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[국내논문] 시추 안정액 배합설계에 따른 공벽 붕괴방지 효과에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Effect of Drilling Fluid with Different Mix Designs for Bore Hole Collapse Prevention 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.31 no.1, 2015년, pp.15 - 24  

유충식 (성균관대학교 건축토목공학과) ,  최정혁 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) ,  한윤수 (현대중공업(주))

초록
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본 논문에서는 지반 시추시 공벽붕괴 방지를 위해 적용되는 시추 안정액(drilling fluid)의 다양한 배합설계에 따른 공벽붕괴 방지 효과에 대한 실험적 연구 결과를 다루었다. 이를 위해 먼저 벤토나이트 계열 안정액의 공벽 붕괴 방지 메카니즘을 검토하였으며 아울러 벤토나이트계 안정액의 배합(conditioning)에 따른 안정액의 성능지표 변화에 대한 실험결과를 간략히 기술하였다. 또한 지반시추(굴착) 및 안정액 투입을 간략히 모사하는 토조 장치를 구축하여 세립분이 20% 포함된 화강풍화토 및 모래지반을 대상으로 다양한 배합으로 조성된 벤토나이트계 안정액에 대한 실험을 수행하고 안정액 투입량, 수평 침투범위, 굴착가능 깊이 등을 측정하여 공벽붕괴 방지 효과를 고찰하였다. 그 결과 벤토나이트에 폴리머를 추가할 경우 안정액 투입량 및 수평 침투범위가 굴착가능 깊이가 증가하는 것으로 나타났으며 폴리머의 공벽유지 기능 향상 정도는 모래층보다 화강풍화토 지반에서 보다 뚜렷하게 발휘되는 것으로 검토되었다. 본 논문에서는 도출된 연구결과가 실무적 차원에서 지니는 의미에 대한 내용을 기술하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the results of a reduced-scale physical model investigation into the effect of drilling fluid with different mix designs for bore hole collapse prevention. The bore hole collapse prevention mechanism for the bentonite based drilling fluid was first discussed together with the eff...

Keyword

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문제 정의

  • 본 연구에서는 안정액 배합에 따른 공벽 붕괴 방지 성능평가를 위해 모형 토조를 이용한 축소 모형실험울 수행하였다. 모형실험은 제한적이기는 하나 실제 시공조건과 유사한 환경에서의 공벽 붕괴 방지 효과에 대한 정량적인 검토가 가능하도록 수행하였다.
  • 본 연구에서는 안정액 배합에 따른 공벽 붕괴 방지 성능평가를 위해 모형 토조를 이용한 축소 모형실험울 수행하였다. 모형실험은 제한적이기는 하나 실제 시공조건과 유사한 환경에서의 공벽 붕괴 방지 효과에 대한 정량적인 검토가 가능하도록 수행하였다.
  • 앞에서 제시한 안정액 배합비에 따른 공학적 특성 평가에서는 벤토나이트 안정액에 폴리머를 첨가할 경우 안정액으로서의 공학적 특성이 향상되는 것으로 검토된 바 있다. 본 연구에서는 벤토나이트(2%) 단일 안정액과 폴리머가 0.1%가 추가된 벤토나이트(2%)+폴리머(0.1%) 혼합 안정액에 대한 공벽 유지 효과를 검토하였다.
  • 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액의 점성이 클 경우 안정액 투입 장비에서의 원활한 순환에 장애가 되므로 유동액을 첨가하여 점성을 감소시킨다. 따라서 본 연구에서는 유동액 첨가에 따른 벤토나이트+폴리머 안정액의 공벽유지 효과 변화여부 대한 검토를 수행하였다. 현장에서 적용되는 혼입률을 감안하여 유동액 혼입률 0.
  • 벤토나이트만으로 안정액을 제조할 경우 점성이 낮아짐에 따른 문제점 보완하기 위해 증점제(CMC)를 혼입하여 사용한다. 본 연구에서는 CMC 혼입에 따른 벤토나이트 안정액의 공벽 유지 성능 변화를 고찰하였다. CMC 혼입률은 현장에서 적용되는 혼입률을 감안하여 0.
  • 본 논문에서는 지반 시추시 공벽붕괴 방지를 위해 적용되는 안정액(Drilling Fulid)의 다양한 배합설계에 따른 공벽붕괴 방지 효과를 비교하였다. 이를 위해 지반굴착과 안정액 투입을 간략히 모사하는 토조 장치를 구축한 후 다양한 배합으로 조성된 벤토나이트계 안정액에 대한 실험을 수행하고 안정액 투입량, 수평 침투범위, 굴착가능 깊이 등을 측정하여 공벽붕괴 방지 효과를 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나트륨(Sodium)계 및 칼슘(Calcium)계 벤토나이트의 차이점은? 벤토나이트는 몬트모릴로나이트 광물이 85%이상 포함된 매우 미립자의 점토이며 나트륨(Sodium)계 및 칼슘(Calcium)계 두 종류가 있다. 일반적으로 칼슘계 벤토나이트가 풍부하나 나트륨계 벤토나이트가 팽창성이 강하므로 지반 굴착공 안정화용으로 활용하기 위해서는 칼슘계 벤토나이트를 나트륨계로 개조하여 사용하여야 한다. 또한 나트륨계 벤토나이트는 칼슘계 벤토나이트 보다 액성한계가 높다. 벤토나이트의 이러한 팽창 특성과 간극수에 의해 발생하는 흡습성(hygroscopic) 압력, 그리고 이온화 및 양이온 교환 등의 현상 때문에 나트름계 벤토나이트 용액은 겔(gel) 상태로 변하게 되며 삼투현상으로 인해 겔형태는 다시 케이크 형태로 변하게 된다.
지반 굴착을 동반하는 지반구조물 설치에 필요한 제일 근본적인 기술은? 현장타설말뚝(reverse circulation drilling, RCD 말뚝)이나 지하연속벽(diaphram wall) 등의 지반 굴착을 동반하는 지반구조물 설치에 필요한 가장 근본적인 기술은 시추공벽의 안정화에 관련된 기술이라고 할 수 있다. 즉, 육상 혹은 해양 자켓 구조물 시공 시 구조물 기초로 활용되는 RCD 말뚝 설치시 공벽 붕괴가 발생할 위험성 클 경우 일반적으로 그라우팅을 이용한 지반보강이 수행되는데 이 경우 지반보강에 따른 공사지연이 발생하고 공사비 증가로 이어지며 전체 공정에 문제가 발생된다.
그라우팅을 이용한 지반보강이 가져올 수 있는 문제는? 현장타설말뚝(reverse circulation drilling, RCD 말뚝)이나 지하연속벽(diaphram wall) 등의 지반 굴착을 동반하는 지반구조물 설치에 필요한 가장 근본적인 기술은 시추공벽의 안정화에 관련된 기술이라고 할 수 있다. 즉, 육상 혹은 해양 자켓 구조물 시공 시 구조물 기초로 활용되는 RCD 말뚝 설치시 공벽 붕괴가 발생할 위험성 클 경우 일반적으로 그라우팅을 이용한 지반보강이 수행되는데 이 경우 지반보강에 따른 공사지연이 발생하고 공사비 증가로 이어지며 전체 공정에 문제가 발생된다. 따라서 시추공벽의 안정화는 공기 단축 및 공사비 절감을 위한 매우 주요한 공정이라고 할 수 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Kwon, Y. H., Jun, S. K., Baek, S. J., and Ariyama, M. (1999), "A Study on the Mix Design for Stabilizing Liquid of Slurry Wall", Korean Concrete Institute Spring Conference, pp.457-462. 

  2. Nguyen, T. B., Park, M., Lim, J., Choi, H., and Han, S.I. (2011), "Characteristic of Bentonite Filter Cake Vertical Cutoff Walls Evaluated by Modified Fluid Loss Test", Journal of KGS, Korean Geotechnical Society, February, 2011, Volume 27, No.2, pp.53-62. 

  3. Hong, W. P., Lee, M. K., and Lee, J. H. (2006), "Model Tests on Ground Deformation during Trench Excavation for Diaphram Walls", Journal of KGS, Korean Geotechnical Society, December, 2006, Volume 22, No.12, pp.77-88. 

  4. American Petroleum institute RP 13B-1 (1990), "Recommended Practice Standard Procedure for Field Testing Water - based Dilling Fluids". 

  5. American Petroleum Institute 13A (2010), "Specification for Drilling Fluids Materials". 

  6. Fritz, P., Hermanns, S., and Heinz, R. (2002), "Modified Bentonite Slurries for slurry Shields in High Permeable Soils", 4th International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, pp.33-39. 

  7. JBAS (1977), "Japan Bentonite Manufacturers Association Standard". 

  8. Lal, M. (1999), "Shale Stability: Drilling Fluid Interaction and Shale Strength", Proceedings of SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference, Society of Petroleum Engineers, pp.1-10. 

  9. Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., and Wehrmeyer, G. (2012), Mechanized Shield Tunnelling 2nd Edition, Wiley-Blackwell. 

  10. Wang, X. and Sterling, R. L. (2007), "Stability Analysis of a Borehole Wall during Horizontal Dirctional Drilling", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.22, pp.620-632. 

  11. Yoo, C. and Choi, J. H. (2014), "Development of Bore Hole Collapse Prevention Methodology using Drilling Fluild", Report to Hyundai Heavy Industries. 

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