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문제 정의
- 본 논문에서는 모래지반에서의 석션 케이슨의 설치시 거동에 대하여 실내 모형실험을 실시하여 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 석션 기초 설치 설계 기술에 대하여 조사·분석하였다.
- 모형시험 과정에서 계측된 유량, 내외부 압력, 관입 저항력, 관입속도 등을 분석하여 석션 기초의 설치시 거동을 분석하였다. 석션 기초 내부에 설치한 벤더엘레멘트를 사용하여 전단파 속도의 변화를 측정하여 석션 기초 설치로 인한 지반의 변화를 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 케이슨에는 케이슨 상판 내부와 외부의 간극수압을 측정할 수 있도록 센서를 설치하였으며, 케이슨 선단부의 간극수압 및 전응력을 측정할 수 있는 센서를 설치하였다. 관입 시 변위를 측정하기 위한 LVDT와 배출 유량 측정을 위한 유량계를 설치하였고, 유량 조절을 위해 배수 측에 밸브를 설치하였다(그림 11). 배수는 토조 내부와 배출구의 수위차를 이용한 중력식 배수 방법과 좀 더 빨리 유량을 배출할 수 있도록 진공펌프를 사용한 방법으로 예비 시험을 실시 후 진공펌프를 사용한 방법으로 데이터를 측정하였다.
- 관입 전·후의 케이슨 내부의 지반 상태 변화를 평가하기 위하여 전단파 속도를 측정하였다(그림 13).
- 관입이 완료된 상태에서의 케이슨 내부와 외부의 지반의 높이 차를 측정하여 히빙량을 비교하였다(그림 18). 케이슨 두께가 증가함에 따라 히빙량이 증가하는 결과를 보였으며, 관입된 케이슨 벽체의 부피와 같은 부피를 갖는 히빙량을 함께 나타내었다.
- Tran등 (2004, 2009)은 가는 실리카 모래에서 축소 모형 시험, 원심모형시험 및 수치해석기법 등의 다양한 시뮬레이션 기법을 병행하여, 관입 깊이에 따른 석션압의 변화를 관찰하고, 설치 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 석션기초 내부에 발생하는 히빙 현상을 관측하였다 (Tran 등 2005). Tran 등(2007)과 Senders등(2007)은투수성이 낮은 실트나 점토 지반위에 모래 지반이 조성되어 있는 경우, 석션 기초가 석션압에 의해 관입되어 아래층에 도달하는 시점에 발생하는 현상을 모형시험을 통해서 관측하고, 분석하였다.
- 본 연구에서는 석션 기초 설치 설계 기술에 대하여 조사·분석하였다. 또한, 축소 모형 실험 시스템을 구축하고, 다양한 크기의 소형 석션 기초 모형을 제작하여, 유량 및 석션압을 변화시켜가면서 석션기초의 설치를 시뮬레이션 하였다. 모형시험 과정에서 계측된 유량, 내외부 압력, 관입 저항력, 관입속도 등을 분석하여 석션 기초의 설치시 거동을 분석하였다.
- 또한, 축소 모형 실험 시스템을 구축하고, 다양한 크기의 소형 석션 기초 모형을 제작하여, 유량 및 석션압을 변화시켜가면서 석션기초의 설치를 시뮬레이션 하였다. 모형시험 과정에서 계측된 유량, 내외부 압력, 관입 저항력, 관입속도 등을 분석하여 석션 기초의 설치시 거동을 분석하였다. 석션 기초 내부에 설치한 벤더엘레멘트를 사용하여 전단파 속도의 변화를 측정하여 석션 기초 설치로 인한 지반의 변화를 평가하고자 하였다.
- 관입 시 변위를 측정하기 위한 LVDT와 배출 유량 측정을 위한 유량계를 설치하였고, 유량 조절을 위해 배수 측에 밸브를 설치하였다(그림 11). 배수는 토조 내부와 배출구의 수위차를 이용한 중력식 배수 방법과 좀 더 빨리 유량을 배출할 수 있도록 진공펌프를 사용한 방법으로 예비 시험을 실시 후 진공펌프를 사용한 방법으로 데이터를 측정하였다. 계측 시스템은 그림 12, 실험 조건은 표 3에 나타내었다.
- 벤더 엘러먼트를 사용하여 관입 전, 관입 중, 관입 후에 케이슨 내부의 전단파 속도를 측정하였다. 관입 전에는 신호가 비교적 양호하였으나, 관입 도중에는 신호가 매우 불규칙하여 도달 지점의 결정이 어려웠으며, 관입 후에는 관입이 완료된 후에는 관입 전보다 신호가 불규칙 하였는데, 이는 케이슨의 상판이 벤더 엘러먼트가 설치된 봉과 접촉하면서, 특히 상부의 지점들에서 신호가 불규칙했던 것으로 판단된다.
- 시료는 주문진 표준사를 사용하였으며, 기본 물성과 입도분포곡선은 표 1 및 그림 10과 같다. 시료 조성에 있어서 별도의 다짐을 실시하지 않았고, 관입 후 계속적으로 반복 실험을 실시하였다. 여러 차례 실험을 실시한 결과 간에 큰 편차는 나타나지 않았으나 차후 실험에서는 좀 더 정확한 시료 조성 및 상태 평가가 요구된다.
- 관입 전·후의 케이슨 내부의 지반 상태 변화를 평가하기 위하여 전단파 속도를 측정하였다(그림 13). 토조 바닥에 고정된 알루미늄 봉에 수신, 발신 벤더엘러먼트를 각 8개씩 설치하였다.
대상 데이터
- 케이슨 벽체의 부피에 해당하는 히빙량이 54∼71%로서 최종 히빙량의 상당부분을 차지하는 것으로 나타났다. 본 실험에서는 히빙량을 투명한 케이슨에 설치된 눈금자를 이용하여 육안으로 측정하였다. 히빙량에 대해서는 실험 조건을 다양화하고 히빙량에 대한 별도의 측정장비를 구비하여 관입 도중의 히빙량도 정확하게 측정하는 것이 필요한 것으로 생각된다.
- 시료는 주문진 표준사를 사용하였으며, 기본 물성과 입도분포곡선은 표 1 및 그림 10과 같다. 시료 조성에 있어서 별도의 다짐을 실시하지 않았고, 관입 후 계속적으로 반복 실험을 실시하였다.
- 토조는 외경 995mm, 높이 725mm의 원통형 강재 토조를 사용하였으며, 약 500mm 높이의 토사를 채우고 실험을 실시하였다. 모형 케이슨은 아크릴로 제작하였으며 시험에 제작된 모형 케이슨의 제원은 표 2와 같다.
성능/효과
- 1) 지반 조건이 동일한 경우, 관입시 석션 압은 s/γ′D - L /D로 로 나타낼 경우 케이슨의 형상과 두께에 큰 영향을 받지 않으며, 관입에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) 일정한 유량을 배출시킬 경우 케이슨의 관입 깊이가 증가될수록 관입 속도는 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 케이슨 하부 지반에서 유입되는 유량이 관입에 따라 증가되는 것을 알 수 있었다.
- 3) 케이슨 내부에 발생되는 히빙량은 케이슨 두께가 두꺼워질수록 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 좀 더 정확한 분석을 위해서는 더욱 다양한 케이슨 형태 및 두께에 대하여 관입 도중에도 히빙량을 정확하게 계측할 수 있는 시스템을 구축하여 추가 실험을 실시할 것이 요구된다.
- 4) 관입 전, 후의 지반 상태를 평가하기 위하여 케이슨 내부에서 전단파 속도를 측정한 결과, 관입 후에 전단파 속도가 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 2) 일정한 유량을 배출시킬 경우 케이슨의 관입 깊이가 증가될수록 관입 속도는 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 케이슨 하부 지반에서 유입되는 유량이 관입에 따라 증가되는 것을 알 수 있었다.
- 유량이 증가함에 따라 관입속도가 빨라지는 것을 알 수 있으며, 동일한 유량 배출시 밸브 조절에 따른 약간의 변동은 있으나 전반적으로 관입에 따라 속도가 감소하는 것으로 나타났다. 배출 유량은 케이슨 바닥으로 침투되는 유량과 케이슨의 관입으로 인해 내부 면적이 감소하는 양의 합으로 볼 수 있는데(식 5) 관입 속도가 줄어든 것으로 미루어, 케이슨 바닥으로 침투되는 유량이 점차적으로 증가한 것으로 나타났다.
- 관입량에 따른 석션압의 변화를 s/γ′D 와 L /D로 정규화하여 표시하였다(그림 14). 석션압은 관입에 따라 선형적으로 증가하였으며, 케이슨의 직경 및 길이가 달라도 거의 동일한 결과를 나타내었다. 동일한 케이슨 직경에 대하여 두께(t)를 변화시켜가며 실험한 결과는 그림 15와 같다.
- 해상 작업에 적합하고 사용 후 제거가 가능한 석션 기초 공법의 특성을 활용하여, 최근에는 해상풍력단지 설계를 위한 기상 관측 타워에 석션 기초를 적용하여 재사용이 가능하도록 한 mobile met tower가 덴마크의 Horns Rev 2 해상풍력단지에 시험 적용되었다(그림 7). 시험 시공 결과 설치 선박의 jack-up으로부터 총 32시간이 소요되어, 모노파일을 적용한 경우와 비교하여 유사한 시간이 소요되는 것으로 나타났고(그림 8), 시공 최적화를 통하여 10시간 이내에 완료할 수 있을 것으로 예상되었다(Bakmar, 2009). 홍콩 해상풍력단지에서는 항타 및 해상 작업으로 인한 수질 오염 문제를 고려하여 석션 기초 공법을 기본 안으로 채택하고 시험 시공을 수행하였다(Hong Kong Offshore Wind Limited, 2009)
- 변위 계측결과를 깊이에 따른 관입 속도로 변환하여 표시하였다(그림 17). 유량이 증가함에 따라 관입속도가 빨라지는 것을 알 수 있으며, 동일한 유량 배출시 밸브 조절에 따른 약간의 변동은 있으나 전반적으로 관입에 따라 속도가 감소하는 것으로 나타났다. 배출 유량은 케이슨 바닥으로 침투되는 유량과 케이슨의 관입으로 인해 내부 면적이 감소하는 양의 합으로 볼 수 있는데(식 5) 관입 속도가 줄어든 것으로 미루어, 케이슨 바닥으로 침투되는 유량이 점차적으로 증가한 것으로 나타났다.
- 관입이 완료된 상태에서의 케이슨 내부와 외부의 지반의 높이 차를 측정하여 히빙량을 비교하였다(그림 18). 케이슨 두께가 증가함에 따라 히빙량이 증가하는 결과를 보였으며, 관입된 케이슨 벽체의 부피와 같은 부피를 갖는 히빙량을 함께 나타내었다. 케이슨 벽체의 부피에 해당하는 히빙량이 54∼71%로서 최종 히빙량의 상당부분을 차지하는 것으로 나타났다.
- 케이슨 벽체의 부피에 해당하는 히빙량이 54∼71%로서 최종 히빙량의 상당부분을 차지하는 것으로 나타났다.
- 직경이 200mm인 케이슨에서는, 길이가 400mm인 경우 두께가 10mm 일 때가 3mm일 때보다 약간 큰 석션압이 작용한 것으로 나타났으나, 길이가 200mm인 경우에는 동일한 두께에 대하여 길이가 400mm일 때의 편차와 유사한 수준의 편차를 보였다. 현재의 실험 결과에 대해서는, 케이슨의 두께가 증가함에 따라 석션압이 따라서 일관되게 증가하는 것으로 보기는 어렵다고 판단되며, 변화량은 전반적으로 미미한 것으로 나타났다. 동일한 케이슨에 대하여 유량을 변화시켜가며 실험한 결과를 그림 16에 나타내었다.
후속연구
- 5) 본 논문의 결과는 1g 상태의 모형시험을 통하여 얻어진 결과이며, 향후에는 현장의 응력 조건을 좀 더 사실적으로 모사할 수 있는 원심모형시험 기법을 사용하여 추가 연구를 수행할 예정이다.
- 3) 케이슨 내부에 발생되는 히빙량은 케이슨 두께가 두꺼워질수록 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 좀 더 정확한 분석을 위해서는 더욱 다양한 케이슨 형태 및 두께에 대하여 관입 도중에도 히빙량을 정확하게 계측할 수 있는 시스템을 구축하여 추가 실험을 실시할 것이 요구된다.
- 석션 케이슨은 원유시추선 등 심해에 설치되는 해양구조물의 앵커 기초로 주로 사용되어 왔으며, 최근에는 그보다 낮은 수심에서도 경제성을 인정받고 있다. 심해역의 주된 지반조건인 연약지반에서의 석션 기초에 대한 연구는 비교적 활발히 진행되었으나, 다양한 지반조건에서의 거동에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
- 시료 조성에 있어서 별도의 다짐을 실시하지 않았고, 관입 후 계속적으로 반복 실험을 실시하였다. 여러 차례 실험을 실시한 결과 간에 큰 편차는 나타나지 않았으나 차후 실험에서는 좀 더 정확한 시료 조성 및 상태 평가가 요구된다.
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