Evaluation of Freezing Rate of Marine Clay by Artificial Ground Freezing Method with Liquid Nitrogen

* 고려대학교 건축사회환경공학부 박사과정 (Korea University ․ [email protected]) ** 고려대학교 건축사회환경공학부 박사과정 (Korea University ․ [email protected]) *** 정회원 ․ 고려대학교 건축사회환경공학부 박사과정 (Korea University ․ [email protected])

**** 종신회원 ․ 교신저자 ․ 고려대학교 건축사회환경공학부 교수 (Corresponding Author ․ Korea University ․ [email protected]) Received February 26, 2018/ revised April 5, 2018/ accepted April 20, 2018

Copyright ⓒ 2018 by the Korean Society of Civil Engineers

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DOI: https://doi.org/10.12652/Ksce.2018.38.4.0555

www.kscejournal.or.kr

액화질소를 이용한 인공동결공법 적용시 해성 점토지반의 동결속도 평가

최현준*ㆍ이동섭**ㆍ이효범***ㆍ최항석****

Choi, Hyun-Jun*, Lee, Dongseop**, Lee, Hyobum***, Choi, Hangseok****

Evaluation of Freezing Rate of Marine Clay by Artificial Ground Freezing Method with Liquid Nitrogen

ABSTRACT

Nowadays, the artificial ground freezing (AGF) method has been used in many geotechnical engineering applications such as temporary excavation support, underpinning, and groundwater cutoff. The AGF method conducts the freezing process by employing a refrigerant circulating through a set of embedded freezing pipes to form frozen walls serving as an excavation support and cutoff wall.

Two refrigerants of brine with the freezing temperature of –20~–40°C and liquid nitrogen with the freezing (evaporating) temperature of –196°C are commonly being used in geotechnical applications. This paper performed a series of field experiments to evaluate the freezing rate of marine clay in application of the AGF method. The field experiments consisted of the single freezing-pipe test and the frozen-wall formation test by circulating liquid nitrogen, which is a cryogenic refrigerant, into freezing pipes constructed at a depth of 3.2 m in the ground. The temperature of discharged liquid nitrogen was maintained through the automatic valve, and the temperature change induced by AGF method was measured at the freezing pipes and in the ground with time. According to the experimental results, the single freezing-pipe test consumed about 11.9 tons of liquid nitrogen for 3.5 days to form a cylindrical frozen body with the volume of about 2.12m

. In addition, the frozen-wall formation test used about 18 tons of liquid nitrogen for 4.1 days to form a frozen wall with the volume of about 7.04m

. The radial freezing rate decreased with increasing the radius of frozen body because the frozen area at a certain depth is proportional to the square of the radius. The radial freezing rate was formulated as a simple equation.

Key words : Artificial ground freezing method, Liquid nitrogen, Freezing rate, Marine clay, Frozen wall 초 록

최근 임시 지보, 보강 및 지하수 차수와 같은 다양한 지질공학분야에서 차수 및 지반보강 공법으로 인공동결공법(artificial ground freezing method) 이 적용되고 있다. 인공동결공법은 지중에 매설된 동결관 내로 냉매를 순환시켜 대상 지반에 차수벽 및 지지체의 역할을 할 수 있는 동 결벽체(frozen wall)를 형성한다. 본 연구에서는 해성 점토지반(marine clay)에 대한 인공동결공법 현장실증시험을 수행함으로서 인공동결공 법에 따른 해성 점토지반에서의 동결속도(freezing rate)를 평가하였다. 현장실증시험은 지중에 3.2m 깊이로 매설된 동결관 내로 초저온 냉매 인 액화질소를 순환시키는 방법으로 단일공 시험과 동결벽체 형성 시험을 수행하였다. 자동밸브를 통해 유출되는 액화질소의 온도를 일정하게 유지시켰으며, 동결과정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다. 시험결과, 단일공 시험은 부피가 약 2.12m

인 원기둥 모양의 동결 체를 형성하는데 총 3.5일 동안 약 11.9ton의 액화질소가 소요되었고, 동결벽체 형성 시험은 부피 약 7.04m

의 동결벽체를 형성하는데 총 4.1일 동안 약 18ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다. 임의의 깊이에서 동결면적이 동결반경의 제곱에 비례하기 때문에 동결반경이 증가할수 록 방사방향 1차원 동결속도가 감소하였고, 이를 바탕으로 방사방향 1차원 동결속도 예측식을 제시하였다.

검색어 : 인공동결공법, 액화질소, 동결속도, 해성점토, 동결벽체

Geotechnical Engineering

1. 서 론

인공동결공법(artificial ground freezing method)은 지중에 매 설된 동결관(freezing pipe) 내로 냉매(refrigerant)를 순환시켜 대상 지반에 차수벽 및 지지체의 역할을 할 수 있는 동결벽체(frozen wall)를 형성하는 차수 및 지반보강 공법이다(Andersland and Ladanyi, 2004). 인공동결공법은 냉매의 종류에 따라 브라인(brine, -20~-40°C)을 통한 완속 인공동결공법과 액화질소(liquid nitrogen, -196°C) 를 통한 급속 인공동결공법으로 분류할 수 있다(Fig. 1).

특히, 인공동결공법은 지반 내 간극수를 동결시키는 공법으로 지하수 아래 모든 지반조건에서 적용이 가능하며, 약액(시멘트 등) 주입 없이 대상 지반을 일시적으로 동결융해시키는 친환경공법 이다. 이러한 장점을 바탕으로 유럽, 미국, 일본, 싱가포르 등 해외선 진국을 중심으로 연약지반에서의 차수 및 지반보강 공법으로 인공동 결공법을 활발하게 적용하고 있다(Crippa and Manassero, 2006;

Manassero et al., 2008; Pimentel et al., 2012; Papakonstantinou et al., 2013; Russo et al., 2015). 특히, 최근 중국에서도 연약지반에 서의 터널공사에서 인공동결공법을 적극적으로 적용하고 있다 (Geng et al., 2010; Liu and Chen, 2010; Qin et al., 2010;

Sun and Qiu, 2012; Yan and Xu, 2012; Han et al., 2016).

본 논문에서는 해성 점토지반(marine clay)에 대한 인공동결공

법 현장실증시험을 수행함으로서 인공동결공법에 따른 해성 점토 지반의 동결속도(freezing rate)를 평가하였다. 현장실증시험은 동 결관을 지표면과 수직으로 지중에 매설한 후 동결관 내로 –196°C의 액화질소를 순환시키는 방법으로 수행되었다. 동결관 1공에 대한 단일공 시험(single freezing pipe test)과 동결관 2공에 대한 동결벽 체 형성 시험(frozen wall formation test)을 수행하였으며, 동결과 정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다.

2. 인공동결공법 현장실증시험

2.1 현장실증시험 부지

본 현장실증시험은 인공동결공법에 따른 해성 점토지반의 동결 속도를 평가하기 위하여 전라남도 신안군에 위치한 해안가에서 수행되었다. 이 현장실증시험 장소는 과거 염전으로 사용되었다.

현장부지의 지질조건을 파악하기 위해 총 3곳에서 약 20m 깊이의 시추조사를 수행하였으며, Fig. 2에 시추조사 결과를 나타내었다.

시추조사 결과, 지표 하 0~1.0m 구간은 실트질 자갈인 매립토층, 지표 하 1.0~10.0m 구간은 실트질 점토인 퇴적토층으로 구성되어 있고, 지하수위는 지표 하 약 1.0m에 위치하는 것으로 파악되었다.

본 현장시험에서는 상부 매립토층을 제거함으로서 포화된 해성 점토지반에 대한 인공동결공법을 모사하였다.

동결관이 매설된 지표 하 1.0~4.2m 구간은 N치가 2-3인 매우 연약(very soft)한 지반으로 파악되었고, 피스톤 샘플러(piston sampler)로 채취된 직경 76mm (NX 코어)의 비교란 시료에 대한 실내시험을 통해 해당 지반의 토성 및 역학적 특성을 평가하였다 (Table 1).

또한, 인공동결공법의 동결효율에 직접적인 영향을 미치는 지반 의 열전도도(thermal conductivity)는 인공동결공법 적용 시 중요 하게 고려되는 설계요소로서 동결 전(unfrozen)과 동결상태(frozen) 에 대한 열전도도 평가가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 해당 지반의 열전도도를 평가하기 위하여 0.023~12.0W/mK, -10~200°C

(b) LN₂ Method

Fig. 1. Artificial Ground Freezing Method (Andersland and Ladanyi,

2004) Fig. 2. Geologic Columnar Section of Test Bed

의 측정범위 및 ±5%의 정밀도와 ±3%의 재현성을 갖는 프로브 (PD-13) 가 장착된 열전도도 측정기인 QTM-500(Kyoto Electronics) 을 이용하여 현장에서 채취한 비교란 시료의 열전도도를 동결 전(비 동결 시료)과 -10°C로 동결된 시료에 대하여 측정하였다. 비동결 시료의 경우에는 약 15°C의 상온에서 열전도도를 측정하였고, 동결시료의 경우에는 -10°C의 냉동고에서 24시간 동안 동결시료를 조성한 후 냉동고 내부에서 열전도도를 측정하였다(Fig. 3). 동결 전과 동결상태의 열전도도 시험결과를 Table 2에 정리하였다.

2.2 현장실증시험 개요

본 현장실증시험을 위해서 스테인리스강(stainless steel, SUS) 재질로 제작된 외경 89.1mm, 길이 3.8m (외관 3.2m, 내관 0.6m)의 동결관이 시공되었다(Fig. 4(a)). 이 때, 동결관 외관(outer pipe)과 지반과의 밀실한 접촉을 위하여 지표와 수직으로 3m 깊이로 굴착한 후에 동결관을 위치시키고 유압으로 0.2m를 밀어 넣어 시공하였다.

동결관 내관(inner pipe)은 지표 상부에서 동결관 외관에 삽입하여 설치하였다. 또한, 동결관의 동결효율을 최대로 하기 위하여 동결관 내관에 설치된 유입부(inlet)과 유출부(outlet) 사이에 단열재 (insulator)를 충진함으로서 주입되는 냉매, 유출되는 냉매, 그리고

외부 공기 사이의 열교환을 최소화하였다.

본 현장실증시험에 적용된 초저온 냉매인 액화질소는 Fig. 4(b) 에 나타낸 것처럼 유입부를 통해 동결관 끝단으로 주입된 후 동결관 상부로 이동하면서 지반과 열교환이 이루어진다. 지반과의 열교환 을 통해 기체로 상변화된 질소는 동결관 상부에 위치한 유출부를 통해 대기로 배출된다.

본 논문에서는 총 2가지 조건에 대한 인공동결공법 현장실증시 험을 수행하였다. 먼저, 동결관 1공에 대한 단일공 시험을 수행함으 로서 해성 점토지반의 동결속도를 평가하였다. 두 번째로 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시키는 동결벽체 형성 시험을 수행 함으로서 해성 점토지반에 대한 인공동결공법을 모사하였다.

2.2.1 단일공 시험

단일공 시험은 동결관 1공을 통해 주변 지반을 원통 형태로 동결시켜 해성 점토지반의 방사방향 동결속도를 평가하기 위한 목적으로 수행되었다. 동결과정에서 지반의 온도변화를 측정하기 위하여 동결관으로부터 거리에 따라 총 3공의 온도공(temperature- measuring hole A to C) 을 설치하였다(Fig. 5). 온도공은 0.25m 간격으로 시공되었으며, 각 온도공에 깊이방향으로 0.5m 간격(지

Depth

Dry unit weight (g/cm³)

Water content

(%)

Salt concentration (‰)

Grain size analysis % finer than Atterberg limit Consolidation

#4 #10 #40 #200 2μ LL USCS (%)

PI (%)

P_c (kPa) C_c

2∼2.8m 1.263 42.5 17.9 100 100 100 99.8 24.0 51.4 26.4 62.0 0.418 CH

3∼3.8m 1.212 46.0 17.5 100 100 100 99.8 26.5 52.8 27.5 95.0 0.516 CH

(a) Unfrozen (15°C) (b) Frozen (-10°C)

Fig. 3. Measurement of Thermal Conductivity Through QTM-500

Table 2. Summary of Laboratory Thermal Conductivity Test

2.0 ~ 2.8m 3.0 ~ 3.8m

Thermal conductivity (W/mK)

Unfrozen 1.592 1.486

Frozen 2.669 2.827

표 하 0.7m, 1.2m, 1.7m, 2.2m, 2.7m, 3.2m, 3.7m, 4.2m)으로 열전대(thermocouple)를 설치하여 동결과정 중 온도를 측정하였 다. 또한, 지표를 단열함으로서 외기조건의 영향을 최소화하였다.

2.2.2 동결벽체 형성 시험

동결벽체 형성 시험에서는 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시킴으로서 인공동결공법의 시공과정을 모사하였다. 이 때, 동결관의 간격은 문헌조사에서 주로 제시한 1m로 설계하였다

Fig. 4. Freezing Pipe Profile

(a) Plan View (Photograph) (b) Plan View (Diagram)

(c) Overall View (Photograph) (d) Profile (Diagram)

Fig. 5. Arrangement of Freezing Pipe and Thermocouples (Single Freezing-Pipe Test)

(Konard, 2002; Crippa and Manassero, 2006; Li and Wang, 2010). 동결과정에서 지반의 온도변화를 측정하기 위하여 2공의 동결관 사이에 총 7공의 온도공(temperature-measuring hole A’

to G’)을 설치하였다(Fig. 6). 온도공의 간격(횡방향)과 열전대의 간격(깊이방향)은 단일공 시험과 동일한 0.25m와 0.5m가 각각 적용되었다.

3. 인공동결공법 현장실증시험 결과

간극수의 염분농도는 간극수의 어는점을 낮추기 때문에 인공동 결공법의 동결속도 및 동결 완료시점 결정에 영향을 미친다. 본 시험현장은 바다와 인접하여 간극수의 염분농도가 해수의 평균염 분농도인 35‰의 약 50%인 17.7‰로 측정되었으며, 이에 따른 간극수의 어는점 내림은 –0.96°C로 산정되었다(Arenson and Sego,

2006). 이를 바탕으로 각 시험조건에 대한 동결소요시간을 산정하 였다.

3.1 단일공 시험

단일공 시험에서는 동결시스템에 설치된 자동밸브를 통해 액화 질소의 유출온도를 약 –170°C로 유지시켰으며, 단일공 시험 중 열전대를 통해 계측된 시간에 따른 동결관 외벽 및 지중의 온도변화 를 Fig. 7에 나타내었다.

1 공의 동결관에 의해 형성되는 동결체의 범위는 시간에 따라 동결관을 중심으로 방사방향으로 증가된다(Fig. 8). 본 시험에서는 동결관으로부터 0.5m 거리까지 동결체를 형성시켰고, Table 3에 각 동결체 형성단계에서의 동결소요시간을 정리하였다.

시험 결과, 동결관 주변으로 부피가 약 2.12m ³ ( 반지름 약 0.5m, 높이 약 2.7m)인 원기둥 모양의 동결체를 형성시키는데 총 3.5일

(a) Plan View (Photograph) (b) Plan View (Diagram)

(c) Overall View (Photograph) (d) Profile (Diagram)

Fig. 6. Arrangement of Freezing Pipes and Thermocouples (Frozen-Wall Formation Test)

(a) Inlet and Outlet Temperature of LN₂ (b) Temperature-Freezing Pipe

(c) Temperature-Measuring Hole A (d) Temperature-Measuring Hole B

(e) Temperature-Measuring Hole C

Fig. 7. Temperature Change with Time at Each Position (Single Freezing-Pipe Test)

Table 3. Summary of Freezing Time Required at Each Step (Single Freezing-Pipe Test)

Depth Step 1 Step 2

0.7m 20.1hours 84hours

1.2m 19.9hours 78.8hours

1.7m 20.6hours 76.3hours

2.2m 18.7hours 68.8hours

2.7m 17.2hours 58.7hours

3.2m 33hours none

(a) Step 1 (b) Step 2

Fig. 8. Step of Frozen Range (Single Freezing-Pipe Test)

(84 시간)이 소요되었다. 이 때, 약 11.9ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다.

3.2 동결벽체 형성 시험

동결벽체 형성 시험에서는 액화질소의 유출온도를 약 –180°C로 유지시켰고, 동결벽체 형성 시험 중 열전대를 통해 측정된 시간에 따른 동결관 외벽의 온도변화를 Fig. 9에 나타내었다.

2공의 동결관을 통한 동결벽체의 형성과정은 다음과 같이 4단계 로 분류할 수 있다(Fig. 10). Step 1는 각 동결관으로부터 반경

0.25m 의 동결체가 형성된 단계, Step 2는 각 동결관으로부터 형성 된 두 동결체가 접한 상태로 동결벽체가 형성되기 시작하는 단계, Step 3 은 동결벽체의 두께가 0.5m까지 형성된 단계, Step 4는 동결벽체의 두께가 1.0m까지 형성되는 단계이다. 동결벽체 형성 시험에서의 목표 동결두께는 일반적으로 실제 인공동결공법 적용 시, 목표로 하는 1m가 적용되었다(Konard, 2002; Crippa and Manassero, 2006; Li and Wang, 2010).

이 때, 지하수의 흐름이 존재하는 지반에서 인공동결공법을 적용할 경우, 지하수의 흐름에 의하여 동결관을 중심으로 형성되는

(a) Inlet and Outlet Temperature of LN₂ (b) Temperature-Freezing Pipe 1

(c) Temperature-Freezing Pipe 2 (d) Temperature-Measuring Hole A’

(e) Temperature-Measuring Hole B’ (f) Temperature-Measuring Hole C’

Fig. 9. Temperature Change with Time at Each Position (Frozen-Wall Formation Test)

(g) Temperature-Measuring Hole D’ (h) Temperature-Measuring Hole E’

(i) Temperature-Measuring Hole F’ (j) Temperature-Measuring Hole G’

Fig. 9. Temperature Change with Time at Each Position (Frozen-Wall Formation Test) (Continue)

(a) Step 1 (b) Step 2

(c) Step 3 (d) Step 4

Fig. 10. Step of Frozen Wall Formation (Frozen-Wall Formation Test)

동결체가 동심원 모양이 아닌 타원모양으로 형성된다. 지하수 유속 이 빠를수록 동결체가 세장한 타원모양으로 형성되고, 지하수 유속 이 일정값 이상으로 증가할 경우에는 동결벽체가 형성되지 않는다.

일반적으로 인공동결공법 실제로 적용 시, 브라인 공법은 2m/day, 액화질소 공법은 8m/day를 한계 지하수 유속으로 고려하고 있다 (Pimentel et al., 2012). 그림 9에 나타난 것처럼 두 동결관으로부터 동일한 거리에 위치한 온도공 A’와 C’ (동결관으로부터 0.25m), 온도공 E’와 F’ (동결관으로부터 0.56m), 그리고 온도공 D’와 G’ ( 동결관으로부터 0.71m)의 동결속도가 각각 비교적 유사하게 산정된 것은 동결체가 동심원 모양으로 형성됨을 시사한다. 즉, 동결속도에 대한 본 현장부지의 지하수 유속의 영향은 미미하다고 사료된다.

각 단계에서 산정된 동결소요시간을 Table 4에 정리하였다.

시험 결과, 2공의 동결관 사이에 부피 약 7.04m ³ (가로 약 2.2m, 세로 약 1.0m, 높이 약 3.2m)의 동결벽체가 형성되는데 총 4.1일(98 시간)이 소요되었다. 이때, 약 18ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다.

3.3 결과 분석

본 동결벽체 형성 시험에서는 동결벽체의 목표 동결두께를 1m로 설정하여 step 4까지 지반동결을 수행하였다. 시험 결과, 표 4에 나타낸 것처럼 2공의 동결관 사이에 1m 두께의 동결벽체를 형성시 키는데 총 98.2시간이 소요되었고, 이는 동결관 끝단(지표하 3.2m) 에서의 동결소요시간이다. 그러나 동결관 끝단을 제외한 동결관 상부 지점들(지표 하 0.7~2.7m)에서는 동결소요시간이 동결관 끝단에 비해 다소 적은 75.6~81.8시간으로 산정되었다. 이러한 결과는 동결관 1공에 대한 단일공 시험에서도 유사하게 도출되었다 (Table 3). 이는 동결관 아래 끝단의 경계조건으로 인하여 지표 하 3.2m 지점에서는 동결관 끝단 하부의 지중 온도에 대한 영향 때문에 동결관 상부 위치에 비하여 동결소요시간이 크게 소요된 것으로 판단된다. 인공동결공법의 동결 완료시점은 목표 동결범위 의 전 깊이에서 설정온도 이하가 되는 시점이므로, 인공동결공법 시공 시 동결취약 구간인 동결관 끝단에 대한 모니터링이 특히 중요하다.

인공동결공법을 적용할 때 지반의 방사방향 동결속도를 Eq.

(1)과 같이 산정할 수 있다.

  _

    _

(1)

여기서, ^  _

는 방사방향 1차원 동결속도, ^  _ 는 동결반경, t는 동결소 요시간이다. 동결관 3.2m 깊이 중 중간 위치인 지표하 1.7m 지점에 서 동결체의 반경에 따른 방사방향 1차원 동결속도를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에 나타낸 것처럼 두 가지 시험조건에서 동결반경이 증가할수록 방사방향 1차원 동결속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 단, 단일공 시험에 비하여 동결벽체 형성 시험의 방사방향 1차원 동결속도가 비교적 크게 산정되었다. 이는 동결벽체 형성 시험의 경우에 인접한 동결관이 추가로 저온의 경계조건으로 작용 하여 단일공 시험에 비하여 방사방향 1차원 동결속도가 크게 산정된 것으로 판단된다.

이는 임의의 깊이에서 동결면적이 동결반경에 비례하는 것이 아니라 동결반경의 제곱에 비례하기 때문이고, 각 단계에서의 동결 면적을 Eq. (2), (3)와 같이 나타낼 수 있다.

 _   _ ^ (2)

 _   _ ^  ×  _  ^   ^  _ ^   ^  _ (3)

여기서,   는 동결면적,  은 초기단계의 동결반경과의 비율이다.

Table 4. Summary of Freezing Time Required at Each Step (Frozen- Wall Formation Test)

Depth Step 1 Step 2 Step 3 Step 4

0.7m 16.5hours 39.1hours 53.5hours 79.1hours 1.2m 11.8hours 37.9hours 52.1hours 80hours 1.7m 10.1hours 36hours 56.6hours 81.8hours 2.2m 9.5hours 31.2hours 54.9hours 75.6hours 2.7m 9.2hours 29.4hours 57.5hours 80.8hours 3.2m 10.7hours 40.1hours 71.2hours 98.2hours

Fig. 11. Freezing Rate Evaluated at 1.7m Depth

방사방향 2차원 동결속도를 Eq. (4), (5)과 같이 나타낼 수 있다. 이 때, 동결관을 통해 주입되는 냉열 에너지가 시간에 따라 일정하고, 동결된 이후에는 열 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다 고 가정할 경우에 각 단계에서 방사방향 2차원 동결속도는 일정하다.

     

 _

(4)

 _    _

 

   _

 ^ ×     _ (5)

∴ _   ^  _ (6)

따라서, 방사방향 1차원 동결속도를 Eq. (7), (8)와 같이 나타낼 수 있고, 동결반경이 n배 만큼 증가되면 방사방향 1차원 동결속도는 n 배 만큼 감소한다.

 _

   _

 

(7)

 _

   _

 

   ^  _

 

  

  _

 

    _

(8)

Fig. 11에 나타낸 것처럼 두 가지 시험조건에서 산정식의 오차율 이 10% 이내로 평가되었다. 인공동결공법 시공 시 초기의 방사방향 1차원 동결속도를 통해 각 단계에서의 방사방향 1차원 동결속도를 산정할 수 있고, 최종적으로 동결 완료시점을 예측할 수 있을 것으로 사료된다. 단, 본 논문에서 제시한 방사방향 1차원 동결속도 산정식 은 현장실증시험을 통해 도출된 경험식이므로 대상현장의 해성 점토지반이 아닌 다른 지반조건에 적용할 경우, 추가적인 검증이 필요하다.

4. 결 론

본 논문에서는 해성 점토지반에 대한 인공동결공법 현장실증시 험을 수행함으로서 인공동결공법에 따른 해성 점토지반의 동결속 도를 평가하였다. 현장실증시험은 1m 간격으로 지중에 매설된 3.2m 길이의 동결관에 냉매온도 –196°C인 초저온 액화질소를 순환시키는 방법으로 수행되었다. 이 때, 자동밸브를 통해 액화질소 의 유출온도를 일정하게 유지시켰으며, 동결과정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다.

(1) 본 현장실증시험에서는 동결관 1공에 대한 단일공 시험과 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시키는 동결벽체 형성 시험을 수행하였다. 시험 결과, 단일공 시험은 부피가 약 2.12m ³ (반지름 약 0.5m, 높이 약 2.7m)인 원기둥 모양의 동결체를 형성하는데 총 3.5일 동안 약 11.9ton의 액화질소가 소요되었 고, 동결벽체 형성 시험은 부피 약 7.04m ³ (가로 약 2.2m, 세로 약 1.0m, 높이 약 3.2m)의 동결벽체를 형성하는데 총 4.1일 동안 약 18ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다.

(2) 시험 결과, 동결관 끝단에 비하여 동결관 상부에서 동결소요시 간이 다소 적게 산정되었다. 이는 동결관 끝단 하부의 지중 온도에 대한 영향 때문에 동결관 상부 위치에 비하여 동결소요 시간이 크게 소요된 것으로 판단된다. 인공동결공법의 동결 완료시점은 목표 동결범위가 모두 동결온도 이하로 평가되는 시점이므로 동결관 끝단의 온도가 중요한 모니터링 항목으로 판단된다.

(3) 인공동결공법의 방사방향 1차원 동결속도는 동결반경과 동결 소요시간으로 산정할 수 있다. 동결관을 중심으로 동심원 모양 으로 증가되는 임의의 깊이에서의 동결면적은 동결반경이 아닌 동결반경의 제곱에 비례하기 때문에 동결반경이 n배 만큼 증가 할수록 방사방향 1차원 동결속도는 n배 만큼 감소한다. 따라서 인공동결공법 시공 시 초기 방사방향 1차원 동결속도를 통해 동결 완료시점을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 건설교통과학기술진흥원의 건설기술연구 사업(고수압 초장대 해저터널 기술 자립을 위한 핵심요소 기술개발, 13 건설연구 T01)의 지원으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

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