[논문]모형실험을 통한 모래지반에서 석션버켓기초의 관입저항력 평가

김근수; 권오순; 오명학; 장인성

doi:10.14481/jkges.2014.15.6.75

모형실험을 통한 모래지반에서 석션버켓기초의 관입저항력 평가
Investigation on the Penetration Resistance of Suction Bucket Foundation in Sand using Model Test 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.15 no.6, 2014년, pp.75 - 83

김근수 (Coastal Development & Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology) , 권오순 (Coastal Development & Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology) , 오명학 (Coastal Development & Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology) , 장인성 (Coastal Development & Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology)

초록
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석션버켓기초는 펌프로 버켓 내부의 물을 외부로 배출할 때 발생한 압력차로 지반에 설치되는 기초이다. 버켓기초는 외해의 플랫폼이나 석유 가스 시추시설을 계류시키기 위한 앵커로 주로 사용되었으나, 최근 유럽을 중심으로 해상풍력발전의 기초로 적용되기 시작하면서 국내에서도 큰 관심을 받고 있다. 석션버켓기초의 관입저항력 산정은 석션버켓기초를 성공적으로 시공하기위해 고려해야 할 주요 사항 중의 하나이다. 본 연구는 석션버켓기초를 관입시킬 때 필요한 관입력을 평가하기 위해 실내모형실험을 수행하였다. 실내모형실험은 압입설치 및 석션설치에서 측정한 관입저항력을 관입성능평가에서 많이 사용되는 기존의 이론식과 비교하여 강도감소계수의 적절한 범위를 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Suction bucket foundation is installed with the differential pressure created by pumping water out of bucket. Bucket foundation has usually been utilized in mooring anchor for offshore platform or floating oil and gas production facilities in the open sea. After suction bucket foundation successfully was applied as the foundation for offshore wind turbines in Europe, it recently attracts much attention in Korea, too. To estimate the penetration resistance of the suction bucket foundation is one of the important matters that should be considered during its installation. This study carried out a series of model tests to investigate the penetration resistance of suction bucket foundation. And the mobilized soil strength factor was reviewed through comparing the experimental results by two installation ways (e.g., push-in-load and suction) and the results calculated by the conventional equation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모래지반에서 석션버켓기초를 관입시킬 때 필요한 관입력을 실내모형실험에서 평가하고자 하였다. 이를 위하여 버켓기초를 압입설치와 석션설치 방법으로 각각 관입시켰을 때 얻어지는 관입저항력을 측정한 후, 관입 성능평가에서 많이 사용되는 Bang et al.
본 연구에서는 압입설치와 석션설치 방법으로 석션버켓 기초를 관입시키고 버켓기초가 관입하는 동안의 관입저항력을 측정하였다. Fig.

가설 설정

버켓기초를 50 mm 깊이까지 초기관입시킨 후, 매우 천천히 펌프의 회전속도를 증가시켰다. 버켓기초가 관입을 시작하면 펌프의 회전속도를 유지하였고, 1분 동안 버켓기초의 관입량이 0.5 mm 이하가 되면 더 이상 관입되지 않는 것으로 가정하였다. 그러면 펌프의 회전속도를 천천히 증가시켜 버켓기초가 다시 관입되도록 하였다.
버켓기초의 관입저항력은 임의의 깊이에서 버켓기초 선단의 선단저항력과 버켓기초 내･외 벽체의 주면마찰력의 합이다. 버켓기초의 벽체두께(t)를 얕은 기초의 폭(B)으로 가정하면, 버켓기초의 선단은 기초형상이 띠기초라고 가정할 수 있다. 그러므로 버켓기초가 관입되는 동안 선단에서 발생하는 저항력을 산정하는 방법은 얕은 기초가 띠기초 형상일 때 사용하는 극한지지력식을 이용할 수 있으며, 이때의 극한지지력식은 Eq.

제안 방법

그러므로 본 연구에서는 Bang et al.(2000)에 의한 방법으로 버켓기초의 설치방법에 따른 관입저항력을 산정한 후 실험결과와 비교하였다. 버켓기초의 직경이 100 mm, 150 mm, 300 mm일 때, 석션설치 시 측정된 관입저항력은 Table 4와 같이 얕은 기초의 지지력공식으로 산정한 관입저항력의 19.
5(b)는 직경에 따른 관입깊이-석션압의 관계를 보여준다. 1분 동안 버켓기초의 관입량이 0.5 mm 이하가 되었을 때의 수직변위와 내･외부 압력차를 각각 관입깊이와 석션압으로 결정하였다. 직경이 클수록 버켓기초를 관입시키기 위해 더 큰 석션압이 필요하였다.
앞에서 언급한 바와 같이 압입설치 시에는 버켓기초의 관입깊이가 증가함에 따라 관입저항력의 증가율이 증가하는 반면, 석션설치 시에는 관입저항력의 증가율이 거의 일정하였다. 50 mm부터 80 mm까지의 구간에서 압입설치 시 관입저항력에 대한 석션설치 시 관입저항력의 비율은 깊이에 따라 다르므로, 관입깊이가 50, 60, 70, 80 mm일 때 설치방법에 따른 관입저항력의 비율을 평균하였다. 직경이 100 mm, 150 mm와 300 mm인 버켓기초의 석션 설치 시 관입저항력은 압입설치 시 관입저항력의 3.
최소관입깊이는 석션버켓기초의 설치 도중에 지반의 불안정(모래지반은 보일링, 점토지반은 플러깅)이 나타나지 않고 석션버켓기초를 설계깊이까지 관입시키는데 필요한 자중관입 단계에서의 관입깊이이다. 그러나 아크릴로 제작한 모형버켓기초는 자중이 매우 작아서 자중관입에 의한 최소관입깊이의 확보가 어려우므로 모형실험에서는 임의의 깊이까지는 압입설치 방법으로 버켓기초를 관입시켜 자중관입을 대체하였다.
4(b)는 직경에 따른 관입깊이-수직하중의 관계를 보여준다. 단계재하방식에 따라 하중을 재하한 후 매 10 mm 마다 2분 동안 하중을 유지하였으므로, 각 단계에서 2분이 되었을 때의 수직변위와 하중을 각 단계에서의 관입깊이와 관입저항력으로 결정하였다. 버켓기초의 직경이 증가하면 선단면적(≈ πDt)도 증가하므로, 버켓기초의 직경이 증가함에 따라 임의의 깊이에서의 관입저항력도 증가하였다.
그러나 초기관입깊이가 50mm일 때는 모든 직경의 버켓기초에서 보일링이 발생하지 않았다. 따라서 본 실험에서는 버켓 기초를 50mm 깊이까지 압입설치 방법에 의해 관입시킨 후 석션압을 가하여 최종관입깊이까지 설치하는 방법으로 실험을 수행하였다.
본 연구에서 사용한 버켓기초의 제원을 Table 1에 제시하였다. 버켓기초의 길이(L)는 100 mm로 일정하며, 직경(D)은 100, 150, 300 mm로 제작하여 L/D를 변화시켰다.
압입설치 방법에서 버켓기초를 관입시키기 위한 수직하 중은 유압실린더로부터 강봉을 통해 버켓기초에 전달되도록 하였고, 유압실린더와 강봉 사이에 로드셀을 연결하여 수직하중을 측정하였다. 수직하중이 증가함에 따라 버켓기초는 지반에 관입되는데, 이때 발생하는 수직변위는 두 개의 LVDT를 사용하여 측정하였다. 유압실린더와 LVDT는 실험하는 도중 다른 실험 장치에 의한 간섭을 받지 않도록 프레임에 고정시켰다.
압입설치 방법에서 버켓기초를 관입시키기 위한 수직하 중은 유압실린더로부터 강봉을 통해 버켓기초에 전달되도록 하였고, 유압실린더와 강봉 사이에 로드셀을 연결하여 수직하중을 측정하였다. 수직하중이 증가함에 따라 버켓기초는 지반에 관입되는데, 이때 발생하는 수직변위는 두 개의 LVDT를 사용하여 측정하였다.
3(b)는 두 가지 방법으로 버켓기초를 관입시키기 위한 실험장치를 보여준다. 압입설치 방법은 포화된 모래지반에서 침투가 발생하지 않을 때의 관입저항력을 측정하기 위해 수행하였으며, 석션설치 방법은 침투로 인해 강도가 감소한 지반에서의 관입저항력을 측정하기 위해 수행하였다.

대상 데이터

토조실험을 위한 모형지반은 400 mm 두께의 사질토 지반을 조성한 후, 수심은 350 mm가 되도록 하였다. 지반조성에 사용된 시료는 주문진 표준사로 기본특성은 Table 2와 같다. 모형지반의 상대밀도는 약 35～40 % 수준으로 조성하였으며, 지반조성 후 휴대용 콘관입시험기를 사용하여 지반특성을 평가한 결과 모형지반의 유효 내부마찰각은 30°로 나타났다(Oh, 1993).
2에 보인 바와 같이 제작하였다. 토조는 폭, 길이, 높이가 800 mm인 정육면체 형상이며, 토조의 벽면은 버켓기초의 관입거동을 용이하게 관측하기 위하여 투명 아크릴로 만들어졌다. 본 연구에서 사용한 버켓기초의 제원을 Table 1에 제시하였다.
토조실험을 위한 모형지반은 400 mm 두께의 사질토 지반을 조성한 후, 수심은 350 mm가 되도록 하였다. 지반조성에 사용된 시료는 주문진 표준사로 기본특성은 Table 2와 같다.

성능/효과

(1) 압입설치와 석션설치 방법 모두에서 버켓기초의 직경이 커질수록 관입저항력이 증가하였으며, 버켓기초의 관입깊이가 깊어질수록 관입저항력도 증가하였다.
(2) 석션설치 방법에서 측정된 관입저항력은 압입설치 방법에서 측정된 관입저항력에 비해 3.5 %～16.8 % 범위로 나타났는데, 이것은 Tran & Randolph(2008)에 의해 수행된 100 g 원심모형실험의 결과인 18 %보다 다소 작은 값을 보이고 있다.
(4) 버켓기초의 설치는 석션을 이용하면 압입설치 방법보다 쉽게 이루어지는 점을 실내모형실험에서 확인하였다. 그리고 석션버켓기초가 관입되는 동안의 거동과 관입메커니즘의 규명은 다양한 형상의 버켓기초에 대한 관입거동의 관측, 수치해석에 의한 관입저항력의 평가와 같은 후속 연구가 필요하다.
버켓기초의 직경이 증가하면 선단면적(≈ πDt)도 증가하므로, 버켓기초의 직경이 증가함에 따라 임의의 깊이에서의 관입저항력도 증가하였다. 그리고 모래지반에서는 깊이가 증가함에 따라 강도가 증가하므로, 버켓기초가 관입되면서 관입저항력 또한 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 Tran et al.

후속연구

(4) 버켓기초의 설치는 석션을 이용하면 압입설치 방법보다 쉽게 이루어지는 점을 실내모형실험에서 확인하였다. 그리고 석션버켓기초가 관입되는 동안의 거동과 관입메커니즘의 규명은 다양한 형상의 버켓기초에 대한 관입거동의 관측, 수치해석에 의한 관입저항력의 평가와 같은 후속 연구가 필요하다.
그리고 버켓 기초의 직경에 따라 적용한 강도감소계수와 산정된 관입저항력, 그리고 산정된 관입저항력에 대한 측정된 관입저항력의 비율을 Table 5에 정리하였다. 석션버켓기초의 직경이 클수록 관입저항력을 산정하기 위해 적용해야 할 강도감소 계수는 증가하는 경향을 보이고 있으나, 이러한 경향은 실내모형실험에서의 결과이므로 현장에 적용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석션버켓기초란 무엇인가?	석션버켓기초는 버켓 내부의 물을 수중펌프로 밖으로 배출시킬 때 발생하는 내･외부의 압력차를 이용하여 설치하는 기초로, 여기서 버켓기초는 양동이(bucket)를 거꾸로 놓은 것과 같은 형상이라 하여 붙여진 이름이다. 또한 설치 시와 반대순서로 물을 버켓 내부로 유입시키면 인발이 가능하므로, 사용완료 후 제거가 가능하다는 장점이 있다(Bang et al.
	석션버켓기초의 장점은?	석션버켓기초는 버켓 내부의 물을 수중펌프로 밖으로 배출시킬 때 발생하는 내･외부의 압력차를 이용하여 설치하는 기초로, 여기서 버켓기초는 양동이(bucket)를 거꾸로 놓은 것과 같은 형상이라 하여 붙여진 이름이다. 또한 설치 시와 반대순서로 물을 버켓 내부로 유입시키면 인발이 가능하므로, 사용완료 후 제거가 가능하다는 장점이 있다(Bang et al., 2000).
	버켓기초의 용도는?	, 2000). 버켓기초는 주로 외해의 플랫폼이나 석유･가스 시추시설을 계류시키기 위한 앵커로 사용되어왔으나, 최근 유럽을 중심으로 해상풍력발전의 기초공법으로 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다(Houlsby et al., 2005).

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표제어: PCR

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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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