- 영하 10°C에서도 안정성 확보 가능한 지반 다짐 기술 개발

- 유기질 지반 다짐 특성 평가 및 동결·융해 고려한 시뮬레이션 모델 구축

- 캐나다 현장 조건 100% 재현한 현장 실증 계획

한국건설기술연구원이 북극권 에너지자원 플랜트 건설을 위해 영하 10°C에서도 안정성을 유지할 수 있는 지반 다짐 기술을 개발했다. 이 기술은 유기질 지반 다짐 특성을 평가하고 동결·융해를 고려한 시뮬레이션 모델을 구축하여, 캐나다 현장 조건을 100% 재현한 현장 실증을 계획하고 있다.

▲북극권 자원개발을 위한 지반 다짐 기술 개념도

한국건설기술연구원(이하 건설연)은 북극권 에너지자원 플랜트 건설을 위해 영하 10℃의 저온 환경에서도 안정성을 확보할 수 있는 지반 다짐 기술을 개발했다.

북극권의 비전통오일은 2000년도 이후 생산되기 시작했으며, 약 9조 배럴의 가채매장량으로 전통오일의 약 4조 배럴 대비 2배 이상이라고 보고되고 있다. 특히 캐나다의 오일샌드 매장량은 전 세계 매장량의 71.6%에 달하며 하루 약 300만 배럴이 생산되고 있다. 

오일샌드가 많이 매장되어 있는 캐나다 애서배스카(Athabasca) 지역은 고위도에 있어 동절기가 길고 겨울철 최저기온이 약 영하 20℃까지 떨어지며, 지반이 얼고 녹는 과정에서 지표면의 융기와 침하가 반복된다.

특히, 오일샌드 매장지역에는 동결·융해에 민감한 유기질토가 많이 분포되어 있어 겨울철 지표면이 융기되고 침하하는 양이 일반적인 지반보다 크게 발생한다.

이에 건설연 북방인프라특화팀(팀장 김영석 선임위원)에서는 저온 환경에서도 유기질 지반의 다짐을 확보할 수 있는 지반 다짐 기술과 동결·융해를 고려한 지반 거동 시뮬레이션 모델을 자체 개발하였다.

우선 유기질토의 저온 다짐 특성을 평가하기 위하여 영하 20℃까지 온도 조절이 가능한 냉동 체임버에서 실내 다짐시험을 수행하였다. 규사와 캐나다산 유기질토를 혼합하는 방법으로 캐나다 유기질 지반을 재현하였으며, 이 과정에서 -4℃에서 다짐 곡선을 확보할 수 있는 실내 다짐시험 장비를 개발하였다.

이와 더불어 경기도 연천군에 위치한 건설연 SOC실증연구센터에서 실규모(폭 8m×길이 8m×깊이 3m)의 현장 다짐시험장을 구축하였다. 동절기에 캐나다 유기질 지반을 조성하고 최대 약 영하 10℃의 저온 환경에서 동결·융해에 따른 지표면 융기 및 장기 침하 특성을 평가하였다. 실내 다짐시험과 연계하여 유기질 지반의 다짐도를 확보할 수 있는 현장 다짐 기법을 검증하였으며, 반복적인 동결·융해에 따른 거동 분석을 위하여 장기 모니터링을 수행 중이다.

또한 동결·융해를 고려한 지반 거동 시뮬레이션 모델도 구축하였다. 실제 측정된 온도 데이터를 적용하여 뒤채움 지반의 동결·융해를 모사하고, 이에 따른 토압 및 변위를 평가하였다. 이 모델은 현장 다짐시험 계측 결과와 수치해석 결과를 비교하여 검증하였으며, 실제 측정된 온도 데이터를 통해 지반의 동결·융해를 모사하기 때문에 현장의 저온 환경을 100% 재현할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 연구개발 성과에 대한 성능 및 실용화를 검증하기 위하여 건설연 SOC실증연구센터에서 현장 실증을 계획하고 있다. 이 현장 실증은 상용 오일 파이프라인을 직접 매설하고 저온 환경을 조성할 수 있는 시스템을 구축함으로써 캐나다 현장 조건을 100% 재현한 상태에서 다양한 조건의 성능 평가가 가능하리라 기대된다. 그뿐만 아니라 한국지질자원연구원, 캐나다 현지 자원개발 업체인 PetroFrontier Corp.와의 국제공동연구를 통해 개발 기술의 캐나다 현장 실증(300배럴/일)을 검토 중이다.

개발 기술은 0℃ 이하의 저온 환경에서도 지반 다짐이 가능하여, 북극권과 같이 동절기가 긴 지역에서도 충분한 공사기간을 확보할 수 있다. 또한 우크라이나의 흑토지대와 같이 유기질토가 많은 지역에서 동결·융해로 인한 지표 변위를 최소화할 수 있을 것이라 판단된다.

건설연 박선규 원장은“이번 연구를 통해 동절기 토공사의 공사기간을 확보하기 위한 핵심 기술을 개발한 것으로, 우리나라 기업들의 미래 북극권 플랜트 건설 신시장 개척에 기여할 수 있게 되었다”라면서 “연구 개발을 통해 국내 유관 기관, 기업 등에 관련 기술 등을 공유할 수 있도록 노력하겠다.”라고 밝혔다.

본 연구는 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행되었다(RS-2022-00143644, 오일 생산플랜트의 패키지화 설계 및 통합실증 기술개발, 주관연구기관 한국지질자원연구원).

▲뒤채움 지반 현장 다짐시험 순서

▲동결·융해를 고려한 지반 시뮬레이션 모델