본 연구에서는 국내 서남해 해상지역 시범사업의 부유식 콘크리트 해상구조물 계류를 위한 기초시스템으로서 석션파일을 적용하기 위한 예비설계를 수행하였다. 설계에 앞서 시범사업 대상지역인 서남해안에 대한 지반 및 수리 조건, 재현주기 100년의 환경외력 등 현장 조건을 면밀히 검토하였다. 석션파일은 설계하중에 대한 수평방향 지지력을 만족해야하고, 뿐만 아니라 지반종류 및 강도정수, 유효응력, 침투압 등의 조건에 따른 관입성 검토가 수행되어야 한다. 본 설계에서는 석션파일 직경에 따라 설계외력에 대해 수평방향 안정성을 확보할 수 있는 목표 침설깊이를 설정하고, 침설단계별로 상한석션압 이내에서 관입력과 관입저항력 비교를 통해 설계석션압을 산정하였다. 검토결과 직경 3.0~5.0m 석션파일의 경우 목표 깊이까지 침설이 불가능하였고, 직경 6.0m와 7.0m 석션파일은 각각 침설깊이 8.5m와 8.0m에서 수평방향 안정성 및 설계석션압에 의한 침설을 모두 만족함을 확인하였다.
본 연구에서는 국내 서남해 해상지역 시범사업의 부유식 콘크리트 해상구조물 계류를 위한 기초시스템으로서 석션파일을 적용하기 위한 예비설계를 수행하였다. 설계에 앞서 시범사업 대상지역인 서남해안에 대한 지반 및 수리 조건, 재현주기 100년의 환경외력 등 현장 조건을 면밀히 검토하였다. 석션파일은 설계하중에 대한 수평방향 지지력을 만족해야하고, 뿐만 아니라 지반종류 및 강도정수, 유효응력, 침투압 등의 조건에 따른 관입성 검토가 수행되어야 한다. 본 설계에서는 석션파일 직경에 따라 설계외력에 대해 수평방향 안정성을 확보할 수 있는 목표 침설깊이를 설정하고, 침설단계별로 상한석션압 이내에서 관입력과 관입저항력 비교를 통해 설계석션압을 산정하였다. 검토결과 직경 3.0~5.0m 석션파일의 경우 목표 깊이까지 침설이 불가능하였고, 직경 6.0m와 7.0m 석션파일은 각각 침설깊이 8.5m와 8.0m에서 수평방향 안정성 및 설계석션압에 의한 침설을 모두 만족함을 확인하였다.
The preliminary design of suction pile as the supporting system for concrete floating structures was performed for the pilot project of the southwest coast area in Korea. Prior to starting design work, site conditions of the area including ground and hydraulic conditions, and a 100-year return perio...
The preliminary design of suction pile as the supporting system for concrete floating structures was performed for the pilot project of the southwest coast area in Korea. Prior to starting design work, site conditions of the area including ground and hydraulic conditions, and a 100-year return period external force were throughly evaluated. The suction pile for mooring of the offshore floating structures has to satisfy the lateral resistance against external force as well as the penetration ability according to the soil conditions such as soil types, shear strengths, effective stresses, and seepage forces. In the design, the required penetration depths, which were stable for lateral resistance, were evaluated with the diameters of cylindrical suction pile as the final installing ones. And the design suction pressures at each penetrating depths, at which sand boiling did not occur, were assessed through the comparison of penetration and penetrationresistance forces. As a result, it was impossible for suction piles with the diameter range of 3.0~5.0 m to penetrate into required penetration depths. On the other hand, suction piles with the diameter range of 6.0 m and 7.0 m satisfied both the horizontal stability and the penetration ability by design suction pressures at the required penetration depths of 8.5 m and 8.0 m, respectively.
The preliminary design of suction pile as the supporting system for concrete floating structures was performed for the pilot project of the southwest coast area in Korea. Prior to starting design work, site conditions of the area including ground and hydraulic conditions, and a 100-year return period external force were throughly evaluated. The suction pile for mooring of the offshore floating structures has to satisfy the lateral resistance against external force as well as the penetration ability according to the soil conditions such as soil types, shear strengths, effective stresses, and seepage forces. In the design, the required penetration depths, which were stable for lateral resistance, were evaluated with the diameters of cylindrical suction pile as the final installing ones. And the design suction pressures at each penetrating depths, at which sand boiling did not occur, were assessed through the comparison of penetration and penetrationresistance forces. As a result, it was impossible for suction piles with the diameter range of 3.0~5.0 m to penetrate into required penetration depths. On the other hand, suction piles with the diameter range of 6.0 m and 7.0 m satisfied both the horizontal stability and the penetration ability by design suction pressures at the required penetration depths of 8.5 m and 8.0 m, respectively.
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문제 정의
최근 제작 및 설치비용이 큰 기존의 대구경 단일형 석션파일의 대안으로 중구경 석션파일과 콘크리트 파일캡(pile cap) 을 이용한 그룹형 석션파일에 관한 설계 및 시공기술 개발이 진행 중에 있으며 국내 서남해 해상 지역을 대상으로 시범사업(pilot project)이 검토되고 있다. 따라서본 연구에서는 부유식 구조물의 계류를 위한 기초시스 템으로 석션파일을 적용하기 위해 중구경 단일 석션파 일에 대한 예비설계를 수행하였으며, 석션파일의 직경, 길이, 석션압 등에 따라 관입력, 관입저항력, 횡방향 지지력을 검토하였다.
본 연구에서는 국내 서남해 해상 지역에 부유식 해상 구조물 계류를 위한 석션파일 예비설계를 수행하였고 현장 여건에 적용 가능한 석션파일의 규모와 침설깊이를 제안하였다. 설계의 주요과정은 석션파일의 수평방향 안정성 검토 및 소정의 목표 침설 깊이별 설계석션압 산정이며, 침설단계별로 석션압에 의한 관입력, 관입저 항력, 상한석션압 등을 검토하였다.
가설 설정
5는 설계석션압 산정과정이며 이와 같은 일련의 과정을 침설단계별로 수행하고 단계별 침설완료시 침설깊이(df)에 대해 설계석션압을 구한다. 설계석션압 산정의 첫 번째 단계로, 해수면으로부터 기초상판 즉, 기초내부의 수두차를 감안하여 작용가능 석션압 이내로 소정의 기초 내부 석션압(ps)을 가정하고 침설비에 따른 기초선단 석션압 비(pt/ps)로부터 기초선단부의 석션압 (pt)을 결정한다. 두 번째 단계로, 가정한 기초 내부와 선단부의 석션압, 작용면적, 기초의 유효중량 및 상재하 중을 이용하여 석션파일의 관입력을 계산한다.
최적위치(optimal point)로, 재하각도를 0° 즉, 수평하중이 작용하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
(1) 본 설계 검토를 통해 다음의 사항들을 만족하도록 설계석션압을 산정하였다. 첫째, 설계석션압은 침설에 대한 여유(침설에 대한 안전율 또는 할증계수)를 고려하여 관입력이 관입저항력 이상 되도록 산정하였다.
(2) 설계석션압 산정 시 침투에 의한 기초 내외부의 동수경사와 유효응력, 기초 내부 융기량 등을 신중하게 적용해야하며, 본 연구에서는 이에 필요한 기초 선단부 석션압비를 2차원 정상류 침투해석을 통해 산정하였다. 침투해석은 원형기초 직경 3.
(4) 본 설계에서는 기초 직경별로 수평방향 안정성을 만족하는 목표 침설깊이를 설정하여 석션압에 의한 침설여부를 평가하였다. 그 결과, 직경 3.
Pilot project 대상 위치는 전라남도 신안군 일원 해상으로 1개소의 시추조사 및 CPT(1.0～3.0m), SPT(6.0～ 10.0m)를 수행하였으나, 콘저항치의 경우 과대하게 평가되어 본 연구에서는 SPT N값을 토대로 설계에 필요한 지반정수를 산정하였다. 지반조사결과 지층상태는 해성퇴적층으로서 실트질 모래(SM)로 구성되어 있으며, 표준관입시험이 수행된 해저면으로부터 6m 이하의 N값은 21/30～31/30으로 보통조밀∼조밀한 상대밀도를 나타내었다.
설계석션압 산정의 첫 번째 단계로, 해수면으로부터 기초상판 즉, 기초내부의 수두차를 감안하여 작용가능 석션압 이내로 소정의 기초 내부 석션압(ps)을 가정하고 침설비에 따른 기초선단 석션압 비(pt/ps)로부터 기초선단부의 석션압 (pt)을 결정한다. 두 번째 단계로, 가정한 기초 내부와 선단부의 석션압, 작용면적, 기초의 유효중량 및 상재하 중을 이용하여 석션파일의 관입력을 계산한다. 세 번째 단계로, 석션파일 내외부의 동수경사(i) 및 기초 내부 지반 융기량(δ)의 결정, 그리고 이를 이용한 관입저항력의 산정이다.
석션파일 침설시 기초 선단부 석션압(또는 선단석션 압비)은 석션파일 관입력 산정, 기초 내외측 동수경사 산정 및 이를 이용한 유효응력과 관입저항력의 산정 등에 사용되는 매우 중요한 인자이다. 본 논문에서는 Seep/W를 이용한 2차원 정상 침투류해석을 수행하였으며, Table 3과 같이 원형단면 석션파일 직경을 3m, 4m, 6m로 구분하여 각각에 대한 침설깊이 증가에 따른 기초 선단부(Fig. 9(b)의 내측, 중앙, 외측 확인지점)의 석션압을 검토하였다.
본 설계검토는 기초 직경별로 설계외력에 대해 수평 방향 안정성을 확보할 수 있는 최소 근입깊이를 목표 침설깊이(dR)로 설정하고, 목표 침설깊이까지 상한석션압 이내에서 관입이 가능한지를 검토하는 순으로 수행 하였다. 설계석션압은 상한석션압 이내에서 관입저항력 을 극복하도록 하는 기초 침설시 적용 석션압이며 침설 단계별로 산정한다.
설계에 적용할 계류시스템의 설계하중(design force) 은 설계풍속, 설계조류속, 유의파고 및 유의파주기 등의 조건으로 산정한 표류력(drift force)에 부유 구조물의 운동 및 계류시스템의 연성에 의한 동적 효과를 반영하기 위해 해당 지역의 해상환경을 고려한 동적증폭 계수(DFA, Dynamic Amplification Factor)를 곱하여 산정해야 한다. 본 설계에서는 서남해 지역에 대한 동적증폭계수를 별도로 산정하지 않았으며, 예비설계 단계임을 감안하여 표류력을 설계하중으로 적용하기로 한다. 그러나 석션파일의 수평지지력 검토시 소정의 안전율 (F.
(3) 기초 내부 유효응력 변화를 고려한 관입저항력 산정은 침설단계별 관입여부를 판단하는 중요한 과정 이다. 본 설계에서는 침설단계별로 반복 수렴계산을 통해 상향 침투 및 기초 관입에 의한 기초 내부 지반의 유효응력을 평가하여 기초 내측 주면저항을 산정하였다. 또한 기초 측벽의 유효침설비와 한계 침설비를 비교하여 깊은기초에 해당하는 Meyerhof 지지력 공식으로 선단저항을 평가하였다.
본 예비설계에서는 SPT N값으로부터 추정한 내부마찰각을 고려하여 토압계수 0.5, 마찰계수 tan(2/3Φ) 을 적용하였다.
0m 및 침설비 25～300%에 대해 수행하였고, 그결과 직경에 대한 차이는 거의 없었으며 침설비가 커질수록 선단석셕압비는 점차 감소하는 경향을 보였다. 선단석션압은 기초 선단 근처 내측, 중앙, 외측에서 확인하였으며 설계석션압 산정시 고려해야 하는 내측의 선단선셕압비를 설계치로 선정하여 설계 시 침설비에 따라 적용하였다.
본 연구에서는 국내 서남해 해상 지역에 부유식 해상 구조물 계류를 위한 석션파일 예비설계를 수행하였고 현장 여건에 적용 가능한 석션파일의 규모와 침설깊이를 제안하였다. 설계의 주요과정은 석션파일의 수평방향 안정성 검토 및 소정의 목표 침설 깊이별 설계석션압 산정이며, 침설단계별로 석션압에 의한 관입력, 관입저 항력, 상한석션압 등을 검토하였다. 다음은 본 연구를 통한 예비설계의 주요 결론이다.
설계적용 물성치는 N값, 경험식 및 문헌값 (Korean Geotechnical Society, 2009) 및 석션기초구조물 기술매뉴얼(Coastal Development Institute of Technology, 2003)을 참조하여 내부마찰각 Φ=27°, 점착력 c=0, 포화 단위중량 γsat =20.0kN/m³으로 산정하였다.
둘째, 설계석션압은 기초 부재 강도와 지반파괴(Pilot project 대상지반은 사질토이므로 보일링)에 대한 안정성을 확보하도록 산정하였다. 셋 째, 설계석션압은 해수면과 기초상판의 수두차를 감안하여 사용가능한 석션압 이내가 되도록 산정 하였다.
5kPa) 순으로 내측의 선단석션압이 조금 크게 평가되었으며그 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 이러한 차이는 기초 외부에서 내부로 정수두 차이만큼 물의 흐름이 발생하고 위치별로 점차 수두가 줄어들어 당연한 결과로 보이며, 설계에서는 침설시 선단저항력 산정에 필요한 기초 내부 유효응력과 기초 내부 상한석션압 평가를 위해 선단부 내측 석션압을 적용하도록 하였다.
(1) 본 설계 검토를 통해 다음의 사항들을 만족하도록 설계석션압을 산정하였다. 첫째, 설계석션압은 침설에 대한 여유(침설에 대한 안전율 또는 할증계수)를 고려하여 관입력이 관입저항력 이상 되도록 산정하였다. 둘째, 설계석션압은 기초 부재 강도와 지반파괴(Pilot project 대상지반은 사질토이므로 보일링)에 대한 안정성을 확보하도록 산정하였다.
표류력 즉, 예비설계 단계의 설계하중 산정을 위해 기존 문헌(Kim et al., 1988; Korea Electric Power Corporation, 2000; Korea Institute of Energy Research, 2003)을 인용 하여 설계풍속 36.6m/sec, 설계조류속 1.2m/sec, 유의파고 5.4m/sec, 유의파주기 8.5sec을 적용하였으며, Table 1과 같이 재현주기 100년의 조류하중, 풍하중, 파랑하 중을 각각 산정하고 전체 표류력을 6,748kN으로 결정 하였다. 부유식 구조물의 계류라인은 네 개의 방향으로 설치되며 설계하중은 Fig.
이론/모형
본 설계에서는 침설단계별로 반복 수렴계산을 통해 상향 침투 및 기초 관입에 의한 기초 내부 지반의 유효응력을 평가하여 기초 내측 주면저항을 산정하였다. 또한 기초 측벽의 유효침설비와 한계 침설비를 비교하여 깊은기초에 해당하는 Meyerhof 지지력 공식으로 선단저항을 평가하였다.
본 예비설계에서 적용한 강재 석션파일은 측벽 두께(18.0～42.0mm)가 상대적으로 매우 작아 유효침설비가 한계침설비를 초과하여 Meyerhof의 지지력 공식으로 선단저항을 산정하였다. 일례로 직경 7.
본 예비설계에서는 API(1991) p-y 곡선법을 이용 하여 기초 침설에 따른 수평방향 지지력을 산정하고 목표 침설깊이를 결정하였다.
여기서, ps 와 pt 는 기초 내부 및 선단부의 석션압이고, W’+Q는 기초자중 및 추가 상재하중, pfi 와 pfo 는 기초 측벽 내측및 외측의 주면저항, qt 는 기초 측벽의 선단저항이다.본 예비설계의 설계석션압 산정은 석션기초구조물 기술매뉴얼(Coastal Development Institute of Technology, 2003)의 방법을 대부분 준용하였다.
상기 지지력 공식 적용의 판단기준으로 석션기초구조물 기술매뉴얼(Coastal Development Institute of Technology, 2003)에서는 Fig. 7의 우측과 같이 관입에 의한 기초하단 슬립면이 기초 측벽으로 닫힌 경우즉, 슬립면이 지표면에 닿지 않고 등가자유면(equivalent free surface)과 수평면이 이루는 각이 β = π/2인 경우에 Meyerhof 지지력 공식을 적용하도록 하였으며 본 예비 설계에서도 이와 같은 적용한계를 기준으로 강제 석션 기초의 선단저항을 산정하였다.
성능/효과
(4) 본 설계에서는 기초 직경별로 수평방향 안정성을 만족하는 목표 침설깊이를 설정하여 석션압에 의한 침설여부를 평가하였다. 그 결과, 직경 3.0～5.0m의 기초는 목표 깊이까지 침설이 불가능하였고, 직경 6.0m와 7.0m의 석션파일는 수평방향 안정성을 만족하는 목표 침설깊이(각각 8.5m와 8.0m) 까지 석션압을 통해 침설이 가능함을 확인하였다.
9와 10의 ⓑ)의 차(즉, 기초 선단 압력수두 ∆htip)로부터 해수의 단위중량을 고려하여 계산할 수 있다. 기초 측벽 선단부 석션압을 평가한 결과 내측(17.5kPa), 중앙(16.2kPa), 외측(14.5kPa) 순으로 내측의 선단석션압이 조금 크게 평가되었으며그 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 이러한 차이는 기초 외부에서 내부로 정수두 차이만큼 물의 흐름이 발생하고 위치별로 점차 수두가 줄어들어 당연한 결과로 보이며, 설계에서는 침설시 선단저항력 산정에 필요한 기초 내부 유효응력과 기초 내부 상한석션압 평가를 위해 선단부 내측 석션압을 적용하도록 하였다.
첫째, 설계석션압은 침설에 대한 여유(침설에 대한 안전율 또는 할증계수)를 고려하여 관입력이 관입저항력 이상 되도록 산정하였다. 둘째, 설계석션압은 기초 부재 강도와 지반파괴(Pilot project 대상지반은 사질토이므로 보일링)에 대한 안정성을 확보하도록 산정하였다. 셋 째, 설계석션압은 해수면과 기초상판의 수두차를 감안하여 사용가능한 석션압 이내가 되도록 산정 하였다.
0m에 대한 대표적인 침투해석 결과이며 석션압 작용시 기초 측벽 근처의 등수두선 분포를 보여주고 있다. 등수두선 분포도를 통해 기초 선단에 등수두선이 밀집해 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 해석을 수행한 다른 직 경의 다양한 침설깊이에서도 모두 동일하였으며 기초 선단부의 등수두선 밀집도는 침설깊이가 커질수록 더욱 조밀해지는 경향을 보였다.
모든 검토 결과에서 침설깊이가 커질수록 해수면과 기초 내부의 수두차가 커져 적용가능 석션압이 증가하였고, 또한 융기량을 포함한 침설깊이(df + δ) 가 커져 연직유효응력 증가로 인해 기초 하부의 과잉간 극수압(pt - ps) 증가에도 불구하고 상한석션압이 증가 하고 있음을 알 수 있다.
0m까지 겨우 침설이 가능한 것으로 평가되어 수평방향 안정성을 확보할 수 없었다. 반면, 직경 6.0m(Fig. 14)와 직경 7.0m(Fig. 15)의 석션파일은 수평방향 안정성을 만족하는 최소 근입깊 이가 각각 8.5m, 8.0m이었으며, 목표 깊이까지 상한석 션압 이내의 석션압을 통해 침설이 충분히 가능함을 확인하였다. 상기 검토 내용을 간략히 정리하면 Table 4와같다.
석션파일의 해저면 착저시 관입저항(소요석션압) 이상의 자침량이 확보되는지 즉, 자침 이후 석션압에 의해 침설이 가능한지 확인해야 한다. 석션파일 자침량은 석션압을 0으로 하고 침설깊이를 변화시켜가며 침설에 대한 관입력/관입저항력(S)이 1.5가 되도록 반복 수렴계산 하여 결정하였으며, 본 설계에서 검토한 석션파일의 자침량은 대략 1.0m 이었다.
등수두선 분포도를 통해 기초 선단에 등수두선이 밀집해 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 해석을 수행한 다른 직 경의 다양한 침설깊이에서도 모두 동일하였으며 기초 선단부의 등수두선 밀집도는 침설깊이가 커질수록 더욱 조밀해지는 경향을 보였다. Fig.
지반조사결과 지층상태는 해성퇴적층으로서 실트질 모래(SM)로 구성되어 있으며, 표준관입시험이 수행된 해저면으로부터 6m 이하의 N값은 21/30～31/30으로 보통조밀∼조밀한 상대밀도를 나타내었다.
모든 검토 결과에서 침설깊이가 커질수록 해수면과 기초 내부의 수두차가 커져 적용가능 석션압이 증가하였고, 또한 융기량을 포함한 침설깊이(df + δ) 가 커져 연직유효응력 증가로 인해 기초 하부의 과잉간 극수압(pt - ps) 증가에도 불구하고 상한석션압이 증가 하고 있음을 알 수 있다. 침설깊이가 커질수록 설계석션 압을 증가시켜 관입력이 증가하였고 기초 직경이 커질수록 당연히 더욱 큰 관입력을 보였다. 관입저항력은 앞서 설명한 바와 같이 기초 내외측 측벽의 주면마찰력과 측벽 선단저항력으로 이루어져 있으나 강제기초 측벽 두께가 18.
(2) 설계석션압 산정 시 침투에 의한 기초 내외부의 동수경사와 유효응력, 기초 내부 융기량 등을 신중하게 적용해야하며, 본 연구에서는 이에 필요한 기초 선단부 석션압비를 2차원 정상류 침투해석을 통해 산정하였다. 침투해석은 원형기초 직경 3.0m, 4.0m, 6.0m 및 침설비 25～300%에 대해 수행하였고, 그결과 직경에 대한 차이는 거의 없었으며 침설비가 커질수록 선단석셕압비는 점차 감소하는 경향을 보였다. 선단석션압은 기초 선단 근처 내측, 중앙, 외측에서 확인하였으며 설계석션압 산정시 고려해야 하는 내측의 선단선셕압비를 설계치로 선정하여 설계 시 침설비에 따라 적용하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연구를 통해 얻은 부유식 해상 구조물 계류를 위한 설계석션압 산정 조건은?
(1) 본 설계 검토를 통해 다음의 사항들을 만족하도록 설계석션압을 산정하였다. 첫째, 설계석션압은 침설에 대한 여유(침설에 대한 안전율 또는 할증계수)를 고려하여 관입력이 관입저항력 이상 되도록 산정하였다. 둘째, 설계석션압은 기초 부재 강도와 지반파괴(Pilot project 대상지반은 사질토이므로 보일링)에 대한 안정성을 확보하도록 산정하였다. 셋 째, 설계석션압은 해수면과 기초상판의 수두차를 감안하여 사용가능한 석션압 이내가 되도록 산정 하였다.
침설이란?
설계석션압은 상한석션압 이내에서 관입저항력 을 극복하도록 하는 기초 침설시 적용 석션압이며 침설 단계별로 산정한다. 여기서 침설이란 석션압에 의해 기초를 지반 내로 근입시키는 것을 의미하며 그 깊이를 침설깊이 df 로 정의한다.
부유식 구조체에 앵커와 계류시스템을 조합해 설계하는 이유는?
국내에서도 비교적 수심이 깊은 해상 조건에서 LNG 터미널 개발을 검토하는 등 부유식 해상인프라 건설기술 확보가 시급한 실정이다. 부유식 구조체는 장비운용의 제약이나 경제성 등의 이유로 항타말뚝이나 현장타설 말뚝 대신 앵커와 계류시스템(mooring system)이 조합된 형태로 기초를 설계한다. 부유식 해상구조물로 사용 되는 앵커 및 기초로는 드레그앵커(drag anchor), 석션 파일(suction pile) 등이 있으나, 지지력 산정 및 시공에 불확실성 등을 감안하여 석션파일이 주로 사용되고 있다.
참고문헌 (13)
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