Consolidation Characteristics of Soft Ground in Suction Drain Method

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第29卷 第6C 號·2009年 11月 pp. 287~294

석션드레인공법이 적용된 연약지반의 압밀특성에 관한 사례 분석

Consolidation Characteristics of Soft Ground in Suction Drain Method

김병일*·김도형**·김수삼***·한상재****

Kim, Byung Il

·

Kim, Do Hyung

·

Kim, Soo Sam

·

Han, Sang Jae

···

Abstract

Suction Drain Method is a relatively new technique to improve soft ground using vacuum pressure which can be directly applied to the soft ground through drains that the pore water pressure around them are decreased without changing total stress.

This can accelerate volume changes and increase strength of the ground. This paper shows the results of field test of the suc- tion drain method applied at dredged and reclaimed clay. To evaluate the improvement effects of soft ground by the suction drain method, this paper analyzed real-time field measurements to the results of the laboratory tests and numerical analysis.

The comparisons of the settlement and shear strength between suction drain method and surcharge preloading method show possibilities for replacement of the preloading methods. The settlements by suction drain method were 2.3 times larger and undrained shear strength were 300%~400% higher than surcharge method. Moreover, the water content is decreased about 30%

and the preconsolidation pressure is increased about 0.52kgf/cm².

Keywords :suction drain method, vacuum pressure, soft ground improvement

···

요 지

석션드레인공법은 지반 내 배수재를 타설하고 진공압을 배수재에 직접 가해 전응력이 일정한 상태에서 간극수를 배출하여 유효응력을 증가시키고 이로 인해 전응력의 변화 없이 강도를 증진하고 압밀 촉진을 유도하는 새로운 연약지반 개량 공법이 다. 본 논문에서는 서해안 해성 점성토 지반에 적용된 석션드레인공법의 시공 사례를 제시하였다. 석션드레인공법이 적용된 지반의 개량효과를 확인하기 위해 현장 계측과 실내시험 결과를 분석하였으며, 수치해석을 통해 설계치와 실측치를 비교하였 다. 석션드레인공법과 기존 성토재하공법의 침하량 비교결과 기존 성토재하공법을 대체할 수 있는 침하거동이 발생함을 확인 하였다. 현장 계측 및 실내시험을 통해 지반개량 효과를 분석한 결과 석션드레인공법 적용 지반의 침하량이 2.3배 더 크게 발생함을 확인하였으며, 개량 후 비배수 전단강도는 약 300~400% 증가하였다. 또한 함수비는 약 30% 감소하였으며, 선행 압밀하중은 약 0.52kgf/cm

²

정도가 증가하였다.

핵심용어

:

석션드레인공법, 진공압, 연약지반개량

···

1.

서 론

전통적인 성토하중을 이용한 연약지반 개량 공법은 지반 내 전단응력의 급격한 증가로 전단파괴를 유발한다. 이를 막 기 위하여 성토하중을 장시간에 걸쳐 단계재하 하는 공법이 이용되고 있으나, 이 공법의 경우 재하된 상재하중이 개량 후 다시 제거되어야 하므로 장기간 단계재하에 따른 공기연 장 및 하중재하와 제하 시 인건비, 막대한 성토재 가격, 부 등침하, 지반의 전단파괴 등 여러 가지 문제점을 야기한다(이 규환 등, 1996). 또한 타설된 연직배수재는 토압 등의 구속 압으로 인한 통수단면적의 감소와 인장, 파열, 변형(굴곡, 꺽 임 등), 세립자 이동에 의한 필터 막힘 등으로 인해 통수능

이 저하되어 배수효율이 감소한다. 이러한 전통적인 성토하 중 공법 및 연직배수공법의 단점을 보완하고자 Kjellman은 연약한 점토에 성토하중을 가하기 위해 대기압을 사용하는 새로운 방법인 진공압밀공법을 제안하였다(김기년, 2008). 그 러나 기존의 진공압밀 공법은 기밀시트의 잦은 파손, 대규모 부지적용시 복잡한 배수파이프 연결로 인한 시공상의 어려 움 및 막대한 비용으로 인해 그 활용에는 큰 제약이 있었으 나 이를 해결하기 위해 기밀시트를 필요로 하지 않고 원지 반을 기밀층으로 활용하는 새로운 개념의 석션드레인공법이 개발되었다. 본 연구에서는 위의 공법을 서해안 준설매립 지 반 현장에 적용한 사례로 현장 및 실내시험 결과를 통해 나 타난 석션드레인공법 적용 지반의 압밀 특성을 분석하고 이

*교신저자·(주)지구환경전문가그룹 기술연구소 부장 (Email : [email protected])

**(주)지구환경전문가그룹기술연구소과장 (Email : [email protected])

***참여회원·한양대학교토목환경공학과교수 (Email : [email protected])

****정회원·(주)지구환경전문가그룹 기술연구소 소장 (Email : [email protected])

그림

1.

석션드레인공법의 개념도

표

1.

대표적인 지반의 구성 상태

지 층 출현심도(GL.-m) 층 두께(m) 구성상태

N

치

매립층

0.0~1.5 1.5

고화 처리토(조사후 성토)

-

1.5~4.5 3.0

실트질 모래

2~6/30

4.5~9.3 4.8

실트질 점토, 매우연약

0~3/30

9.3~11.0 1.7

실트질 모래, 보통조밀

16~22/30

퇴적층

11.0~15.0 4.0

실트질 점토, 보통견고~매우견고

5~7/30

15.0~21.0 6.0

실트질 점토, 연약 내지 보통견고

3~6/30

21.0~21.5 0.5

실트질 모래

6/30

그림

2.

시공조건

를 수치해석 결과와 비교/검토하였다.

2.

석션드레인공법

석션드레인공법은 저투수성 원지반을 기밀층으로 이용한 기밀시트가 필요 없는 개별재하방식의 진공압밀 공법으로 유 공/무공의 교차구조를 통한 기밀층 확보 및 샌드층 등 지반 불확실성에 대해 탄력적으로 대처가 가능하므로 복잡한 지 반조건에서도 기밀성을 확보할 수 있다. 또한 석션드레인공 법은 배수저항 및 꺾임에 유리한 변형 순응형의 나선 원통 형 배수재를 기밀커넥터에 삽입하여 결속시킴으로써 진공압 의 누기방지 및 진공 효율을 극대화 시킬 수 있다(김도형 등, 2009). 그림 1은 석션드레인공법의 개념도를 도시한 것 이다.

3.

대상 지반의 특성 및 시공조건

본 연구의 대상현장은 “인천시 OO파워 LNG 복합화력발 전소 건설공사” 연약지반 개량부지로 준설매립에 의해 조성 된 지반이며, 지반 조사 및 시험 결과 표 1과 같이 N치가

3~7/30

인 점토층이 약 5.2~15.0m 두께로 분포하여 지반의

변동성이 큰 것으로 확인되었다. 또한 원지반 점토층 상부에 는 준설매립으로 인한 샌드심 및 준설 모래층과 같은 투수 층이 약 1.8~5.3m 두께로 분포하고 있다(아남이엔지, 2008).

대상부지의 규모는 가로 114m, 세로 61.2m로 지반조사 결과를 바탕으로 그림 2(a)와 같이 배치 간격 및 타설 심도 에 따라 Zone A, B, C D로 분할하였고 샌드층 등에 대한 기밀성을 확보하고자 유공/무공 교차구조로 배수재를 설계하 여 미리 공장에서 제작/타설하였다. Zone A와 D는 타설 심 도 10m이며, Zone B와 C는 타설 심도 20m이다. 그림에서

BH-1, 2, 3

는 개량전, RBH-2, 3은 개량 후 지층 파악을

위한 시추 조사공이며, 개량기간을 고려하여 배수재 간격과 배치형태는 Zone A, B는 1.2m, Zone C, D는 1.0m 간격 의 정방형 배치로 결정하였다(그림 2(a)). 그림 2(b)에는 대 상 부지에 대한 계측기의 설치 위치 및 심도를 함께 도시하 였다. 배수재 내부에 전달되는 진공압을 측정하기 위해 진공 압계를 심도별로 설치하였으며, 진공압에 의해 발생하는 과 잉간극수압을 측정하기 위해 배수재 사이에 간극수압계를 설 치하였다.

그림 3은 본 공법의 시공 순서를 나타낸 것이다. 배수재 타설 및 계측기 설치 공정까지는 일반 연직배수공법과 동일 하며 성토공정이 진공재하 공정으로 대체되었다. 침하량 비 교를 위한 PCD 구역은 성토 공정이 포함되었다(SP-8, 9 위 치).

진공 재하를 위해 초기에 투입되었던 수봉식 진공펌프가 최대 -0.6kgf/cm

²

로 설계 진공압에 도달하지 못하여 공사 중 공냉식 진공펌프로 교체하였다. 공랭식 진공펌프에서 측 정된 최대 진공압은 -0.7kgf/cm

²

로 설계 진공압(-0.8 kgf/

그림

3.

석션드레인공법의 시공 순서

cm²)

에는 도달하지 못하였으나 수봉식 진공펌프보다는 우수 한 성능을 보였다.

4.

결 과

4.1

침하량

석션드레인공법 적용에 따른 침하량은 그림 2(a)의 단면도 에서 SP-1~SP-7 위치에 설치된 지표침하판의 침하량 계측을 통해 산정되었으며, 그림 4는 각 지점의 침하량을 성토하중 을 이용한 연직배수공법이 적용된 SP-8, SP-9 위치의 침하 량과 비교하여 경과시간에 따라 도시한 것이다. 이 중 SP-1 과 SP-4는 진공펌프 미가동 시의 침하량을 확인하기 위해 진공펌프를 가동하지 않았다. 그림 4에서 나타난 바와 같이 석션드레인공법의 경우 52.0cm~90.0cm(평균 66.8cm), PCD 구간은 23.0cm~36.0cm(평균 29.5cm)의 침하가 발생하여 석 션드레인공법이 성토하중을 이용한 연직배수 공법에 비해 약

2.3

배 높은 침하효과가 있는 것으로 나타났다. 개량 완료에 따른 진공펌프 가동 중단 시 침하지연 현상이 발생하였고 진공압 제거에 따른 지반의 리바운드 현상은 발생하지 않았 다. SP-3번 위치에서 가장 많은 침하가 발생했으며 이는 시 추조사 결과(BH-1) 해당 위치의 연약 점성토층이 다른 위치 에 비해 두꺼웠기 때문인 것으로 판단된다.

4.2

진공압

그림 5는 설계 진공압과 진공펌프에 부착되어 있는 진공 압 게이지로부터 측정된 진공압의 변화를 타설심도에 따라

나타낸 것으로, 타설심도 10m에서 측정된 진공압(그림 5(a)) 과 심도 20m에서 측정된 진공압(그림 5(b))을 살펴보면 심 도가 깊어질수록 진공압이 낮게 측정되는 것으로 나타났다.

그림 5의 측정 결과 중 진공압이 측정되지 않은 시점은 현 장 여건 및 계측시스템의 유지보수로 인해 진공압의 측정을 잠시 중단한 것이다.

그림 6은 각 단계별 진공압 적용 시 측정된 심도별 평균 진공압 분포를 도시한 것이다. 배수재 상부의 진공압은 진공 펌프에 부착된 게이지에서 측정된 진공압 대비 평균 약

95%

로 감소하였으며, 개량심도 20m 단면에서의 심도별 평 균 진공압 효율은 GL.(-) 5.5m에서 GL.(-) 19.0m로 심도가 깊어짐에 따라 85%~58%로 감소하였고, 개량심도 10m에서 의 심도별 진공압 효율은 GL.(-) 6.0m에서 GL.(-) 9.0m로 심도가 깊어짐에 따라 85%~65%로 감소하였다. 곡선의 기울 기 감소는 진공압의 손실을 나타내며, 적용 진공압이 클수록 심도별 손실량은 증가하는 것으로 나타났다.

4.3

간극수압

그림 7은 개량기간에 따른 간극수압을 도시한 것이다. 진 공펌프 가동 시 시간이 경과함에 따라 간극수압이 소산되었 으며, 진공펌프 가동중단 이후 간극수압이 다시 회복되는 현 상이 나타났다.

계측결과를 통해 계산된 간극수압 최대 소산량은 개량심도

20m

단면에서 약 0.49kgf/cm

²~0.50kgf/cm²

감소하였으며, 개량심도 10m 단면은 약 0.46kgf/cm

²

가 감소하였다. 즉, 석 션드레인공법은 성토하중 없이 진공압만을 이용하여 간극수

그림

4.

개량기간에 따른 지표 침하량

그림

5.

설계 진공압과 측정 진공압의 비교

를 배출하여 압밀을 진행시킴으로써 상재하중에 의한 전응 력(Total Stress)의 변화 없이 유효응력을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.

4.4

배수량

그림 8에는 기수분리 탱크로부터 배출된 배수량과 침하량 으로부터 계산된 체적 변화량를 도시한 것으로 대상 지역은 그림 2(a)의 Zone B 이다. 그림에 제시된 설계 배수량은 설계 진공압에 대하여 계산된 체적 변화량을 의미하며, 현 장 예상 배수량은 측정 진공압에 대하여 계산된 체적 변화 량을 의미한다. 그림에서 진공펌프 가동 중단 약 10일 전 에서 실측 배수량이 급증한 것은 개량영역을 확대하였기 때 문이다. 전체적으로는 실측 배수량과 현장 예상 배수량이

유사한 것으로 나타났다.

4.5

개량 효과

개량전 실시된 현장 및 실내 시험결과와 개량 후 시험결 과를 분석하여 개량 전과 개량 후의 지반공학적 특성을 비 교하였다. 그림 9는 개량 전과 후의 N치를 심도별로 도시한 것으로 각 개량영역의 표준관입 시험치는 개량 전 0/30~7/

30(Safety Hammer)

에서 개량 후 3/30~10/30(Auto Hammer)

으로 증가되었다. 이를 통해 석션드레인공법을 이용하여 지 반개량을 실시하였을 경우 압밀에 의해 지반강도가 증가한 것을 확인하였다.

석션드레인공법을 적용한 지반의 개량 효과를 평가하기 위 해 샘플링을 실시하여 실내 일축, 삼축 및 표준압밀 시험을 실시하였다. 그림 10에 도시된 바와 같이 비배수 전단강도의 경우 개량 전 0.77tf/m

²

에서 개량 후 2.33~3.03tf/m

²

로 증가 하였다. 함수비는 개량 전 98.8%에서 개량 후 68.3~71.5%

까지 감소하였다. 또한, 2.5tf/m

²

로 측정되었던 선행압밀하중 은 개량 후 7.7tf/m

²

까지 5.2tf/m

²

가 변화하여 석션드레인공 법의 지반개량 효과를 확인하였다. 이 값은 과잉간극수압 소 산량 5.0tf/m

²

와도 일치하는 값이다.

4.6

수치해석

본 연구에서는 현장 시공조건을 고려한 수치해석을 수행하 여 이를 실측치와 비교하였다. 해석 파라미터는 표 2와 같 이 점토지반은 수정 Cam-Clay모델을 적용하였으며, 풍화토 및 모래 지반의 경우 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다.

그림

6.

심도에 따른 평균 진공압

그림

7.

개량기간에 따른 간극수압

그림

8.

개량 기간에 따른 배수량

적용 진공압은 심도에 따른 진공압 손실을 고려한 실측치와 설계치의 두 가지 방법으로 구분하여 타설심도 10m와 20m 의 해석결과를 실측치와 비교 검토하였다.

그림 11(a)은 김도형 등(2009)이 심도별로 측정된 진공압 을 이용하여 40m의 대심도 지반을 개량할 경우 진공압의 효율을 예측한 그래프로 본 연구의 대상 지반에 대한 심도

40m

에서의 진공압 효율을 42%로 예측하였다. 김기년 등

(2007)

의 연구 결과에 따르면 평균 진공압 효율은 심도에

따라 지수 함수적으로 감소하는 경향이 있으며 OO방조제의

경우 25%로 예측하고 있다. 본 연구에서는 심도 10m와

20m

의 진공압 측정 결과를 바탕으로 수치해석 시 개량 대 상지반의 해당 개량 깊이 5.5m에서 약 80%, 19.0m에서 약

65%

로 예상하여 진공압 실측치와 비교하여 깊이에 따른 진 공압을 그림 11(b)와 같이 단계별로 진공압을 달리 적용하였 으며 투수층은 무공 처리하였다.

지표에서 계측된 침하량에 대하여 설계 진공압과 실측 진 공압에 대한 수치해석 결과를 그림 12에 도시하였다. 개량심 도 10m와 20m에서 모두 설계 진공압보다 실측 진공압을 그림

9.

심도별 표준관입시험

-N

치

그림

10.

석션드레인공법 적용에 따른 지반 개량 효과

표

2.

지반 물성 및 모델 파라미터

층 두께

(m) GL.(-)

(m)

토질명 적용

모델

모델파라미터

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ 조건

κ λ Γ-1 ν γ

t

(kN/) M k_y

(m/sec) E (kN/)

φ

(^o)

1.5 1.5

복토

IE - - - 0.3 15.0 - - 15,000 31.7

비압밀

3.5 5.0

매 립 층

매립층

(

느슨)

MC - - - 0.3 18.0 - - 15,000 31.7

비압밀

4.5 9.5

준설점토

(

매우연약

/

매우견고)

MCC 0.0391 0.391 3.355 0.33 16.0 0.772 8.20e-8 1,000 -

압밀

3.0 12.5

퇴

적 층

퇴적모래

(

보통)

MC - - - 0.3 18.0 - - 18,000 31.7

비압밀

7.5 20.0

원지반점토

(

연약/보통견고)

MC 0.0142 0.142 1.661 0.33 18.6 0.890 4.48e-8 1,000 -

압밀

주) 여기서 IE는 Isotropic Elastic, MC는 Mohr-Coulomb, MCC는 Modified Cam-clay 모델을 의미

적용한 경우가 계측 침하량에 더 근접한 예측 결과를 보였 으며, 두 수치해석 결과 진공펌프 가동중단 이후 약간의 리 바운드 현상을 나타내었지만, 실제로는 리바운드가 발생하지 않는 것을 실측을 통해 확인 할 수 있었다. 이는 배수재 타 설 전 표층처리 및 약간의 성토에 의한 하중이 지반에 작용 하여 융기를 억제하였던 것으로 판단된다. 기존 유사진공압 밀공법에서도 성토가 병행된 경우 융기량은 거의 없는 것으 로 제시된 바 있다(우철웅, 2007).

5.

결 론

본 연구에서는 석션드레인공법을 “인천시 OO파워 LNG 복합화력발전소 건설공사”시 적용하여 지반개량 효과를 검증 하였다. 현장계측을 통하여 시공 중 압밀거동을 고찰하였으 며, 실내 및 현장시험을 통해 지반개량 효과를 정량적으로 분석하였고 현장 조건을 고려한 수치해석을 실시하여 시공 전 결과와 비교/검토하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.

침하량 산정 결과 진공압만을 이용하여 기존 성토재하공 법을 대체할 수 있는 침하량이 발생함을 확인하였다. 점토 층의 두께가 가장 두껍게 존재하는 시공부지 중앙(SP-3) 에서 최대침하량(약 90cm)을 보였으며, 석션드레인공법 적 용 지역에서 평균침하량은 성토재하공법을 적용한 지역

(SP-8, 9)

에 비해 약 2.3배 더 큰 침하가 발생하였다.

2.

적용 진공압에 대한 진공효율은 배수재 상부에서 95%이 며, 심도가 깊어짐에 따라 20m에서 약 65%까지 감소하

였다. 또한 측정된 평균 진공압 효율을 이용하여 40m 대 심도 적용 시의 진공압 효율은 약 42%로 예측되었다.

3.

간극수의 배출로 함수비는 약 30% 감소하였고, 지반 내 부의 간극수압 소산량은 약 0.46kgf/cm

²~0.50kgf/cm²

로 나타났다. 석션드레인공법의 특성 상 전응력이 변하지 않 는 상태에서 간극수압이 소산되므로 지반 내의 유효응력 은 간극수압 소산량만큼 증가한 것으로 분석되었는데 시 험 결과 선행압밀하중이 0.52kgf/cm

²

정도 증가하여 간극 수압 소산량과 거의 일치하였다. 비배수전단강도는 0.77tf/

m²

에서 개량 후 2.33~3.03tf/m

²

으로 증가하였다. 이는 개 량전 대비 약 3~4배 증가한 것이다.

4.

현장에서 측정된 진공압을 이용한 수치해석 결과가 실제 계측된 침하량과 유사함을 보였으며, 수치해석 상에서는 진공압 제거에 따른 지반의 융기가 예측되었으나 실측 결 과 융기는 발생하지 않았다.

감사의 글

본 연구는 “차세대 핵심환경기술개발사업”의 연구비 지원 을 받았으며, 연구에 도움을 주신 관계자 여러분께 진심으로 감사드립니다.

참고문헌

김기년(2008) 석션보드드레인 공법에서 하드닝 존을 고려한 압밀 침하 해석, 박사학위논문, 한양대학교.

그림

11.

심도에 따른 진공압 효율 예측

그림

12.

실측 침하량과 예측 침하량

김기년, 윤명석, 한상재, 김수삼, 정승용, 강병윤(2007) 현장시험 시공을 통한 suction drain 공법의 적용성 평가, 한국지반공 학회 학술발표회, 한국지반공학회, pp. 1332-1339.

김도형, 김병일, 한상재, 이재주(2009) 석션드레인공법을 적용한 연약지반 개량 사례, 한국토목섬유학회 학술발표회

,

한국토목 섬유학회, pp. 157-163.

아남이엔지(2008) 포스코파워

LNG

복합화력발전소 부지조성공사 지반조사 보고서.

우철웅(2007) 고진공압밀

N&H

공법, 건설가이드.

이규환, 전제성, 이송(1996) 원형통 드레인 보오드를 이용한 진 공압밀공법에 관한 연구,

Geosynthetics Conference

(Korea) 96

년 국제 토목섬유학회 한국지부 학술발표회 논문

집, pp. 103-115.

(

접수일: 2009.7.2/심사일: 2009.9.3/심사완료일: 2009.9.29)