본 논문은 실용화된 지반개량용 마이크로시멘트 및 보통포틀랜드시멘트의 주입특성에 관한 연구로서 기초물성, 고결율, 침투성과 같이 실험적으로 주입재의 입도와 다짐정도를 조정하고, 주입대상 토사지반의 투수계수를 3종류로 변화시컥 약액주입의 주요 특성을 검토한 것이다. 주입재의 적용성을 평가하기 위하여 고결성 시험 및 침투성 시험을 실시한 결과, 모형토사지반의 상대밀도에 따른 투수계수를 $10^{-4}$~$10^{-2}$cm/sec로 변화시킨 경우, 마이크로시멘트는 투수 계수 $10^{-4}$cm/sec에서 유효고결율 75%, 침투주입율 86%로서 침투성 및 고결성이 우수한 결과를 나타낸 반면, OPC는 $10^{-2}$cm/sec에서 유효고결율 및 침투주입율이 50% 미만으로서 원활한 침투주입이 될 수 없음을 알 수 있었다. 댐 기초 지반 및 연약지반의 보강을 위해 주입재의 침투성이 요구되는 경우에는 마이크로시멘트가 적용성이 매우 우수한 것으로 판단된다. 동수지중 모형시험 결과 유속이 상대적으로 느린 경우 주입압이 높을수록, 완결형 주입재가 고결효과가 우수한 반면, 유속이 빠른 경우에는 완결형의 경우 주입재의 대부분이 외부로 유출되는 등 유효고결율이 매우 낮아 고결효과가 불량함을 알 수 있었다.
본 논문은 실용화된 지반개량용 마이크로시멘트 및 보통포틀랜드시멘트의 주입특성에 관한 연구로서 기초물성, 고결율, 침투성과 같이 실험적으로 주입재의 입도와 다짐정도를 조정하고, 주입대상 토사지반의 투수계수를 3종류로 변화시컥 약액주입의 주요 특성을 검토한 것이다. 주입재의 적용성을 평가하기 위하여 고결성 시험 및 침투성 시험을 실시한 결과, 모형토사지반의 상대밀도에 따른 투수계수를 $10^{-4}$~$10^{-2}$cm/sec로 변화시킨 경우, 마이크로시멘트는 투수 계수 $10^{-4}$cm/sec에서 유효고결율 75%, 침투주입율 86%로서 침투성 및 고결성이 우수한 결과를 나타낸 반면, OPC는 $10^{-2}$cm/sec에서 유효고결율 및 침투주입율이 50% 미만으로서 원활한 침투주입이 될 수 없음을 알 수 있었다. 댐 기초 지반 및 연약지반의 보강을 위해 주입재의 침투성이 요구되는 경우에는 마이크로시멘트가 적용성이 매우 우수한 것으로 판단된다. 동수지중 모형시험 결과 유속이 상대적으로 느린 경우 주입압이 높을수록, 완결형 주입재가 고결효과가 우수한 반면, 유속이 빠른 경우에는 완결형의 경우 주입재의 대부분이 외부로 유출되는 등 유효고결율이 매우 낮아 고결효과가 불량함을 알 수 있었다.
In this study, the characteristics of chemical grouting, such as solidification, penetrability, were analyzed experimentally by grain size of grout materials and permeability, relative density of the ground. For evaluating applicability of grout material, solidification tests and permeability ...
In this study, the characteristics of chemical grouting, such as solidification, penetrability, were analyzed experimentally by grain size of grout materials and permeability, relative density of the ground. For evaluating applicability of grout material, solidification tests and permeability tests were peformed. From the results of the tests, effective solidification ratio and penetrability ratio of Micro Cement were 75% and 86% respectively when ground permeability was in the range of 10$^{-4}$ to 10$^{-2}$cm/sec. On the other hand, effective solidification ratio and penetrability ratio of Ordinary Portland Cement (OPC) were both lower than 50%. When penetrability of grout material is needed for improvement of dam foundation and soft ground, application of Micro Cement is much superior to that of the other materials. The results of the grouting tests in the hydrodynamic ground show that the solidification effect of long gel-time grout material is excellent as injection pressure increases when groundwater velocity is relatively low. But when groundwater velocity is relatively high, the solidifcation effect of long gel-time grout material is very poor because most grout materials are outflowed.
In this study, the characteristics of chemical grouting, such as solidification, penetrability, were analyzed experimentally by grain size of grout materials and permeability, relative density of the ground. For evaluating applicability of grout material, solidification tests and permeability tests were peformed. From the results of the tests, effective solidification ratio and penetrability ratio of Micro Cement were 75% and 86% respectively when ground permeability was in the range of 10$^{-4}$ to 10$^{-2}$cm/sec. On the other hand, effective solidification ratio and penetrability ratio of Ordinary Portland Cement (OPC) were both lower than 50%. When penetrability of grout material is needed for improvement of dam foundation and soft ground, application of Micro Cement is much superior to that of the other materials. The results of the grouting tests in the hydrodynamic ground show that the solidification effect of long gel-time grout material is excellent as injection pressure increases when groundwater velocity is relatively low. But when groundwater velocity is relatively high, the solidifcation effect of long gel-time grout material is very poor because most grout materials are outflowed.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 고결성, 침투성 및 동수지중모형시험과 같은 실내 약액 주입 모형시험을 통하여 시멘트계 주입재의 주입 특성을 파악하고자 한다.
본 시험에는 현장에서의 실제 주입 상황을 재현하고 그에 대한 주입효과의 차이와 대상지반의 주입한계를 파악하기 위한 시험으로서 토질삼축압축시험기를 응용한 직경 400mmX 높이 500mm의 대형 몰드를 제작하여 시험을 하였다. 이 시험에 사용한 대상 시료토는 가는 모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트 섞인 모래를 사용하였고 주입재는 OPC, Micro Cement를 사용하였다.
가설 설정
측정하였다. 단, 고결성 및 침투성 시험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 시험을 수행 하였다. 첫째, 지반심도에 대한 상재압을 결정하기 위해서 지반은 동일한 흙으로 100% 포화 지반이며 둘째, 지반의 상태가 지하수의 흐름 변화가 없는 정수지반으로 가정하였다(건설교통부, 2001).
본 시험에서는 지반심도를 GL(-)15m로 가정하여 상대 밀도에 따라 조밀한 상태에서는 1.99kg#cm2, 보통 상태에서는 1.97kgi7cm2, 느슨한 싱태에서는 1.95kg#cm2로상재압을 설정하여 Cell Pressure로 가하였다(건설교통부 2001).
단, 고결성 및 침투성 시험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 시험을 수행 하였다. 첫째, 지반심도에 대한 상재압을 결정하기 위해서 지반은 동일한 흙으로 100% 포화 지반이며 둘째, 지반의 상태가 지하수의 흐름 변화가 없는 정수지반으로 가정하였다(건설교통부, 2001).
제안 방법
고 결체의 실제 형상은 복잡하여 고결토의 정확한 체적을 구하는 것은 어렵지만, 대형 수조에 물을 가득히 채운다음, 고결체를 넣어 물이 넘쳐 흐른 후의 수조에 남은 물의 무게 차이를 측정하여 고결토의 부피로 결정하였다.
고결율 측정용 주입몰드의 크기는 400mm x H 500mm 로 주입 후 고결체의 형상을 정확히 파악할 수 있도록몰드를 분리할 수 있도록 제작하였다.
본 시험에서는 Micro Cement를 주입재로 사용흐卜고, 침투형상을 가시적으로 보기 위하여 규산소다 3호를 첨가하였다. 주입압은 2, 4kgfcm2 두 가지로 설정하였으며, 유속은 W'cm/sec 정도에 해당되는 유속에 대하여 1가지, lO'Wec 정도에 해당되는 유속 2가지로 유속의 변화에 따른 3가지 경우에 대하여 시험을 계획하여지중유속〜 주입압〜 Gel-time(주입 재 종류) 〜 유효고 결 율의 관계를 파악하고자 하였다.
본 시험에서는 OPC, Micro Cement를 사용하여 실트섞인 모래의 다짐정도(상대 밀도)에 따른 침투성을 비교하였다. 대상 토질은 실트 섞 인 모래를 사용하였으며, 물리적 특성 및 입도 분포는 2절에서 소개한 바 있으며, 시험장치는 고결성시험에서 사용한 장치를 사용하였다.
본 시험의 주입재는 OPC, Micro Cement Paste를 대상으로 하며, 대상 토는 다짐 정도에 따라서 3종류, 주입압은 2~3kgf7cm2, 주입재의 물/시멘트 비는 200%로 선정하고 시료토의 공극율, 주입 재 종류에 따른 주입재의침투성을 평가하였다.
상기와 같은 조건에서 고결성 및 침투성 시험을 실시하여 주입 후 얇은 관에 의한 채취방법(TEin-walled Tube Sampling)을 사용해 고결토(직경 50mm X 높이 100mm) 를 채취하고 채취한 샘플을 재령별로 일축 압축강도와 투수 계수를 측정하였다. 단, 고결성 및 침투성 시험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 시험을 수행 하였다.
3시간 정도 물을 공급한 후 B-value 값이 95% 정도가 나올 때까지 백압 (Back pressure)을 주어서 포화상태를 만든 후, 포화단계를 끝낸다. 셋째, 주입 단계에서는 각각 준비된 A액과 B 액을 주입하면서 주입압, 주입량, 지반변위, 간극수압의 변화를 측정하고 최종적으로 주입 후 페놀프탈레인(지시약)으로 고결형태를 관찰하여 고결 및 침투형상을 파악한다.
시료를 토조에 적절한 다짐도에 따라 다진 후 토조에상재압을 가하고, 시료를 포화시킨 후 분사 구멍이 시료에 의해 막히는 현상을 없애기 위해 분사 전에 주입선단의 분사 구멍을 덮고 있던 부분을 내려서 약액의 주입이 원활히 되도록 하기 위한 유도공간을 만들어 주었다.
시멘트계 주입재에 대한 주입 특성을 파악하기 위해주입재의 공학적 특성 및 대상 시료토의 다짐 정도 그리고, 투수계수의 변화에 따른 고결성, 침투성 시험 및 동수지중 모형시험을 수행하였다. 그 결과를 요약, 정리하면 다음과 같다.
시험은 다짐, 포화, 주입, 주입 관찰단계로 나눌 수 있으며 첫째, 다짐 단계의 경우 시료의 함수비를 측정하여모형토조 안에 넣을 시료의 무게를 정한 후, 정해진 일정 다짐에 따라 나누어 동일하게 다져나간다 둘째 포화단계에서는 시료에 목표상재압을 가한 후 0.1 ~0.2kg/cm25] 압력으로 물을 공급하면서 포화시킨다. 3시간 정도 물을 공급한 후 B-value 값이 95% 정도가 나올 때까지 백압 (Back pressure)을 주어서 포화상태를 만든 후, 포화단계를 끝낸다.
주입압은 2, 4kgfcm2 두 가지로 설정하였으며, 유속은 W'cm/sec 정도에 해당되는 유속에 대하여 1가지, lO'Wec 정도에 해당되는 유속 2가지로 유속의 변화에 따른 3가지 경우에 대하여 시험을 계획하여지중유속〜 주입압〜 Gel-time(주입 재 종류) 〜 유효고 결 율의 관계를 파악하고자 하였다.
주입재는 현장에서 가장 일반적으로 사용되는 OPC 와 Micro Cement를 Paste상태로 주입하고, 대상 토는 다짐 정도에 따라서 3종류, 주입압은 주입 펌프로 일정하게 하고, 주입재의 물/시멘트 비는 200%로 선정하여 공극율, 주입재 종류에 따른 OPC, Micro Cement Paste의고결성 및 침투성을 평가하기 위해 다음의 표5와 같이시험을 계획하였다.
이 시험에 사용한 대상 시료토는 가는 모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트 섞인 모래를 사용하였고 주입재는 OPC, Micro Cement를 사용하였다. 주입재의 온도는 20°C 로 유지하면서, 시료의 다짐 상태 및 주입재의 종류에 따라 각각의 시험시간에 따른 압력, 유량을 측정하였다.
주입관은 토조의 밑에 연결하고 일정한 압력으로 가압한다. 한편, 몰드 내에서 Cement 입자의 침투가 막히면서 과도한 압력이 작용할 경우 몰드 상단의 배출구로 자연적으로 토출되도록 밸브를 개방시켜놓았다 지반의심도를 GL(-)15m정도로 고려하여 상재압을 가하였으며, 침투 주입율은 식 ⑺과 같이 평가한다.
대상 데이터
대상 토질은 실트 섞 인 모래를 사용하였으며, 물리적 특성 및 입도 분포는 2절에서 소개한 바 있으며, 시험장치는 고결성시험에서 사용한 장치를 사용하였다.
일반적으로 시멘트계 주입재는 Gel-time 조정이 불가능하기 때문에 Gel-time 조정이 용이한 물 유리계 약액이 사용되고, 내구성 증대를 위해서는 실리카 졸계 약액을 사용하기도 한다. 본 시험에서는 OPC+규산소다 3호와 MSG(Micro Cement+규산소다 3 호) 2가지를 사용하였다.
본 시험에서는 가는 모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트섞인 모래를 사용하였으며, 입도분석 결과는 그림 2에나타내었으며, 물리적 특성은 표 3에 나타낸 바와 같으며, OPC와 Micro Cement의 주입재로서의 적용한계 평가를 위해서 아래와 같이 설정하였다.
화학적 특성이 상이하며, 범용적으로 사용되는 주입재는 포틀랜드계 시멘트 OPC와 Micro Cement가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실용화된 이들제품을 사용하였으며 이들의 물리. 화학적 특성은 다음과 같다 (김진춘, 1999).
있다. 본고 결성 시험에서는 시료의 종류 및 공극유주입재 종류 등을 시험인자로 하여 검토하였고, 대상 시료는 실트 섞 인 모래를 사용하였으며, 물리적 특성 및 입도 분포는 3절에 나타내었다.
이 시험에 사용한 대상 시료토는 가는 모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트 섞인 모래를 사용하였고 주입재는 OPC, Micro Cement를 사용하였다. 주입재의 온도는 20°C 로 유지하면서, 시료의 다짐 상태 및 주입재의 종류에 따라 각각의 시험시간에 따른 압력, 유량을 측정하였다.
주입재의 배합비는 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 200%를 기준으로 다음의 표4와 같이 설정하였으며, OPC와 Micro Cement를 사용할 경우는 시편 채취의 편의성을 위해 경화촉진제(Sodium Aluminate)를 사용하였다.
이론/모형
밀접한 관계가 있다. 즉, 입자가 미세할수록 입자형상의 장축직경과 그 구체의 이상적인 구(球)의 직경과의 비로써 표현되는 구상화율(球狀化率)이 작을수록 현탁액형 그라우트의 점성은 증가하고 전단응력은커진다 본 연구에 사용된 시멘트의 입도 분석 결과는 그림 1과 같으며, 시험장비는 Particle Size Analyzer(Malvem Instruments 社의 Mastersizer Microplus)를 사용하였다. 분체공학에서 입자의 형상을 판정하는 것이 중요한 변수이며, 구상화劃球狀化率)이 형상판정 계수로써 활용된다.
성능/효과
(1) 시멘트계 주입재인 OPC, Micro Cement의 입도분석결과, do에 해당하는 입자의 크기는 17.1 例, 4.2例 로써 Micro Cement가 OPC에 비해서 약 4배 정도 미세하여 지반주입재의 침투가 요구되는 경우에는 Micro Cement를 사용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
(2) 시멘트계 주입재의 적용성을 시험적으로 평가하기위하여 고결성 시험을 실시한 결과, 모형 토사지반의상대밀도에 따른 투수계수를 1甘〜 10%m/sec 로 변화시 킨 경우, Micro Cement는 투수계수 lO’cm/sec에서 유효고 결율 75% 이상으로 고결성이 우今한 결과를 나타낸 반면, OPC는 10%m/sec에서도 유효고결율이 50% 미만으로서 고결율이 떨어지는 것으로 나타났다.
(3) 침투성 시험에서 모형토사 지반의 상대 밀도에 따른 투수 계수를 10』〜 10%m/sec로 변화시킨 경우 Micro Cement는 투수계수 10%m/sec에서 침투 주입율 86% 이상으로서 침투성이 우수하였지만 OPC는 10-2cm/sec 에서도 침투 주입율이 50% 미만으로서 OPC를 사용하는 경우 원활한 침투 주입이 될 수 없을 것으로 판단된다.
(4) 동수지중 모형시험 결과 유속이 빠를수록 Gel-time 을 짧게 하는 것이 주입재의 유실을 방지하고 고결율을 높이는 데에 효과적이었으며, Gel-time 이 9- 12초 정도로 너무 짧은 급결형보다 는 Gel-time이 6 0〜90초 정도의 완결형이 침투거리도 길어지고 유효고결율도 높아지는 것으로 나타났다.
(5) 이상과 같은 결과를 종합적으로 분석해 볼 때, 댐기초지반 및 연약지반의 보강을 위해 주입재의 침투성이 요구되는 경우에는 Micro Cement계 그라우팅이 효과적일 것으로 판단되며 특히, 댐 기초지반의침투유량이 큰 손상부에서 보수 그라우팅을 할 경우규산소다계의 완결재를 이용한 1차 차수그라우팅을실시하여 다량의 침투 수량을 억제시킨 후 미세한 균열부까지 침투가 가능한 Micro Cement계 밀크그라우팅을 실시함으로서 내구적인 차수그라우팅 이 가능할 것으로 판단된다.
결과에서 볼 수 있듯이 OPC의 경우는 원지반의 투수 계수가 10%m/sec 정도일 경우에는 침투 주입이 가능하여 고결율이 컸지만, lOA-lO'cm/sec정도의 투수계수를 가지게 되면 침투 주입이 불가능하여 고결율이 현저히 저하되는 것으로 나타났다.
동수지중에서 주입시험 결과를 표 6에 나타내었으며, 유속이 상대적으로 느린 경우(Vs = lO’cm/sec정도) 주입압이 높을수록, 완결형(Gel-time 60~90sec) 주입재가 유효고 결율이 높게 나와 고결 효과가 우수하였다. 반면, 유속이 빠른 경우(Vs = 10%m/sec)에는 완결형의 경우 주입재의 대부분 이 외부로 유출되는 등 유효고결율이매우 낮아 고결 효과가 불량함을 알 수 있었다.
앞에서 구한 함수비와 건조단위 중량을 식(2)에 대입하여 습윤단위중량을 구하면 식(3)에서 토조에 넣을 체적과 시료의 비중을 알기 때문에 다짐량을 구하^, 식 (4), (5)에서 간극비와 간극율을 구할 수 있다. 본 연구의 경우 공극율이 34.1%정도일 때를 조밀한 지반, 39.3%일 때 보통지반, 45.2%일 때를 느슨한 지반으로 나누었다. 상재압은 지반심도 GL(-)15m로 정하여 압력을 주었으며 주입속도는 1 H /min, 주입량은 10 0 (A액 5 C , B액 5 C )로 설정하고 한계주입 압은 5kgfcm2S 설정하였다.
후속연구
(6) 본 연구 성과를 더 발전시키기 위해서 주입 목적, 적용지반 및 주입 재 종류에 따른 좀 더 세부적인 그라우팅 적용기준에 대한 추가적인 연구가 장기적으로 시행되기를 기대한다.
이상과 같이 유속이 커서 주입재의 희석, 유실이 커질 경우에는 물 유리계 용액형주입재를 차수재로 사용하여 물의 흐름을 억제한 후 OPC 또는 Micro Cement와 같은 현탁액형주입재를 복합적으로 사용하면 투수성이 큰 침투지역에서도 효과적으로 차수가 가능할 것으로 기대된다. Gel-time이 상당히 짧은 급결형보다는 완결형과 같이 Gel-time이 적정한 주입재가 침투 거리도 길고 유효고 결율도 높일 수 있는 것으로 판단되며, 이는 Gel-time이 너무 짧은 주입재의 경우는 시험 시작 직후에 주입된 주입재가 지반 내에서 경화가 되면서 뒤이어 주입되는 주입재가 들어오는 것을 차단시키는 악영향을 끼치는 것으로 보인다.
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