석션파일은 해외에서 1980년대 이후 해상 원유시추선을 계류하는데 많이 사용되어 왔으며 국내에서는 건설 분야에서 일부 사용되고 있다. 또한 학계 및 산업계에서 해상풍력발전의 하부기초로 사용하려는 움직임이 있는 등 응용범위를 넓히려고 노력하는 분야이다. 본 연구에서는 실험 및 해석적인 접근방법을 사용하여 석션파일에 대하여 앵커로서의 기능에 대한 기초적인 연구를 수행하였으며 향후 관련연구자들에 도움이되었으면 한다.
석션파일은 원통형의 형태를 가지며 해상에서 주로 시공되는 파일로 상부는 닫혀있고 하부는 열려있는 중공형 파일형태를 가진다. 설치는 해저면에 자중에 의해 일부 관입된 다음 파일상부에 있는 진공펌프에 의한파일내외부의 압력차를 이용하여 설치한다. 설치 후에는 인발위치에 따라 연결된 견인줄을 해상구조물과 연결하게 되면 앵커로서의 기능을 수행한다. 이때 실제로 석션파일의 인발위치는 석션파일 상부 중앙과 석션파일 주변 벽체에 연결되는 경우가 있으며 전자는 TLP(Tension Leg Platform)방식이라 한다. 후자는 인발각에 따라서 현수선식 계류방식(Catenary Mooring) 및 긴장식 계류방식(Taut Mooring)이 있다. 본 연구에서는 인발위치가 벽체에 있는 경우에 대하여 기초적 연구를 수행하였다.
실험연구로서는 원심모형실험장치를 이용하여 축소모형실험을 이용하여 원형의 크기를 갖는 실험과 동등한 실험을 포화모래지반에서 수행하였다. 석션파일의 길이 대 직경비로 나타내는 형상비 2인 석션파일에 대해 인발위치와 인발각을 실험의 주요변수로 하였으며, 두 가지 변수는석션파일의 인발저항력을 평가할 때 중요한 변수이다. 또한 형상비가 1에서 3까지 변화하는 석션파일에 대한 추가실험을 수행하여 길이 및 직경이 변화할 때 최대인발저항력의 변화를 분석하였으며, 수동토압이론에근거한 최대인발저항력식을 제안하였다. 인발속도를 달리하여 실험을 수행하여 인발속도에 대한 영향을 검토하였다.
수치해석연구는 상용 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 문헌연구를 통하여 석션파일과 모래지반사이에 인터페이스요소를 설치하여 마찰저항이후 미끄러짐에 대한 고려를 하였으며 깊이에 따른 탄성계수의 변화도고려하였다. 해석을 통하여 석션파일을 수평인발할 때 최대 인발저항력이 발생되는 위치를 검증하였고, 최대인발력이 발생하는 조건에 대하여검토하였다.
인발각 및 인발위치(padeye position)를 제한하여 원심모형실험 수치해석한 결과에 따르면 인발위치가 75%일 때 인발각 0° 및 22.5°그룹에서 최대인발저항력이 뚜렷하게 나타남을 알았다. 인발위치 및 인발각에 따라 최대인발저항력 작용시점까지 석션파일의 회전이 이루어지며, 인발각이 증가함에 따라 회전각 및 변위가 점차 감소함을 알 수 있었다.
현수선식 계류방식 및 긴장식 계류방식에서는 인발위치를 5가지로 제한하여 실험과 수치해석을 수행한 결과 석션파일의 인발위치가 75%일경우 최대의 인발저항력을 발휘할 수 있음을 확인하였다. 파괴포락선은모래지반일 때 위로 볼록한 형상을 가지며, 본 연구의 결과에서도 동일한 결과를 보였다. 또한 최대인발저항력이 큰 인발위치 50%이상에 대한해석결과로부터 파괴포락선식을 유도하여 제안하였다.
본 연구에서는 원심모형실험 및 수치해석의 결과로 부터 회전이 거의 없는 인발위치 70%를 최적의 인발위치로 제안한다. 이론적으로 순수이동은 최대인발력이 발휘되는 조건으로서 회전이 거의 없게 된다. 인발위치가 그 이상 커지거나 작아지는 경우 석션파일이 거동이 회전에 의해 지배되기 때문에 인발력의 변화가 상대적으로 빠르게 변화되며 실제사용에는 신중을 기할 필요가 있다.

Suction pile has been widely adopted for mooring a petroleum drilling ship since 1980s in abroad, and partly used in domestic construction industry. Recently, it has brought a great attention to the academy and industry to use as a foundation of offshore wind power. In this study, experimental and analytical approaches were adopted to investigate the applicability of suction pile as an anchor. The author hopes this study to be valuable reference to the future researches.
Suction pile that is usually installed in the offshore is a kind of hollow cylinder, of which the top is closed and the bottom is open. It first penetrates into the ground by self weight partly. The rest is installed by pressure difference between inside and outside of the pile induced by suction pumps which are mounted on the top. After installation, it is connected to an offshore structure by wires to function as an anchor.
In practice, the pullout location of suction pile can be either at the top-center or at the side wall of the suction pile. The former is defined as TLP(Tension Leg Platform). The latter is classified with catenary mooring or taut mooring depending on the pullout inclination degree.
In this study, basic research was conducted on the case that the pullout location is at the side of suction pile. Model tests were conducted using centrifuge with saturated sandy soil. The primary variables of the tests are pullout location(padeye position) and pullout inclination. The tests were carried out on the suction piles that the shape ratio referring to the ratio between the length and diameter of suction pile is 2. Both variables are important factors to evaluate the pullout resistance of a suction pile. Additional tests were conducted on the suction piles with the shape ratio varying from 1 to 3 to investigate the change of the pullout resistance with the variations of length and diameter. Based on the passive earth pressure theory, a new equation for the maximum pullout capacity was proposed. In addition, the effect of pulling rate on the resistance was investigated. Using a commercial program, ABAQUS, a numerical analysis was compared with the experiments. In the numerical analysis, interface element was adopted to take into account the friction between the suction pile and the sandy soils, and the variation of elastic modulus with respect to depth was also considered. Throughout the numerical analysis, the conditions and the location which mobilizes the maximum pullout resistance of a suction pile being pulled out horizontally were verified.
As results of the numerical analysis and the experiments, it was concluded that the maximum pullout resistance is mobilizing at the location of 75% and the inclination at 0° and 22.5°. According to the location and the inclination, the suction pile seems to be rotating until reaching the maximum pullout resistance. It was observed that the rotation degree and displacement decrease with an increase of the pullout inclination.
For catenary mooring system and taut mooring system, a total of 5 pullout locations were proposed. It was clarified from the results of the numerical analysis and experiments that the maximum pullout resistance is developed at the pullout location of 75% of a suction pile. A failure envelope is convex to the above when the ground is sandy soil. A similar result has been obtained in this study. An equation of failure envelope was proposed based on the results of the analyses that were carried out on the pullout locations more than 50%.
From the experiments and the numerical analysis, the optimum pullout location, which is 70% and induces little rotation, is proposed. In theory, a pure movement is the condition of the maximum pullout resistance mobilization and little rotation is expected. If the location is more or less than the optimum, the suction pile is governed by rotation, and the pullout capacity varies more quickly. Therefore, a caution is required to use in practice.