심층혼합처리공법은 항만기초, 토류벽구조, 차수벽 및 가시설, 그리고 거축기초와 교량기초 등에서 다양하게 사용되어오고 있다. 이 공법은 지반개량을 통한 침하방지와 안정성확보를 위한 지반강도를 확보하기 위해 시멘트와 혼화제를 현장토와 혼합하는데 있어서 가장 효율적이고 경제적이어야 한다. 본 연구에서는 교반날개의 각도, 교반속도 등에서 다양한 교반조건을 적용하여 실내실험을 수행하였다. 실내실험은 현장 타설장비를 1:8 비율로 축소하여 제작하였다. 최적의 교반조건을 도출하기 위하여 다양한 교반조건에 따른 심층혼합처리 개량체의 강도를 분석하였다. 연구결과, 심층혼합처리공법의 교반조건은 개량체의 강도와 형상에 아주 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
심층혼합처리공법은 항만기초, 토류벽구조, 차수벽 및 가시설, 그리고 거축기초와 교량기초 등에서 다양하게 사용되어오고 있다. 이 공법은 지반개량을 통한 침하방지와 안정성확보를 위한 지반강도를 확보하기 위해 시멘트와 혼화제를 현장토와 혼합하는데 있어서 가장 효율적이고 경제적이어야 한다. 본 연구에서는 교반날개의 각도, 교반속도 등에서 다양한 교반조건을 적용하여 실내실험을 수행하였다. 실내실험은 현장 타설장비를 1:8 비율로 축소하여 제작하였다. 최적의 교반조건을 도출하기 위하여 다양한 교반조건에 따른 심층혼합처리 개량체의 강도를 분석하였다. 연구결과, 심층혼합처리공법의 교반조건은 개량체의 강도와 형상에 아주 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
The deep soil mixing, on ground modification technique, has been used for many diverse applications including building and bridge foundations, port and harbor foundations, retaining structures, liquefaction mitigation, temporary support of excavation and water control. This method has the basic obje...
The deep soil mixing, on ground modification technique, has been used for many diverse applications including building and bridge foundations, port and harbor foundations, retaining structures, liquefaction mitigation, temporary support of excavation and water control. This method has the basic objective of finding the most efficient and economical method for mixing cement with soil to secure settlements through improvement of stability on soft ground. In this research, the experiments were conducted on a laboratory scale with the various test conditions of mixing method; the angle of mixing wing, mixing speed. Strength and shapes of improved soil of these test conditions of deep mixing method were analysed. From the study, it was found that the mixing conditions affect remarkably to the strength and shapes of improved soils.
The deep soil mixing, on ground modification technique, has been used for many diverse applications including building and bridge foundations, port and harbor foundations, retaining structures, liquefaction mitigation, temporary support of excavation and water control. This method has the basic objective of finding the most efficient and economical method for mixing cement with soil to secure settlements through improvement of stability on soft ground. In this research, the experiments were conducted on a laboratory scale with the various test conditions of mixing method; the angle of mixing wing, mixing speed. Strength and shapes of improved soil of these test conditions of deep mixing method were analysed. From the study, it was found that the mixing conditions affect remarkably to the strength and shapes of improved soils.
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문제 정의
이러한 연구는 실험상의 어려움 때문에 국내외를 통하여 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 심층혼합처리공법의 개량 효과를 검토하기 위하여 실내모형 장치를 개발하여 실내실험을 실시하고, 다양한 시공조건이 개량체의 강도에 미치는 영향과 효율을 분석하고, 개량체의 축방향 저항력을 산정하여 공법의 시공조건과 타설 장비의 적정 운영조건을 도출하는데 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 실내모형실험을 통하여 심층혼합공법에 대하여 다양한 시공조건이 심층혼합처리공법 개량체의 강도특성, 단면적, 유효 상재 하중에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이러한 시공조건은 대형장비를 운영하는 현장에서는 지반의 불균질성과 개량체의 확인이 불가능한 점 그리고 장비 운영상의 불확실성으로 인하여 더욱 더 큰 영향이 따를 것으로 예상된다. 본 연구에서는 실내모형실험을 통하여 혼화제 분사구의 위치(교반 날개 분사, 롯드측면분사), 교반 날개 각도, 교반속도 등의 다양한 시공조건을 적용하여 시공하고, 개량체의 일축 압축강도를 측정하여 지반개량을 위한 최적 시공조건을 도줄하고자 하였다. 특히 시험 장치는 실제 장비를 1:8로 축소하여 제작하였으며, 교반속도와 타설 속도(또는 관입속도)를 기계적으로 조절 가능하도록 하여 실험의 신뢰성을 확보하는 시험을 실시하였다.
본 연구의 목적은 시공조건에 따른 개량체의 강도를 검토하여 최적 시공조건을 도출하는데 있으므로 모형지반의 균질성과 실험의 용이성을 위하여 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다 시료의 기본 물성은 다음의 표 1과 같다. 시료조성은 한 칸의 토조에 총무게가 760.
제안 방법
양 생후 개량체의 길이중심으로 20cm씩 상단, 중간, 하단부로 나누어 직경, 둘레 등을 측정한다. 본 연구에서는 실험장비 운영계획과 개량체의 시험계획을 혼화제 분사형식: 교반날개분사, 롯드측면분사, 교반 속도: 10회/min, 20회/min, 30회/min, 교반 날개 각도: 10도, 20도, 30도, 굴진속도: 10cm/min(굴진 및 인발), 개량체 양생기간: 28일로 하였다.
시공조건에 따른 개량체의 효율성을 평가하기 위하여 한 개의 개량체가 저항할 수 있는 총 축방향력 즉, 상재하중(유효상재하중; Pe)의 크기를 산정하여 비교하였다. 유효상재하중은 한 개 개량체의 평균단면적에 대응하는 상재하중으로 다음의 식으로 계산할 수 있다.
심층혼합공법의 타설 방식에 대한 검토분석을 위하여 굴진 속도 10cm/min(굴진 및 인발) 하에서 교반 날개 분사형식과 롯드측면분사형식에 대하여 교반속도 10회/min, 20회/min, 30회/min, 교반 날개 각도 10도, 20도, 30도를 적용하여 실험을 수행하였다. 일정 기간 양생 후 개량 체로부터 시료를 채취하여 일축압축강도시험을 수행하였고 그 결과를 그림 3과 그림 4에 비교하여 제시하였다.
타설이 완료된 후에는 양생 기간이 필요한데 본연구에서는 양생기간은 28일이며, 양생 방법은 타설 후 7일 동안 모형토조에서 양생하고 그 후 양생 수조에서 온도 20。, 습도70%를 유지하여 21일간 양생한다. 양 생후 개량체의 길이중심으로 20cm씩 상단, 중간, 하단부로 나누어 직경, 둘레 등을 측정한다. 본 연구에서는 실험장비 운영계획과 개량체의 시험계획을 혼화제 분사형식: 교반날개분사, 롯드측면분사, 교반 속도: 10회/min, 20회/min, 30회/min, 교반 날개 각도: 10도, 20도, 30도, 굴진속도: 10cm/min(굴진 및 인발), 개량체 양생기간: 28일로 하였다.
실험을 수행하였다. 일정 기간 양생 후 개량 체로부터 시료를 채취하여 일축압축강도시험을 수행하였고 그 결과를 그림 3과 그림 4에 비교하여 제시하였다. 그림 3에서는 교반 속도에 따른 교반날개분사와 롯드측면분사에 대한 시험 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 실내모형실험을 통하여 혼화제 분사구의 위치(교반 날개 분사, 롯드측면분사), 교반 날개 각도, 교반속도 등의 다양한 시공조건을 적용하여 시공하고, 개량체의 일축 압축강도를 측정하여 지반개량을 위한 최적 시공조건을 도줄하고자 하였다. 특히 시험 장치는 실제 장비를 1:8로 축소하여 제작하였으며, 교반속도와 타설 속도(또는 관입속도)를 기계적으로 조절 가능하도록 하여 실험의 신뢰성을 확보하는 시험을 실시하였다.
대상 데이터
0상대 밀도표준사를 상대밀도 60%가 되도록 10개의분할 성토 분할성토 하여 안정된 인공지반을 형성하였다. 본 연구에서는 현장에서 사용되고 있는 혼화재로서 HWS 고화재를 사용하였다
시료조성은 한 칸의 토조에 총무게가 760.0상대 밀도표준사를 상대밀도 60%가 되도록 10개의분할 성토 분할성토 하여 안정된 인공지반을 형성하였다. 본 연구에서는 현장에서 사용되고 있는 혼화재로서 HWS 고화재를 사용하였다
심층혼합처리 모형 실험장비는 교반 날개가 부착된 교반장礼 모형토조, 굴진장礼 혼화재 주입장礼 제어장치로 구성하였다. 교반장치는 모형지반을 타설하기 위하여 교반속도의 범위는 0~44회/min의 롯드회전 속도이며, 교반장치 내의 교반 날개는 막대형 날개로 1층에 3개씩 3층으로 되어 있으며, 롯드의 직경은 60.
그리고 분사구의 크기는 롯드측면분사 형식은 분출구가 2개(08mm)로 롯드의 측면에 설치하였으며, 교반날개분人卜 형식은 분출구가 6개(05mm)로 교반 날개의 아래에 설치흐]■였다. 토조는 L700mmxB700mmxHl, 000mm 로서 중간을 분리하여 2개의 공간으로 제작하였고 유효 개량 깊이는 800mm로 하였다. 그림 1은 실험장치의 전체적 전경과 동력장치를 사진으로 제시한 것이고, 그림 2는 교반날개의 상세도를 제시한 것이다.
성능/효과
그러나 개량 체 상단부에서는 롯드측면분사형식의 경우 교반 각도가 증가함에 따라 일축 압축강도가 증가하는 것으로 분석되었으나, 교반 날개 분사형식의 경우는 특별한 상관성이 발견되지 않았다. 교반날개 분사형 식과 롯드측면분사형 식에서 교반 날개 각도와 교반속도가 증가하면 개량체의 단면적이 증가하는 것으로 나타났다. 교반 날개 각도의 변화에 따른개량체의 단면적은 교반 날개 각도 20도에서 가장 크게 나타났다.
그림 3의 분석 결과에 의하면, 교반 속도가 10회/m, 20회/m, 30회/m 로 변함에 따라 일축 압축강도가 변화하는 것을 알 수 있으며 교반속도가 증가할수록 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 교반날개분사와 롯드측면분사에 따른 일축 압축강도를 분석한 결과 교반 날개 분사보다는 롯드측면분사의 경우가 일축압축강도가 크게 나타나는 것으로 평가되었다. 그림 4에서는 개량체의 상단부 시료에 대한 일축 압축강도로서, 롯드측면분사형식의 경우 교반 각도가 증가함에 따라 일축 압축강도가 증가하는 것으로 분석되었으나 교반날개분사형 식의 경우는 특별한 상관성이 발견되지 않았다.
그림 3에서는 교반 속도에 따른 교반날개분사와 롯드측면분사에 대한 시험 결과를 제시하였다. 그림 3의 분석 결과에 의하면, 교반 속도가 10회/m, 20회/m, 30회/m 로 변함에 따라 일축 압축강도가 변화하는 것을 알 수 있으며 교반속도가 증가할수록 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 교반날개분사와 롯드측면분사에 따른 일축 압축강도를 분석한 결과 교반 날개 분사보다는 롯드측면분사의 경우가 일축압축강도가 크게 나타나는 것으로 평가되었다.
또한 동일한 조건하에서의 개량체의 단면적은 롯드측면분사형식보다 교반 날개 분사형식이 전 구간에 걸쳐 크게 나타나 개량범위가 큰 것으로 평가된다. 동일한 시공조건에서 개량체의 일축압축강도는 교반 날개 분사형식보다 롯드측면분사형식이 크게 나타났으나, 개량체의 단면적 및 유효상재하중은 교반 날개 분사형식이 롯드측면분사형식 보다 크게 나타났다. 따라서 교반 날개 분사형식이 설계강도를 확보하는 범위 내에서 지반개량 효과가 우수한 것으로 평가된다.
동일한 시공조건에서 개량체의 일축압축강도는 교반 날개 분사형식보다 롯드측면분사형식이 크게 나타났으나, 개량체의 단면적 및 유효상재하중은 교반 날개 분사형식이 롯드측면분사형식 보다 크게 나타났다. 따라서 교반 날개 분사형식이 설계강도를 확보하는 범위 내에서 지반개량 효과가 우수한 것으로 평가된다. 보다 합리적인 개량 효과 평가를 위해서는 여러 개의 개량체를 타설하여개량체간의 간섭과 영향, 주면 마찰을 고려한 지반지지 력, 내구성 등을 종합적으로 검토해야 할 것으로 사료된다.
교반 날개 각도의 변화에 따른개량체의 단면적은 교반 날개 각도 20도에서 가장 크게 나타났다. 또한 동일한 조건하에서의 개량체의 단면적은 롯드측면분사형식보다 교반 날개 분사형식이 전 구간에 걸쳐 크게 나타나 개량범위가 큰 것으로 평가된다. 동일한 시공조건에서 개량체의 일축압축강도는 교반 날개 분사형식보다 롯드측면분사형식이 크게 나타났으나, 개량체의 단면적 및 유효상재하중은 교반 날개 분사형식이 롯드측면분사형식 보다 크게 나타났다.
또한교반날개분사형 식에서는 교반 날개 각도와 교반 속도가 증가할수록 유효상재하중이 증가하는 것으로 나타난 반면, 롯드측면분사형식에서는 교반 속도가 증가하면 유효 상재 하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 교반 날개 각도가 10도에서 20도로 증가하면 유효상재하중이 증가하다가 교반날개각도가 30도로 증가하면 오히려 유효 상재 하중이 감소하는 것으로 나타나 교반 날개 각도의 영향보다는 교반속도의 영향이 큰 것으로 판단된다.
량체 설계 강도의 확보 가능한 범위에서 작은 각도의 교반 날개 각도를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
롯드측면분사의경우에는 교반날개각도 10도에서는 교반속도가 증가할수록 개량체의 직경 역시 증가하는 것으로 나타났으나, 교반날개각도 20S, 30도에서는 교반 날개 속도가 증가할수록 개량체의 직경이 감소하는 것으로 나타났다. 이는교반날개각도가 증가한다고 해서 개량체의 단면적이 증가하지 않음을 나타낸다.
수록 개량체의 직경이 증가하는 것으로 나타났으나, 교반 날개 각도가 30도일 때는 교반 속도가 증가할수록 개량체의 직경이 작아지는 것으로 나타났다. 롯드측면분사의경우에는 교반날개각도 10도에서는 교반속도가 증가할수록 개량체의 직경 역시 증가하는 것으로 나타났으나, 교반날개각도 20S, 30도에서는 교반 날개 속도가 증가할수록 개량체의 직경이 감소하는 것으로 나타났다.
심층혼합공법의 교반기 교반 속도가 증가할수록 일축 압축강도가 증가하고, 그 영향은 교반날개분사보다는롯드측면분사의 경우에서 크게 나타났으며, 일반적으로교반날개각도가 증가함에 따라 일축압축강도가 증가하는 것으로 분석되었다. 그러나 개량 체 상단부에서는 롯드측면분사형식의 경우 교반 각도가 증가함에 따라 일축 압축강도가 증가하는 것으로 분석되었으나, 교반 날개 분사형식의 경우는 특별한 상관성이 발견되지 않았다.
유효 상재 하중은 교반 날개 각도 변화와 교반속도 변화에 관계없이 교반 날개 분사형식이 롯드측면분사형식 보다 전 구간에 걸쳐 유효 상재 하중이 크게 나타났다. 또한교반날개분사형 식에서는 교반 날개 각도와 교반 속도가 증가할수록 유효상재하중이 증가하는 것으로 나타난 반면, 롯드측면분사형식에서는 교반 속도가 증가하면 유효 상재 하중이 증가하는 것으로 나타났으며, 교반 날개 각도가 10도에서 20도로 증가하면 유효상재하중이 증가하다가 교반날개각도가 30도로 증가하면 오히려 유효 상재 하중이 감소하는 것으로 나타나 교반 날개 각도의 영향보다는 교반속도의 영향이 큰 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 교반 날개 분사형식이 설계강도를 확보하는 범위 내에서 지반개량 효과가 우수한 것으로 평가된다. 보다 합리적인 개량 효과 평가를 위해서는 여러 개의 개량체를 타설하여개량체간의 간섭과 영향, 주면 마찰을 고려한 지반지지 력, 내구성 등을 종합적으로 검토해야 할 것으로 사료된다.
참고문헌 (7)
David S. Yang (2000), Soil stabilization and liquefaction prevention using cement deep soil mixing (CDSM) and dry jet mixing method (DJM), GEO-Institute Graduate Student Society Monthly Seminar Series
Simo Hoite, Thomas Dahlgren, George Fotinos (2001), Berths 57, 58 and 59 container wharf at the port of Oakland, Proceedings of the Conference American Society of Civil Engineers
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ESCA 공법연구회 (1995), 심층혼합처리공법을 위한 고화제(ESCA)및 교반(혼합)장비 개발, 연구보고서 부록 I, pp.1-17
토목공법연구회 (1996), '지반개량공법', 창우출판, pp.201-203
양태선, 정경환, 여봉구, 이상수 (2000), '심층혼합처리공법에서 설계기준강도와 변형계수에 관한 연구(A Study on Design Strength and Elastic Using Deep Cement Mixing Method)', 대한토목학회 2000년 학술발표논문집
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