물리적 모델과 데이터에 기반한 해저지반 혼합토의 투수계수 예측 = Physics-Inspired and Data-Driven Seafloor Sediment Fluid Flow Analyses

국문 초록 (Abstract)

기후 변화로 인한 해수면 상승으로 인해 해저 에너지 지반 구조물에 대한 개발이 많은 관심을 받고 있다. 해저 지반의 공학적 물성치를 정확히 예측하고 평가하는 것은 신뢰할 수 있는 설계 정수를 제공하며, 성공적인 해저지반 구조물 프로젝트에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 해저지반에 널리 분포하며 일반적인 흙보다 훨씬 낮은 비중을 가지는 다이아톰을 포함한 지반 조건이 유체의 흐름에 미치는 영향을 데이터에 기반한 물리적 모델과 실내실험을 통해 파악하고자 하였다. 첫번째로, 다이아톰 슬러리의 점성을 고려한 입자의 삼상관계 분석을 통해 유체의 흐름을 결정하는 다이아톰 함량 예측을 이론적으로 접근하였다. 두번째로, 모래-다이아톰 혼합 시료를 다양한 다이아톰 무게비에 따라 준비 후 실내 투수계수 시험을 수행하였다. 세번째로, 본 연구에서 얻은 실험결과와 방대한 데이터에 기반하여 제안된 투수계수 예측 모델을 비교하여 비표면적 관점에서 분석과 NMR 을 통한 micro-scale 분석을 수행하였다. 분석 결과, 다이아톰 함량에 따른 투수계수 변화는 세가지 경향을 보여주었다: (i) 비표면적과 간극비 모두 감소하지만 비표면적이 더 우세한 구간, (ii) 유속의 감소로 인해 항력이 급격히 감소하여 간극의 크기가 우세한 구간, (iii) 항력의 충분한 감소로 인한 간극의 크기가 투수계수를 결정하는 구간. 본 연구에서는 다공성 입자 표면을 가지는 다이아톰이 해저지반의 유체 흐름에 미치는 영향을 비표면적 SS (i.e., drag force)과 간극비 e (i.e., pore size) 관점에서 분석하고 주어진 입자의 기본 물성치를 이용하여 이론식을 통해 투수계수를 예측할 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Climate change leads to growing interest in seafloor geotechnical structures. Accurate prediction and assessment of the engineering properties for seafloor sediments provide reliable design parameters and lead to successful seafloor projects. In this study, we examine the critical role of diatom in fluid flow in granular mixtures and propose a simplified analytical prediction model using experimental data to predict hydraulic conductivity in seafloor sediments. This study prepares sand-diatom mixtures with different diatom weight fraction and conducts hydraulic conductivity test. Comparison between the model and experimental results shows that hydraulic conductivity decreases in three characteristic patterns as diatom content increases: (i) Although both the specific surface and the void ratio decrease, the specific surface is dominant in this zone, (ii) flow velocity decreases and drag force drops sharply thus pore size controls the hydraulic conductivity in this zone, and (iii) drag force becomes negligible therefore pore size controls the hydraulic conductivity in this zone. This study highlights the influence of diatoms on fluid flow in seafloor sediments and demonstrates that a robust theoretical framework can effectively predict hydraulic conductivity in seafloor sediments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 2
• 1.2.1. 다이아톰이 포함된 혼합토의 거동 2
• 1.3. 연구 목적 2
• 제 2 장 배경 이론 4
• 2.1. 유체의 흐름을 결정하는 세립토 함량 FF
• flow 4
• 2.2. 유체의 흐름을 결정하는 세립토의 간극비 eF
• flow 7
• 2.3. 문헌조사 기반 데이터 분석 8
• 제 3 장 실험 과정 10
• 3.1. 시료의 기본 특성 10
• 3.2. 데이터 종합 13
• 3.3. 간극수의 화학적 특성에 대한 다이아톰의 민감도 16
• 3.4. 다이아톰의 분류 18
• 3.5. 투수계수 시험 20
• 3.5.1. 시료 조성 20
• 3.5.2. 투수 시험 장치 20
• 3.5.3. 투수 시험 방법 21
• 3.6. NMR 시험 23
• 3.6.1. NMR 의 원리 23
• 3.6.2. 시료 조성 25
• 3.6.3. NMR 실험 방법 26
• 제 4 장 실험 결과 및 분석 27
• 4.1. 모래-다이아톰 혼합토 투수계수 시험 결과 27
• 4.2. 데이터에 기반한 투수계수 예측 모델 29
• 4.3. 모델과 데이터의 비교 32
• 4.4. 투수계수 50% 감소에 해당하는 다이아톰 함량 33
• 4.5. NMR 실험 결과를 통한 micro-scale 분석 34
• 제 5 장 요약 및 결론 37
• 참고문헌 39
• Abstract 46