시료는 깨끗한 모래인 규사를 사용하였다. 모래의 역학적 성질을 나타내는 대표적인 공학적 지수로는 내부 마찰각과 단위 중량이 있으며, 이는 지반의 밀도에 많은 영향을 받는다. 내부 마찰각은 수직응력과 전단강도의 비례상수인 tanΦ의 Φ이며, 단위중량은 단위체적당 흙의 무게로서 각각 계류선에 작용하는 모래의 저항력 크기에 큰 영향을 준다. 직경 900mm, 높이 700mm의 원형 토조에 균일한 밀도의 모래 지반을 조성하기 위해서 낙사를 이용하였다. 낙사 높이와 낙사 장비의 이동속도를 달리 하여 조밀한 모래 지반과 느슨한 모래 지반을 모사하였으며, 각각의 상대밀도는 76%와 51%에 해당한다. 상대밀도란 조성된 모래의 조밀함과 느슨함을 나타나내는 정도이며, 가장 느슨한 상태일 때 0%이며, 가장 조밀할 때 100%로 나타낸다. 앵커는 깊이 210mm, 110mm에 설치되었다. 일반적으로 모래지반에 설치되는 석션 앵커의 관입 깊이는 2~12m이며(Byrne, 2000), 실험 깊이를 현장의 설치 깊이와 유사하게 조성하기 위해서 50g의 가속도에서 원심모형실험이 수행되었다. 상사법칙에 의해 두 앵커의 깊이는 10.5m, 5.5m의 깊이로 모사된다. Table 2에 각각의 상대밀도에 해당하는 모래의 특성을 나타내었다.

일반적으로 체인이 계류선으로 사용되지만, 본 실험에서는 2.4mm의 스틸 와이어를 사용하였다. 모래의 저항력이 계류선에 작용하는 면적은 다르지만, 하중이 작용함에 따라 지반 아래에서 뒤집어진 현수선의 형상을 갖으며, 지반과 계류선 사이의 마찰에 의해 앵커에 전달되는 경사 하중의 크기를 감소시킨다는 점에서, 체인과 와이어의 거동 특성은 유사하다 (Bang et al., 2000). 본 실험에서 하중을 지지하는 앵커의 매커니즘은 연구 주제와 거리가 있기 때문에, 앵커는 실제와는 다른 형상으로, 와이어를 특정 깊이에 고정하고. 하중과 각도를 측정하기 위한 용도로 제작되었다(Fig. 4). 와이어의 한 쪽 끝은 앵커(길이 20mm의 사각박스)에 고정되어 있으며, 앵커는 수평방향과 수직방향의 소형 로드셀로 구성되어 토조 벽면에 설치되었다. 모래 지반에 묻힌 와이어에 의한 하중감소를 측정하기 위하여, 모래 표면의 계류선과, 모래 지반 아래의 앵커에 설치되는 소형 로드셀은 직경 10mm, 길이 30mm의 두랄루민으로 제작되었으며, 4개의 스트레인 게이지가 부착되어 소형 로드셀에 작용하는 하중을 측정하였다(Fig. 5(a)). 제작된 소형 로드셀은 하중 재하장치(Universal testing machine)를 이용하여 캘리브레이션을 하였으며, 하중은 소형 로드셀의 강도를 고려하여 0.1mm/s의 속도로 2.5kN까지 재하 하였다(Fig. 5(b)). Fig. 5(c)에 하중과 전압과의 관계를 나타내었다.

Fig. 6에 네 단계로 이루어진 실험 절차를 도시하였다. 수평, 수직 방향의 소형 로드셀(Load cell)이 설치된 앵커는 토조 한쪽 벽에 고정되고, 와이어는 앵커에 연결되어 토조 밖으로 나오게 된다. 이때, 와이어는 수직으로 고정되어 있다(Fig. 6-a). 다음으로 낙사를 통해 모래를 토조에 목표 밀도로 균질하게 조성한다. 시료가 쌓인 높이에 따라 앵커의 관입깊이가 결정된다. 낙사가 끝난 뒤, 토조 밖으로 나온 와이어는 모래 표면에 수평하게 놓이며, 제작된 소형 로드셀이 수평 와이어의 중앙에 연결된다(Fig. 6-b). 소형 로드셀이 연결되면, 토조 반대쪽에 부착된 도르래를 통해 토조 상부에 설치된 하중 재하 장치에 연결되며, 실험 전, 모래를 완전히 포화시킨다(Fig. 6-c). 원심모형실험기를 이용하여 50g로 가속한다. 가속하는 동안, 하중의 증가로 앵커에 연결된 수직 로드셀의 측정값은 계속해서 증가하며, 목표 가속도인 50g에 도달한 뒤, 소형 로드셀에서 계측되는 하중이 증가하지 않고 일정한 값을 유지할 때, 실험을 시작한다. 하중은 0.1mm/s의 속도로 재하 하며, 소형 로드셀의 강도를 고려하여 모래 표면의 소형 로드셀의 계측값이 원형 스케일로 6,000kN에 도달할 때까지 재하 한다(Fig. 6-d).

실험이 수행되는 동안 와이어에 작용하는 장력은 모래 표면에 위치한 소형 로드셀과, 앵커에 부착된 수평, 수직 방향의 소형 로드셀에서 측정되었다. 또한, 앵커의 수평, 수직 방향의 소형 로드셀로부터 측정된 분력을 이용하여, 앵커에 연결된 와이어의 경사각의 변화를 계산하였다. 실험이 끝난 후 시료의 반을 주의 깊게 제거해 모래지반에 묻힌 계류선의 형상을 기록하였다.(Fig. 7).

앵커에 부착된 소형 로드셀을 통해 앵커에 작용하는 하중의 수평, 수직 분력을 계측하였고, 이를 이용하여 앵커에 작용하는 하중의 합력을 계산하였다. Fig. 8에 모래 표면에서 계측된 하중의 증가에 따른 앵커에서 계측된 수평 분력, 수직 분력, 합력의 변화를 정규화(계측된 하중/모래 표면에서 계측된 최대 하중)하여 나타내었다. 모래 표면에서 계측된 하중과 앵커에서 계측된 하중의 차이는 모래 지반에 묻힌 계류선에 의한 하중감소량이며, 모래 표면에서 하중이 증가할수록 계류선에 의한 하중감 소량이 증가하는 것을 보여준다. 또한, 계류선에 의한 하중감소량은 모래 지반의 밀도가 높을수록 증가한다. 밀도가 높을수록 내부마찰각과 유효응력이 증가하고, 이는 계류선에 작용하는 마찰력을 증가시키기 때문이다. 지반에 묻힌 계류선은 또한, 앵커의 깊이가 증가할수록 더 많은 하중을 감소시킨다. 깊이가 깊어질수록 계류선에 작용하는 구속압이 증가하고, 모래 지반에 묻힌 계류선의 길이가 증가하면서 마찰력이 작용하는 면적도 늘어나기 때문이다.

Fig. 8에 도시한 것과 같이 원심모형실험을 통해 앵커에 작용하는 하중을 합력이 아닌 수평, 수직 방향의 분력으로 각각 계측하였다. 모래 표면에 하중이 가해지면 앵커에 작용하는 수평분력은 0에 가깝거나 음의 값을 갖는데, 이는 초기에 앵커는 수직방향으로만 하중을 받는 것을 의미한다. 수직방향으로만 하중이 가해지기 때문에, 수평으로 설치된 소형 로드셀은 벤딩 효과에 의해 압축이 되고, 이는 음의 값으로 계측되어 수평분력이 감소하는 것으로 계측하였다. 모래 표면에서의 하중이 증가할수록, 초기에 수직으로 매립되어있던 계류선의 경사가 기울며, 앵커에 작용하는 수평분력을 증가시킨다. 실험2, 3, 4의 경우, 모래 표면의 하중이 일정 수준 증가함에 따라 수평분력이 증가하는 것을 보였지만, 실험1의 경우, 실험이 종료 될 때까지 수평분력이 계속 감소하였다. 이는 앵커와 연결된 지점의 계류선이 수직을 유지하여 계속하여 수직분력이 증가함을 나타내었다. 하지만, 모래 표면의 하중이 증가할수록 일정한 기울기를 갖고 증가하다가, 수평분력이 증가함에 따라, 수직분력의 증가율이 감소하였다. 실험1의 경우, 지반이 조밀하고, 앵커의 관입깊이가 깊어 초기의 수직으로 매설된 계류선이 앵커의 매설깊이까지 기울지 않아 수평분력이 증가하지 않았지만, 상대밀도가 낮고, 앵커의 매설깊이가 얕은 실험4의 경우, 앵커에 연결된 계류선이 크게 기울어 상대적으로 수평분력이 크게 증가하였다.

실험 결과는 계류선의 거동을 고려하는 것이 효율적인 앵커 설계를 위해 필요하다는 것을 보여준다. 계류선에 의해 앵커에 전달되는 하중은 지반상태에서 따라서 모래표면에서 보다 크게 감소 될 수 있기 때문에, 작은 크기의 앵커도 지지할 수 있으며, 제작, 설치비용을 줄일 수 있다. 또한, 같은 크기의 하중이 앵커에 전달된다 하더라도, Fig. 8에 도시한 바와 같이, 수평과 수직방향의 분력의 비가 다르게 작용한다. 석션 앵커의 경우 깊은 곳에 설치할수록, 계류선의 의해 감소되는 하중의 비율은 늘어나지만, 앵커에 작용하는 하중의 수직 분력이 증가하게 된다. 석션 앵커는 수직방향의 힘에 매우 취약하기 때문에, 계류선 거동의 분석을 통해, 계류선과 앵커의 연결지점을 신중하게 결정하여야 한다.

원심모형실험에서 초기 와이어는 수직으로 매립되어 있으나, 하중이 재하 되면서 점차 모래지반을 가르며 끌려 나오게 된다. 모래의 지지 저항력이 깊이에 따라 증가하기 때문에, 와이어는 모래지반 아래에서 뒤집어진 현수선의 형상을 갖는다. 와이어의 경사각은 모래 표면에서 수평이며, 깊어질수록 증가한다. FIg. 9는 앵커와 연결지점에서의 와이어 경사각의 변화를 실험 조건에 따라 도시하였다. 앵커에서 계측된 수평, 수직분력으로부터 하중 재하 각도를 계산하였으며, Fig. 9은 앵커의 관입 깊이와, 지반의 밀도가 와이어와 앵커의 연결 각도에 큰 영향을 주는 것을 보여준다. 일반적으로 모래 지반의 지지력은 깊이가 깊을수록 증가하기 때문에, 와이어는 깊이가 증가할수록 적게 움직였다. 또한, 와이어는 밀도가 낮은 지반에서 지반을 가르는 정도가 커지는데, 이는 모래 지반의 지지력이 밀도가 낮을수록 감소하기 때문이다. 모래 지반의 밀도가 높고, 앵커의 관입깊이가 깊은 실험1의 경우, 와이어는 실험 종료 후에도 여전히 수직으로 앵커와 연결되어 있으며, 반대로 모래 지반의 밀도가 낮고, 해저 표면과 가까운 위치에 앵커가 설치된 실험4의 경우, 상대적으로 적은 하중에서 와이어의 경사각이 변하기 시작하였다.

계류선에 작용하는 하중이 증가할수록 초기 수직의 계류선은 점점 뒤집어진 현수선의 형상을 띄게 된다. 또한, 하중이 일정 하게 앵커에 작용하면, 계류선의 경사각은 일정한 값을 유지한다. 석션 앵커가 해저지반 아래에 설치가 되면, 계류선은 수직을 유지하며 석션 앵커와 연결된다. 석션 앵커에 하중이 급격히 증가하게 되면 초기에 석션 앵커는 수직의 하중을 받게 되는데, 석션 앵커는 수직 하중에 매우 취약하다. 이러한 이유로, 석션 앵커가 설치되고 해상구조물과 연결되기 전에, 인위적으로 계류선에 하중을 가해 초기 각도를 경사지게 한다. Fig. 9에 도시한바와 같이, 하중에 따른 계류선 경사각의 변화는 앵커의 설치 위치와, 지반상태에 따라 다르다. 모래 지반에 묻힌 계류선의 거동 분석을 통하여, 계류선의 초기 각도를 조절할 수 있으며, 이를 토대로 앵커를 보다 효율적으로 설계 할 수 있다.

실험이 끝난 후, 시료의 반을 제거하여 모래 지반에 묻힌 실제 와이어의 형상을 기록하였다. 기록된 형상으로부터 계측된 앵커와 와이어의 실제 연결각도를 수평, 수직 분력의 합력으로 계산된 연결각도와 비교하여, 모래 표면 아래의 앵커에 부착된 소형 로드셀의 계측 결과를 검증하였다. 계측된 수평분력은 앵커에 부착된 수평방향의 소형 로드셀에 작용하는 벤딩 효과로 인한 오차를 포함한 값이기 때문에, 비교 전 보정 작업을 통해 오차를 제거하였다. 보정 작업은 빈 토조에 앵커를 설치하고 와이어를 연결 한 뒤, 연결된 와이어의 경사를 특정 각도로 유지하여 하중을 가한다. 앵커에 부착된 수평, 수직 방향의 소형 로드셀로부터 각각의 분력을 측정하여, 합력의 기울기를 계산한다. 실제 와이어의 경사각과 계산된 경사각의 관계를 도출한다. Fig. 10에 실제 각도와 계산된 각도의 관계를 도시하였다. 점선은 실제 각도를 나타내며, 각각의 포인트는 실제 각도로 계류선에 하중을 가하였을 때, 계측된 수평, 수직 분력으로부터 계산된 합력의 각도이다. 벤딩에 의해 실제 경사각과 계산된 경사각은 약간의 차이를 나타내며, Fig. 10에 도시한 관계를 통해 합력으로부터 계산된 각도는 실제 각도로 보정되었다. 실험이 끝난후, 모래를 제거하여 얻은 계류선의 형상으로부터 계측한 계류선의 경사각은, 보정되어 계산된 계류선의 경사각과 동일한 값을 나타내었다. 실험1과 실험3의 경우, 앵커의 깊이가 210mm이며, 실험2와 실험4는 앵커를 110mm 깊이에 설치하였다. 기록된 와이어의 형상을 길이 방향과 깊이 방향을 정규화 하여 Fig. 11에 도시하였다 (X = 계류선 수평 길이 / 앵커 관입 깊이(Z), Y = 계류선 수직 길이 / 앵커의 관입 깊이). 계측된 하중 결과와 유사하게 모래 지반의 밀도가 낮을수록, 앵커 설치 깊이가 낮을수록 와이어는 모래 지반을 쉽게 가르며 형상이 변하였다. 그 결과 와이어의 경사가 줄어들어 완만한 현수선의 형상이 계측되었다.

원심모형실험 결과는 계류선의 깊이와, 지반조건에 따라서 계류선의 거동이 달라짐을 보였다. 계류선의 거동은 앵커에 전달하는 하중과 각도를 변화시키며, 이는 앵커의 지지력에 직접적으로 영향을 미친다. 해상구조물로부터 발생할 최대 하중이 결정되면, 앵커의 설치 깊이와, 지반조사를 통한 계류선 거동 분석을 통해 실제 앵커에 작용하는 하중을 예측할 수 있다. 계류선의 거동분석을 통해 예측한 실제 하중 정보를 이용하면 앵커의 크기를 줄여 설계할 수 있으며, 크기가 줄어듦에 따라 제작, 운반, 설치비용을 크게 줄여 앵커를 보다 효율적이며, 경제적으로 설계할 수 있다.