동결심도란? 동결심도 구하는 법

동결심도란?

 

우리나라는 4계절이 뚜렷하여, 봄 여름 가을 겨울이 반복됩니다.

군대를 다녀오신 분들은 한겨울에 삽질이 몇곱절 힘들다는 것을 뼈저리게 느꼈을 것입니다.

땅은 수분을 함유하고 있기 때문에 한파가 몰아치면 당연히 땅은 얼게 됩니다.

 

 

동결심도란 겨울에 땅이 얼게되는 한계점을 의미합니다.
그러니까, "한 겨울에 얼만큼 깊이까지 땅이 얼 수 있는가?" 를 통계적으로 판별한 자료입니다.
통계적인 자료이므로 한 겨울에 땅이 얼 수 있는 대략적인 깊이를 나타냅니다.

 

땅이 얼고나면 녹게됩니다. 

이 때 얼고 녹는 것을 반복하면 땅속에 있는 물이 팽창과 수축을 반복하여 지반의 교란이 발생하게 됩니다.
지반이 교란되게 되면 땅이 꺼져 발생하는 부등침하의 위험이 있고, 이는 상부골조의 하자를 야기할 수 있으며, 심하게는 붕괴까지 걱정해야 하는 상황이 올 수 있습니다.

 

[TIP] 지반의 얼고 녹음이 반복 발생되는 위험요소에 대해 정의한 것을 동결심도라고 볼 수 있으며, 콘크리트 내부의 수분이 얼고 녹음을 반복함에 따라 발생하는 위험요인이 동결융해입니다. 두 개념은 비슷한 결을 갖고 있습니다.

 

보통 동결심도는 지상 위의 조건(건물유무, 도로, 수풀림 등)에 따라 다르게 형성됩니다.

따라서 토목/건축공사 혹은 조경공사 시에는 반드시 동결심도를 계측하여 지반이 얼었다 녹음에 따라 발생할 수 있는 지반의 교란에 대해 대비해야 합니다.

 

 

 

 

1. 기준에서의 동결심도

KDS 41 19 00 : 2022 4.4.5절에는 건축물에서의 얕은 기초에 대한 동결심도를 기술하고 있습니다.

 

KDS 41 19 00 : 2022 - 4.4.5 동결 보호 (1) 동결에 대한 보호조치를 하지 않아도 되는 경우를 제외하고는, 건축물과 구조물의 기초 및 그 외 영구 지지부는 동결로부터 다음의 방법 가운데 하나 이상의 방법으로 보호조치를 하여야 한다.    ① 지역의 지반동결선 아래로 기초저면을 연장한다.    ② 기초저면의 지반이 동결되지 않도록 적절한 방법으로 열전달을 차단하는 방법으로 시공한다.    ③ 단단한 암반 위에 설치한다. (2) 예외조항으로 다음의 조건을 모두 만족하는 자립식 건축물은 동결보호 조치를 하지 않아도 된다.    ① KDS 41 10 05(3)에 따른 건축물의 중요도 분류에서 중요도(3)에 해당되는 경우.    ② 경량골조로서 바닥면적이 56 m2 이하이거나 경량골조이외의 구조로서 바닥면적이 37m2 이하인 경우.    ③ 처마높이가 3 m 이하인 경우. (3) 얕은기초는 동결조건이 영구적이지 않으면 동결지반에 지지해서는 안 된다.

 

즉, 구조부재의 지지부(보통 얕은 지내력 기초)를 동결심도 이하로 배치해야 합니다.

파일기초의 경우 4.4.5(1)③ 에 해당되기 때문에 실무적으로 굳이 판단하지 않는 이유입니다.

암반이 얼고 녹음을 반복하는 일은 불가능하기 때문입니다.

 

 

2. 동결심도 구하는 방법

1985년 1월~2월에서 전국 45개 지역에 걸쳐서 관측된 동결관입 깊이 조사 자료를 바탕으로 지역별 동결심도 상관식은 아래와 같습니다. (건설교통부, 2007) (한국도로공사 도로교통기술원, 2003)

여기서 z는 동결심도(cm : 단위에 주의)이며,

C는 노면의 일조조건에 따른 정수,

F는 수정동결지수를 의미합니다.

C는 햇빛이 적당히 있고, 토질/배수조건이 양호하면 3
북향, 산악도로 혹은 용수 침투가 많은 곳, 실트분이 많은 토질 등 동결반복에 쉽게 노출된 곳은 5를 적용하면 됩니다.

즉, 현장조건에 따라 다른 정수입니다.

F는 수정동결지수로써 아래 그림과 같은 개념을 가지고 있습니다.

 

수정동결지수 F는 아래와 같이 구할 수 있습니다.

동결지수를 수정동결지수로 변환하는 이유는 통계적으로 계측된 지반고와 실제 현장에서의 높이차를 고려하기 위함입니다.

각 현장은 실제 땅의 높이가 각자 다 다를 것이므로, 측정된 동결지수(측후소지반고)의 해수면높이를 기준으로 얼마나 높이/낮게 형성되어있는 것인가를 고려하는 계수입니다.
수정동결지수를 구하기 위한 동결지수는 아래 표 및 선도를 참고하여 구할 수 있습니다.

 

1980년 ~ 1989년에 실측된 최대 동결깊이 자료는 아래와 같습니다. (토질역학 이론과 응용, 청문각)

 

전국 동결깊이선도

 

 

3. 동결심도 산정 예시

지반조사보고서 접수 결과, 지반표고(Elevation)은 91m를 기록하였다. 대구에서의 동결심도는?

 

1) 지역 선정

위의 동결지수도표 및 동결지수선도를 활용하여 대구의 측후소지반고, 동결지수, 동결기간을 산정한다.

측후소지반고(대구) = 57.8m

동결지수 = 160.9℃일

동결기간 = 54일

 

2) 수정동결지수 산정 (현장여건 고려)

3) 동결심도 산정

위의 전국 동결깊이선도와 비슷한 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

 

 

4. 한계점

실제로는 위의 그림과 같이 지반 위의 환경에 따라 동결심도가 다릅니다.

 

도로와 같이 지상의 냉기를 온전히 받아들이는 조건이라면 동결심도가 깊은 것을 알 수 있습니다.

반대로 지면 위에 나무, 눈과 같이 외기에 의한 냉기를 방어할 수 있는 요소가 있다면 동결심도는 줄어들게 됩니다.

따라서 건축물에서 발생되는 동결심도는 도로에 비해 낮게(지면과 가까이) 형성될 것입니다.

 

유일하게 제시된 도로교통기술원에서의 동결지수 식은 실제로 "도로"에 어울리는 지수라고 할 수 있습니다.

따라서 건축물에 직접적으로 적용하기에는 다소 보수적으로 평가되고 있는 한계점이 존재하나, 이에 관한 연구가 부족하여 도로교기준을 준용하는 것으로 이해하면 될 것입니다.