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과제기본정보

토양 미생물의 바이오폴리머를 이용한 사질토층의 액상화 저항 강도 증진 원천기술 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C151917-01
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 안전 유지관리 기술 | 자연재해 저감기술 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 건설 교통 | 건설 환경설비 기술 | 친환경 토목시설물 설계 시공 관리기술 실용화대상여부 비실용화
3순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 토목시공기술 과제유형 응용
과제명 토양 미생물의 바이오폴리머를 이용한 사질토층의 액상화 저항 강도 증진 원천기술 개발
주관연구기관 한국과학기술원
총괄연구 책임자 성명 권태혁
소속 한국과학기술원 직위 부교수
기관 대표번호 042-350-2114 FAX 042-350-2210
총 연구기간 2019-04-15 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2019-04-15 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 120,000,000 0 0 0 120,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 지하수 등으로 포화된 사질토 지반에 지진과 같은 강한 하중이 작용하였을 때, 입자들이 재배열되며 지반은 수축하고 입자 사이의 간극수압의 증가하게 된다. 이에 따라 사질토 지반 층의 강도가 크게 감소하고 사질토가 액체처럼 움직이게 되는데, 이를 액상화라 한다. 액상화는 지진에 의한 대표적인 지반 공학적 현상이며, 사회적, 경제적으로 많은 피해를 야기해왔다. 대표적으로 1964년 니이가타 지진 및 알래스카 지진, 1976년 중국의 탕산 지진, 1995년 일본의 한신 대지진, 2011년 일본의 동일본 대지진, 2011년 뉴질랜드의 크라이스트처치 지진 때 관측되었고, 그에 따른 피해로는 건축물의 전도, 철로의 손상 등이 보고되었다. 중약진 대역으로 지진에 대한 피해가 상대적으로 적을 것으로 예상된 국내에서도, 2017년 포항 지진 때 처음으로 액상화 현상이 관측된 바 있다. 처음 관측된 피해 이후로 액상화에 대한 연구 및 피해 저감을 위한 노력이 지속되어 오고 있다.
○ 액상화된 사질토는 증가된 수압에 따라 땅 위로 상승하여 밖으로 분출되며, 이에 따라 생성된 지하공간으로 인해 지반 침하로 이어지기도 한다. 도심지에서의 지반 침하는 심각한 인명피해로 이어질 수 있기 때문에 액상화 피해가 예상되는 느슨한 포화 사질토층의 보강 및 액상화 저항 강도를 증진하는 것이 매우 중요하다. 액상화 보강 공법으로는 크게 물리적 가공기법, 고화/고밀도화, 간극수압 방출법, 기초 보강 등이 있다. 그 중 가장 많이 사용되는 방법은 고화/고밀도화 방법이며, 전세계적으로 50%가 넘는 프로젝트에서 사용되고 있다. 고화/고밀도화 방법의 예로는 동다짐공법, 진동다짐공법, 모래다짐말뚝공법, 및 다양한 그라우팅공법 등이 있다
○ 위에서 언급된 다짐공법들 같은 경우 적용가능 깊이의 제한, 지나친 유통비, 진동에 의한 주변건물에 피해 등의 문제점이 있으며, 그라우팅 공법의 경우 대부분 시멘트같은 화학제품을 이용하는 것이 대부분이기에 비용과 환경적인 한계점을 가지고 있다. 이러한 기존 방법들의 한계점 때문에, 액상화 재해 보강 및 액상화 저항 강도 증진을 위한 저비용/친환경적인 생물학적 보강공법에 대한 기술적/사회적 수요가 높아지고 있다.
○ 최근 지반 공학 분야에서 미생물 활동의 활용이 관심을 받게 된 이유는 자연적인 지반시스템 어디서나 흔하게 발견된다는 점과 지반 공학 분야에서의 다재다능한 적용성 때문이다. 특히 젖산균은 발효반응을 통하여 부산물중 하나인 가접착성 (Pseudo-glue)의 바이오폴리머를 생성함이 밝혀짐으로써 지반 공학 분야에서의 적용 가능성을 보였다. 이러한 바이오폴리머는 박테리아가 존재하는 모든 흙의 공극 내부에 생성되어 축적된다. 흙 내부에서의 바이오폴리머 생성 및 축적은 두 가지 물리적 현상의 원인이 된다. (1) 흙 입자 내부에 축적되며 지반매질의 공극을 감소시키고 공극의 막힘 (바이오클로깅, Bioclogging) 현상을 일으키며, (2) 흙 입자 표면이 가접착성의 바이오폴리머로 코팅되어 지반의 강도를 증진시킨다.
최종목표 ○ 현재까지 미생물에 대한 지반 공학적 연구들은 모델박테리아를 이용하여 탄산염의 침전과 지반 고결화를 중심으로 이루어졌으며, 미생물적 바이오폴리머 또한 다양한 과학 및 공학 분야에서 적용되고 있다. 그러나 지진에 의한 반복하중 시, 가접착성의 바이오폴리머와 흙 입자가 어떻게 상호작용하는지에 대한 근본적 이해는 여전히 초기단계에 있다. 뿐만 아니라, 바이오폴리머의 축적이 지진 하중 하의 흙의 거동에 어떠한 영향을 미치는지 또한 밝혀진바 없다. 따라서 본 연구진은 토양 미생물의 발효반응 기반 바이오폴리머를 이용한 사질토층의 액상화 저항 강도 증진 원천 기술 개발을 하고자 한다. 본 제안된 연구에서는 포화사질토 환경 하에서 이형젖산균(hetero-lactic acid bacteria) 및 동형젖산균(homo-lactic acid bacteria)의 발효 반응으로 생성된 바이오폴리머의 생성 특성 및 물성을 규명하고, 바이오폴리머의 생성이 느슨한 포화 사질토의 동적 거동 및 액상화 저항 강도에 미치는 효과를 규명하고자 한다. 마지막으로 대상 지반의 액상화 보강을 위한 박테리아 접종액 및 배양액의 최적 주입 가이드라인을 제시하고자 한다.

1. 포화사질토 환경 하 이형/동형젖산균(hetero-/homo-lactic acid bacteria)의 발효 반응으로 인한 바이오폴리머 생성 특성 및 생성된 바이오폴리머의 물성 규명
2. 미생물에 의해 바이오폴리머 생성 시 느슨한 포화 사질토의 동적 거동 및 액상화 저항 강도 증진효과 규명
3. 대상 지반의 액상화 보강을 위한 미생물 접종액 및 배양액의 최적 주입 전략 및 가이드라인 개발
연구내용 및 범위 (수행과제1-1) 미생물의 성장은 미생물의 종류, 배양액의 농도, 온도, pH 등 다양한 요소들의 영향을 받는다. 따라서 미생물이 만드는 바이오폴리머의 생성 속도, 생성량 또한 이에 직접적으로 영향을 받는다. 이러한 이유로 본 수행과제에서는 실제 현장의 온도, 압력, pH 조건에서 다양한 미생물을 여러 배양액에 배양하고 미생물 활동에 의한 바이오폴리머 생성 기작 및 생산 특성을 규명할 계획이다. 배양액은 인산염 완충용액을 이용하여 pH를 조절하며 실험을 수행할 것이며 염도의 경우 염화나트륨의 농도를 조절하며 바이오폴리머 생성량을 살필 계획이다. 그 외에도 온도에 의한 영향, 미생물 배양액의 영양분 함유량에 따른 바이오폴리머 생성 특성을 확인할 것이다. 또한 미생물의 생존율은 곧 미생물이 만드는 부산물의 양과 직결되므로 광학 밀도 측정을 통해 시간에 따른 미생물의 생존율을 살펴볼 예정이다. 이를 토대로 추후 실험 및 모델링에 사용할 최적의 모델 미생물과 배양액을 선별하는 것이 해당 수행과제의 최종 목표이다.
(수행과제1-2) 바이오폴리머를 이용하여 지반을 보강하는 공법의 경우 지반의 물성뿐만 아니라 생성된 바이오폴리머의 물성 또한 지반 보강 효과에 큰 영향을 미친다. 예를 들면 바이오필름의 강도가 너무 낮을 경우 외부 하중에 의해 바이오폴리머의 구조가 쉽게 붕괴될 수 있으며 외부 환경 변화에 의해 지반 보강효과의 지속성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 (수행과제1-1)에서 선정된 모델 미생물이 생성한 바이오폴리머의 지진파 전파 실험, 점성 측정 실험 등을 통하여 물리화학적 및 유변학적 물성을 연구하여 액상화 보강재로서의 효용성을 확인하고자 한다.
(수행과제2-1) 선행 연구에 따르면 사질토 지반에서 바이오폴리머 생성은 지반의 투수계수, 침식 저항성, 전단강도, 고주파 탄성파의 감쇠 계수, 점성 등 지반의 다양한 특성을 개질하는 효과가 있다. 본 연구는 젤 형태 바이오폴리머가 지진파의 감쇠 계수 증진을 통해 지진 하중 및 그로인한 지반의 동적 거동을 감쇠시킬 수 있는 바이오뎀퍼의 역할을 할 수 있다는 가설을 바탕으로 수행될 예정이다. 해당 가설을 증명하기 위해 실내 실험을 통해 바이오폴리머에 의한 사질토 지반의 물성 변화 및 액상화 저항 강도 보강효과를 확인할 계획이다. 이를 위해 바이오폴리머가 생성된 사질토에 대해 공진주 시험을 수행하여 사질토의 미소변형 강성 및 지진파의 감쇠 계수를 측정하고 반복 단순 전단 실험 (cyclic simple shear/torsional shear test)을 통해 바이오폴리머로 보강된 지반의 액상화 저항 강도 보강효과를 확인할 예정이다. 특히 본 연구에서는 공진주 시험과 반복 단순 전단 실험에 X-ray CT 이미징 기법을 결합하여 해당 시료의 평균적인 변형을 이용한 분석뿐만 아니라 지진하중에 대한 지반 내부 입자 구조 변화 및 국소 변형의 가시화를 통한 액상화 저항 성능 분석을 수행할 예정이다.
(수행과제2-2) 본 수행과제에서는 진동대-센트리퓨지 실험을 이용해 현장 응력 조건을 모사한 조건에서 바이오폴리머 보강된 사질토의 액상화 거동을 분석하는 실험과 수치해석 분석을 수행할 계획이다. 이를 위해 고압 증기 멸균을 통해 멸균된 실험장비에 모델 미생물 접종액과 배양액을 주입하여 바이오폴리머 생성한 후 변위계, 속도계, 가속도계를 이용하여 바이오폴리머 유무에 따른 사질토의 액상화 거동 변화를 측정할 예정이다. 또 시뮬레이션 프로그램을 이용한 수치해석 모델링을 수행하여 실제 현장 스케일에서의 지반의 지진거동을 예측할 계획이다.
(수행과제3-1) 바이오폴리머를 이용한 액상화 보강공법을 실제 원하는 현장에 적용하기 위해서는 미생물 접종액과 배양액의 공극 내 침투 경로 및 바이오필름 생성 분포를 예측하는 것이 중요하다. 공극 내 미생물 배양액의 침투 경로 및 바이오폴리머 생성 분포를 예측하기 위해서는 수리학적인 분석뿐만 아니라 미생물과 배양액간의 생물학적, 화학적 상호작용을 고려한 연계 모델이 필요하다. 본 수행과제에서는 유한요소 모델을 기반으로 한 H-B-C 연계 모델을 이용하여 사질토 지반 내 미생물 접종액과 배양액의 침투 경로를 예측하고 미생물과 배양액의 상호작용으로 인한 지반 내 영양소, 세포 성장, 바이오폴리머 생성 분포와 그로 인한 공극률 감소 예측 모델링 기법을 개발할 계획이다.
(수행과제3-2) 본 수행과제에서는 실제 현장에 바이오폴리머를 이용한 액상화 저항 강도 보강 공법을 적용하기 위해 미생물 접종액 및 배양액의 최적 주입 조건을 설립할 예정이다. 이을 위해 주입액의 영양분 농도, 미생물 주입량, 주입 압력 및 유량을 변수로 (수행과제3-1)에서 개발한 예측 모델링을 수행하여 경제적이고 효율적인 지반 보강 효과를 위한 취적 주입 조건을 찾을 계획이다.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 (수행과제1-1) 이형/동형젖산균의 성장 특성 및 발효 반응 시 바이오폴리머 생성 특성 규명 및 최적 모델 미생물 선정
(수행과제2-1) 지진파대역 (0.1-20 Hz)에서의 바이오폴리머 생성 사질토의 압축 및 비틂전단 강성, 감쇠 계수 및 액상화 저항강도 보강효과 규명
(수행과제3-1) 주입된 지반 내 미생물 성장 및 바이오폴리머 생성 분포 예측을 위한 Hydro-bio-chemical 연계 모델링 기법 개발 		(수행과제1-1) 이형/동형젖산균의 성장 특성 및 발효 반응 시 바이오폴리머 생성 특성 규명 및 최적 모델 미생물 선정: 미생물의 성장은 미생물의 종류, 배양액의 농도, 온도, pH 등 다양한 요소들의 영향을 받는다. 따라서 미생물이 만드는 바이오폴리머의 생성 속도, 생성량 또한 이에 직접적으로 영향을 받는다. 이러한 이유로 본 수행과제에서는 실제 현장의 온도, 압력, pH 조건에서 다양한 미생물을 여러 배양액에 배양하고 미생물 활동에 의한 바이오폴리머 생성 기작 및 생산 특성을 규명할 계획이다. 배양액은 인산염 완충용액 (Potassium phosphate buffer)을 이용하여 pH를 조절하며 (pH = 5, 7, 9)로 조절하며 실험을 수행할 것이며 염도의 경우 염화나트륨(NaCl)을 이용하여 증류수, 0.2M, 0.5M의 세 가지 농도로 조절하며 바이오폴리머 생성 시간 및 생성량을 살필 계획이다. 그 외에도 온도에 의한 영향 (10~40℃), 미생물 배양액의 영양분 함유량 (10, 25, 100%)에 따른 바이오폴리머 생성 특성을 확인할 것이다. 또한 미생물의 생존율은 곧 미생물이 만드는 부산물의 양과 직결되므로 광학 밀도 (Optical density) 측정을 통해 시간에 따른 미생물의 생존율을 살펴볼 예정이다. 이를 토대로 추후 실험 및 모델링에 사용할 최적의 모델 미생물과 배양액을 선별하는 것이 해당 수행과제의 최종 목표이다. 본 수행과제는 호주의 뉴사우스웨일스대학교(UNSW)와 함께 공동으로 수행될 예정이다.

(수행과제2-1) 지진파대역 (0.1-20 Hz)에서의 바이오폴리머 생성 사질토의 압축 및 비틂전단 강성, 감쇠 계수 및 액상화 저항강도 보강효과 규명: 선행 연구에 따르면 사질토 지반에서 바이오폴리머 생성은 지반의 투수계수, 침식 저항성, 전단강도, 고주파 탄성파의 감쇠 계수, 점성 등 지반의 다양한 특성을 개질하는 효과가 있다. 본 연구는 젤 형태 바이오폴리머가 지진파의 감쇠 계수 증진을 통해 지진 하중 및 그로인한 지반의 동적 거동을 감쇠시킬 수 있는 바이오뎀퍼의 역할을 할 수 있다는 가설을 바탕으로 수행될 예정이다. 해당 가설을 증명하기 위해 실내 실험을 통해 바이오폴리머에 의한 사질토 지반의 물성 변화 및 액상화 저항 강도 보강효과를 확인할 계획이다. 이를 위해 바이오폴리머가 생성된 사질토에 대해 공진주 시험을 수행하여 사질토의 미소변형 강성 및 지진파의 감쇠 계수를 측정하고 반복 단순 전단 실험 (cyclic simple shear/torsional shear test)을 통해 바이오폴리머로 보강된 지반의 액상화 저항 강도 보강효과를 확인할 예정이다. 특히 본 연구에서는 공진주 시험과 반복 단순 전단 실험에 X-ray CT 이미징 기법을 결합하여 해당 시료의 평균적인 변형을 이용한 분석뿐만 아니라 지진하중에 대한 지반 내부 입자 구조 변화 및 국소 변형의 가시화를 통한 액상화 저항 성능 분석을 수행할 예정이다. 본 수행과제를 통해 바이오폴리머의 지진파 감쇠 계수 증진을 통한 액상화 보강 효과, 바이오폴리머 농도에 따른 액상화 보강 효과의 규명 및 X-ray CT 이미징 기법을 통해 지진하중에 의한 바이오폴리머 생성 사질토의 동적 거동을 가시화할 수 있을 것으로 기대된다.

(수행과제3-1) 주입된 지반 내 미생물 성장 및 바이오폴리머 생성 분포 예측을 위한 Hydro-bio-chemical 연계 모델링 기법 개발: 바이오폴리머를 이용한 액상화 보강공법을 실제 원하는 현장에 적용하기 위해서는 미생물 접종액과 배양액의 공극 내 침투 경로 및 바이오필름 생성 분포를 예측하는 것이 중요하다. 공극 내 미생물 배양액의 침투 경로 및 바이오폴리머 생성 분포를 예측하기 위해서는 수리학적인 분석뿐만 아니라 미생물과 배양액간의 생물학적, 화학적 상호작용을 고려한 연계 모델이 필요하다. 본 수행과제에서는 유한요소 모델을 기반으로 한 H-B-C 연계 모델을 이용하여 사질토 지반 내 미생물 접종액과 배양액의 침투 경로를 예측하고 미생물과 배양액의 상호작용으로 인한 지반 내 영양소, 세포 성장, 바이오폴리머 생성 분포와 그로 인한 공극률 감소 예측 모델링 기법을 개발할 계획이다.
연구성과 기술적 기대성과 - 바이오폴리머를 이용한 새로운 생물학적 액상화 보강 공법 제시
- 지반 내 배양액 주입 및 미생물 반응 분포 예측 모델 개발을 통한 지반 내 미생물 활동 매커니즘 규명
- 생물학적 지반보강 공법의 효율 증진
- 지반 내 유체 주입 공법의 효율 및 주입 효과 증진
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적 측면
- 토양 미생물을 활용한 환경 친화적인 공법 개발로 인한 사회적 비용의 절감
- 기존 생물학적 공법에 비해 시공비용의 절감
- 액상화 재해에 의한 인적 / 재산의 피해 최소화
- 배양액 주입 경로 및 생물학적ㆍ화학적 반응 분포 예측 모델을 통해 지반 내 유체 주입 및 생물학적 지반 보강 시 효율 증진
- 토양 미생물학, 생태학 등 다양한 분야와 융합연구를 위한 토대를 제공

○ 사회적 측면
- 경제적이고 친환경적인 공법 개발로 환경적/사회적 비용 절감
- 지반공학 분야의 문제 해결을 위한 차세대 바이오기술의 개발
- 수변 포화지반 안정화를 통해 사회 인프라 시설의 안전성 증진
활용방안 ○ 본 연구를 통해 바이오폴리머의 지진 감쇠 효과 규명을 통하여 실제 액상화 취약지반 보강에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
○ 지반 물성 개량을 통한 지반보강이 아닌 진동 완충재 생성을 통한 지반 보강 공법 개발로 생물학적 지반 보강 공법의 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상됨.
○ 미생물과 흙 입자간의 공극 규모에서의 상호작용에 대한 근본적인 원인을 발견함과 동시에 지반의 거시적인 물성 개량을 위한 혁신적인 기술 개발의 토대를 마련할게 될 것. 또한, 토양 내부의 토착 미생물과의 상호작용에 대한 이해도 같이 수립하게 될 것.
○ X-ray CT 이미징 결합 실내실험 장비 구축을 통해 지반공학 실험의 가시화 및 정확도 증진 효과가 기대됨.
○ X-ray CT 이미징을 통한 입자스케일에서의 바이오폴리머와 흙 입자의 상호작용 이해 증진 효과가 기대됨.
○ 센트리퓨지 실험 및 유한요소 수치해석 모델 개발을 통해 지반공학 실험의 현장 적용 시 보다 정확하고 효율적인 적용을 가능하게 할 것으로 기대됨.
○ 공극 내 유체 침투 예측 모델링을 통해 지반 내 유체 흐름 해석 기법 발전에 도움이 될 것으로 예상됨.
○ 공극 내 미생물 배양액 주입 및 미생물의 활동에 대한 모델링을 통해 다공성 매질에서의 미생물 성장 및 활동, 부산물 생성에 대한 이해 및 생물학적 지반 보강 공법에 대한 이해가 크게 향상될 것으로 기대됨.
○ 지반 내 유체 주입 및 미생물 활동 예측 모델을 통해 지반 보강 공법의 효율성을 높일 수 있음.
○ 친환경적이고 경제적인 지반보강 공법의 개발을 통해 사회적 비용이 절감될 것으로 기대됨.
○ 바이오폴리머를 이용한 생물학적 액상화 보강 공법 개발 관련 특허 등록 예정.
○ 후속연구를 통해 개발된 기술의 적용 사례를 늘려갈 예정이며 지반 보강효과의 지속성 향상을 위한 연구를 수행할 계획.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 바이오폴리머 액상화 감쇠 계수 액상화 저항강도 H-B-C연계모델
영문 BIopolymer Liquefaction Damping coefficient Liquefaction resistance H-B-C coupled model
최종보고서
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