1. 서 론

지구온난화로 인해 해수면의 높이가 상승하면서 해저 영역 개발에 대한 관심이 점점 증가하고 있다(Jung, 2023; Kang et al., 2024). 해저지반과 관련된 프로젝트는 해상 풍력발전, 해저 파이프라인, 해저 케이블, 그리고 해저터널 등 다양한 지반 구조물을 포함한다(Eisenstein, 1994; White and Randolph, 2007; Lee et al., 2020; Sumer and Kirca, 2022). 특히, 풍력발전은 육지에서 해양 환경으로 점차 확장될 것으로 보인다. 이러한 관점에서 성공적인 해저공간의 개발을 위해 신뢰도가 높은 해저 연약지반 설계정수 파악은 중요하다.

현재 많이 사용되는 대표적인 지반 조사 방법중에, 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)은 효율적인 지반정수를 제공한다. SPT N값은 지반공학에서 유용한 지표이며, 지반공학자들은 SPT N값을 통해 모래지반의 밀도, 마찰각, 비배수 일축압축 강도 등을 추정하여 설계정수로 사용한다(Liao and Whitman, 1986; Cubrinovski and Ishihara, 1999; Mujtaba et al., 2018; Heo and Kwak, 2022). 하지만 이러한 효과적인 상관관계 SPT N값이 4 미만인 연약지반에서는 SPT시험의 신뢰도가 낮아서, 해저지반 설계정수 산정에 사용되지 못한다(Lopes et al., 2021).

앞에서 서술한 SPT 시험방법의 단점을 보완할 수 있는 콘 관입시험(Cone Penetration Test, CPT)은 연약지반에서의 지반 물성치를 제공할 수 있다. 그러나, 해양 환경에서 수행되는 CPT시험은 전체 시험 비용의 60% ~ 70%를 전용 선박 대여와 장비 설치에 사용한다. 또한, 보통 해상 CPT시험은 2km 간격으로 시행하지만 국내에서는 최소 CPT 수행 간격에 대한 명확한 기준이 없어 CPT 미수행 구간에 대해서 합리적인 데이터 보간법을 수행하기 어려운 상황이다. 점차 획기적으로 증가할 것이라고 예상되는 해저공간의 안정적인 개발을 위해 저렴하고 반복성이 높은 해저지반조사 시험법이 필요한 실정이다.

자유낙하식 관입기(Free Fall Penetrometer, FFP)는 기존 CPT의 높은 해상 운용 비용을 개선하기 위해 개발되었다(Moavenian et al., 2016). 전통적인 기존의 CPT 실험방법을 이용하여 해상에서 지반조사를 수행하는 경우, 큰 반력을 제공하는 프레임이 필요하지만, 자유낙하식 관입기는 자체 동력 없이 낙하 관성력으로 지면에 관입되기 때문에 많은 비용을 절감할 수 있다(Kang et al., 2020). 낙하 관성력으로 인해 FFP의 관입속도는 기존 CPT 시험의 관입속도인 2cm/sec가 아니라 다양하게 나타난다(Chow et al., 2017). 기존연구에서 제안한 FFP는 선단저항력과 주면마찰력을 측정하기 위한 스트레인 게이지, 간극수압을 측정하기 위한 압력계를 포함하며, 콘 내부에 설치되어 있는 가속도계를 통해 관입속도를 계산할 수 있다(Mulukutla et al., 2011).

CPT 기반의 지반조사에서는 해저지반의 선단저항력과 주면마찰력을 측정하기위해 스트레인 게이지로 구성한 휘스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)를 사용한다. 해저의 경우 해수면 기준 콘 관입깊이에 따른 정수압의 증가로 인해 신호 대비 잡음비(Signal to Noise Ratio SNR)가 데이터의 해상도를 감소시킨다.

본 연구에서는 해저지반조사의 한계점을 개선하기 위해 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기를 설계/제작하고, 실내실험을 통해 현장적용의 가능성을 보여주었다. 본 연구에서 제안한 새로운 콘 관입시험기는 선단저항력과 주면마찰력을 독립적으로 측정하며, 수압보상형 선단부 모듈을 통해 수심에 따라 증가하는 정수압의 영향을 최소화하여 순수한 선단저항력을 제공한다. 콘 내부에 설치된 가속도계와 자이로 센서를 통해 콘 시험기의 관입경사를 판별할 수 있다. 콘 내부에 설치된 모든 센서의 실시간 모니터링을 위해 PCB를 사용하였다. 본 논문은 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기의 설계, 실내 실험, 결과 및 분석으로 구성되어 있다.

2. 장비 하드웨어 디자인

Fig. 1은 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 시험기의 전체적인 실제모습을 보여주고 있다. 콘 시험기를 구성하는 주요 요소들은 콘 선단부 모듈(Fig. 1a), 주면 마찰력 로드셀(Fig. 1b), 리듀서(Fig. 1c), 바디(Fig. 1d), 배터리팩(Fig. 1e)을 포함한다.

Fig. 1

A simplified schematic of the water pressure-compensated cone tip. PT indicates a pressure transducer

2.1 수압보상형 콘 선단부 모듈

Fig. 1a는 수압보상형 콘 선단부 모듈의 간략한 도식화를 보여주고 있다. Fig. 2에 나타낸 것처럼 콘의 선단부는 오일로 포화된 튜브관에 연결되어 있으며 콘 선단부와 연결된 압력계(PT2)는 콘 관입시험기가 해저지반을 관입할 때, 선단저항력과 수압의 합을 측정할 수 있다(Omega Engineering – PX309-1KG5V; Output voltage V_out = 0 VDC에서 0kPa 그리고 V_out = 5 VDC에서 6,895kPa). 튜브관 내부에 오일은 전수두 차이를 이용해 포화를 시켰으며 튜브관 내부의 공기함량을 없애기 위해 튜브관과 압력계를 오일 수조 안에서 조립하였다. 압력계 PT1은 콘 시험기 외부에서 수심에 의한 정수압에 의해 발생하는 간극수압을 측정하기 때문에 튜브관 내부의 오일이 외부로 유출될 가능성이 있다. 하지만, 압력계와 연결된 튜브관 내부의 오일은 튜브와 공기중에서의 표면장력으로 인해 유출되지 않았으며, 실험 이후 콘 시험기를 분해해 내부를 관찰하였을 때, 튜브관 내부의 공기는 육안으로 발견되지 않았다. 콘 선단부 상부외측에는 선단저항력에 영향을 받지 않고 수압만을 측정하는 압력계(PT1)가 있으며 두 압력계에서 측정된 압력의 차이(PT2 – PT1)를 통해 순수한 선단저항력을 산정할 수 있다. 수심이 깊어짐에 따라 증가하는 정수압으로 인해 증폭되는 노이즈는 두 개의 압력계에 같은 크기로 작용하여 서로 상쇄된다. 따라서, 수압 보상형 콘 팁은 외부환경으로 인해 발생할 수 있는 노이즈를 최소화하여 신뢰도 및 해상도가 높은 선단저항력을 제공할 수 있다.

Fig. 2

Water pressure-compensated self-weight multi-physics cone penetration apparatus assembly photo and main parts. (a) cone tip, (b) skin friction load cell, (c) reducer, (d) body, and (e) battery pack

2.2 주면마찰력 로드셀

Fig. 1b는 콘 선단부 모듈 위에 위치하는 주면마찰력 로드셀을 보여주고 있다. 원통형 로드셀에는 4개의 스트레인 게이지(Kyowa Electronic Instruments, KFGS-1-120-D16-11L1M2S)가 부착되어 있으며 주면마찰력에 의한 출력전압을 효과적으로 증폭시키기 위해 휘스톤 브릿지를 사용하였다(Fig. 3a).

여기서, V_out는 출력 전압, V_in는 입력전압, |ε₁| = |ε₂| = |ε₃| = |ε₄| 는 스트레인 게이지의 수직 변형률, 그리고 GF는 게이지 인자를 나타낸다(참고: 구리-니켈 합금의 일반적인 게이지 인자 GF ≈ 2.0임).

구조적인 관점에서 콘 선단부 모듈과 직접적으로 결합되어 있는 주면마찰력 로드셀은 주면마찰력에 의해 발생한 추가적인 힘을 콘 선단부 모듈에 전달한다(Lee, 2008). 본 연구에서는 Fig. 3b에 나타낸 것처럼 주면마찰력 로드셀과 콘 선단부를 분리하여, 콘 관입시 주면마찰력 로드셀에서 측정되는 저항력이 콘 선단부에 가해지는 하중에 추가되지 않도록 설계하였다.

Fig. 3

Skin friction measurement. (a) Wheatstone bridge for output voltage V_out amplification and (b) Skin friction load cell design

Fig. 4는 주면마찰력 로드셀 캘리브레이션 결과를 보여주고 있다. 입력전압 V_o는 2 VDC로 설정하였으며, 캘리브레이션 진행시 실험 온도는 20°C로 유지되었다. 캘리브레이션 결과, 원통형 로드셀에 가해지는 주면마찰력과 출력전압 V_out은 선형 관계를 보여주고 있다. 본 연구에서는 실내실험을 통해 원통형 로드셀에서 측정한 출력전압 V_out을 주면마찰력으로 나타내기 위해 캘리브레이션 결과를 사용하였다.

Fig. 4

Skin friction load cell calibration

콘 시험기의 콘 선단부 모듈부터 주면마찰력 모듈까지의 사용 재료 및 규격을 Table 1에 나타내었다.

2.3 리듀서(Reducer)

Fig. 1c는 다중물리 콘 관입시험기에서 외경이 36.5mm인 선단부 모듈과 외경이 114.5mm인 바디를 연결해주는 리듀서를 보여주고있다. 기존 CPT는 10cm²로 선단면적을 맞추기 위해 직경을 35.7mm로 설정하였다. 콘 선단부 직경에 따라 지반이 교란되는 정도와 시료 경계에 의한 영향(boundary effects)에 취득 물성 데이터의 해상도가 다르다(Parkin and Lunne, 1982; Baldi et al., 1985; Hird et al., 2003). 기존 CPT는 10cm²로 단면적을 맞추기 위해 직경을 35.7mm로 설정하였으며, 본 연구에서 설계된 콘 시험기의 단면적은 약 10.46cm²이다. 비록 단면적이 기존 CPT와 다르지만 5~15cm²의 단면적을 가지는 콘 시험기는 대부분의 유사한 선단저항력을 가진다 (Lunne et al., 1997). Fig. 5에 나타낸 것처럼 리듀서의 오른쪽 가장자리에 2개의 나사선을 가공하여 650mm의 KS 규격 볼트 2개를 연결하여 실시간 모니터링을 위해 제작된 PCB와 본 연구에 사용된 모든 센서들을 고정하였다. 10mm 두께의 원판형 MC(Monomer Casting) 나일론 프레임은 PCB를 안정적으로 지지하며 콘 시험기의 바디 결합시 센서 및 케이블을 보호하는 역할을 한다. 바디 부분(Fig. 1d)과 볼트 체결을 위해 리듀서의 4방향에 나사선을 가공하였다.

Fig. 5

Internal configuration for rods and plastic frames for PCB board and pressure transducer housing

2.4 바디(Body)

Fig. 1(d)는 PCB와 모든 센서들 및 케이블을 설치하고 보호하기위해 제작된 바디 부분을 나타낸다. Fig. 5는 리듀서에 바디가 결합되기전 바디 내부 모습을 보여주고 있다. 바디의 총 길이는 914.4mm이고 외경은 114.5mm, 내경은 97.5mm이다. 바디와 리듀서의 결합을 위해 4방향에 구멍을 가공하였다.

2.5 배터리 팩

Fig. 1e는 PCB에 전원을 공급하기 위해 배터리를 고정하는 배터리 팩을 나타낸다. 본 연구에 사용된 배터리(POWERCRAFT, DMBP-LP25-3S1P-B8)는 8시간동안 연속적으로 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 배터리 팩은 콘 관입시험기를 완전히 분리하지 않고 배터리의 신속한 교체를 용이하게 한다.

3. 장비 소프트웨어

3.1 Plastic Circuit Board(PCB)

수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기 내부에 설치된 Plastic Circuit Board(PCB)는 다중 센서를 활용한 실시간 데이터 획득 시스템으로 압력계, 스트레인 게이지, 가속도계, 자이로스코프, Micro Controller Unit(MCU), 전압레귤레이터, Transistor-Transistor Logic (TTL)-to-RS 485 컨버터, SD카드로 구성된다. 압력계를 통해 얻게 되는 간극수압은 공통 모드 신호, 선단저항력은 차동 모드 신호와 공통 모드 신호를 이용하여 측정하고 Analog-Digital Converter(ADC) 변환을 거쳐 데이터를 처리한다. 콘 관입시 발생하는 주면마찰력에 의해 스트레인 게이지에는 변형이 발생하고 휘스톤 브릿지 회로를 거쳐 증폭된 출력전압 V_out은 ADC를 통해 저장된다. MCU는 각종 센서 데이터를 다양한 통신 방식을 통해 수신하고, TTL 레벨 신호를 디지털 데이터로 변환하여 처리한다. 전압 레귤레이터는 배터리 전압을 센서 및 MCU가 안정적으로 작동할 수 있는 전압으로 변화하여 공급하는 역할을 한다. 다양한 센서를 통합하여 자동으로 데이터를 수집 및 저장할 수 있으며, TTL-to-RS 485 컨버터를 통해 원거리 데이터 통신이 가능하다. 또한, SD 카드 저장 기능을 통해 장기간의 현장 데이터 로깅이 가능하여 정밀한 지반 조사 및 해양 환경 모니터링에 활용할 수 있다.

3.2 가속도계 캘리브레이션

본 연구에서는 콘 관입 시험기의 관입경사를 파악하기 위해 X, Y, Z 방향 가속도계를 PCB에 설치하였다. Fig. 6은 X, Y, Z축 가속도계를 포함하고 있는 PCB를 0도에서 90도로 서서히 기울였을 때 측정된 가속도 데이터를 보여주고 있다. 캘리브레이션 결과는 X축 가속도는 일정하고, Y축 가속도는 sine 곡선을 따라가며, Z축 가속도는 cosine 곡선을 따라가는 것을 보여주고 있다. Fig. 6에서 B구간은 PCB가 지면과 수직일 때 Y축 가속도가 1g로 일정하게 나타나는 것을 보여주고 있으며 가속도계의 Y축의 콘 관입 방향과 평행하다는 것을 의미한다. 가속도 데이터를 통해 콘 관입시험기의 관입각도는 다음 식 (2)로 표현된다.

Fig. 6

Accelerometer calibration results - Acceleration data measured from the X-, Y-, Z-directions when the PCB board tilts from 0 to 90 degrees. The accelerometer in Y-direction is parallel to the cone penetration direction. (A): Tilt the PCB board 0 to 90 degrees; (B): Keep the PCB board vertically on the ground; (C): Tilt the PCB board 90 to 0 degrees

여기서, θ는 Fig. 6에 나타낸 것처럼 콘 관입시험기와 수직선 사이의 각도를 의미하며, X_acc와 Z_acc는 각각 X축, Z축 방향으로 설치된 가속도계에서 측정된 가속도 데이터를 의미한다.

4. 실내실험

본 연구에서 개발한 콘 관입시험기의 현장 적용성을 평가하기 위해 카올리나이트-모래 혼합 시료를 대형 토조에 조성한 후 실내 예비 실험을 수행하였다. 세부사항은 다음과 같다.

4.1 사용 재료

본 연구에서는 해저 연약 지반 조건을 재현하기위해 점토 - 모래 혼합시료를 준비하였다. 시료조성에 사용된 점토는 카올리나이트이며 위 점토의 액성한계를 측정하기 위해 폴콘 시험(Fall Cone Test BS 1377, Houlsby, 1982)을 수행하였다. Fig. 7은 본 연구에서 사용된 카올리나이트의 관입 깊이와 함수비 관계를 보여주고 있으며 함수비가 약 ω ≈ 70% 일 때 관입깊이가 20mm로 나타난 결과를 통해 액성한계를 LL ≈ 70으로 결정하였다. 시료 조성시 사용한 모래와 점토의 물성치 및 배합 비에 따른 사용한 무게와 같은 자세한 정보는 Table 2에 나타내었다.

Fig. 7

Fall cone test result for kaolinite used in this study – Penetration depth versus water content. Test results indicate that the liquid limit is approximately LL ≈ 70

4.2 실험과정

Fig. 8은 실내 실험에 사용된 크레인, 도르레, 외부틀과 내부틀로 이루어진 대형토조, 및 콘 관입시험기의 대략적인 제원을 보여주고 있다. 콘 시험기의 길이는 환경 및 목적에 따라 줄이거나 늘릴 수 있다. 이번 실내 실험 목적 그리고 토조 및 시료 높이를 고려하여 증량 파이프 미사용 및 general testing module 한 개 사용으로, 실내 실험에서 사용한 콘 시험기의 길이는 2.3m로 설정하였다.

Fig. 8

Schematic drawing for preliminary laboratory test. Experimental configuration involves crane, soil chamber, and multi-physics cone apparatus penetrated in kaolinite-sand mixtures (note: the soil sample thickness prepared in the chamber is 550 mm)

대형 토조에는 2가지 시료를 조성하였다. 첫번째 시료는 액성한계 함수비의 카올리나이트와 모래의 무게비가 9:1이고, 두번째 시료는 액성한계 함수비의 카올리나이트와 모래의 무게비가 6:4이다. 시료 조성시, 사용할 건조 시료의 무게를 측정한 후 시료 내부틀에 건조 상태로 넣었으며, 카올리나이트 액성한계를 기준으로 물을 투입하여 조성했다. 시료 조성 후, 콘 선단부를 시료 표면에 위치시키고, 콘 자체의 무게만으로 관입을 유도하였다. 콘이 자중으로 관입되는 동안 PCB를 통해 모든센서의 데이터를 1초에 한 번씩 수집하고 저장하였다. Fig. 9는 대형토조에 준비된 시료 및 전반적인 실내 실험과정을 보여주고 있다.

Fig. 9

Preliminary laboratory test procedure

5. 실험 결과 및 분석

5.1 선단저항력

Fig. 10은 액성한계 함수비의 카올리나이트와 모래의 무게비가 9:1인 시료와(Fig. 10a) 무게비가 6:4인 시료에서(Fig. 10b) 콘 시험기가 관입되는 동안 오일로 포화된 튜브관에 연결되어 있는 압력계(PT2) 에서 측정한 선단저항력을 보여주고있다. Fig. 10a에 나타낸 것처럼 선단저항력 측정결과는 3가지 구역으로 구분되어 나타난다. 첫 번째 구역은 콘 관입전, 선단저항력 q_c = 0인 부분이고(Fig. 10a에서 A구역; 시간 t = 0~20초), 두번째 구역은 콘 관입이 시작되면서 선단저항력이 증가하여 q_c ≈ 17kPa에 도달한 후 일정하게 유지되는 구간이며(Fig. 10a에서 B구역; 시간 t = 20~30초), 마지막으로 세번째 구역은 콘 선단부가 토조 바닥에 맞닿은 이후로 선단저항력이 가파르게 증가하는 구간이다(Fig. 10a에서 C구역; 시간 t = 30~45초).

Fig. 10

Cone tip resistance measured in sand-kaolinite during self-weight cone penetration. (a) Very soft sand-kaolinite mixture and (b) Soft sand-kaolinite mixture. (A): Before penetration, (B): Resistance during penetration, (C): Cone tip touches the bottom of chamber. At soft sand-kaolinite mixture (b), cone tip resistance measured in Zone B indicates that the cone tip resistance captures the sediment heterogeneity

선단저항력 q_c는 90% 카올리나이트 – 10% 모래 혼합시료에서 q_c ≈ 17kPa, 60% 카올리나이트 – 40% 모래 혼합시료에서 q_c ≈ 50kPa이다. 선단저항력은 모래 무게 비율이 더 높은 카올리나이트와 모래 무게비가 6:4인 시료에서 더 크게 나타났다. 점토 무게비가 90%인 혼합시료의 경우, 시료를 상대적으로 균질하게 조성할 수 있으며 이로 인해 선단저항력은 시료 깊이에 따라 일정하게 나타난다고 판단된다(Fig. 10a에서 시간 t = 20~30초). 반면에, 점토 무게비가 60%인 혼합시료의 경우, 상대적으로 불균질하게 조성된 시료의 특성상 선단저항력은 시료 깊이에 따라 증가, 일정, 감소와 같이 다양하게 나타나고 있다(Fig. 10b에서 시간 t = 10~80초). 이를 통해 모래가 상대적으로 많이 포함된 점토 함량 60% 시료의 경우 시료조성과정에서 발생한 재료분리현상으로 인해 시료가 불균질하게 조성되었다고 판단할 수 있으며 본 연구에서 개발한 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기는 원지반의 불균질성을 효과적으로 파악할 수 있다고 판단된다.

두 실험 모두, 총 관입 깊이는 550mm였으며 측정된 관입시간을 통해 산정한 평균 관입속도는 90% 점토–10% 모래 혼합시료에서 약 70mm/sec, 60% 점토–40% 모래 혼합시료에서 약 7mm/sec로 나타났다.

5.2 주면마찰력

Fig. 11은 콘 관입시험기가 점토 – 모래 혼합시료에 관입하는 동안 측정한 주면마찰력을 보여주고 있다(참고: Fig. 4에 나타낸 캘리브레이션 결과를 이용하여 출력전압 V_out을 주면마찰력으로 변환하였음). 두 실험의 경우 주면마찰력의 값은 0으로 나타났으며 점토층에서는 주면마찰력이 거의 나타나지 않고 주면마찰력은 실트층에서 발생하기 시작한다는 기존연구와 유사한 결과를 보여주었다(Potyondy, 1961; Mayne, 2014). 향후 본 연구를 확대/연장하여 목표로 하는 해저 연약지반 상태는 실내실험시 조성한 시료보다 강성이 훨씬 작을 것이라고 예상된다. 액성한계 상태의 점토 지반에서는 비배수 전단강도가 1.7kN/m²으로 알려져 있다(Sharma and Bora, 2003). 주면마찰력으로 시료의 단위 중량을 산정하는 방법은 다음 식 (3)으로 계산할 수 있다(Mayne, 2014).

Fig. 11

Skin friction data measured in sand-kaolinite during self-weight cone penetration. (a) Very soft sand-kaolinite mixture and (b) Soft sand-kaolinite mixture. The skin friction hardly appears in environments similar to the shallow seabed

실험시 지반을 조성하자마자 압밀 없이 바로 진행하여 OCR ≈ 1이므로 산정한 단위중량과 토조 깊이로 계산한 응력을 이용하여 계산한 비배수 전단강도는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Ladd, 1991).

콘 시험기로 측정한 주면마찰력 값을 이용해 산정한 시료의 비배수 전단강도가 알려진 액성한계 상태의 점토지반의 비배수 전단강도보다 낮게 나타난다. 이는 주면마찰력 로드셀의 두께 또는 PCB의 분해능 성능이 낮아서 생기는 오류로 판단된다. 주면마찰력 로드셀의 두께와 PCB의 출력전압을 증폭시키는 방향으로 콘 시험기의 주면마찰력 측정 방식을 더 개선한다면 본 연구에서 제안한 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기는 해저 연약지반의 주면 마찰력 평가에 활용될 수 있을 것이라고 판단된다.

5.3 관입각도 분석

Fig. 12는 수압보상형 자중관입식 콘 관입시험기 실험 중 측정된 가속도계 데이터를 보여주고 있다. 가속도계 Y축의 방향은 콘 관입 방향과 평행하며(Fig. 6), Fig. 12에 나타낸 것처럼 콘 관입시험기가 수직으로 유지되었을 때 가속도계 Y축 값은 1이며, 가속도계 X축과 Z축의 값은 0으로 나타났다. 측정된 가속도 데이터와 식 (2)를 이용하여 관입각도를 계산하였으며, 관입각도는 90% 카올리나이트 – 10% 모래에서 θ = 9°으로 나타났고(Fig. 12a, t = 23 ~ 29초), 60% 점토 - 40% 모래에서 θ = 13°으로 나타났다(Fig. 12b, t = 60 ~ 80초). 해저 연약지반에서 신뢰도 높은 선단저항력 결과를 얻기 위해 관입각도와 선단저항력 사이의 관계에 대한 추가적인 데이터베이스가 필요하다고 판단된다(Wei et al., 2005; Jiang et al., 2014). 또한 가속도계 데이터를 통해 관입각도 뿐 아니라 관입깊이도 산정해야한다. 현재 PCB의 sampling rate이 1Hz로 데이터 저장이 되는지 확인하기에는 충분하지만, 관입깊이를 산정하기에는 매우 낮다. 앞으로 실제 해저지반을 조사할 때는 sampling rate를 충분히 높여 가속도계를 통해 시간에 따른 데이터가 아닌 관입깊이에 따른 지반 물성치를 측정할 예정이다.

Fig. 12

Inclination angle data measured in sand-kaolinite during self-weight cone penetration. (a) Very soft sand-kaolinite mixture and (b) Soft sand-kaolinite mixture. Data in yellow box indicates inclination angles during penetration. Data indicates that the penetration angle for multi-physics cone is greater in the soft mixture in comparison to very soft mixture

5.4 관입속도에 따른 선단저항력

Fig. 13은 기존 연구에서 수행한 실험결과를 수집하여 콘 시험기의 관입속도에 따른 선단저항력의 변화양상을 보여주고 있다(Bemben and Myers, 1974; Kim et al., 2008; Poulsen et al., 2013; Salgado and Prezzi, 2014). 데이터 수집을 통한 분석결과, 선단저항력은 점토지반보다 모래지반에서 더 크게 나타나며, 특히, 관입속도에 따라 다양하게 나타나는 것을 보여주고 있다. 선단저항력은 관입속도가 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있으며 관입속도 v = 2cm/sec 이상에서 사질토지반에서는 지속적으로 감소하는 경향을 보이지만, 점토지반에서는 일정하게 수렴하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서 제안한 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기의 관입속도는 자중에 의해 결정되며 해저 연약지반에 적용할 경우 지반조건에 따라 다양하게 나타날 가능성이 있다. 본 연구에서 수행한 실내실험에서 점토와 모래의 무게비가 6:4인 혼합시료에서의 관입속도는 7cm/sec로 나타났으며 향후 현장적용성 평가를 위해 고려하고 있는 연약한 해저 지반조사에서의 콘 관입속도는 v = 7cm/sec 보다 더 크게 나타날 것으로 판단된다. 실내실험 결과와 기존연구에서 수집한 데이터 분석을 토대로 본 연구에서 제안한 콘 관입시험기는 해저 연약지반 관입속도에 영향을 받지 않고 해저 원지반의 설계정수를 파악할 수 있다고 판단된다.

Fig. 13

Relationship between penetration rate and cone tip resistance. Data indicate that the cone tip resistance is independent penetration rate over 2 cm/sec. (Figure modified after Bemben and Myers, 1974; Kim et al., 2008; Poulsen et al., 2013; Salgado and Prezzi, 2014)

5.5 배수조건

현장실험에서 배수/비배수조건은 하중을 가하는데 걸리는 시간 t_load와 과잉간극수압이 소산되는데 필요한 시간 t_diff의 비교를 통해 결정된다(즉, 배수조건은 t_diff/t_load << 1 인 경우, 비배수조건은 t_diff/t_load >> 1인 경우). 콘 관입시험의 경우, 앞에서 정의한 시간비 t_diff/t_load는 콘시험기의 치수와 관련된 제원, 관입속도 및 대상지반의 압밀특성을 고려하여 다음식으로 나타낼수있다.

여기서, d = 콘팁 직경(d = 36.5mm), λ = 콘팁의 길이(λ = 31.6mm), v = 관입속도(=실내실험에서 나타난 가장 느린 관입속도, v = 7mm/sec), 그리고 c_v = 압밀계수를 나타낸다. 본 연구에서는 실내실험에 사용한 카올리나이트의 액성한계를 LL = 70을 근거로 하여 점토지반의 압밀계수를 보수적인 측면에서 c_v ≈ 0.1mm²/sec로 산정하였다(Lambe and Whitman, 1979; Elkateb, 2018). 식 (5)를 통해 산정한 배수/비배수 조건을 결정하는 시간 비는 t_diff/t_load ≈ 3 × 10³ >> 1 로 나타났으며 본 연구에서 제안한 콘 관입시험기를 이용한 해저 연약지반 현장실험은 비배수조건이 지배적일 것이라고 예상할 수 있다. 해저지반 천층부의 비압밀 특성을 고려하였을 때, 비압밀 비배수 조건에서 일정하게 나타나는 잔류유효응력 σ_residual에 의해 결정되는 지반의 강도 특성을 파악할 수 있다고 판단된다.

6. 결 론

해저공간에 대한 발전가능성이 높아지고 있는 가운데 해저지반구조물의 중요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 현재 존재하는 지반조사 방법의 한계점을 개선하고 제공하기 위해 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기를 설계/제작하였다. 새롭게 제안한 콘 시험기의 현장 적용성 평가를 위해 점토 - 모래 혼합 시료를 대형 토조에 조성한 후, 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기를 이용하여 실내 실험을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다:

(1) 해수면 수심에 따라 증가하는 정수압의 영향을 최소화하며 선단저항력을 측정하기위해 수압보상형 콘 선단부 모듈을 설계/제작하였다. 선단부 콘 팁 모듈과 주면마찰력 로드셀을 구조적으로 분리하여 선단저항력과 주면마찰력을 독립적으로 측정하였다. 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기 내부에 설치된 PCB를 통해 모든 센서에서 측정되는 데이터를 실시간으로 모니터링 후, 성공적으로 저장하였다.

(2) 콘 자중으로 관입을 유도한 실내 실험 결과, 점토 - 모래 혼합 시료에서 선단저항력은 모래의 비율이 높을수록 크게 나타났으며, 시료 깊이에 따라 명확히 나타나는 지반의 불균질성을 보여주었다. 시료가 불균질하게 조성된 이유에는 모래함량이 상대적으로 많은 시료에서 시료조성시 발생한 재료분리현상으로 판단되며, 이는 본 연구의 제약사항에 포함된다.

(3) 주면마찰력 로드셀 캘리브레이션 결과는 로드셀에 가해진 하중과 출력전압 사이의 선형 관계를 보여주었으며, 실내실험에서 콘 관입 시 점토 - 모래 시료의 매우 작은 강성으로 인해 주면마찰력이 거의 나타나지 않았다.

(4) PCB에 장착된 X, Y, Z 축 3방향 가속도계의 데이터 분석을 통해 실내 실험시 콘의 최대 관입각도는 14° 나타났다.

(5) 실내실험에서 콘시험기의 가속도계 sampling rate은 1Hz였으며, 실내실험 시 설정된 낮은 sampling rate으로 인해 본 실내실험을 통해 측정된 가속도계 데이터는 정확한 관입깊이 산정에 사용될 수 없다는 한계점을 가지고 있다.

(6) 관입속도에 따른 선단저항력 데이터 수집 및 분석을 통해 관입속도 v = 2cm/sec이상일 때, 선단저항력은 큰 영향을 받지 않고 관입속도에 독립적이라고 판단된다.

(7) 본 연구에서 수행한 배수/비배수 분석 및 향후 목표로 하는 해저지반 천층부의 비압밀 특성을 고려하였을 때 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기는 관입속도에 독립적이며 잔류유효응력에 의해 결정되는 해저 연약지반의 강도특성을 효율적으로 평가할 수 있다고 판단된다.

(8) 관입깊이 2 ~ 4m에서 전통적인 기존 CPT 시험기를 통해 측정된 선단저항력 결과를 비교하였다. 기존 CPT 장비를 통해 측정된 선단저항력 측정 범위는 300 ~ 500kPa이며, 본 연구에서 설계 및 제작한 콘시험기의 선단저항력 측정 범위는 300 ~ 700kPa로 나타났다. 두 선단저항력이 유사한 범위에서 다르게 나타나는 원인으로는 관입각도의 영향이라고 판단되며, 관입각도가 선단저항력에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

(9) 본 연구에서 새롭게 개발된 수압보상형 자중관입식 다중물리 콘 관입시험기는 기존의 지반조사 방법보다 반복성이 높고 저비용으로 신뢰도 높은 해저 연약지반 설계정수 제공에 활용될 것이다.