• 대한토목학회논문집
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• 제38권4호
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• pp.555-565
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• 2018

최근 임시 지보, 보강 및 지하수 차수와 같은 다양한 지질공학분야에서 차수 및 지반보강 공법으로 인공동결공법(artificial ground freezing method)이 적용되고 있다. 인공동결공법은 지중에 매설된 동결관 내로 냉매를 순환시켜 대상 지반에 차수벽 및 지지체의 역할을 할 수 있는 동결벽체(frozen wall)를 형성한다. 본 연구에서는 해성 점토지반(marine clay)에 대한 인공동결공법 현장실증시험을 수행함으로서 인공동결공법에 따른 해성 점토지반에서의 동결속도(freezing rate)를 평가하였다. 현장실증시험은 지중에 3.2m 깊이로 매설된 동결관 내로 초저온 냉매인 액화질소를 순환시키는 방법으로 단일공 시험과 동결벽체 형성 시험을 수행하였다. 자동밸브를 통해 유출되는 액화질소의 온도를 일정하게 유지시켰으며, 동결과정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다. 시험결과, 단일공 시험은 부피가 약 $2.12m^3$인 원기둥 모양의 동결체를 형성하는데 총 3.5일 동안 약 11.9ton의 액화질소가 소요되었고, 동결벽체 형성 시험은 부피 약 $7.04m^3$의 동결벽체를 형성하는데 총 4.1일 동안 약 18ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다. 임의의 깊이에서 동결면적이 동결반경의 제곱에 비례하기 때문에 동결반경이 증가할수록 방사방향 1차원 동결속도가 감소하였고, 이를 바탕으로 방사방향 1차원 동결속도 예측식을 제시하였다.

• 대한자원환경지질학회:학술대회논문집
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• 대한자원환경지질학회 2007년도 춘계 지질과학기술 공동학술대회
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• pp.316-318
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• 2007

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권5호
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• pp.431-443
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• 2014

본 연구는 고수압 해저터널의 차수를 위한 동결공법 적용성 평가를 위해 국내 적용사례가 없는 동결공법의 해외 시공사례를 조사하였으며, 지반 동결공법에서 보편적으로 사용하는 냉매인 브라인(brine)과 액체질소($LN_2$)에 대한 분석을 수행하였다. 고수압 조건의 해수는 순수한 물에 비하여 어는 점이 더 낮기 때문에 지상에서보다 동결시간이 더 길 수 있고 해저터널과 같이 폐쇄된 공간에서의 적용 시 냉매는 안정성을 확보할 수 있어야 하고 공기 단축이 가능해야 한다. 브라인은 재사용이 가능하고 독성이 적어 인체에 미치는 영향이 적으나, 동결에 상대적으로 장시간 필요하고 동결장비가 복잡한 특징을 가지고 있으며, 액체질소는 냉매의 재사용이 불가하며 기화 시 공기 중 질소농도 증가로 질식의 위험성이 있으나, 상대적으로 동결시간이 짧으며, 동결장비가 간단한 특징을 가지고 있는 것으로 파악되었다. 또한 향후 추가적인 연구가 필요한 해저터널 연결구 및 막장면 주변 지반에 대한 동결공법의 주요 설계요소를 도출하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권2호
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• pp.255-268
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• 2018

해저터널은 시공중 예측치 못한 고수압으로 인한 해수 침투가 발생할 가능성이 매우 크다. 이에 고수압조건에서 차수 및 보강효과가 탁월한 인공 동결 공법의 적용이 대두되고 있다. 본 연구에서는 인공 동결 공법에 필요한 냉매량을 산정하기 위해 열흐름 에너지 이론 모델에 의한 이론적인 값을 계산하고, 동결 챔버 실험결과 및 수치해석결과와의 비교를 통해 적정성을 검증하였다. 염분과 수압에 따른 열적 역학적 특성 변화를 규명하기 위해 동결용 챔버를 제작하여 염분과 수압 조건에 따라 사질토의 동결 시간을 파악하였다. 또한, 이론값과 수치해석 결과의 동결 시간은 유사한 경향을 확인하였다. 동결공법의 냉매량은 수치해석의 결과를 기반으로, 동결 챔버 실험을 통해 동결 효율의 결과와 이론식을 통한 동결 유지를 위한 에너지 비율을 적용하여 산정하였다. 동결유지를 위한 에너지 비율은 해저터널의 토피고와 해저면의 수온에 따라 좌우될 것으로 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제36권12호
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• pp.17-25
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• 2020

인공동결 공법은 지반에 영구적인 영향을 초래하지 않는 지반개량 공법으로 인공동결 공법의 효율성 및 설계기준을 결정하는 핵심인자는 물의 흐름이다. 따라서 인공동결 공법을 적용하기 위해서는 동결구근 및 벽체 형성에 물의 흐름이 미치는 영향에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 물의 흐름이 동결구근 및 벽체 형성에 미치는 영향을 극대화하기 위해 순수한 물을 활용한 실내실험과 수치해석 연구를 수행하였다. 열-수리 연계 해석모델을 새롭게 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며, 유량이 동결벽체 형성 시간 및 형상을 결정짓는 핵심인자임을 확인하였다. 나아가, 동결구근 및 벽체를 가시적으로 확인하기 어려운 지반에서 활용성이 높을 것으로 예상되는 동결벽체 형성 시간을 간접적으로 예측할 수 있는 방안을 새롭게 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권1호
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• pp.31-48
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• 2019

인공동결공법(artificial ground freezing method)은 연약지반 및 도심지에서의 지하구조물 시공에 적합한 차수 및 지반보강 공법이다. 인공동결공법은 동결관(freezing pipe)을 지중에 매설한 후 냉매(refregerant)를 순환시켜 대상 지반에 차수벽 및 지지체의 역할을 수행하는 동결벽체(frozen wall)를 형성한다. 그러나 간극수의 동결에 따른 간극수의 부피팽창은 지반의 변형을 야기시킬 수 있고, 시공완료 후 동결토의 융해에 따른 지반의 소성변형 및 입자의 재배치 등은 지반의 역학적 특성을 변화시킨다. 본 논문에서는 인공동결공법에 따른 해성 점토지반(marine clay)의 동결속도를 평가하기 위하여 인공동결공법 현장실증시험을 수행하였다. 현장실증시험은 지중에 3.2 m 깊이로 매설된 동결관 1공 내로 초저온 냉매인 액화질소를 순환시키는 방법으로 수행되었다. 또한, 원지반과 인공동결공법에 의해 동결/융해된 지반에 대한 피에조 콘 관입시험(piezo cone penetration test, CPTu) 및 공내재하시험(lateral load test, LLT)을 수행함으로써 동결/융해(freezing-thawing)에 따른 해성 점토지반의 강도 및 강성 특성의 변화를 평가하였다. 시험결과, 부피가 약 $2.12m^3$인 원기둥 모양의 동결체를 형성하는데 총 3.5일이 동안 약 11.9 ton의 액화질소가 소요되었다. 동결/융해에 따른 지반의 강도 및 강성 저하는 각각 48.5%, 22.7%로 산정되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권5호
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• pp.401-412
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• 2016

고수압 조건의 해저터널 공사에 기존의 그라우팅 공법은 제한을 받게 되어 굴착작업이 어려울 수 있으나, 인공동결공법을 적용할 경우 신속한 차수 및 지반보강 효과를 얻을 수 있다. 인공동결공법을 적용할 경우, 동결 조건에 따라 동결토의 거동이 크게 변화하므로 기존의 연구 사례를 바탕으로 해저지반 등 특수한 조건에서 동결토의 역학적 거동을 예측하는 것에는 한계가 있다. 또한, 인공동결공법의 설계를 위해서는 동결체 형성에 필요한 소요시간 및 동결범위를 산정해야 하며, 해저지반의 경우 간극수 내 염분의 영향을 반영해야 한다. 본 논문에서는 동결토의 열적 특성을 파악하기 위해 인조규사 시료에 대한 실내 열전도도 측정시험과 동결챔버시험을 수행하였다. 동결토와 비동결 포화토 간극수의 염도를 조절하여 동결 과정과 염분에 따른 유효 열전도도를 비정상 열선법을 적용하여 측정하였다. 인조규사 간극수의 염도에 의한 동결특성 변화를 파악하기 위해 동결챔버를 설계 및 제작하였고 이를 통하여 동결 조건을 변화시키며 동결챔버시험을 수행하였다. 동결 조건에 따른 시료내 온도 변화를 분석하고 이를 통해 동결 조건이 사질토의 열전달 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 비동결 포화토의 경우는 간극수가 담수(염도 0%)인 조건과 염수(염도 3.5%)인 조건 모두 유효 열전도도가 유사하게 평가되었으나, 동결토의 경우는 간극수가 염수인 조건이 보다 큰 유효 열전도도를 보였다. 이는 동결챔버시험에서 간극수가 염수인 조건이 담수인 조건보다 동결속도가 더 빠른 결과와 일치한다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제8권3호
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• pp.35-44
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• 2009

본 연구는 유류나 각종 비수용성오염물질로 오염된 지반에 인공동결공법을 이용한 차수벽을 형성하여 지하수의 이동으로 인한 오염물질의 확산을 방지하기 위한 기초적 실험결과이다. 즉, 인공동결공법을 사용하여 동결차수벽을 형성하는데 있어 각각 포화도가 80%, 90%인 시료를 조성하여 동결모형실험을 수행하였다. 인공동결공법을 이용하여 형성시킨 동결차수벽이 동결시간이 길어짐에 따라 포화도 90%인 시료가 포화도 80%인 시료보다 1시간정도 차수벽이 빨리 형성되었다. 또한, 동결진행시간 12시간 이후의 동결차수벽은 두 시료 모두 가장 얇게 형성된 곳이 50mm의 두께로 형성되어 시간에 따른 동결영역확대로 폐기물 매립지 및 오염지역의 차폐를 위한 차수벽, 오염물질 흐름제어 등에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제15권3호
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• pp.57-66
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• 2016

본 연구에서는 강관압입 공법 적용 시 굴착 선단부에서 수리학적 또는 역학적 불안정으로 인해 발생 가능한 붕괴를 방지하는 목적으로 액체질소를 주입하여 굴착선단부를 안정화하는 공법에 관하여 연구하였다. 강관압입 공법 적용 시 오거 내 중공(中空)에 액체질소 주입관(호스)를 넣어 오거 선단부에 액체질소를 분사하는 방식을 고안하였다. 실내 실험을 위해 직경이 1,000 mm인 강관압입관을 기준으로 1/5축소 모형오거 및 토조를 제작하였다. 화강풍화토로 지반을 조성하여 함수비를 변화시켜가며 액체질소를 주입한 결과 오거 선단부에 동결 구근이 형성되어 강관압입공법 시공 시 발생 가능한 붕괴를 막을 수 있는 것으로 확인되었다. 액체질소를 이용한 동결공법은 지반이 모래일 때 보다는 소성이 있는 화강풍화토일 경우 더 효과적이었으며, 화강풍화토 지반의 경우 함수비가 최적함수비 이상일 경우 동결효율이 증가하는 것을 확인하였다. 액체질소 분사시간이 길어질수록 동결범위가 더 커졌으며 인위적으로 함수비를 급격히 증가시켜 수리학적 불안정을 유발해 보았더니 강관과 오거 전면의 지반이 약 120~300초 이내에 동결 되어 관으로 흙이 유입되지 않았으며, 차수효과가 있는 것으로 분석되었다. 이번 연구에서는 강관압입공법 안정화에 미치는 주요 인자에 대하여 액체질소를 이용하여 강관압입공법 시공 시 역학적 수리학적인 불안정이 발생할 경우, 화강풍화토 지반의 경우 붕괴를 막을 수 있는 효율적인 방법이 될 수 있다는 것을 확인하는데 큰 의의를 둔다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제10권2호
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• pp.29-34
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• 2011

본 연구에서는 유류나 각종 비수용성 오염물질(DNAPL)로 오염된 지반에 인공동결공법을 이용한 차수벽을 형성하고 지하수의 이동으로 인한 오염물질의 확산 방지 효과를 확인하기 위한 초기연구로 인공동결공법을 통한 동결차수벽을 형성하기 위하여 모형실험을 수행하였다. 동결차수벽 형성의 확인을 위하여 실험조건에 따른 동결범위와 동결토의 강도를 분석하였다. 동결범위를 확인하기 위한 실험조건은 포화도가 80%, 90%인 표현을 실트를 대상으로 하였다. 또한, 동결토의 강도특성은 다짐도와 포화도를 변경하여 동결을 실시하였고, 일축압축강도 실험을 통하여 확인하였다.