Increase in demands for energy, combined with the depletion of natural resources in shallow water, has result in offshore development moving beyond the untested and harsh environments such as deep sea. In the deep water, small shallow foundations are widely used to support subsea facilities such as pipe line end manifolds and terminations (PLEM and PLET), and pipeline sleeper and protection system. The suction bucket foundations are one of the economic solutions for the subsea facilities due to their unique features, which is suitable for offshore environments especially in deep water: easy to installation as well as their eventual removal, less heavy equipment for installation, and no emission of noise due to hammering. However, to date, as a relatively new application, there have been relatively few researches to investigate the behavior of suction bucket foundation during the installation process and during the operation (e.g, ultimate bearing capacity).
For successful and economic operation of seafloor platform using suction bucket foundation in deep water, preliminary site soil characterization, design for installation, and design for bearing capacity of suction bucket should be carefully considered. In this case, centrifuge modelling may be a good tool to evaluate those design elements because prototype scale tests are very restricted to conducted in the offshore where the accessibility is limited due to its harsh environment for verification of the designs. This study, therefore, has investigate the three main design elements through experiments using an advanced geotechnical centrifuge technique: 1) determination of soil parameters in sand, 2) suction bucket installation in sand, and 3) bearing capacity of new type bucket foundation, so called hybrid bucket foundation, under directional loading both in sand and clay.
First of all, In order to obtain the reliable soil properties in the centrifuge modelling, miniature cones with three different diameters are developed and cone penetration tests (CPT) are conducted in two types of sand to investigate the effects of various testing conditions on the tip resistance including the particle size, centrifugal acceleration related to stress level and prototype cone diameter, container wall boundary, and penetration rate. Then, an empirical correlation to estimate the soil density from the tip resistance in the centrifuge is proposed. In addition, shear wave velocity ( $V_s$ ), which is key engineering parameter, is experimentally correlated with tip resistance ( $q_c$ ).
Secondly, this study explores the suction bucket installation response in sand. The formation of soil plug heave is investigated using a half-bucket model (2D) and the image based analysis both in the 1g and centrifuge. In addition, the effects of skirts wall thickness and penetration rate on plug heave formation are presented. Further verifications are made in total section model (3D) tests by carrying out in the same way as done in the field at prototype soil stress conditions. The suction pressures during installation and the development of a hydraulic gradient along the bucket wall at different testing condition are discussed. The additional evidences of soil loosening are evaluated by conducting the bender elements test and CPT tests at the location inside the suction installed buckets.
Thirdly, the bearing capacity of different types of hybrid bucket foundation installed in sand and clay under uniaxial load (V, H) and combined load (VHM) condition is investigated. The concept of hybrid foundation means the combination of mat foundation and bucket to enhance the load capacity. Two types of hybrid bucket foundation are considered: the circular mat with single suction bucket and the square mat with multi suction buckets. From a series of tests, effect of mat unit on the bearing capacity and failure mechanism are discussed. In addition, comparison with the results of conventional single bucket is made to explore the feasibility of hybrid foundation as an alternative offshore foundation option for subsea facilities.
This study provides the design basis of the offshore foundation for subsea facilities in deep water by using a centrifuge modelling. Some technical issues for designing the offshore foundation are raised in this study. Those issues also provide insights in designing a reliable foundation for subsea structure consisting of a suction bucket embedded both in sand and clay.
천해역에서의 천연자원 고갈과 에너지 수요의 증가로 대수심 해역의 해양자원 개발이 활발히 진행되고 있다. 대수심 해역에서는 채취된 자원을 수송하기 위한 배관 및 매니폴드 (Manifold), 배관 종말점 (Termination), 슬리퍼 (Sleeper)나 보호공 등의 해양구조물을 해저면에 고정하기 위해 얕은 기초가 널리 활용되고 있다. 석션 버켓기초는 대수심 해역에서도 해양구조물을 고정 할 수 있는 경제적인 기초형식 중 하나로, 설치 및 제거가 용이할 뿐만 아니라 설치 장비가 간소하고 설치 시 소음이 크게 발생하지 않는 장점이 있어 널리 활용되고 있다. 하지만, 현재까지는 비교적 새로운 공법으로 적용사례가 적고, 석션설치 거동 및 기초의 허용 지지력과 같은 기초의 사용성에 관한 연구가 미미한 실정이다.
석션 버켓기초를 이용하여 대수심 해역에서 심해 플랫폼 구조물을 경제적으로 시공하기 위해서는 현장지반 조사와 이를 바탕으로 지반 특성을 분석한 후 기초의 설치 및 지지력에 대한 사전 설계 및 검토를 수행해야 한다. 하지만, 대수심과 같이 극한 환경조건에서는 기초의 설계검토를 위한 현장실험이 비효율적이며, 이에 대한 대안으로 현장지반 응력상태를 모사할 수 있는 원심모형실험이 널리 활용되고 있다. 본 학위 논문에서는 해양구조물을 지지할 수 있는 기초 설계를 위한 주요 요소인 지반 물성 평가, 모래지반에서의 석션버켓 설치거동과 모래 및 점토지반에서의 신형식 복합형 석션기초의 하중 방향에 따른 지지력 평가에 대한 연구를 수행하였다.
첫째로, 원심모형실험 수행 중 합리적으로 지반물성을 평가하기 위해 세 직경의 소형 콘 (Cone)을 개발하고, 두 종류의 모래지반에서 입자크기, 원심가속도 크기, 콘 직경, 경계면 및 관입 속도가 콘 선단저항치에 미치는 영향들에 대해 평가하였다. 이를 통해, 계측되는 선단저항치를 이용해 지반의 밀도를 합리적으로 평가하였다. 또한, 지반공학적으로 중요한 인자인 전단파속도 ( $V_s$ )와 콘 선단저항치 ( $q_c$ )간의 실험적인 상간관계를 도출하였다.
둘째로, 모래지반에서 석션버켓의 설치거동을 실험적으로 평가하였다. 특히, 1g 및 원심모형실험에서 석션 설치 중 발생하는 기초 내부지반의 융기 메커니즘과 지반교란 현상을 반단면 (Half-section) 모형실험과 이미지 분석기법을 활용해 평가하였다. 또한, 스커트 길이 및 관입속도가 지반 융기에 미치는 영향에 대해 실험적으로 평가하였다. 수행된 반단면 실험은 추가의 전단면 실험 (Total-section)을 통해 검증하였다. 특히 전단면 실험은 현장에서의 기초 설치 과정을 유사하게 원심모형실험 내에서 모사하여 현장 거동을 재현하였다. 이 때, 설치 중 발생하는 석션압 및 기초 내벽에 위치에 따라 발생하는 동수경사 (hydraulic gradient)에 대해 실험적으로 평가하였다. 또한, 본 연구에서 개발된 콘 관입실험을 버켓기초 설치 전후에 각각 수행하고 차이를 비교함으로써 지반교란 정도를 실험적으로 평가하였다.
셋째로, 모래와 점토지반에 설치된 신형식 복합형 버켓기초의 수직 (V), 수평 (H) 및 복합하중 (VHM)에 대한 지지력을 실험적으로 평가하였다. 복합형 석션기초는 매트기초와 버켓기초가 결합된 형태로 기존 버켓기초에 비해 지지력 및 경제성을 향상시킨 기초형식이다. 본 연구에서는 원형 매트기초와 하나의 버켓기초가 결합된 형태와 정사각형 매트기초에 네 개의 버켓기초가 결합된 형태의 복합형 버켓기초에 대해 지지력이 평가되었다. 본 연구를 통해 매트기초가 기초 파괴메커니즘과 지지력 향상에 미치는 영향을 평가하고, 일반형 버켓기초 대비 복합형 버켓기초의 성능 향상 정도를 비교하였다.
본 연구에서는 원심모형실험 기법을 활용하여 심해에서 해양구조물을 고정하기 위한 버켓기초의 설계기법을 검증하고 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 해양기초 설계에 있어 발생되는 지반공학적 이슈를 제기하였고, 모래 및 점토지반에 설치되는 버켓기초의 안정적이고 효율적인 설계에 대해 고찰하였다.
