Development of in-situ thermal conductivity measurement system for soils and rocks

Abstract

에너지와 관련된 지반 공학적 문제들을 해결하는 데에 있어, 흙 또는 암반의 열전도도는 중요한 인자로서의 역할을 한다. 본 연구의 목적은 열전도도에 영향을 미치는 흙 또는 암반의 인자들과 주변 환경의 공학적 인자들에 대해 이해하고, 현장에서의 열전도도 측정 시스템을 개발하는 데에 있다. 먼저, 오타와 20/30 모래와 고창 풍화토를 이용한 실내 실험을 바탕으로 열전도도에 영향을 미치는 공학적 인자들에 대한 연구를 수행하였다. 실내 실험 수행 결과, 흙의 열전도도는 공극률, 수직 유효 응력, 포화도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 열전도도는 공극률과 선형적인 반비례 관계를 보였고, 수직 유효응력과는 선형적 비례 관계를 보였다. 또한 열전도도는 포화도가 증가함에 따라 비선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 선행 연구의 이론적 및 경험적 열전도도 예측 모델과 실내 실험결과를 비교함으로써 건조 상태의 열전도도, 포화 상태의 열전도도, 포화도를 이용하여 흙의 다양한 포화 상태에 따른 열전도도를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 다음으로, 현장에서의 흙의 열전도도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 실내실험과 수치해석을 근간으로 하여 현장 적용 금속 탐침 센서를 개발하였다. 실내 실험 결과, 금속 탐침 센서의 길이/지름 비율은 19 이상이어야 하는 것으로 나타났다. 하지만 현장 실험으로 인한 오차를 최소화 하기 위해 19보다 상당히 큰 길이/지름 비율을 갖는 금속 탐침 센서를 디자인하였다. 그리하여, NI-PXI 시스템을 이용한 현장용 열전도도 시스템을 구축하였고, 측정과 해석을 위한 코드를 개발하였다. 수치해석과 실내 축소 모형 실험을 통해 개발된 현장용 열전도도 시스템을 검증하였다. 그 결과, 미미한 오차를 보임으로서 현장용 열전도도 측정 시스템이 신뢰할 만한 것으로 나타났다.