An Experimental Study for Substitutability of Sand Mat with Precious Slag Ball

풍쇄 슬래그의 샌드매트 대체 가능성에 대한 실험적 연구

An Experimental Study for Substitutability of Sand Mat with Precious Slag Ball

신 은 철¹* Shin, Eun-Chul 이 운 현² Lee, Woon-Hyun 강 정 구³ Kang, Jeong-Ku

ABSTRACT

At present, the sand mat method is actively used for improvement of soft ground. But, there are some problems related with sand mat which has been used as a way to accelerate consolidation settlement. First of all, insufficiency of sand due to imbalances in market supply and demand is the one of the biggest problems, which makes price high of sand and delays a term of total construction work. Moreover, it is necessary to preserve integrity of environment from natural disruption caused by indiscreet quarrying and dredging operation to supply sand for soil improvement construction site. This paper presents the feasibility study to use of Precious Slag Ball instead of sand mat as the replacing material through the basic soil property tests, the medium of discharge capacity test and analysis of settlement property. It is also evaluates the performance of Precious Slag Ball as a sand mat in terms of discharge capacity, ground settlement by the K-Embank program based on field experimental work.

요 지

연약지반 개량을 위한 수평배수공법으로 샌드매트 공법이 활발하게 사용이 되고 있다. 그러나 현재 압밀침하를 촉진시키는 재료로써 샌드매트에 관련하여 문제점들이 발생하고 있다. 무엇보다도, 샌드매트공법에 요구되는 모래의 양이 증가함에 따라 공급이 원활하게 이루어지고 있지 않은 상태이다. 또한, 수많은 건설현장에서 모래 및 골재의 무분별한 채취로 인하여 생태환 경의 파괴 및 천연적인 자연경관의 손상을 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 샌드매트 대체제 로서 풍쇄 슬래그의 사용이 적합한지를 판단하기 위하여 기본 물성시험, 실내 통수능 시험, 침하특성 분석과 현장모형을 실험 을 통한 통수능과 침하특성, 프로그램을 통한 침하특성을 통해서 확인하고자 한다.

Keywords : Improvement of soft ground, Precious slag ball, Soil property test, Discharge capacity, Settlement property 한국토목섬유학회논문집 제9권 2호 2010년 6월 pp. 1 ∼ 9

J. Korean Geosynthetics Society Vol.9 No.2 June. 2010 pp. 1 ~ 9

1* 정회원, 인천대학교 도시환경공학부 교수 (Member, Professor, School of Urban & Environmental Eng., University of Incheon, E-mail: [email protected]) 2 학생회원, 인천대학교 토목환경공학과 석사과정 (Member, MS Student, Civil &Environmental Eng., University of Incheon)

3 정회원, 인천대학교 토목환경공학과 박사과정 (Member, Ph.D. Student, Civil &Environmental Eng., University of Incheon)

1. 서 론

연약지반이란 도로, 제방, 건축구조물과 같은 인공적인 하중을 자연상태로는 충분히 지지할 수 없는 지반을 말한 다. 따라서 공학적 성질의 개선을 통해 지반지지력의 증 대, 지반변형의 억제, 투수성의 감소, 내구성을 증진시키 는 지반개량공법의 적용이 필수적이다. 지반개량공법의 적용 원리는 크게 고화, 치환, 보강, 다짐, 탈수, 재하 등으

로 구분할 수 있으며 각각 대상지반의 토질특성이나 개량 목적 그리고 경제성이나 시공성을 종합적으로 검토하여 적절한 개량공법을 선정하여야 한다. 일반적으로 연약지 반 개량공법은 연약지반 표면에 계획 구조물의 하중보다 크거나, 동등한 하중을 미리 재하시켜 구조물의 설치 이전 에 필요한 만큼의 침하가 발생하도록 유도하는 선행재하 공법이 가장 흔하게 사용된다. 이 공법은 시공기간이 타 공법에 비하여 오래 걸리는 단점이 있으나 가장 확실하고

표 1. 풍쇄 슬래그의 공학적 특성

구분 함수비 (%) 비중,_ pH USCS

풍쇄 슬래그 0.94 3.74 10.1 SP

효과적이면서 경제적인 점이 특징이다(한국지반공학회, 2005). 선행재하공법을 실시할 경우 장비의 주행성 확보 와 재하로 인해 발생된 지반 내 과잉간극수압과 지표수의 배수로 확보가 필수적이며, 배수로 확보를 위해 일반적으 로 성토를 실시하기 전 샌드매트를 부설하게 된다. 일반적 으로 샌드매트로 사용되는 모래는 지반개량 대상면적의 전역에 걸쳐 50cm∼100cm 정도의 두께로 고르게 포설하 기 때문에 그 사용량은 방대하다. 따라서 대규모 토목공사 나 단지개발부지의 지반개량에 샌드매트 시공시 모래채취 원의 원근과 채취량이 전체공정과 경제성에 있어서 중요 인자라 할 수 있다. 지금까지는 수많은 건설현장에서 수평 배수재로서 모래나 골재 등을 사용하였으나, 그 사용이 증 가함에 따라 수급의 한계성이 점차적으로 나타나고, 무분 별한 모래나 골재의 채취로 인하여 생태환경이 파괴되는 상황이 발생한다. 따라서 천연자원의 고갈에 따른 대체 자 원으로 친환경적이면서도 경제적인 건설재료개발의 필요 성이 강조되고 있는 시점이다. 본 연구에 사용된 산업부산 물인 풍쇄 슬래그의 경우 건설용 재료로 활용하기 위한 연 구가 필요하며, 이는 곧 환경보전을 위한 자원의 재활용이 라는 측면에서 중요한 의미를 갖는다고 볼 수 있다. 풍쇄 슬래그란 전로 및 전기로 슬래그를 용융상태에서 SAP (Slag Atomizing Plant)공정을 통해 급속 냉각하여 입자화 되는 슬래그를 일컫는 것으로 전로나 전기로에서 발생하 는 슬래그를 SAT(Slag Atomizing Technology)공정을 통 해 재생산된다. 또한, 현재 부산, 군산, 칠서지점에서 생산 되고 있으며, 주로 토목 및 건축 분야에 널리 이용이 되고 있다.

본 연구논문의 현장실험에서 샌드매트 대체재로서 순 환골재와의 비교 실험을 실시하였다.

먼저 국내의 건설폐기물 발생량을 보면, 2000년 환경부 보도 자료에 따르면 건설폐기물 발생량은 전체 산업폐기 물 발생량의 34%를 차지하고 있다. 특히 발생량이 급증하 고 있는 건설폐기물 중에서도 폐콘크리트는 약 90%로 대 부분을 차지하고 있으며, 2000년 현재 약 1,500만톤 이었 던 폐콘크리트 발생량이 2020년에는 약 1억톤 이상으로 급격히 증가할 것으로 예상되고 있다. 또한, 구조물의 적 용분야에 따라 재생콘크리트의 종류를 1∼3급, 설계기준

강도에 따라 굵은골재와 잔골재로 구분하여 구조물이 적 용분야에 따라 1∼3종으로 분류하여 놓았다(한국건설기 술연구원, 2005). 본 논문의 연구에서 다루는 연약지반 처 리에 있어서 샌드매트 대체 재료로서 순환골재의 사용에 대한 연구는 많지 않은 실정이다.

이에 본 연구에서는 수평배수공법인 샌드매트 설계방 법과 적용기준을 고찰하였으며, 샌드매트의 대체재로 풍 쇄 슬래그의 적합성을 확인하고자 실내모형실험과 현장실 험을 실시하였다. 실내모형실험은 수평배수재로서 모래와 풍쇄 슬래그의 배수능 평가와 이에 따른 침하량을 평가하 였으며, 풍쇄 슬래그의 현장적용가능성을 평가하기 위하 여 수평배수재로 사용이 되고 있는 순환골재와 동일한 단 면을 조성하여 실험을 실시하였다.

2. 풍쇄 슬래그의 공학적 특성

풍쇄 슬래그는 비중이 3.74로 상당히 큰 편이며, pH(2 5℃)는 10.1로 강알칼리성을 보이는 제강슬래그(pH가 12) 에 비해 약알칼리성의 성질을 지니고 있는 것으로 나타났 다. 본 연구의 대상 시료인 풍쇄 슬래그의 공학적인 특성 은 표 1에 나타내었다. 통일분류법(USCS)상 SP로 나타나 재료적 특성은 양호한 것으로 나타났다.

2.1 입도분포

KS F2302에 규정되어 있는 입도시험 결과, 풍쇄 슬래 그의 균등계수(_)가 2.43으로 입도분포가 양호한 모래 의 균등계수(_>6)보다는 약간 작은 편이며, 곡률계수 (_)는 1.02로 양입도(1<_<3)의 범위에 해당된다. 또한, 입자의 크기는 약 0.25mm∼2.0mm사이에서 대부분을 차 지하며, 입도분포에서 입자가 균일한 것으로 나타난다. 표 2와 그림 1은 풍쇄 슬래그의 입도분포(grain size distri- bution)를 나타낸 것이다.

그림 1의 샌드매트의 입도 분포 그래프에서 나타내듯이 상·하의 입도 분포 기준안(주영수, 2007)에 적합한 것을 확인할 수가 있고, 다음 표 2와 같이 샌드매트 규정에 적합 한 것을 알 수 있다.

표 2. 풍쇄 슬래그의 입도분석시험 결과(최종규, 2004)

구 분 _ _ NO.200체 통과량

샌드매트 규정 0.4∼8.0mm 0.075∼0.9mm 15%이하

풍쇄 슬래그 1.510mm 0.422mm 0.1%

10 1 0.1 0.01

0 20 40 60 80 100

Passing(%)

Grain Diameter(mm)

sand mat upper pa ball sand mat lowest

D10=0.364 D30=0.574 D60=0.886

그림 1. 풍쇄 슬래그의 입도분포 곡선

표 3. 풍쇄 슬래그의 투수시험 결과 직경(D)

cm

길이(L) cm

면적(A) cm²

부피(V) cm³

높이(h) cm

몰드 + 저판 (g)

풍쇄슬래그 (g)

시간(∆) sec

9.3 12.0 67.93 815 23 4741.1 1,804 60

구 분 투수계수

샌드매트 규정 1×^{ }cm/s

풍쇄 슬래그 3.6×^{ }cm/s

표 4. 폐기물 공정 시험법에 의한 용출시험

시험 항목 단위 허용기준 풍쇄 슬래그

  0.3 N.D.

  3.0 tr

  1.5 0.139

  0.005 N.D.

  3.0 tr

  1.5 N.D.

  1.0 N.D.

유기인  1.0 N.D.

※ tr: 0.03ppm 이하, N.D.: 불검출

2.2 투수특성

표 3에서 기술된 투수시험결과로 부터, 풍쇄 슬래그를 정수위 투수시험방법으로 동일한 조건에서 유량을 달리하 여 총 5회 실시한 결과 풍쇄 슬래그의 투수계수는 3.6

×10^-3cm/s로 샌드매트의 기준인 1×10^-3cm/s 보다 큰 값을

나타냄으로써, 수평배수재로서의 적용기준을 만족하는 것 으로 평가되었다.

2.3 풍쇄 슬래그의 환경 영향 평가

본 연구에 사용된 풍쇄 슬래그의 환경적인 영향을 파악 하고, 유해성분을 함유하고 있는지의 여부를 판단하기 위 하여 폐기물 공정 시험법에 의한 용출시험을 이용하여 분 석하였다. 시험결과는 표 4와 같이 비소()가 0.139ppm 으로 나타났으며 나머지 항목들은 검출되지 않았다. 따라 서 풍쇄 슬래그는 모든 유해항목(한국건설기술연구원, 2000)에서 기준 이하로 판명되었으며, 환경적으로 안정적 인 것으로 나타났다.

3. 풍쇄 슬래그의 실내시험 및 결과 3.1 풍쇄 슬래그를 이용한 통수시험

본 연구에서 샌드매트로 사용가능한 모래와 풍쇄 슬래

(a) 통수능력실험 모식도 (b) 동수경사설정 (c) 상재하중재하 그림 2. ASTM D4716-87(1997)방법에 의거한 수평배수재의 통수능력 실험장치

(a) 풍쇄 슬래그 포설 (b) 유압잭,다이얼게이지설치 (c) TDS602(데이터 로거)

그림 3. 실내모형토조와 계측장치 그를 이용하여 상재하중과 동수경사에 따른 통수능력을

평가하였다. 제작된 통수능 시험기의 장치구성은 그림 2 와 같은 시스템으로 연약지반개량을 위한 수평 배수층 조 성을 위해 여러 가지 수평배수층(fiber mat, 쇄석골재, 모 래, 순환골재 등)을 설치하여 실험하였다. 또한 수평배수 재가 지반내에 타설될 때 상재하중과 동수경사에 따른 통 수능력을 파악하고자 ASTM D4716-87(1997)에 의거한 실험장치를 이용하였다. 실험장치는 아크릴로 이루어진 유입수조, 유출수조와 하중재하판으로 구성하였으며, 하 중을 지속적으로 유지시켜주기 위하여 기어와 제어장치를 사용하였다.

통수량을 측정하는 실험의 목적은 일정한 상재압 조건 으로 압밀되는 과정에서 발휘할 수 있는 통수능력(Dis- charge Capacity, _)을 평가하는데 있다(윤명환, 2005).

본 실험에서는 폭 10cm 두께의 아크릴 수조안에 상･

하 3cm 두께로 점토를 포설하고 포설된 점토시료 사이 에 풍쇄 슬래그와 모래를 각각 설치하고 상재하중은 두 께 2cm의 아크릴 판을 사용하여 하중을 재하하였으며, 안정화를 위해 24시간 동안 방치한 후 통수 실험을 수행 하였다.

3.2 풍쇄 슬래그를 이용한 실내 모형토조 재하시험

현장에서 선행재하에 해당하는 충분한 하중을 연약층 상단에 재하하여 압밀배수되는 특성을 파악하기 위하여 70cm × 120cm × 110cm(B×L×H)의 크기로 강철프레임과 측면 아크릴판으로 제작된 토조를 특수 제작하였다. 제작 된 토조의 재하방법은 상부가압판상부에 토조 전체길이의 1/4, 2/4, 3/4에 해당하는 위치에 다이얼게이지를 설치하 고, 유압잭을 설치하여 각 단계별 하중을 동시에 재하하는 방법을 이용하였다. 그림 3은 제작된 토조와 유압잭을 거 치할 수 있도록 제작된 토조의 실제 모습이다.

풍쇄 슬래그의 배수 특성을 파악하기 위하여 강철프레 임과 측면 아크릴판으로 특수 제작된 토조에 준비된 점토 를 포설하여 현장조건을 모사한 지반을 형성하였다. 현장 점토의 원지반 함수비를 유지하면서 형성된 지반 상부에 풍쇄 슬래그와 모래를 각각 포설하여 상부배수만을 허용 하면서 각 단계별 재하 시 시간에 따른 침하량을 실측하여 배수 특성을 파악하였다. 토조내 모형지반의 높이는 샌드 매트와 풍쇄 슬래그 모두 40cm로 동일하게 지층을 형성하 였고 샌드매트는 일반적인 현장적용두께가 50cm 또는 그 이상이므로 1/5의 두께인 10cm로 결정하였고 풍쇄 슬래 그 또한 샌드매트와 동일하게 10cm로 결정하였다.

표 5. 점토의 공학적 특성

구 분 토질 정수 단위 대상지반 점토

공 학 적 특 성

물리적 특성

NO.200체 통과량 % 55

액성한계(LL) % 27.10

소성한계(PL) % 17.29

소성지수(PI) % 9.8

비중(G) - 2.51

자연함수비(w) % 33.93

흙의 분류(USCS) CL

다짐특성 최대건조밀도(_{ }) _^ 1.64

최적함수비(wopt) % 17.68

0 100 200 300 400

25 30 35 40 45 50 55 60

PS Ball Sand

Discharge capacity (cm

3 /sec)

Load (kg)

0 100 200 300 400

25 30 35 40 45 50 55 60

PS Ball Sand

Discharge capacity (cm

3 /sec

)

Load (kg)

0 100 200 300 400

25 30 35 40 45 50 55 60

PS Ball Sand

Discharge capacity (cm

3 /sec

)

Load (kg)

(a) 동수 경사 0.1 (b) 동수 경사 0.2 (c) 동수경사 0.3

그림 4. 동수경사에 따른 통수 능력 평가

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 -14

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Settlement(mm)

Time(sec)

Sand Mat Ps Ball

-12.952

-10.078 -7.633 -6.832

-4.427

-8.383

-10.493 -11.018

그림 5. 실내재하실험에 의거한 시간 경과에 따른 침하량 변화

표 5는 본 연구에 사용된 점토시료에 대한 공학적인 특 성을 나타낸 것이다.

3.3 실내실험결과의 비교분석

본 연구에서는 동수경사에 따른 풍쇄 슬래그와 모래의 통수능력을 검토하기 위하여 2.0kg/cm²까지의 하중과 동 수경사 0.1, 0.2, 0.3의 조건으로 수행한 통수능력 실험을

한 결과 기존에 샌드매트로 사용하던 모래보다 풍쇄 슬래 그의 통수능이 크게 나타나는 것을 확인 할 수가 있었으 며, 동수경사에 따른 통수 능력 결과는 그림 4에 나타내 었다.

그림 5는 풍쇄 슬래그와 모래의 시간에 따른 침하량 변 화를 비교한 그래프이다. 동일한 재하하중과 재하기간 동 안 최종 침하량을 비교한 결과, 풍쇄 슬래그의 침하량이 모래 보다 약 30% 정도 크게 나타났다(모래 : 10.08mm, 풍쇄 슬래그 : 12.95mm). 또한, 약 4일정도 경과 후자중에 의한 침하량을 보면 풍쇄 슬래그가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 슬래그 자체의 단위중량이 2.3t/m³으로 모래 보다 크기 때문이다.

그림 5에서와 같이 모든 하중단계에서 풍쇄 슬래그가 샌드매트에 비하여 빨리 침하가 발생함을 알 수 있다. 이 는 풍쇄 슬래그의 투수성이 샌드매트에 비하여 크기 때문 에 압밀배수 또한 원활하게 이루어짐으로써 나타나는 결 과일 것으로 판단된다. 또한, 두 실험의 모형지반의 초기 상태를 동일하게 형성하였으므로 동일한 지층에서 각 하 중단계별 침하량은 풍쇄 슬래그가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 각 하중 단계별 최종 침하량은 표 6과 같다.

표 6. 각 하중단계별 최종 침하량

구 분 재 하 하 중(kg/cm²)

자중 0.5 1.0 2.0

최종침하량 (mm)

풍쇄 슬래그 8.38 10.49 11.02 12.05

샌드매트 4.43 6.83 7.63 10.08

표 7. 성토재료의 공학적 특성

구 분 비중

(_)

함수비 (,%)

#200체 통과량 (%)

균등 계수 (_)

곡률 계수 (_)

소성 지수

(PI,%) USCS 최대건조 단위중량 (_{ }, t/m³)

최적함수비 (wopt,%)

성토 재료 2.62 24 2.6 9.36 1.02 NP SW 1.84 12.8

(a) 풍쇄 슬래그의 시험시공구간 (b) 풍쇄 슬래그 시험시공구간의 단면도

그림 6. 현장시험의 지반조성 재하하중이 0.5kg/cm²과 1.0kg/cm²인 구간보다 1.0kg/

cm²과 2.0kg/cm²인 구간에서 침하량이 크게 나타는 것을 볼 수 있는데 이는 표준압밀시험결과에서 얻어진 선행압 밀하중이 0.88kg/cm²로서 모형지반에서 재하한 하중이 선 행압밀하중보다 큰 구간인 1.0kg/cm²과 2.0kg/cm²구간에 서 정규압밀거동을 나타내는 것으로 판단한다.

4. 현장계측결과를 이용한 침하량 분석 및 결과

본 연구에서는 연약지반 위에 성토되었을 때의 침하특 성을 파악하고 풍쇄 슬래그의 지반 개량효과를 분석하기 위하여 김포 양촌지구 택지개발사업 지구내에 현장실험을 실시하였다.

현장에서의 연약점토층의 함수비(_)는 36.9∼57.3%

로 액성한계와 거의 유사하거나 약간 하회하며 소성지수 는 40% 내외, #200번체 통과량은 98% 내외로 통일분류 법상 CL로 분류되는 소성이 낮은 유기질 점토로 판명되었 고, 성토재료로 사용된 화강풍화토의 물리적 및 역학적 특 성은 표 7에 나타내었다(한국토지공사, 2007).

4.1 현장시험시공 지반조성

풍쇄 슬래그의 현장 적용성 평가를 위하여 그림 6에서 와 같이 10m × 20m 규모의 시험시공구간을 조성하였다.

또한 연약지반개량을 위한 수평배수공법 중 순환골재로 주변 구간을 포설하였다. 시험 시공구간의 연약지반위에 풍쇄 슬래그를 포설하고 성토 한 후, 연약지반을 처리하 기 위하여 지반의 교란을 고려한 흙 입자의 재배열을 통 한 전단강도와 지반의 균질성이 회복될 수 있도록 3개월 의 자중압밀에 의한 안정화 기간을 두었다. 단계성토는 총 5단계로 나누어 총 4.0m를 실시하였으며, 균질한 성토 지반을 형성하기 위하여 각 성토높이에 따라서 다짐후의 현장 단위중량 시험을 실시를 하였다. 평균값이 1.60t/m³ 으로 최대건조단위중량의 약 87% 정도로 다짐된 것으로 나타났다.

4.2 침하량 예측

침하량예측은 연약지반 침하예측 프로그램인 K-Embank 를 이용하였다. K-Embank는 종합적인 연약지반 설계프로

표 8. 지반변형해석에 적용된 평균값의 Parameters

토층

지 반 정 수 습윤 단위중량

(t/m³)

포화 단위중량 (t/m³)

점착력 c (t/m³)

내부마찰각

∅ N치 선행압밀하중

_(t/m³)

성토재 1.90 2.00 1.60 25 - -

풍쇄 슬래그 2.00 2.10 0.00 25 15 0

점토층 1.84 2.11 2.54 0 3 8.8

(a) 성토하중-침하량 곡선 (b) 성토하중단계에 따른 각 지점 침하량

그림 7. 프로그램해석을 이용한 예상침하량 그램으로 연약점성토층은 _법으로, 그리고 사질토 즉, 풍

쇄 슬래그가 포설된 층은 De beer 식으로, 해석목적이 연 약지반의 침하량을 확인하기 위한 것이므로 경계조건은 연약지반이 끝나는 지점에서 암이 존재하여 침하가 일어 나지 않는다는 가정으로 프로그램을 해석하였으며, 지반 은 탄소성거동을 하는 것으로 가정하여 해석을 실시하였 다. 표 8은 프로그램 해석에 적용된 지반정수를 나타낸 것 이고, 프로그램 해석결과는 그림 7에 나타내었다. 풍쇄 슬 래그를 포설하고 초기 성토 후 각 단계별로 성토를 실시 한 후 침하량이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 는 연약지반의 초기 교란상태와 침하의 영향으로 볼 수 있 다. 또한, 풍쇄 슬래그매트의 투수성이 클수록, 하중단계 가 커질수록 침하가 빠르게 진행되었고, 최종침하량도 투 수성이 좋은 풍쇄 슬래그매트가 조금 더 크게 나타남을 알 수 있다. 침하량이 가장 크게 발생할 것으로 예상되는 중 앙부 지점을 대상으로 지반변형해석을 실시한 결과 최대 예상침하량이 16.66cm로 나타났다.

4.3 현장시험결과의 비교분석

4.3.1 현장 계측에 의한 통수능 검토

본 연구에 사용된 풍쇄 슬래그의 통수능력을 평가하기

위하여 연약지반 위에 PET Mat를 포설 한 후 수평배수재 를 포설하기 전에 그림 8과 같이 HDPE이중벽관(PE-DC) 으로 직경이 200mm인 유공관을 Y자 형태로 시험시공 구 간의 중앙에 설치하였다.

본 연구의 현장실험에 의하면 성토하중에 의한 배수재 의 변형과 지반자체의 빠른 침하로 인하여 통수능 저하가 측정되어 기존 연구보다 많은 통수능 저하를 보이는 것으 로 나타났다. 이러한 이유로는 현장실험과 실내시험 방법 의 차이에 의한 것으로 판단되며 특히 현장실험의 경우 배 수재 휠터의 막힘에 의한 통수능 저하가 발생하기 때문인 것으로 보인다. 기존 연구결과와 비교할 때 본 실험결과의 최종 통수능은 표 9와 같이 풍쇄 슬래그 19.29cm³/day, 순 환골재 22.86cm³/day로 순환골재의 통수능이 약간 크게 나타났다. 또한, 통수능이 작아 소요통수능에 문제가 있는 것으로 보일 수도 있으나 압밀기간 전체를 고려하면 배수 과정에 문제가 없는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 통수능 의 저하율이 90%에 이르는 결과는 현장실험 결과로 나타 난 통수능 저하 크기를 비교할 때 저하율이 크기는 하지만 큰 차이는 없는 것으로 판단된다. 본 연구 대상지역의 연 약심도가 4∼5m 정도로 얕고, 침하속도 및 침하량이 큰 것이 이러한 결과를 보인 것으로 판단할 수 있다.

(a) 유공관 부직포 감싸기 (b) HDPE 이중벽관 그림 8. 유공관 설치 모습

표 9. 수평배수재의 통수능 실험 결과

배수재 소요일수

(day)

통수량 (cm³)

통수능 (cm³/day)

풍쇄 슬래그 14 270 19.29

순환 골재 14 320 22.86

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 100 200 300 400

Embankment(cm)

Elapsed time(day)

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Settlement(cm)

PS Ball

Recycled gravel

그림 9. 단계 성토에 따른 누계 침하량 곡선

4.3.2 현장 계측에 의한 침하 분석

본 연구 대상지역은 수립된 계획에 따라 예측된 상황들 이 실제 지반의 거동과 맞는지의 여부를 파악하여야 하며, 예측된 상황과 크게 상이할 경우 그 발생 원인에 대한 분 석 및 해석을 통해 새로운 방향을 모색하여야 한다. 이는 주로 현장 계측을 통해 연약지반의 개량이 원활히 수행되 고 있는지를 파악한다. 따라서 본 연구수행의 대상공사인 김포-한강 신도시 개발공사의 시공 중 시험시공 구간의 중 앙부에 침하판을 매설하여 2009년 4월 14일부터 2009년 6월 30일 까지 약80일 동안 단계 성토에 따른 침하 값을 측정하였다. 그림 9는 단계성토에 따른 침하량을 나타낸 그림이다.

그림 9에서 보면 성토하중에 의한 풍쇄 슬래그와 순환 골재의 초기 침하는 비슷한 경로를 보이나 시간이 경과함

에 따라 순환골재의 침하량이 10.68cm로 풍쇄 슬래그의 침하량인 8.9cm보다 약 1.78cm 침하가 크게 나타났다. 이 는 순환골재의 입경이 풍쇄 슬래그보다 크기 때문에 점토 지반이 성토 하중에 의하여 압밀이 되는 과정에서 초기에 배수가 더 우월하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 본 실험 결과를 통해서 샌드매트 대체용으로 풍쇄 슬래그의 현장 적용가능성을 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 샌드매트의 대체재로써 풍쇄 슬래그의 현장 적용성을 평가하기 위하여 실내 모형토조에 가상으 로 연약지반을 조성하여 샌드매트와 풍쇄 슬래그를 포설 하고 단계별 하중을 재하 시 시간에 따른 침하량을 측정하 는 방법과 통수능시험을 통해 통수능에 대한 평가를 수행 하였다. 그리고 김포시 양촌면에 위치한 김포-한강 신도시 개발사업 지역에 시험시공을 실시한 결과 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.

(1) 통수능 실험결과, 풍쇄 슬래그의 수평투수계수가 5.4×10^-3cm/sec로 샌드매트의 수평투수계수 보다 크게 나타났으며, 이는 샌드매트의 투수계수 기준 인 1×10^-3cm/sec 이상임을 알 수 있었다.

(2) 각 단계별 하중에 따른 침하량을 시간에 따라 분석을 한 결과, 풍쇄 슬래그가 샌드매트보다 최종 침하량이 크게 나타났으며, 압밀침하에 소요되는 시간 또한 동일 침하량에 대하여 더 빠른 것으로 나타났다. 이 는 풍쇄 슬래그의 투수계수가 샌드매트의 투수계수 보 다 크고, 풍쇄 슬래그의 자중이 2.3t/m³으로 자체 의 무게가 무겁기 때문이라 판단된다. 이는 프로그

램 해석시 큰 자중 때문에 압밀을 촉진시키고, 이때 발생하는 간극수의 배출 또한 원활하기 때문에 간극 비의 변화가 크게 발생한다. 따라서 점성토의 압밀 침하량이 크게 나타나는 것을 확인하였다.

(3) 폐기물 공정 시험법에 의한 풍쇄 슬래그의 환경 영 향 평가는 모든 항목이 허용 기준치 이하로 판명이 되었다. 또한, 입도분석시험 결과 샌드매트의 규정 된 상·하한 범위안에 분포하고, No.200번체의 통과 율이 거의 0%로서 압밀 촉진을 위한 배수재로서 적 합한 입도분포 특성을 가지고 있다.

(4) 실내시험과 현장실험을 통한 배수재의 통수능 시험 결과, 현장의 통수능력이 실내시험보다 급격히 감 소하는 것으로 평가 되었다. 이는 실내시험에서는 고려가 어려운 배수재 막힘과 성토하중과 지반의 조건에 따른 배수재 변형 등도 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한, 현장에서 수평배수재로 사용 하고 있는 순환골재와 통수능을 비교분석해 보면, 풍쇄 슬래그의 통수능이 19.29cm³/day 로 순환골재의 통 수능 22.86cm³/day과 큰 차이가 없으므로 연약지반 개량을 위한 수평배수재로서 풍쇄 슬래그의 현장 적용이 가능하다는 것을 확인하였다.

(5) 연약지반 설계프로그램인 K-Embank를 사용한 예 상침하량과 실제 계측을 통한 침하량을 비교해 본 결과, 설계침하량 보다 계측침하량이 작게 나오는 경향이 있다. 이는 풍쇄 슬래그의 상대적인 큰 하중 에 의한 초기침하 발생과 설계시 산정한 평균침하 속도와 실제 침하속도 차이 등에 의한 것으로 판단 된다.

(6) 풍쇄 슬래그를 수평배수재로 사용한 결과, 허용잔 류침하량 이내로 수렴하는 등 순환골재의 경우와 유사한 결과를 도출하여 연약지반 수평배수재로서 사용가능하다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 중소기업청 2008년도 산학 공동기술개발 지 원사업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. 연구개발비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 윤명환 (2005), Fiber Mat의 Sand Mat 대체가능성 평가를 위 한 실험적 연구, 석사학위논문, 서울시립대학교, pp.18-22.

2. 주영수 (2007), 순환골재를 이용한 샌드매트 대체재로서의 적합성 연구, 석사학위논문, 한양대학교, pp.39-43.

3. 최종규 (2004), 샌드매트 투수영향에 의한 연약지반의 압밀 거동, 석사학위논문, 군산대학교, pp.5-14.

4. 한국건설기술연구원 (2000), 동제련 슬래그의 건설재료 활 용 및 기준개발, pp.168-236.

5. 한국건설기술연구원 (2005), 대체골재를 사용한 콘크리트 의 고품질화 기술개발, pp.17-21.

6. 한국지반공학회 (2005), 지반공학 시리즈 6 연약지반, 구미 서관, 서울, pp.193-201.

7. 한국토지공사 (2007), 김포 양촌지구 택지개발사업 조사설 계용역 토질조사보고서, pp.146-175.

8. American Society for Testing and Materials (1997), Standard Test Method for Constant Head Hydraulic Transmissivity (In- Plane Flow) of Geotextiles and Geotextile Related products, Annual Books of ASTM Standards Designation: D4716-87, pp.463-466.

(논문접수일 2010. 3. 3, 심사완료일 2010. 5. 31)