| 연구개발개요 |
지표 가까이 있는 흙 1kg 속에는 약 109~1012개의 유기체가 서식하고 있다 (Mitchell and Santamarina, 2005). 이러한 지반 내에 존재하는 미생물들을 이용하여 탄산칼슘 (CaCO3, 방해석)을 흙 입자 사이에 침전시킴으로서 지반의 수리 물리학적 (hydro-mechanical) 성질을 개량하는 방법이 Microbial-Induced Calcite Precipitation (MICP)이다. 미생물들의 작용으로 미네랄 침전을 일으키는 여러 가지의 mechanism들이 밝혀져 있다: (1) 요소의 가수분해 (hydrolysis of urea), (2) surface-reducing bacteria에 의한 유기물의 산화 (oxidation of organic compounds), (3) denitrifying bacteria에 의한 유기물의 산화 (denitrification, 탈질작용). 또한, 미생물을 이용하는 대신에, 미생물이 분비하는 효소(enzyme, e.g., urease)를 직접 지반 내에 칼슘(Ca+)이온과 요소(urea, CO(NH2)2)와 함께, 동시에 주입하여 요소의 가수분해를 촉진시키는 방법(Enzyme-Induced Calcite Precipitation, EICP)도 개발되어 있다.최근 경주(2017년 9월 12일)와 포항(2018년 11월 15일)에서 발생된 두 지진은 더 이상 우리나라가 지진의 안전지대가 아니라는 것을 각인시키는 계기가 되었다. 최근 발생한 포항 지진으로 인해 많은 건물들이 피해를 입었고, 이로 인한 많은 이주민이 양산되어 주택 피해 보상등의 심각한 사회문제를 야기하고 있다. 또한, 사회기반시설(동해안에 위치한 원자력 발전소, 댐/제방, 도로/철도 노반)의 지진 하중에 대한 저항력을 점검/보완할 필요가 있다는 점을 보여주고 있다. 2011년 2월 22일, Christchurch, New Zealand에서 발생된 진도 6.3의 지진은 액상화 현상을 야기시켰고, 이로 인하여 15,000채의 집이 큰 피해를 보았다 (Rogers et al., 2015).
|
| 최종목표 |
본 연구는 흙 속의 토착 미생물을 이용하여 지반의 역학적 성능을 개량하는 기술 개발을 최종 목표로 한다. 미생물의 탈질작용을 통해, 지반의 포화도 감소와 미네랄 침전으로 인해 외부의 하중에 대한 저항력 증가를 실험을 통해 정량화하고자 한다.효과적인 탈질작용을 위한 최적의 배합비를 파악하고, 포화도 저감 정도 및 기체 분포를 파악한다. 또한, 미네랄 침전으로 인한 정적하중에 대한 전단강도 증가를 측정한다. 최종적으로는, shake table을 이용하여 액상화 현상에 대한 저항력(과잉간극수압 발달정도)을 측정한다.
|
| 연구내용 및 범위 |
본 연구제안서에서는 탈질작용(denitrification)을 통하여 MICP를 유도하고자 한다. 탈질작용을 일으키는 미생물은 혐기성(anaerobic)으로써, 산소공급이 없어도 활동이 가능하다. 이는 지하수위 이하 포화된 지반도 개량이 가능함을 위미한다. 또한, 탈질작용 과정에서 생성되는 부산물은 질소와 산소 기체로서 이는 암모늄과 달리 무해한 물질이며, 또한 이러한 기체 생성을 통해 지반의 포화도가 저감됨으로 인해서 지진에 의한 액상화 현상에 대한 저항력이 향상될 수 있다. 또한, 최종적으로는 MICP를 통한 지반 고결화로 지반의 역학적 성능을 개선할 수 있다. 지진하중에 대한 저항력을 높이기 위하여 본 연구제안서에서는 탈질작용을 통한 지반개량 공법개발을 연구 목표로 세우고, 탈질작용의 two-step process (포화도 저감과 MICP)를 통해, 개량된 시료의 동적 하중에 대한 역학적 거동을 평가하고자 한다. 본 연구제안서의 연구결과가 성공한다면, 기존에 시공된 모든 시설물 (시설물 기초, 사면, 도로/철도 노반, 댐/제방, 폐광산 침하, 도로함몰 방지를 위한 상하수도관 주변)등에 적용함으로써, 정적하중뿐만 아니라 지진에 의한 동적하중에 대한 저항력도 향상 시킬 수 있다.세부적으로는, 지반 내에 존재하는 박테리아를 이용하여 흙 입자사이에 미네랄을 침전시키고 동시에 박테리아의 활동으로 인하여 지반의 포화도 저감을 유도한다. 이 과정에서 가스방울의 생성량과 분포형태를 파악하고, 발생된 가스방울의 지반내 안정성을 검토하여 포화도 저감을 연속적으로 유지시키는 방안을 개발할 예정이다. 이를 위하여, 실험을 통하여 주입용액의 최적의 배합비를 결정한다. 또한 박테리아 활동으로 인해 개량된 흙 시료의 정적, 동적 하중에 대한 저항성을 평가하기 위하여 삼축압축실험과 cyclic simple shear 실험을 진행할 예정이다. 침전된 탄산칼슘의 양과 침전형태, 그리고 발생된 가스방울의 분포와 양에 따라 개량된 시료의 외부하중에 대한 저항능력을 확인하고, 최적의 개량방법을 도출할 예정이다. 마지막으로, 개량된 흙 시료를 진동대 실험을 통하여 액상화 현상에 대한 저항능력을 평가한다. 따라서, 탈질작용으로 인한 지반개량이 액상화 저항성에 미치는 영향을 파악할 예정이다. 또한 기존 개량 공법 대비 개발된 기술의 성능 및 경제성 비교 검토도 이루어질 예정이다. 이러한 실험실내의 실험결과는 추후에 현장적용성과 방법을 결정하는데 보탬이 될 것이다.
|
이 누리집은 대한민국 공식 전자정부 누리집입니다.
