선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 지금까지의 주입이론은 주입재의 거동을 모두 완전 침투 현상으로 보고 유도한 식이므로 수많은 가정요소를 내포하고 있어 지반 상태, 주입재의 침투 특성, 시공법 등을 충분히 고려하여 신중히 적용해야 한다. 따라서, 모형실험 결과를 토대로 기존의 침투이론식에 적용하여 이론식의 적용성을 평가하고 이 결과를 이용하여 실제 현장에서의 주입설계 시 기초자료가 되도록 한다. 적용된 침투이론 식은 Karol 식, Maag식과 島 田의 식을 이용하여 구하였고 그 결과는 표 6과 같다.
- 본 연구에서는 지하구조물의 누수에 대한 지수공법 의한 형태인 배면 지수 그라우팅에 대하여 모형실험을 실시하여 배면 지반 조건, 주입재의 종류, 배합비, 주입압 및 주입량 등의 주입조건에 따른 주입 특성과 주입 시 배면 지반의 변형 거동을 관찰하여 그 관계를 고찰하고 나아가 주입메커니즘을 규명하였다. 또한 모형실험의 결과를 현장 적용 시 설계와 시공의 기초자료로 이용할 수 있도록 하고자 하였다. 본 연구에서 수행한 모형실험의 조건 및 대상 지반의 조건을 설명하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 시멘트계 주입재를 이용하여 지하구 조 물 누수의 보수 방법인 배면지수그라우팅공법에 대해서 일련의 모형실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 지하구조물의 누수에 대한 지수공법 의한 형태인 배면 지수 그라우팅에 대하여 모형실험을 실시하여 배면 지반 조건, 주입재의 종류, 배합비, 주입압 및 주입량 등의 주입조건에 따른 주입 특성과 주입 시 배면 지반의 변형 거동을 관찰하여 그 관계를 고찰하고 나아가 주입메커니즘을 규명하였다. 또한 모형실험의 결과를 현장 적용 시 설계와 시공의 기초자료로 이용할 수 있도록 하고자 하였다.
제안 방법
- 주입재를 주입하는 과정 중에는 모든 유출구를 개방하였고 주입재가 토출된 유출구는 폐쇄하면서 주입압 이 lOkg/cnS까지 증가되면 주입이 완료된 것으로 간주하고 다음 주입구로 이동하여 동일한 방법으로 주입을 실시하였으며, 이전에 폐쇄된 유출구는 다시 개방하여 주입재가 토출되도록 하였다. 각 주입구마다 주입 시작 시간과 최초로 주입재가 유출되는 시간을 기록하였고 주입이 종료된 후 최종주입량을 측정하였다.
- 지하구조물 누수 유형에 따른 지수공법 중 배면 지수 그라우팅 공법은 지하구조물 벽체 배면 지반에 방수층 형성을 위한 시멘트 그라우팅을 실시하는 공법으로 배 면지 반의 지반 상태와 주입조건에 따라 주입효율이 달 라질 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 파악하기 위하여 현장 상황과 유사한 상태가 되도록 여러 가지 조건을 다르게 적용하여 배면 지수 그라우팅 공법의 주입효율에 따른 적용성을 평가하였고 아울러 주입 시 배면 지반의 응력 및 변형 특성에 대해서도 실험을 수행하였다.
- 이는 실 트질 모래의 입경 분포가 모래보다 다양하여 모래입자 사이의 공극 부위에 세립자가 균일하게 섞여 있고 세립분에 의한 침투주입에 저항하는 요소로 작용한 것으로 판단되며 모래와 비교해서 구체의 배면과의 경계 부위는 공극이 작다고 볼 수 있다. 또한, 주입된 고결체는 약액만 이 겔화된 호모 겔의 형태로 골격을 구성하였다.
- 또한, 지하 수위에 의한 영향을 파악하기 위하여 배면 지반의 함수 상태를 습윤상태, 완전 포화상태로 나누어 실험을 실시하였다. 습윤상태의 경우 매 층 다짐 시에 살 수하여 조성하였으며, 완전 포화상태는 지하 수위 아래의 지반을 모사하여 나타내었다.
- 모형토조는 사진 1에서와같이 가로 120cm, 세로 80cm, 높이 100cm, 두께 0.9cm의 크기로 주입압력에 저항할 수 있도록 강재로 제작된 직육면체의 형상이며 상 면, 후면, 측면은 주입 시 주입재의 침투과정을 파악하기 위하여 지름 2cm의 토출구를 두었고 각 토출구마다 주입 시간별 침투 거리를 산정하기 위하여 길이가 다른 PVC 파이프를 연결해 두었다.
- 본 논문에서는 지하구조물에 발생된 누수 부위를 배면 지반까지 수평으로 벽체를 천공한 후 배면 지반에 시멘트 현탁액을 1.0 Shot system으로 주입하여 지하구조물의 누수를 차단하는 배면 지수 그라우팅 공법에 대하여 모형실험을 실시하여 주입재의 주입 특성을 파악하였다.
- 본 모형실험에서는 주입방식을 고결시간이 긴 약액에 많이 사용되는 1액의 주입재를 1공정의 주입 관에서 펌 프로 압력을 가해서 주입하는 1.0 Shot 방식으로 하였고, 배면 지반의 조건에 따른 배면 지수 그라우팅 공법의 주입 메커니즘을 파악하기 위하여 각각 주입재로는 초미립자 시멘트 배면 지반 조건은 다짐별 조밀, 중간, 느슨한 상태로 하였고, 주입 압은 3kg/cm2, 주입속도는 2.5 £ /min으로 일정하게 유지시켜 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 실용화된 배면 지수 그라우팅에 많이 이용되는 보통 포틀랜드시멘트와 초미립자시멘트의 2종류를 사용하여 각각에 대한 주입 특성을 파악하였으며, 이에 대한 물리적 특성의 대표적인 시험결과는 표 2와 같다.
- 출력이 2HP인 튜브 펌프의 주입기에는 주입속도를 수 동으로 조절할 수 있도록 3단계 기어가 설치되어 있고 주입압은 자동적으로 조절할 수 있다. 본 연구에서는 주 입압이 15kg/cm2 이상이 되면 자동적으로 주입기가 멈추도록 하였고 유량압력 측정기는 게이지 출력과 디지털 출력이 동시에 나타나도록 되어 있다.
- 또한, 지하 수위에 의한 영향을 파악하기 위하여 배면 지반의 함수 상태를 습윤상태, 완전 포화상태로 나누어 실험을 실시하였다. 습윤상태의 경우 매 층 다짐 시에 살 수하여 조성하였으며, 완전 포화상태는 지하 수위 아래의 지반을 모사하여 나타내었다. 이를 요약.
- 실험 방법은 주입구를 중앙에 위치한 것으로 고정하고 주변은 유출구로 고정한 다음, 주입속도를 2.5 i /min으로 일정하게 하였다. 주입 시작 후부터 시간별로 간극 수압을 측정하였고 주입압이 급격히 상승되거나 간극 수압 측정치가 일정하게 수렴하는 값을 나타내면 주입을 종료하고 최종 주입량을 기록하였다.
-
6.1 주입 특성실험
실험방법은 모형토조 전면에 부착된 콘크리트 벽체의 하부 중앙에 설치된 주입구에서부터 주입을 시작하여 설치된 9개의 주입구를 모두 순차적으로 주입을 하였으며 주입순서는 그림 4와 같다
. - 인위적인 지반조성 및 주입종료 후의 주입 형상을 용 이하게 관찰할 수 있도록 밑판을 제외하고 모든 면이 분리. 조립이 가능하며 특히 모형토조의 상면은 주입 시 토조 내부의 압력을 측정할 수 있도록 압력 게이지를 설치하였고 시료 토의 포화 시와 지하수를 고려할 경우 수압을 조절할 수 있도록 하였다. 토조의 정면은 지하구 조 물의 유형인 벽체, 슬래브, 바닥 면을 표현하는 콘크리트 판넬을 부착할 수 있도록 앵커 장치를 설치하였다.
- 주입 방향에 따른 주입재의 침투현상을 파악하기 위하여 모형토조를 90° 회전 시켜 바닥 슬래브를 모사하기 위해서 콘크리트 벽체가 상면이 되도록 하여 주입을 실시하였다.
- 주입에 의한 지반의 거동을 보다 명확히 이해하기 위해 포화된 배면 모래 지반에 진동현식 간극수압계를 설 치흐]■여 주입 압을 lkg/cm2, 3kg/cm2, 5k矽enF로 변화 시 키면서 간극수압의 변화를 측정하였으며 간극수압계의 설치는 그림 3과 같이 심도는 주입구와 일정하게 하고 설치 거리를 다르게 하였다.
-
그림 4. 주입구에 대한 주입순서
주입재를 주입하는 과정 중에는 모든 유출구를 개방하였고 주입재가 토출된 유출구는 폐쇄하면서 주입압 이 lOkg/cnS까지 증가되면 주입이 완료된 것으로 간주하고 다음 주입구로 이동하여 동일한 방법으로 주입을 실시하였으며, 이전에 폐쇄된 유출구는 다시 개방하여 주입재가 토출되도록 하였다
. 각 주입구마다 주입 시작 시간과 최초로 주입재가 유출되는 시간을 기록하였고 주입이 종료된 후 최종주입량을 측정하였다. - 조립이 가능하며 특히 모형토조의 상면은 주입 시 토조 내부의 압력을 측정할 수 있도록 압력 게이지를 설치하였고 시료 토의 포화 시와 지하수를 고려할 경우 수압을 조절할 수 있도록 하였다. 토조의 정면은 지하구 조 물의 유형인 벽체, 슬래브, 바닥 면을 표현하는 콘크리트 판넬을 부착할 수 있도록 앵커 장치를 설치하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 콘크리트 판넬은 사진 2와 같이 모 형토조 정면 부분에 앵커로 고정되며 크기는 가로 120cm, 세로 100cm, 두께는 20cm이고 전면에 누수 유형에 따라 전면 지수 그라우팅, 충전지수그라우팅, 배면지수그라우 팅, 복합 지수 그라우팅 공법을 적용하기 위해 인위적으로 종방향 및 횡 방향 균열과 재료 분리에 의한 균열을 발생 시켜 누수 형태를 파악할 수 있도록 제작된 콘크리트 벽체로서 지하구조물의 벽체, 바닥, 슬래브 조건이 되도록 설치하였다. 모형토조와 마찬가지로 전면에는 주입공이 45cm 간격으로 9공이 설치되어 있고 주입재의 유출상태를 확인하기 위한 토출구가 15cm 간격으로 20공이 천공되어 있으며, 실제 구조물의 벽체와 동일하게 하기 위하여 보통 포틀랜드시멘트와 초속경시멘트를 사용하였다. 또한, 벽체 내부에는 Di3 철근을 25cm 간격으로 복 철근으로 배근하였으며 다음 표 3은 콘크리트 판넬 제작 시 사용된 배합비를 나타낸 것이다.
- 본 실험에서 적용한 시멘트 현탁액의 물/시멘트비는 현장 시공 시 많이 사용되는 200%로 하였고 시멘트 밀 크가 균질하게 주입되도록 원통형 믹서기에서 연속적으로 교반을 실시하였다. 표 5는 본 실험에 적용한 시멘트 현탁액 주입재의 조건이다.
- 본 연구에 사용된 콘크리트 판넬은 사진 2와 같이 모 형토조 정면 부분에 앵커로 고정되며 크기는 가로 120cm, 세로 100cm, 두께는 20cm이고 전면에 누수 유형에 따라 전면 지수 그라우팅, 충전지수그라우팅, 배면지수그라우 팅, 복합 지수 그라우팅 공법을 적용하기 위해 인위적으로 종방향 및 횡 방향 균열과 재료 분리에 의한 균열을 발생 시켜 누수 형태를 파악할 수 있도록 제작된 콘크리트 벽체로서 지하구조물의 벽체, 바닥, 슬래브 조건이 되도록 설치하였다. 모형토조와 마찬가지로 전면에는 주입공이 45cm 간격으로 9공이 설치되어 있고 주입재의 유출상태를 확인하기 위한 토출구가 15cm 간격으로 20공이 천공되어 있으며, 실제 구조물의 벽체와 동일하게 하기 위하여 보통 포틀랜드시멘트와 초속경시멘트를 사용하였다.
- 본 연구에서는 일반적으로 구조물 뒷채움재로 많이 사용되는 일반모래와 일반토사인 실 트질 모래를 이용하여 지반조성을 하였다. 시료 토의 물리적 특성 및 입도 분포를 평가한 결과는 각각 표 1과 그림 1에 나타난 바와 같다.
- 본 연구의 모형실험에 사용된 주입 장비는 용량 800의 의 원통형 믹서기와 최대 주입속도가 32Mmin이며 2HP의 튜브 펌프 주입기와 ADR 15-60-60기종인 유량 압력 측정기로 구성되어 있다.
- 지하구조물 벽체 배면에 대해 시멘트 그라우팅을 실 시하는 배면 지수 그라우팅 지수공법의 주입 특성을 규명하기 위하여 본 논문에서 사용한 모형실험장 치는 그림 2와 같이 크게 모형토조, 콘크리트 판넬 및 주입 장치의 3부분으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 따라서, 모형실험 결과를 토대로 기존의 침투이론식에 적용하여 이론식의 적용성을 평가하고 이 결과를 이용하여 실제 현장에서의 주입설계 시 기초자료가 되도록 한다. 적용된 침투이론 식은 Karol 식, Maag식과 島 田의 식을 이용하여 구하였고 그 결과는 표 6과 같다.
성능/효과
- (1) 주입 대상 토질별 주입비를 산정한 결과, 모래인 경우는 다짐 정도에 따라 보통포틀랜드 시멘트는 Ni 및 N2값이 각각 28.37, 20.0, 초미립자 시멘트를 주입재로 한 경우는 각각 131.25와 70.0으로 침투 가능한 것으로 평가가 되나 실트질 모래인 경우는 Ni과 N2 값이 기준치 이하 인 수치를 보여 침투가 불가능한 것으로 평가되었다.
- (2) 보통 시멘트 주입재를 사용한 주입 형태는 지반 종류보다는 다짐 정도와 지하수위의 조건에 따라 달리 나타났다. 조밀한 정도와 중간 정도의 다짐에서는 지반과 벽체의 경계면을 따라 주입재가 침투.
- (3) 초미립자 시멘트 주입재를 사용한 주입 형태는 지반 공극 사이를 침투하여 샌드겔의 고결체를 형성하고, 특히 다짐이 느슨한 경우는 대략 30% 정도는 침투 주입 형태를 나머지 일부분은 국부적으로 할렬 침투되어 맥상 형태로 주입이 되었다.
- (5) 모형실험 결과를 토대로 기존의 침투 이론식에 적용하여 이론식의 적용성을 평가한 결과, Karol식과 Maag식은 실험값과 비교하여 최고 14배에서 최저 6배 정도로 큰 차이가 나며 島田의 실용식은 오차가 약 24%정도로 서 비교적 잘 일치됨을 알 수 있었다.
- (6) 배면 지반 다짐 상태별로 주입량과 평균 침투거리의 관계를 살펴본 결과, 지반 다짐 상태와 상관없이 평 균침투거 리는 주입량이 증가함에 따라 평균 침투거리도 증가하고 있음을 알 수 있었으며 초기의 평균 침투거리는 조밀한 상태가 가장 적게 나타났지만, 일정한 시간이 지난 이후에는 배면 지반의 다짐 상태가 조밀한 경우, 평균 침투거리는 조밀할 상태일 때 가장 크게 나타났다.
- (7) 주입 압에 따른 지반의 수평 방향의 지반변위를 벽체 상부, 중앙부, 하부에서 측정한 것으로 전반적으로 벽체 중앙부에서 2.3cm, 3.5cm, 6.2cm로가장 크게 측정되었으며, 벽체 하부보다는 벽체 상부에서 지반수평변위가 크게 계측되었다. 또한, 주입압이 증가할수록 지반의 위치별 수평 방향 변위는 주입압이 비교적 낮은 lkg/cn?과 3kg/cn?일 때는 거의 같은 경향으로 증가됨을 알 수 있고 특히, 주입압이 5kg/cm2인 경우는 급격히 증가되어 lkg/cr/일 때보다 대략 2.
- (8) 이상의 모형실험 결과를 종합적으로 판단하면 주입재의 침투성에 영향이 가장 큰 요소는 주입대상 토의 종류와 다짐 정도이므로 주입을 실시하기 전 배면의 지반 상태를 정확히 파악함으로써 최적의 주입효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 초기간극수압과 비교하여 간극수압의 증가는 주입압에 따라 0.16배에서 0.55배까지 변화되는 값을 보이고 있는데 이는 투수 계수가 큰 사질토 지반으로 간극이 커 주입 시 간극 수의 소산 속도가 비교적 빨라 급격한 간극수압 증가 현상은 나타나지 않은 것으로 판단된다.
- 그림에 나타난 바와 같이 지반 다짐 상태와 상관없이 평균 침투 거리는 주입량이 증가함에 따라 평균 침투 거리도 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 초기의 평균 침투 거리는 조밀한 상태가 가장 적게 나타났지만, 일정한 시간이 지난 이후에는 배면 지반의 다짐 상태가 조밀한 경우, 평균 침투 거리는 조밀할 상태일 때 가장 크게 나타났다.
- 11로 나타나 침투주입이 불가능한 것으로 나타났다. 모형실험 결과에서도 마찬가지로 침투 주입이 아닌 지반의 다짐 정도에 따라 조밀한 상태와 중 간 상태는 경계주입과 충전주입 형태를 보이고 있으며, 느슨한 상태는 연약한 면을 할렬 파괴 형태로 관입 된 맥 상주 입을 띠고 주입된 영역은 콘크리트 벽체의 배면에 약 90% 이상 부착되며 부착된 두께는 모래와 비교해 1 ~3cm정도 감소되는 경향으로 나타났다. 이는 실 트질 모래의 입경 분포가 모래보다 다양하여 모래입자 사이의 공극 부위에 세립자가 균일하게 섞여 있고 세립분에 의한 침투주입에 저항하는 요소로 작용한 것으로 판단되며 모래와 비교해서 구체의 배면과의 경계 부위는 공극이 작다고 볼 수 있다.
- 모형토조에서의 주입압 변화에 따른 지반 수평 변위의 형상을 파악하기 위한 주입시험 결과 토조 상부 부분 이 약간의 배부름이 나타나는 지반 융기 현상을 발견할 수 있었다. 이러한 현상은 현장 주입시공에서 종종 볼 수 있는 것으로서 특히 점성토 층의 경우 지표 부근에서 많이 볼 수 있으며 실제 현장 시공에서는 지하구조물, 인 접구조물 등에 피해가 가지 않도록 신중을 기해야 할 것으로 사료된다.
- 세밀한 토립자 공극에도 침투가 가능하려면 주입재의 점도가 가능한 한 낮은 것이 좋으며 이것은 물-시멘트비 조정을 통해서 어느 정도는 가능하고 지반이 완전 포화된 경우의 주입 시 주입재가 지하수와 희석되어 초기의 점도보다는 약간 낮아져 주입 효과가 증가되는 것으로 판단되나, 실험 결과에서 보면 비록 습윤상태보다는 침투 거리는 감소되었지만 주입 형태는 비교적 일정 한두께로 벽면 전체에 부착되었다. 따라서 지수목적으로 하는 주입을 실시할 경우는 주입대상 지반의 지하수 위를 파악하여 인위적으로 주입이 종료될 때까지 수위를 유지시키거나 포화상태가 되도록 하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
- 시험 결과 주입재의 주입 형태는 다짐 정도에 따라 모두 콘크리트 벽체와 배면 지반과의 경계부에 주입재가 주입되는 경계주입 형태를 나타내는 양상을 보이고 있다. 주입된 두께는 조밀한 상태와 중간상태에서는 2- 8cm 정도이고 느슨한 경우로 2~5cm이며 대략 90%정도 부착되었다.
- 실험 결과 주입 형태는 조밀한 경우와 중간 정도는 시멘트 주입재가 콘크리트 벽체와 배면 지반 경계 부분으로만만 주입재가 관입 된 경계주입 형태의 유사한 경향을 나타내었고 이와 반면 다짐이 느슨한 경우는 지반의 연 약 부를 압축 시켜 압축된 부분을 주입재가 충전되는 충전주입양상을 나타내었다.
- 실험 결과를 살펴보면 대상 지반이 완전 포화된 경우 침투주입 형태는 습윤상태의 결과와 유사한 경향을 보이나 침투된 거리는 약 20% 정도 작게 나타났다.
- (4) 시멘트계 주입재를 사용한 배면지수 효과를 평가한 경우, 시멘트계 주입재는 구조물 배면과 지반의 경계면에 침투. 압입되어 물과 공기 등을 밀어내고 그 공극이 충전되므로 방수성의 막을 형성시켜 지하수 유입을 차단할 수 있는 배면지수그라우팅 공법에 적합한 효과를 달성시킬 수 있었다.
- 5 i /min으로 일정하게 하였다. 주입 시작 후부터 시간별로 간극 수압을 측정하였고 주입압이 급격히 상승되거나 간극 수압 측정치가 일정하게 수렴하는 값을 나타내면 주입을 종료하고 최종 주입량을 기록하였다.
- 그림 6은 지반 다짐 상태별 주입 시간과 침투 거리와의 관계를 나타낸 것으로 평균 침투 거리는 전체적으로 지반 다짐 상태와는 상관없이 주입 시간이 늘어감에 따라 증가되어 져 가는 경향을 보여주고 있다. 주입 초기 의 평균 침투거 리는 느슨한 상태가 크게 나타났지만, 평균 침투 거리가 클 것이라고 예상되어졌던 느슨한 지반 상태보다는 오히려, 조밀한 상태에서 시간이 지남에 따라 평균 침투거 리가 크게 나타남을 알 수 있었다. 이는 조밀한 모래가 처음 주입 시에는 입자 간 엇물림으로 인해 주입압에 대해 저항하다가 시간이 지나면서 입자가 파쇄되어 엇물림으로 인한 마찰이 줄어들어 결국에는 느슨한 상태와 비슷하게 된다.
- 주입압에 따른 수평 응력에 해당되는 간극수압의 측 정결과는 그림 9에서 볼 수 있듯이 주입구가 설치된 전면 중앙부에서 주입압에 관계없이 가장 크게 측정되었으며 주입구에서의 거리에 따라 거리가 멀어질수록 차츰 간극수압이 감소함을 보였고 주입압 변화에 대한 벽 체주변과 지반 중앙부와 후면의 응력 변화 양상은 유사한 경향을 나타내었다.
- 주입된 두께는 조밀한 상태와 중간상태에서는 2- 8cm 정도이고 느슨한 경우로 2~5cm이며 대략 90%정도 부착되었다. 지반의 함수 상태가 습윤일 경우와 비교하여 콘크리트 벽체 배면에 부착되는 주입재의 두께는 약 20% 정도 감소하였고 주입된 범위는 오히려 15%가 증가되었다. 이는 시멘트 입자가 토립자와 공극 사이를 침투하지 못하고 주입 시 발생한 수압 및 주입재 희석으로 인한 배면 지반 압축에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 표 6에서와같이 Kar 이식과 Maag식은 주입대상 지반의 다짐 정도에 따른 침투 거리는 거의 비슷한 양상을 나타내고 있으나 실제 실험 결과와 비교하면 최고 14배에서 최저 6배 정도 차이를 보이며, 다짐 정도가 조밀할 수 록 차이가 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 향후 다층토에 대한 주입시험 및 주입 속도와 주입압의 변화에 따른 주입재별 지수 효과 분석과 현장 적용시험을 실시흐卜는 등의 후속 연구가 수행되어야 할 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.