본 논문은 심층연약지반 개량용 전기가열장치를 개발하여 경기도 화성시 인근 연약지반에 적용한 것이다. m당 1 kW의 전기를 소비하는 니켈-크롬선으로 구성된 길이 4.0 m의 전기가열장치를 지표하 3.5~6.5 m 사이에 설치하여 48시간의 지반가열을 2회, 총 96시간 실시하였으며, 온도계와 압력계를 지표하 5.0 m 지점에 매설하여 지반가열에 의한 온도 및 증기압 변화를 측정하였다. 실험결과 가열원으로부터 횡방향 거리의 온도분포 및 선단지지력의 변화는 이차함수를 나타내었으며, 둘 다 R2값은 1로 산정되었다. 또한, 전기가열로 인해 수증기가 배출됨에 따라, 함수비 및 간극수압이 감소함을 관찰할 수 있었다.
본 논문은 심층연약지반 개량용 전기가열장치를 개발하여 경기도 화성시 인근 연약지반에 적용한 것이다. m당 1 kW의 전기를 소비하는 니켈-크롬선으로 구성된 길이 4.0 m의 전기가열장치를 지표하 3.5~6.5 m 사이에 설치하여 48시간의 지반가열을 2회, 총 96시간 실시하였으며, 온도계와 압력계를 지표하 5.0 m 지점에 매설하여 지반가열에 의한 온도 및 증기압 변화를 측정하였다. 실험결과 가열원으로부터 횡방향 거리의 온도분포 및 선단지지력의 변화는 이차함수를 나타내었으며, 둘 다 R2값은 1로 산정되었다. 또한, 전기가열로 인해 수증기가 배출됨에 따라, 함수비 및 간극수압이 감소함을 관찰할 수 있었다.
In this study, we developed the electric heating equipment and applied for soft ground improvement. The developed heat pipe is 4 m-length and consumes 1 kW/m, which is consisted of Ni-Cr wire. It was installed in 3.5~4.5 m below ground surface and heated for 96 hours (48 hours, 2 times). The tempera...
In this study, we developed the electric heating equipment and applied for soft ground improvement. The developed heat pipe is 4 m-length and consumes 1 kW/m, which is consisted of Ni-Cr wire. It was installed in 3.5~4.5 m below ground surface and heated for 96 hours (48 hours, 2 times). The temperature variation and vapor pressure caused by electric heating was measured by the thermometer and pressure gauge which were installed in the ground (5.0 m), and the tip resistances were measured by static electronic piezo-cone penetration test (CPT). As the results of experiments, 2-order polynomial curve was shown to adjust the variation of tip resistance and the temperature distribution with the horizontal distance from electric heater, whose R2 value is close to 1. In addition, in-situ pore-water pressure and water content was decreased.
In this study, we developed the electric heating equipment and applied for soft ground improvement. The developed heat pipe is 4 m-length and consumes 1 kW/m, which is consisted of Ni-Cr wire. It was installed in 3.5~4.5 m below ground surface and heated for 96 hours (48 hours, 2 times). The temperature variation and vapor pressure caused by electric heating was measured by the thermometer and pressure gauge which were installed in the ground (5.0 m), and the tip resistances were measured by static electronic piezo-cone penetration test (CPT). As the results of experiments, 2-order polynomial curve was shown to adjust the variation of tip resistance and the temperature distribution with the horizontal distance from electric heater, whose R2 value is close to 1. In addition, in-situ pore-water pressure and water content was decreased.
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문제 정의
본 연구에서는 개량된 전기가열장치를 이용하여 연약지반을 가열하여 개량하고자 하였다. 연약지반개량을 위한 전기가 열장치(길이 4.
제안 방법
3(c)). 마지막으로 전기가열관에 전선을 연결하고 열수축튜브와 실리콘을 이용하여 피복하였다.
본 연구에서는 연약지반을 개량하기 위해 전기가열장치 (길이 4.0 m)를 제작한 후 지반(3.5 m～6.5 m)에 설치하여 가열(48시간, 2회)하였다. 연약지반 가열로 인한 온도 및 증 기압 변화를 측정하고 가열 후 정적 전자식 피에조-콘 관입 시험(CPT)을 통해 지반의 강도 변화를 파악하였다.
실험부지에 온도계와 압력계를 설치하여 지반가열로 인한 온도와 증기압 변화를 측정하였다. 가열실험의 특성을 고려하여 최대사용온도가 400℃로 고온조건에서도 측정이 가능한 센서들을 사용하였다.
5 m)에 설치하여 가열(48시간, 2회)하였다. 연약지반 가열로 인한 온도 및 증 기압 변화를 측정하고 가열 후 정적 전자식 피에조-콘 관입 시험(CPT)을 통해 지반의 강도 변화를 파악하였다. 본 연구의 결과를 요약･정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 개량된 전기가열장치를 이용하여 연약지반을 가열하여 개량하고자 하였다. 연약지반개량을 위한 전기가 열장치(길이 4.0 m)를 제작하고, 연약지반(3.5～6.5 m)에 설치하여 지반을 가열(48시간, 2회)하였다. 연약지반의 열전달 과정을 판단하기 위해, 온도계와 압력계를 지중 5.
가열실험의 특성을 고려하여 최대사용온도가 400℃로 고온조건에서도 측정이 가능한 센서들을 사용하였다. 온도계는 0℃～400℃ 사이의 온도변화를 측정할 수 있는 Resistance Temperature Detector(PT100)를 이용하였고, 압력계는 0～1 MPa 사이의 압력변화를 측정할 수 있는 Melt Pressure Transducer(MPT124-111)를 이용하였다(Fig. 3(a)).
3(c)). 온도계와 압력계는 멀티플렉서(NCTSS-1632)와 데이터로거(CR-1000)를 이용하여 30분 간격으로 측정하였다.
3(a)). 온도계와 압력계를 지중에 설치하기 위해 별도의 스틸보호관을 제작하였으며, 센서를 스틸보호관(D = 5 cm)에 넣고 섬유망과 주문진 표준사를 이용하여 보호하였다(Fig. 3(b)).
2(a)). 전기가열로 인한 리드선의 단선을 방지하기 위해 비가열부 길이를 1.0 m로 설계하였으며, 가열관은 보링장비를 이용하여 지반을 천공한 후 케이싱 내부에 관입하였다(Fig. 2(b)).
전기가열은 1차와 2차로 나누어 수행하였으며, 1차 가열은 59시간부터 107시간까지 48시간 가열하고, 2차 가열은 180시간부터 228시간까지 48시간 가열을 수행하였다. 현장의 전원공급은 75 kW급 디젤발전기를 이용하였다.
전기가열을 종료하고 3일 후에 콘 관입시험을 수행하였으며, 약 50℃ 이하에서만 전자식 콘 관입시험 측정이 가능하므로 전기가열관으로부터 최소 20 cm 이상 떨어진 지점에서 시험을 수행하였다. 콘 관입시험은 Case 4에서 원지반과 가열지반(열원으로부터 횡방향 35 cm, 97 cm, 131 cm)에서 총 4회 수행하였다.
0 m 지점에 설치하였다. 지반가열 후 정적 전자식 피에조-콘 관입시험(CPT)을 통해 지반의 선단지지력과 간극수압 변화를 파악하였다.
전열선은 니켈-크롬, 보호관은 스테인리스 스틸(SUS 304), 열전달 매체는 마그네시아(MgO)를 사용하였다. 총 3 kW(1 kW/m)의 전류를 이용한 니켈-크롬선의 발열로 인해 표면온도가 450℃로 유지되도록 설계 및 제작하였다(Kanthal, 2003).
전기가열을 종료하고 3일 후에 콘 관입시험을 수행하였으며, 약 50℃ 이하에서만 전자식 콘 관입시험 측정이 가능하므로 전기가열관으로부터 최소 20 cm 이상 떨어진 지점에서 시험을 수행하였다. 콘 관입시험은 Case 4에서 원지반과 가열지반(열원으로부터 횡방향 35 cm, 97 cm, 131 cm)에서 총 4회 수행하였다. 또한, Case 5에서 원지반과 가열지반(열원으로부터 횡방향 28 cm)에서 2회 수행하였다.
대상 데이터
실험부지에 온도계와 압력계를 설치하여 지반가열로 인한 온도와 증기압 변화를 측정하였다. 가열실험의 특성을 고려하여 최대사용온도가 400℃로 고온조건에서도 측정이 가능한 센서들을 사용하였다. 온도계는 0℃～400℃ 사이의 온도변화를 측정할 수 있는 Resistance Temperature Detector(PT100)를 이용하였고, 압력계는 0～1 MPa 사이의 압력변화를 측정할 수 있는 Melt Pressure Transducer(MPT124-111)를 이용하였다(Fig.
실험부지는 행정구역상 경기도 화성시 송산면 일원이며, 북쪽으로는 시화호에 접하고 있고 서쪽은 대부도, 영흥도 등이 있다. 실험부지는 Fig.
5 m 정도 존재한다. 실험에 사용된 부지 면적은 가로 30 m, 세로 30 m로 900 m2 에 달한다.
(2012)에 의해 표층지반개량에 적용된 것과 동일하다. 전열선은 니켈-크롬, 보호관은 스테인리스 스틸(SUS 304), 열전달 매체는 마그네시아(MgO)를 사용하였다. 총 3 kW(1 kW/m)의 전류를 이용한 니켈-크롬선의 발열로 인해 표면온도가 450℃로 유지되도록 설계 및 제작하였다(Kanthal, 2003).
전기가열은 1차와 2차로 나누어 수행하였으며, 1차 가열은 59시간부터 107시간까지 48시간 가열하고, 2차 가열은 180시간부터 228시간까지 48시간 가열을 수행하였다. 현장의 전원공급은 75 kW급 디젤발전기를 이용하였다.
이론/모형
지반가열로 인한 강도변화를 파악하기 위해 정적 전자식 피에조-콘 관입시험(Static Electronic Piezo-Cone Penetration Test, CPT)을 수행하였으며, ASTM D5778(2000)에 따른 다 기능 콘 관입시험 트럭 및 이를 측정･저장하는 지반특성측정시스템을 이용하였다. 콘의 측정범위는 100 MPa, 선단면적은 10 cm2 , 슬리브 면적은 150 cm2 이다.
성능/효과
(1) 가열로 인한 지중 온도 변화를 측정한 결과, 열원으로부터 횡방향거리에 따른 현장지반의 온도분포는 지수적 감소함수형태 혹은 이차방정식 형태로 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 현장의 가열조건에 따른 열전달 범위는 약 120 cm 정도로 나타났다.
(2) 열원으로부터 횡방향거리에 따른 현장지반 온도구배 (온도차/가열시간차)는 횡방향거리에 따른 지수함수 형태를 보였다.
(3) 콘 관입시험을 통한 현장 지반의 선단지지력의 증가 역시 영향범위가 약 120 cm 정도로 나타났으며, 이차방정식 혹은 지수 함수적 형태를 보였다.
(4) 지반가열로 인한 열전달과 강도증가는 모두 열원으로 부터 횡방향거리에 따른 함수 형태로 나타났으나, 지반의 샌드심 등에 의한 비균질 특성으로 인해 열전달 특성에 다소 차이가 나타났다.
(5) 열원으로부터 횡방향 35 cm까지는 간극수압이 소산된 것을 확인할 수 있었고 이는 가열로 인해 지하수가 수증기로 증발되어 감소한 것이다. 열원으로부터 횡방향 45 cm 이후로는 지반 가열시간이 부족하여 간극수압이 소산되지 않는 것으로 나타났다.
(2012)은 Litvinov 지반가열시스템의 문제점을 보완하고자 니켈-크롬선의 전기저항원리를 이용한 간단한 지반가열시스템을 개발하였다. 느슨한 실트질모래의 표층지반을 전기가열장치를 이용하여 250℃로 3일간 가열한 결과, 항복지지력이 약 3배 증가하였고 열원 주변 20 cm까지는 완전히 소결되었다. 하지만 표층지반 개량에 적용된 전기가열관은 길이 1.
5 m 지점의 결과만을 그래프로 나타내었다. 선단지지력 그래프를 살펴보면, 지반가열로 인해 선단지지력이 증가하였으며, 점토층 내에 존재하는 샌드심의 영향으로 인해 선단지지력이 크게 산정되는 구간이 나타났다.
열원의 열전달 범위는 온도 측정결과, 약 120 cm로 나타났고, 콘 시험결과에서는 열원으로부터 횡방향으로 약 131 cm까지 평균 선단지지력이 증가하였다. 열전달 범위와 콘 시험 결과를 통해 전기가열로 인한 영향범위는 약 120 cm 정도로 판단된다.
열원의 열전달 범위는 온도 측정결과, 약 120 cm로 나타났고, 콘 시험결과에서는 열원으로부터 횡방향으로 약 131 cm까지 평균 선단지지력이 증가하였다. 열전달 범위와 콘 시험 결과를 통해 전기가열로 인한 영향범위는 약 120 cm 정도로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선행하중공법은 무엇이 필요한가?
연약지반 개량을 위한 선행하중공법(Pre-loading)은 많은 양의 성토재와 압밀 소요시간이 필요하다. 또한, 고속국도나 철도, 건축물 등의 시공 시에 나타나는 국부적인 연약지반에 선행하중공법을 적용하면 타 공정에 비해 장시간이 소요되므로 전체 공정이 지연된다.
지반가열공법이란 무엇인가?
이러한 문제를 해결하고자 Beles & Stănculescu(1958) 및 Litvinov(1960) 등에 의해 지반가열에 의한 개량공법이 개발 되었다. 화석연료가 풍부한 소련과 루마니아 등에서 상당수 시공된 지반가열공법은 연약지반에 화석연료와 공기를 혼합하여 보링홀 내에 압입한 뒤 연소시켜 흙을 소결하는 방 법으로, 포화도 감소, 점착력 증가 및 지반 압축으로 인해 지반의 강도가 단시간(약 10～20일)에 증가하였다. 또한, 가열 중상부 하중 재하 시 지반의 침하가 즉시 발생하며, 가열로 인한 흙 입자의 색깔 변화가 나타났다(Litvinov, 1960).
니켈-크롬선의 전기저항원리를 이용한 간단한 지반가열시스템의 단점은 무엇인가?
느슨한 실트질모래의 표층지 반을 전기가열장치를 이용하여 250℃로 3일간 가열한 결과, 항복지지력이 약 3배 증가하였고 열원 주변 20 cm까지는 완전히 소결되었다. 하지만 표층지반 개량에 적용된 전기가열 관은 길이 1.8 m로 길이가 짧으며, 리드선이 테프론으로 피복되어있어 내열온도가 약 200℃로 제한되는 등의 연약개량 적용에는 여러 가지 문제점이 있었다. 또한, 전기가열장치를 이용하여 연약지반의 개량하기 위해서는 전기가열로 인한 지중의 열전달 과정과 열적 거동을 명확히 파악하여야 한다.
참고문헌 (5)
ASTM (2000), Standard test method for electronic friction cone and piezocone penetration testing of soils, ASTM D5778, Annual Books of ASTM Standard, Vol. 04.08., pp. 1-8.
Beles, A. A. and Stanculescu, I. I. (1958), Thermal treatment as a means of improving the stability of earth masses, Geotechnique, Vol. 8, No. 4, pp. 158-165.
Kanthal (2003), Heating alloys for electric household appliances, Kanthal Appliance Alloys Handbook, Sandvik Group, Sweden, pp. 80-81.
Litvinov, I. M. (1960), Stabilization of settling and weak clayey soils by thermal treatment, Highway Research Board Special Report 60, pp. 94-112.
Park, M. C., Im, E. S., Shin, B. C. and Han, H. S. (2012), Improvement of shallow soil using electric heating equipment, Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 28, No. 10, pp. 41∼54 (in Korean).
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