[논문]석션파일의 조합하중 지지력 및 압밀거동에 관한 수치해석 연구

유충식; 홍승록

doi:10.7843/kgs.2014.30.1.103

문제 정의

위에서 기술한 기존에 수행된 실험적･수치해석적 연구에서는 석션파일의 지반공학적 거동 메카니즘에 대한 이론을 정리하는데 필요한 중요한 결과를 제시하였다고 할 수는 있겠으나 조합하중 작용시 거동 메카니즘 및 압밀 거동 등에 관련된 구체적이고 종합적인 연구는 매우 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 해양구조물을 지지하는 역할을 하는 석션파일의 지반공학적 거동 메카니즘 이론 정립의 일환으로 조합하중에 대한 지지력 거동과 길이 대 직경비 변화에 따른 조합하중 지지력 및 압밀 거동에 대한 구체적인 연구를 수행하고 그 결과를 종합적으로 분석하였다.
즉, 먼저 석션파일은 풍력발전, 해양플랫폼 등의 구조물 지지를 목적으로 설치 된 후 주변 환경으로 인한 풍하중, 파랑하중, 조석하중 등에 노출되며 이러한 하중은 석션파일에 수직하중, 수평하중 및 모멘트하중 등 조합하중의 형태로 작용하게 된다. 따라서 이러한 관점에서 다양한 조합하중이 작용하는 석션파일의 비배수 지지력 특성을 고찰하였다. 이와 아울러 점토지반에 시공되는 석션파일의 경우 하중 재하 후 발생할 수 있는 압밀침하 발생 메카니즘에 대한 검토의 일환으로 임의 수직하중 재하 후 지반에서 발생되는 압밀거동을 고찰하였다.
본 논문에서는 점토지반에 풍력발전 혹은 해양플랫폼 등의 구조물 지지를 목적으로 설치 된 후 주변 환경으로 인한 풍하중, 파랑하중, 조석하중 등에 노출되는 석션파일의 비배수 하중 지지력 특성 및 하중재하 후 발생할 수 있는 압밀침하 발생 메카니즘에 대한 고찰 내용을 다루었다. 연구에서는 비배수전단강도가 깊이에 따라 증가하는 경향을 반영하여 현실적인 현장 조건을 대상으로 하였으며 석션파일의 비배수 지지력 거동 및 압밀 거동을 현실적으로 모사할 수 있는 3차원 유한요소해석 모델을 구축하고 기존 연구결과와의 비교를 통해 타당성 확보 후 다양한 조건에 대한 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 앞서 기술한 바와 같이 두 가지 관점에서 석션파일의 거동에 관한 내용을 고찰하였다. 즉, 먼저 석션파일은 풍력발전, 해양플랫폼 등의 구조물 지지를 목적으로 설치 된 후 주변 환경으로 인한 풍하중, 파랑하중, 조석하중 등에 노출되며 이러한 하중은 석션파일에 수직하중, 수평하중 및 모멘트하중 등 조합하중의 형태로 작용하게 된다.
앞서 기술한 바와 같이 석션파일의 거동해석에서 지반-석션파일 인터페이스 모델링은 현실적인 해석결과를 습득하기 위한 매우 중요한 모델링 요소라고 할 수 있다. 본 연구에서는 지반-석션파일 인터페이스 모델링 여부가 석션파일의 수직 및 수평지지력 그리고 조합하중 지지력에 미치는 영향을 고찰하였다. 이때 수직지지력(F_z,ult) 및 수평지지력(F_x,ult)은 하중-변위 곡선으로부터 결정하였다.

가설 설정

3과 같이 깊이(z)에 따라 증가하는 경향을 반영하였다. Fig. 3에 제시된 깊이에 따른 비배수전단강도 데이터는 S _u (kPa) = 7.4+ 1.4z의 관계를 가지며 비배수탄성계수(E_u)는 E_u= 500S_u의 관계를 갖는 것으로 가정하였다. 한편, 사질토 지반의 경우 건조단위중량 γ_d = 16 kN/m³ 탄성계수 및 내부마찰 각이 각각 E= 10MPa 및 Φ′ = 25° 인 느슨한 모래지반으로 간주하였다.

제안 방법

)와 지반내 과잉간극수압(Δu) 변화량을 검토하였다. 과잉간극수압 측정은 석션파일 스커트 내부지반의 지표면 하부 5m(A점) 및 10m(B점) 지점에서 수행하였다. Fig.
2와 같이 석션파일 상판과 내측지반은 1m의 이격 거리를 갖도록 설치되는 조건을 고려하였다. 기본조건으로 길이(L) 대 직경 비 L/D = 2.5을 채택하였으며 L/D에 따른 지지력 변화 경향 고찰을 위해 L/D = 1.0 및 1.7의 조건을 추가로 고려하였다.
또한 압밀해석에 필용한 MCC 모델 파라메터는 당 현장의 배수 내부마찰각(Φ′ = 30°), 압축지수(Cc= 0.48), 재압축지수(Cs= 0.05)를 토대로 산정하였다.
본 연구에서 채택한 조합하중 지지력 산정을 위한 3차원 유한요소해석 모델의 타당성 확인을 위해 기존의 연구결과와 비교하는 방법을 통해 제한적이나마 검증을 수행하였다. 모델검증을 위해서는 유사한 하중조건에 대한 현장시험이나 모형실험 결과와 비교하는 것이 타당하다고 하겠으나 수치모델링이 가능하도록 지반조건 등 충분히 정리된 현장시험결과나 모형실험결과의 획득에 어려움이 있어 부득이 Zhan and Liu(2010)에서 고려한 해석조건에 대한 해석모델을 구축하고 동일한 조건에 대한 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다. Zhan and Liu(2010)의 해석조건은 길이 대 직경비가 L/D = 1.
모델이산화에 있어서 하중조합 지지력 해석에서는 지반과 셕선파일 모두 8절점 고체요소(C3D8R)을 이용하여 모델링하였으며 압밀거동해석을 위한 해석에서는 간극수압요소인 C3D8RP을 이용하여 모델링하고 셕선파일은 C3D8R을 이용하여 모델링하였다. Fig.
본 연구에서 채택한 조합하중 지지력 산정을 위한 3차원 유한요소해석 모델의 타당성 확인을 위해 기존의 연구결과와 비교하는 방법을 통해 제한적이나마 검증을 수행하였다. 모델검증을 위해서는 유사한 하중조건에 대한 현장시험이나 모형실험 결과와 비교하는 것이 타당하다고 하겠으나 수치모델링이 가능하도록 지반조건 등 충분히 정리된 현장시험결과나 모형실험결과의 획득에 어려움이 있어 부득이 Zhan and Liu(2010)에서 고려한 해석조건에 대한 해석모델을 구축하고 동일한 조건에 대한 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
따라서 석션파일의 하중 지지력을 현실적으로 평가하기 위해서는 지반과 석션파일의 인터페이스 거동을 현실적으로 반영하여야 한다. 본 연구에서는 Abaqus에서 제공하는 contact pair를 사용하여 지반과 석션파일 접촉면의 인터페이스 거동을 모델링하였다. 즉, 해석모델링에서 지반과 석션파일을 별도의 파트로 모델링한 후 접촉면에 contact pair를 설치하고 Coulomb friction 형태의 구성모델을 이용하여 모델링하였다.
본 연구에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus ver. 6.12(Abaqus, 2011)를 사용하여 조합하중 하중지지력 및 압밀거동을 고찰하였다. Abaqus는 토목 및 기계 등 다양한 분야의 정적 및 동적 응력 해석, 그리고 응력유체 연계해석에 적용되는 다목적 유한요소해석 프로그램으로서 특히 지반공학분야에 있어 다양한 흙에 대한 구성모델을 제공하고 효율적인 소성 응력-변형률 거동 모사 알고리즘을 제공한다.
일반적으로 석션파일에 작용하는 이러한 조합하중의 파괴포락선(failure loci)은 F_z-F _x, F_z- M, F_x - M, F_x - T, F_z-F _x - M의 하중 공간에서 표현한다. 본 연구에서는 수평하중 F_x가 석션기초 상부 레벨에 작용하는 조건(즉, M = 0)에 대해 F_z-F_x조합하중에 대한 파괴 포락선을 작성하였다. 파괴포락선의 작성은 수직변위 및 수평변위를 단계적으로 증가 또는 감소하는 방법으로 변위를 작용시켰으며 그에 대응하는 수직하중 및 수평하중을 검토하였다.
석션파일 설치 대상 지반으로 점토지반 및 사질토 지반을 고려하였다. 이때 점토지반의 지반공학적 특성은 임의 현장에 대한 기 수행된 조사결과를 반영하여 간극비와 포화단위중량은 각각 e_o = 1.
석션파일에 작용하는 수직하중, 수평하중 및 모멘트 하중 등의 조합하중은 Abaqus에서 제공하는 “Reference point” 옵션을 이용하여 석션파일 상단 중앙점에 Reference point를 지정한 후 이 점에 수직하중 및 수평하중, 조합하중을 재하하였다.
압밀거동에 대한 고찰을 위해 하중재하 후 시간경과에 따른 석션파일의 침하(Sc)와 지반내 과잉간극수압(Δu) 변화량을 검토하였다.
압밀거동해석은 석션파일의 길이 대 직경 비 L/D = 2.5인 조건에 대해 수행하였으며 본 연구에서 검토한 조건과 유사한 현장조건을 고려하여 수직하중 F_Z= 2500 kN 이 작용하는 조건에 대해 응력-간극수압 연계해석을 수행하였다. 응력-간극수압 연계해석 모델링의 구체적인 모델링 방법 및 이론적 배경은 Abaqus(2011)와 Choi and Yoo(2011)에 상세히 기술되어 있다.
연계해석은 초기 응력설정 ⇒ Suction pile 설치(자중재하 in short period) ⇒ 하중재하(Fv = 2500 kN) ⇒ 압밀 진행(10000days)의 순으로 해석을 수행하였으며 이때 석션파일은 ‘wishedin-place’로 간주하였다(Fig. 9).
본 논문에서는 점토지반에 풍력발전 혹은 해양플랫폼 등의 구조물 지지를 목적으로 설치 된 후 주변 환경으로 인한 풍하중, 파랑하중, 조석하중 등에 노출되는 석션파일의 비배수 하중 지지력 특성 및 하중재하 후 발생할 수 있는 압밀침하 발생 메카니즘에 대한 고찰 내용을 다루었다. 연구에서는 비배수전단강도가 깊이에 따라 증가하는 경향을 반영하여 현실적인 현장 조건을 대상으로 하였으며 석션파일의 비배수 지지력 거동 및 압밀 거동을 현실적으로 모사할 수 있는 3차원 유한요소해석 모델을 구축하고 기존 연구결과와의 비교를 통해 타당성 확보 후 다양한 조건에 대한 해석을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이때 수직지지력(F_z,ult) 및 수평지지력(F_x,ult)은 하중-변위 곡선으로부터 결정하였다. 이때 기존의 연구(Zhan and Liu 2010, Lee et al. 2011)에서 채택한 기준을 참고하여 수직지지력 F_z,ult는 수직변위가 석션파일 직경(D)의 5%에 도달할 때의 하중으로 결정하였으며 수평지지력 F_x,ult는 수평변위가 석선파일 근입길이(L)의 2%에 도달할 때의 하중으로 결정하였다.
이러한 인위적으로 설치되는 경계면의 위치는 측면 및 하부 경계의 영향을 최소화 할 수 있도록 예민도 검토를 통해 결정하였다. 이때 변위 경계조건으로서 모델의 측면 경계는 힌지를 설치하여 수평방향 변위를 구속하였으며 바닥부 경계면은 수직방향과 수평방향 변위 모두를 구속하였다(Fig. 5). 한편 Abaqus를 이용한 압밀해석시에는 변위 경계조건과 아울러 수리 경계조건을 지정하여야 하는데 Fig.
한편, 재료적 모델링에 있어 셕선파일은 탄성재료로 간주하였으며 지반은 하중지지력 평가를 위한 비배수 거동해석에서는 Mohr-Coulomb 모델을 따르는 탄소성 재료로, 압밀거동해석에서는 Modified Cam Clay(MCC) 모델을 이용하여 모델링하였다. 이때 앞에서 기술한 바와 같이 깊이에 따라 점토지반의 비배수 전단강도가 증가하는 경향을 반영하기 위해 지층을 2～3m의 두께의 지층으로 구분하고 앞서 기술한 S_u (kPa) = 7.4+ 1.4z 및 E_u = 500S_u 식을 이용하여 각층 중앙부에서의 S_u와 E_u를 산정하여 적용하였다. 또한 압밀해석에 필용한 MCC 모델 파라메터는 당 현장의 배수 내부마찰각(Φ′ = 30°), 압축지수(C_c= 0.
5와 6에서는 본 연구에서 채택한 3차원 해석 모델을 보여주고 있는데 관찰할 수 있는 바와 같이 대상지반을 원통형으로 설정하고 측면 경계는 석션파일 중심으로 10D 그리고 하부경계는 7D에 해당하는 위치에 설치하여 해석영역을 설정하였다. 이러한 인위적으로 설치되는 경계면의 위치는 측면 및 하부 경계의 영향을 최소화 할 수 있도록 예민도 검토를 통해 결정하였다. 이때 변위 경계조건으로서 모델의 측면 경계는 힌지를 설치하여 수평방향 변위를 구속하였으며 바닥부 경계면은 수직방향과 수평방향 변위 모두를 구속하였다(Fig.
따라서 이러한 관점에서 다양한 조합하중이 작용하는 석션파일의 비배수 지지력 특성을 고찰하였다. 이와 아울러 점토지반에 시공되는 석션파일의 경우 하중 재하 후 발생할 수 있는 압밀침하 발생 메카니즘에 대한 검토의 일환으로 임의 수직하중 재하 후 지반에서 발생되는 압밀거동을 고찰하였다. Fig.
점토지반의 투수계수변화에 따른 압밀거동 변화 경향을 고찰하기 위해 투수계수를 k_v= (10^-3 , 10^-4 , 10^-5 ) m/day 에 대한 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다(Figs. 16, 17, 19 참조). 해석 결과를 분석하면 투수계수가 k_v= 10^-3m/day에서 k_v= 10^-5m/day로 감소하면서 압밀완료시점인 30년에서 압밀침하량은 20mm미만으로 거의 유사하게 나타났다.
조합하중 지지력에 대한 해석에서는 “지중응력 구현 ⇒석션파일 설치 ⇒ 하중재하”로 이어지는 석션파일 시공 및 하중재하 과정을 Abaqus에서 제공하는 단계별 해석 기능을 활용하여 상세히 모델링 하였다.
본 연구에서는 Abaqus에서 제공하는 contact pair를 사용하여 지반과 석션파일 접촉면의 인터페이스 거동을 모델링하였다. 즉, 해석모델링에서 지반과 석션파일을 별도의 파트로 모델링한 후 접촉면에 contact pair를 설치하고 Coulomb friction 형태의 구성모델을 이용하여 모델링하였다. 한편, contact pair에서의 미끄러짐 현상은 접촉면에서의 최대 전단응력 값이 수직응력 값에 비례하는 것으로 간주하는 Coulomb 모델을 이용하여 모델링하였는데 여기서 발생 전단응력이 Coulomb friction 전단저항 보다 작을 경우 미끄러짐 현상이 발생하지 않으나 전단응력이 Coulomb friction 전단저항 보다 클 경우 미끄러짐이 발생하게 된다[식 (2)].
본 연구에서는 수평하중 F_x가 석션기초 상부 레벨에 작용하는 조건(즉, M = 0)에 대해 F_z-F_x조합하중에 대한 파괴 포락선을 작성하였다. 파괴포락선의 작성은 수직변위 및 수평변위를 단계적으로 증가 또는 감소하는 방법으로 변위를 작용시켰으며 그에 대응하는 수직하중 및 수평하중을 검토하였다. 예를 들어 첫 번째 단계에서 수직변위를 극한 수직변위까지 작용시켰을 때 수평변위는 작용시키지 않았으며 두 번째 단계에서 극한수직변위의 90%를 작용시켰을 때 극한 수평 변위의 10%를 동시에 작용시키는 방법으로 파괴포락선을 작성하였다.
한편 Abaqus를 이용한 압밀해석시에는 변위 경계조건과 아울러 수리 경계조건을 지정하여야 하는데 Fig. 5(b)와 같이 전체 해석 도메인 중간 단면(AA’)을 기준으로 좌･우측 경계(ab, cd) 및 하부 경계에(bc)는 No-flow 경계조건을 설정하였으며 mud-line인 해저지표면(ad)의 간극수압을 “0”으로 부여하여 간극수압의 소산을 모델링 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 2와 같이 두께 t = 25.4 mm의 강판으로 제작된 직경(D) 5m의 석션파일을 대상으로 하였으며 해석에서는 실제 시공상황을 반영하여 아래 Fig. 2와 같이 석션파일 상판과 내측지반은 1m의 이격 거리를 갖도록 설치되는 조건을 고려하였다. 기본조건으로 길이(L) 대 직경 비 L/D = 2.

이론/모형

석션파일의 압밀거동 해석은 Abaqus에서 제공하는 응력간극수압 연계해석(stress-pore pressure coupled analysis, 이하 연계해석이라 칭함)을 수행하였다. 연계해석은 초기 응력설정 ⇒ Suction pile 설치(자중재하 in short period) ⇒ 하중재하(F_v = 2500 kN) ⇒ 압밀 진행(10000days)의 순으로 해석을 수행하였으며 이때 석션파일은 ‘wishedin-place’로 간주하였다(Fig.
한편, 재료적 모델링에 있어 셕선파일은 탄성재료로 간주하였으며 지반은 하중지지력 평가를 위한 비배수 거동해석에서는 Mohr-Coulomb 모델을 따르는 탄소성 재료로, 압밀거동해석에서는 Modified Cam Clay(MCC) 모델을 이용하여 모델링하였다. 이때 앞에서 기술한 바와 같이 깊이에 따라 점토지반의 비배수 전단강도가 증가하는 경향을 반영하기 위해 지층을 2～3m의 두께의 지층으로 구분하고 앞서 기술한 S_u (kPa) = 7.

성능/효과

(1) 석션파일-지반간의 인터페이스 거동에 대한 모델링 여부가 해석결과에 미치는 영향에 대한 내용을 고찰한 결과 설치지반의 종류에 관계없이 인터페이스가 모델링되지 않은 완전부착(full bonding) 경우가 더 큰 지지력을 보이는 것으로 나타나 인터페이스 모델링을 생략할 경우 지지력을 과대평가할 수 있는 것으로 검토되었다.
(2) 수평하중 F_x가 석션기초 상부 레벨에 작용하는 조건(즉, M = 0)에 대해 F_z- F_x 조합하중에 대한 지지력거동을 검토한 결과 설치 지반에 관계없이 파괴 포락선은 L/D가 증가할수록 파괴 포락선의 형상은 동일하게 유지하면서 확장되는 경향을 관찰할 수 있어, 결국 석션파일의 길이 대 직경 비는 하중지지력을 결정하는 매우 중요한 인자인 것으로 검토되었으며 조합하중 파괴포락선은 정규화된 형태로 표현될 수 있는 것으로 나타났다.
(3) 석션파일에 일정한 크기의 수직하중 재하 후 압밀 거동을 검토한 결과 최대과잉간극수압 발생량 및 압밀침하량이 미미한 것으로 검토되어 본 연구에서 고려한 지반 및 하중 조건과 유사한 조건에 노출되는 석션파일의 압밀거동은 무시하여도 무방한 것으로 검토되었다.
14는 사질토 및 점토지반에 대해 F_z-F_x파괴 포락선을 다양한 L/D에 대해 보여주고 있다. 먼저 설치 지반에 관계없이 L/D가 증가할수록 파괴 포락선의 형상은 동일하게 유지하면서 확장되는 경향을 관찰할 수 있어, 결국 석션파일의 길이 대 직경비는 하중지지력을 결정하는 매우 중요한 인자인 것으로 검토되었다. 한편, Fig.
10은 수직하중 작용에 따른 하중-변위 곡선을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 본 연구에서 채택한 모델의 결과와 Zhan and Liu(2010)의 결과는 거의 유사한 것으로 나타나 본 연구에서 채택한 유한요소모델은 하중지지력 관련 연구에 충분한 적용성이 있는 것으로 검토되었다.
예상할 수 있는 바와 같이 설치지반의 종류에 관계없이 인터페이스가 모델링되지 않은 완전부착(full bonding) 경우가 더 큰 지지력을 발현하는 것으로 나타났다. 한편, 구체적인 검토결과 임의의 L/D에서 점토지반보다는 모래지반의 경우가, 그리고 임의 지반에서는 L/D가 증가할수록 인터페이스 설치 여부가 지지력에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 석션파일 지지지력 거동 해석시 지반-석션파일 인터페이스 모델링의 중요성을 반영하는 것으로서 인터페이스 모델링을 생략할 경우 지지력을 과대평가할 수 있음 보여준다고 하겠다.
16, 17, 19 참조). 해석 결과를 분석하면 투수계수가 k_v= 10^-3m/day에서 k_v= 10^-5m/day로 감소하면서 압밀완료시점인 30년에서 압밀침하량은 20mm미만으로 거의 유사하게 나타났다. 이와 같이 투수계수가 달라지더라도 압밀침하량이 거의 동일하게 발생하는 것으로 검토된 이유는 다른 지반특성은 동일하나 투수계수만 변화하는 해석조건을 설정하였기 때문으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석션파일의 시공의 순서는 어떻게 되는가?	석션파일의 시공은 “해상 투하” ⇒ “자중에 의한 관입” ⇒ “석션에 의한 관입” 순으로 이루어지며 이때 석션은 주동석션과 수동석션으로 구분된다. 주동석션은 스커트 내부의 물을 펌핑할 때 발현되며 상단 내부에 압축력으로 작용하게 된다.
	석션파일(케이슨) 사용의 유래는?	석션파일(케이슨)은 1980년 대 말부터 네덜란드나 노르웨이 등 북유럽에서 심해저 석유 채취용 플랫폼의 기초로 주로 사용되었으며 현재는 해상플랫폼 및 중력 기반 구조(Tjelta et al., 1990), 심해 subsea 구조(Hefer, 1998)등에 널리 적용되어 사용되고 있다(Fig.
	주동석션과 수동석션은 어떻게 수행되는가?	석션파일의 시공은 “해상 투하” ⇒ “자중에 의한 관입” ⇒ “석션에 의한 관입” 순으로 이루어지며 이때 석션은 주동석션과 수동석션으로 구분된다. 주동석션은 스커트 내부의 물을 펌핑할 때 발현되며 상단 내부에 압축력으로 작용하게 된다. 반면 수동석션은 석션파일 제거 시 발생하며 스커트 하단부분에 부의 압력이 발생하게 된다. Fig.

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