연안지질공학

Offshore geotechnical engineering
멕시코 앞바다의 플랫폼.

연안지질공학은 지질공학의 하위 분야이다.바다에서 [1]인간이 만든 구조물의 기초 설계, 건설, 유지보수 및 폐로와 관련이 있다.석유 플랫폼, 인공 섬, 해저 파이프라인이 그러한 구조의 예이다.해저는 이러한 구조물의 무게와 가해지는 하중을 견딜 수 있어야 한다.지오하자드도 고려해야 한다.연안 개발의 필요성은 연안 또는 해안선 부근의 탄화수소 매장량이 점차 고갈됨에 따라 새로운 필드가 연안 및 [2]심해에서 개발되고 있으며 이에 따라 연안 현장 조사가 [3]조정되고 있기 때문이다.현재 7,000개 이상의 해상 플랫폼이 수심 2000m [2]이상에서 운영되고 있습니다.일반적인 필드 개발은 수십 평방 킬로미터에 걸쳐 확장되며, 해안선 또는 지역 [4]간선에 연결된 수출 파이프라인이 있는 여러 개의 고정 구조물, 내야 흐름선으로 구성될 수 있다.

육상 및 연안 지질공학의 차이점

연안 환경은 지질 공학에 몇 가지 영향을 미칩니다.여기에는 다음이 포함됩니다.[1][4]

  • 지반 개량(해저)과 현장 조사에는 비용이 많이 든다.
  • 토양 상태는 이례적이다(예: 탄산염, 얕은 가스).
  • 해상 구조물은 높이가 높으며, 종종 기초 위로 100미터(330피트) 이상 확장됩니다.
  • 해상 구조물은 일반적으로 상당한 횡하중(즉, 구조물의 무게에 대한 큰 모멘트 하중)과 씨름해야 한다.
  • 주기적 하중은 주요 설계 문제가 될 수 있습니다.
  • 연안 구조물은 더 넓은 범위의 지오해저드에 [5]노출되어 있다.
  • 코드와 기술 표준은 육상 개발에 사용되는 것과 다릅니다.
  • 설계는 변형이 아닌 극한 상태에 초점을 맞춥니다.
  • 공사 중 설계 수정은 실행 불가능하거나 비용이 많이 듭니다.
  • 이러한 구조물의 설계 수명은 종종 25년에서 50년 사이이다.
  • 고장 시 환경 및 재정 비용은 더 높아질 수 있습니다.

오프쇼어 환경

연안 구조물은 다양한 환경 부하에 노출된다. 바람, 파도, 조류, 그리고 차가운 바다에서는 해빙과 [6][7]빙산에 노출된다.환경 하중은 주로 수평 방향으로 작용하지만 수직 구성 요소도 있습니다.이러한 하중 중 일부는 기초(해저)로 전달됩니다.바람, 파도 및 현재 상태는 기상학 및 해양학 데이터를 통해 추정할 수 있으며, 이를 총칭하여 메트오션 데이터라고 한다.지진에 의한 하중이 발생할 수도 있습니다. 즉, 기초에서 구조물까지 반대 방향으로 진행됩니다.장소에 따라서는, 다른 지오하자드도 문제가 될 수 있습니다.이러한 모든 현상은 작동 수명 동안 구조물 및 기초의 무결성 또는 서비스 가능성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 현상은 연안 설계에서 고려해야 합니다.

토양의 성질

다음은 연안 환경의 [8]토양을 특징짓는 몇 가지 특성이다.

  • 토양은 침전물로 구성되어 있으며, 일반적으로 포화 상태로 가정되며 염수분이 모공 공간을 채운다.
  • 해양 퇴적물은 석회질 토양인 해양 유기체의 잔해뿐만 아니라 유해 물질로 구성되어 있다.
  • 총 퇴적물 두께는 지역별로 다르다. 일반적으로 해안선 근처는 먼 곳보다 높으며, 입자가 더 세다.
  • 경우에 따라서는 해저에 침전물이 없을 수 있는데, 이는 강한 바닥 조류 때문이다.
  • 토양의 응고 상태는 일반적으로 굳어진다(침전물의 퇴적 속도가 느리기 때문에), 과도하게 굳어진다(장소에서는 빙하의 잔재), 또는 저고화 상태(높은 침전물 유입으로 인해).

메트오션 측면

해상 구조물에 대한 파도 작용.

파력은 6가지 자유도 모두에서 부유 구조물의 움직임을 유도하며, 이는 연안 [9][note 1]구조물의 주요 설계 기준이다.파도의 궤도 운동이 해저에 도달하면, 그것은 침전물 수송을 유도한다.이는 얕은 물과 깊은 물 사이의 일반적으로 채택되는 경계인 약 200m(660ft)의 수심에서만 발생합니다.그 이유는 궤도 운동이 파장의 절반인 수심까지만 확장되고 가능한 최대 파장은 일반적으로 400m(1,300ft)[7]로 간주되기 때문이다.얕은 물에서는 파도에 의해 토양에 세공압이 축적되어 플로우 슬라이드가 발생할 수 있으며 플랫폼에 대한 반복적인 충격으로 액상화 및 [7]지지력 상실이 발생할 수 있습니다.

해류는 연안 구조물에 대한 수평 하중의 원천이다.베르누이 효과로 인해 구조 표면에 위아래로 힘을 가할 수 있으며 와이어 라인 및 [7]파이프라인의 진동을 유도할 수 있습니다.해류는 구조물 주변의 소용돌이의 원인이 되어 [7]토양의 유사와 침식을 일으킨다.해류에는 해양순환, 지질영양, 조석,[7] 풍력, 밀도류 등 다양한 종류가 있습니다.

지오하자드

두 가지 유형의 내진 프로파일(위: 차프, 아래:멕시코만 해저에 단층이 있는 물총.
연안 개발의 또 다른 잠재적 위험 요소인 가스 하이드레이트의 전세계 분포.
해저 조사에 사용되는 장치인 사이드 스캔 음파 탐지기의 예입니다.
Montrey Canyon 시스템의 3D 이미지. 멀티빔 에코 사운더에서 얻을 수 있는 것의 예입니다.

지구해자드는 지질활동, 지질학적 특징 및 환경조건과 관련되어 있습니다.얕은 지질 해자는 [10]해저 400미터(1,300피트) 이하에서 발생하는 것입니다.이러한 현상과 관련된 잠재적 위험에 대한 정보는 해저의 [11]지구물리학적, 지질학적 조사뿐만 아니라 관심 영역의 지형학, 지질학적 환경 및 구조학적 프레임워크 연구를 통해 획득된다.잠재적 위협의 예로는 쓰나미, 산사태, 활단층, 진흙 디아피르 및 토양층 특성(카르스트, 가스 하이드레이트,[10][12][13] 탄산염의 존재)이 있다.추운 지역에서는 얼음 파내기가 [14][15][16]파이프라인과 같은 해저 설비에 위협이 됩니다.특정 유형의 지오하자드(geohazard)와 관련된 위험은 구조물이 사건에 얼마나 노출되었는지, 이 사건의 심각성 및 발생 빈도에 대한 함수이다(일시적 사건의 경우).모든 위협은 감시, 완화 또는 [17][18]제거되어야 합니다.

현장 조사

연안 현장 조사는 육지에서 수행되는 것과 다르지 않다(지질학적 조사 참조).이러한 단계는 [19]다음 3단계로 나눌 수 있습니다.

  • 데스크 스터디. 데이터 컴파일을 포함합니다.
  • 지구물리학적 조사, 얕은 해저와 깊은 해저 침투.
  • 채취/시추 및 현장 테스트를 포함하는 지질 기술 조사.

데스크 스터디

(프로젝트 규모에 따라) 수개월에 걸쳐 진행되는 이 단계에서는 리스크 평가, 설계 옵션 평가 및 후속 단계 계획을 목적으로 보고서, 과학 문헌(저널 기사, 회의 의사록) 및 데이터베이스 등 다양한 소스로부터 정보가 수집됩니다.해수측량학, 지역지질학, 잠재적 지구해저드, 해저 장애물 및 해양 데이터는[19][20] 이 단계에서 요구되는 정보 중 일부입니다.

지구물리학적 조사

지구물리학 조사는 다양한 목적으로 사용될 수 있다.하나는 관심 위치의 수심계를 연구하고 해저의 이미지(불규칙성, 해저 물체, 측면 변동성, 얼음 구멍 등)를 만드는 것이다.지진 굴절 조사는 얕은 해저 지층에 대한 정보를 얻기 위해 수행될 수 있습니다. 또한 인공 섬 [21]건설에 사용할 모래, 모래 퇴적물, 자갈과 같은 물질의 위치를 찾는 데 사용될 수 있습니다.지구물리학적 조사는 음파탐지장치와 싱글빔 및 멀티빔 에코사운더, 사이드스캔 음파탐지장치, 타우피쉬, 원격조작차량(ROV)[22][23] 등 관련 장비를 갖춘 연구선에서 실시된다.하부 층서에는 부머, 스파커, 핑거, 채프 [24]등이 사용됩니다.일반적으로 지구물리학적 조사는 지질학적 조사를 수행하기 전에 필요하다. 대규모 프로젝트에서는 이러한 단계가 서로 얽혀 [24]있을 수 있다.

지질 조사

지질 기술 조사에는 표본 추출, 시추, 현장 시험뿐만 아니라 앞바다 및 (샘플을 사용하여) 육지에서 실시하는 실험실 토양 시험도 포함된다.그것들은 지구물리학적 조사 결과에 근거하고, 해저 지층학 및 토양 공학 [25]특성에 대한 상세한 설명을 제공한다.수심 및 해양 조건에 따라 전용 지질 시추선, 반잠수함, 잭업 장치, 대형 호버크래프트 또는 기타 [26]수단을 통해 지질 기술 조사를 수행할 수 있다.혈관이 일정한 위치를 유지하는 동안 일련의 특정 위치에서 수행됩니다.이를 위해 4점 고정 시스템을 사용한 동적 위치 결정 및 계류 기능이 사용됩니다.

얕은 침투 지질학적 조사에는 해저 표면의 토양 샘플링 또는 현장 기계적 시험이 포함될 수 있다.그것들은 해저의 [27]물리적, 기계적 특성에 대한 정보를 생성하는데 사용된다.그것들은 진흙선 아래 처음 몇 미터까지 뻗어 있다.얕은 지구물리학적 조사와 동시에 수행될 수 있는 이러한 깊이 조사는 해당 위치에 배치될 구조가 비교적 가벼운 경우 충분할 수 있다.이러한 조사는 해저 파이프라인 경로 계획에도 유용하다.

심층 투과 지질 조사의 목적은 해저 지층에 대한 정보를 진흙선 [10][28]아래 수 백 미터까지 수심까지 수집하는 것이다.이러한 조사는 이러한 위치에 더 큰 구조물이 계획될 때 실시된다.깊은 드릴 구멍의 경우 드릴 유닛이 정확히 동일한 위치에 있어야 하는 며칠이 필요합니다(동적 위치 설정 참조).

샘플링 및 시추

해저의 코어링에 사용되는 중력 구동 토양 채취기.
해저의 코어링에 사용되는 중력 구동 토양 채취기.
해저에서 토양 샘플을 추출하기 위한 박스 코어.

해저표면채취는 그랩샘플러와 박스코어로 할 [29]수 있다.후자는 예를 들어 토양의 상대적 밀도, 수분 함량 및 기계적 특성을 결정하기 위해 시험을 수행할 수 있는 방해받지 않는 표본을 제공한다.샘플링은 중력 구동식 튜브 코어 또는 피스톤 또는 진동 시스템(진동 [30]코어라고 하는 장치)을 통해 해저로 밀어 넣을 수 있습니다.

시추는 해저 표본을 채취하는 또 다른 수단이다.그것은 해저 지층학이나 그 아래의 암석 형성에 대한 기록을 얻기 위해 사용된다.연안 구조물의 기초 표본을 추출하는 데 사용되는 설정은 석유 업계가 탄화수소 저장소에 도달하고 묘사하기 위해 사용하는 설정과 유사하지만 테스트 유형에 [31]따라 약간의 차이가 있습니다.드릴 스트링은 직경 5인치(13cm)의 일련의 파이프 세그먼트로 구성되어 있으며,[30] 하단에는 드릴비트 어셈블리가 있습니다.드래그 비트(드릴 비트로부터 아래쪽으로 뻗은 치아)가 토양을 절단함에 따라 토양을 절단한다.드릴파이프를 따라 흘러내리는 비스코스 천공 진흙은 이러한 절단 부분을 모아 드릴파이프 밖으로 운반합니다.육지 지질조사의 경우와 마찬가지로 드릴 구멍에서 토양을 채취하기 위해 다양한 도구를 사용할 수 있으며, 특히 "쉘비 튜브", "피스톤 샘플러" 및 "스푼 샘플러"가 이에 해당한다.

현장 토양 시험

토양 강도 프로파일을 얻기 위한 원추 투과계의 원리를 보여주는 다이어그램.
토양의 피크강도와 잔류강도를 측정하는 전단익의 원리를 나타내는 도표.

토양의 기계적 강도에 대한 정보는 (토양 샘플로부터 실험실이 아닌 해저 자체로부터) 현장에서 얻을 수 있다.이 접근방식의 장점은 재배치 결과 어떠한 장애도 겪지 않은 토양에서 데이터를 얻을 수 있다는 것이다.이러한 용도로 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 계측기는 CPT(콘 관통계)와 전단 [32][33]베인입니다.

CPT는 끝이 알려진 정점 각도(예: 60도)[34]를 가진 원뿔 모양을 가진 막대 모양의 공구입니다.토양에 밀어넣을 때 침투저항을 측정하여 [35]토양강도를 나타낸다.콘 뒤에 있는 슬리브는 마찰 저항을 독립적으로 결정할 수 있습니다.어떤 원뿔들은 또한 모공 수압을 측정할 수 있다.전단 베인 테스트는 부드럽고 중간 정도의 응집성 [36][37]토양의 비배수 전단 강도를 결정하는 데 사용됩니다.이 계측기는 일반적으로 로드 끝에서 서로 90도 각도로 용접된 4개의 플레이트로 구성됩니다.그런 다음 로드를 토양에 삽입하고 일정한 회전률을 달성하기 위해 토크를 가한다.토크 저항을 측정한 다음 방정식을 사용하여 베인의 크기와 [37]형상을 고려한 비배수 전단 강도(및 잔류 강도)를 결정합니다.

연안 구조물 및 지질공학적 고려사항

해상 구조물은 주로 플랫폼, 특히 잭업 장치, 스틸 재킷 구조 및 중력 기반 [38]구조물로 표현된다.이러한 개발을 계획할 때 해저의 특성을 고려해야 한다.예를 들어 중력 기반 구조는 일반적으로 매우 큰 풋프린트를 가지며 비교적 부력이 있습니다(대규모의 열린 볼륨을 [39]둘러싸기 때문입니다).이러한 상황에서 기초의 수직 하중은 파동 작용에 의해 가해지고 해저로 전달되는 수평 하중만큼 크지 않을 수 있다.이 시나리오에서는 슬라이딩이 주요 고장 모드일 수 있습니다.보다 구체적인 예는 호주 [40]앞바다의 우드사이드 "North Rankin A" 스틸 재킷 구조입니다.구조물의 각 다리를 구성하는 말뚝의 축 용량은 기존 설계 방법, 특히 규소성 모래로 몰았을 때 추정되었습니다.하지만 그 현장의 토양은 저칼슘 모래였다.이러한 감시를 시정하기 위해서는 비용이 많이 드는 교정조치가 필요했다.

계류 시스템에 대해서도 적절한 해저 특성화가 필요하다.예를 들어, 흡입 말뚝의 설계 및 설치는 토양 특성, 특히 배수되지 않은 전단 [41]강도를 고려해야 한다.플레이트 [42]앵커 설치 및 용량 평가도 마찬가지입니다.

해저 파이프라인

주요 기사:해저 파이프라인

해저 파이프라인은 해상 [43]환경에서 인간이 만든 구조의 또 다른 일반적인 유형이다.이러한 구조물은 해저에 놓여 있거나 트롤 어선, 드래그 앵커 또는 전류로 인한 [44]진동으로 인한 피로로부터 보호하기 위해 참호 안에 배치되어 있습니다.또한 트렌칭은 파이프라인의 얼음 [14][15]용골에 의한 구멍 뚫림으로부터 보호하기 위해 사용됩니다.두 경우 모두 파이프라인 계획에는 지질학적 고려가 수반됩니다.해저에 있는 파이프라인은 제안된 파이프라인 경로를 따라 지반공학적 데이터를 요구하며, 예를 들어 지지력 부족으로 인한 지하 토양의 수동적 기능 상실(파이프라인의 낙하) 또는 낮은 슬라이딩 [45][46]저항으로 인한 슬라이딩 기능 상실(파이프라인이 옆으로 이동)과 같은 잠재적 안정성 문제를 평가한다.필요한 경우 트렌치 프로세스는 토양 특성과 경작 기간에 [47]미치는 영향을 고려해야 한다.매설된 파이프라인의 운전 수명 동안 축방향 및 횡방향 응답에 의해 유발되는 좌굴 전위는 계획 단계에서 평가되어야 하며, 이는 주변 [46]토양의 저항에 따라 달라진다.

해상 매립형 앵커

주요 기사 : 오프쇼어 임베디드 앵커

연안 매립 앵커란 주변 토양의 마찰 및/또는 내력으로부터 용량을 도출하는 앵커이다.이것은 무게에서 용량을 얻는 중력 앵커와는 반대입니다.연안 개발이 심해로 이동함에 따라, 중력 기반 구조물은 필요한 크기와 운송 비용이 크기 때문에 경제성이 떨어진다.이것은 임베디드 앵커의 채용에 적기임을 증명한다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 예를 들어, 특정 구조물은 설계 수명 동안 2x10의8 파형 사이클을 겪을 수 있습니다.

레퍼런스

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