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문제 정의
- 이에 따라 석회암공동구간에 시공실적이 많은 삼중관 초고압분사 공법인 SIG공법을 이용하여 기초하부 보강사례를 소개하고자 한다.
제안 방법
- 당 현장의 기초 공법은 당초 말뚝기초로 계획되었으며, 지하 암반층이 존재하는 경우, 굴착 후 암반 위에 직접기초를 시공하는 방안으로 논의되었다. 그러나, 지반조사결과 기초의 종류에 관계없이 기초가 암반에 위치한다 하더라도 기초 하부에 발달한 공동 및 풍화 대의 영향으로 기초의 안정성이 확보되지 않을 것으로 판단되어 기초공법 변경 및 기초하부를 보강하는 방안에 대하여 검토를 실시하였다.
- 기초의 안정성을 확보함과 동시에 효율적인 보강을 실시하기 위해서는 보강범위에 대한 고찰이 필요하다. 일반적으로 직접기초에서 상재하중의 영향범위는 등분포하중의 10%에 해당하는 응력원으로 깊이는 기초폭의 2배, 영향폭은 기초폭의 0.5배인 것으로 파악되므로(그림 15) 당 현장에서의 보강깊이는 기초폭의 2배 이상을 기준으로 설정하였으며, 보강 완료 깊이에서 암반이 아닌 공동 또는 풍화대가 출현할 경우, 추가로 암반까지 보강을 실시하도록 계획하였다.
- 하지만, 지반·지질 조사결과, 기초 종류에 관계없이 기초가 암반에 위치한다 하더라도 기초 하부에 발달한 공동 및 풍화대의 영향으로 기초의 안정성이 확보되지 않을 것으로 판단되어 기초공법 변경 또는 기초하부 보강을 실시하였다.
- G(Super Injection Grouting)보강 공법을 선정·적용하였다. 보강깊이는 기초폭의 2배 이상을 기준으로 설정하였는데, 보강 완료 깊이에서 암반이 아닌 공동 또는 풍화대가 출현할 경우 추가로 암반까지 보강을 실시하도록 계획하였다. 또한, 보강체의 유효직경과 압축강도는 각각 1000mm와 4.
- 보강깊이는 기초폭의 2배 이상을 기준으로 설정하였는데, 보강 완료 깊이에서 암반이 아닌 공동 또는 풍화대가 출현할 경우 추가로 암반까지 보강을 실시하도록 계획하였다. 또한, 보강체의 유효직경과 압축강도는 각각 1000mm와 4.0MPa로 결정하여 보강체 배치 계획을 수립하였다.
- 대상 현장 내에 석회암 공동분포를 확인하기 위해 현장 인접 지역 노두에서 지표지질조사를 실시하였다. 조사 결과, 송악편암지역 내에 협재된 결정질 석회암대에는 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당되는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되어 있음을 확인하였다.
- 복합체의 포아슨비와 점착력, 내부마찰각도 동일한 방법으로 산정하여 보강설계를 진행하였다.
- 시공된 지반개량체가 적합한 지반보강 효과를 갖기 위해서는 보강구근의 크기와 보강체 강도가 설계에서 제시한 수치 이상의 값을 가져야 한다. 이를 확인하기 위해, 보강시공 완료 후 보강체 코어를 채취하여 압축 강도 시험을 실시하였으며, 굴착 공사중 보강체의 구근 크기를 직접 측정하였다. 또한, 굴착면에 보강체 그라우팅 존재 여부를 육안으로 관찰하여 보강 그라우팅이 적절하게 시공되었는지를 확인하였다.
- 이를 확인하기 위해, 보강시공 완료 후 보강체 코어를 채취하여 압축 강도 시험을 실시하였으며, 굴착 공사중 보강체의 구근 크기를 직접 측정하였다. 또한, 굴착면에 보강체 그라우팅 존재 여부를 육안으로 관찰하여 보강 그라우팅이 적절하게 시공되었는지를 확인하였다.
대상 데이터
- 본 시공 사례는 충남 당진시 송악읍에 위치한 “당진항만운영지원센터 신축공사 현장”에서 발생한 석회암 공동에 대한 보강 실시 사례이다.
- 대상 구조물은 충남 당진 항만지원센터 신축건물로써 충청남도 당진시 송악읍 고대리 342번지에 위치하고 있다.
- 건물은 지하1층, 지상6층의 철근콘크리트 구조로 해안가에 매우 근접하여 위치하고 있으며, 기초는 말뚝지지 형태의 독립 확대기초로 계획되었다.
- 대상 지역 일대는 당진 장고항 도폭(이상만외, 1989)에 해당하며, 한반도 지체구조 상 경기육괴의 서연부에 위치하고 있다. 지질은 선캠브리아기의 변성암류인 송악편암이 넓게 분포되어 있고, 백악기 맥암류가 편암류를 관입하는 양상을 띠며, 상기의 암석층을 제 4기 충적층이 피복하고 있다.
- 해당지역의 지반상태를 파악하기 위하여, 총 7개소의 시추조사를 실시하였다. 시추조사 결과, 지표로부터 매립층, 모래층, 점토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층의 순서로 지층이 분포되어 있으며, 모든 시추공에서 연암층은 연암과 습윤상태의 점토층 및 풍화토가 반복되는 호상층의 형태로 나타나는 것으로 확인되었다.
이론/모형
- 4) 당 현장에 적합한 보강공법으로 석회암 공동 및 풍화대에 협재된 점토 또는 토사를 절삭하여 배출시키고, 강도가 크고 안정된 시멘트 고결체로 치환시켜 침하를 억제시킬 수 있는 삼중관식 고압분사주입공법인 S.I.G(Super Injection Grouting)보강 공법을 선정·적용하였다.
성능/효과
- 구조물 기초 시공을 위한 현장지반조사 결과, 기반암 하부에 석회암 공동 및 풍화대가 출현하는 것으로 나타났으며, 이에 따른 말뚝기초의 안정성 확보여부 검토가 필요하다고 판단되었다.
- 광역 및 인근 지역의 지질도 및 조사자료를 종합 분석한 결과, 과업 지역은 선캠브리아기 편암류를 기반암으로 하고, 그 내부로 결정질 석회암이 렌즈상으로 협재되어 있었다. 또한 결정질 석회암은 화학적 풍화에 매우 취약하여, 해안가 주변에 분포하는 경우, 해수와의 반응으로 인한 석회공동이 형성될 가능성이 높은 것으로 파악되었다.
- 광역 및 인근 지역의 지질도 및 조사자료를 종합 분석한 결과, 과업 지역은 선캠브리아기 편암류를 기반암으로 하고, 그 내부로 결정질 석회암이 렌즈상으로 협재되어 있었다. 또한 결정질 석회암은 화학적 풍화에 매우 취약하여, 해안가 주변에 분포하는 경우, 해수와의 반응으로 인한 석회공동이 형성될 가능성이 높은 것으로 파악되었다.
- 해당지역의 지반상태를 파악하기 위하여, 총 7개소의 시추조사를 실시하였다. 시추조사 결과, 지표로부터 매립층, 모래층, 점토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층의 순서로 지층이 분포되어 있으며, 모든 시추공에서 연암층은 연암과 습윤상태의 점토층 및 풍화토가 반복되는 호상층의 형태로 나타나는 것으로 확인되었다. 상기 연암층의 두께는 0.
- 시추조사 결과, 지표로부터 매립층, 모래층, 점토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층의 순서로 지층이 분포되어 있으며, 모든 시추공에서 연암층은 연암과 습윤상태의 점토층 및 풍화토가 반복되는 호상층의 형태로 나타나는 것으로 확인되었다. 상기 연암층의 두께는 0.3~3.5m 정도로 반복되어 분포되어 있고, 매우 불규칙한 양상을 보이는 것으로 분석되었다.
- 또한, 상세지표지질조사를 수행한 결과, 송악편암 내에 협재된 결정질 석회암은 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당하는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되는 과정을 관찰할 수 있었다.
- 본 사례는 충남 당진 항만지원센터 건축물의 기초 하부 지반에 분포하는 석회암 공동층에 지반보강을 실시한 사례로 현장 지표지질조사 및 시추조사 결과 등을 분석하여 적용된 보강공법이 기초 안정성을 확보하고 있음을 확인하였다.
- 1) 대상지역에서 실시된 광역지질조사 및 인접지역 조사 결과를 분석한 결과, 과업지역은 선캠브리아기 편암류를 기반암으로 하고 그 내부로 결정질 석회암이 렌즈상으로 협재되어 있으며, 결정질 석회암은 화학적 풍화에 매우 취약하여 해안가 주변에 분포하는 경우 해수와의 반응으로 인한 석회공동이 형성될 가능성이 높은 것으로 파악되었다. 또한, 상세지표지질조사를 수행한 결과, 송악편암 내에 협재된 결정질 석회암은 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당하는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되는 과정을 관찰할 수 있었다.
- 또한, 상세지표지질조사를 수행한 결과, 송악편암 내에 협재된 결정질 석회암은 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당하는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되는 과정을 관찰할 수 있었다. 또한, 현장의 굴착공사 수행 중 굴착면에 대한 육안 확인 조사결과, 해수의 풍화작용에 의한 침식면과 석회공동이 발달하고 있음을 확인하였다.
- 2) 해당지역의 지반상태를 파악하기 위하여 총 7개소의 시추조사가 시행한 결과 지표로부터 매립층, 모래층, 점토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층의 순서로 지층이 분포하고 있으며, 모든 시추공에서 연암층은 연암과 습윤상태의 점토층 및 풍화토가 반복되는 호상층의 형태로 나타났다. 연암층의 두께는 0.
- 3) 당 현장의 기초 공법은 당초 말뚝기초로 계획되어 있었으며, 지하 암반층이 있는 경우, 굴착 후 암반 위에 직접기초를 시공하는 방안을 논의하였다. 하지만, 지반·지질 조사결과, 기초 종류에 관계없이 기초가 암반에 위치한다 하더라도 기초 하부에 발달한 공동 및 풍화대의 영향으로 기초의 안정성이 확보되지 않을 것으로 판단되어 기초공법 변경 또는 기초하부 보강을 실시하였다.
- 5) 시공된 지반개량체가 적합한 지반보강 효과를 갖기 위해서는 보강구근의 크기와 보강체 강도가 설계에서 제시한 수치 이상의 값을 가져야 한다. 이를 확인하기 위해 보강시공 완료 후 보강체 코어를 채취하여 압축강도 시험을 실시한 결과, 4.8~5.9MPa 의 일축압축강도를 보이며, 이는 설계 압축강도보다 크게 나타났다. 또한, 시공된 보강체의 구근 크기를 측정한 결과, 구근 직경이 설계 계획직경을 상회하고 있음을 확인 하였다.
- 9MPa 의 일축압축강도를 보이며, 이는 설계 압축강도보다 크게 나타났다. 또한, 시공된 보강체의 구근 크기를 측정한 결과, 구근 직경이 설계 계획직경을 상회하고 있음을 확인 하였다.
- 조사 결과, 송악편암지역 내에 협재된 결정질 석회암대에는 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당되는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되어 있음을 확인하였다.
- 조사 결과, 송악편암지역 내에 협재된 결정질 석회암대에는 풍화·침식작용으로 형성된 결정질 석회암 공동이 배사축에 해당되는 지역에서 발견되었으며, 송악편암 내부와 절리면을 따라 용식과 풍화가 진행되어 공동이 형성되어 있음을 확인하였다. 또한, 현장의 굴착 시공 중 굴착면에 대한 육안 확인 조사를 실시하였으며, 이로부터 해수의 풍화작용에 의한 침식면과 석회공동이 발달하고 있음을 확인하였다.
- 보강체의 일축압축강도 시험을 실시한 결과 4.8~5.9MPa의 결과가 도출되어 보강설계시 계획한 4.0 MPa을 상회하는 결과를 얻었다.
- 생성된 개량체의 직경은 1000mm 이상을 확인하였다. 굴착공사 중 굴착면에 의한 육안조사를 실시한 결과, 보강위치에서 멀리 떨어져 있는 지역에서도 보강 그라우팅이 풍화에 약한 절리면을 따라 주입되어 지반개량이 적절히 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 6) 본 기사는 석회암공동이 발달한 지역에서 구조물 기초의 보강 사례로 향후 유사한 사례 발생시 구조물의 안정성을 확보하는 측면에서 유용한 참고자료가 될것으로 기대된다.
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