1925년 이후 지반개량공법은 많은 발전을 거듭해 왔으며, 많은 건설현장에서 차수의 목적 또는 지반강도 증진의 목적 등으로 그라우팅이 적용되어왔다. 지반개량공법의 발전과 더불어 그라우트재의 종류 또한 그 수가 증가되었으며, 그라우트재의 침투특성과 관련된 이론적인 연구의 필요성이 요구되었다. 전수두차에 의해 그라우트재의 흐름이 발생되며, 그라우트재의 이동은 지반의 투수계수의 영향을 받는다. 그라우트재가 지반의 간극을 지날 때, 그라우트재의 화학반응에 의해 점도가 변화되며, 따라서 점도 증가로 인하여 투수계수는 감소하게 된다. 또한 현탁액형의 그라우트재의 경우 그라우트재 입자에 의한 지반 간극의 폐색으로 투수계수가 감소하게 된다. 본 논문에서는 새로 개발된 그라우트재의 물리적-화학적 특성을 연구하고, 입경이 다른 두 종류의 모형지반에서 실시된 신개발 그라우트재의 주입실험 결과와 비교하여 점도변화와 폐색현상을 고려한 그라우트재의 침투 가능성을 이론적으로 제시하고자 한다. 측정된 신개발 그라우트재의 점도는 시간의 지수함수 형태를 보였으며, 실험결과와 비교하여 폐색현상과 관련된 계수 $\delta$를 추정하였다. 그라우트재의 점도 변화는 시간에 따른 주입량에 많은 영향을 주는 것으로 나타났으며, 간극의 크기가 작은 지반에서 주입실험을 실시한 결과 폐색현상의 영향으로 주입량이 현저하게 감소되는 것으로 나타났다.
1925년 이후 지반개량공법은 많은 발전을 거듭해 왔으며, 많은 건설현장에서 차수의 목적 또는 지반강도 증진의 목적 등으로 그라우팅이 적용되어왔다. 지반개량공법의 발전과 더불어 그라우트재의 종류 또한 그 수가 증가되었으며, 그라우트재의 침투특성과 관련된 이론적인 연구의 필요성이 요구되었다. 전수두차에 의해 그라우트재의 흐름이 발생되며, 그라우트재의 이동은 지반의 투수계수의 영향을 받는다. 그라우트재가 지반의 간극을 지날 때, 그라우트재의 화학반응에 의해 점도가 변화되며, 따라서 점도 증가로 인하여 투수계수는 감소하게 된다. 또한 현탁액형의 그라우트재의 경우 그라우트재 입자에 의한 지반 간극의 폐색으로 투수계수가 감소하게 된다. 본 논문에서는 새로 개발된 그라우트재의 물리적-화학적 특성을 연구하고, 입경이 다른 두 종류의 모형지반에서 실시된 신개발 그라우트재의 주입실험 결과와 비교하여 점도변화와 폐색현상을 고려한 그라우트재의 침투 가능성을 이론적으로 제시하고자 한다. 측정된 신개발 그라우트재의 점도는 시간의 지수함수 형태를 보였으며, 실험결과와 비교하여 폐색현상과 관련된 계수 $\delta$를 추정하였다. 그라우트재의 점도 변화는 시간에 따른 주입량에 많은 영향을 주는 것으로 나타났으며, 간극의 크기가 작은 지반에서 주입실험을 실시한 결과 폐색현상의 영향으로 주입량이 현저하게 감소되는 것으로 나타났다.
Many construction projects adopt grouting technology to prevent the leakage of groundwater or to improve the shear strength of the ground. Recognition as a feasible field procedure dates back to 1925. Since then, developments and field use have increased rapidly. According to improvement of grout ma...
Many construction projects adopt grouting technology to prevent the leakage of groundwater or to improve the shear strength of the ground. Recognition as a feasible field procedure dates back to 1925. Since then, developments and field use have increased rapidly. According to improvement of grout materials, theoretical study on grout penetration characteristics is demanded. Fluid of grout always tends to flow from higher hydraulic potential to lower one and the motion of grout is also a function of formation permeability. Viscosity of pout is changed by chemical action while grout moves through pores. Due to the increment of viscosity, permeability is decreased. Permeability is also reduced by grout particle deposits to the soil aggregates. In this paper, characteristics of new cement grout material that has been developed recently are studied: injectable volume of new grout material is tested in two different grain sizes of sands; and the method to calculate injectable volume of grout Is suggested with consideration of change in viscosity and clogging phenomena. The calculated values are compared with injection test results. Viscosity of new grout material is found to increase as an exponential function of time. And lumped parameter $\delta$ of new grout material to be used for assessing deposition characteristics is estimated by comparing deposit theory with injection test results considering different soil types and different injection pressures. Injection test results show that grout penetration rate is decreased by the increase of grout viscosity and clogging phenomena.
Many construction projects adopt grouting technology to prevent the leakage of groundwater or to improve the shear strength of the ground. Recognition as a feasible field procedure dates back to 1925. Since then, developments and field use have increased rapidly. According to improvement of grout materials, theoretical study on grout penetration characteristics is demanded. Fluid of grout always tends to flow from higher hydraulic potential to lower one and the motion of grout is also a function of formation permeability. Viscosity of pout is changed by chemical action while grout moves through pores. Due to the increment of viscosity, permeability is decreased. Permeability is also reduced by grout particle deposits to the soil aggregates. In this paper, characteristics of new cement grout material that has been developed recently are studied: injectable volume of new grout material is tested in two different grain sizes of sands; and the method to calculate injectable volume of grout Is suggested with consideration of change in viscosity and clogging phenomena. The calculated values are compared with injection test results. Viscosity of new grout material is found to increase as an exponential function of time. And lumped parameter $\delta$ of new grout material to be used for assessing deposition characteristics is estimated by comparing deposit theory with injection test results considering different soil types and different injection pressures. Injection test results show that grout penetration rate is decreased by the increase of grout viscosity and clogging phenomena.
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문제 정의
본 연구에서는 물유리계를 사용하지 않고 시멘트 계를 주재료로 하는 새로운 그라우트재가 개발됨에 따라 신개발 그라우트재의 물리적 화학적 특성을 연구하였으며, 점도 변화와 폐색현상을 고려한 그라우트재의 침투 특성을 연구하였다. 연구수행 결과를 종합하면 다음과 같다.
나타났다. 이와 같이 그라우트재의 점도가 변화되는 경우, 주입 시간에 따른 그라우트재의 주입량을 산출할 수 있는 방법을 제시하였다.
가설 설정
그러나 그라우트재가 구면침투 될 때의 동수경사는 침투반경과 그라우트재의 점도에 따라서 변화된 값을 갖는다. 따라서 이러한 변화를 모두 반영하기에는 어려움이 있음으로 주입지점으로부터 임의의한 지점 r*까지 선형적으로 동수경사가 감소한다고 가정하여 동수경사를식 (5)와 같이 근사적으로 표현할 수 있다.
제안 방법
표 1의 급결형 배합비에 맞추어 급결시멘트 현탁액과 초미립시멘트 현탁액을 만들어 재료 분리를 방지하면서 그라우트재를 주입하였다. 그라우트재 주입 후 약 20시간이 지난 후 챔버를 분리하고 구근을 확인하였으며, 그라우트재가 주입된 흙과 그라우트 재가 주입되지 않은 흙을 분리하여 그라우트재의 주입범위를 측정하였다. 유료입경이 다른 두 가지의 시료를 사용하였으며, 지반 모사에 사용된 시료의 물리적 특성은 표 3과 같다.
신개발 그라우트재의 점도는 저점도 전용 점도계를 이용하여 측정하였으며 표 1과 같은 배합비로 실험을 수행하였다. 시멘트의 수화반응의 결과로 열이 발생되며 이는 시료의 온도 변화를 유발한다.
실험 장비는 직경 60cm, 높이 약 60cm의 실린더형 모형지반을 형성할 수 있는 챔버, 급결시멘트와 초미립시멘트를 주입하기 위한 주입장치, 챔버에 수직 방향으로 구속압을 주기위한 장礼 간극수의 흐름을 발생시킬 물을 공급할 물탱크, 배출되는 물을 수집할 수집조 그리고 주입장치와 가압장치에 주입되는 공기압을 제어하는 컨트롤 장치로 구성하였다.
여과 사리용 주문진사를 이용하여 모형지반을 형성하였으며, 흙 쌓기 중간 일정한 위치에서 스트레이너 형식과 유사한 선단 주입장치를 설치하였으며, 또한, 흙쌓기 완료 후 0.44MPa의 구속압을 가해줌으로 지중 상태를 모사하였다. 표 1의 급결형 배합비에 맞추어 급결시멘트 현탁액과 초미립시멘트 현탁액을 만들어 재료 분리를 방지하면서 그라우트재를 주입하였다.
이뤄지지 못했다고 판단된다. 이를 폐색 이론을 적용하여 설명하였으며 入/V값을 기준으로 침투 능을 평가하였다.
44MPa의 구속압을 가해줌으로 지중 상태를 모사하였다. 표 1의 급결형 배합비에 맞추어 급결시멘트 현탁액과 초미립시멘트 현탁액을 만들어 재료 분리를 방지하면서 그라우트재를 주입하였다. 그라우트재 주입 후 약 20시간이 지난 후 챔버를 분리하고 구근을 확인하였으며, 그라우트재가 주입된 흙과 그라우트 재가 주입되지 않은 흙을 분리하여 그라우트재의 주입범위를 측정하였다.
성능/효과
(1) 점도 실험 결과 신개발 그라우트재의 점도는 시간이 경과함에 따라 지수함수의 형태로 증가되는 것으로 나타났다. 이와 같이 그라우트재의 점도가 변화되는 경우, 주입 시간에 따른 그라우트재의 주입량을 산출할 수 있는 방법을 제시하였다.
(2) 침투가 양호할 것이라고 예상되는 두 종류의 모래 시료에서 신개발 그라우트재의 주입실험을 실시한 결과, GR 값이 약 108이었던 시료B에서는 비교적 원활한 침투주입이 이뤄졌으며, GR 값이 약 31이었던 시료A에서는 GR 값을 기준으로 원활한 침투가 예상되었으나 폐색현상의 영향으로 원활한 침투 주입이 이뤄지지 못했다고 판단된다. 이를 폐색 이론을 적용하여 설명하였으며 入/V값을 기준으로 침투 능을 평가하였다.
(3) 점도변화와 폐색현상은 시멘트계 그라우트재가 사질토 지반에 침투함에 있어 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히 그라우트재 입자에 의한 지반 간극의 폐색은 그라우트재의 침투 한계에 많은 영향을 준다.
모두 원활한 침투를 보여야 한다. 그러나 실험 결과시료B의 경우 주입압이 증가됨에 따라서 선형에 가깝게 주입량이 증가되었으나, 시료A의 경우 주입압이 증가하여도 주입량은 크게 변화되지 않았다. 시료A에서의 주입 실험에서는 시료B에서와 비교하여 폐색 현상으로 인하여 침투주입이 잘 이뤄지지 못했던 것으로 판단된다.
시료A에서의 주입 실험에서는 시료B에서와 비교하여 폐색 현상으로 인하여 침투주입이 잘 이뤄지지 못했던 것으로 판단된다. 시료A에서의 실험 결과는 GR값은 충분히 크지만 폐색 현상 등으로 인하여 침투가 원활하지 않을 수 있음으로 단순히 지반의 입경과 주입재의 입경만을 비교하여 침투성을 판단할 수 없다는 것을 보여준다. 따라서 그라우트 재의 물리적인 특성과 화학적인 특성 모두를 고려해야 그라우트재의 침투능 판단이 현실성 있을 것이라 판단된다.
시료B에서의 경우 흡착의 영향이 없을 경우와 비교하여 약 60%정도 주입량을 보인 후 지반 간극의 폐색으로 인하여 더 이상 침투주입이 불가능 하였으며, 시료A 에서의 경우 GR값을 기준으로 원활한 침투를 보일 것 이라 예상되었지만 흡착의 영향이 없을 경우와 비교하여 약 10% 정도의 주입량을 보인후 더 이상의 침투주입이 불가능 하였다.
그림 2 는 급결형 배합비로 혼합한 신개발 그라우트재의 점도 변화를 보여준다. 신개발 그라우트재의 점도 측정 결과혼합 후 시간이 경과함에 따라 점도가 급격하게 증가하는 양상을 보였다.
후속연구
또한급결시멘트와 초미 립시멘트의 수화반응으로 새로운 물질이 생성되므로 주입되고 있는 상태에서의 그라우트 재의 입자 크기를 결정하는 것에는 어려움이 따른다. 따라서 수화반응 이전의 그라우트재 입자 크기영향 이 외에, 수화 반응 이후 발생되는 그라우트재의 변화는 화학적인 원인으로 인한 결과이므로 다른 지표를 사용하여 평가되어야 하며, 실험을 통하여 그라우트재의 침투성이 확인되어야 한다.
시멘트의 수화반응의 결과로 열이 발생되며 이는 시료의 온도 변화를 유발한다. 따라서 시간에 따른 온도 변화는 수화반응의 진행정도를 간접적으로 파악할 수 있는 지표로 사용될 수 있을 것이다. 그림 2 는 급결형 배합비로 혼합한 신개발 그라우트재의 점도 변화를 보여준다.
특히 그라우트재 입자에 의한 지반 간극의 폐색은 그라우트재의 침투 한계에 많은 영향을 준다. 따라서 지반과 주입재의 입경비로 침투 가능성을 판단하는 것과 비교하여 점도변화와 폐색 현상을 고려하여 그라우트재의 침투능을 평가하는 것이 보다 구체적인 평가가 될 것으로 예상된다.
그러나 최근 시멘트의 분쇄분급기술이 급속히 발전하여 용액형에 가까운 침투력을 발휘할 수 있는 입경의 주입재 제조가 가능하게 되었으며, 시멘트계를 주재료로 하여 급결을 이룰 수 있는 새로운 그라우트재가 개발 중에 있어 시멘트계주입재가 가지고 있는 문제점이 개선될 것이라 기대되고 있다. 또한 이러한 재료적인 발전과 더불어 그라우트 재의 침투 특성과 관련된 이론적인 연구가 요구된다.
그라우트재의 점도가 시간에 따라 급격하게 변화된다면, 점도증가로 인하여 투수계수가 감소될 것이며, 점도가 매우커진 그라우트재는 더 이상 침투되지 못하고 경화될 것이다. 또한 현탁액형의 그라우트재의 경우 물리적 또는 화학적 원인들로 인하여 그라우트재 입자가 지반에 흡착될 것이다. 따라서 흡착으로 인하여 지반의 간극비가 감소되면, 투수계수가 감소되어 이후 주입되는 그라우트재의 흐름에 영향을 줄 것이다.
그리고 lumped parameter。에 의해 결정됨으로 실험을 통하여 lumped parameter 6와 주입재의 입경이 결정된 경우 주입 대상토질의 입도분포 자료만으로도 침투능 평가가 가능할 것이라 기대된다.
흡착량 계산에 필요한 변수들은 그라우트재가 침투되면서 변화되는 값이지만 해석범위를 매우 작은 단위로 한다면 해석 범위 안에서는 상수 값으로 적용 가능할 것이다. 식 (2)와 식 (3)으로부터 j번째 shell의 간극 부피만큼의 그라우트재가 각각의 shell을 통과하는데 소요되는 시간 At, j( 1 M i M j )는 식 (16)과 같이 표현될 수 있다.
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Gruesbeck, C. and Collins, R.E. (1982), 'Entrainment and Deposition of Fine Particles in Porous Media', Society of Petroleum Engineers Journal, December 1982, pp.847-85
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