IEG 환경지질연구정보센터

Proceedings of KSEG 2012 Spring Conference / April 5 - 6, 2012

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전기가열장치를 이용한 연약지반개량

신 백 철 Beck-Chul Shin¹⁾

,

,

,

1)

한화건설(주) 토목환경사업본부, Civil Works & The Environment Division, Hanwha Engineering &

Construction Corp

2)

(주)건화 감리CM본부, Construction Management Division, Kunhwa Consulting & Engineering Co., Ltd.

3)

금오공과대학교 토목공학과, Dept, of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology 주요어: Ground Improvement Method, Electric Heating Method, Shallow Soil, Trafficability, Soft Ground

1. 서론

최근 들어 상재하중 및 샌드드레인으로 사용되는 양질의 사질토를 확보가 어려우며 성토재의 성토 및 사토로 인한 공사비 증가로 인해 보다 경제적이고 국내의 연약지반의 현황에 적합한 합리 적인 연약지반 처리공법이 필요한 실정이다.

따라서 국내에서 기술적으로 해결해야 될 문제가 많고, 국내의 표층안정처리에 사용되는 예산 절약을 위해 연약지반의 표층을 신속하게 안정화시킬 수 있는 기술의 개발이 시급하다.

본 연구는 전기가열방식을 이용한 표층지반개량 공법 개발을 목적으로 이론적 해석과 실내실 험, 현장실험을 통해 공법의 지반개량효과와 현장적용성을 연구하는 데 그 목적이 있다.

2. 전기가열장치

본 연구에서는 파이프 히터를 이용하였으며 구조도는 그림 1과 같다. 파이프 히터의 경우 전열 선과 보호관 그리고 열선을 고정시키는 마그네시아(MgO) 그 외에 온도센서와 컨트롤 박스 등으 로 이루어져 있다.

본 실험에서 제작된 파이프 히터에는 니켈크롬 1종을 사용하였다. 파이프 히터의 보호관은 스

텐레스를 이용하였다. 전열선을 고정시키는 마그네시아는 파이프 튜브와 카트리지 튜브를 제조하

는데 꼭 필요하며 사용하는 이유는 다른 세라믹 물질에 비하여, 고온에서 열전도도가 우수하며,

전기적 절연성이 우수하기 때문이다. 본 연구에 사용된 파이프 히터를 그림 2와 같다. 가열부의

길이는 이고 상부에 온도 컨트롤러와 공업용 전기 콘센트로 구성되어 있다.

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그림 1. 파이프 히터의 구조도 그림 2. 본 연구에 사용된 파이프 히터

3. 현장 전기가열실험 3.1 실험방법

현장가열실험에 사용된 전기가열장치는 그림 3과 같다. 파이프히터의 총 길이가 1.9m이며 가열 부의 길이는 1.8m이다. 파이프히터는 1kW의 전력을 소비하며 표면온도는 400℃로 가열되며 콘 트롤박스를 이용하여 800℃까지 온도조절이 가능하도록 제작하였다. 현장실험지반은 실트질모래 와 자갈이 혼재되어있으며 표준관입시험결과 N치가 4 ~ 8정도의 느슨한 상태를 나타내었다.

(a) 전기가열장치 (b) 지반천공 (c) 파이프히터 관입

(d) 전원 연결 및 온도계 설치 (d) 현장가열실험 개요도 (e) 현장가열실험시 온도측정 그림 3. 현장지반 가열실험 방법 및 개요

3.2 가열로 인한 지중온도 측정결과

현장에 설치된 스테인리스 파이프에 온도센서를 관입하여 온도를 측정하였으면 가열 2일과 3일

경과 시에 측정하였다. 전기가열지반의 지중온도를 측정하여 온도분포도를 그렸으며 그 결과는

그림 4와 같다.

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(a) 가열 2일 경과 (b) 가열 3일 경과 그림 4. 가열로 인한 지중 온도분포도

3.3 평판재하시험 결과

현장 지반의 전기가열로 인한 지반개량효과를 검증하기 위해 평판재하시험을 수행하였으며 그 결과는 표 1과 같다. 원지반의 경우 항복지지력인   로 산정되었으며 전기가열지반의 항복 지지력은  로 약 3배 정도 증가되었다. 각 항복지지력에 대한 대응침하량은 원지반은

, 전기가열지반은 로 나타났다.

구 분 허용지지력

 ( ^   )

대응침하량

 ()

항복지지력



( ^   )

대응침하량

 ()

원지반 126.0 6.45 252.0 12.90

전기가열지반 328.1 1.88 656.2 3.66

표 1. 평판재하 시험결과

3.3 전기가열지반 굴착

전기가열 효과를 육안으로 확인하기 위하여 굴착을 실시하였다. 그림 5는 전기가열지반의 심도 별 형태를 나타낸 것이다. 이를 살펴보면 심도에 상관없이 전기가열관 주변 30cm지점까지는 완 전 건조된 것을 알 수 있다.

(a) 전기가열지반 전경 (b) 지표면 ~ 0.4m 지점 (c) 0.4 ~ 0.8m 지점

(d) 0.8 ~ 1.2m 지점 (e) 1.2 ~ 1.6m 지점 (f) 가열관 하부

그림 4.3 전기가열지반의 심도별 형태

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4. 결론

본 연구에서는 전기가열방식에 의한 표층지반 개량효과를 검증하기 위하여 연약지반의 현장 전기가열실험을 수행하였다. 전기가열방식에 의한 강도변화를 파악하여 지반개량효과와 중기 주행성을 검증하였다. 전기가열방식에 의한 표층지반개량에 대한 연구 결과는 아래와 같다.

1) 현장 전기가열실험을 통한 온도 측정결과, 수치해석결과와 동일하였으며 지속적인 수증기 배출현상이 발생하였고 3일간 지속가열 후 영향범위가 가열관의 반경 1m 정도까지 확대되 는 것을 확인 할 수 있었다. 굴착을 통해 전기가열로 인한 완전 건조범위를 육안으로 판단 한 결과 심도에 상관없이 열원으로부터 직경 30cm지점까지 완전 건조된 것으로 나타났다.

2) 현장 전기가열지반에서의 평판재하시험 결과, 원지반의 경우 항복지지력인 ^{ } 으로 산정되었으며 전기가열지반의 항복지지력은 ^{}   로 약 3배 정도 증가되었다. 각 항복지 지력에 대한 대응침하량은 원지반은 , 전기가열지반은 로 나타났다.

본 연구에서는 전기가열방식에 의한 표층지반개량 효과 및 현장 적용성을 검증하기 위해 현장 전기가열실험을 수행하였으며 가열온도에 따라 다소 차이는 발생하였지만 지지력이 크게 증가되어 지반개량효과가 탁월한 것으로 판단된다. 추후 표층개량뿐만 아니라 심층개량에도 적 용이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌

Litvinov, I. M.(1961), "Stabilization of soil for Constructional Purposes", Proceeding of The Fifth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, pp.775~777.

이종선(2009), “표층처리된 초연약지반 거동에 관한 연구”, 석사학위논문, 고려대학교, pp.47~50

임효재, 공형진, 강성재, 최재호(2011), “지중열교환기 설치 조건이 지중 유효 열전도도와 보어홀 열저항에 미치는 영향”, 설비공학논문집, Vol. 23, No. 2, pp.303~304.

한국건설기술연구원(2001), “준설매립지반의 표층건조처리를 위한 PTM 개선기술 개발에 관한 연구”, pp.

217~219.