인공지반동결 시스템을 이용한 동결차수벽의 실험적 연구
Experimental Study of Frozen Barrier Using Artificial Ground Freezing System
신 은 철1* Shin, Eun-Chul 박 정 준3 Park, Jeong-Jun
강 희 명2 Kang, Hee-Myeong 김 성 환4 Kim, Sung-Hwan
ABSTRACT
The purpose of this study was to prevent spreading of contaminants from movement of underground water by creating a barrier using artificial freezing method on a soil contaminated by oils and various NAPLs. Specimens with 80% and 90%
degrees of saturation were prepared to form freezing barrier using artificial freezing method. With increasing freezing time of freezing barrier, barrier was formed faster in the specimen with 90% degree of saturation by about an hour compared to the specimen with 80% degree of saturation. In addition, thinnest thickness of frozen barrier in both specimens was 50mm after 12 hours of freezing time, showing expansion of freezing area with time. The results of this study can be applied to barrier in waste reclamation sites and contaminated regions or to flow control of contaminants.
요 지
본 연구는 유류나 각종 비수용성오염물질로 오염된 지반에 인공동결공법을 이용한 차수벽을 형성하여 지하수의 이동으로 인한 오염물질의 확산을 방지하기 위한 기초적 실험결과이다. 즉, 인공동결공법을 사용하여 동결차수벽을 형성하는데 있어 각각 포화도가 80%, 90%인 시료를 조성하여 동결모형실험을 수행하였다. 인공동결공법을 이용하여 형성시킨 동결차수벽이 동결시간이 길어짐에 따라 포화도 90%인 시료가 포화도 80%인 시료보다 1시간정도 차수벽이 빨리 형성되었다. 또한, 동결진 행시간 12시간 이후의 동결차수벽은 두 시료 모두 가장 얇게 형성된 곳이 50mm의 두께로 형성되어 시간에 따른 동결영역 확대로 폐기물 매립지 및 오염지역의 차폐를 위한 차수벽, 오염물질 흐름제어 등에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
Keywords : Frozen barrier, Ground freezing system, Degree of saturation, Freezing model experiment 한국토목섬유학회논문집 제8권 3호 2009년 9월 pp. 35 ∼ 44
J. Korean Geosynthetics Society Vol.8 No.3 September. 2009 pp. 35 ~ 44
1* 정회원, 인천대학교 토목환경공학과 교수 (Member, Professor, Civil & Environmental Eng., University of Incheon, E-mail: ecshin@incheon.ac.kr) 2 학생회원, 인천대학교 토목환경공학과 석사과정 (Student Member, Master Course Student, Civil &Environmental Eng., University of Incheon) 3 정회원, 인천대학교 토목환경공학과 연구교수 (Member, Research Professor, Civil &Environmental Eng., University of Incheon)
4 정회원, (주)장원기술단 기획실장 (Member, Planning Manager, Jangwon Engineering Co., Ltd.)
1. 서 론
최근, 전세계적으로 인구증가 및 산업 발달로 발생되 는 폐기물과 유해화학물질로 인하여 토양 및 지하수 오 염의 심각성이 고조되어 개발사업으로 영향 받게 되는 지반환경에 대한 중요성이 대두되고 있다. 특히 지속적 인 경제발전과 소득수준이 향상되면서 산업활동과 더불 어 자동차 보급으로 인한 유류사용량이 크게 증가하였 다. 이에 따라 주유소의 유류저장탱크 및 화학물질을 저
장하고 있는 산업시설에서의 지하저장탱크에서 비수용 상액체(NAPLs)로 분류되는 유류 및 유해화학물질의 유 출로 인한 토양 및 지하수 오염 문제가 부각되고 있다 (고석오, 2002). 오염된 환경은 쉽게 치유되지 않을 뿐 아니라 상당한 시간과 비용이 수반된다. 지하저장탱크 에서 유출된 오염물질은 토양과 강한 흡착을 이루어 오 랜 시간 잔류하여 지하수와 함께 이동하면서 광범위한 지역에 오염원으로 작용하게 된다. 특히 주유소, 군부대 유류저장시설 및 산업공단 저장시설 등의 유해오염물질
그림 1. 냉동기 가동일수(日)와 동결토반경
그림 2. 동결토 성장곡선 로 인한 토양오염은 생태계를 파괴하고, 지속적인 오염
원으로 작용할 가능성이 높아 매우 심각한 환경문제로 대두되고 있어 오염지역 복원기술개발과 관련된 연구가 필요한 실정이다(정하익 등, 1995). 지하저장탱크는 지 중에 위치하고 있어 탱크내의 오염물질이 유출되면 토 양의 오염심도가 깊어지고 오염범위도 넓어지게 된다.
즉, 시가지, 산업지역, 공장지대가 밀집된 고농도의 중금속 및 유해물질이 함유되어 있는 투수성이 낮은 매 립 지반에서는 유체의 전송 및 오염물질 추출에 어려움 이 있다. 따라서 본 연구에서는 유류나 각종 비수용성오 염물질로 오염된 세립지반에 인공동결공법을 이용한 차 수벽을 형성하여 지하수의 이동으로 인한 오염물질의 확산을 방지하기 위한 기초적 실험결과를 나타내었다.
2. 이론적 배경 2.1 동결속도
지반중에서 동결면이 성장하는 속도를 계산할 때 동 결관 주변의 지반이 동심원 모양의 동결토주로 성장하 는 제 1단계일 때는 단관이론을 적용하고, 인접한 동결 토주가 결합되어 판장의 동결토 벽체를 이룬 후 그 두 께가 점차 두꺼워지는 제 2단계에서는 평판이론을 적용 하는데 이 이론은 복잡하므로 실용상으로는 원표를 이 용하고 있다.
그림 1에서는 냉각온도가 변화에 따른 냉동기 가동일 수와 동결토주의 반경과의 관계를 단관이론에 의해 계 산하여 도표화한 예를 보여주고 있다.
그림 2에서는 지중온도 18℃, 냉각온도 -20℃인 조건에 서 동결관 매설간격을 80cm로 하였을 경우의 동결토 성장 곡선의 계산 예를 보여주고 있다. 동결일수가 약 20일 때, 동결토주가 결합되고, 그 이후부터는 평판이론에 의해 동 결토 벽체의 성장을 계산하고 있다(윤건신 등, 2007).
2.2 온도분포 및 동결부하
실제 시공을 할 때는 지반 중의 고정된 위치에서 온 도를 측정하여 동결토 성장을 추정해야 하므로 동결토 및 미동결토의 온도분포를 미리 계산해야 할 필요가 있 다. 또한 동결토의 강도는 온도에 따라서 다르므로 동결 토벽을 내력벽으로 이용하고자 할 때는 온도변화에 따
른 강도를 설계단계에서 미리 계산해 놓아야 한다. 이러 한 경우도 단관이론 및 평판이론에 의해 필요한 시점의 온도분포를 계산할 수 있다. 또한 동결관열에 의한 동결 토내 온도분포식도 제안되어 있으며, 이 이론식을 이용 하여 동결관열의 평균냉각온도를 구한 후 동결속도를 계산할 때 평판이론에 도입함으로써 정확한 동결속도를 얻을 수 있다.
동결부하는 냉동기 용량 또는 액체질소 소비량을 결 정하는데 필요하다. 어느 시간에 있어 동결영역의 온도 분포를 알면 그 시간의 열부하를 구할 수 있다. 열부하 는 냉각개시 때에는 크고, 시간경과와 함께 서서히 작게 된다. 이런 부하도 단관이론 및 평판이론에 의해 계산되 며 동결관열 이론을 이용하면 더욱 정도가 좋은 결과를 얻을 수 있다.
2.3 융해이론
정전이나 고장 혹은 자연재해로 인하여 냉동기가 정
Most of bound water frozen.
Soil cools without latent heat effects.
Bound Water Freezes Free Water
Freezes
Te
Time
Ts
0℃
Tf
Tsc
Super- cooled
그림 3. 토중수와 얼음과의 동결곡선 (Lunardini, 1981) 지했을 경우 동결토의 융해속도를 판단하는 것은 안전
상 매우 중요한 문제이다. 냉동기 가동 정지 후의 1차원 적인 융해속도()는 식 (1)과 같이 표시된다.
(1)
여기서, 는 지반의 열정수나 온도조건 등에 의해 결 정되는 정수, 은 동결토의 온도 전파율, 는 냉동기 가동시간(냉동개시부터 정지까지의 냉각시간), 는 냉동 기 정지 후의 경과시간이다. 그리고 식 (1)을 보면 장기 간 냉각을 계속할수록 냉동기 정지 후의 융해속도가 늦 다는 사실을 알 수 있다. 자연 융해 외에 다른 방법으로 는 가열에 의한 강제융해가 있다. 이 방법은 공사가 완 료된 후 신속히 동결토를 융해시켜 원래의 지반상태로 회복하는 것이 좋기 때문에 동결토의 융해를 빨리 진행 시키기 위해 인공적으로 가열시키는 방법이다. 강제융 해의 일반적인 방법으로 공사 중에 동결관으로 이용했 던 동결관에 온수를 순환시키는 방법을 이용한다. 이 때 동결관을 중심으로 동심원 모양으로 융해가 진행되므로 해석적으로는 동결의 역현상으로 취급할 수 있다(윤건 신 등, 2007).
2.4 흙의 동결 작용
동결토는 토립자, 얼음, 물 공기의 4상구조로 구성되 어 있다. 이 토립자는 대부분 광물 입자 표면에 덮혀진 얇은 부동수막과 함께 다양한 크기와 형상을 지닌다. 또 한 간극에는 얼음과 물, 그리고 공기로 채워져 있는데, 얼음은 균질한 흙 체적에 영향을 주게 되고, 불규칙한 작은 얼음 덩어리 형상으로 축적되어 진다. 동결토 지역 에서의 동결토는 토립자의 구조, 동결토가 지닌 특성, 얼음의 구조 등으로 구별된다. 일정 온도하에서 동결토 의 역학적 특성은 부동수분의 영향으로 부서지기 쉬운 상태에서 소성상태까지 그 역학적 범위가 다양하다.
대기의 온도가 0℃ 이하로 되면 지표면의 간극수가 동결을 시작하여 동결면이 서서히 땅속으로 이동되며, 이 때 토질이나 지하수의 조건에 따라 물이 이동되고, 얼음렌즈(ice lens)라고 하는 얼음 층이 열의 흐름 방향 에 직각으로 형성된다. 이와 같이 미동결 부분에서 동결 면으로부터 물을 흡수하여 외력에 저항하면서 렌즈 모 양의 얼음 층이 생기고 이에 따라 지반이 팽창, 상승하
는 현상을 동상(frost heave)이라고 한다(신은철 등, 2009).
흙 간극에서 얼음의 형성은 그림 3에 도시된바와 같 이 토립자와 간극수의 동결을 포함하여 나타내어진다.
간극수는 온도가 로 감소할 때까지는 동결이 시작되 지 않는다. 준안정평형상태, 즉, 원자핵이나 분자상태에 서 자유수가 얼음으로 상변화 되어 과냉각수에 의해 얼 음렌즈가 형성된다. 따라서, 초기 동결온도, 로 온도 가 증가되며, 잠열이 방출되어 얼음이 형성되기 시작한 다. 비표면적이 작은 사질토의 경우에는 초기 동결온도,
는 0℃에 근접하여 나타나지만, 세립토의 경우에는 5℃정도만큼() 온도가 더 하강될 때 나타나게 된다.
흙 골격내의 간극에서 자유수는 초기 동결온도 상태 에서 동결되기 시작하고, 이 자유수가 얼음으로 변함에 따라 잠열의 방출은 온도가 에 도달할 때까지 서서히 진행된다. 모든 자유수와 대부분의 경계수는 (약 -7 0℃)상태가 되면 거의 동결된다. 높은 비표면적을 가진 세립토에서는 더 낮은 온도상태에서도 부동수가 존재할 수 있다.
동결토는 몇가지 형태의 얼음으로 나타나는데, 토립 자 표면에 아주 작은 얼음렌즈에서부터 커다란 얼음조 각과 거대한 얼음덩어리에 이르기까지 그 범위가 다양 하다. 상대적으로 낮은 얼음함유량을 가진 동결토에서 는 보이지 않는 얼음렌즈나 표면에서 작은 결정으로 밖 에 보이지 않는다. 여기서, 상대적은 얼음함유량을 식 (2)와 같이 나타내었다(Andersland and Ladanyi, 1994).
표 1. 실트질 흙의 공학적 특성
공학적 특성 특성값
자연 함수비, ωn(%) 27.2
비중, 2.69
균등 계수, 54.95
곡률 계수, 14.86
최대건조단위중량, (gf/cm3) 1.95 최적 함수비, (%) 17.2
액성한계, LL(%) 25.8
소성지수, PI 10.4
투수계수, k (cm/sec) 7.51×10-4 No. 200체 통과량 (%) 76.8
통일분류법 (USCS) ML
(2)
여기서, 는 얼음의 질량, 는 물 전체의 질량, 는 전체함수비, 는 부동수분량을 말한다.
형성된 동결전선(freezing front)으로 안정적인 상태를 유지하며, 서서히 이동되는 동안 수분의 공급에 의해서 모든 종류의 흙에는 얼음렌즈가 형성되는 것이다.
Nixon(1992)에 의하면 일반적으로 지표면에서는 부 정류형태의 얼음 결정체 조건이 얼음과 흙이 결합된 띠 형태로 전환되어 성장하는 조건을 나타내었다. 한 예로, 동결토와 활동 빙정층(active ice lense), 동결영역, 비동 결토 지역으로 구성된 균질한 세립토층에서 얼음에 의 하여 토립자 간극에 부분적으로 채워져 물이 스며드는 지역인 동결 영역에서의 토립자는 상재압과 토립자에 주어진 초기압력을 합한 것보다 얼음이 주는 압력이 더 클 때 팽창하게 된다. 얼음의 압력은 토립자를 분리시키 고, 또 새로운 얼음렌즈를 형성시킨다. 천천히 동결시키 면, 동결영역과 비동결지역에서는 정상류 온도 상태가 유지된다. 동결면으로 급속히 동결되면 온도는 감소하 게 되고, 얼음렌즈로 수분이동이 감소하게 되어 동결 영 역의 투수성 또한 감소하게 된다. 다시 말하면, 지표 가 까이에 있는 얇은 얼음렌즈와 깊이가 깊어질수록 더 두 꺼운 얼음렌즈는 열과 수분이동의 관계로 표시되고, 이 는 곧 온도경사가 더 작아진다는 것을 의미하게 된다 (신은철 등, 2003).
Konard and Mogenstern(1980)과 Nixon(1991, 1992) 의 발표에 의하면, 얼음렌즈와 비동결토 사이에 존재하 는 동결 영역의 온도가 0℃의 등온선 위에서도 얼음렌 즈가 형성된다고 발표하였다. 이 동결 영역에서는 얼음 렌즈 성장에 도움이 되는 자유수가 동결점 이하 상태로 될 때 얼음으로 상변화 되면서 결빙에 의한 분리현상이 발생된다. 이 때 동결전선에서 0℃상태에서 열 평형방 정식을 식 (3)과 같이 나타내었다.
(3)여기서, 와 는 각각 동결 상태와 비동결 상태의 열전 도율이고, 순 열유동, 는 동결전선에서의 현장 함수비이다.
3. 실험 방법
본 연구에서는 해안매립지반에 널리 분포되어 있고, 동상에 민감한 반응을 보이는 실트질 흙으로서, 인천지 역 매립현장에서 채취한 시료로 실시하였으며, 비교군 으로 80%, 90%의 포화조건으로 하여 실험을 수행하였 으며, 폐쇄형 조건의 수분공급 방식으로 실험하였다.
3.1 시료의 공학적 특성
인천지역의 매립지반에 대부분을 차지하고 있는 실트 질 흙은 입도조성이 실트질 점토 및 모래로서 넓은 범 위의 토사들이 호층 상태로 퇴적되어 있다. 본 연구의 실내 동상실험에 사용된 시료의 공학적 특성을 파악하 기 위한 기본 물리적 특성시험으로 자연함수비시험, 다 짐시험, 비중시험, 액․소성한계시험, 투수시험 등을 실시 하였다. 시험 방법은 한국공업규격에 명시된 표준시험 방법에 의거하여 실시하였다.
3.2 인공동결실험장치
인공동결의 원리는 지반을 동결시키기 위해 미리 직 경 10∼20mm 되는 선단부분이 폐쇄된 동결관을 지중 에 매설한 후, 동결관 속으로 브라인(Brine) 부동액 또 는 액체질소를 순환시켜 동결관을 계속 빙점이하의 온 도로 냉각시킨다. 시간이 경과하면 동결관주변지반의 간극수가 얼기 시작하면서 동결관을 중심으로 동심원
그림 4. 동결장비 토조부 그림 5. 동결장비 냉각부
그림 6. 동결 온도계측 장치 그림 7. 토조내 동결관 및 온도센서 설치
모양의 동결토주가 형성된다. 동결관을 필요한 간격으 로 연속적으로 매설하면 인접한 동결토주가 서로 합쳐 져 연속적인 동결토 벽체를 이루게 된다. 이러한 동결토 벽체는 차수성이 높고, 역학적으로 큰 강도를 발휘하므 로 이를 흙막이벽 또는 방호벽으로 사용하여 목적하는 공사를 수행하기도 한다(윤건신 등, 2007).
본 연구에서 사용된 인공동결장치의 토조는 그림 4에 나타낸 바와 같이 직경 80cm 높이 60cm의 원형이며 열전도율이 낮은 스텐레스강(K410)으로 제작하였다.
실험에 사용된 동결장비는 브라인용액을 사용한 브라 인방식을 사용한다. 동결장치는 냉각기, 압축기, 응축기, 냉각탑 그리고 순환펌프로 구성하였으며, 부동액이 냉 각기에서 -17℃ 정도로 냉각된 후, 순환펌프에 의해 토 조내 지반에 매설된 동관으로 보내짐으로써 토조내의 지반이 동결된다. 그림 5은 동결장비 냉각부를 나타낸 것으로서, 지반으로부터 열을 받아 온도가 높아진 부동 액은 냉각기로 되돌려져 다시 냉각된 후, 동관으로 보내 지는 순환과정을 반복함으로써 동결토가 차츰 성장하게 된다. 또한, 사용된 동결관은 열의 전도율을 높이기 위
해서 동관으로 하였고 관의 직경은 35mm를 사용하였다.
그림 6은 동결온도 자동 데이터 수집장치(CR-1000) 를 나타낸 것이고, 토조부와 연결된 온도센서(thermocouple) 는 -50℃～1300℃ 범위까지 측정이 가능한 K-type을 사 용하였으며, 시료의 상부와 중앙, 그리고 하부에 각각 높이 10cm 간격으로 매설하였다.
그림 7는 토조내 동결관 및 온도계측센서 매설 위치 를 나타낸 것으로서 동결관의 위치는 토조 중심으로부 터 250mm 떨어진 곳에서 9개의 동결관을 원형 형태로 매설하였다.
매설된 동결관은 동결관 중심과 동결관 중심의 사이 간격이 170mm로 매설하였다. 또한 사용된 토조내 지반 에 매설되는 동관의 형식은 직렬형식으로 동결유닛 (unit)에서 순환시키는 브라인이 1번 동결관에서 시작하 여 9번 동결관으로 순환시켜 모든 동결관을 한 개의 라 인을 통해 순환한 후 다시 동결유닛에서 냉각되는 방식 을 사용하였으며 수직보링 방식을 사용하여 동관을 수 직으로 세워 인공동결 차수벽 형성을 할 수 있도록 하 였다.
(a) 경과시간 (6 hr) (b) 경과시간 (9 hr)
(c) 경과시간 (10 hr) (d) 경과시간 (11 hr)
(e) 경과시간 (12 hr)
그림 8. 다짐도90%, 포화도80% 조건에서의 동결 차수벽 형성 과정
4. 실험결과
4.1 실내 인공동결실험 결과
본 연구의 실험결과를 위해서 다짐도와 동결관에 순 환시키는 냉매의 온도, 온도 계측센서의 위치를 동일하 게 유지하였으며, 포화도를 각각 80%와 90% 조건으로 실험을 수행하였다. 그림 8과 그림 9는 각각 포화도가 80%, 90%일 때, 토조내 시료에 동결을 시작하여 경과
시간에 따른 온도분포를 토조의 평면으로 나타낸 것이다.
인공동결토조내의 온도분포는 동결 유닛에서 최초 냉 각되어 순환되는 브라인이 제일 먼저 통과하는 1번 동 결관 근처의 온도가 낮은 것을 확인 할 수 있으며, 브라 인의 온도가 높아져서 후번대의 동결관 근처는 동결벽 이 전번대의 동결관 근처의 동결벽보다 늦게 형성되는 것을 알 수 있다. 토조내 시료의 포화도를 달리하여 인 공 동결을 나타낸 결과, 80%의 포화도를 가지고 있는 시료보다 90%의 포화도를 가지는 시료가 1시간 정도
(a) 경과시간 (6 hr) (b) 경과시간 (9 hr)
(c) 경과시간 (10 hr) (d) 경과시간 (11 hr)
(e) 경과시간 (12 hr)
그림 9. 다짐도90%, 포화도90% 조건에서의 동결 차수벽 형성 과정
더 빨리 동결 차수벽이 형성되는 것을 알 수 있었으며, 80% 포화도를 가지는 시료와 90% 포화도를 가지는 시 료 모두 12시간이 경과한 이후로는 동결벽이 최소 50mm 이상의 동결벽이 형성되는 것을 알 수 있었다.
4.2 유한요소해석 결과 및 분석
유한요소해석방법은 3차원 지반 열해석을 실시하였으 며, 사용된 해석프로그램은 VisualFEA ver. 1.0 이다.
VisualFEA는 유한요소법을 기본 이론으로 하여 2차원 또는 3차원의 연속체를 해석하는 프로그램이다. 단계별 해석, 내진해석, 침투해석, 압밀침하해석, 연동해석 등의 다양한 해석유형을 제공하는 범용 해석프로그램이다.
본 프로그램을 통한 해석방법은 실내실험과 동일한 조건으로 인천신도시매립부지의 실트질 흙의 공학적 특 정치 및 온도 상수를 적용하였으며, 토조 및 동결관의 제원과 동일하게 매쉬를 작성하였다. 아래 표 2는 유한 요소해석 수행에 사용된 온도상수이다.
표 2. 유한요소해석 수행에 사용된 온도상수
구 분 토사
(해성점토)
동결관 (60/40 황동)
동결토조 (스텐레스강 K410)
열전도율(cal/cmּּּ･sec･℃) 4.722 x 106 0.32 0.06
비열(cal/g℃) 0.36 0.09 0.11
밀도(g/cm3) 2.082 x 103 8.4 7.75
(a) 경과시간 (6 hr) (b) 경과시간 (9 hr)
(c) 경과시간 (10 hr) (d) 경과시간 (11 hr)
(e) 경과시간 (12 hr)
그림 10. 다짐도90%, 포화도80% 조건에서의 해석결과
본 프로그램을 통한 유한요소해석을 수행한결과 실내 실험과 마찬가지로 1차적으로 동결관 주변으로 고르게 동결토가 형성되어 동결관주변의 지반이 동심원 모양의
동결토주로 성장하다가 인접한 동결토주가 결합되면서 동결토벽체를 이루는 현상을 확인할 수 있었다.
그림 10과 그림 11은 각각 포화도가 80%, 90%일 때
(a) 경과시간 (6 hr) (b) 경과시간 (9 hr)
(c) 경과시간 (10 hr) (d) 경과시간 (11 hr)
(e) 경과시간 (12 hr)
그림 11. 다짐도90%, 포화도90% 조건에서의 동결 차수벽 해석결과
의 해석결과를 나타낸 것으로서, 80%의 포화도를 가지 고 있는 시료보다 90%의 포화도를 가지는 시료가 1시 간 정도 더 빨리 동결 차수벽이 형성되는 것을 알 수 있었으나, 동결차수벽이 형성된 이후에는 그 동결진행 속도는 큰 차이가 나타나지 않는 것으로 나타났다.
수치해석 결과와 실내실험결과를 비교해보면 동결토 주의 형성 범위 및 동결토 벽체 형상이 다르다는 것을 알 수 있다. 이는 실내실험의 경우 인공동결실험기의 관 열 방식이 직렬이므로 최초로 냉각된 저온의 브라인 용
액이 동결관을 통해 주변 토사에 냉열이 전달되고, 인접 동결관에 공급되는 브라인의 온도는 높아지는 현상이 이루어져, 브라인이 공급되는 순서에 따라 동결관의 온 도는 낮아지며, 그에 따른 동결토주 형성이 늦어지기 때 문으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 인공동결공법을 통하여 토조내 시료의
포화도를 달리하여 세립질의 지반에 형성되는 동결차수 벽에 대해 실험을 하였다. 실험결과로부터 인공동결을 시작하여 두 조건의 시료가 인공동결차수벽이 형성되기 까지의 시간과 같은 시간대에 얻어진 시료의 온도 분포 를 통해 차수벽의 두께와 형성된 형상 및 거동을 이해 할 수 있었다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 토조내의 시료를 인공동결공법으로 동결시킨 결과, 인공동결차수벽은 12시간 경과하여 가장 얇은 벽이 50mm 동결차폐벽이 형성됨으로 동결공법을 통한 지하수의 유입이나 유출을 차단할 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 인공동결공법으로 형성된 차수벽은 포화도에 따라 각각 다른 동결속도를 가졌다. 80%의 포화도를 유 지시킨 시료의 인공동결차수벽이 형성되기까지 11 시간이 소요되었으며, 90%의 포화도를 유지시킨 시 료의 인공동결차수벽이 형성되기까지 10시간이 소 요되어 90%의 포화도를 유지시킨 시료가 80%의 포화도를 유지시킨 시료보다 약 1시간 빨리 형성된 것을 알 수 있었다. 향후 다양한 포화도에 따른 인 공동결차수벽의 형성에 대한 실험을 통하여 인공동 결차수벽 형성에 시간을 파악하는 연구가 계속 수 행되어야 할 것이다.
(3) 실내실험과 수치해석의 동결영역 분포를 비교해본 결과 수치해석에 따른 동결영역의 분포는 각 동결 관을 중심으로 고르게 분포되는 것으로 나타났으나 실내실험의 결과는 브라인 용액의 주입이 빠른 순 으로 동결관의 온도가 낮아지며, 브라인 용액의 주 입 순서가 빠를수록 동결영역이 크게 나타났다. 인 공동결장비의 배관설계시 냉각액 공급 순서와 그 균등성에 대한 연구가 향후에 계속 수행되어야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 중소기업청 2007년도 산학협력실 지원사 업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. 연구개발비 지 원에 감사드립니다.
참고문헌
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(논문접수일 2009. 8. 17, 심사완료일 2009. 9. 28)
