극한 환경 상태에서의 지반 내 열확산에 대한 연구 :(A) Study on Subsurface Thermal Diffusion Responses Subject to the Extreme Environmental Conditions

김학승

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김학승 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 조남준

발행연도: 2014

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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지반구조물 설계에서 지중 온도 분포는 주요한 인자로 사용되어 왔다. 지반 내 열확산 현상은 극한지에서 기반시설 건설, 이상기후에 따른 지반거동 변화 예측, 폐기물 매립시설 등 다양한 건설 및 환경 분야뿐만 아니라, 지열발전, 가스 하이드레이트, 방사성폐기물 처리 등 에너지 분야에서도 중요한 고려사항이다. 지반의 열적 특성 중 대표적인 열전도율은 주로 밀도, 입경, 포화도, 공극비, 광물성분 및 유기물의 체적율에 영향을 받는다. 지반의 열적 특성을 평가하기 위한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 이러한 연구를 통하여 지반 내부의 조밀도 및 입자의 광물 조성에 따라 열전도 특성이 달라지며 열전달 현상의 측정을 통해 해당 지반의 특성을 역추적하는 것도 가능한 것으로 나타났다. 극한 환경에서 열확산 현상을 분석하기 위하여 동결, 융해 및 고온 상태에서 실험을 실시하였다.
동결, 융해시 열확산 및 매설관의 변위를 분석하기 위하여 완전 포화된 사질토에 스테인레스 강관을 매설하여 실험을 수행하였다. 온도센서 및 LVDT를 설치하여 지반의 온도 분포 및 매설관의 변위를 측정하였다. 온도 분포 분석 결과 지반이 동결되면서 지중의 수분이 얼음으로 상변화를 일으키며 온도가 0℃에 수렴하였다. 지중의 온도가 상변화를 일으키지 않을 만큼 상승 후 재동결 될 경우에는 깊이에 따른 온도 차이가 초기 동결될 경우에 비해 작게 나타났다. 이는 지반의 잠열이 작아지고 동결된 시료의 열확산계수가 크기 때문인 것으로 판단된다. 매설관의 융기는 지반의 상부가 융해되는 시점에서 최대로 발생하였다. 지금까지 겨울철 지반이 동결되면서 매설관 변위가 최대로 발생한다고 여겨졌으나, 하부에서 발생하는 융기를 매설관 상부지반이 동결되면서 억제하는 효과가 있음을 관측하였다.
지반의 표면온도를 측정하여 지반의 특성을 역추적하기 위하여 실내실험을 실시하였다. 발열장치의 온도 및 발열장치와 시료의 거리를 일정하게 유지하고, 사질토의 두께를 변화시키면서 실험을 진행하였다.
적외선 카메라를 이용하여 표면의 온도를 측정할 경우 온도 분석에 영향을 미치는 요인에 대해 보정을 해야 한다. 적외선 열화상 분석에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 방사율 및 반사온도이다. 분석결과 방사율은 초기에 큰 값을 나타내다가 발열장치의 온도가 일정하게 되면서 수렴하였다. 이는 발열장치에서 발생하는 빛의 영향으로 시료 표면의 밝기 변화에 의해 방사율이 변한다고 판단된다. 암반을 덮고 있는 모래층의 두께가 두꺼워 질수록 표면의 온도는 빠르게 올라갔다. 모형실험 및 수치해석적 방법으로 동일한 열원에 의해서도 표면온도의 변화가 하부 지층의 구조에 따라 다르게 나타나는 현상을 분석하였다. 따라서 표면온도의 변화를 측정함으로써 층상구조의 파악이 제한적으로 가능함을 확인하였다.

제 1 장 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 방법 3
제 2 장 이론적 배경 5
2.1 열전달 및 열확산 5
2.1.1 전도열전달 5
2.1.2 열전도계수 6
2.1.3 열확산율 10
2.2 지반의 동결 작용 11
2.2.1 흙의 동결 이론 11
2.2.2 지반의 동결에 영향을 미치는 요소 14
2.2.3 동결 팽창율 예측 기법 17
2.2.4 동토지반에 대한 열-수리-역학 거동 19
2.3 적외선의 원리 24
2.3.1 적외선의 특징 24
2.3.2 적외선의 물리적 성질 27
2.3.3 열화상 측정 원리 30
제 3 장 지반 동결에 따른 실대형 모형실험 36
3.1 흙의 열전도 실험 36
3.1.1 열전도 측정 장비 36
3.1.2 흙의 열전도 실험 방법 38
3.2 매설관의 실대형 모형실험 39
3.2.1 시료 특성 39
3.2.2 토조 및 냉동챔버 41
제 4 장 지반 동결에 따른 모형실험 결과 분석 47
4.1 지반의 온도 변화 특성 분석 47
4.1.1 온도 변화 측정 결과 47
4.1.2 수치해석을 활용한 온도 변화 분석 49
4.2 매설관의 변위 분석 56
4.3 동상 실험 결과 58
제 5 장 지반 특성 파악을 위한 열확산 모형실험 61
5.1 모형실험 장비 61
5.2 반사온도 측정 67
제 6 장 열확산 모형실험 결과 분석 68
6.1 온도센서로 측정한 결과 분석 68
6.2 적외선 카메라를 이용한 결과 분석 73
6.2.1 반사온도 및 방사율 결정 73
6.2.2 적외선 카메라 측정 결과 분석 76
6.3 수치해석을 활용한 결과 분석 81
제 7 장 결론 86
참고문헌 88

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