동상(凍上, frost heaving)은 결빙 조건에서 토양이 위쪽으로 부풀어 오르는 지반 공학적 현상을 가리킨다. 이는 사람의 신체 조직이 얼어 손상되는 의학적 상태인 동상(凍傷, frostbite)과는 다른 개념이다.
개념 및 발생 원리
동상(凍上)은 기온이 영하로 내려가 토양 내부의 수분이 얼어붙으면서 지표면이 융기(隆起)되는 현상이다. 토양 내 결빙 온도가 지면 깊숙이 침투함에 따라 얼음이 형성되고, 이 얼음이 성장하면서 위쪽으로 팽창하여 지반을 들어 올린다. 핵심적인 물리적 과정은 토양 내 수분이 모세관 현상을 통해 동결 전선(freezing front)으로 이동하여 얼음 렌즈(ice lens)를 형성하는 것이다.
동상이 발생하기 위해서는 일반적으로 다음 세 가지 조건이 충족되어야 한다.
- 영하의 기온이 장기간 지속되어 지반이 동결될 것
- 동상에 취약한(frost susceptible) 토양이 존재할 것. 이는 물의 모세관 이동을 허용할 만큼 다공성이면서도 모세관 연속성을 유지할 수 있는 토양을 의미한다. 주로 실트질(silt) 토양이 해당된다.
- 수분 공급이 충분할 것. 지하수위가 높거나 지반 내 함수비가 높은 경우 동상 발생 가능성이 증가한다.
영향 및 피해
동상(凍上) 현상은 지반 공학 및 건설 분야에서 중요한 고려 사항이다. 차등 동상(differential frost heaving)은 지반의 일부만 부풀어 오르면서 도로 표면에 균열을 발생시키고, 봄철 해빙기에 포트홀(pothole) 형성의 원인이 된다. 또한 건물 기초의 변형과 균열, 철도 침목의 손상, 상·하수도관의 파손 등을 유발할 수 있다. 해빙기에는 얼었던 지반이 녹으면서 강도가 저하되고 지반 침하가 발생할 수 있는데, 이를 동상 융해(frost boil)라고도 한다.
대책
동상의 피해를 방지하기 위한 공학적 대책으로는 동결 취약 토양의 치환, 배수 시설 설치를 통한 수분 공급 차단, 단열층 설치를 통한 동결 깊이 억제, 동결깊이 이하까지 기초 설치 등이 활용된다. 이러한 대책은 도로, 철도, 건물 기초 등 한랭 지역의 토목 구조물 설계 시 필수적으로 고려된다.
관련 개념
서릿발(ice needle)은 기본적으로 결빙 전선이 토양 깊숙이 침투하여 지반을 들어 올리기 전, 결빙 시즌 초기에 지표면에서 발생하는 동상의 한 형태로 이해할 수 있다. 동상은 빙결 풍화 작용(凍結風化作用)과도 관련이 있으며, 지형학, 빙하학, 토질역학 분야에서 폭넓게 연구되는 주제이다.
동상(凍上)은 국제적으로 frost heaving 또는 frost heave라고 불리며, 한랭 기후 지역의 지반 공학에서 널리 인지된 현상으로, 일본어로는 凍上(とうじょう), 중국어로는 凍脹(凍胀)이라고 한다.
