유 장 현 유 장 현 유 장 현 유 장 현

그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구

A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics

국민대학교 대학원 국민대학교 대학원 국민대학교 대학원 국민대학교 대학원 건설시스템공학부 건설시스템공학부 건설시스템공학부 건설시스템공학부

유 장 현 유 장 현 유 장 현 유 장 현

2005

2005

2005

2005

그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구 그라우트 분사 특성에 관한 연구

A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics A Study on the Grout Injection Characteristics

지도교수 지도교수 지도교수

지도교수 황 성 일 황 성 일 황 성 일 황 성 일

이 논문을 석사학위 청구논문으로 제출함 이 논문을 석사학위 청구논문으로 제출함 이 논문을 석사학위 청구논문으로 제출함 이 논문을 석사학위 청구논문으로 제출함

2005 12 2005 12 2005 12

2005 年 年 年 年 12 月 月 月 月 日 日 日 日

국민대학교 대학원 국민대학교 대학원 국민대학교 대학원 국민대학교 대학원

건설시스템공학부 건설시스템공학부 건설시스템공학부 건설시스템공학부

유 장 현 유 장 현 유 장 현 유 장 현

2005

2005

2005

2005

유 장 현 의 유 장 현 의 유 장 현 의 유 장 현 의

석사학위 청구논문을 인준함 석사학위 청구논문을 인준함 석사학위 청구논문을 인준함 석사학위 청구논문을 인준함

2005 12 2005 12 2005 12

2005 年 年 年 年 12 月 月 月 月 日 日 日 日

심사위원장 심사위원장 심사위원장

심사위원장 조 남 준 조 남 준 인 조 남 준 조 남 준 인 인 인 심 사 위 원

심 사 위 원 심 사 위 원

심 사 위 원 황 성 일 황 성 일 인 황 성 일 황 성 일 인 인 인 심 사 위 원

심 사 위 원 심 사 위 원

심 사 위 원 박 덕 근 박 덕 근 박 덕 근 박 덕 근 인 인 인 인

국민대학교 대학원

국민대학교 대학원

국민대학교 대학원

국민대학교 대학원

목 차 목 차 목 차 목 차

표 목차 ··· ⅰ 그림 목차 ··· ⅱ 기호 설명 ··· ⅲ 요 지 ··· ⅴ

장 서론 장 서론 장 서론 장 서론 1 1 1

1 ··· 1 연구의 배경 및 목적

1.1 ··· 1 연구의 내용 및 범위

1.2 ··· 2

장 지반보강계획 및 조사 장 지반보강계획 및 조사 장 지반보강계획 및 조사 장 지반보강계획 및 조사 2

2 2

2 ··· 3 지반보강계획의 개요

2.1 ··· 3 지반보강계획시 고려사항

2.1.1 ··· 4 지반보강공법과 대상지반

2.1.2 ··· 6 지반보강공법의 적용

2.1.3 ··· 7 지반보강을 위한 사전 조사

2.2 ··· 12 사전 지반조사의 목적

2.2.1 ··· 1 2 현장여건 조사

2.2.2 ··· 1 3 지반조사

2.2.3 ··· 1 3 환경조사

2.2.4 ··· 1 5

장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 3

3 3

3 ··· 18 약액의 토중에서의 거동

3.1 ··· 18 약액의 거동

3.1.1 ··· 1 8 침투와 고결의 메카니즘

3.1.2 ··· 2 0 약액의 적용한계와 침투거리

3.2 ··· 21 주입제의 적용한계

3.2.1 ··· 2 1 주입제의 침투거리

3.2.4 ··· 2 7

장 실내모형실험 장 실내모형실험 장 실내모형실험 장 실내모형실험 4 4 4

4 ··· 32 목적 및 범위

4.1 ··· 32 실험재료

4.2 ··· 32 실험계획

4.3 ··· 33

장 실험 결과 및 분석 장 실험 결과 및 분석 장 실험 결과 및 분석 장 실험 결과 및 분석 5 5 5

5 ··· 39 원재료의 물리화학적 특성

5.1 ··· 39 시멘트계 주입제

5.1.1 ··· 3 9 응결조절재인 규산소다

5.1.2 ··· 4 4 표준 시료토

5.1.3 ··· 4 5 호모겔 강도

5.2 ··· 47 밀크페이스트 강도

5.3 ··· 49 침투성 실험

5.4 ··· 51

장 결론 장 결론 장 결론 장 결론 6

6 6

6 ··· 57

참고문헌 참고문헌 참고문헌

참고문헌 ··· 59 Abstract

Abstract Abstract

Abstract ··· 60 감사의 글

감사의 글 감사의 글

감사의 글 ··· 62

표 목 차 표 목 차 표 목 차 표 목 차

표 2.1 지반 및 지반보강 목적에 따른 일반적 지반조사 항목··· 14

표 3.1 주입제의 적용한계··· 22

표 3.2 주입제의 적용한계··· 23

표 3.3 주입제의 적용한계··· 23

표 3.4 주입제의 적용한계··· 24

표 3.5 주입제의

G

G

표 3.6 토립자 공극의 등가반경··· 28

표 4.1 호모겔 강도 시편제작용 표준배합··· 33

표 4.2 밀크 페이스 강도 시편 제작용 표준배합··· 34

표 5.1 주입용 경화제의 화학적 성분 호모겔··· 39

표 5.2 시멘트계 주입제의 물리적 특성치··· 40

표 5.3 시멘트계 그라우트재의 입도분표 예··· 41

표 5.4 규산소다의 특성··· 44

표 5.5 주입성 평가용 표준 시료통의 공극율 및 입도분석 결과··· 45

표 5.6 주입대상 토질별 주입비 N1, N2(groutability) ··· 46 표 5.7 초미립자시멘트 주입제의 호모겔 강도 실험결과··· 47

표 5.8 표 5.7 초미립자시멘트 주입제의 호모겔 강도 시험결과··· 48 표 5.9 초미립자시멘트 주입제의 밀크 페이스트 강도 시험결과··· 49

표 5.10 초미립자시멘트 주입제의 밀크 페이스트 강도 시험결과··· 50

표 5.11 대상토질별 침투성 실험 결과··· 51

표 5.12 가는 모래층에서 침투압력 변화에 의한 침투성 실험 결과 ··· 52

그림 목차 그림 목차 그림 목차 그림 목차

그림 2.1 보강계획의 검토 및 계획단계··· 3

그림 2.2 보일링 방지 주입··· 7

그림 2.3 지수주입··· 8

그림 2.4 저면융기 방지주입··· 8

그림 2.5 침하 방지주입··· 9

그림 2.6 침하 방지주입··· 9

그림 2.7 토압 경감주입··· 10

그림 2.8 지지력 증가주입··· 10

그림 2.9 토립자 유출 방지주입··· 11

그림 3.1 주입방식··· 19

그림 3.2 겔강도 _S··· 28

그림 4.1 소형 침투성 장치··· 36

그림 4.2 중형 침투성 장치··· 37

그림 4.3 대형 침투성 장치··· 38

그림 5.1 시멘트계 그라우트재의 입도분표 경향··· 42

그림 5.2 시멘트계 주입제의 SEM 촬영 사진··· 43 그림 5.3 초미립자시멘트 주입제의 호모겔 강도 변화 경향··· 47

그림 5.4 보통시멘트 주입제의 호모겔 강도 면화 경향··· 48

그림 5.5 초미립자시멘트 주입제의 밀크 페이스트 강도 변화 경향··· 49

그림 5.6 보통시멘트 주입제의 밀크 페이스트 강도 변화 경향··· 50

그림 5.7 가는 모래층에서 압력변화에 의한 침투주입 시편 상태··· 53

그림 5.8 복합지층에 대한 초미립자시멘트 주입시편··· 54

그림 5.9 몰드에 초미립자시멘트를 주입한 후 시편··· 55

그림 5.10 몰드에 보통시멘트를 주입한 후 미고결체··· 56

기 호 설 명 기 호 설 명 기 호 설 명 기 호 설 명

A

C

C

D

G

R

R

R

RG

RS

S

S

W

C

b

c'

g

g

h

k

k

k

l

m

n

r

r

r '

t

t

t

α : 공극충전율

β : 주입제의 동점성계수 μ : 물과 주입제의 점도 σ

'

'

요 지 요 지 요 지 요 지

연약지반 개량 구조물기초지반 보강을 위해 약액주입공법이나 고압분사, 주입공법등의 그라우트 공법들이 건설현장에 널리 행해지고 있는 실정이 다 그러나 그라우트 공법은 지반의 융기 불특정 장소에서의 분출 위험. , , 조성체 불량 등의 문제점이 발생하여 그 효과가 크게 감소되는 예를 많이 볼 수 있다 이 같은 문제점들은 현장지반의 조건에 부적합한 경화제 선. 택에서 주로 기인하는 것으로 사료된다 따라서 본 연구는 현장지반조건. 에 적합한 경화제 선택 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

본 연구에서는 지반보강의 계획에 있어서 보강목적에 부합하는 적합한 공법을 선정하기 위해서 지반보강계획시 고려사항 터널공사를 위한 지반, 보강공법 계획시 고려사항 지반보강공법의 적용방법 지반보강을 위한 사, , 전 조사 환경조사 등을 감안하는 방법을 기술하였다 또한 본 연구는 초, . 미립자시멘트와 보통시멘트로 구성된 주입제를 입도 분포가 서로 다른 모 형 토층에 주입함으로써 주입제의 입경 대상토층의 입도분포 그리고 침, , 투압력에 따른 주입제의 침투 특성을 파악하였다 이러한 실험자료를 근. 거로 주어진 현장지반조건에 적합한 경화제 선택방법을 제시하였다.

실험결과 초미립자시멘트의 호모겔 강도 및 밀크 페이스트 강도는 보통 시멘트에 비해서 1.5배 이상 크게 발현되었다 따라서 초미립자시멘트를. 주입제료 사용하는 경우 지반보강에도 유리할 것으로 판단되며 대상토질 별 주입제의 침투성 실험에서도 초미립자시멘트가 보통시멘트보다 높은 침투결과를 보였다 규산소다 희석액인. A액과 시멘트 현탁액인 B액을 1:1 로 혼합한 주입액을 3kg/cm²의 압력으로 주입하여 초미립자시멘트와 보 통시멘트를 비교 하였을때 보통시멘트가 초미립자시멘트보다 주입효과가 현저히 떨어지는 것으로 확인되었다 또한 주입압력을 변화시켜 가면서.

주입시험을 실시한 결과 초미립자시멘트는 저압에서도 균질하게 주입이 완료 된 반면 보통시멘트는 고압에서도 일부만 침투됨이 관측되었다 그. 러므로 경제성을 배제하고서 분사 결과적인 측면에서는 보통시멘트보다 입도가 작은 초미립자시멘트가 우수한 결과를 보인다.

제 장 서 제 장 서 제 장 서 제 장 서 1 1 1 1 론 론 론 론

연구의 배경 및 목적 연구의 배경 및 목적 연구의 배경 및 목적 연구의 배경 및 목적 1.1

1.1 1.1 1.1

최근 급속한 산업의 발달과 도시의 인구집중현상에 따른 토지수요의 증 가로 말미암아 매립지의 개간 및 연약지반을 개량하는 공사가 빈번하다.

이와 같은 토목 및 건축구조물의 축조시 측방토압 증가 지하수위의 상승, 또는 저하 주변지반의 침하 측방유동 등의 현상으로 인하여 인접구조물, , 에 균열이 발생하거나 붕괴가 발생하여 공사 중의 안전성뿐만 아니라 공 사완료 후의 안정성의 확보에 어려움이 많이 발생하고 있다 이러한 문제. 를 해결하기 위해서는 연약지반을 개량하거나 지반의 강도를 증대시켜 줄 필요가 있다 현재 연약지반의 개량 및 구조물기초지반의 보강을 위하여. 약액주입공법 및 고압분사주입공법등의 그라우트공법들이 건설현장에서 널리 행해지고 있는 실정이다.

하지만 그라우트공법의 적용효과 증대와 새로운 기술개발을 위한 연구 는 선진국에 비해서 상대적으로 미흡한 실정이다 현재 국내외 건설현장. 에서 많이 쓰이고 있는 그라우트공법은 인근 지반의 융기 불특정 장소에, 서의 분출위험 조성체의 불량 등의 문제점이 발생하여 그 효과가 크게, 감소되는 예를 많이 볼 수 있다 이 같은 문제점은 그라우트공법 선정 시. 지반의 공학적인 특성 주입제의 특성 주입압력 효과를 파악하지 않음에, , 서 비롯되었다고 사료된다 따라서 이러한 문제점을 개선시키고 보완하기. 위하여 지반의 공학적인 특성 파악과 지반의 특성에 부합하는 그라우트공 법이 건설현장에서 사용되어져야 할 것이다 또한 여러 가지 그라우트 공. 법들 중에 공사비가 저렴하면서 강도가 우수하고 개량범위가 넓은 공법을 개발되고 그 공법에 대한 역학적 실험에서 나온 데이터를 활용하여 연구 개발 발전시켜 나아가야 할 필요성이 있다.․

연구의 내용 및 범위 연구의 내용 및 범위 연구의 내용 및 범위 연구의 내용 및 범위 1.2

1.2 1.2 1.2

그라우트 공법 선정 시에는 지반의 공학적인 특성 파악과 지반의 특성 에 부합하는 가에 대해 검토하여야 한다 보강목적에 적합한 공법을 선정. 하여야 하며 특히 해당 지점의 지반조건 시공환경을 감안하여 여러 공법, , 을 비교하고 타당한 공법이 선정되도록 하여야 한다.

본 실험연구에서는 약액주입공법의 경화제인 초미립자시멘트와 보통시멘 트의 강도발현성 침투성 등을 비교하여 사질지반 실트질지반 점토지반, , , 등 대상지반에 대한 주입 재료별로 침투한계를 평가함으로서 대상지반별 최적 주입제 선정의 기준을 제시하고자 한다 본 실험에서의 대상 주입제. 초미립자시멘트와 보통시멘트를 굵은 모래 중간 모래 가는 모래 등 사질, , 층과 실트와 모래가 혼합된 실트질 모래 등을 대상으로 대상토질별 주입 제의 침투성 실험 침투압력 변화에 의한 침투성 실험 복합지층에서의 주, , 입제별 침투성 실험 모형 토조실험을 이용한 침투성 실험 등을 시행하였, 다.

제 장 지반보강계획 및 조사 제 장 지반보강계획 및 조사 제 장 지반보강계획 및 조사 제 장 지반보강계획 및 조사 2 2 2 2

지반보강계획의 개요 지반보강계획의 개요 지반보강계획의 개요 지반보강계획의 개요 2.1

2.1 2.1 2.1

지반보강의 계획에 있어서는 보강목적에 부합하는 적절한 공법을 선정하여 야 하며 특히 해당 지점의 지반조건 시공환경을 감안하여 여러 공법을 비교, , 하고 검토하여 타당한 공법이 선정되도록 하여야 한다 보강계획을 검토. ․ 계획하는 단계는 그림 2.1와 같다 대한지질공학회 농업기반공사( , , 2003).

과 거 실 적 (경 제 성 , 시 공 성 ) 지 반 공 학 적 이 론 계 산 시 험 시 공 결 과 주 입 목 적 을 파 악

지 수

조 사

지 반 조 건 시 공 조 건 주 변 환 경 조 건

우 물 , 지 하 수 등 의 조 건 식 재 , 농 작 물 , 생 태 계 상 황

1 ) 보 강 ( 주 입 ) 범 위 5 ) 보 강 ( 주 입 )순 서 2 ) 보 강 (주 입 )재 6 ) 보 강 (주 입 ) 공 의 배 치 3 ) 보 강 (주 입 ) 방 법 7 ) 보 강 기 간

4 ) 보 강 량 ( 주 입 량 )

N O

Y E S 지 반 보 강 의 설 계

본 체 및 가 설 시 공 방 법 인 접 구 조 물 의 현 황 지 하 매 설 물 현 황

교 통 량 , 작 업 공 간 , 공 사 기 간

지 반 강 화

주 상 도 , N 치 , 입 도 분 포 , 간 극 율 , 일 축 압 축 강 도 , 점 착 력 , 투 수 계 수 , 지 하 수 위 , 지 하 수 의 성 질 , 유 속 , 유 향

주 입 량 주 입 압 력 주 입 속 도 시 공 계 획

시 험 주 입

효 과 확 인

지 반 보 강

효 과 확 인

자 료 정 리

완 료

시 공 관 리 환 경 감 시 우 물 , 인 접 구 조 물 , 지 하 매 설 물 , 노 면 , 동 식 물 추 가 시 공

Y E S N O

시

공

단

계 설

계

단

계

그림 보강계획의 검토 및 계획단계 그림 보강계획의 검토 및 계획단계 그림 보강계획의 검토 및 계획단계 그림 2.12.12.12.1 보강계획의 검토 및 계획단계

지반보강계획시 고려사항 지반보강계획시 고려사항 지반보강계획시 고려사항 지반보강계획시 고려사항 2.1.1

2.1.1 2.1.1 2.1.1

지반보강계획을 수립시 우선으로 고려하여야 할 사항으로는 지반보강 목적 의 설정이다 지반보강의 목적은 지반은 강도강화와 투수성 저감 혹은 양자. 모두 등으로 구분할 수 있다 경우에 따라서는 지반변형 감소도 고려할 수 있. 다 지반보강 목적설정을 위해서는 우선 목적 구조물의 특성파악이 중요하다. . 도심지에서는 개착 구조물과 터널구조물이 대부분이므로 이들의 안전한 시공 을 위해서는 이들 구조물의 특성을 정확히 파악한 후 적합한 보강공법을 계 획하여야 한다.

지반보강의 목적 설정 지반보강의 목적 설정 지반보강의 목적 설정 지반보강의 목적 설정 1)

1) 1) 1)

가 지반의 전단강도 강화 가 지반의 전단강도 강화 가 지반의 전단강도 강화 가 지반의 전단강도 강화))))

지반의 지지력이나 활동파괴에 대한 안정은 지반의 전단강도에 의하여 좌우된다 따라서 파괴에 대한 안정성을 증대 시키는 데에는 흙의 전단강. 도를 강화하지 않으면 안된다 전단강도는 아래의 식. 2.1로 표현되며 주입 제의 특성과 지반의 특성이 상호 결합하여 강도의 정수 ′ 혹은 ^′을 향 상시키게 된다(Kutzer, C. 1996).

여기서,  = 전단강도, ′ = 유효점착력, ′ = 유효연직응력, ′= 유효 내부마찰각이다.

  ′  ′ ′ ^{(2.1)(2.1)(2.1)(2.1)}

나 압축특성의 개선 나 압축특성의 개선 나 압축특성의 개선 나 압축특성의 개선))))

안정제의 첨가 주입 등에 의해서 형성된 결합 물질을 따라 토립자가 접착되, 므로 지반의 골조강성이 증가되고 압축 특성도 개선된다 또한 결합물질의 간. 극충전도 지반의 변형을 적게 하는 원인이 된다.

다 투수성의 개선 다 투수성의 개선 다 투수성의 개선 다 투수성의 개선))))

시멘트 몰탈 시멘트 밀크 또는 약액 등을 사용하여 원위치 혼합이나 주입을, 통한 지반간극의 충전으로 투수성을 저하시킨다.

라 내구성의 개선 라 내구성의 개선 라 내구성의 개선 라 내구성의 개선))))

지반은 기상의 영향으로 건조와 습윤을 반복하고 온도변화에 따라 동결 ․ 융해를 되풀이 하며 지반의 공학적 특성이 시간의 경과에 따라 변화하게 된 다 특히 풍화가 진행중인 암반이나 풍화토에서의 강도 특성의 저하는 매우. 현저하다 따라서 지반보강 방법으로 이러한 지반의 강도 특성을 유지시키거. 나 내구성을 증가시킨다.

터널공사를 위한 지반보강공법 계획시 고려사황 터널공사를 위한 지반보강공법 계획시 고려사황 터널공사를 위한 지반보강공법 계획시 고려사황 터널공사를 위한 지반보강공법 계획시 고려사황 2)

2) 2) 2)

터널공사는 지하수위 아래에서 실시되는 경우가 대부분이므로 지하수 유입 에 대한 대비를 철저히 하여야 한다 특히 함수미고결 지반에서의 굴착은 지. , 하수에 의해 민감하게 영향을 받으므로 터널 굴착전 반드시 적절한 조치를 취하여야 한다 터널 굴착시 적용되는 지반공법은 시공을 위한 일시적인 안정. 공법인가 아니면 터널 구조물 수명기간 동안 안정을 도모하여야 하는 보강공 법인가를 결정하여야 한다 특히 지반의 강도를 최대로 활용하고자 하는 터. , 널공법인 경우에는 후자에 대하여 신중하게 고려하여야 한다.

지반보강 공법과 대상지반 지반보강 공법과 대상지반 지반보강 공법과 대상지반 지반보강 공법과 대상지반 2.1.2

2.1.2 2.1.2 2.1.2

지반보강 공법적용에 있어서 적용하려는 공법과 대상지반과의 적합성 판단 은 대단히 중요한 사항이며 어려운 일 중의 하나이다 공법별 대상지반을 살. 펴보면 다음과 같다(천병식 1990).

주입공법 주입공법 주입공법 주입공법 1)

1) 1) 1)

연약지반(軟弱地盤) 속에 시멘트액과 같은 주입제를 펌프의 압력으로 주입하여 지반 내의 공극이나 균열을 충전함으로써 용수의 유출을 막거 나 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하는 공법이며, , 가는 모래층에 짧은 겔타임(gel time) 적용 보통정도로 단단한 모래층, , 점성토층 짧은 겔타임과 긴 겔타임 병용이 필요한 복잡한 토층 비교적, , 균질의 가는 모래층 지하공동을 보유한 지반 매우 느슨한 지반에 시공하, , 는 공법이다.

심층혼합공법 심층혼합공법 심층혼합공법 심층혼합공법 2)

2) 2) 2)

확실한 강도증가가 요구되는 연약한 모래 및 점성토 지반에 시공하는 공 법이다.

혼합공법혼합공법 혼합공법혼합공법 3)3)

3)3)

무지보 지지시간이 비교적 짧은 파쇄암반 혹은 풍화토 및 풍화암 지반에 시공하는 공법이다.

주로 지하공동 굴착시 적용

( )

지하수위 저하공법 지하수위 저하공법 지하수위 저하공법 지하수위 저하공법 4)

4) 4) 4)

느슨한 충적 모래층 압밀침하가 문제시 되지 않는 지반 주입공법으로, , 차수효과 기대가 어려운 복합지반에 시공하는 공법이다.

동결공법 동결공법 동결공법 동결공법 5)

5) 5) 5)

지반변위를 허용이 불가한 지역의 연약점성토 및 모래지반에 시공하는 공법이다.

지반보강공법의 적용 지반보강공법의 적용 지반보강공법의 적용 지반보강공법의 적용 2.1.3

2.1.3 2.1.3 2.1.3

지반보강공법을 적용하는 궁극적인 목적은 구조물의 시공을 용이하고 안전 하게 실시하고자 하는데 있으며 이를 위한공법적용 조건을 살펴보면 다음과 같다 대한지질공학회 농업기반공사( , , 2003).

지수 주입 지수 주입 지수 주입 지수 주입 1)

1) 1) 1)

주입 대상지반의 투수계수를 작게 하여 투수유량을 감소시키는 것이 목적이 다 예를 들면 굴착공사에 있어서 지하수위의 저하를 억제하거나 파이핑 현. , 상을 방지하기 위해 지수주입을 실시한다 그림. 2.2와 그림 2.3은 지수를 목적 으로 한 적용 예를 보이고 있다 특히 그림. 2.3와 같이 연속된 지수벽을 형성 하기 위한 주입을 커튼 그라우트(curtain grout)라고 부른다(Nonveiller, E.

1989)

깊은기초

주입영역

그림그림

그림그림 2222.2.2.2.2 보일링 방지주입보일링 방지주입보일링 방지주입보일링 방지주입

저면융기 방지주입

저면융기 방지주입

저면융기 방지주입

저면융기 방지주입

2) (heaving) 2)2) (heaving)(heaving) 2) (heaving)

연약지반에서 흙막이공을 이용하여 굴착할 때 저면이 융기되는 수가 있 다 이 같은 현상은 흙의 전단저항력이 부족하여 활동면을 따라 전단파괴. 가 일어나는 것이 원인이므로 주입으로 저항부분의 지반강도를 향상시켜, 저면 융기를 방지한다 그림. 2.4와 같이 굴착저면 수동측 에 주입하는 것( ) 이 효과적이다.

굴 착 면 주 입 커 튼 그 라 우 트

댐

그림 지수주입 그림 지수주입 그림 지수주입 그림 2.32.32.32.3 지수주입

c2

c1

굴 착 면

주 입 영 역

그림 그림 그림

그림 2.2.2.2.4444 저면융기방지주입저면융기방지주입저면융기방지주입저면융기방지주입

침하방지 주입 침하방지 주입 침하방지 주입 침하방지 주입 3)3)

3)3)

침하방지를 목적으로 하는 주입은 여러 가지 경우가 있다 지반을 굴착. 할 때 인접지반이 침하하는 주원인인 굴착에 따른 지중응력의 해방과 지, 하수위의 저하에 대한 대책이다 이 경우 흙막이 배면에 그림. 2.5와 같이 주입하는 것이 일반적이다 또한 쉴드 통과 시 세그먼트 주위에 공동이. , 생겨 지표까지 침하를 일으키게 될 경우에는 그림 2.6와 같이 주입하여 침하를 억제하도록 한다.

굴착면 주입

그림그림그림

그림 2.2.2.2.555 침하 방지주입5 침하 방지주입침하 방지주입침하 방지주입

주입영역

쉴드

그림 그림그림

그림 2.2.2.62.66 침하 방지주입6 침하 방지주입침하 방지주입침하 방지주입

토압경감 주입 토압경감 주입 토압경감 주입 토압경감 주입 4)4)

4)4)

교대나 옹벽 등과 같이 수평토압을 받는 구조물의 안전율이 교통량의, 증대 또는 기타의 원인으로 감소된 경우에 수평토압을 감소시키는 위해 그림 2.7과 같이 주입한다.

지지력증가 주입 지지력증가 주입 지지력증가 주입 지지력증가 주입 5)5)

5)5)

구조물 기초의 지지력을 증가시키기 위해 그림 2.8과 같이 주입하여 지 반의 강도를 높이고 하중의 분산을 도모한다.

주 입 영 역

그림 그림그림

그림 2.2.2.72.77 토압 경감주입7 토압 경감주입토압 경감주입토압 경감주입

기 초

주 입 영 역

그림 그림그림

그림 2.2.2.2.8888 지지력 증가주입지지력 증가주입지지력 증가주입지지력 증가주입

토립자 유출방지 주입 토립자 유출방지 주입 토립자 유출방지 주입 토립자 유출방지 주입 6)6)

6)6)

해안의 제방 또는 호안구조물의 내측 육지측 이 함몰하는 경우가 있다( ) . 이것은 파력 등에 의해 기초 밑의 토립자가 유실되어 일어나는 것이므로, 주입에 의해 점착력을 향상시켜 토립자 유출을 방지한다.

그림 그림 그림

그림 2.2.2.2.9999 토립자 유출방지주입토립자 유출방지주입토립자 유출방지주입토립자 유출방지주입

지반보강을 위한 사전 조사 지반보강을 위한 사전 조사 지반보강을 위한 사전 조사 지반보강을 위한 사전 조사 2.2

2.2 2.2 2.2

사전 지반조사의 목적 사전 지반조사의 목적 사전 지반조사의 목적 사전 지반조사의 목적 2.2.1

2.2.1 2.2.1 2.2.1

지반보강을 계획함에 있어서 가장 중요하고 선행되는 사항은 달성하고 자 하는 지반보강 목적에 적합한 공법을 선정하는 것이며 대상지반의 공 학적인 특성규명과 환경여건의 충분한 검토가 선행되어야 한다 지반보강. 공법을 위한 사전조사에는 크게 지반의 특성을 파악하는 지반조사와 시공 환경 조사로 나눌 수 있다 지반조사는 지반보강의 필요성과 효과를 판단. 하는데 필요한 정보를 수집하며 시공환경 조사는 시공에 관련된 현장조, 건과 생활 환경상의 조건을 포함한다 천병식( 1998).

사전 지반조사의 목적에는 지반보강 필요성의 판단 적합한 지반보강, 공법의 판단 선정된 지반보강 공법의 설계 시공 및 시공관리 기준의 확, , 립 환경보존 대책의 검토 시공효과 확인을 위한 기초자료의 수집 등이, , 있다 시공 중에는 보강공사가 계획대로 진행되고 있는가 시공 후에는 지. , 반이 목적한바 대로 보강되었는가 등을 확인하기 위해서는 보강이 실시되 지 않는 원 지반에 대해 충분한 조사와 시험을 실시하여야 한다 초기조. 사 자료가 충실하지 못하면 적합한 보강공법 선정은 물론 효과의 확인도 곤란할 뿐만 아니라 공법을 수정하거나 주입제를 보충하는 등의 변경이 불가능하게 된다 이러한 상황의 발생을 예방하기 위해서 원지반에 대한. 충분한 조사와 특성파악은 주입공법에 있어서 필수적인 사항이다.

현장여건 조사 현장여건 조사 현장여건 조사 현장여건 조사 2.2.2

2.2.2 2.2.2 2.2.2

지반보강 대상구간이나 지역에 답사를 실시하여 지표주입 가능여부 플, 랜트(plant) 설치위치 지하매설물 및 인접구조물의 보호를 필요로 하는지, 여부와 환경상태를 조사하여야 한다 도심지 지역에서의 지형조사시 이미. 개발된 구지형도 및 구항공사진 등을 참조하여 지반조사 계획시 효율적인 시추공의 배치가 가능하도록 하여야 한다 공사대상지의 생활환경 교통. ( , 소음 등), 지하구조물 각종 매설관 지하철 통신구 하수관로 등( , ), 시공조건 전기 물의 공급 가능성 조사 등의 지반보강 시공의 가능여부를 조사하

( , )

여야 한다 지반침하 또는 측방유동 등의 지반의 변위 발생 가능성에 대. 해서도 조사되어져야 한다 현장여건 조사자료는 설계 시험시공 및 시공. , 주에 일관성 있게 관리하여 시공시 및 시공후의 상태를 상호 비교 분석, 할 수 있도록 하여야 한다.

지반조사지반조사 지반조사지반조사 2.2.3

2.2.3 2.2.3 2.2.3

지반조사의 방향 지반조사의 방향 지반조사의 방향 지반조사의 방향 1)1)

1)1)

일반적으로 지반조사는 계획단계 및 타당성 조사 단계에서의 예비조사, 기본설계 단계에서의 개략조사 실시설계 단계에서의 세부조사 및 시공, 단계에서의 보완조사 등으로 구분된다 세부조사는 기본적으로 지반의 파. 괴나 변형을 방지하는 공법의 적용을 위한 조사이므로 지반의 현황과 건 설이 야기될 수 있는 상황의 예측이 가능할 수 있는 자료를 제공할 수 있 어야 하고 지반보강 범위 결정과 보강효과를 예측 할 수 있도록 실시하, 여야 한다.

지반조사 항목 지반조사 항목 지반조사 항목 지반조사 항목 2)2)

2)2)

지반 및 지하수 조사에서는 (1)지층의 분포상태 (2)지반의 물리적 역학, 적 특성 (3)지하수의 상태 및 투수성 등이 주요 조사항목이며 대표적인 사질토와 점성토에 대한 조사항목을 정리하며 표 2.1과 같다

표 지반 및 지반보강 목적에 따른 일반적 지반조사 항목 표표 지반 및 지반보강 목적에 따른 일반적 지반조사 항목지반 및 지반보강 목적에 따른 일반적 지반조사 항목 표 2.12.12.12.1 지반 및 지반보강 목적에 따른 일반적 지반조사 항목

흙의 종류 사 질 토 점 성 토

주 입 목 적

항 목 지 수 강 화 강화

현 장 조 사

토 질 주 상 도 ○ ○ ○

표 준 관 입 시 험 ○ ○ ○

간 극 수 압 측 정 ○ ○

표준관입시험에 의한

샘플링 ○ ○ ○

틴월 샘플링 ○

보링공에서의 투수시험 ○ ○

물 리 시 험

토립자의 비중 ○ ○ ○

자 연 함 수 비 ○ ○ ○

밀 도 ○ ○ ○

간 극 비 ○ ○ ○

입 도 ○ ○ ○

콘 시 스 턴 시 ○

역학 시험

일 축 압 축 ○

삼 축 압 축 ○ ○

투 수 ○ ○

화학 시험

pH ○ ○ ○

COD ○ ○ ○

BOD ○ ○ ○

주입공사의 대상이 되는 지반은 대개 미고결 혹은 반고결의 충적층이나 붕적층인 경우가 많다 이런 지반은 자갈 모래 실트 점토가 혹은 부정합. , , , 으로 다양한 층을 이루고 있고 성분간의 분급도 매우 불규칙적이다 모래. 층 중에 점토가 혹은 점토층에 얇은 모래층이 협재하기도 하는데 이러한 층상구조는 주입에 있어서 곤란한 여러 문제를 야기하는 원인이 되므로 충분한 조사가 이루어져야 한다 수평 또는 수직방향으로 서로 다른 지층. 들의 층 사이 복잡하게 변화하는 지역에 터널이나 수직갱과 같이 긴 거리 에 걸쳐 구조물을 시공해야 할 경우의 지반보강조사는 지반변화에 대한 현황을 충분히 파악할 수 있는 조사가 되도록 하여야 한다 시추조사공의. 밀도는 원칙적으로 시공면적 500m²당 1개소 각 보링 지점간 거리는, 30m 를 초과하지 않는 범위에서 결정하며 심도는 목적 구조물에 미치는 영향 을 파악할 수 있는 범위로 한다 교량의 기초를 위한 경우에는 교각의 위. 치마다 시추조사를 1공 이상 실시한다 지반보강 공사에 있어서 주입제. , 선정 및 주입설계 계획에 직접적인 요소가 되는 대상지반의 기본적 토성 조사 항목으로는 간극율 투수성 투기성, ( ), 입도조성 화학적 성질등이다, .

환경조사 환경조사 환경조사 환경조사 2.2.4

2.2.4 2.2.4 2.2.4

환경에 대한 조사항목에는 지하매설물 및 인접구조물 지하수 및 지표수 상, 태 식생 및 어패류 등에 대한 조사를 포함하여야 한다 특히 공공 용수지역, . , 이나 우물 등에 영향을 미치는 위치에서의 약액주입공법은 면밀한 분석을 실 시한 후 시행하여야 한다.

지하매설물 및 인접구조물 지하매설물 및 인접구조물 지하매설물 및 인접구조물 지하매설물 및 인접구조물 1)

1) 1) 1)

지하매설물에 상하수도 가스관 온수관 통신케이블 전력케이블 등 손상을( , , , , ) 주지 않는 대책을 강구해야 한다 이는 약액주입 공법 뿐 아니라 기타의 기초. 공사시도 공통되는 사항이다 관계기관 으로부터 사전에 매설물 현황에 대한. 모든 자료를 수집하여 그 위치를 확인하고 필요에 따라 지하매설물 탐지기를,

사용하여 정확한 위치를 파악한다 최종적으로 굴착에 의해 육안으로 지접 확. 인하여 보링이나 기타 원위치시험 주입 등에 의해 매설물이 손상이 되지 않, , 도록 대책을 수립해야 한다 인접구조물에 대한 영향으로는 주입압에 의한 구. 조물의 파괴 융기 수평이동 등을 들 수 있다 이런 현상들은 차후 그 소유주, , . 와의 분쟁을 야기할 가능성이 크므로 공사전에 인접구조물의 노후정도 크랙, 발생 상황 등의 현상태를 면밀히 조하여 기록을 유지하고 관리하여야 한다.

경우에 따라서는 경사계나 침하계를 지중에 매설하고 계속 측정을 하여 이상 발생시 적절한 조치를 강구할 수 있도록 하여야 한다.

지하수 우물 및 공공용수역 지하수 우물 및 공공용수역 지하수 우물 및 공공용수역 지하수 우물 및 공공용수역 2) ,

2) , 2) , 2) ,

지하수는 지반보강공법에 영향을 줄 뿐만 아니라 주변의 지하여건에 큰 영 향을 미치므로 사전에 충분히 조사해야 한다 그 조사내용은 다음과 같다. .

대수층 차수층의 위치와 분포,

①

지하수위 수질 수온 유향 유속 공급량 간극수압, , , , , ,

②

용출수의 양

③

유입하천 상황

④

상기 항목 중 지하수의 유향 유속 등은 섬유착색제 식품착색제 방사성 동, , , 위원소 식염 등을 이용하여 측정하는데 대개 식품착색제를 이용하는 예가 많, 다 식수 및 어패류 등에 미치는 영향은 인체에도 직접적인 영향을 주므로 주. 입시공시 이러한 수역에 영향을 미친다고 예상될 때는 이에 대한 대책이 필 요하다 우물의 경우 그 사용목적에 따라 다르지만 특히 식용수원인 경우는. 주입공법의 채택여부에 까지 영향을 주게 되며 부득이 주입공법을 채택해야 할 경우는 대체수원 설비를 해 주어야 한다 조사항목으로는 다음과 같다. .

우물의 우치 깊이 수질 구조 사용목적 및 사용 상황, , , ,

①

하천 호소 해역 등의 공공수역 및 식용수원으로서의 저수지와 양어, ,

②

시설의 취치 깊이 형상 구조 이용사항 등, , ,

식생 및 어패류 조사 식생 및 어패류 조사 식생 및 어패류 조사 식생 및 어패류 조사 3)3)

3)3)

주입제가 식물의 모근 주변토에 침투하면 토양의 pH가 식물의 생장에 부적 합하게 변화하기도 하고 식물에 대해 수분 양분 산소 등의 공급로를 차단하, , 기도 하며 또한 주입제가 모근을 통해 식물체내로 침투되면 직접적으로 화학, 적 악영향을 주 수 있다 따라서 사전에 현장부근의 식생상태를 파악하여 농. 작물이 위치할 경우 필요에 따라서는 다른 장소로 이식하거나 주입액의 영향 을 차단하는 조치를 해야 한다 주입제가 수원에 유입하면 수질이 변하고 어. 패류에도 영향을 미치므로 약액주입시는 미리 필요에 따라 어패류의 생식환 경 및 영향에 대한 조사와 환경기준에 의한 수질검사도 실시해야 한다.

제 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 제 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 제 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 제 장 그라우트 침투에 관한 이론적 배경 3 3 3 3

약액의 토중에서의 거동 약액의 토중에서의 거동 약액의 토중에서의 거동 약액의 토중에서의 거동 3.1

3.1 3.1 3.1

약액주입공법은 지반강도 증대 또는 지반의 불투수성 차수 또는 지수( ) 을 증가시키기 위하여 사용되는 지반개량공법의 일종이다 여기서 약액주. 입이란 지반내에 주입관을 삽입하고 이것을 통하여 화학약액 간단히 약액( 또는 주입제라고도 함 을 지중에 압송 충진시켜 일정한 시간) , (Gel time 또 는 Setting Time이라고 함 경과 후 지반을 고결시키는 것을 말한다 한국) ( 지반공학회 1997).

약액주입공법의 주목적은 토립자의 간극이나 지반속의 틈을 메워 지하 수의 용수를 방지하고 압축 압밀효과에 의하여 토립자 상호간의 점착력, 을 증가시키므로서 연약지반의 강도를 증가 시키는 것이다 또한 지반내. , 혹은 지반과 구조물과의 사이에서 발생된 간극이나 느슨함을 충진해서 지 반 및 구조물의 변형을 방지하는데 있다 따라서 본 공법은 지수 및 차수. , 히빙 및 보일링 방지 구조물의 침하방지 토압경감 지지지반 강화등의, , , 용도로서 현재 각종 토목공사에서 보조공법으로 널리 사용되고 있다.

약액의 거동 약액의 거동 약액의 거동 약액의 거동 3.1.1

3.1.1 3.1.1 3.1.1

약액의 주입의 가장 이상적인 형태는 침투주입이다 그러나 실제 주입. 에서는 토중의 약선(弱線)이나 토층경을 따라서 약액이 흙을 할렬하면서 들어가게 되는 소위 맥상주입으로 되기 쉽다 세사보다 작은 입경을 갖는. 세립토층에서는 맥상주입이 일반적 패턴이며 이러한 주입은 어떤 경우는 오히려 부작용이 생길 수도 있다 할렬한다는 것은 주입압이 지반의 할렬. 저항압 이상으로 되기 때문이다 즉 할렬주입은 지반을 주입압으로 할렬. 하여 소위 수압파쇄 현상이 생기며 이때 할렬부분에 주입제가 들어감으로 인해 흙이 흐트러지는 것은 자명한 사실이다 따라서 할렬주입에 의한 맥.

상부의 들어가는 방향 분포상태, , homogel 강도 등이 중요하다 한국지반( 공학회 1997).

즉 주입제가 설계범위를 훨씬 넘어 주입되고 목적범위에 그다지 주입되 지 않는 경우는 개량효과는 없고 오히려 역효과를 초래하게 된다 그러나, . 최근에 순결성 주입제의 이중관 단상주입 등에 의해 상당히 효과를 높이 는 예가 증가하고 있으며 할렬주입에 의한 지반개량 이론도 점차 확립되 어 가고 있다 수입파쇄 현상이란 과잉공극 수압에 의하여 지반중에 생기. 는 파쇄현상으로서 할렬현상이라고도 하는데 이러한 현상은 약액주입시, 뿐만 아니라 항타 또는 sand drain의 casing타설시 또는 현장투수 시험시 에 높은 주입압에 의하여도 발생한다 이와 같은 수압파쇄 현상은 특히. 년 의 파괴 이후 세인의 많은 관심을 모으고 있으며 각국 1976 Teton dam

에서 현재 많은 연구가 진행 중이다.

의 이론에 의하면 실용적 주입속도로 할렬하지 않고 침투가 되기 Maag

위해서는 지반의 투수계수 대략(

10

cm / sec

천병식 홍원표

( 1995; 1995).

침투주입 할렬주입 할렬침투주입

(a) (b) (c)

그림 주입방식 그림 주입방식 그림 주입방식 그림 3.13.13.13.1 주입방식

침투와 고결의 메카니즘 침투와 고결의 메카니즘 침투와 고결의 메카니즘 침투와 고결의 메카니즘 3.1.2

3.1.2 3.1.2 3.1.2

주입된 약액이 공극을 통과해서 침투되어 가지만 어떤 시점에서는 공극 이 막히고 주입액이 지반에 침투하지 못하게 되면 주입이 완료된다 이와. 같이 토립자의 접점을 중심으로 해서 토립자 표면을 덮은 규산겔은 1차결 합 또는 2차결합으로 견고한 규산층으로 되어 토립자 접점을 견고하게 고 정하고 또한 연속된 막에 의해 토립자끼리를 연결한다.

토립자 상호간의 규산에 의한 접착은 규산층에서 분자간의 응집력과규산 층 및 토립자 표면의 부착력으로 이루어진다 이 가운데 규산층과 토립자. 표면의 부착력은 사질토의 경우 반 데르 바알스력(Van der Waal's force) 이나 수소결합 등에 의한 2차결합이 주체가 된다.

토립자가 세립화되고 점토분이 많아짐에 따라 토립자 표면의 계면활성이 증대하고 점토광물의 분극성 철의 유리 알루미나의 증대 등으로 규산겔, , 에 의한 고결효과가 증대되지만 점토분이 많아짐에 따라 약액의 입자간, 의 침투는 불충분해지므로 전체의 균질한 고결효과는 감소한다 이와 같. 은 토립자와 약액의 상호작용에 의해 약액주입 전 모래의 전단강도가 입 자 상호간의 접촉이나 맞물림에 의한 마찰로 생긴 요소가 주된 것이었으 나 약액주입 후의 모래의 전단강도는 이 마찰로 인한 요소 외에 규산층, 토립자간의 고결로 인한 점착력의 요소가 추가되었다고 생각할 수 있다.

약액주입에 의한 지반의 개량은 지반의 상황이나 사용하는 약액에 의해 주입상황이 다르게 되며 맥상이나 침투 또는 여러가지가 복합된 상황을, 나타내고 그렇게 해서 얻어진 결과는 단순하지가 않다 그러나 복합주입, . 이 이상적으로 행해진 경우 등을 생각한다면 맥상부분에는 현탁액 또는 순결성의 비교적 강도 높은 약액이 주입되고 침투부분은 그렇지 않은 약 액이 사용될 때가 많으므로 일반적으로 개량 후 지반의 성질은 침투부분 의 성질에 의해 좌우될 때가 많다고 본다.

약액의 적용한계와 침투거리 약액의 적용한계와 침투거리 약액의 적용한계와 침투거리 약액의 적용한계와 침투거리 3.2

3.2 3.2 3.2

주입제의 적용한계 주입제의 적용한계 주입제의 적용한계 주입제의 적용한계 3.2.1

3.2.1 3.2.1 3.2.1

주입제의 선정에 있어서는 목적별로 주입제의 입경 점성 안전성 강도, , , , 내구성 및 경제성 등을 고려해서 최대한 지반조건에 적합한 것을 고려해 야만 한다 일반적으로 주입제는 현탁액형 용액형 물유리계 고분자계 순. , , 으로 침투성이 양호하다 따라서 일반적으로 큰 자갈이나 암괴를 포함한. 토사나 세사와 같이 큰 간극을 가진 지반에 대해서는 주로 현탁액형 주입 제를 사용하며 사질토와 같이 간극이 비교적 작은 지반에서는 주로 용액, 형 주입제가 사용된다.

이론적으로 용액형 주입제는 점도가 어느 정도 높아도 주입압력을 높게 하든가 장시간에 걸쳐 주입하든가 혹은 낮은 농도로 주입하면 간극이 작, , 은 지반에서도 가능하다 그러나 실제에는 주입펌프 자체의 허용압력이. 한정되어 있으며 또한 주입압이 어느 한도를 초월하면 지반의 붕괴 또는, 지표면의 융기를 일으킨다 농도를 작게 하면 침투성은 양호하지만 강도. 가 저하되며 특히 현탁액형 주입제는 지중에서 대부분의 물이 입자와 분, 리되어 유출되는 것으로 농도를 낮출 경우에 침투성은 서서히 떨어지게 된다.

한편 주입제의 겔화시간의 길이도 한도가 있다 따라서 주입제의 지반, . 침투능력을 주입방법에 의해 무제한 크게 하는 것은 불가능하다 일반적. 으로 주입제가 침투할 수 있는 지반은 가는 모래 정도의 지반이며 점토, 와 같은 지반에 대해서는 침투주입이 이루어지지 않는다.

점토에 대해서는 만약 압축가능 하다면 그 속에 주입제를 고압으로 압 입하여 지반을 국부적으로 압축시켜 지반 전체의 강도를 꽤하는 주입방법 이 채택되고 있다 이 경우에 비교적 높은 주입압이 필요하며 주입제는. ,

점성이 크고 겔타임이 짧거나 혹은 항복치를 가진 것이 사용된다.

할렬주입을 목적으로 하는 경우 이외는 주입제의 목적이 지수이든 지반 강화이든 대상지반 내에 주입제의 가장 이상적인 침투형태는 균질한 침투 주입이다 이러한 주입의 경우를 대상으로 흙의 입경과 주입제의 침투성. 에 관한 연구가 실시되어 오고 있다(Karol, R. H. 1990)

표 주입제의 적용한계 표표 주입제의 적용한계주입제의 적용한계 표 3.13.13.13.1 주입제의 적용한계

주입목적

자갈 굵은 모래,

_≥  

  ^{ }

중간 굵은 모래-

_≥  

^{ }   ^{ }

가는 중간 모래-

_≥  

^{ }   ^{ }

지 수 (止水)

아스팔트 유제 약액 점토 약액․

점토 점토 시멘트․

시멘트

강 화 (强化)

시멘트 점토 시멘트․

점토 약액․

약액 아스팔트 유제

표 주입제의 적용한계 표표 주입제의 적용한계주입제의 적용한계 표 3.23.23.23.2 주입제의 적용한계

자 갈 모 래 실 트 점

토 시멘트 ․ 소일

점토

물유리계 약액 크롬 ․ 니크린

고분자계

10 1.0 0.1 0.01 0.001

흙의 입경 

표 주입제의 적용한계 표표 주입제의 적용한계주입제의 적용한계 표 3.33.33.33.3 주입제의 적용한계

흙의 종류 굵은 모래 자갈, 가는 - 중간 모래 점토질모래 실트,

입경 _ _     _   _  

비표면적    ^{ }     ^{ }   ^{ }

투수계수    ^{ } ^{ }   ^{ }   ^{ }

주입제 종류 빙검 현탁액 콜로이드용액 순용액

표 주입제의 적용한계 표표 주입제의 적용한계주입제의 적용한계 표 3.43.43.43.4 주입제의 적용한계

시 멘 트 강화

점토 시멘트․ 강화 지수

점토 벤토나이트, 지수

크롬리그닌 강화

아스팔트유제 강화

물유리계

고 농 도 강화

저 농 도 강화

고 농 도 지수

저 농 도 지수

고분자계

아크릴아미드 지수

페 놀 계 지수

흙의 투수계수    10¹ 10^-1 10^-2 10^-3 10^-4 10^-5 10^-6 10^-7 (고비용이 됨)

주입공법의 적용한계는 목적이나 개량정도 등에 의해 다르지만 주입제 의 투수성만으로 판별이 불가능하므로 주입공법을 선정할 때 고려되어야 할 중요한 요건을 열거하면 다음과 같다.

현탁액 주입제의 경우 현탁액 주입제의 경우현탁액 주입제의 경우 현탁액 주입제의 경우 (1)

(1)(1) (1)

대상지반에서의 현탁액형 주입제 사용가능여부에 대한 판정기준으로 은 많은 실험결과로부터 다음과 같은 두 가지 식을 제안하였다

King .







≥  





≥  ^(3.1)(3.1)(3.1)(3.1)

여기서, _ , _ = 원지반의 입경가적곡선의 10%, 15%입경, _ ,

_ = 주입제의 입경가적곡선의 85%, 95% 입경이다.

위 두식을 동시에 만족하는 지반에 대해서는 현탁액형 주입제의 침투가 가능한 것으로 판단하였다 표. 3.3에서는 주입제의 입경을 열거하고 있다. 한편, 최근 Mitchell의 연구에 의해 다음과 같은 식이 제안되었다.











  이면 대체로 침투주입이 가능하지만   이면 침투주입 이 가능한 것으로 판단한다.

표 주입제의 표표 주입제의주입제의

표 3.53.53.53.5 주입제의 _ ,,,, _의 값의 값의 값의 값 

주입제의 종류 _ _

보 통 시 멘 트 67 74

조 강 시 멘 트 25 34

플 라 이 애 쉬 47 52

점 토 26 50

콜로이드시멘트 18 27

초미립자 시메트 6 8

벤 트 나 이 트 1.5 7

용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 (2)

(2) (2) (2)

물유리 염화칼슘등의 무기계 약액과 각종 고분자화합물등으로 이루어진, 용액형 약액의 적용한계는 약액의 점성과 대상지반의 투수계수에 의해서 좌우된다.

현탁액형 주입제의 사용이 곤란하다고 판단되는 중간모래 가는모래등, 의 지반에는 용액형 주입제를 사용한다 용액형 주입제의 침투성은 점도. 에 의해 크게 지배되지만 일반적으로 투수계수가 10^-3 cm/sec정도 까지의 지반에 적용하는 것이 가능하다 또한 겔화시간이 긴 배합의 경우에는 투. 수계수가 10^-4 cm/sec정도의 지반까지 침투가 가능하다 각 약액에 있어. 서의 적용한계는 아래와 같다.

반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 (3)

(3) (3) (3)

물유리 시멘트 현탁액으로 대표되는 반현탁액형 주입제는 대상지반의- 투수계수가 10^-3 cm/sec정도의 범위까지를 적용한계로 나타내고 있다.

물유리 원액

대상지반의 투수계수가 10^-1-10^-2 cm/sec정도 범위까지 염화칼슘액등

희석된 물유리

대상지반의 투수계수가 10^-4 cm/sec정도 범위까지 고분자계 약액

주입제의 침투거리 주입제의 침투거리 주입제의 침투거리 주입제의 침투거리 3.2.2

3.2.2 3.2.2 3.2.2

현탁액형 주입제의 경우 현탁액형 주입제의 경우 현탁액형 주입제의 경우 현탁액형 주입제의 경우 (1)(1)

(1)(1)

지반공극을 수리학적 성질이 같은 가는 관으로 가정하고 주입압이 주, 입제 전단강도 주입제와 관벽의 마찰강도 와 같아질 때 침투가 종료된다( ) 는 가정으로부터 식 3.3과 같이 현탁액형 주입제의 침투거리는 추정된다

한국지반공학회

( 2000)







__

  ^{(3.3)(3.3)(3.3)(3.3)}

여기서, _ = 주입제의 침투거리,  = 주입공의 반경, _ = 물의 단위체적중량^,  = 중력가속도 ^,  = 수두 주입( 압) , _ = 공극등가반경,  = 주입제의 겔강도^이 다.

식 3.3으로부터 침투거리 _는 주입압력 와 토립자간 공극 에 비례하 고 주입제의 겔강도 에는 반비례함을 알 수 있다 그러나 현실적으로는. 주입압력을 한없이 크게 할 수 없고 토립자 공극을 선택할 수 없는 제한 성 때문에 주입약액의 유효직경과 점도를 가능한 작게 함으로써 침투거리 를 효과적으로 확장 할 수 있다.

_과 지반계수와의 관계는 표 3.4와 같으며 겔강도 는 그림 3.12에 나 타낸 바와 같다.

표 토립자 공극의 등가반경 표표 토립자 공극의 등가반경토립자 공극의 등가반경 표 3.63.63.63.6 토립자 공극의 등가반경

투 수 계 수 공 극 비 _ : 등가반경 

1 0.3 0.019

10^-1 0.3 0.0059

10^-2 0.3 0.0019

10^-3 0.3 0.00059

70 60

40

20

0

120 100 80 60 40 20 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

물 ·시멘트비

점 성 계 수 η (C P )

겔 강 도 S (d yn e /c m )

S

η

2

그림 겔강도 그림 겔강도 그림 겔강도 그림 3.23.23.23.2 겔강도 

용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 용액형 주입제의 경우 (2)

(2) (2) (2)

용액형 주입제에 대한 침투이론은 현탁액형에 비해서 많이 제안되어 있 다 어떤 제안식이든 유속이 그 유선의 동수구배에 비례한다는. Darcy의 법칙을 기본으로 하고 중력의 영향을 무시한다는 가정에서 유도된다, (한 국지반공학회 2000).

의 식 Maag

①







 ^{ (3.4)(3.4)(3.4)(3.4)}

또는

  

 



여기서,  = 주입소요시간,  = 공극률,  = 투수계수 ,  = 수 두 주입압( ),  = 물과 주입제의 점도(cps), _ = 주입제의 침투거리

,  =: 주입공반경이다.

의 수정식 Maag

②

실내 및 현장주입시험에 의해서 검토하면, Maag의 식이 현장과 잘 부합 되지 않는다 또한 고결시간 공극 충전율 및 주입관의 형식 등에 대해서. , , 고려되지 않았기 때문에 주입특성을 표시하는 정수를 설정해서, Maag의 식을 개선한 수정식이 식 3.6 및 식 3.7와 같이 제안되어 있다(한국지반공 학회 2000).

  



 



또는





^

여기서, _ = 주입제의 침투거리,  = 주입소요시간,  = 공극률

 = 투수계수 ,  = 수두 주입압( ),  = 주입공반경,

′ = 실제의 침투원 반경,   ′ = 유효 주입공경 계수,  = 공 극 충전율,  = 주입제의 동점성계수,  _ _  = 고결 침투시 간 계수, _ = 고결시간  , ,  = 정수 이다.

의 식 Raffle

③

  

^













 







 





여기서,  = 주입제의 침투거리,  = 주입소요시간,  = 공극률,

 = 투수계수 ,  = 수두 주입압( ),  = 물과 주입제의 점도 (cps),  = 주입공반경이다.

의 식 Karol

④

침투거리와 약액의 점성 주입속도 겔화시간 간극률과의 관계에서 다, , , 음과 같은 식을 제안하였다(Karol, R. H. 1990).







(3.9) (3.9) (3.9) (3.9)

여기서, _ = 침투거리,  = 용액의 점도 역수,  = 주입속도

 , _ = 겔화시간 ,  = 공극률이다.

반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 반현탁액형 주입제의 경우 (3)

(3) (3) (3)

반현탁액형 주입제의 침투식에 대해서는 더욱 많은 요소가 포함되어 있 으므로 침투거리 추정식에 있어서 적합한 것은 현재로는 없다 따라서 앞. 에서 언급된 식을 이용하거나 시공실적을 참고해서 종합적으로 판단하고 있는 것이 현실이라고 말할 수 있다 가능한 한 현장에서 시험주입을 실. 시하여 침투범위를 설정하는 것이 바람직하다.

제 장 실내모형실험 제 장 실내모형실험 제 장 실내모형실험 제 장 실내모형실험 4 4 4 4

목적 및 범위 목적 및 범위 목적 및 범위 목적 및 범위 4.1

4.1 4.1 4.1

본 실험은 서울 지하철 914공구 설계의 기본자료 획득을 위한 “그라우 팅에 관한 실내시험 보고서” 내용을 바탕으로 그 성과를 정리하였다 실. 험연구에서는 약액주입공법의 경화제인 초미립자시멘트와 보통시멘트를 강도발현성 침투성 등을 비교하여 사질지반 실트질지반 점토지반 등 대, , , 상지반에 대한 주입 재료별로 침투한계를 평가함으로서 대상지반별 최적 주입제 선정의 기준을 제시하고자 한다.

한편 주입된 고결체의 내구성에 대한 평가도 중요한 척도이지만 본 연, 구의 수행기간의 제한 때문에 과업수행 범위에서 제외하였다 이제이텍 연( 구보고서 2002).

실험재료 실험재료 실험재료 실험재료 4.2 4.2 4.2

4.2

본 실험연구에서 사용된 재료는 다음과 같다.

경화제 초미립자시멘트 보통시멘트 경화제 초미립자시멘트 보통시멘트 경화제 초미립자시멘트 보통시멘트 경화제 초미립자시멘트 보통시멘트

1) ; ,

1) ; ,

1) ; ,

1) ; ,

응결제 규산소다 호 응결제 규산소다 호 응결제 규산소다 호 응결제 규산소다 호

2) ; 3

2) ; 3

2) ; 3

2) ; 3

침투성 시험용 지반 침투성 시험용 지반 침투성 시험용 지반 침투성 시험용 지반 3)

3) 3) 3)

압력별 침투성 지반 ; 주문진 표준사

․

복합주입 침투성 지반 ; 굵은 모래층 실트모래층～

․

혼합수 수돗물 혼합수 수돗물 혼합수 수돗물 혼합수 수돗물 4) ;

4) ; 4) ; 4) ;

실험계획 실험계획 실험계획 실험계획 4.3

4.3 4.3 4.3

원재료의 물리화학적 특성 분석 원재료의 물리화학적 특성 분석 원재료의 물리화학적 특성 분석 원재료의 물리화학적 특성 분석 1)1)

1)1)

경화제 응결제에 대해서는 화학성분 및 입도분포 압축강도 등을 분석하, , 고 침투성 시험용 지반에 대해서는 공극율 입도특성 및 투수계수를 분석, , 한다.

호모겔 강도 호모겔 강도 호모겔 강도 호모겔 강도 2)2)

2)2)

차수목적의 약액주입공법에서 범용적으로 사용되는 1.5shot 공정과 공정의 주입제는 응결제 액 와 경화제 액 가 일정비율로 혼합

2.0shot (A ) (B )

된 호모겔 강도가 가장 대표적인 물리적 특성이며 본 실험에 적용한 표, 준배합은 표 4.1과 같다.

표 호모겔 강도 시편 제작용 표준배합 표표 호모겔 강도 시편 제작용 표준배합호모겔 강도 시편 제작용 표준배합 표 4.14.14.14.1 호모겔 강도 시편 제작용 표준배합

실험 No.

주입제 종 류

액 규산 물

A ( : =4:6) B ( 액 시멘트현탁액 ) 규산

호

3 물 W/C(%) Water(g) cement(g)

①

초미립자 시멘트, 보통시멘트

45.2 67.7

50 120.5 60.2

② 75 92.6 69.4

③ 100 75.2 75.2

④ 150 54.6 82.0

⑤ 200 42.9 85.8

⑥ 300 30.0 90.1

호모겔 강도용 시편은 표 2의 A액과 B액을 1:1의 부피비로 교반하여 예 상 겔타임의 반정도까지 교반을 하고 사전에 조립된 큐빅몰드를 사용하여 시험편을 제작한다.

표 의 표준배합에 의한 호모겔 강도 시편은2 10cm×10cm×10cm K.S. 큐 빅몰드를 사용하거나, 5cm×5cm×5cm 큐빅몰드를 사용하는 것이 적당하지 만 본 시험에서는 5 ×5 ×5㎝ ㎝ ㎝의 큐빅몰드를 사용하였다 양생은. KS규격 에 정해진 습기함 또는 양생수조를 사용하며, KS규격에서 제시한 방법 으로 소정의 재령에서 일축압축강도를 측정한다 시험편 제작시 몰드 외. 부로 재료가 유실되는 것을 방지하기 위해서 몰드를 빈틈없이 조립하고 몰드 내부를 탈형유로 균질하면서도 충분히 도포 한다.

밀크 페이스트 강도 밀크 페이스트 강도 밀크 페이스트 강도 밀크 페이스트 강도 3)3)

3)3)

댐 기초 암반 및 산악터널의 암반에서와 같이 지반보강목적의 약액주입 공법에서 범용적으로 사용되는 1.0shot 공정에서는 밀크형 경화제를 주입 하며 지반의 공극상태에 따라서 밀크의 물시멘트비, (W/C;%)를 조정하면 서 주입한다 밀크를 주입하는 경우 밀크의 물시멘트비에 관계없이 혼합. 수가 배수(dewatering)되어 지반 내 공극에 충전된 주입제는 실제로 물시 멘트비 100% 이하의 페이스 상태로 존재한다 따라서 본 실험에서는 물. 시멘트비 100% 이하의 밀크 페이스트의 강도변화 특성을 검토하였으며, 본 실험에 적용한 표준배합은 표 4.2과 같다.

표 밀크 페이스 강도 시편 제작용 표준배합 표표 밀크 페이스 강도 시편 제작용 표준배합밀크 페이스 강도 시편 제작용 표준배합 표 4.24.24.24.2 밀크 페이스 강도 시편 제작용 표준배합

실험 No.

주입제 종 류

시멘트밀크 현탁액

W/C(%) Water(g) cement(g)

① 초미립자시

멘트, 보통시멘트

50 240 120

② 75 185 139

③ 100 150 150