한국건설기술연구원(원장 박선규, 이하 건설연)은 12월3일 북극권 에너지자원플랜트 건설을 위해 영하 10℃ 저온환경에서도 안정성을 확보할 수 있는 지반다짐기술을 개발했다고 밝혔다.

북극권 비전통오일은 2000년 이후 생산되기 시작했으며 약 9조배럴 가채매장량으로 전통오일 약 4조 배럴 대비 2배 이상이다. 특히 캐나다오일샌드 매장량은 전세계 매장량 71.6%에 달하며 하루 약 300만배럴이 생산되고 있다.

오일샌드가 많이 매장된 캐나다 애서배스카(Athabasca) 지역은 고위도에 있어 동절기가 길며 겨울철 최저기온이 영하 20℃까지 떨어지며 지반이 얼고 녹는 과정에서 지표면융기와 침하가 반복된다.

특히 오일샌드 매장지역은 동결융해에 민감한 유기질토가 많이 분포해 겨울철 지표면융기와 침하량이 일반지반보다 크다.

이에 건설연 북방인프라특화팀(팀장 김영석 선임위원)은 저온환경에서도 유기질지반 다짐을 확보할 수 있는 지반다짐기술과 동결융해를 고려한 지반거동시뮬레이션모델을 자체 개발했다.

우선 유기질토 저온다짐특성을 평가하기 위해 영하 20℃까지 온도를 조절할 수 있는 냉동체임버에서 실내다짐시험을 수행했다. 규사와 캐나다산 유기질토를 혼합해 캐나다유기질지반을 재현했으며 이 과정에서 -4℃ 다짐곡선을 확보할 수 있는 실내다짐시험장비를 개발했다.

이와 더불어 경기도 연천군에 위치한 건설연SOC실증연구센터에서 실규모(폭 8m×길이 8m×깊이 3m) 현장다짐시험장을 구축했다. 동절기에 캐나다유기질지반을 조성해 최대 영하 10℃ 저온환경에서 동결융해에 따른 지표면융기와 장기침하특성을 평가했다. 실내다짐시험과 연계해 유기질지반 다짐도를 확보할 수 있는 현장다짐기법을 검증했으며 반복적 동결융해 거동을 분석하기 위해 장기모니터링을 수행 중이다.

또한 동결융해를 고려한 지반거동시뮬레이션모델도 구축했다. 실제 측정된 온도데이터를 적용해 뒤채움지반 동결융해를 모사하며 이에 따른 토압과 변위를 평가했다. 이 모델은 현장다짐시험 계측결과와 수치해석결과를 비교해 검증했으며, 실제 측정된 온도데이터로 지반 동결융해를 모사해 현장 저온환경을 100% 재현할 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 연구개발 성과를 실용화하기 위해 건설연SOC실증연구센터에서 현장실증을 계획하고 있다. 현장실증은 상용오일파이프라인을 직접 매설하며 저온환경을 조성할 수 있는 시스템을 구축해 캐나다현장 조건을 100% 재현한 상태에서 다양한 조건의 성능평가가 가능하리라 기대된다. 또한 한국지질자원연구원 및 캐나다 자원개발업체 PetroFrontier Corp.와 국제공동연구를 통해 개발기술 캐나다현장 실증(300배럴/일)을 검토 중이다.

개발기술은 0℃ 이하 저온환경에서도 지반다짐이 가능해 북극권처럼 동절기가 긴 지역에서도 충분한 공사기간을 확보할 수 있다. 또한 우크라이나흑토지대처럼 유기질토가 많은 지역에서 동결융해로 인한 지표변위를 최소화할 수 있을 것으로 보인다.

박선규 건설연 원장은 “이번 연구로 동절기토공사 공사기간을 확보할 핵심기술을 개발해 우리나라 기업들이 북극권플랜트 신시장을 개척하는 데 기여할 수 있게 됐다”라며 “국내 유관기관과 기업에 관련기술을 공유할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.