압력재주입 그라우팅 방식을 이용한 보강재의 인발특성
Pullout Characteristics of Reinforcing Body Using Pressure Re-injection Grouting Method
이 봉 직1) ･ 김 상 수2) ･ 윤 준 식3) ･ 이 종 규†
Lee, Bongjik ･ Kim, Sangsu ･ Youn, Junsik ･ Lee, Jongkyu
ABSTRACT : Anchor, soil nail, micropile have been widely used for slope reinforcement and foundation. These all methods need grouting work after placing reinforcing member. In domestic case, gravity fill techniques and pressure grouting techniques are mainly used. In contrast the pressure re-injection grouting method is not commonly used because grouting equipment and lack of practical application example is short and the verification of reinforcing effect is difficult. Pressure re-injection grouting is a kind of post grouting which technique increases the radial stresses acting on the grout body and causes irregular surface to be developed around bond length that tends to interlock the grout and the ground. In this study, the field test was performed to evaluate the reinforcing effect with the variation of grouting methods and pullout characteristics of reinforcing member placed by pressure re-injection grouting method. The test results showed that the post-grouting methods were useful to increase the pullout capacity.
Keywords : Re-injection grouting, Post grouting, Micropile, Gravity fill techniques, Pressure grouting techniques
요 지 : 사면보강 및 기초공법으로 앵커공법, 소일네일공법 및 소구경 말뚝공법 등이 널리 사용되고 있다. 이들 공법은 공통적으로 보강재를 설치한 후 그라우팅을 실시한다. 국내의 경우 중력식과 가압식 그라우팅 방식을 주로 사용하고 있다. 반면, 재주입 그라우 팅 방식은 시공장비와 적용 실적의 부족 및 보강효과 검증이 어려워 널리 적용되지 못하고 있는 실정이다. 재주입 그라우팅은 포스 트 그라우팅 방식의 일종으로 그라우트체 주면의 응력을 증대시키고 정착장에 불규칙한 표면을 조성함으로써 그라우트와 지반의 저항을 크게 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 그라우팅 주입 방식에 따른 보강효과를 비교하고, 재주입 그라우팅 방식으로 시공된 보강재의 인발특성을 평가하기 위하여 현장실험을 실시하였다. 실험결과 재주입 그라우팅에 따른 인발력 증대를 확인할 수 있었다.
주요어 : 재주입 그라우팅, 포스트 그라우팅, 마이크로파일, 중력식 그라우팅, 가압식 그라우팅
1) 정회원, 충주대학교 토목공학과 교수
한국지반환경공학회 논문집
제11권 제10호 2010년 10월 pp. 25～31
1. 서 론
지반 및 사면보강을 위해 국내에서 널리 사용되고 있는 공법으로 앵커공법, 소일네일공법 및 소구경 말뚝공법 등을 들 수 있다. 상기 공법의 경우 사용목적, 시공방법 및 역학 적 원리와 프리스트레스의 유무 등에 따라 다르게 적용되고 있지만 공통적으로 보강재를 삽입한 후에 그라우팅 작업을 실시하는 공정이 포함되어 있다. 따라서, 각 공법별로 그라 우팅 주입방식에 따라 중력식 그라우팅, 가압식 그라우팅, 압력재주입 그라우팅 등으로 분류할 수 있으며 지반조건과 현장여건에 따라 그라우팅 주입방식을 달리 적용하고 있다.
또한 그라우팅 주입방식에 따라 주입재, 혼합비, 주입장비 및 장치가 변화하며 보강효과 역시 차등하여 적용하고 있다 (Paul 등, 2005).
보강재 설치 후 그라우팅 주입 방식은 그라우팅의 주입
방식, 가압단계 및 가압위치에 따라 중력식 그라우팅, 가압 식 그라우팅, 압력재주입 그라우팅으로 분류할 수 있으며 (Armour 등, 2000) 국내의 경우 중력식 그라우팅과 가압식 그라우팅을 주로 사용하고 있다. 압력재주입 그라우팅은 중 력식 그라우팅과 가압식 그라우팅을 순차적으로 적용하는 방식으로 국내의 경우 효율적인 시공장비 미비, 적용 실적 및 보강효과 검증이 부족하여 널리 적용되지 못하고 있는 실정이다.
압력재주입 그라우팅은 포스트 그라우팅으로 불리며, 단 계별 그라우팅을 통하여 그라우팅의 품질을 향상시킬 수 있 고, 천공지반과 보강재의 마찰 특성을 향상시킬 수 있으며 특히, 굴착 중 케이싱을 사용할 경우 적용성이 뛰어난 특징 이 있다.
이에, 본 연구에서는 그라우팅 주입 방식에 따른 보강효 과를 비교하고 압력재주입 그라우팅 방식으로 시공된 보강
그림 1. 그라우팅 주입 방식에 따른 소구경말뚝의 분류
표 1. 그라우팅에 따른 그라우트와 지반의 극한 부착강도 (Sabatini 등, 1999)
토질
그라우트와 지반의 극한 부착강도(kPa)
중력식 그라우팅
가압식 그라우팅
포스트 그라우팅 (TYPE C)
포스트 그라우팅 (TYPE D) 실트, 점토
(연약, 중간 소성) 35~70 35~95 50~120 50~145 실트, 점토
(견고～매우 견고) 50~120 70~190 95~190 95~190 모래
(양호, 느슨～중간조밀) 70~145 70~190 95~190 95~240 모래
(양호, 중간～매우 조밀) 95~215 120~360 145~360 145~385 자갈
(중간～매우 조밀) 95~265 120~360 145~360 145~385 빙적토
(중간～매우 조밀, 고화된) 95~190 95~310 120~310 120~335
재의 인발특성을 평가하기 위하여 현장실험을 실시하였다. 현장실험은 그라우팅 방식, 보강재 길이 및 압력재주입 분출 구 등을 변화시켜 시험시공하고 정적 인발 실험과 굴착을 통한 구근형성을 확인하였으며 그 결과를 비교, 분석하였다.
2. 그라우팅 주입 방식 및 인발 특성
보강재의 인발력 및 지지력에 영향을 미치는 요소 중 하 나로써 그라우팅 방식을 들 수 있다. 기존의 연구결과에 의 하며 보강재의 종류에 따라 그라우팅 효과는 다르게 평가되 지만, 대부분의 보강재에서 중력식 그라우팅에 비해 압력재 주입 그라우팅에서 높은 마찰저항 특성을 보이는 것으로 나 타났다.
마이크로파일의 경우, 그라우팅 방식에 따라 그림 1과 같 이 분류하고 있으며 시공방법에 따라 지지력을 달리 평가하 도록 제안하고 있다(Donald 등, 1997).
Type A는 중력 그라우팅 주입 방식으로써 그라우트를 트레미 파이프를 통해 선단에서부터 공내에 별도의 압력을 가하지 않은 상태로 주입을 실시한다.
국내의 경우 대부분의 현장에서 사용되는 방법인 중력식 그라우팅은 중력에 의해 그라우트를 실시하기 때문에, 천공 시 발생한 지반이완영역에 대한 복원이 명확하지 않아 지반 보강체에 구조적으로 결함이 유발될 우려가 있고, 충진물질 의 지반침투 및 수축현상을 보완하기 위하여 수회 반복하여 그라우팅 공정을 실시하여야 하므로 지반 보강공사가 번거 롭고 공정이 길어져서 시공성이 저하될 수 있다.
Type B는 가압식 그라우팅 주입 방식으로써 시멘트 그라 우트를 압력을 가하여 주입하며 시공은 지반에 천공된 홀에 그라우트재를 주입한 후 천공홀의 입구부 또는 소정의 위치 에 패커장치를 설치하여 가압하는 공정으로 시공된다. 가압
식 그라우팅 주입 방식은 천공 시 발생한 지반이완영역을 일정부분 복원시켜주는 효과가 있지만, 가압 주입된 충진물 의 양생이 이루어지기 전에 지반침투 및 흡수, 수축등으로 인한 압력 소산현상이 발생할 경우 기능이 저하될 수 있다.
Type C, D는 압력재주입 그라우팅 주입 방식의 마이크로 파일로써 공내에 먼저 그라우트를 채운 후 특수한 그라우트 튜브를 통해 추가적으로 그라우트를 주입한다. 이때 추가 주입되는 시멘트 그라우트는 먼저 채워진 것에 비해 높은 물-시멘트를 가지며 흙의 필터기능으로 인해 흙을 통과하는 동안 함수량이 적어지게 되어 큰 강도를 내게 된다. 시공방 식 및 그라우팅 장치에 따라 Type C와 Type D로 분류할 수 있다(김원철 등, 2002).
보강재와 지반의 마찰 및 지압에 의한 저항력은 식 (1)에 의해 평가된다(Paul 등, 2005).
× ×× (1)
여기서, : 보강재의 허용 부착력
: 그라우트와 지반의 극한 부착강도
: 안전율
: 굴착공 직경
: 정착길이
그라우트 방식에 따른 그라우트와 지반의 극한 부착강도 는 표 1과 같이 제시되어 있다. 제시된 결과는 기존의 연구 결과를 종합하여 정리한 것으로써 중력식 그라우팅, 가압식 그라우팅, 포스트 그라우팅 순으로 부착강도를 크게 평가하 는 것으로 나타났으며, 압력재주입 그라우팅에 의한 부착강
(a) 중력식
(b) 가압식
(c) 압력재주입식
(d) 확공형
그림 2. 그라우팅 주입 방식에 따른 앵커의 분류
표 2. 일반적인 토사의 주면마찰력(한국시설안전공단, 2006)
지반의 종류 단위주면마찰력(kPa)
모래 N치
10 98.1∼137.3 20 176.5∼215.7 30 225.6∼264.8 40 284.4∼343.2 50 294.2∼392.3
점토 98.1c(c는 점착력)
그림 3. 시공전경
N 값
그림 4. 지층특성
도 평가 시 일반적인 중력식 그라우팅에 비해 약 30% 이상높게 평가되는 것으로 나타났다.
인발하중을 받는 대표적인 보강재인 앵커의 경우 역시 그라우팅 방식에 따라 중력식 그라우팅 앵커, 가압식 그라 우팅 앵커, 압력재주입 그라우팅 앵커, 확공형 앵커 등 4가 지 형태로 분류한다(그림 2).
관련문헌에 따르면 지반과 앵커체의 부착력은 중력식 그 라우팅, 가압식 그라우팅, 압력재주입 그라우팅의 순으로 크 다. 특히, 압력재주입 그라우팅 방식은 앵커체 주면의 저항력 을 증가시키고 앵커체를 불규칙한 형상으로 확장시키기 때문 에 지반과 그라우트체의 부착력을 증가하는 효과가 있다. 하 지만 이에 대한 정략적인 평가는 그라우팅체의 특성, 그라우 트 압력, 지반조건 등에 따라 변화할 수 있으므로 인발실험 을 통하여 평가할 것으로 추천한다(Sabatini 등, 1999).
점토의 경우 압력재주입 그라우팅을 적용할 경우 일반적 인 앵커에 비해 20%～50% 증가하는 것으로 보고되고 있다 (Sabatini 등, 1999). 표 2는 가압식 그라우팅으로 시공된 앵 커에서의 표준관입시험결과와 단위주면마찰력의 관계를 나 타낸 것이다(한국시설안전공단, 2006).
3. 실험방법
보강재 시공은 시험천공을 통하여 대상지층을 사전에 확 인한 후 실시하였으며, 본 천공을 실시할 때에는 지지층의 변화가 있는 곳은 제외하고 실험을 실시하였다. 지반조건은 지표면으로 부터 매립토, 풍화토, 풍화암, 연암의 순으로 분 포하고 있다. 실험은 비교적 균질한 토층을 대상으로 실시 하기 위하여 매립토와 느슨한 상부 풍화토를 제거하여 N값 이 15～25인 풍화토 지반에서 실시하였으며, 지하수위는 풍 화토 상단에서 형성되며, 상대밀도는 느슨～중간정도의 조 밀도를 보이는 것으로 나타났다. 그림 3과 그림 4는 각각 시 공 전경과 실험대상구간의 지반조사 결과를 나타낸 것이다.
그라우팅 방식에 따른 인발력을 평가하기 위하여 동일한 조건에서 중력식 그라우팅, 두부에 패커를 설치한 가압식 그라우팅 방식 그리고 압력재주입 그라우팅 방식으로 보강 재를 시공하였다. 또한 압력재주입 그라우팅의 보강효과를 평가하기 위하여 동일한 조건에서 보강재의 길이, 분출구 개수를 변화시켜가며 실험을 실시하였으며, 총 14개의 보강 체를 조성하였다. 분출구는 재주입 그라우팅이 압력에 의해 공벽을 확장시키는 역할을 하며, 분출구 증가에 따른 인발
표 3. 실험방법
번호 그라우팅형식 보강재길이(m) 분출구
G1 중력식 그라우팅 2
G2 중력식 그라우팅 3
G3 중력식 그라우팅 5
P1 일반가압형 2
P2 일반가압형 3
P3 일반가압형 5
R1 압력재주입 그라우팅 1 4
R2 압력재주입 그라우팅 2 2
R3 압력재주입 그라우팅 3 2
R4 압력재주입 그라우팅 5 4
R5 압력재주입 그라우팅 1 4
R6 압력재주입 그라우팅 2 4
R7 압력재주입 그라우팅 3 4
R8 압력재주입 그라우팅 5 2
G1 G2 G3
P1 P2 P3
R1 R2 R3
R4 R5 R6
R7 R8
그림 5. 배치도
그림 6. 인발장치
그림 7. 중력식 그라우팅의 하중-인발곡선
그림 8. 가압식 그라우팅의 하중-인발곡선
력 증대를 평가하기 위하여 계획하였다.시공 시 Φ100mm 직경으로 천공하였으며, 보강재로 HD 29mm철근을 사용하였다. 그라우트재는 7일 양생 강도를 평 가하기 위하여 시멘트 그라우트에 팽창제를 2% 첨가하여 혼합하였다. 재주입 장치는 압력을 가할수 있는 가압장치와 특수튜브로 구성되며, 지표면의 가압력이 사전에 천공된 주 입구로 전달될 수 있도록 고안하였다(그림 1의 C type).
실험은 시공 후 충분한 양생이 이루어진 후 보강재에 대 한 인발실험을 실시하여 인발력을 평가하였으며, 실험 후 굴착을 통해 구근단면을 확인하였다. 인발실험은 하중제어 방식으로 진행하였으며, 이때 변위는 보강재 두부의 변위를 측정하였다. 실험장치 및 실험항목과 배치도는 표 3, 그림 5, 6과 같다.
4. 결과 및 분석
4.1 그라우팅 방식에 따른 인발력-변위 특성
극한 인발력은 보강재 주면의 인발력이 극한상태로 되어 하중이 최대로 될 때의 값이다. 단, 보강재의 형태와 지반조 건 등에 의하여 하중의 극한치가 명확하지 않을때 선단변위 량이 선단최대직경의 10%에 도달할 때의 하중을 극한인발 력으로 볼 수 있다(한국지반공학회, 2009). 따라서, 본 연구 에서는 극한상태가 명확하지 않을 경우 보강재 직경의 10%
에 해당하는 하중을 극한하중으로 평가하였으며, 동시에 P-S곡선을 통하여 항복인발력을 평가하였다.
그림 9. 압력재주입식 그라우팅의 하중-인발곡선(분출구 2공)
그림 10. 압력재주입식 그라우팅의 하중-인발곡선(분출구 4공)
그림 11. 극한인발력 산정결과
그림 12. 그라우팅 방법에 따른 인발 특성
실험결과 그라우팅 방식에 따라 하중-변위곡선은 다소다른 양상을 보이고 있는 것으로 나타났으나, 대부분의 경 우 명확한 극한하중을 산정할 수 없었으며, 특히 보강재 길 이가 3.0m를 초과할 경우, 지반과 보강재의 마찰특성 보다 는 보강재 및 실험장치 연결부의 파단에 의하여 파괴가 발 생하였다. 시공방법별 인발력-변위특성을 나타내면 그림 7～
10과 같다.
반면에 분출구를 4개로 시공하였을 경우는 보강재 길이 5.0m 뿐만 아니라 3.0m에서도 재료파단에 의한 파괴가 발 생함에 따라 다른 그라우팅 방식의 보강재에 비해 큰 지반 마찰력을 발휘하는 것으로 나타났다.
그라우팅 주입 방식에 따른 인발실험 결과, 중력식 그라 우팅(그림 7)에 비하여 가압식 그라우팅(그림 8) 및 압력재 주입 그라우팅 방식(그림 9, 10)에 의해 시공된 보강재의 인 발하중이 크게 형성되는 것으로 나타났다.
또한, 같은 하중단계에서 압력재주입 그라우팅 방식의 보강재가 다른 방식으로 시공된 보강재에 비하여 작은 변위 가 발생함에 따라 하중-변위특성이 기존의 방식에 비해 우 수한 것으로 나타났다.
4.2 그라우팅 방식에 따른 극한 인발력
동일 길이의 보강재에 대해서 그라우팅 주입 방식 변화 에 따른 극한인발력을 산정한 결과는 그림 11과 같다. 극한 인발력은 중력식 그라우팅, 가압식 그라우팅, 압력재주입 그라우팅 방식의 순으로 크게 형성되는 것으로 나타났다.
즉 길이 2.0m에서는 중력식 그라우팅에 비해 가압식 그 라우팅 방식이 1.25배, 압력재주입 그라우팅 방식의 경우 1.30～1.43배 이상 큰 인발력을 보이는 것으로 분석되었으 며, 길이 3.0m에서는 중력식 그라우팅에 비해 압력재주입 그라우팅 방식이 1.18배 이상 큰 인발력을 보이는 것으로 나타났다. 이는 가압 및 압력재주입 방식의 그라우팅이 보 강재 주면을 압축하여 마찰력이 증대된 효과로 판단된다.
단, 보강재 길이 3.0m 이상에서는 재료파단에 의한 파괴가 발생하였으며, 특히 5.0m의 경우 재료의 파단에 따른 급격 한 변위가 발생한 바 보다 고강성의 재료를 사용할 경우, 극 한인발력의 증가효과는 더욱 크게 평가될 것으로 판단된다 (그림 12).
보강재 길이 3.0m 이상에서는 재료파괴가 발생한 바 보 다 확실한 보강효과를 평가하기 위하여 변형계수를 산출하 였으며, 변형계수는 극한인발력이 발휘된 단계에서의 하중 을 발생변위로 나누어 산출하였다.
그림 13. 변형계수 산정결과
그림 14. 지반과 그라우트의 부착강도 그림 15. 분출구에 따른 인발 특성
분석결과 그림 13과 같이 길이 2.0m에서는 압력재주입 그 라우팅 방식이 중력식 그라우팅에 비하여 변형계수가 1.3～
1.4배 크게 형성되었으며, 보강재 길이 3.0m에서는 1.1～1.2 배, 보강재 길이 5.0m에서는 중력식 그라우팅에 비하여 1.2～
1.3배 크게 형성되는 것으로 나타나 극한하중이 클 뿐만 아 니라 변위제어 특성 역시 우수한 것으로 나타났으며, 이는 그라우트와 확장에 따른 것으로 판단된다.
4.3 지반과 그라우트의 부착강도 특성
지반과 그라우트의 부착강도는 각종 보강재의 인발력을 평가하기 위하여 산정된 것으로 표 1, 2와 같이 사질토에서 는 토사의 조밀한 정도와 표준관입시험 값을 이용하여 평가 하고 있다. 실험결과를 이용하여 지반과 그라우트의 부착강 도를 평가한 결과는 그림 14와 같다.
실험에서의 지반과 그라우트의 부착강도는 산정된 극한 인발력을 보강재의 접촉면적으로 나누어 역산하였으며 재 료의 파단에 의해 파괴가 발생한 실험은 제외하고 산정하였 다. 그 결과, 중력식 그라우팅의 경우 238(kPa), 가압식 그라 우팅의 경우 268(kPa), 압력재주입의 경우 309～343(kPa) 로 나타났다.
실험대상지반의 N값이 15～25회 이며, 평균 20회임을 고려할 때 모든 경우에서 일반적인 값보다는 크게 형성되는 것으로 분석되었는데, 이는 실험대상지반의 입자가 큰 성분
이 많이 포함되어 있어 그라우팅이 비교적 넓게 침투된데 따른 것으로 판단된다. 그라우팅 주입 방식에 따른 지반과 그라우트의 부착강도는 압력재주입 그라우팅 방식으로 시 공된 보강재가 중력식 그라우팅에 비해 평균 1.4배 정도 크 게 형성되는 것으로 나타났다.
압력재주입 그라우팅방식을 적용하는데 있어서 지반조 건 및 그라우트 재료의 특성에 따라서 보강효과가 변화할 수 있지만, 분출구 수에 따라서도 보강효과가 달라질 수 있 다. 이에 본 연구에서는 분출구를 2공, 4공으로 변화시켜 실 험을 실시하였으며 그 결과는 그림 15에 나타내었다.
실험결과, 보강재 길이가 1.0m인 경우 120(kN)으로 동일 하지만, 2.0m, 3.0m인 경우 각각 20(kN)이 증가되어 보강효 과는 10%정도 상승하는 것으로 나타나 분출구를 2공을 설 치할 경우에 비해 4공을 설치할 경우 보강효과가 큰 것을 알 수 있다.
4.4 그라우팅 방식에 따른 단면체 특성
그라우팅 주입 방식 중 중력식 그라우팅 방식과 두부설 치 패커에 의한 가압식 그라우팅 방식 그리고 압력재주입 그라우팅 방식에 대하여 동일한 조건에서 시험시공을 실시 하였다. 각 그라우팅 주입 방식에 의해서 시공된 그라우팅 구근 형성체를 확인하기 위하여 굴착을 실시한 결과 그라우 팅 방식에 따라 형상이 상이하게 형성되는 것으로 나타났 다. 구근이 형성된 형상은 그림 16에 나타내었다.
보강재 시공 후 굴착을 통하여 그라우팅 구근을 관찰한 결과 중력식 그라우팅의 구근둘레가 42～43cm이며, 비교 적 일정한 단면이 형성되었으며, 가압식 그라우팅의 경우 최상부는 구근둘레가 비교적 크게 형성되었으며 상부를 제 외하고는 구근둘레 43～45cm 크기로 형성되어 있었다.
이는 보강재 상부에서 이루어지는 가압효과에 의해 발생 된 것으로 판단된다. 반면에 압력재주입 그라우팅의 경우
(a) 중력식 그라우팅
(b) 가압식 그라우팅
(c) 압력재주입 그라우팅
그림 16. 그라우팅 주입 방식에 따른 구근형성
전체적으로 보강재 직경이 매우 불규칙하게 형성되며, 심도 에 따라서는 분출구 위치까지는 비교적 일정한 단면이 형성 되지만 분출구를 중심으로 최대 60cm에 이르고 있어, 타 방식에 비해 구근체의 증가효과가 큰 것으로 나타났으며, 이에 따른 인발력 증대가 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
그라우팅 주입 방식에 따른 보강효과를 평가하기 위하여 보강재 길이, 그라우팅 주입 방식 및 분출구 수를 변화시켜 가며 시공된 보강재를 이용하여 현장인발실험을 실시하고 굴착을 통한 구근단면을 측정한 결과 다음과 같은 결론을
얻었다.
(1) 그라우팅 주입 방식에 따른 극한인발력은 중력식 그라 우팅, 가압식 그라우팅, 압력재주입 그라우팅 순으로 크 게 형성되는 것으로 나타나며, 중력식 그라우팅에 비해 압력재주입 그라우팅이 1.18～1.43배 큰 인발력을 보이 는 것으로 분석되었다.
(2) 보강재의 변형계수를 산출한 결과 압력재주입 그라우 팅이 중력식 그라우팅에 비하여 1.1～1.4배 변형계수가 크게 형성되는 것으로 나타나 변위제어 특성 역시 우수 한 것으로 나타났다.
(3) 지반과 그라우트의 부착강도는 중력식 그라우팅의 경 우 238(kPa), 가압식 그라우팅의 경우 268(kPa), 압력재 주입의 경우 309～343(kPa)로 나타나 압력재주입 그 라우팅이 중력식 그라우팅에 비해 평균 1.4배 정도 큰 것으로 평가되었다.
(4) 압력재주입 그라우팅 시 분출구를 2공, 4공으로 변화시 켜 실험을 실시한 결과 분출구를 2공을 설치할 경우에 비해 4공을 설치할 경우 보강효과가 크게 나타났으며, 보강효과는 10% 정도 상승하는 것으로 분석되었다.
참 고 문 헌
