홋카이도 시라오이항 및 이시카리만 신항에서 실시한 “투수성 컬럼 공법”에 관하여 파랑에 대한 해저지반의 응답 관측결과로부터 지반 중의 깊이 방향의 간극 수압진폭의 차를 미처리 지반과 투수성 컬럼 처리 지반을 비교한 결과, 투수성 컬럼에 의한 해저면의 수압변동이 해저지반 내에 흘러 들어가 해저면과의 수압변동의 차, 즉 감쇠가 적게 억제할 수 있다는 것이 실증할 수 있었다.  

(3) 응답관측에 기초한 해저지반의 파랑응답 파라미터의 추정법

해저면 및 다른 세 개 이상의 깊이에서 동시에 간극 수압변동을 계측함으로써 해저지반의 응답관측데이터를 이용하여 산정하였다. 그 결과, 투수성 컬럼 처리 지반에서는 처리하지 않은 경우와 비교하여 hv값이 1/2~1/3정도가 되고, 컬럼에 의해 해저지반의 투수성이 2~3배로 개선된다는 것을 확인하였다.

(4) 응답관측결과에 기초한 수식해의 검증

응답관측에서는 투수성 컬럼의 상부에 모래가 퇴적되어 있을 가능성을 고려하고, 투수성 컬럼이 매몰된 경우의 해저지반의 대파랑 응답의 수식해를 작성하고, 해저지반의 응답관측의 결과를 기초로 검증하였다. 수식해를 이용하여 재현한 지반중의 간극수압은 대체로 관측치와 동등한 결과를 나타내고, 수식해에 대해서도 타당성을 나타낼 수 있다. 이상을 통하여 투수성 컬럼에 의한 해저지반의 안정화의 기본원리를 검증할 수 있다.

4. 해저지반 조사법 및 안정화 공법의 설계법 개발

(1) 투수성 컬럼 공법의 설계법 검토

투수성 컬럼의 해저지반 안정화 효과를 시뮬레이션에 의지하지 않고, 보다 객관적이며 정량적으로 평가하기 위한 축대칭 조건의 수식해를 유도하였다. 이것은 축대칭 조건에서 전개한 지배방정식을 적절한 가정 하에서 Bessel 함수를 도입하여 유도하였다. 이것으로 투수성 컬럼의 직경과 설치간격을 파라미터로서 그 효과의 평가가 가능하다는 것을 알게 되었다. 또한, 설계용 차트를 제시할 수 있다.

병행하여 파랑의 비선형 해석과 해저지반의 응답해석을 연성시킨 프로그램 개발을 수행하였다. 그리고 투수성 컬럼의 시뮬레이션 결과를 이용함으로써 마운드 기초의 안정성 향상을 평가하고, 아울러 원호 미끄럼 해석에서 얻을 수 있는 안전율의 실무설계로의 반영을 검토하였다.

(2) 파랑에 의한 유속과 수압변동의 상승효과 검토

해저지반의 변형과 연안구조물의 침하와 경사의 피해로 파랑에 따른 수압변동에 기인하는 해저지반 내의 상향 침투류의 발생과 해저면의 유속에 기인하는 세굴현상(洗掘現象)의 상승효과에 대하여 검토하였다. 선형 파랑조건에서 양자의 상승효과는 현저하며, 또한 CADMAS-SURF에 의한 비선형 파랑해석을 기초로 수행한 검토에서도 유속이 증대하는 순간에 해저지반이 불안정화되는 경향을 확인하였다. 즉, 지반 내에 상향 침투류가 발생하고 유효응력이 저하되고 있는 타이밍에 유체에 의한 전단력이 작용하면 흙입자가 운송되기 쉽기 때문에 “투수성 컬럼 공법”에 의한 상향 침투류의 발생을 억제하면 유속에 의한 세굴의 영향을 억제 가능하다는 것을 나타냈다.

5. 안정화 공법의 시공법 개발

투수성 컬럼에 의한 해저지반의 안정화 공법을 실용화하기 위하여 투수성 컬럼재를 해저지반 중에 구입, 설치하는 시공방법을 검토하고, 시공장치를 개발하였다. 투수성 컬럼을 해저지반 중에 매입하는 방법으로서 워터젯을 채용하고, 공법의 기본적 원리와 필요한 조건을 검토, 그것에 기초하여 시험 시공장치의 기본기구를 시작하고, 그 성능을 검토하였다. 시험 시공장치는 투수성 컬럼의 외측에 2개의 워터젯용 개관을 장착하는 것으로 극력 간이 구조가 목표이다.

이 시험 시공장치를 이용하여 세 지점에서 시험시공하고 시공방법의 검토 및 시공장치의 검토와 개량을 수행하였다. 이 결과, 유량 100L/min, 토출유속 8m/s, 노즐직경 12mm 정도를 확보함으로써 N값 10정도의 지반 중에 장치무게만으로 단시간에 투수성 컬럼을 관입할 수 이다는 것을 확인하였다. 또한, 표준적 작업시간, 시공능률을 얻었다. 이들 결과를 기초로 사용기재, 시공능력, 시공비용에 대하여 정리하고, 실용화를 향한 요건을 정리하였다.

(그림) 제트에 의한 굴삭공

6. 투수성 컬럼 개발

(1) 투수성 컬럼재의 재질 검토

투수성 컬럼으로서 폴리프로필렌을 심재(芯材) 주위를 폴리에틸렌으로 피복시킨 섬유를 중공의 원추형상(직경: 65mm)으로 형성시킨 제품을 채용하였다. 그 역학강도에 관해서 실내시험을 실시한 결과, 실시공에서 상정된 외력에 대해 충분히 여유가 있는 강도 및 변형성능을 가진 것을 확인하였다. 또한, 제품의 안정성 및 내구성능을 확인하기 위해 신품과 응답 관측 후에 해저지반에서 회수한 투수성 컬럼에 관하여 투수계수 및 공극율을 시험하였다. 또한, 장기적인 투수성능을 평가하기 위해 투수성 컬럼을 강제적으로 막히게 하여 촉진시험을 실시하여 투수성의 변화를 관찰하였다. 이 결과, 막힘에 의해 공극율은 67.6%에서 53.8%로 감소하였지만, 투수성능은 초기의 60% 정도가 확보되어 그 변화는 시간 경과와 함께 수속(？束)된다는 것을 알았다.

(2) 투수성 컬럼의 실무적인 설계방법 검토

컬럼재의 투수성을 고려할 수 있는 형태로 수식해를 유도하고 컬럼재의 직경, 배치간격을 파라미터로 하여 투수성과 불안정화 정도의 관계에 대하여 정리하였다. 해저지반 안정화를 위해 요구되는 투수성 컬럼재의 투수성능 또는 사용예정인 컬럼재의 투수계수에 의해 최적 직경, 배치간격을 구할 수 있게 되었다.

(그림) 투수성 컬럼재

7. 결론

본 연구는 투수성 컬럼을 사용하여 해저지반의 파랑에 의한 액상화를 억제하는 공법에 관하여 실제 해저지반에의 시험시공과 지반의 응답관측 및 해석적 연구를 통하여 그 원리와 효과를 검증하고, 설계방법 및 시공방법의 실용화 방법을 얻는 것을 목표로 하여 실시하였다.

(1) 공법의 원리와 효과 검증

파랑에 대한 지반의 응답관측에 의해 투수성 컬럼을 배치한 지반에서 등가적으로 지반의 투수계수가 증대하고, 과잉 간극수압에 의한 지반의 불안정화를 제어할 수 있는 것을 검증하였다. 그 경우, 해저 지반중의 간극수압 관측에 의해 지반의 응답 파라미터를 산정하는 방법을 개발하고, 응답관측에 의해 그 파라미터를 산출하여 정량적인 안정화 효과의 평가를 수행하였다. 또한, 응답 관측결과에 의해 컬럼을 산출하여 정량적인 안정화 효과의 평가를 수행하였다. 또한, 응답 관측 결과에 의해 컬럼 설치 지반의 파랑응답에 관한 해석해의 타당성을 검증하고 공법의 효과를 확인하였다. 수압변동에 의한 해저지반의 불안정화와 유속에 의한 세굴현상의 상호작용에 관해, 이론적으로 연구를 추진하고 본 공법의 유용성을 검증하는 결과를 얻었다.

(2) 설계법의 개발

투수성 컬럼 설치 지반에 관하여 축대칭 조건에서 수식해를 유도하고, 투수성 컬럼의 직경 및 설치간격을 파라미터로서 그 효과를 평가하였으며, 설계하기 위한 차트를 제시하였다. 또한, 투서계수를 고려한 해석해를 유도하고, 컬럼의 재질, 직경, 투수성 및 배치간격과 파랑에 의한 지반의 불안정화 깊이의 관례를 도표화하였다. 그리고, 마운드 기초의 안정성 향상을 평가하고 미끄러짐 해석에서 얻어진 안전율의 실무설계에의 반영을 검토하였다.

(3) 시공방법의 개발

투수성 컬럼을 해저지반중에 관입하는 시험시공장치를 제작하고, 시험시공을 통해 개량하였다. 이 결과를 기초로 수심이 10m 보다 얕은 조건을 상정하고, 실제 시공장치의 설계를 수행하여 구체적인 시공방법, 사용기재, 시공능력, 시공비용에 관하여 정리함으로써 실용화를 향한 요건을 얻었다.

(4) 투수성 컬럼의 개발

투수성 컬럼재로서 폴리프로필렌을 심재로 하여 주위를 폴리스틸렌으로 피복한 섬유를 중공의 원추형태(직경: 65mm)로 형성시킨 제품을 채용하여 그 재질, 강도, 내구성, 장기 안정성을 확인하였다.

▣ 원문제목 : 透水性コラムを用いた港？施設の波浪に？する安定化工法の開？

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 연구개발 목적과 실시체제

2. 연구개발 성과

- 해저지반응답 관측 및 시험시공에 의한 안정화 공법 검증

- 해저지반조사법 및 안정화공법의 설계법 개발

- 안정화공법의 시공법 개발

- 침수성 컬럼개발