물유리계 그라우팅 공법은 침투주입 그라우팅으로 자주 적용되고 있으나, 시간경과에 따른 내구성 저하와 환경에 부정적 영향에 대한 문제가 부각되고 있다. 이에 마이크로시멘트계 무기질 재료의 ENG 공법이 이러한 물유리계 그라우팅 공법의 문제점을 극복하면서 우수한 침투성을 목표로 하여 개발되었다. ENG의 적용성을 파악하기 위해 체적변형시험, 용탈실험, 일축압축실험, 실내 투수실험 및 현장투수실험 그리고 중금속검출실험을 실시하였다. 그 결과 체적변형, 용탈량, 일축압축강도는 물유리 공법보다 월등히 우수하였으며, 투수실험에 있어서도 차수효과가 나타났다. 또한 중금속 검출량도 미미하여 환경에 부정적인 효과도 적을 것으로 판단된다.
물유리계 그라우팅 공법은 침투주입 그라우팅으로 자주 적용되고 있으나, 시간경과에 따른 내구성 저하와 환경에 부정적 영향에 대한 문제가 부각되고 있다. 이에 마이크로시멘트계 무기질 재료의 ENG 공법이 이러한 물유리계 그라우팅 공법의 문제점을 극복하면서 우수한 침투성을 목표로 하여 개발되었다. ENG의 적용성을 파악하기 위해 체적변형시험, 용탈실험, 일축압축실험, 실내 투수실험 및 현장투수실험 그리고 중금속검출실험을 실시하였다. 그 결과 체적변형, 용탈량, 일축압축강도는 물유리 공법보다 월등히 우수하였으며, 투수실험에 있어서도 차수효과가 나타났다. 또한 중금속 검출량도 미미하여 환경에 부정적인 효과도 적을 것으로 판단된다.
The Water glass grouting method has been applied frequently to penetration grouting in practice, but some problems, such as decrease of durability with the elapsed time and environmentally adverse effect, are raised recently. Hence, the Earth Natural Grouting method which uses micro cement and inorg...
The Water glass grouting method has been applied frequently to penetration grouting in practice, but some problems, such as decrease of durability with the elapsed time and environmentally adverse effect, are raised recently. Hence, the Earth Natural Grouting method which uses micro cement and inorganic material is developed to overcomes those problems of the water glass grouting method, and is aimed for extensive ground injection bound. Volumetric strain test, syneresis test, unconfined compression test, triaxial permeability test, in-situ permeability test and heavy metal analysis were conducted to verify application of the ENG. As the result of tests, volumetric strain, syneresis and unconfined strength of the ENG were superior to those of the Water Glass SGR and ENG was proved to be impermeable. Also it is expected that the ENG would not have an effect on environmental pollution.
The Water glass grouting method has been applied frequently to penetration grouting in practice, but some problems, such as decrease of durability with the elapsed time and environmentally adverse effect, are raised recently. Hence, the Earth Natural Grouting method which uses micro cement and inorganic material is developed to overcomes those problems of the water glass grouting method, and is aimed for extensive ground injection bound. Volumetric strain test, syneresis test, unconfined compression test, triaxial permeability test, in-situ permeability test and heavy metal analysis were conducted to verify application of the ENG. As the result of tests, volumetric strain, syneresis and unconfined strength of the ENG were superior to those of the Water Glass SGR and ENG was proved to be impermeable. Also it is expected that the ENG would not have an effect on environmental pollution.
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문제 정의
이러한 지수성 평가는 투수실험을 통해 판단해 볼 수 있다. 본 연구는 제작된 공시체에 대한 투수시험과 현장시험을 통해 ENG의 차수성을 살펴보았다.
본 연구는 침투주입 그라우팅에 주로 쓰이는 물유리계 공법의 내구성 및 환경문제가 대두되고 있는 상황에서 마이크로시멘트 무기질계 그라우팅인 ENG 공법의 적용성을 파악하고자 하였다. ENG 공시체에 대한 실내실험을 수행하였으며 ENG가 시공된 현장에서 실험을 실시하였고, 물유리계 그라우팅의 대표적인 SGR의 공시체 역시 제작하여 비교·분석을 수행한 결과, 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 ENG 고결체의 환경적인 영향을 살펴보기 위해 폐기물공정시험법으로 중금속 용탈실험을 실시 하였다. Cr6+를 포함하여 6가지의 중금속을 선택하였고, 실험 결과는 Table 11에 나타내었다.
본 연구에서는 물유리의 시간에 따른 체적변형 정도를 살펴보기 위해 선행연구로써 규산소다 물유리만을 양생시킨 후 수침시켜 그 체적변형량을 살펴보았다. Fig.
이에 본 연구에서는 몰드제작을 통한 실내시험과 현장 시험시공을 통하여 비약액계의 ENG에 대한 차수성, 내구성, 강도 효과 등을 파악하고자 한다. 물유리계와의 비교는 약액계 물유리계 그라우팅을 대표하는 SGR 공시체를 제작하여 비교·분석을 수행하였다.
가설 설정
보통 그라우팅은 깊은 심도까지 주입이 요구되는 경우가 많으므로 지중응력에 영향을 받게 된다. 따라서 본 연구에서는 현장의 응력상태를 고려하는 삼축투수실험을 실시하였고, 응력상태는 100kPa으로 가정하여 모든 실험에 구속압을 동일하게 가하였다.
제안 방법
7개의 공에서 각각 심도 3.0m와 6.0m에 대하여 현장 투수실험을 실시하였다. 원지반 투수실험이 이루어진 위치에서 ENG 시공 후에 대한 투수실험을 진행할 수 없으므로, 원지반 공번과 거의 동일한 지역에서 ENG 시공 후의 투수실험을 진행하였다.
ENG의 경우 겔타임이 6~7초가 되는 급결배합이 가능하나, 본 연구에서는 물유리계 그라우팅과 유사한 침투그라우팅 목적의 완결배합을 기준으로 하였다. A액, B액을 1:1 비율로 혼합하였으며, 이 때 물의 온도는 기준 배합비의 수온을 유지시켜 공시체제작을 하였다.
ENG 공시체에 대한 실내실험을 수행하였으며 ENG가 시공된 현장에서 실험을 실시하였고, 물유리계 그라우팅의 대표적인 SGR의 공시체 역시 제작하여 비교·분석을 수행한 결과, 다음의 결론을 얻었다.
실험 공시체 제작에 사용된 ENG 및 SGR 호모겔의 기준 배합비는 Table 3과 같다. ENG의 경우 겔타임이 6~7초가 되는 급결배합이 가능하나, 본 연구에서는 물유리계 그라우팅과 유사한 침투그라우팅 목적의 완결배합을 기준으로 하였다. A액, B액을 1:1 비율로 혼합하였으며, 이 때 물의 온도는 기준 배합비의 수온을 유지시켜 공시체제작을 하였다.
강도실험은 일축압축시험방법을 선택하여 수행되었으며, Fig. 8에 양생기간에 따른 일축압축강도 변화추이를 도시하였다. 대부분의 공시체는 양생 28일에서 최대 강도가 도출되었다.
본 연구를 수행하기 위한 공시체 제작은 ENG 공시체뿐만 아니라, ENG와 시공법이 유사하며 물유리계 공법의 대표격인 SGR에 대해서도 비교·분석을 위하여 제작이 이루어졌다. 또한 호모겔과 샌드겔을 동시에 제작하여 지반에 이상적인 침투주입시에 대해서도 분석하였으며, 양생방법 또한 공기중, 담수 및 해수로 나누어 양생을 하였다.
물유리계와의 비교는 약액계 물유리계 그라우팅을 대표하는 SGR 공시체를 제작하여 비교·분석을 수행하였다.
본 연구를 수행하기 위한 공시체 제작은 ENG 공시체뿐만 아니라, ENG와 시공법이 유사하며 물유리계 공법의 대표격인 SGR에 대해서도 비교·분석을 위하여 제작이 이루어졌다.
0m에 대하여 현장 투수실험을 실시하였다. 원지반 투수실험이 이루어진 위치에서 ENG 시공 후에 대한 투수실험을 진행할 수 없으므로, 원지반 공번과 거의 동일한 지역에서 ENG 시공 후의 투수실험을 진행하였다.
샌드겔 제작은 보통 그라우트 재료가 지반에 침투주입한 것을 가정하여 모래와 그라우트재료를 특정 비율로 섞어 제작한다. 이 때 특정 비율은 주입율이 되고, 느슨 또는 중간 조밀한 모래의 주입율인 35%를 기준으로 하여 샌드겔을 제작하였다.
양생과정 중의 체적감소는 간극을 메우는데 주된 역할을 하는 주입공법의 성능발휘 여부와 직접적인 관련이 있다. 이에 ENG 공시체의 체적변형 특성을 알아보기 위해 양생일과 양생방법에 따른 체적변형 실험을 실시하였으며, SGR 공시체 또한 같은 방법으로 실험하여 비교분석의 대상으로 하였다.
이에 본 연구는 폐기물 공정시험법을 통하여 양이온 용탈실험을 수행하였다. Table 6은 ENG와 SGR의 용탈실험 결과를 나타낸 것이다.
대상 데이터
공시체는 원기둥 공시체와 육면체 공시체 두 종류로 하였다. 원기둥 육면체는 높이가 10cm, 직경이 5cm로써 기존 실험 장치에 적합한 규격을 선택하였고, 육면체 몰드는 체적변형실험에 용이하도록 4cm×4cm×16cm의 규격을 선택했다.
현장투수실험은 낙동강 지류인 경남 창녕군 남지읍 C 제방에서 이루어졌다. 연구 대상지반은 과거 제방 축조를 위해 점토질 자갈의 퇴적층 상부에 약 7m 가량을 쌓아올린 지층 조건으로써 상부 매립층은 매우 습하며 점토가 다량 함유된 자갈층으로 느슨한 상태를 보였고, 제방자체가 낡아 보수 및 보강을 필요로 함으로써 차수그라우팅 시공이 요구되었다.
원기둥 육면체는 높이가 10cm, 직경이 5cm로써 기존 실험 장치에 적합한 규격을 선택하였고, 육면체 몰드는 체적변형실험에 용이하도록 4cm×4cm×16cm의 규격을 선택했다.
현장투수실험은 낙동강 지류인 경남 창녕군 남지읍 C 제방에서 이루어졌다. 연구 대상지반은 과거 제방 축조를 위해 점토질 자갈의 퇴적층 상부에 약 7m 가량을 쌓아올린 지층 조건으로써 상부 매립층은 매우 습하며 점토가 다량 함유된 자갈층으로 느슨한 상태를 보였고, 제방자체가 낡아 보수 및 보강을 필요로 함으로써 차수그라우팅 시공이 요구되었다.
성능/효과
1) 150일 양생의 체적변형에 있어서 물유리의 SGR이 ENG에 비하여 호모겔의 체적변형 차이는 수중양생의 경우 7배 이상, 공기중 양생에서는 15배 이상 차이가 발생 하였고, 샌드겔의 경우 수중양생에서 ENG는 거의 변형이 없었으며 공기중 양생에 있어서는 약 37배 가량의 차이를 나타내어, ENG의 체적수축이 매우 적은 결과를 보였다.
2) 용탈실험 결과 총 용탈량은 공기중 양생의 경우 SGR 이 ENG에 비해 약 9배, 담수 양생의 경우는 약 3배 정도 많은 용탈량을 나타내 ENG의 용탈에 따른 내구성이 상대 적으로 강함을 보여주었다.
3) 과거 ENG가 시공된 단면을 조사한 결과 그라우트체의 형상이 뚜렷하게 나타나, ENG의 장기적 내구성이 우수함을 나타내었다.
4) ENG 공시체에 대해 해수, 담수 및 공기중 양생에 대한 일축압축실험 결과, 최대 강도가 발현된 28일 양생에서 대략 호모겔 1~1.5MPa, 샌드겔 1.4~1.7MPa정도의 값을 나타내었다.
5) ENG 공시체의 28일 양생 강도는 결과는 같은 조건의 SGR 공시체 강도보다 호모겔의 경우 약 3~7배 정도큰 값을 보였고, 샌드겔의 경우 약 1.5배 정도 큰 값을 보였다. 또한 28일 양생 강도와 120일 양생 강도의 강도 감소비율에 있어서도 물유리 SGR과 달리 ENG는 상당히 작은 강도 감소비율을 나타내었다.
6) 삼축투수실험결과 ENG는 대략 10-6cm/sec 부근의 투수계수를 나타내 그 차수성을 나타내었으며, 시간에 따른 투수계수 증가는 물유리 SGR이 내구성 감소로 인하여 ENG보다도 훨씬 큰 투수계수 증가율을 나타내었다.
7) ENG의 현장투수시험을 수행한 결과 10-5~10-6cm/ sec 안의 투수계수 범위를 나타내어 ENG 공법의 현장에 대한 차수능력을 파악할 수 있었으며, 실내실험 결과와도 비슷한 값을 보여주었다.
8) ENG의 중금속 검출시험 결과 Cr6+ 항목을 제외하고 실험 대상 중금속이 검출되지 않았으며, Cr6+에 있어서도 폐기물 규제기준인 1.5ppm보다 훨씬 낮은 값을 나타내고 있어, ENG가 환경에 대한 부정적 영향이 매우 적다고 판단된다.
중요한 문제중 하나는 이러한 강도 저하가 얼마나 발생하느냐 하는 것으로, Table 7에 양생일 120일 강도가 28일 강도에 비하여 감소한 비율을 나타내었다. ENG 공기중 양생은 강도 감소가 비교적 크게 나타났으나 수중양 생에서 ENG는 대략 5% 이하에서 강도 감소가 발생한 반면, SGR의 경우 30~50%에 해당되는 강도감소가 나타났다. SGR의 경우 일련의 체적변형 및 용탈작용 등으로 그래프가 계속해서 하강의 경향을 보이나, ENG의 경우 내구성 유지를 통하여 강도감소가 적은 것으로 판단된다.
7(d)는 2004년 3월 경 ENG 공법이 착색그라우팅으로 시공되어 약 2년 후 굴착이 진행된 경남 의령군 B제방의 ENG 시공후 지반굴착 단면이다. ENG 주입단면에서 볼 수 있듯이 그라우트재가 맥상으로 여러 줄기가 연속적으로 주입되어 있고, 2년 정도의 시간 경과 후에도 그라우트재의 변형이 거의 없이 장시간 그라우팅 효과를 나타내고 있었다.
Fig. 6의 결과와 같이 호모겔과 샌드겔, 그리고 각 양생 방법 모두에서 ENG 공시체에 비해 물유리 SGR 공시체의 체적변형률이 상당히 크게 발생하였다.특히 ENG 공시체는 적은 체적변형을 보이면서도 곧 변형이 수렴하는 형태를 보이고 있는 반면, SGR 공시체는 큰 체적변형률에도 그 변형량이 계속해서 증가되고 있는 양상을 나타내고 있다.
Fig. 8 양생기간에 따른 일축강도
강도실험 결과를 살펴보면, 모든 양생 방법에서 ENG 공시체의 일축압축강도가 물유리 SGR 공시체의 강도에 비해 상당히 크게 도출되었다
. 호모겔의 경우 ENG가 SGR 의 3~7배 정도, 샌드겔의 경우는 ENG가 평균적으로 약 1.
Table 9는 7일 양생시의 투수계수와 90일 양생시의 투수계수를 비교하여 시간에 따른 투수계수 변화율을 나타내었다. 그 결과 같은 양생기간 동안 ENG 호모겔 공시체의 투수계수 증가율에 비하여 SGR 호모겔 공시체의 투수계수 증가율이 해수 및 담수조건에서 대략 5배 이상의 차이를 보였다.
5배 정도 큰 값을 보였다. 또한 28일 양생 강도와 120일 양생 강도의 강도 감소비율에 있어서도 물유리 SGR과 달리 ENG는 상당히 작은 강도 감소비율을 나타내었다.
또한 서론의 연구동향에서 밝힌 바와 같이 마이크로 시멘트의 주입범위가 실트층 일부에 주입이 가능함을 나타내었으며, 비교 공법으로 제시된 L.W와 SGR 공법의 침투주입 범위보다 더 세립한 지반까지 주입이 이루어진 결과를 보였다.
실험 결과 Cr6+ 항목을 제외하고 ENG는 실험 대상 중금속이 검출되지 않았으며, Cr6+에 있어서도 폐기물 규제 기준인 1.5ppm보다 훨씬 낮은 값을 나타내고 있다. ENG 의 무기질계 마이크로 시멘트가 환경에 대하여 부정적 영향을 크게 나타내고 있지 않음을 나타내는 결과이다.
실험 결과 ENG 호모겔의 경우 투수계수가 보통 10-6 cm/sec 범위를 보이며, 물유리의 SGR 호모겔의 경우는 10-7~10-8cm/sec의 값을 보였다. ENG 샌드겔의 경우는 투수계수가 10-7~10-8cm/sec 부근의 호모겔보다 약간 낮은 값을 보였고, SGR 샌드겔은 호모겔과 비슷한 값을 보였다.
이와 같은 결과를 종합하여 볼 때, 초기 상태에 있어서는 SGR 공법이 그 주재의 용액적 특성으로 인하여 ENG 보다 차수성이 우수하게 나타나더라도, 중장기 또는 영구 그라우팅 시공에 있어서는 물유리계 그라우팅이 용탈과 체적변형 등의 문제로 인하여 차수성 약화가 발생하여 결국 투수계수의 변동성이 적은 ENG 공법이 차수성에서 보다 확실한 결과를 가져온다고 판단할 수 있다.
체적변형 결과는 물유리 SGR의 경우와 달리 ENG는 초기 양생과정 동안 약간의 체적변화가 발생하더라도 곧 수렴을 하여 그라우팅 효과를 장기적 관점에서 우수한 양상을 보일 수 있다는 것을 보여준다 할 수 있다.
총 용탈량은 공기중 양생의 경우 SGR이 ENG에 비해약 9배, 담수 양생의 경우는 약 3배 정도 많은 용탈량을 보여 실제 ENG가 용탈에 우수하여 물유리 SGR보다 내구성에서 우수함을 보여주고 있다.
현장 시험시공 결과는 한 개소만을 제외하고는 10-5~10-6cm/sec의 투수계수를 나타내어 ENG의 차수성을 보였다. 또한 본 결과는 실내 삼축투수실험과 그 결과가 비슷하게 도출되어, ENG 공법의 그라우트재 배합에 의한 실내실험의 투수성능이 실재 공법 적용에 있어서도 비슷한 양상을 나타냈다.
강도실험 결과를 살펴보면, 모든 양생 방법에서 ENG 공시체의 일축압축강도가 물유리 SGR 공시체의 강도에 비해 상당히 크게 도출되었다. 호모겔의 경우 ENG가 SGR 의 3~7배 정도, 샌드겔의 경우는 ENG가 평균적으로 약 1.5배정도 SGR보다 큰 강도를 보였다. SGR 샌드겔 강도가 높은 원인으로는 호모겔 강도가 워낙 낮음에도 모래자체의 강도가 전체 강도에 많은 부분을 차지한 것으로 보인다.
후속연구
이러한 강도시험 결과는 ENG가 물유리와 비슷한 주입 효과를 지니더라도 그 강도발현과 유지의 우수함을 나타내고 있어, 지반강도 증진 목적으로도 사용이 가능함을 나타내고 있다. 실제 급결배합을 고려하면 더 높은 강도 발현에 대한 기대가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그라우팅 공법 적용은 무엇을 증대시키는가?
댐, 도로, 제방 등 지반구조물의 노후화에 따른 문제는 최근 빈번히 발생하고 있으며, 대심도 도심지 굴착공사와 토사터널공사 등 시공여건이 어려운 공사가 증가하고 있다. 이에 따른 강도저하, 침하, 누수 및 과다토압 발생에 대처하기 위해 지반에 주입재를 주입시켜 지반의 공학적 성질을 증대시키는 그라우팅 공법 적용이 활발히 이루어지고 있다.
물유리계 그라우팅 재료의 단점은?
그러나, 물유리계 그라우팅 재료는 강도가 적고 내구성이 낮으며, 용탈현상 또한 상대적으로 크다는 문제점을 안고 있다. 이러한 문제는 물유리용액이라는 특성상 차수 효과가 크게 나타나지만 장기적인 관점에서 내구성 저하에 따른 차수효과 마저 기대하기 어려워 영구적인 지반 보강 및 차수 공법으로는 본질적 문제가 있다할 수 있다.
E.N.G 공법의 특징은?
G(Earth Natural Grouting) 공법이 개발되었다. ENG 공법은 순수 무기질계 급결제를 사용하여 용탈 및 환경적인 문제에 대처함으로써 반영구적인 차수효과를 기대하고 있고, 또한 마이크로시멘트를 사용함으로써 기존 SGR 공법 등의 물유리계 그라우팅 공법과 동일한 주입효과를 보이도록 하였다. 김진춘(1999)과 천병식 등(2003)은 주입재로써 이러한 마이크로시멘트의 침투효과를 확인하였다.
참고문헌 (11)
김진춘, 지반개량용 초미립자시멘트의 주입특성에 관한 연구, 한양대학교, 1999.
쌍용양회 중앙연구소 콘크리트 연구실, 마이크로시멘트를 이용한 그라우팅 실험연구, 1994.
이해붕, 그라우팅에 의한 지반보강시의 주입율 산정에 관한 고찰, 조선대학교, 1998.
조영웅, 물유리계(L.W) 그라우팅에 의한 지반보강시 차수효과에 관한 연구, 제주대학교, 2003.
천병식, 김진춘, "어독성 시험에 의한 지반주입재의 공해성 평가", 대한토목학회논문집, 제18권 제 III-4호, 1998, pp. 531-538.
천병식, 이재영, 서덕동, "시멘트계 주입재 종류별 주입 특성 및 환경적 영향 연구", 한국지반공학회논문집, 제19권 2호, 2003, pp. 159-170.
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