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문제 정의
- 그러나 아직 고압 분사주입공법에 대하여 지반보강효과, 개량체의 강도 특성, 개량체의 변형특성에 대해서는 명확히 규명되어 있지 못한 실정이다. 본 연구에서는 석회암공동에 주로 보강공법으로 적용되고 있는 고압분사주입공법에 의한 지반보강 효과 및 개량체의 역학적인 특성을 정량적으로 평가하고자 한다. 대상현장은 교량 기초지반에 석회암 공동이 존재하여 고압분사주입공법이 적용되었으며 지반 개량체에서 코어를 채취하여 각종 실내시험 및 현장시험을 실시하였다.
가설 설정
- 따라서 해석한 축력분포 및 주면마찰력, 선단지지력 등은 극한값이 아니며 이론상 최소항복하중의 의미를 갖는 것으로 분석하였다. 시험말뚝 No. 48은 극한하중 및 항복하중이 나타나지 않았으므로, 최대재하하중 420 torr을 최소항복하중으로 가정하여 말뚝의 허용지지력을 산출하여 본 결과 210 ton/본 이상으로 산정되었다.
제안 방법
- 고압분사주입공법에 의해 조성된 지반개량체의 코아를 채취하여 개랑체의 일축압축강도를 측정하였다. 제 1 현장의 경우 일축압축시험용 공시체는 각 교량 기초별로 총 266개의 공시체를 제작하여 Fig.
- 9, 10에 나타내었다. 공내재하시험은 고압분사주입공법으로 시공전 원지반에 NX-sizee 보링을 실시한 6개소의 시추공에서 실시하였고 시공후 개량체의 시료를 채취하기 위해 NX- size보링을 실시하여 코어를 채취한 후 9개소의 시추공 내에서 임의의 깊이에서 실시하였다. 개량전 원지반의 공내재하시험 결과, 변형계수는 388kg/cm2~6, 214kg/cm2, 지 반반력 계 수는 12.
- 교량기초 하부지반에 석회암공동과 점토가 협재된 파쇄암충을 보강하기 위해 초고압 분출수에 의해 지반을 세굴하고, 세굴된 토립자를 지표로 배출함으로써 지중에 인위적인 공간을 만들어, 그곳에 경화재를 충진하여 원주상고결체를 만드는 고압분사주입 공법을 이용하였다. 지반개량체 조성에 이용된 분사시스템은 삼중관 롯드 분사주입방식이며, 그 대표적인 시스템의 개요는 Fig.
- 측정하기 위해 공시체의 종횡방향으로 변형률게이지(strain gauge)를 부착하여 횡방향 변형율과 죽방향 변형율을 측정하였다. 그리고 제 2현장의 말뚝기초는 하중전이시험을 수반한 정재하시험을 실시하여 지지력거동 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 석회암공동에 주로 보강공법으로 적용되고 있는 고압분사주입공법에 의한 지반보강 효과 및 개량체의 역학적인 특성을 정량적으로 평가하고자 한다. 대상현장은 교량 기초지반에 석회암 공동이 존재하여 고압분사주입공법이 적용되었으며 지반 개량체에서 코어를 채취하여 각종 실내시험 및 현장시험을 실시하였다. 실내시험을 통하여 압축강도, 탄성계수, 포아송비 등의 강도특성 및 변형특성을 조사하였다.
- 현장시험으로는 지반개량체 내의 시추공에서 공내재하시험을 실시하였다. 또한, 개량체에 대하여 하중 전이시험을 수반한 정재하시험을 실시하여 지지거동특성을 분석하였다.
- 37 말뚝과 동일하게 선단하부로 약 12 m 정도 고결체를 형성시켰으며 말뚝주면은 시멘트밀크 주입으로 충진, 고결 처리하였다. 말뚝주변에 시공된 어스앵커의 마찰저항력을 이용하여 압축 정재하시험(5 cycle)을 수행하였으며 재하된 최대하중은 420 ton으로서 이때의 침하량이 2.3 cm로 말뚝의 항복현상이나 극한현상의 징후가 보이지 않는 매우 양호한 지지거동을 보여주고 있다(Fig. 13). 따라서 해석한 축력분포 및 주면마찰력, 선단지지력 등은 극한값이 아니며 이론상 최소항복하중의 의미를 갖는 것으로 분석하였다.
- 5와 같이 일축 압축강도를 측정하였다. 본 현장의 경우 개량체의 직경이 1.2 m로 다소 소구경의 고결체이며 여러 열을 바깥쪽에서 안쪽의 순서로 주입할 경우 즉, 중첩하여 시공할 경우에 대하여 주입순서별 일축압축강도의 변화를 비교하였으며 그 결과는 Table 1과 같다. 주입순서에 따른 일축압축강도는 외부에서 내부로 갈수록 개량체의 강도가 증가하는 것을 알 수 있다.
- 석회암공동에 말뚝을 시공할 경우 말뚝지지 거동특성올 평가하기 위해 어스앵커의 인발력을 이용하여 하중전이(load transfer)측정을 병행, 정재하시험을 수행하였다(Fig. 11). 하중전이를 측정하기 위해 시공 전 말뚝에 미리 전기저항식 변형률게이지를 심도별로 부착하였으며 정재하시험을 통하여 재하하중크기에 따라 단계별로 말뚝깊이별 변형률(strain)을 측정하고 이를 말뚝의 단면적, 탄성계수를 이용한 탄성론에 근거한 Hook's law를 이용하여 축력 (axial force)으로 환산함으로써 말뚝이 시공된 심도별 주면마찰력의 분포 및 크기 그리고 선단 지지력을 평가하였다.
- 시공순서는 설계 계획심도까지 천공기를 이용하여 천공하고, 롯드를 21분/m의 속도로 인발하면서 상단측면에 있는 노즐에서 400kg/cm2의 초고압수와 20kg/cm2의 압축공기를 동시에 분사시켜 지반을 세굴 파괴시켜 지중에 공간을 형성하였다. 이때 파쇄된 토사를 지표면에 배출 시킨 후 롯드 하단 측면에 있는 노즐에서 2차적으로 400kg/cm2의 압력으로 경화재와 20 kg/cm2^ 압축공기를 분사하여 절삭범위를 더욱 확대시키면서 절삭 하단부터 경화재로 지중공간을 충진시켜 지반 개량체를 조성하였다.
- 시험말뚝 No. 48은 선굴착 후 강관말뚝((D508mmX 121, L = 21.0m)의 선단부를 연암충에 위치시킨 후 No.37 말뚝과 동일하게 선단하부로 약 12 m 정도 고결체를 형성시켰으며 말뚝주면은 시멘트밀크 주입으로 충진, 고결 처리하였다. 말뚝주변에 시공된 어스앵커의 마찰저항력을 이용하여 압축 정재하시험(5 cycle)을 수행하였으며 재하된 최대하중은 420 ton으로서 이때의 침하량이 2.
- 대상현장은 교량 기초지반에 석회암 공동이 존재하여 고압분사주입공법이 적용되었으며 지반 개량체에서 코어를 채취하여 각종 실내시험 및 현장시험을 실시하였다. 실내시험을 통하여 압축강도, 탄성계수, 포아송비 등의 강도특성 및 변형특성을 조사하였다. 현장시험으로는 지반개량체 내의 시추공에서 공내재하시험을 실시하였다.
- 용해성공동과 점토가 협재된 파쇄대가 분포하는 석회암충에 구조물을 설치하기 위하여 고압분사주입공법으로 지중에 개량체를 조성하였으며 개량체의 강도특성, 변형특성 및 지지거동 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 의 압축공기를 동시에 분사시켜 지반을 세굴 파괴시켜 지중에 공간을 형성하였다. 이때 파쇄된 토사를 지표면에 배출 시킨 후 롯드 하단 측면에 있는 노즐에서 2차적으로 400kg/cm2의 압력으로 경화재와 20 kg/cm2^ 압축공기를 분사하여 절삭범위를 더욱 확대시키면서 절삭 하단부터 경화재로 지중공간을 충진시켜 지반 개량체를 조성하였다.
- 시공순서는 소요 계획심도까지 천공기를 이용하여 천공하고, 롯드를 21분/m의 속도로 인발하면서 상단측면에 있는 노즐에서 "Okg/cn?의 초고압수와 ZOkg/cn?의 압축공기를 동시에 분사시켜 지반을 세굴하면서 지중에 공간을 형성하였다. 이때 파쇄된 토사를 지표면에 배출 시킨 후 롯드 하단 측면에 있는 노즐에서 2차적으로 400kg/cm2의 압력으로 경화재와 20kg/cm2^ 압축공기를 분사하여 절삭 범위를 더욱 확대시키면서 절삭하단부터 경화재로 지중공간을 충진시켜 개량체를 조성하였다. 점토가 충진된 공동구간은 슬라임이 배출될 때까지 최고 34분/m 동안 주입하여 충분한 구근이 형성될 수 있도록 하였다.
- 점토가 충진된 공동구간은 슬라임이 배출될 때까지 최고 33분/m 동안 주입하여 충분한 구근이 형성될 수 있도록 하였다. 경화재 시공배합조건은 물과 시멘트 배합비를 1 :1로 하였다.
- 이때 파쇄된 토사를 지표면에 배출 시킨 후 롯드 하단 측면에 있는 노즐에서 2차적으로 400kg/cm2의 압력으로 경화재와 20kg/cm2^ 압축공기를 분사하여 절삭 범위를 더욱 확대시키면서 절삭하단부터 경화재로 지중공간을 충진시켜 개량체를 조성하였다. 점토가 충진된 공동구간은 슬라임이 배출될 때까지 최고 34분/m 동안 주입하여 충분한 구근이 형성될 수 있도록 하였다. 경화재 시공배합조건은 물과 시멘트 배합비를 65%로 하였다.
- 제 1, 2, 3현장의 경우 고압분사주입공법에 의해 조성된 개량체에서 코아를 채취하여 개량체의 일축 압축강도를 측정하였으며 특히, 제 2, 3현장의 경우 포아송비 및 탄성계수를 측정하기 위해 공시체의 종횡방향으로 변형률게이지(strain gauge)를 부착하여 횡방향 변형율과 죽방향 변형율을 측정하였다. 그리고 제 2현장의 말뚝기초는 하중전이시험을 수반한 정재하시험을 실시하여 지지력거동 특성을 평가하였다.
- 3과 같다. 주입전에 지층상태를 코어 보오링으로 확인하면서, 분사용 제트 천공기 (D = 90 mm)를 이용하여 소요시도까지 천공하였다. 롯드를 암반구간에서는 12분 /m, 토사구간은 16분/m의 속도로 인발하면서 상단부에 있는 노즐에서 400 kg/cn?의 초고압수와 7 kg/cn?의 압축공기를 동시에 분사시켜 지반을 세굴 시키면서 지중에 공간을 형성하였다.
- 이때 파쇄된 토사를 지표면에 배출시킨 후 롯드 하단 측면에 있는 노즐에서는 300 kg/cm2의 압력으로 경화재를 분사시켜 절삭하단부에서 경화재로 지중에 형성된 공간을 충진 시키면서 지반개량체를 조성하였다. 특히, 공동부 및 점토가 협재된 파쇄대 구간은 충분한 구근을 형성시키기 위하여 인발속도를 최대 30분/m로 하고 슬라임이 배출될 때까지 주입하였다. 경화재 시공배합조건은 시멘트 1, 036kg과 물 670 kg으로 배합하였다.
- 11). 하중전이를 측정하기 위해 시공 전 말뚝에 미리 전기저항식 변형률게이지를 심도별로 부착하였으며 정재하시험을 통하여 재하하중크기에 따라 단계별로 말뚝깊이별 변형률(strain)을 측정하고 이를 말뚝의 단면적, 탄성계수를 이용한 탄성론에 근거한 Hook's law를 이용하여 축력 (axial force)으로 환산함으로써 말뚝이 시공된 심도별 주면마찰력의 분포 및 크기 그리고 선단 지지력을 평가하였다.
- 실내시험을 통하여 압축강도, 탄성계수, 포아송비 등의 강도특성 및 변형특성을 조사하였다. 현장시험으로는 지반개량체 내의 시추공에서 공내재하시험을 실시하였다. 또한, 개량체에 대하여 하중 전이시험을 수반한 정재하시험을 실시하여 지지거동특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 채취하여 개랑체의 일축압축강도를 측정하였다. 제 1 현장의 경우 일축압축시험용 공시체는 각 교량 기초별로 총 266개의 공시체를 제작하여 Fig. 5와 같이 일축 압축강도를 측정하였다. 본 현장의 경우 개량체의 직경이 1.
- 제 1현장은 경북 문경시 유곡동과 불정동에 위치한 고속도로 교량 건설현장이며, 2개 교량기초 지반에 대하여 시추조사 및 물리탐사를 실시한 결과 파쇄암층 사이의 공동에 점토가 협재되어 있으며, 균열면의 파쇄대가 불규칙하게 산재되어 있었다.
- 제 2현장은 충북 괴산면, 연풍면, 삼풍면 일대에 위치한 고속도로구간 중 교량건설 현장이며, 3개 교량 기초지반의 시추조사 및 물리탐사 결과 파쇄암층과 파쇄암 층 사이의 공동에 점토가 협재되어 있으며, 균열면의 파쇄대가 불규칙하게 산재되어 있다. 따라서 교량기초 지반의 석회암 공동부 및 점토가 협재된 파쇄대를 보강하기 위하여 고압분사주입공법을 이용하였다.
- 따라서 교량기초 지반의 석회암 공동부 및 점토가 협재된 파쇄대를 보강하기 위하여 고압분사주입공법을 이용하였다. 지반 개량체 조성에 이용된 분사시스템은 삼중관 롯드 분사주입방식이며, 개량체의 직경은 2.3 m 정도로 형성되었고 개량도는 교량 기초 지반별로 공동 및 점토가 협재된 파쇄대 분포에 따라 GL-8 m ~ GL-30 m로 주입하였다. 조성된 개량체의 고결형상은 Fig.
- 있다. 지표를 형성하는 표토층은 약 1.5 m 두께로 분포하고있으며, 황적색의 점토, 파쇄암층 등으로 구성되어 있다. 점토가 협재된 공동은 황적색의 색조를 띠며 파쇄대인 풍화암층은 사암의 절리 발달로 파쇄가 매우 심하며 코아회수율은 불량한 상태이며 암갈색 내지 황적색의 색조를 띠고 있으며 일부구간에서 점토분이 함유되어 있다.
이론/모형
- 파쇄대가 불규칙하게 산재되어 있다. 교량기초 지반의 석회암 공동부 및 점토가 협재된 파쇄대를 보강하기 위해 고압분사주입 공법을 이용하였다.
- 불규칙하게 산재되어 있다. 따라서 교량기초 지반의 석회암 공동부 및 점토가 협재된 파쇄대를 보강하기 위하여 고압분사주입공법을 이용하였다. 지반 개량체 조성에 이용된 분사시스템은 삼중관 롯드 분사주입방식이며, 개량체의 직경은 2.
성능/효과
- 1. 고압분사주입공법에 의한 개량체의 일축 압축강도는 주입순서에 따라 영향을 받으며 바깥쪽 열에서 안쪽 열 순으로 갈수록 개량체의 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 외부의 개량체에 의하여 경화제가 파쇄대나 공동부로 손실되는 것을 억제하는 커튼월 역할에 의한 것으로 판단된다.
- 2. 지중에 조성된 개량체에서 채취한 시료에 대한 일축압축강도는 심도와 무관하게 62kg/cm2~317kg/cm2의 분포로 최저치와 최대치의 분포범위가 매우 넓은 것으로 나타났다. 이는 공동이나 점토가 협재된 파쇄대 구간의 지층특성과 지반개량시 롯드의 인발속도의 차에서 기인 된 것으로 판단된다.
- 3. 개량체에서 채취한 시료의 탄성계수(E)와 일축압축 강도(qu>은 E = (90(X1900)%와 같은 상관성이 있는 것으로 나타났다.
- 4. 개량체의 포아송비는 일축압축강도 150kg/cm까지는 거의 선형적으로 감소하다가 그 이후부터는 일축 압축강도의 증가와 무관하게 거의 일정한 값을 나타내고 있는데, 이는 개량체의 변형특성은 임의의 강도 이상에서는 거의 일정하다는 것을 의미한다.
- 제1현장의 경우 일축 압축강도의 분포범위는 89kg/cm2~317kg/cm2이며 제 2 현장의 경우 일축압축강도의 분포범위는 62 kg/cm2~300kg/cm2이고 제 3현장의 경우 66 kg/cm2~303 kg/cn?로 3개 현장 모두 최저치와 최대치의 분포범위가 크게 발생하였다. 그리고 공동과 점토가 협재된 파쇄대 층을 포함하고 있는 석회암공동에서 시료의 일축 압축강도는 개량체의 심도와 거의 상관성이 없는 것으로 나타났다. 이러한 경향을 보이는 이유는 첫째로, 지층이 균일하지 못한 것을 들 수 있다.
- 지반개량시 세굴된 토립자의 일부가 경화재에 혼입되어 개량체를 조성하게 되는데 사례 현장 지역은 용해성 공동과 점토가 협재된 파쇄대가 불규칙하게 분포하고 있으므로 심도에 따라 강도의 증가량이 일정하지 않다. 둘째로, 지반개량시 롯드의 인발속도를 공동이 존재하는 구간에서는 시멘트 밀크에 의한 슬라임이 배출될 때까지 주입하여야 되나 일부 구간에서 롯드 인발속도를 주변의 일반적인 지층과 동일하게 상승시켜 주입이 충분하지 못한 구간이 발생된 것으로 판단된다. 이러한 특성으로부터 공동과 점토가 협재된 파쇄대를 포함하고 있는 석회암공동 구간에서 고압 분사주입 공법에 의하여 조성된 개량체의 일축압축강도는 인발속도에 따라서 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 13). 따라서 해석한 축력분포 및 주면마찰력, 선단지지력 등은 극한값이 아니며 이론상 최소항복하중의 의미를 갖는 것으로 분석하였다. 시험말뚝 No.
- 715><l05kg/cm2의 범위로 제 2현장과 3현장의 분포범위가 비슷한 것으로 나타났다. 또한, 일축압축강도가 증가할수록 탄성계수도 비례하여 선형적으로 증가하는 것으로 나타나고 있다. 이는 개량체의 강도특성과 변형특성에 일정한 상관관계가 존재함을 알 수 있다.
- 5m>의 선단부를 풍화토층에 위치시킨 후 선단하부로 약 12 m 정도 고결체를 형성시켰으며 말뚝 주면은 시멘트밀크 주입으로 충진, 고결 처리한 말뚝이다. 말뚝주변에 시공된 어스앵커의 마찰력을 하중조달 방법으로 압축 정재하시험(4 cycle)을 수행하였으며 재하된 최대하중은 360 ton으로서 이때 침하량이 3.3 cm로, 전단계인 350t일 때의 침하량 1.7cm에 비하여 침하증가량이 재하하중의 증가량게 비하여 급격히 증가하는 극한파괴 현상이 발생하였다(Fig. 12). 최종시험하중 360ton 재하 도중 지반개량체가 파괴되어 침하가 급격히 증가하는 극한상태에 도달되므로 이때의 하중을 극한하중으로 고려하여 말뚝의 허용지지력을 산출한 결과 144ton/본으로 산정되었다.
- 둘째로, 지반개량시 롯드의 인발속도를 공동이 존재하는 구간에서는 시멘트 밀크에 의한 슬라임이 배출될 때까지 주입하여야 되나 일부 구간에서 롯드 인발속도를 주변의 일반적인 지층과 동일하게 상승시켜 주입이 충분하지 못한 구간이 발생된 것으로 판단된다. 이러한 특성으로부터 공동과 점토가 협재된 파쇄대를 포함하고 있는 석회암공동 구간에서 고압 분사주입 공법에 의하여 조성된 개량체의 일축압축강도는 인발속도에 따라서 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 이에 대한 원인은 외부의 개량체는 내부의 개량체를 시공할 경우 경화제가 인접한 파쇄대나 공동부로 손실되는 것을 억제하는 커튼월의 역할을 하여 조밀하게 충진 되어 결과적으로 강도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 12). 최종시험하중 360ton 재하 도중 지반개량체가 파괴되어 침하가 급격히 증가하는 극한상태에 도달되므로 이때의 하중을 극한하중으로 고려하여 말뚝의 허용지지력을 산출한 결과 144ton/본으로 산정되었다.
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