[논문]동해, 울릉 분지 심해토의 지반공학특성

이창호; 윤태섭; 산타마리나; 박장준; 이종섭

doi:10.7843/kgs.2009.25.6.17

동해, 울릉 분지 심해토의 지반공학특성
Geotechnical Engineering Characteristics of Ulleung Basin Sediment, East Sea 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.25 no.6, 2009년, pp.17 - 29

이창호 (조지아공대 토목환경공학과) , 윤태섭 (리하이대학교 토옥환경공학과) , 산타마리나 (조지아공대 토목환경공학과) , 박장준 (한국지질자원연구원) , 이종섭 (고려대학교 건축.사회환경공학부)

초록
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에너지 수요의 증가 및 에너지 탐사와 연관되어 해저 지반의 조사가 증가하고 있다. 해수면 2100m 해저 110m 아래에서 얻어진 압력 코어 시료의 메탄 하이드레이트 생산 시험 후 얻어진 사료를 이용하여 울릉 분지 심해토의 지반공학적 특성을 조사하였다. 기본 토성, 광물학적 특성, 화학 조성, 그리고 미세구조 관찰을 위하여 토성 실험, XRD, 그리고 SEM을 실시하였다. 또한, 멀티 센서 압밀셀을 이용하여 두 시료의 압축성, 전단파 및 전자기파 파악하였다. 강도특성은 직접전단실험 이용하여 산정되었다. 주요 광물로는 카오리나이트, 일라이트, 크로라이트(chlorite), 그리고 캘싸이트(calcite)가 관찰되었다. SEM 결과 잘 발달된 내 외부 간극 구조가 관찰되었다. 수직유효응력의 증가에 따라 전단파 속도, 전기비저항, 실수 유전율, 그리고 전기전도도는 이중선형 거동을 보였다. 직접전단실험으로 얻은 마찰각은 약 $21^{\circ}$로 선행연구와 비슷한 결과를 보였다. 본 연구는 가스 하이드레이트와 같은 에너지 자원의 개발 및 새로운 지반공학적 영역의 확보를 위하여 심해 퇴적토의 거동 이해의 중요성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

There has been an increase in the investigation of deep sea sediments with a consequent increase in the amount of energy required to undertake these investigations. The geotechnical characteristics of Ulleung Basin sediment are explored by using depressurized specimens following methane production tests carried out on pressured core samples obtained at 2,100 m water depth and 110 m below sea floor. Geotechnical index tests, X-ray diffraction, and scanning electron microscope are conducted to identify the geotechnical index parameters, clay mineralogy, chemical composition, and microstructure of the sediments. Compressibility, and elastic and electromagnetic wave parameters are investigated for two samples by using a multi sensing instrumented oedometer cell. The strength chatracteristics are obtained by the direct shear tests. The dominant clay minerals are mostly kaolinite, illite, chlorite, and calcite. The SEM shows a well-developed flocculated structure of the microfossil. Void ratio, electrical resistivity, real permittivity, conductivity, and shear wave velocity show bi-linear behavior with the effective vertical stress: as the vertical effective stress increases. The friction angle obtained by the direct shear test is about $21^{\circ}$, which is similar to the value observed in the Ulleung Basin sediments. This study shows that the understanding of the behavior acting on the diatomaceous marine sediment is important because it often maintains the useful energy resources such as gas hydrate and so will be the new engineering field in the next generation.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

5mm이다. LCR metr(INSTEK, LCR-819)를 이용하여 100kHz, 1.275V 조건에서 전기비저항을 측정하였다
SEM 이미지를 이용하여 시료의 미세구조 및 시료 내 microfossil을 관찰하였다{Hitachi S-4300). 시료는 70℃에서 노건조하였으며, 해상도 증진 및 시료 표면의 전기전도를 위하여 전도성물질로 시료 표면을 코팅하였다 (Mitchell and Soga 2005).
또한 다양한 기본 토질 특성, 압밀 특성, 강도특성을 분석하여 기존의 결과와 비교하였다. XRD 및 SEM을 통하여 점토 광물 및 미세 구조 파악을 실시하였으며, 압밀 실험과 병행하여 수직응력에 따른 전단파 속도 V® 전기비저항 匚, 유전율 K* 을 측정하였다. 또한 직접 전단실험을 통하여 강도 특성을 분석하였다.
non-bleeding pH strip을 이용하여 코어 시료의 중앙 표면의 pH를 측정하였다. 10B-14R의 경우 7.
19S/m와 동일한 전기전도도의 전해질 용액으로 포화시켰다. 각 하중 단계는 과잉간극수압의 소산을 위하여 24시간동안 지속하였다. 최대 수직유효응력은 현장 응력 수준을 고려하여 10B-17P의 경우 2.
동해, 울릉 분지 해수면 2100m, 해저 110m 깊이에서 획득된 압력 코어 중 감압 실험 후 압력보존 용기에서 회수된 4개의 시료를 이용하여 지반공학적 특성 파악을 위한 실내 토성실험, 광물학적 특성 및 미세 구조 파악을 위한 X-ray 분석 및 SEM을 실시하였다. 또한 압밀 특성 파악을 위하여 2개의 코어 시료에 대하여 압밀 실험을 실시하였다.
파악하였다. 또한 다양한 기본 토질 특성, 압밀 특성, 강도특성을 분석하여 기존의 결과와 비교하였다. XRD 및 SEM을 통하여 점토 광물 및 미세 구조 파악을 실시하였으며, 압밀 실험과 병행하여 수직응력에 따른 전단파 속도 V® 전기비저항 匚, 유전율 K* 을 측정하였다.
위한 X-ray 분석 및 SEM을 실시하였다. 또한 압밀 특성 파악을 위하여 2개의 코어 시료에 대하여 압밀 실험을 실시하였다. 여러가지 센서가 설치된 압밀셀을 이용하여 압밀실험동안 수직 유효응력에 따른 전단파 속도, 전기비저항, 그리고 유전율을 측정하였다.
신호발생기(Agilent 33220A)를 이용하여 10Vpp(preak-to-peak) 의 단일정현파를 입력신호로 사용하였다 수신 벤더 엘리먼트에서 획득된 신호는 전기 신호로 전환된 후 신호 필터-증폭기 (Krolm-Hite 3364)를 거쳐 오실로스코프(Agilent 54624A)를 이용하여 저장하였다. 또한 임의의 부정확한 잡음(random and uncorrected noise)을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 평균하였다. 시료의 전기 저항은 동축케이블 형태의 전기비저항팀■침을 이용하여 측정하였디(Cho et al.
여러가지 센서가 설치된 압밀셀을 이용하여 압밀실험동안 수직 유효응력에 따른 전단파 속도, 전기비저항, 그리고 유전율을 측정하였다. 또한 직접 전단 실험을 실시하여 강도특성을 조사하였다.
XRD 및 SEM을 통하여 점토 광물 및 미세 구조 파악을 실시하였으며, 압밀 실험과 병행하여 수직응력에 따른 전단파 속도 V® 전기비저항 匚, 유전율 K* 을 측정하였다. 또한 직접 전단실험을 통하여 강도 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 2007년 동해 울릉분지에서 수행된 가스하이드레이트 심부시추人]■업(Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition 1)에서 획득된 압력 코어 중 감압 실험 후 압력 보존 용기에서 회수된 4개의 시료를 이용하여 광물학적 특성, 화학 조성, 그리고 미세구조를 파악하였다. 또한 다양한 기본 토질 특성, 압밀 특성, 강도특성을 분석하여 기존의 결과와 비교하였다.
관찰하였다{Hitachi S-4300). 시료는 70℃에서 노건조하였으며, 해상도 증진 및 시료 표면의 전기전도를 위하여 전도성물질로 시료 표면을 코팅하였다 (Mitchell and Soga 2005).
전기비저항 탐침과 유전율 프로브는 국부 전기비저항 및 유전율을 측정하며, 벤더 엘리먼트는 시료 전체의 전단파 속도를 측정한다. 시료의 부피 변화를 관찰하기 위하여 0.001mm 정밀도의 LVDT를 이용하여 침하량을 측정하였다. 침하량은 표준압밀실험(ASTM D2435-04) 시간 간격에 따라 측정하였다.
시료의 성분 분석을 위하여 XRD 실험을 실시하였다
38mm이며, 시료 내부로 돌출된 길이는 5mm이다. 신호발생기(Agilent 33220A)를 이용하여 10Vpp(preak-to-peak) 의 단일정현파를 입력신호로 사용하였다 수신 벤더 엘리먼트에서 획득된 신호는 전기 신호로 전환된 후 신호 필터-증폭기 (Krolm-Hite 3364)를 거쳐 오실로스코프(Agilent 54624A)를 이용하여 저장하였다. 또한 임의의 부정확한 잡음(random and uncorrected noise)을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 평균하였다.
또한 압밀 특성 파악을 위하여 2개의 코어 시료에 대하여 압밀 실험을 실시하였다. 여러가지 센서가 설치된 압밀셀을 이용하여 압밀실험동안 수직 유효응력에 따른 전단파 속도, 전기비저항, 그리고 유전율을 측정하였다. 또한 직접 전단 실험을 실시하여 강도특성을 조사하였다.
응력에 따른 전단파 속도 Vs, 전기비저항< 그리고 유전율 K* 측정을 위하여 그림 7과 같이 압밀셀에 벤더엘리먼트 전기비저항 탐침, 그리고 유전율 프로브를 설치하였다. 전기비저항 탐침과 유전율 프로브는 국부 전기비저항 및 유전율을 측정하며, 벤더 엘리먼트는 시료 전체의 전단파 속도를 측정한다.
전기비저항 탐침과 유전율 프로브는 국부 전기비저항 및 유전율을 측정하며, 벤더 엘리먼트는 시료 전체의 전단파 속도를 측정한다. 시료의 부피 변화를 관찰하기 위하여 0.
직접전단실험을 이용하여 10B-17 시료의 강도 특성을 평가하였다. 코어 라이너로부터 시료를 추출하여 전단 상자에 위치 시킨 후 전해질 용액으로 24시간동안 포화시켰다.
침하량은 표준압밀실험(ASTM D2435-04) 시간 간격에 따라 측정하였다. 침하량 측정 후 즉시 전단파 속도, 전기 저항, 그리고 유전율을 측정하였다.
프로브의 직경은 19mm이며 측정 주파수 영역은 200MHz ~ 20GHz이며, 본 연구에서는 high frequency network analyzer의 측정 범위를 고려하여 200MHz~ 1.5GHz까지의 유전율 스펙트럼을 측정하였다.
하부 다공판에 설치된 유전율 프로브(Agilent, 85070E dielectric probe kit) 및 high frequency network analyzer (Agilent, E5061A)를 이용하여 시료의 유전율을 측정하였다. 프로브의 직경은 19mm이며 측정 주파수 영역은 200MHz ~ 20GHz이며, 본 연구에서는 high frequency network analyzer의 측정 범위를 고려하여 200MHz~ 1.
코어 라이너로부터 시료를 추출하여 전단 상자에 위치 시킨 후 전해질 용액으로 24시간동안 포화시켰다. 현장유효응력을 고려하여 수직응력을 정하고 가한 수직응력이 유효응력으로의 전환을 위하여 24시간 동안 압밀시켰다. 수평 변형율은 Imm/min을 적용하였으며, 횡방형 변형율 최대 17%까지 실험하였다.

대상 데이터

047sec (2Wsec)의 속도로 5~80。(28)까지 실험을 수행하였다. 공기 건조 및 550℃ 오븐 건조 분말 시료를 사용하였으며 XRD 실험 결과는 그림 4와 같다. 공기 건조 및 오븐 건조 시료 모두 유사한 결과를 보였다.
교란을 최소화하기 위하여 심해 시료 채취에 사용한 코어 라이너 (core liner)를 압밀셀로 사용하였다. 시료의 초기 높이는 55mm로 고정하였다.
시료의 초기 높이는 55mm로 고정하였다. 두 가지 크기의 코어 라이너의 사용으로 인하여 10B-17P 시료 및 10B-14R 시료의 직경은 각각 57mm, 50mm이다. 시료를 압밀셀에 설치한 후, 간극수의 전기전도도 3.
사용된 벤더 엘리먼트의 크기는 길이 11mm, 너비 5mm, 그리고 두께 0.38mm이며, 시료 내부로 돌출된 길이는 5mm이다. 신호발생기(Agilent 33220A)를 이용하여 10Vpp(preak-to-peak) 의 단일정현파를 입력신호로 사용하였다 수신 벤더 엘리먼트에서 획득된 신호는 전기 신호로 전환된 후 신호 필터-증폭기 (Krolm-Hite 3364)를 거쳐 오실로스코프(Agilent 54624A)를 이용하여 저장하였다.
2008). 외부전도체(stainless tube, type 316)와 내부전도체(stainless steel wire)의 직경은 각각 2.108mm, 0.6mm 이다. 이 중 쐐기모양으로 끝단을 연마하였으며, 시료 내부로 관입된 전기비저항 탐침의 길이는 12.
전단파의 발생과 감지를 위하여 토질 실험에 널리 사용되는 벤더 엘리먼트를 사용하였다(Piea> systems PSI5H₄E T226-H₄-Y). 사용된 벤더 엘리먼트의 크기는 길이 11mm, 너비 5mm, 그리고 두께 0.
총 36개의 시편을 관찰히였으며, 대표 이미지는 그림 5 와 같다. 관찰한 모든 시료 표면의 80%이상이 microfossil 로 덮혀 있으며, 부서진 fossil 조각과 점토 광물이 응집되어 시료의 미세구조를 형성하고 있다(그림 5(a) 및 5(b)).

이론/모형

2001). 70℃에서 시료를 오븐 건조한 후, 질소 가스흡착법으로 비표면적을 측정하였다(Micromeritics Inc., ASAP 2010). 측정된 비표면적은 시료에 따라 20.
또한 임의의 부정확한 잡음(random and uncorrected noise)을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 평균하였다. 시료의 전기 저항은 동축케이블 형태의 전기비저항팀■침을 이용하여 측정하였디(Cho et al. 2004; Lee et al. 2008). 외부전도체(stainless tube, type 316)와 내부전도체(stainless steel wire)의 직경은 각각 2.
001mm 정밀도의 LVDT를 이용하여 침하량을 측정하였다. 침하량은 표준압밀실험(ASTM D2435-04) 시간 간격에 따라 측정하였다. 침하량 측정 후 즉시 전단파 속도, 전기 저항, 그리고 유전율을 측정하였다.

성능/효과

약 21 ~31m%g의 비표면적을 보였다. XRD 실험결고}; 주요 점토 광물은 일라이트, 카오리나이트, 크로라이트 그리고 캘싸이트로 나타났으며, SEM 결과 관찰된 시료 표면의 약 80%이상이 diatom으로 덮혀 있음을 알 수 있었다. 관찰된 diatom의 크기는 입자 및 공극 크기에 영향을 미칠 수 있을 정도로 판단되었다.
관찰된 diatom의 크기는 입자 및 공극 크기에 영향을 미칠 수 있을 정도로 판단되었다. 가스생산실험에 따른 하이드레이트의 소산으로 인하여 상당히 큰 초기 간극비를 가지는 것으로 나타났다. 수직 유효 응력의 증가에 따라 전단파 속도, 전기비저항은 증가하는 반면에 실수 유전율 및 전기전도도는 감소하였다.
XRD 실험결고}; 주요 점토 광물은 일라이트, 카오리나이트, 크로라이트 그리고 캘싸이트로 나타났으며, SEM 결과 관찰된 시료 표면의 약 80%이상이 diatom으로 덮혀 있음을 알 수 있었다. 관찰된 diatom의 크기는 입자 및 공극 크기에 영향을 미칠 수 있을 정도로 판단되었다. 가스생산실험에 따른 하이드레이트의 소산으로 인하여 상당히 큰 초기 간극비를 가지는 것으로 나타났다.
직접전단실험에서 얻은 횡방향 변형에 따른 전단응력을 그림 13에 나타내었다. 모든 수직 응력 수준에서 전단 응력은 최대값에 도달한 후 변형율 경화현상(strain hardening)을 보였다. 실험결과로부터 계산된 마찰각은 약 21。로 삼축실험으로부터 얻은 선행연구결과 18-23° 와 비슷하였다(Lee et al.
가스생산실험에 따른 하이드레이트의 소산으로 인하여 상당히 큰 초기 간극비를 가지는 것으로 나타났다. 수직 유효 응력의 증가에 따라 전단파 속도, 전기비저항은 증가하는 반면에 실수 유전율 및 전기전도도는 감소하였다. 전 단파 속도, 전기비저항, 유전율, 그리고 전기전도도는 간극비의 거동과 유사하게 수직유효응력에 따라 이 중 선형관계를 보였다.
112로 추정되었다. 압밀실험 결과, 현장 유효 상재하중이 IMPa이상일지라도 심해 시료의 압축성은 상당히 큼을 알 수 있다.
and Locat 1999). 울릉 분지의 시료 역시 SEM 에 의한 미세구조 관찰에서 벌집 구조의 모양 입자와 큰 내부 공극으로 확인할 수 있으며, 잘 발달된 inter-또는 intra-aggregated 공극을 획-인할 수 있었다. Diatom 은 이러한 큰 내부 공극으로 인한 큰 수분 함유 능력과 특이한 모양으로 인하여 액소성 한계와 압축성에 영향을 미친다.
그림 12(b)는 수직유효응력에 따른 전단탄성계수의 변화를 표시하였다. 재하과정동안 전단탄성계수는 수직유효응력의 증가에 따라 증가하였으며, e-logoj의 관계와 유사하게 이중선형거동을 보였다.
수직 유효 응력의 증가에 따라 전단파 속도, 전기비저항은 증가하는 반면에 실수 유전율 및 전기전도도는 감소하였다. 전 단파 속도, 전기비저항, 유전율, 그리고 전기전도도는 간극비의 거동과 유사하게 수직유효응력에 따라 이 중 선형관계를 보였다. 직접전단실험으로 얻은 마찰각은 약 21。로 계산되었다.
2008). 전단파 속도-수직유효응력 관계의 기울기로부터 구한 항복 응력은 10B-17P의 경우 약 40kPa, 10B-14R의 경우 약 llOkPa로 e-log%'의 관계로부터 추정한 항복응력보다 작은 값이 얻어졌다. 이와 같은 이유는 전단파는 압밀과정동안 발생하는 입자 미끄러짐과 회전 등으로 인한 흙 구조의 변화 및 접촉 특성을 반영하기 때문이다.
따라 그림 12(a)에 나타내었다. 전단파 속도는 수직유효응력의 증가에 따라 증가하였으며, 항복이 후 B지수는 10B-17P의 경우 0.41, 10B-14R의 경우 0.35로 나타났다. 점토의 경우 소성지수가 클수록 높은
169(10B-17P) 로 측정값과 차이를 보인다. 측정된 입축지수의 경우 경험 식으로 추정한 값의 상한값보다 더 큰 값을 보였으며, 팽창지수의 경우 경험식의 하한값을 보였다. Diatom으로 인한 상대적으로 큰 액성한계 및 소성한계와 작은 입자 크기 및 비표면적은 흙의 분류 및 점토의 활성도 판단을 어렵게 한다.

후속연구

또한 다양한 토질 정수 추정을 위한 경험식의 적용 역시 어렵게 만든다. 최근 석유, 천연가스하이드레이트 등의 에너지 탐사를 위해 증가하고 있는 해저 탐사 및 새로운 지반 공학적 영역의 확대를 위하여 상당량의 diatom이 포함된 해저 심해토의 거동에 대한 새로운 이해가 필요할 것으로 판단된다.

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Yun, T. S., Narsilio, G. A., and Santamarina, J. C. (2006), "Physical characterization of core samples recovered from Gulf of Mexico" Marine and Petroleum Geology, 23, 893-900

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Yun, T. S., Fratta, D., and Santamarina, J. C. (2008a), "Hydrate bearing sediments from the Krishna-Godavari Basin: physical characterization of pressure cores and production test" Marine geology (submitted)
Yun, T. S., Santamarian, J. C., Lee, J. S., and Lee, C. (2008b), "Physical characterization of hydrate bearing sediments from Korea UBGH01 expedition" Final Report, Lehigh University

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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