북극권의 에너지·자원 플랜트 건설을 위해 영하 10도의 저온 환경에서도 안정적인 지반 다짐이 가능한 기술과 동결·융해를 고려한 지반 거동 시뮬레이션 모델이 선보여 이목을 집중시키고 있다.
특수토 최적 배합비 도출 등 현장 다짐 장비 종류 특징 분석 연구
영하 4도에 다짐 곡선 확보 ‘실내 다짐시험 장비’ 개발 성과 도출
최근 국제 유가의 불안정으로 인해 비전통 오일 자원인 오일샌드에 대한 관심이 증폭되고 있는 가운데 북극권에는 전통오일의 2배 이상인 약 9조 배럴의 오일샌드 매장량을 존재하는 것으로 보고되고 있다.
현재 전 세계 매장량 중 71.6%에 달하는 오일샌드 매장량을 보유한 캐나다에서는 하루 약 300만 배럴의 오일샌드이 생산되고 있다.
오일샌드가 많이 매장돼 있는 캐나다 애서배스카(Athabasca) 지역은 고위도에 위치해 동절기가 길고 겨울철 최저기온이 약 영하 20℃까지 떨어지면서 지반이 얼고 녹는 과정에서 지표면의 융기와 침하가 반복되는 것으로 알려져 있다.
특히, 오일샌드 매장지역에는 동결·융해에 민감한 유기질토가 많이 분포돼 있어 겨울철 지표면이 융기·침하하는 양이 일반적인 지반보다 크게 발생하고 있다.
이에 한국건설기술연구원 지반연구본부는 저온 환경에서도 유기질 지반의 안정적인 다짐을 확보할 수 있는 지반 다짐 기술과 동결·융해를 고려한 지반 거동 시뮬레이션 모델을 선보였다.
이 기술들은 국토교통부(국토교통과학기술진흥원)의 지원 아래 한국지질자원연구원을 주관기관으로 진행 중인 ‘오일 생산플랜트의 패키지화 설계 및 통합실증 기술 개발’ 과제를 통해 개발했다.
연구내용
이번 연구는 크게 북극권 건설환경을 고려한 ‘뒤채움재 현장 다짐 성능 평가’ 연구와 ‘파이프라인 뒤채움 시공을 위한 뒤채움 지반 거동 해석’ 연구로 구성됐다.
‘뒤채움재 현장 다짐 성능 평가’ 분야는 파이프라인의 뒤채움 고속 시공 가이드라인 도출과 최적의 현장 다짐도 및 저온 환경 특수토 최적 배합비 도출을 목표로 진행됐다.
연구진은 특수지반과 저온 환경을 고려한 현장 다짐시험 수행하고, 다짐에너지에 따른 현장 다짐 성능 평가, 지반 안정 평가 기술 현장 적용 등의 연구를 수행했다.
세부적으로 살펴보면, 현장 다짐 관련 국내와 미국 등 해외 기준 조사를 시작으로 현장 다짐 시 사용되는 장비 종류와 특징에 대한 분석을 실시했다.
또한, 특수지반 및 저온 환경을 고려한 현장 다짐시험을 구축하고, 장기 모니터링을 통한 유기물 함유량에 따른 동결·융해 특성과 장기침하 양상도 분석했다.
특히, 유기질토의 저온 다짐 특성 평가를 위해 건설기술연구원 내 구축된 영하 20도까지 온도 조절이 가능한 냉동 체임버에서 실내 다짐시험을 수행했다.
이 같은 연구를 통해 규사와 캐나다산 유기질토를 혼합하는 방법을 적용, 캐나다 유기질 지반을 재현하는 동시에 이 과정에서 영하 4도에서 다짐 곡선을 확보할 수 있는 실내 다짐시험 장비를 개발하는 성과도 도출했다.
또한, 경기도 연천군에 위치한 건설연 SOC실증연구센터에서 폭 8m×길이 8m×깊이 3m 규모의 현장 다짐시험장을 구축하고, 동절기에 캐나다 유기질 지반을 조성하고 최대 약 영하 10도의 저온 환경에서 동결·융해에 따른 지표면 융기와 장기침하에 따른 특성을 평가했다.
회당 성토심도를 기존 1회당 1m에서 1회당 0.5m로 감소시키는 방법으로 다짐에너지를 200% 적용, 뒤채움 지반 현장 다짐 성능 평가도 이뤄졌다.
이 같은 현장 밀도 측정을 통한 다짐도 산정 결과, 다짐에너지를 100% 적용한 경우 동결·융해에 따라 다짐도가 80% 미만으로 감소했고, 다짐에너지를 200% 적용한 경우는 다짐도 90% 이상 확보하는 것으로 나타났다.
연구진은 지반 안정평가기술의 북극권 현장 적용성 평가를 위해 탄성파 탐사와 GPR 탐사에 대한 저온 환경에서의 현장 적용도 추진했다.
다짐 조건별로 구축된 총 3개 구간에 대해 지반 안정 평가 기술을 현장 적용하고, 특수지반 및 저온 환경에서 적용을 위한 개선사항을 분석했다.
현재 연구진은 실내 다짐시험과 연계, 유기질 지반의 다짐도를 확보할 수 있는 현장 다짐 기법을 검증하는 한편, 현재 반복적인 동결·융해에 따른 거동 분석을 위해 장기 모니터링을 수행하고 있다.
‘파이프라인 뒤채움 시공을 위한 뒤채움 지반 거동 해석’ 분야에서는 뒤채움 지반 거동 시뮬레이션 모델 개발을 목표로, 뒤채움 지반 현장시험에 대한 시뮬레이션 모델 구축 연구와 함께 계측 데이터와의 비교를 통한 수치해석 모델 검증 연구를 진행했다.
연구진은 상용 프로그램인 FLAC3D를 활용, 뒤채움 지반 현장시험에 대한 3차원 시뮬레이션 모델을 구축하고, 실제 측정된 온도 데이터를 적용, 뒤채움 지반의 동결·융해를 모사하고, 이에 따른 토압과 변위를 평가했다.
이 모델은 현장 다짐시험 계측 결과와 수치해석 결과를 비교·검증할 수 있는 모델로, 실제 측정된 온도 데이터를 통해 지반의 동결·융해 모사가 가능해 현장의 저온 환경을 100% 재현할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 현장시험과 동일한 단면과 지반 물성치를 적용하고, 현장의 저온 환경을 모사하기 위해 계측된 온도 데이터를 상부 경계조건으로 적용하며 지반의 동결·융해를 모사했다.
이 같은 수치해석 결과와 계측된 토압 및 층별 침하 데이터를 비교 분석한 결과, 시뮬레이션 모델의 신뢰도가 85% 이상 확보되는 것으로 나타났다.
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연구원 내 ‘냉동 체임버’ 활용 ··· 최적 ‘다짐 기법’ 찾는다
한국건설기술연구원 김영석 선임연구위원은 “이 연구는 북극권과 같이 겨울이 길고, 기온이 영하 20도까지 내려가는 혹독한 기후와 유기질 토양 등이 분포하는 지반공학적으로 매우 불리한 조건을 극복하기 위한 특화된 기술 개발 연구”라고 소개했다.
이어 “현재 극한지 자원 개발 시장에서의 국제 경쟁력 확보를 목표로, 공사 기간을 충분히 확보하고, 동절기 시공 능력을 개선할 수 있는 지반 안정화 및 다짐 기술 개발에 집중하고 있다”고 밝혔다.
연구진은 ‘안정적인 에너지·자원 생산과 장거리 이송을 위해 ‘캐나다·북극권 현장 조건을 고려한 지반 안정화 시공법 및 평가 기술 개발’ 연구에 박차를 가하고 있다.
김 박사는 “현재 저온환경과 특수지반을 고려한 최적 현장 다짐도 및 배합비 제안 연구와 함께 뒤채움 지반 안정성 평가 시스템 개발 연구에 역량을 집중시키고 있다”고 말했다.
이어 “특히, 캐나다의 저온 환경을 재현하기 위해 연구원 내에 구축된 냉동 체임버를 활용해 캐나다산 유기질 토를 혼합해 유사한 지반 조건을 조성한 후 역학적 거동 평가와 최적의 다짐 기법에 대한 연구를 진행했다”고 설명했다.
연천서 현장 평가 ‘파이프라인-뒤채움-지반 거동 해석’ 모델 구축
연구진은 실내 실험 결과를 바탕으로 국내에서도 추운 지역으로 분류되는 연천(KICT 연천 SOC 실증센터)에서 현장 평가를 수행하고, 캐나다 및 북극권의 다양한 현장 조건을 재현할 수 있는 수치해석 기법 개발 연구도 병행했다.
김 박사는 “이 같은 연구를 통해 저온 환경에서의 뒤채움재 최적 다짐도 및 특수토의 최적 배합비를 제안하고, 파이프라인-뒤채움-지반 거동 해석 모델을 구축했다”고 설명했다.
이어 “연구를 통해 선보인 개발 기술은 0도 이하의 저온 환경에서도 충분한 지반 다짐이 가능한 것은 물론 유기질토가 분포하는 북극권 현장에서도 지반 안정화 및 평가 기술로도 활용할 수 있다”고 강조했다.
실제로 연구진은 북극권 에너지·자원 개발 현장에서 진행되는 토목공사와 장거리 파이프라인 공사 등에 개발 기술을 적용해 동절기가 긴 지역에서도 충분한 공사기간을 확보할 수 있도록 지원할 예정이다.
또한, 우크라이나의 동토지대와 같이 유기질토가 많은 지역에서 동결·융해로 의한 지표 변위를 최소화할 수 있는 기술로도 활용할 수 있는 방안 마련에 나설 계획이다.
끝으로 김 박사는 “국내 건설 시장의 새로운 판로 개척을 위해 북극권과 같은 극한지에서의 플랜트 건설이라는 신시장 진출 지원에 나설 예정”이라며, “이를 통해 국내 건설 기업의 국제 EPC 경쟁력 향상에 기여해 나가겠다”고 덧붙였다.