KR20220064689A - 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법 - Google Patents

가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220064689A
KR20220064689A KR1020200151063A KR20200151063A KR20220064689A KR 20220064689 A KR20220064689 A KR 20220064689A KR 1020200151063 A KR1020200151063 A KR 1020200151063A KR 20200151063 A KR20200151063 A KR 20200151063A KR 20220064689 A KR20220064689 A KR 20220064689A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ground
gas hydrate
weight
parts
reinforcement
Prior art date
Application number
KR1020200151063A
Other languages
English (en)
Inventor
조계춘
강석준
강철환
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020200151063A priority Critical patent/KR20220064689A/ko
Priority to PCT/KR2021/016133 priority patent/WO2022103098A1/ko
Publication of KR20220064689A publication Critical patent/KR20220064689A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K17/00—Soil-conditioning materials or soil-stabilising materials
    • C09K17/40—Soil-conditioning materials or soil-stabilising materials containing mixtures of inorganic and organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/108—Production of gas hydrates
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2250/00—Production methods
    • E02D2250/003—Injection of material
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2250/00—Production methods
    • E02D2250/0061—Production methods for working underwater
    • E02D2250/0084—Production methods for working underwater using pneumatical means
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2600/00—Miscellaneous
    • E02D2600/40—Miscellaneous comprising stabilising elements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Soil Conditioners And Soil-Stabilizing Materials (AREA)
  • Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)

Abstract

본원은 가스 하이드레이트를 이용한 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법에 관한 것이다.

Description

가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법{GROUND REINFORCEMENT MATERIAL CONTAINING GAS HYDRATE, AND REINFORCEMENT METHOD OF HIGH DEPTH GROUND USING THE SAME}
본원은, 가스 하이드레이트(gas hydrate)-흙 혼합물을 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법에 관한 것이다.
최근 해저터널이나 수중터널 등 해저 인프라에 대한 관심도가 높아지면서 이에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 해저 지반의 표층부는 주로 점성토/사질토로 구성되어 있기 때문에 터널 등의 구조물을 시공하거나 수중 구조물의 주탑 및 앵커링을 설치하기 위해서는 해저 지반 보강이 필수적이다. 그러나, 종래에는 해저 지반에 석션 앵커나 파일 등을 시공하였으나 이들은 상대적으로 강도가 낮은 지반에서 사용되기 어려운 문제점이 있다. 특히 해저 지반을 보강하기 위해 사용하는 재료가 별도로 존재하지 않으며, 육상에 많이 사용되는 시멘트계 보강재를 사용할 경우에는 해수에 용해되어 보강재로서의 기능을 상실하거나 해수를 오염시킬 위험이 존재하는 실정이다. 따라서, 해저 지반의 환경적 특성(해수의 존재, 고압, 저온)에서 활용 가능한 지반 보강 방법이 필요하다.
구체적으로, 보강 재료를 해저 연약 지반에 주입하여 지반의 강도 및 차수성을 증진시켜 구조물의 시공이나 고정용 구조물의 설치에 용이하도록 하는 보강 방법이 필요하며, 해저 지반의 보강을 위해서는 다음의 조건을 충족시켜야 한다: 1) 해수와 접촉 시 용해되어 기능을 상실하지 않는다. 2) 고심도 조건(고수압, 저온)에서 주입되어 지반을 보강해야 한다. 마지막으로, 3) 해수를 오염시키지 않아야 한다. 본 발명자는 상기 조건을 만족하기 위한 보강 재료를 연구하였으며, 이에 대한 결과로서 가스 하이드레이트를 이용한 지반 보강재에 관한 기술을 완성하였다.
대한민국 특허등록공보 제10-0220563호
본원은, 고압 및 저온 환경에서 형성되는 가스 하이드레이트를 이용한 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도지반의 보강 방법을 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 가스 하이드레이트(gas hydrate)-흙 혼합물을 포함하는, 지반 보강재를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 가스 하이드레이트 원료 및 촉진제를 포함하는, 지반 보강재용 조성물을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 지반 보강재를 이용한, 지반의 보강 방법을 제공한다.
본원의 일 구현들예에 있어서, 고압 및 저온 환경에서 가스 하이드레이트가 응결되어 흙 입자 사이를 고결화함으로써 가스 하이드레이트-흙 혼합물이 형성되고, 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 주변의 고심도 지반에 비해 강도가 증가된 것이므로 지반 보강재로 활용될 수 있는 특징이 있다. 아울러, 상기 가스 하이드레이트는 고압, 저온의 해수에서도 용해되지 않으며 오히려 그 응력이 증가되는 것이므로 본원의 지반 보강재는 종래의 시멘트계 보강재에 비해 수중에 보다 적합한 특징이 있다.
본원의 일 구현들예에 따른 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 포함하는 지반 보강재는, 상기 가스 하이드레이트가 자연 존재 물질과 유사하므로 환경 유해성, 독성이 거의 존재하지 않으며, 지상의 이산화탄소의 지중 저장 역할까지 할 수 있으므로, 환경 친화적인 이점이 있다.
도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 가스 하이드레이트 포화도에 따른 고심도 지반의 탄성파 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 가스 하이드레이트 포화도에 따른 고심도 지반의 강성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 가스 하이드레이트 원료를 고심도 지반에 주입하여 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성함으로써 앵커 및 파이프의 인발강도가 증가되는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성함으로써 해저터널 및 수중터널 주변 지반의 강도가 증가되는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성하여 삼축압축시험을 수행한 개략도이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 가스 하이드레이트(gas hydrate)-흙 혼합물을 포함하는, 지반 보강재를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이를 고결화하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 고압 및 저온 환경에서 가스 하이드레이트가 응결되어 흙 입자 사이를 고결화함으로써 형성되는 것이며, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 주변의 고심도 지반에 비해 압축강도 및 전단강도가 증가된 것이므로 지반 보강재로 활용될 수 있는 특징이 있다. 아울러, 상기 가스 하이드레이트는 고압, 저온의 해수에서도 용해되지 않으며 오히려 그 응력이 증가되는 것이므로 본원의 지반 보강재는 종래의 시멘트계 보강재에 비해 수중에 보다 적합한 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 메탄 또는 이산화탄소를 포함하는 것일 수 있다. 지금까지 가스 하이드레이트에 대해서는, 고심도의 지반에 매장된 가스 하이드레이트를 손실없이 수득하는 것에 집중되어 연구되고 있다. 그러나, 본원은 지상의 가스를 이용하여 고심도의 지반에서 의도적으로 가스 하이드레이트를 형성함으로써 친환경적이고 보강 효과가 우수한 지반 보강재를 제공할 수 있으며, 이는 지금까지 연구와는 다른 새로운 패러다임으로의 변화라고 볼 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 포함하는 지반 보강재는, 상기 가스 하이드레이트가 자연 존재 물질과 유사하므로 환경 유해성, 독성이 거의 존재하지 않으며, 지상의 이산화탄소의 지중 저장 역할까지 할 수 있으므로, 환경 친화적인 이점이 있다. 자연 상태의 가스 하이드레이트는 0℃ 26기압, 10℃ 76기압 등의 저온, 고압 조건하에서 천연가스가 물분자와 결합하여 형성된 고체상태의 결정으로 물 분자 내부에 메탄으로 구성된 가스분자가 포집된 상태로 존재한다. 본원의 가스 하이드레이트는 지상의 메탄 또는 이산화탄소를 저온 및 고압 환경에 주입함으로써 형성되는 것이며 상기 자연 상태의 가스 하이드레이트와 매우 유사한 물질이다. 따라서, 본원의 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 환경 친화적이며 동시에 지상의 이산화탄소의 저장소의 역할까지 할 수 있으므로, 지반 보강과 이산화탄소 저장의 이중 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트의 포화도는 40% 이상 인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 하이드레이트의 포화도는 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 또는 80% 이상일 수 있으며, 최대 100%로 존재할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙은 모래, 실트질 모래, 모래질 실트, 실트, 점토, 자갈질 흙 및 모래질 흙 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 가스 하이드레이트는 투수계수가 높은 지반, 예를 들어 사질토 지반에서 보다 용이하게 형성될 수 있으며, 투수계수가 낮은 점성토에서는 상기 가스를 높은 압력으로 주입함으로써 상기 가스 하이드레이트를 형성할 수 있다. 따라서, 본원은 투수계수가 높거나 낮은 지반에 관계없이 상기 가스 주입을 통해 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성함으로써 친환경적인 지반 보강재를 제공할 수 있는 이점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이의 공간을 충진함으로써 투수계수를 감소시키는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이의 공간을 충진함으로써 40% 포화도 기준 투수계수를 1/40배 감소시키는 것일 수 있으며 더 높은 포화도의 가스 하이드레이트 형성 시 투수계수 감소 효과가 증대되어 약 1/100배까지 감소시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이를 고결화하는 것이며, 이에 따라 상기 흙 입자 사이의 공간을 충진하여 물 분자의 이동을 제한함으로써 차수 효과가 나타나는 것일 수 있다. 상기 차수 효과가 나타남으로써 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 지반 보강재로서 역할을 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 상기 흙 100 중량부에 대하여 상기 가스 하이드레이트를 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 상기 흙 100 중량부에 대하여 상기 가스 하이드레이트를 0.1 중량부 내지 20 중량부, 0.1 중량부 내지 18 중량부, 0.1 중량부 내지 16 중량부, 0.1 중량부 내지 14 중량부, 0.1 중량부 내지 12 중량부, 0.1 중량부 내지 10 중량부, 0.1 중량부 내지 8 중량부, 0.1 중량부 내지 6 중량부, 0.1 중량부 내지 4 중량부, 0.5 중량부 내지 10 중량부, 0.5 중량부 내지 8 중량부, 0.5 중량부 내지 6 중량부, 0.5 중량부 내지 4 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부, 1 중량부 내지 8 중량부, 1 중량부 내지 6 중량부 또는 1 중량부 내지 4 중량부일 수 있다. 상기 가스 하이드레이트의 함량의 조절을 통해 적절한 고결화도와 투수 계수를 가지는 혼합물을 제조할 수 있으며, 상기 가스 하이드레이트의 함량이 20 중량부를 초과하면 가스 하이드레이트가 서로 뭉쳐 원하는 물성이 형성되지 않는 문제가 발생하고, 0.1 중량부 미만이면 고결화가 이루어 지지 않아 지반 보강재로의 형성이 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 가스 하이드레이트 원료 및 촉진제를 포함하는, 지반 보강재용 조성물을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트 원료는 메탄 또는 이산화탄소를 포함하는 것일 수 있다. 상기 가스 하이드레이트 원료가 상기 지반에 주입되는 경우 지반의 온도와 압력에 의해 가스 하이드레이트가 형성될 수 있으며, 상기 가스가 지반에 주입되어 흙 입자 사이의 공극에 존재하는 물과 반응하여 가스 하이드레이트가 형성될 수 있다. 상기 형성되는 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이를 고결화시키는 것으로서, 상기 고결화를 통해 가스 하이드레이트-흙 혼합물이 형성되고, 이는 지반 보강재의 역할을 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉진제는 도데실 황산 나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS), 그래핀 또는 둘 모두를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 촉진제는 가스 하이드레이트의 형성 속도를 증가시키는 것; 또는 가스 하이드레이트 형성에 필요한 온도 및 압력 조건을 완화시키는 것일 수 있다. 아울러, 상기 촉진제는 큰 표면적을 가지는 것으로서, 상기 가스가 물과 반응할 수 있는 활성 자리를 제공함으로써 상기 가스 하이드레이트의 형성을 촉진시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉진제는 상기 지반 보강재용 조성물 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 0.5 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 촉진제는 상기 지반 보강재용 조성물 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 0.5 중량부, 0.01 중량부 내지 0.3 중량부, 0.01 중량부 내지 0.2 중량부, 0.01 중량부 내지 0.1 중량부, 0.03 중량부 내지 0.5 중량부, 0.03 중량부 내지 0.3 중량부, 0.03 중량부 내지 0.1 중량부, 0.05 중량부 내지 0.5 중량부, 0.05 중량부 내지 0.3 중량부 또는 0.05 중량부 내지 0.1 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 촉진제는 상기 지반 보강재용 조성물 100 중량부에 대해 0.05 중량부 내지 0.1 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 가스가 주입되는 지반에 따라 상기 촉진제의 함량이 달라질 수 있으며 상기 지반의 온도 및/또는 압력이 높은 경우에는 상기 촉진제의 함량이 매우 적어도(약 0.01 중량부) 상기 가스 하이드레이트가 형성될 수 있으나, 상기 지반의 온도 및/또는 압력이 낮은 경우에는 높은 함량(약 0.5 중량부)의 촉진제가 필요하다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 지반 보강재를 이용한, 지반의 보강 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 보강재는 가스 하이드레이트 원료를 상기 지반에 주입하여 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성함으로써 제공되는 것일 수 있다. 상기 지반 보강재는 주변의 지반에 비해 강도가 증가된 것이므로 목적하는 부분의 지반의 강도를 증진시키는 것일 수 있다. 상기 가스 하이드레이트는 고온 및 고압의 고심도 부근에서 보다 잘 형성될 수 있으므로, 상기 지반이 고심도의 지반일 경우 보다 우수한 보강 효과가 나타날 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트 원료는 가스를 포함하는 것으로서, 메탄 또는 이산화탄소를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 하이드레이트 원료의 주입압은 상기 지반 내부의 공극압에 비해 높으며, 상기 지반의 전단강도에 비해 낮은 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 하이드레이트 원료의 주입압이 상기 지반 내부의 공극압에 비해 낮은 경우 상기 가스 하이드레이트 원료가 흙 입자 사이에 고르게 분포되어 응결을 통한 고결화를 이루기 어려울 수 있으며, 상기 지반 전단강도 비해 높은 경우에는 원료 주입이 상기 지반의 변형을 유발하여 상기 지반이 교란되거나 파괴될 위험이 있으므로 지반 보강재로 역할하지 못할 문제점이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반은 해저 지반; 수중 지반; 또는 고온 및 저온의 지반을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 지반은 고심도의 해저 지반일 수 있으며, 이 경우 해저 지반에서 사용되는 앵커 및 파일의 인발강도를 증가시키는 것일 수 있다. 또한, 상기 지반은 고심도의 해저 터널 및 수중 터널을 시공하는 지반일 수 있으며, 상기 지반의 보강은 해저 터널의 연약지반의 보강 또는 수중 터널 지반의 접속부 주변의 연약지반 보강을 포함하는 것일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 메탄 또는 이산화탄소 가스를 촉진제와 함께 고심도의 지반에 주입함으로써 형성될 수 있으며, 이때 상기 주입은 주입 시설의 고압을 통해 이루어 지는 것일 수 있다. 또한, 상기 메탄 또는 이산화탄소가 주입되어 형성된 하이드레이트는 고심도 지반의 강도를 증진시킴으로써 지반 보강 효과를 발휘할 수 있으며, 앵커 및 파일의 인발강도를 증진시키고 해저 터널의 연약지반 또는 수중 터널 지반의 접속부 주변의 연약지반의 강도를 증진시킬 수 있다.
제 1 내지 제 3 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 제 1 측면 내지 제 3 측면 모두에 적용될 수 있다.
<실시예>
실시예. 가스 하이드레이트-흙 혼합물의 형성과 포화도에 따른 탄성파 속도 변화 및 지반의 강도 변화 측정
이산화탄소 기체와 물을 주입하고 온도 및 압력 조건을 충족시킴으로써 가스 하이드레이트를 형성시켰다. 이후에 삼축압축시험을 수행하여 가스 하이드레이트 포화도에 따라 탄성파 속도를 측정하는 동시에 지반의 강도 변화 특성을 파악하였다 (도 6). 구체적으로, 삼축압축시험을 통해 지반의 초기 응력을 원하는 값까지 조절하여 주입된 가스 하이드레이트 원료가 응결되었을 때 가스 하이드레이트-흙 혼합물이 형성되었으며, 지반의 변화된 물성에 대해 분석하였다. 지반 시료의 전방향에서 큰 구속압이 가해지고 있는 상태에서 매우 적은 축방향 변형율을 지속적으로 발생시키면 지반 시료에서 전단파괴가 발생하게 되는데, 상기 과정에서 시료를 통과시키도록 설치해둔 장치를 이용해 탄성파 속도를 측정할 수 있으며 (도 1), 상기 과정에서 변형율 대비 지반에 가해지는 축차응력을 측정하여 강성을 측정할 수 있다 (도 2).
상기 실시예에서 형성된 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 가스 하이드레이트 포화도의 증가에 따라 탄성파가 점차 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 종래 알려진 모델 및 다양한 가스 하이드레이트와 비교할 때 유사한 변동성을 나타냈다 (도 1). 아울러, 상기 실시예에서 가스 하이드레이트의 포화도에 따라 정규화된 영률(Young's modulus)이 점차 증가하는 것으로 나타났으며 종래 알려진 모델이나 선행 연구의 실험 결과들과 유사하게 선형적으로 나타나는 것으로 확인하였다 (도 2). 이로써, 본 실시예에서 형성된 가스 하이드레이트-흙 혼합물이 목적하는 바대로 잘 만들어졌음을 확인하였다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 가스 하이드레이트(gas hydrate)-흙 혼합물을 포함하는, 지반 보강재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이를 고결화하는 것인, 지반 보강재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스는 메탄 또는 이산화탄소를 포함하는 것인, 지반 보강재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트의 포화도가 40% 이상인 것인, 지반 보강재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흙은 모래, 실트질 모래, 모래질 실트, 실트, 점토, 자갈질 흙 및 모래질 흙 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 지반 보강재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트는 상기 흙 입자 사이의 공간을 충진함으로써 투수계수를 감소시키는 것인, 지반 보강재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트-흙 혼합물은 상기 흙 100 중량부에 대하여 상기 가스 하이드레이트를 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함하는 것인, 지반 보강재.
  8. 가스 하이드레이트 원료 및 촉진제를 포함하는, 지반 보강재용 조성물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트 원료는 메탄 또는 이산화탄소를 포함하는 것인, 지반 보강재용 조성물.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉진제는 도데실 황산 나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS), 그래핀 또는 둘 모두를 포함하는 것인, 지반 보강재용 조성물.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉진제는 상기 지반 보강재용 조성물 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 0.5 중량부로 포함되는 것인, 지반 보강재용 조성물.
  12. 제 1 항에 따른 지반 보강재를 이용한,
    지반의 보강 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 지반 보강재는, 가스 하이드레이트 원료를 상기 고심도 지반에 주입하여 가스 하이드레이트-흙 혼합물을 형성함으로써 제공되는 것인, 지반의 보강 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 지반은 해저 지반; 수중 지반; 또는 고온 및 저온의 지반을 포함하는 것인, 지반의 보강 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트 원료의 주입압은 상기 지반 내부의 공극압에 비해 높으며, 상기 지반의 전단강도에 비해 낮은 것인, 지반의 보강 방법.
KR1020200151063A 2020-11-12 2020-11-12 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법 KR20220064689A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200151063A KR20220064689A (ko) 2020-11-12 2020-11-12 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법
PCT/KR2021/016133 WO2022103098A1 (ko) 2020-11-12 2021-11-08 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 해저 지반의 보강 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200151063A KR20220064689A (ko) 2020-11-12 2020-11-12 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220064689A true KR20220064689A (ko) 2022-05-19

Family

ID=81601506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200151063A KR20220064689A (ko) 2020-11-12 2020-11-12 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20220064689A (ko)
WO (1) WO2022103098A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115749787A (zh) * 2022-11-21 2023-03-07 中国海洋大学 一种喷洒二氧化碳固化海底稀软底质的系统与方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100220563B1 (ko) 1997-04-03 1999-09-15 이상근 수중콘크리트 구조물 보수보강재

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2745224B2 (ja) * 1989-01-31 1998-04-28 日本ソイル工業株式会社 地盤の改良工法およびその装置
KR100736715B1 (ko) * 2006-09-27 2007-07-09 한우선 토양 속성고결공법
KR20120023300A (ko) * 2010-09-01 2012-03-13 한국화학연구원 천연가스 하이드레이트 제조용 디술포네이트계 촉진제
JP5748985B2 (ja) * 2010-11-24 2015-07-15 一般財団法人電力中央研究所 ガス・ハイドレートの生成促進方法並びにガス資源の増進回収法
JP2019163623A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 国立大学法人神戸大学 二酸化炭素を利用した地盤改良方法及び地盤改良システム

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100220563B1 (ko) 1997-04-03 1999-09-15 이상근 수중콘크리트 구조물 보수보강재

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115749787A (zh) * 2022-11-21 2023-03-07 中国海洋大学 一种喷洒二氧化碳固化海底稀软底质的系统与方法
CN115749787B (zh) * 2022-11-21 2023-06-23 中国海洋大学 一种喷洒二氧化碳固化海底稀软底质的系统与方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022103098A1 (ko) 2022-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Grouting techniques for the unfavorable geological conditions of Xiang'an subsea tunnel in China
Miao et al. Properties and applications of cement-treated sand-expanded polystyrene bead lightweight fill
Federico et al. On the mechanical behaviour of dredged submarine clayey sediments stabilized with lime or cement
KR20220064689A (ko) 가스 하이드레이트를 포함하는 지반 보강재, 및 이를 이용한 고심도 지반의 보강 방법
US4808038A (en) Method for installing a hollow closed bottom pile
Liu et al. Characterization of the interface between concrete pile and coral reef calcarenite using constant normal stiffness direct shear test
Chai et al. Investigation of Engineering Properties of Cement‐Stabilized Calcareous Sand Foundation
Wang et al. Experimental study on characteristics of seismic damage and damping technology of absorbing joint of tunnel crossing interface of soft and hard rock
Watts Some aspects of high pressures in the D-7 zone of the Ventura Avenue field
Heneash et al. Utilization of ionic organic polymer to improve performance and properties of problematic soils
Zhang et al. Experimental study on the deformation and strength characteristics of saturated clay under cyclic loading
CN109206094B (zh) 回填泥浆及其制备方法和应用
Zhu et al. Elastic-plastic solution and experimental study on critical water pressure inducing hydraulic fracturing in soil
Palix et al. Liwan 3-1: how deepwater sediments from South China Sea compare with Gulf of Guinea sediments
Yang et al. Experimental study on mechanical behavior of lean cemented sand and gravel material in unloading and reloading paths
Wang et al. Dynamic Shear Properties of Recycled Waste Steel Slag Used as a Geo‐Backfill Material
Prabhakaran et al. Polymer injection and associated site liquefaction remediation mechanisms
Zhang et al. Lateral movements of long-driven piles during pile driving
Wang* et al. Impact of polymer or surfactant flooding on permafrost stability
Detournay et al. Some new examples of poroelastic effects in rock mechanics
Qiu et al. Uniaxial compression test of cement-solidified dredged slurry columns encased with geogrid
Zhang et al. Application of polymer grouting reinforcement technology in the treatment of slope collapse
Xing et al. Experimental study of physical and mechanical properties of chemically grouted sand and gravel
Karumanchi et al. Influences of the geotechnical characteristics on the durability and tensile strength of soil with additives-A review
Pittaro Use of pressure relief wells to optimize ground improvement layer thickness in deep excavations

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application