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문제 정의
- 국외 선행연구의 경우 미생물을 그라우팅에 접목시킨 바이오그라우팅 실험을 수행하였으나, Flushing하는 단순한 방법을 사용함으로써 중앙부분에서의 강도 증가가 미미한 문제점이 제기되어 주입기술이 중요한 요인임을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 현장에서 적용되는 유사한 그라우팅 주입장비(2액 1공정)를 제작 및 개발하고 8mm 주입노즐을 제작하여 연약한 모래지반에 대한 바이오그라우팅의 현장 적용성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구는 느슨한 사질토 지반에 친환경 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘을 현장과 유사한 방법으로 1.5shot을 이용하여 주입 후 간극의 상태와 크기에 따라 바이오그라우팅이 지반의 강도 및 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 단층토(표준사, SP, SW) 다층토(SW/SP, SP/SW) 지반에 Air Compressor의 공기압을 이용하여 주입하였으며, 일축압축강도 및 주입범위를 분석하였고, 공시체의 화학적 반응 및 성분 분석을 살펴보기 위해 XRD 분석을 수행한 결과 다음과 같다.
- 본 연구에서는 연약지반인 느슨한 사질토 지반에 친환경 미생물의 생화학적 반응에 의해 생성된 탄산칼슘을 현장과 유사한 방법으로 그라우팅 기술을 적용하여 간극의 상태와 크기에 따라 바이오그라우팅이 지반의 강도 및 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 미생물 용액과 염화칼슘 수용액을 그라우팅 공법인 2액 1공정 1.
- 이는 생·화학 반응으로 생성된 고결물인 탄산칼슘이 자체적인 수화반응 일으키지 않기 때문에 공기압을 공시체에 가해 배수 및 건조를 통하여 강도를 발현시키고자 하였다.
제안 방법
- Table 3은 D150×H300(mm) 시료의 배합비를 나타낸 표로써, SW, SP시료를 이용하여 각각의 상대밀도(Dr) 30%를 기준으로 느슨한 지반조건을 재현하였으며, 모든 실험은 배수 조건으로 실험하였다.
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4.3 X - 회절 분석 결과 (X R D)
XRD분석을 통해 미생물 반응에 의해 주입된 공시체 내에서 생성된 광물을 식별하였다. 각 시료는 분석이 용이한 미세한 분말로 분쇄하였으며, X선의 회절각도는 2값은 5~70o 로 설정하였다.
- 다층토 A실험은 상부층에 SW시료, 하부층에는 SP시료로 제작하였고, 다층토 B실험은 다층토 상부층에 SP시료, 하부층에 SW시료로 제작하여 주입실험을 수행하였으며, 미생물 용액 및 염화칼슘 수용액은 1:1 비율로 각각 2000mL를 공기압 1kPa으로 1회 주입하여 실험하였다.
- 5shot을 이용하여 주입 후 간극의 상태와 크기에 따라 바이오그라우팅이 지반의 강도 및 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 단층토(표준사, SP, SW) 다층토(SW/SP, SP/SW) 지반에 Air Compressor의 공기압을 이용하여 주입하였으며, 일축압축강도 및 주입범위를 분석하였고, 공시체의 화학적 반응 및 성분 분석을 살펴보기 위해 XRD 분석을 수행한 결과 다음과 같다.
- 단층토, 다층토 각각의 강도를 발현시키기 위해서 공시체에 바이오그라우팅을 주입한 후 24시간 동안 3kPa의 공기압으로 공기건조를 완료하고, 72시간 동안 자연건조를 하였다. 이는 생·화학 반응으로 생성된 고결물인 탄산칼슘이 자체적인 수화반응 일으키지 않기 때문에 공기압을 공시체에 가해 배수 및 건조를 통하여 강도를 발현시키고자 하였다.
- 5shot을 적용시켜 단층토, 다층토에 Air Compressor의 일정한 압력을 이용하여 주입하였으며, 포켓관입시험기을 통해 일축압축강도 및 주입범위를 분석하였다. 또한 각각의 공시체의 화학적 반응 및 성분 분석을 살펴보기 위해 XRD분석을 수행하였다.
- 또한 미생물 고농도의 조건을 통해 고결물의 침전을 높이는 방법을 개발함으로써 “미생물을 이용한 연약지반의 고결화 방법”이라는 미생물 고결화 특허[3]를 국내에 최초로 등록하였고, 지반조건에 따른 미생물의 고결화 효과를 분석하였다.
- 미생물 용액 2000mL와 염화칼슘 수용액 2000mL를 2액 1공정 장비를 이용하여 1kPa의 공기압으로 주입 후 24시간 동안 3kPa의 공기압으로 공기건조를 하였으며, 72시간 동안 자연건조 후 강도를 측정하였다.
- 미생물 용액 2000mL와 염화칼슘 수용액 2000mL를 2액 1공정 장비를 이용하여 1kPa의 공기압으로 주입 후 24시간 동안 3kPa의 공기압으로 공기건조를 하였으며, 72시간 동안 자연건조 후 강도를 측정하였다.
- 미생물 용액 2000mL와 염화칼슘 수용액 2000ml를 2액 1공정 장비를 이용하여 1kPa의 공기압으로 주입 후 24시간 동안 3kPa의 공기압으로 공기건조를 하였으며, 72시간 동안 자연건조 후 강도를 측정하였다.
- 본 실험에 사용된 D150×H200(mm) 시험 시료 배합비는 표준사, SW, SP시료를 이용하여 각각의 상대밀도(Dr) 30%를 기준으로 느슨한 상태 지반을 나타냈으며, 모든 실험은 배수조건으로 실험하였다. 미생물 용액 및 염화칼슘 수용액은 1:1 비율로 장비주입 방법으로 각각 2000 mL를 공기압 1 kPa으로 1회 주입하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 연약지반인 느슨한 사질토 지반에 친환경 미생물의 생화학적 반응에 의해 생성된 탄산칼슘을 현장과 유사한 방법으로 그라우팅 기술을 적용하여 간극의 상태와 크기에 따라 바이오그라우팅이 지반의 강도 및 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 미생물 용액과 염화칼슘 수용액을 그라우팅 공법인 2액 1공정 1.5shot을 적용시켜 단층토, 다층토에 Air Compressor의 일정한 압력을 이용하여 주입하였으며, 포켓관입시험기을 통해 일축압축강도 및 주입범위를 분석하였다. 또한 각각의 공시체의 화학적 반응 및 성분 분석을 살펴보기 위해 XRD분석을 수행하였다.
- 본 시료 배합비 D150×H300(mm) 공시체는 D150×H200 (mm) 공시체와 달리 주입액이 원활이 배수되기 위해 A, B 실험 공시체 모두 하단부를 기준으로 투수계수가 높은 사질토로 배수층을 50mm를 설치하였고, A실험은 상단부로부터 50mm의 사질토 배수층을 설치하였으며, B실험은 선행실험 결과 상부층의 SP시료에 overflow 현상이 발생되므로 상단부로부터 50mm의 투수계수가 낮은 점토층을 설치하여 실험을 수행하였다.
- 상부의 노즐 호스를 통해 Air Compressor의 압력을 이용하여 압력을 가하면 하부의 배출 노즐을 통해 Y자 노즐에서 혼합되어 친환경 미생물의 생화학 반응으로 생성된 탄산칼슘이 주입노즐을 따라 시료에 주 입되도록 제작하였다.
- 장비주입을 통한 D150mm×H200mm SP시료 실험은 입도입경이 인위적으로 제작된 SP시료를 사용하여 공시체를 제작 후 배수가 원활히 진행될 수 있도록 공시체 하단부에 배수망을 설치하였으며, 직경 8mm의 분사관을 통해 미생물 용액 및 염화칼슘 수용액을 1:1 비율로 주입하였다.
- 장비주입을 통한 D150mm×H200mm SW시료 시험은 SW 시료를 이용하여 공시체를 제작 후 배수가 원활히 진행될 수있도록 공시체 하단부에 배수망을 설치하였으며, 직경 8mm 의 분사관을 통해 미생물 용액 및 염화칼슘 수용액을 1:1 비율로 주입하였다.
- 장비주입을 통한 D150mm×H200mm 표준사 실험은 표준 사를 이용하여 공시체를 제작 후 배수가 원활히 진행될 수있도록 공시체 하단부에 배수망을 설치하였으며, 직경 8mm 의 분사관을 통해 미생물 용액 및 염화칼슘 수용액을 1:1 비율로 주입하였다.
- 장비주입을 통한 D150mm×H300mm 다층토 B실험은 상부층 SP시료, 하부층 SW시료를 이용하여 공시체를 제작하였으며, overflow 현상 및 상부층 SP시료의 과포화 현상, 배수가 원활히 되지 않는 문제점을 보완하기 위해 Fig. 6과 같이 상단부에는 점토로 차수층을 포설하였고, 공시체 하단부에는 보다 원활한 배수를 위해 자갈 배수층을 포설하였다.
- 주입액과 시료 사이에 중간벨브를 장착하여 Air Compressor 의 주입압력이 동일하게 들어갈 수 있도록 설계하였으며, 주입노즐은 8mm관을 사용하여 시료에 넣은 후 탄산칼슘을 주입할 수 있도록 장비를 제작하였다.
- P(비소성)으로 나와 흙 분류 시 SW, SP로 분류되었다. 표준사 시료는 주문진 표준사를 이용하였으며, SW, SP 시료는 섬진강 유역에서 채취한 모래시료로서 SP시료는 인위적으로 체 0.42mm~0.84mm 사이의 시료만을 추출하여 균등계수와 곡률계수를 수정함으로 SP시료를 제작하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용 된 D150×H200(mm) 시험 시료 배합비는 표준사, SW, SP시료를 이용하여 각각의 상대밀도(Dr) 30%를 기준으로 느슨한 상태 지반을 나타냈으며, 모든 실험은 배수조건으로 실험하였다.
- 본 실험에서는 미생물 반응용액 주입시 overflow 현상을 미리 방지하기 위해서 공시체 상단부에 차수층인 점토층을 설치하였다.
- 본 연구에 사용된 D150×H200(mm)의 공시체의 시료는 표준사, 0.42mm~0.84mm의 SP 시료와 입경이 골고루 분포하는 SW 시료로 가장 미생물이 활발히 움직이면서 가장 최적의 생장을 할 수 있는 흙과 일반 시료를 다음과 같이 선정하였다.
- 본 연구에서 사용된 B. pasteurii 균(KCTC 3558)은 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 균 배양제로 균주를 분양받아 사용하였다. B.
- 장비주입을 통한 D150mm×H300mm 다층토 A실험은 상부층 SW시료, 하부층 SP시료를 이용하여 공시체를 제작하였으며, 원활한 배수를 위해 공시체 상, 하단부를 기준으로 50mm에 사질토를 배수층으로 Fig. 5와 같이 각각 포설하였다.
이론/모형
- 시료의 물리적 성질을 파악하기 위해 한국 공업규격에 준하여 비중(KS F 2308), 체가름(KS F 2309), 입도(KS F 2302) 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1. 단층토 바이오그라우팅 주입 시험 결과, SP 시료에서 11cm 주입범위와 450kPa의 일축압축강도를 가지는 것으로 분석되었다. 이는 바이오그라우팅 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인 할 수 있었으며, 흙입자가 비교적 일정하고 지반의 간극이 큰 SP지반에서 주입효율이 높음을 확인할 수 있었다.
- 2. 다층토 바이오그라우팅 주입 시험 결과, 주입노즐로부터 멀어질수록 강도는 감소하는 경향을 나타냈으며, SP/SW 다층토 지반에서 16cm 주입범위와 상부층 SP시료의 전단면에서 500kPa의 일축압축강도를 가지는 것으로 분석되었다. 이는 하부층 SW시료의 간극이 작아 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘이 상부층의 SP시료로 overflow하여 상부층 시료의 전단면에 강도가 나타난 것으로 판단된다.
- 3. 단층토, 다층토에 바이오그라우팅을 현장과 유사한 방법으로 재현한 결과, 바이오그라우팅 주입을 통한 고결화 및 일축압축강도를 나타내어 현장에서도 충분히 실용성이 있을 것으로 판단된다.
- 각 시료는 분석이 용이한 미세한 분말로 분쇄하였으며, X선의 회절각도는 2값은 5~70o 로 설정하였다. XRD 분석결과 각각의 단층토, 다층토의 공시체에서 실리카(SiO2)와 탄산칼슘(CaCO3)이 검출됨을 확인할 수 있었고, 이는 시료 속에 탄산칼슘 알갱이가 침투되어 나타난 결과로 분석되었다. 다음 Table 6은 각각의 시료에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
- 다층토 시험 결과, 상부 SP, 하부 SW의 다층토 지반에서 만족할 만한 주입범위와 일축압축강도를 나타냈으나, 이는 하부층의 SW시료의 간극이 작아 상부층의 SP시료로 미생물의 반응에 의한 탄산칼슘이 overflow하여 상부층 시료의 전단면에 강도가 나타난 것으로 판단된다. 또한 주입노즐로 부터 멀어지면 멀어질수록 강도의 효과가 낮아지는 경향을 나타냈으며, 다층토에서도 마찬가지로 바이오그라우팅 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다.
- 단층토 시험 결과, SP시료에서 만족할 만한 주입범위와 일축압축강도를 가지는 것으로 분석되었으며, 이는 바이오그라우팅 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인 할 수 있었다. SW시료의 구근형성은 바이오그라우팅 효과가 아닌 겉보기 점착력으로 건조가 완전히 되지 않은 상태에서 SW시료의 실트질 성분이 포함되어 구근이 형성된 것으로 판단된다.
- 다층토 시험 결과, 상부 SP, 하부 SW의 다층토 지반에서 만족할 만한 주입범위와 일축압축강도를 나타냈으나, 이는 하부층의 SW시료의 간극이 작아 상부층의 SP시료로 미생물의 반응에 의한 탄산칼슘이 overflow하여 상부층 시료의 전단면에 강도가 나타난 것으로 판단된다. 또한 주입노즐로 부터 멀어지면 멀어질수록 강도의 효과가 낮아지는 경향을 나타냈으며, 다층토에서도 마찬가지로 바이오그라우팅 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 실험결과 주입관의 하단부는 분사구를 통해 유입된 시료(모래)로 채워져 있었으며, 탄산칼슘의 침전은 주입 초기에 공시체의 주변으로 하얀색 띠를 형성하여 침전하는 것을 확인하였다.
- 본 실험결과 주입관의 하단부는 시료(모래)로 채워져 있었으며, SP시료의 직경이 표준사의 직경보다 크기 때문에 주입액이 보다 큰 간극 사이로 침투하여 강도가 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 본 실험결과 주입관의 하단부는 분사구를 통해 유입된 시료(모래)로 채워져 있었으며, 주입관의 상단부는 주입관 주변에 하얀색 침전물인 탄산칼슘이 침전된 것으로 나타났다.
- 실험 결과, Fig. 11과 같이 약 150mm 두께가 고결되었으며, 포켓관입시험기를 통해 강도를 측정한 결과 공시체의 분사관에서 15mm, 35mm, 55mm 떨어진 A, B, C 지점에서 모두 500kPa 이상의 강도를 가지는 것으로 분석되었다. 이는 미생물 반응에 의한 탄산칼슘이 간극이 낮은 SW시료(하부 층)에 침투되지 못하기 때문에 overflow하여 상부층의 SP시료로 주입되면서 상부층 전단면에 강도가 나타난 것으로 판단된다.
- 실험결과, Fig. 10과 같이 탄산칼슘의 침전으로 인한 흙의 고결화 작용으로 두께 약 170mm 두께가 고결되었으며, 포켓관입시험기를 통해 강도를 측정한 결과 공시체의 분사관에서 15mm 떨어진 A 지점에서는 500kPa, 35mm 떨어진 B 지점에서는 200kPa, 55mm 떨어진 C 지점에서는 10kPa의 강도를 가지는 것으로 분석되었다.
- 단층토 바이오그라우팅 주입 시험 결과, SP 시료에서 11cm 주입범위와 450kPa의 일축압축강도를 가지는 것으로 분석되었다. 이는 바이오그라우팅 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인 할 수 있었으며, 흙입자가 비교적 일정하고 지반의 간극이 큰 SP지반에서 주입효율이 높음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 4. 추후 미생물의 생·화학적 반응을 통해 생성된 탄산칼슘의 자체적인 수화반응을 개발하여 바이오그라우팅 공정을 단순화 시키는 연구를 진행하고자 하며, 지반의 상대밀도 및 다짐도 변화에 따른 바이오그라우팅 시험을 통해 바이오그라우팅 기술이 적용될 수 있는 지반조건 범위를 선정하고자 한다.
- 4(b)는 시료를 자유낙하시킴으로써 3층 다짐하여 Dr 30%의 지반조건을 재현하였다. 그 이유는 느슨한 조건에서 바이오그라우팅의 시험이 용이했기 때문이며, 추후 상대밀도 및 다짐도 변화에 따른 바이오그라우팅 기술의 적용 범위를 설정하고자 한다. Fig.
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