchin Kim),이대영(Daeyoung Lee),이하영(Hayoung Lee) 한국지반환경공학회 2013 한국지반환경공학회논문집 Vol.14 No.6

본 논문은 수정 Berggren 법과 상전이 현상을 모델링할 수 있는 유한요소 수치해석법을 사용하여 단열재를 포함한 대표적인 다층 지반에 대하여 동결깊이를 산정하여 비교 ? 분석하였다. 균일한 단층 지반에서 수정 Berggren 법은 유한요소 수치해석법과 거의 동일한 결과를 보여주고 있다. 그러나 단열재를 포함한 다층 지반에서 수정 Berggren 법은 유한요소 수치해석 결과와 비교할때 정확하지 않은 결과를 나타내고 있다. 따라서 단열재를 포함한 다층 지반에서는 수정 Berggren 법 대신에 유한요소나 유한차분법에 기반을 둔 수치해석법을 사용하여 동결깊이를 산정하여야 할 것으로 사료된다. This paper presents computed frost penetration depths for a number of cross sections of multilayered system including insulation. Results of Modified Berggren method were compared with those of numerical analysis which is based on finite element method with phase change. For the homogeneous single layer medium, Modified Berggren method gives almost the same results as finite element based numerical method. For the multilayered systems with insulation, Modified Berggren method shows, however, inaccurate results compared with FEM results. Therefore numerical solution based on finite element or finite difference should be used in place of Modified Beggren method to estimate the frost penetration depth for the layered medium with insulation.

국내 도로포장의 동상 특성에 대한 수치해석적 연구

권기철,오세붕,김형배,최창규,Kweon, Gi-Chul,Oh, Se-Boong,Kim, Hyung-Bae,Choi, Chang-Gyu 한국도로학회 2003 한국도로포장공학회 논문집 Vol.5 No.2

본 연구는 동결.융해 해석에 대한 역학적 해석에 대한 기초적 연구로서, 미공병단 CRREL에서 개발한 FROST 프로그램을 이용하였다. 국내의 기후조건과 포장단면. 그리고 노상토의 특성을 고려하여 동상특성을 분석하였다. 지하수위는 노상면으로부터 0.35m, 2m, 3.35m 깊이에 위치한 경우를 고려하였다. FROST 해석에 필요한 입력치는 불가피하게 기존의 자료를 이용하였다. 해석결과 시간에 따른 동상량과 동결깊이를 구할 수 있었다. 이러한 관계로부터 구한 최대 동상량은 지하수위가 낮아지면서 감소하는 경향을 나타내고 있다. 최대 동결깊이를 보면 노상은 15cm이내 동결됨을 알 수 있다. 동상에 민감한 흙을 제외하고 국내 노상토는 동결 영향이 크지 않을 것으로 여겨진다. The basic study was performed on the mechanical analysis of frost and heave using program FROST by CRREL, U.S. army corps of engineers. The characteristics of frost heaving in pavement was analyzed by considering climate, pavement sections and subgrade soil conditions in Korea. Water tables were located at the depth of 0.35m, 2m and 3.35m from subgrade. Inputs were evaluated inevitably from the existing references. As a result frost heave and depth were evaluated with respect time. Maximum frost heave decreased lowering the water table and maximum frost depth was less than 15cm from subgrade. Frost action did not affect seriously on the analysis sections.

극한지 외기온도 변화에 따른 철도터널 동결깊이 특성에 관한 연구(북한지역을 중심으로)

백승주(Seung Ju Baek),김효규(Hyo Gyu Kim),김대상(Dae Sang Kim),조국환(Kook Hwan Cho) 한국철도학회 2014 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.10

국내의 철도건설은 경부선과 호남선을 주축으로 건설되었다. 현재 원주~강릉간 고속화철도가 건설중이며, 춘천~속초간 철도건설 타당성조사 등 강원 산간지역의 철도건설이 추진되고 있다. 그동안 기후영향에 대해 민감하지 않았던 철도건설 조건은 북한철도건설을 감안하여 다각적인 기후영향 검토가 필요하다. 본 논문에서는 남북한의 최저기온과 동결지수 등 기후를 분석하였다. 또한 극한 외기온도 변화가 예상되는 북한지역의 기후분포에 따른 철도터널 동결깊이 특성에 대한 시뮬레이션 해석수행과 기존 도로터널의 연구사례 등을 비교·분석하여 철도터널 동결깊이 특성에 관하여 연구하였다. Railway construction of the domestic was built on the hub of Gyeongbu and Honam Line. Currently, Wonju-Gangneung high-speed railway is under construction. Railway construction of mountainous areas of Kangwon is also being pursued such as Chuncheon-Sokcho railway line construction feasibility study. While, The temperature condition in southern part of Korea is not severely considered. However, In consideration of the railway construction of North Korea, it is necessary to consider the impact on the climate diversified. The temperature range which is freezing to hot through a year in North Korea is investigated. The extreme outside temperature simulation analysis of the railway tunnel freezing depth distribution characteristics of climate change in North Korea is expected. Railway tunnel considering the extreme freezing temperature condition was studied in freeze depth analysis using the characteristics of measured road tunnel data.