Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 3 pp. 1778-1785, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.3.1778 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김우태 1, 장인성 1*, 고진환 1, 신창주 1, 권오순 1, 이승현 2 1 한국해양과학기술원연안개발에너지연구부, 2 선문대학교토목공학과 Analysis on the efficiency of underwater SPT module and stability for seabed type geotechnical investigation equipment Woo-Tae Kim 1, In-Sung Jang 1*, Jin-Hwan Ko 1, Chang-Joo Shin 1, O-Soon Kwon 1 and Seung-Hyun Lee 2 1 Coastal Engineering and Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science and Technology 2 Dept, of Civil engineering, Sunmoon University 요약최근초장대교량, 인공섬또는해상풍력기초등에대한관심이높아지고있으며, 다양한해양구조물을안전하게건설하기위해서는신뢰성이높은지반조사가필수적이다. 현재해상의지반조사작업은해상용작업선에육상용지반조사장비를설치하여실시하고있다. 이럴경우, 30m이상의대수심조건이나고파랑, 높은조류등열악한해양환경에제약을많이받는한계점을나타내고있다. 대수심조건에서안전하고신뢰성이높은지반조사를위하여착저형무인해저지반조사장비를개발하였다. 개발된해저지반조사장비는수심 100m 조건에서심도 50m까지지반조사가가능하며, 표준관입시험 (Standard Penetration Test, SPT), 지반보링시스템, 암반코어링시스템이가능하도록설계및제작되었다. 수중에서 4노트 (2m/s) 의조류에대한해저지반조사장비의거동을수치해석을통해검토하였다. 또한해저지반조사장비에장착되어있는표준관입시험장치의에너지효율을실험으로부터측정한결과 78% 를확인하였다. Abstract In order to construct offshore structures safely, geotechnical investigation should be carried out with high accuracy. Up to now, onshore geotechnical investigation equipments installed on the barge are used for offshore geotechnical investigation. In this case, many limitations can be confronted such as deep water depth, high wave, strong current, severe wind and so on. For the safe and economic offshore geotechnical investigation with high precision, a seabed type unmanned automated site investigation equipment is developed. It can be operated remotely underwater conditions with 100m water depth and can explore the ground depth of 50m. Also, the standard penetration test (SPT), soil boring, soil sampling and rock coring can be possible using the equipment. Numerical analysis was conducted to secure the stability of the equipment against current of 4 knot. Energy efficiency of SPT apparatus which is attached to the equipment shows 78% in average. Key Words : Offshore structures, Geotechnical investigations, Seabed type, SPT (Standard Penetration Test), Soil boring, Soil sampling, Rock coring 1. 서론 최근국내외적으로초장대교량, 인공섬, 해상풍력기 초, 또는해양에너지발전구조물등해양구조물의수요및관심이증가되고있다. 이처럼다양하게시도되고있는해양구조물을안전하게건설하기위해서는보다정 본논문은국토교통부초장대교량사업단의연구비지원 (PM57390) 에의해수행되었음. * Corresponding Author : In-Sung Jang(Korea Institute of Ocean Science and Technology) Tel: +82-31-400-7810 email: isjang@kiost.ac Received July 11, 2013 Revised February 7, 2014 Accepted March 6, 2014 1778
확하고신뢰성이높은지반조사가필수적이다. 현재국내해상에서이루어지는지반조사는대부분해상작업장을이용하기때문에육상지반조사에비해많은한계점을가지고있다. 비, 바람, 파랑또는조류등의기상조건에크게영향을받으며수심이깊어지면해상작업장의용량의한계로인해조사가어려울수있기때문이다. 현재해상에서실시되고있는지반조사는해상지반조사전문인력과해상지반조사용전용장비의부재로인해어려움을겪고있는것이현실이다. 20m 미만의낮은수심에서실시되는지반조사는대부분해상작업선 (SEP 바지선 ) 을이용하여육상의지반조사장비를그대로사용하고있다 [1, 2]. 30m 이상의깊은수심에서는해상작업선설치가힘들뿐만아니라조사비용또한증가되고특히작업자의안전확보에도어려움이있다. 따라서대수심조건에서안전성과신뢰성이높은지반조사를수행할수있는해저지반조사장비의개발이필요하다. 현재초장대교량사업의일환으로수심 100m 조건에서심도 50m까지보링, 표준관입시험 (Standard Penetration Test, SPT) 과암반코어링이가능한수중무인지반조사장비에대한개발연구가진행중이다 [3,4]. 본논문에서는해저지반조사장비의국내외기술개발동향과더불어현재개발진행중인무인해저착저형지반조사장비에대해서소개하였다. 해저지반조사장비의각세부모듈에대한성능평가를실시하였고해저면착저후지반조사장비의조류의발생시해저지반조사장비의안정성을확인하기위하여수치해석을실시하였다. Drill) 이다. PROD는해양지반조사전용장비로서선박에서전력공급과지반조사작동을원격으로조작이가능하다. PROD의큰특징은 20인치컨테이너에탑재가가능하여이송이간편하며수심 2,000m에서심도 50m까지보링및샘플링을비롯하여다양한원위치시험이가능하다. Fig. 6은미국의 Williamson & Associates, Inc. 에서개발한 DWACS로수심 4,000m에서심도 150m까지지반조사가가능하다 [7]. [Fig. 1] SEP barge [Fig. 2] Seabed type offshore CPTu 2. 국내외기술동향 [Fig. 3] ROSON [Fig. 4] MEBO 국내현장에서일반적으로수행되고있는해양지반조사는 Fig. 1과같은해상작업선 (SEP 바지선 ) 에서육상의지반조사장비를사용하고있다. 이방법은비교적낮은수심인 20 30m 정도에서가장보편적으로사용되나날씨, 조류, 파랑등의제약을많이받는조사방법이다. Fig. 2는해양콘관입시험기이다. 해양콘관입시험기는착저식으로서해저면에안착하여지반조사를수행하는장비이며수심 50m까지지반조사가가능한장비이다 [5]. Fig. 3은네덜란드의 A.P. vandenberg사에서운영되고있는 ROSON으로서수심이나조류의영향을최대한줄이고시험을수행할수있는장점을가지고있다. Fig. 4 는독일에서개발된 MEBO로서수심 2,000m에서시료채취를목적으로하며심도 50m까지의샘플링및지반조사가가능하다 [6]. Fig. 5는호주의 Benthic Geotech Pty LTD에서개발한 PROD(Portable Remotely Operated [Fig. 5] PROD [Fig. 6] DWACS 3. 해저지반조사장비의개발 앞장에서기술한바와같이해상구조물의건설을수행하기위해서는신뢰성이높은해저의지반조사자료가필요하고또한해저지반조사전용장비의필요성이대두되고있다. 본논문에서는수심 100m 조건에서심도 50m 1779
한국산학기술학회논문지 제15권 제3호, 2014 까지 지반보링, 표준관입시험 및 암반 코어링이 가능하도 3.1 기구부 록 개발중인 착저형 무인 해저지반조사 장비를 소개 하 Fig. 8의 ①번은 해저지반조사 장비의 관입부이다. 관 고자 한다. Fig. 7은 해저지반조사 장비의 개념도이다. 해 입부는 개발 중인 장비의 핵심모듈 중의 하나이며 크게 상의 모선에서 크레인을 이용하여 해저지반조사 장비를 지반보링 시스템, SPT 장치, 암반코어링 시스템 등으로 지반조사 위치에 착저시킨다. 모선은 착저된 장비에 전기 구성된다. 먼저 지반보링시스템은 지반을 굴착하는 기능 를 공급하여 유압 장비를 작동시키고 동영상 및 각종 데 이 있다. 다음은 수중 SPT 타격 시스템이다. 이는 수밀케 이터를 송수신하며 해저지반조사를 수행한다. 이스를 제작하여 육상과 유사한 에너지를 전달하는 수중 Fig. 8은 해저지반조사 장비의 모식도이며 다음과 같 SPT타격 시스템을 개발하였다[3,4]. 마지막으로 암반 코 이 구성되어 있다. ①관입부, ②로드 이동 모듈, ③로드 어링 시스템이다. 암반을 지반조사하기 위해 암반 코어링 보관 모듈, ④착저모듈, ⑤유압부, ⑥전기부로 구성되어 샘플러를 이용하여 암반을 샘플링하게 된다. 이러한 토사 있으며 각 모듈 및 작업방법을 정리하면 다음과 같다. 층으로부터 암반층까지 다양한 상황의 해저지반에 대해 서 개발 중인 해저지반조사 장비를 이용하여 지반조사가 가능하다. Fig. 8의 ②번은 로드 이동 모듈이다. 로드 이동 모듈 에 장착되어 있는 2개의 gripper를 이용하여 로드 보관 모듈에서 로드를 관입부에 공급하거나 굴착 후 로드나 샘플러를 회수하여 로드 보관 모듈에 보관할 때 사용된다. Fig. 8의 ③번은 로드 보관 모듈이다. 해저에서 무인으 로 모든 작업이 이루어지고 착저시 모든 작업을 마쳐야 하는 제약이 있기 때문에 종류가 서로 다른 다수의 로드 와 샘플러를 보관하는 기능을 가지고 있다. 50m의 심도 를 굴착 및 샘플링을 하기 위하여 필요한 NX케이싱 [Fig. 7] Conceptual diagram of offshore geotechnical investigation equipment (89mm), BX케이싱(73mm), AW로드(43mm), SPT 샘플 러, 암반 코어링 샘플러를 보관하기 위하여 총 96개가 장 착이 가능한 구조로 제작되었다. [Fig. 8] Schematics of offshore geotechnical investigation equipment 1780
착저모듈은 Fig. 8의 4번이다. 해저지반에각종장애물이나지반의조건이열악한상황에도지반조사를수행하기위하여착저모듈에장착된 3개의레그실린더를이용하여수평센서로수평을유지하며굴착및지반조사수행이가능하도록제작되었다. 3.2 제어부 Fig. 8의 5번은유압부이다. 100마력용량의유압모터를이용하여지반굴착및암반코어링등의작업을수행하고또한, 수심 100m의수압에도원활한작업을위한방수시스템을갖추었다. Fig. 8의 6번의전기부는각종유압시스템과운영시스템을전기신호로제어한다. 로드이동모듈의동작이나로드의이동등의동작을비디오영상과근접센서를장착하여운영자가원활한제어를할수있도록제작되었다. 3.3 운영메커니즘 Fig. 9는해저지반조사장비의운영메커니즘을순서도로표시하였다. 해저지반조사장비의동작은크게보링시스템, SPT 타격시스템, 암반코어링시스템의세가지기능으로구분할수있으며다음과같이설명할수있다. 해저지반조사장비를작업할위치에착저시킨다. 로드이동모듈을이용하여로드보관모듈에서케이싱 ( 하부에비트가장착된케이싱 ) 을관입부로공급하여보링작업을한다. 보링작업도중암반을만나게되면수행중이던작업을중지하고암반코어링시스템으로전환하게된다. 보링작업이완료되면 SPT 타격시스템이작동한다. 로드이동모듈을이용하여관입부로 SPT 샘플러를공급한다. 관입부는 SPT 타격시스템으로전환되고 SPT 샘플러와시스템하부가결합된다. 수중표준관입시험기의타격에의해 SPT 샘플러가 30cm 관입되면종료가된다. 그러나타격횟수가 50회를넘어도 2cm 이하로관입될경우 [Fig. 9] Operation flow chart 1781
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 타격을종료하고암반코어링시스템으로전환한다 [8]. SPT 샘플러는로드보관모듈의샘플러보관부로이동및보관하게된다. 지반에서암반이나타나게되면암반코어링시스템으로전환하여작업을진행하게된다. 로드보관모듈에서암반코어러를관입부로공급한다. 관입부의스핀들의회전으로일정심도까지시추를하게되고종료시암반코어러를로드이동모듈을이용하여관입부에서로드보관모듈의샘플러보관부로보관하게된다. 또한, 전복가능성을확인하기위하여해저지반조사장비의바닥중앙부 ( 무게중심 ) 의반력과모멘트반력을계산하여 Fig. 11에도시하였다. 전복을판단하는 rolling 모멘트는 z축방향의모멘트로조류방향의반대쪽바깥쪽가장자리에서발생되며 rolling 모멘트는다음의식 (1) 과같이계산된다. (1) 여기서, : rolling 모멘트 : z 축방향으로의모멘트 4. 성능분석및실험 4.1 해저지반조사장비의조류분석 해저지반조사장비는해저면에착저하여작업이진행된다. 따라서파랑, 조류등해양환경에의한해저지반조사장비의안정성 (safety) 해석이필요하다. 본연구에서는해저지반조사장비의착저후조류에대해유체와구조물의상대거동분석에주로활용되고있는 Computational Fluid Dynamics (CFD) 해석을수행하였다. CFD는유체현상을수학적으로모델링한나비에-스토크스방정식 (Navier-Stokes Equation) 을유한차분법, 유한요소법, 유한체적법등의방법들로이산화하여수치적으로유체유동문제를풀고해석하는방법이다. Fig. 10은조류에의한해저지반조사장비의변위거동을나타내고있다. 조류조건 4노트 (2m/s) 로서비교적빠른조류속도조건을적용하여해저지반조사장비에대하여가장취약한옆면에조류가발생한다고가정하였다. 외부조류측에대해해저지반조사장비부재의최대변위는상부에약 0.47mm로나타났다. 따라서조류입력에대한해저지반조사장비의변위는무시할수있을것으로판단된다. : 장비의너비 : y축방향으로의힘 Eq. (1) 을이용하여 Fig. 11의 z축방향의모멘트와장비의너비 4.1m와 y축방향으로의힘을적용하면다음과같은 rolling 모멘트를구할수있다. rolling 모멘트는 M rolling = 37,030 - (4.1)/2 (-11,332) = 60,260.6Nm = 5.97tonf m이다. 해저지반조사장비의수중무게는 20tonf로예측되며이때저항모멘트가 30.75tonf m이므로앞서구한 rolling 모멘트에비하여저항모멘트가약 5배이상크기때문에전복의가능성은낮은것으로예측된다. 따라서해저지반조사장비는안정성이높은것으로판단된다. [Fig. 11] Case of without rod in equipment overturn analysis 4.2 SPT 타격시스템의에너지효율 [Fig. 10] Case of without rod in equipment tidal current analysis 표준관입시험 (SPT Standard Penetration test) 이란, 중량 63.5kg의해머를 76cm 높이에서자유낙하시켜표준관입시험용샘플러 (Split barrel sampler) 를보링된시추 1782
공내에서 30cm 관입시키는데필요한해머의타격횟수 (N값) 를측정하는시험법이다. N값을이용하여원위치지반을분류하거나연경도를평가하고지반의강도, 상대밀도, 내부마찰각등지반정수를추정할수있다. 표준관입시험에있어해머의에너지효율은 N값에많은영향을끼치는인자중의하나이다. 따라서새롭게개발된 SPT 타격시스템의타격에너지에대한정량적인평가와보완이필요하다. 검증실험은이천지역의풍화대를대상으로하였고측정장치는 Pile Dynamics Inc.(PDI) 사의 Pile Driving Analyzer(PDA) 장비를이용하여측정하였다. Fig. 12의 (a) 는 PDI 로드이고 (b) 는 PDA 장비이다. 단말기인 PDA 장비와 PDI 로드에장착되어있는변형률계 2개, 가속도계 2개와연결선으로구성되어있다. 변형률계로부터로드에고정된두지점사이의변형률을측정하고로드의단면적과로드의재료재질의계수를이용하여힘을계산한다. 그리고가속도계로부터고정된두지점사이의가속도를측정하고이를입자속도로변환시켜액정화면에표시한다. (a) Signal of SPT hammer force (b) Signal of SPT hammer acceleration (a) [Fig. 12] PDI measuring device (b) (c) SPT hammer Energy ratio with time [Fig. 13] Measured signal and energy ratio of SPT hammer(-4m) Eq. 2는 63.5kg의해머가 76cm의낙하거리에서이론적인에너지값이다. 따라서해머의이론적에너지값은 En= 63.5kg 76cm=4,826kg cm이다. (c) 의 34msec 부분에나타나는에너지값 76.1% 가구하고자하는 SPT 타격에너지비최대값이다. Fig. 13은 PDI 장비를이용하여 SPT 타격시로드를통하여샘플러에전달되는탄성파신호를측정한결과이다. Fig. 13의 (a) 와 (b) 는보링공의위치에서타격시감지된시간에따른응력파의힘의크기와가속도의크기를나타내었다. 그림 (a) 로부터약 34msec에서인장파가도달된시간을결정할수있다. (c) 는 (a) 로부터각시간까지의힘에관한적분값을해머의이론적에너지값으로나눈값, 즉, SPT 타격에너지비 (%) 를나타내었다. 해머의이론적에너지식은다음과같다. E n= W h (2) 여기서, E n : 해머의에너지 W : 해머의중량 h : 해머의낙하고 [Fig. 14] SPT hammer energy efficiency Fig. 14는 PDA 장비를이용하여얻은 SPT 에너지효율테스트결과이다. SPT 효율시험은네지역에서각각 10 20차례의시험을하였다. 조사지역의특성상 ( 절토지 1783
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 역 ) 풍화암층이출현하여 5m 이내의심도에서 SPT 관입이 2cm 이상이루어지지않는결과를보였다. 그러나타격시험결과타격에너지효율이평균약 78% 를나타내었으며이론적인에너지효율과비교하여국제표준값으로인정되는 60% 효율을상회하는결과값이다. Fig. 15는한국도로공사에서개발한육상용자동 SPT 장비 (Auto SPT) 의에너지효율테스트결과이다 [9]. Auto SPT는해머의인양및낙하와전체시험수행을자동화한장비로시험환경개선과장비자동화의일환으로개발되었다. 여주지역에서심도별에너지효율을측정한값으로평균 80.1% 의값을나타내었다. 이는본개발장비에부착한 SPT장치의에너지효율과유사한결과이다. 이는해저지반의연속적인주상도확보가가능하여해양구조물의설계시정확한지반의판단을가능하게한다. 수중에서의 4노트 (2m/s) 의조류에대해서해저지반조사장비의전도에대한수치해석을실시하여안정성을검토하였다. 또한 SPT 타격에대한에너지효율실험을통해평균 78% 를확인하였으며, 추후이에대한보완및보정작업이수반될필요가있다. 본해저지반조사장비는해외기술및장비에의존하지않고독자적인기술로제작되었으며현재개발된여러핵심기술을다양하게적용하여국내기술력확보및기술력증진에도기여할것으로기대된다. References [Fig. 15] SPT hammer energy efficiency 향후개발된수중 SPT 타격시스템을다양한지반과다양한심도를대상으로에너지효율측정및타격에너지의영향인자를조사하여보정할필요가있을것으로판단된다. 5. 결론 수심 100m 조건에서심도 50m까지의해저지반의특성을파악할수있는장비를개발하였다. 육상에서도많이사용되는표준관입시험장치를본해저지반조사장비에장착하여수중에서도표준관입시험이가능하며또한암반코어링도가능하게함으로써수심 100m에서도해상구조물의설계에필요한설계지반정수를얻을수있다. [1] S. M. Cho, Research Trends of Marine Geographical Investigation, Korea Geographical Research Association Fall International Conference, pp. 638-653, 2007. [2] Korea Highway Corporation, "SPT Utilization Improvement Study", 2002. [3] W. T. Kim, I. S. Jang, B. Lee, I. C. Hwang, Development of Unmanned Underwater site Investigation Equipment, Korea Marine Science Technology Association Joint Symposium, pp. 2013-2016, 2011a. [4] W. T. Kim, I. S. Jang, O. S. Kwon, B. Lee, I. C. Hwang, Development of Unmanned Underwater SPT equipment, Korea Geographical Research Association Fall Research Symposium, pp. 305-311, 2011b. [5] I. S. Jang, O. S. Kwon, C. K. Chung, Unmanned Seabed Type Offshore CPTu Development, Korea Geographical Research Association Fall International Conference pp. 611-622, 2007. [6] Freudenthal. T, and Wefer. G, The sea-floor drill rig "MeBo": Robotic Retrieval of Marine Sediment Cores. PAGES News, 14(1):10, 2006. [7] Ross E. Murray, "Deep Water Automated Coring System (DWACS)" The International Society of Offshore and Polar Engineers, pp.20-23 Sept, 2010. [8] KS F2307-1997 : Method for Standard Penetration Test. [9] Korea Highway & corporation, "Normalizations of the standard penetration test (III)", 2002. 1784
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