Effect of Void Formation on Strength of Cemented Material

Gas hydrate dissociation can generate large amounts of gas and water in gas hydrate bearing sediments, which may eventually escape from a soil skeleton and form voids within the sediments. The loss of fine particles between coarse particles or collapse of cementation due to water flow during heavy or continuous rainfall may form large voids within soil structure. In this study, the effect of void formation resulting from gas hydrate dissociation or loss of some particles within soil structure on the strength of soil is examined. Glass beads with uniform gradation were used to simulate a gas hydrate bearing or washable soil structure. Glass beads were mixed with 2% cement ratio and 7% water content and then compacted into a cylindrical sample with five equal layers. Empty capsules for medicine are used to mimic large voids, which are bigger than soil particle, and embedded into the middle of five equal layers. The number, direction, and length of capsules embedded into each layer vary. After two days curing, a series of unconfined compression tests is performed on the capsule-embedded cemented glass beads. Unconfined compressive strength of cemented glass beads with capsules depends on the volume, direction and length of capsules. The volume and cross section formed by voids are most important factors in strength. An unconfined compressive strength of a specimen with large voids decreases up to 35% of a specimen without void. The results of this study can be used to predict the strength degradation of gas hydrate bearing sediments in the long term after dissociation and loss of fine particles within soil structure.

고결 지반 내에 형성된 공극이 강도에 미치는 영향

해저지반 내에 매장된 가스하이드레이트가 해리될 경우 많은 양의 가스와 물이 발생한다. 이렇게 발생한 가스와 물이 장기간에 걸쳐 외부로 빠져나가거나 주변 지반으로 이동할 경우 토체 안에는 크고 작은 공극이 형성될 수 있다. 그리고 지속적인 강우나 폭우로 인하여 지반 내의 조립질 흙 사이의 세립분이 유실되거나 고결성 지반 내의 일부 고결이 끊어지면서 골격 내에 빈 공간이 형성될 수 있다. 본 연구에서는 가스하이드레이트의 해리로 형성되거나 또는 유수작용으로 인하여 지반 내의 일부 재료가 유실되거나 용해되어 형성된 비교적 큰 공극이 지반의 강도에 미치는 영향을 연구하였다. 가스하이드 레이트를 포함한 토체나 유실성 지반의 골격을 시뮬레이션하기 위하여 입도가 균등한 글라스비즈를 사용하였다. 글라스비즈를 2%의 시멘트비와 7%의 함수비로 혼합하여 몰드 안에 5층으로 나누어 다져 원기둥 모양의 공시체를 만들었다. 흙입자에 비하여 상대적으로 큰 공극은 의약품에 일반적으로 사용되는 빈 캡슐을 넣어 형성하였다. 캡슐을 각층 높이의 중앙부분에 넣고 다음 층을 쌓아 다지는 방식으로 완성하였으며, 캡슐의 개수와 방향, 그리고 캡슐의 길이를 달리하면서 다양한 공시체를 제작하여 2일 동안 양생시킨 다음 일축압축시험을 실시하였다. 공시체 내에 형성된 공극(캡슐)의 체적(개수)과 방향 그리고 공극의 길이에 따라 공시체의 일축압축강도는 차이를 보였으며, 공시체 내에서 공극이 차지하는 체적과 단면적이 강도에 중요한 영향을 미쳤다. 공시체 내에 형성된 큰 공극으로 일축압축강도는 공극이 없는 공시체 강도의 최대 35%까지 감소하였다. 이와 같은 연구 결과는 가스하이드레이트 해리 후 지반의 장기적인 강도 변화와 지반 내의 세립분의 유실로 인한 강도 감소를 예측하는데 사용될 수 있다.