[논문]지하수로 포화된 채굴공동 보강을 위한 골재 그라우트 기둥공법의 그라우트 재료에 관한 실험적 연구

최우석; 강병천; 신동춘; 김수로; 김은섭

doi:10.7474/tus.2016.26.5.418

초록
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본 연구에서는 지하수로 포화된 채굴공동에 골재 그라우트 기둥 공법의 적용을 위하여 그라우트재에 수중불분리제와 급결재를 혼합한 그라우트 재료에 대한 실험적 연구를 실시하였다. 기둥형성실험을 실시한 결과 혼합골재에는 시멘트밀크와 수중불분리제를 혼합한 그라우트재가 기둥형성에 적합한 것으로 나타났으며, 쇄석골재에는 시멘트몰탈과 수중불분리제를 혼합한 그라우트재와 시멘트밀크와 급결재를 혼합한 그라우트재가 기둥형성에 적합한 것으로 나타났다. 특히 쇄석골재에 시멘트밀크와 급결재를 혼합한 경우는 기둥의 직경이 가장 크고 주입이 밀실하게 되는 것으로 나타나 기둥형성에 가장 적합한 그라우트재와 골재로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, experimental study on cement grout materials containing anti-washout admixtures or accelerators in grout column for reinforcement technology in groundwater-saturated mining cavity was conducted. As a result, the cement milk containing anti-washout admixtures was suitable for mixed agg...

In this study, experimental study on cement grout materials containing anti-washout admixtures or accelerators in grout column for reinforcement technology in groundwater-saturated mining cavity was conducted. As a result, the cement milk containing anti-washout admixtures was suitable for mixed aggregates, and the cement mortar containing anti-washout admixtures and the cement milk containing accelerators were suitable for crushed stone aggregate in terms of forming grout column. Especially, in the case of crushed stone aggregate injecting the cement milk containing accelerators, the diameter of the grout column was greatest and the void of the crushed stone aggregate was filled with grout materials. Therefore the case of crushed stone aggregate injecting the cement milk containing accelerators is considered for optimal grout materials and aggregate.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 지하수로 포화된 공동의 보강을 위한 그라우트 기둥 공법에 적용하는 그라우트재에 수중불분리성 혼화제와 급결성 혼화재를 적용하는 방안에 대한 실험적 연구이며, 결과를 활용하여 그라우트 기둥 공법의 설계반영 시 참고할 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다. 상세하게는 예비 모형실험 및 대규모 모형실험을 통해 그라우트 재료와 충전골재에 따른 기둥형성 경향을 확인하고 그라우트 기둥형성에 적합한 골재 및 그라우트재료를 제시하였다.
본 연구에서는 지하수로 포화된 채굴공동에 적용 가능한 보강공법 중 그라우트 기둥 공법에 대하여 기둥의 그라우트 재료의 실험적 연구를 실시하였다. 골재의 종류, 수중불분리성 혼화제와 급결성 혼화제의 특성과 그라우트재 종류에 따른 모형실험을 실시하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 확인하고자 하는 그라우트의 목적은 치수보다는 기둥형성이므로 그라우트재의 혼합하는 재료에 대한 특성을 확인하고, 모형실험 시 W/C비를 재료 특성별로 설정하여 실험을 실시하였다.
, 2009). 본 연구에서는 재료 분리방지 및 시공현장 주변 수질오염 저감 목적으로 수중불분리성 혼화제(수중불분리제)와 급결성 혼화재(실리카졸)를 그라우트재에 혼합하여 그 특성을 확인하는 실험을 실시하고, 결과를 기초로 하여 모형실험 배합비를 선정하였다.
5shot방식의 주입을 하게 되며, 이때 겔타임은 10초 내외로 요구된다. 본 연구에서는 물-급결재비 5:5, W/C 75%, 100%를 배합비로 선정하고 이에 대한 그라우트 기둥 형성 실험을 실시하였다.
수중불분리제와 급결재는 그라우트재의 유동을 감소시켜 그라우트재가 물속에서 유실되는 것을 방지하는 역할을 하지만 반대로 골재 공극 내의 그라우트재 유동성이 떨어질 경우 주입이 되지 않고 골재 상부 위로 그라우트재가 오버플로(overflow)되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 실험에 앞서 그라우트재의 유동성 및 골재의 특징과 그라우트 기둥형성여부의 상관관계를 확인하기 위해 유동성이 상대적으로 높은 그라우트재와 공극률이 큰 골재(Case I), 유동성이 상대적으로 높은 그라우트재와 공극률이 작은 골재(Case II-1), 그라 우트재 유동성이 낮고 공극률 작은 골재(Case II-2, II-3, III-1, III-2) Case에 대한 소규모 예비실험을 실시하였다(Table 4, Table 5, Table 6, Fig. 6).
35%로 쇄석골재에 비해 상대적으로 낮게 나타났으며, 통일분류법상 세립분이 포함된 자갈(GM-GC)로 분류되었다. 본 실험에서는 각각을 공극률이 큰 골재, 낮은 골재로 구분하여 실험 Case에 적용하였다.
상기의 고무통을 활용한 예비실험은 실제 규모의 채굴공동과 차이가 크고 규모가 작아 실제 현장에서 이루어지는 주입플랜트에 의한 그라우팅과 차이가 있으며, 앞서 언급하였듯이 그라우트재의 종류, 배합비, 골재의 종류에 따른 그라우트 기둥 형성 여부만을 판단하기 위한 실험인데에 그 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 예비 실험결과를 토대로 골재별 적합한 그라우트재와 배합비(Table 8, Table 9)를 산정하여 대형 모형실험(Table 10, Fig. 8)을 실시하였다.
Case별 그라우트 주입두부와 골재 내 주입상태를 육안관찰을 통해 비교하였다(Fig. 10, Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 범용화되어 있는 HPMC 수중불분리제를 적용하고자하며, W/C 50%를 기준으로 하여 국내에서 수급가능한 수중불분리제를 대상으로 배합수 기준 0.5%, 0.7%, 1.0% 혼합하고, 유동화제는 시멘트량의 0.75%, 1.0%, 1.5%를 각각 혼합한 3가지 배합 Case를 선정하였다(Table 2).

데이터처리

급결재로 사용한 실리카졸은 콜로이드성 실리카용액으로 일반 물유리 용액의 경화 때와 달리 고결될 때 고결물의 구조가 보다 견고한 고분자성 연결구조가 되는 특성을 가지고 있으며, 주입재료로 사용할 경우 고결물의 내구성 및 강도가 우수하고 주입성이 탁월한 동시에용탈문제가 없어 반영구적인 지반보강이 가능하다. 실리카졸의 경화시간을 확인하기 위하여 겔타임 실험(Gel Time Test)을 실시하였으며, 물-시멘트비 50%, 75%, 100%, 물-실리카졸비 5:5, 6:4, 7:3으로 나누어 수중불분리제를 혼합한 경우와 겔 타임을 상호 비교하였다.

성능/효과

예비실험결과를 종합하였을 때, 혼합골재를 대상으로 그라우트 기둥을 형성시에는 수중불분리제 혼합 시멘트밀크가 주입된 Case II-1의 배합비가 가장 적합할 것으로 나타났다. 또한 유동성이 낮은 그라우트재인 수분불분리제 혼합 시멘트 몰탈과 급결재 혼합 시멘트 밀크는 공극률이 낮은 혼합골재보다는 공극률이 상대적으로 큰 쇄석골재에 적용하는 것이 적합할 것으로 유추된다.
예비실험결과를 종합하였을 때, 혼합골재를 대상으로 그라우트 기둥을 형성시에는 수중불분리제 혼합 시멘트밀크가 주입된 Case II-1의 배합비가 가장 적합할 것으로 나타났다. 또한 유동성이 낮은 그라우트재인 수분불분리제 혼합 시멘트 몰탈과 급결재 혼합 시멘트 밀크는 공극률이 낮은 혼합골재보다는 공극률이 상대적으로 큰 쇄석골재에 적용하는 것이 적합할 것으로 유추된다.
9, Table 10에도시하였다. 측정 결과 급결재를 혼합한 시멘트 밀크를 쇄석골재에 주입한 경우(Case III) 60∼100 cm의 기둥 직경이 형성되어 기둥의 크기가 가장 큰 것으로 나타났다. 이는 공극률이 상대적으로 큰쇄석골재 내에서 시멘트 밀크가 유동한 후, 하부로 유실되기 전에 급결재에 의해 반응하여 기둥이 형성된 것으로 판단된다.
2. 고무통을 활용한 예비실험 결과, 수중불분리제 혼합 시멘트밀크가 주입된 쇄석골재의 경우 그라우트재가 하부로 유동하여 그라우트 기둥이 형성되지 않는 것으로 나타났다. 혼합골재의 경우 그라우트재의 종류에 관계없이 모두 기둥이 형성되었으나 수중불분리제 혼합 시멘트밀크를 주입한 배합비에서 기둥의 직경이 상대적으로 크게 나타났으며, 수분불분리제 혼합 시멘트 몰탈과 급결재 혼합 시멘트 밀크는 혼합 골재에 적용 시 기둥의 직경이 상대적으로 낮아 적용성이 떨어지는 것으로 나타났다.
고무통을 활용한 예비실험 결과, 수중불분리제 혼합 시멘트밀크가 주입된 쇄석골재의 경우 그라우트재가 하부로 유동하여 그라우트 기둥이 형성되지 않는 것으로 나타났다. 혼합골재의 경우 그라우트재의 종류에 관계없이 모두 기둥이 형성되었으나 수중불분리제 혼합 시멘트밀크를 주입한 배합비에서 기둥의 직경이 상대적으로 크게 나타났으며, 수분불분리제 혼합 시멘트 몰탈과 급결재 혼합 시멘트 밀크는 혼합 골재에 적용 시 기둥의 직경이 상대적으로 낮아 적용성이 떨어지는 것으로 나타났다.
3. 골재 그라우트 기둥 형성 대형 모형실험 결과, 급결재 혼합 시멘트 밀크를 쇄석골재에 주입한 경우 기둥의 직경이 가장 크게 나타났으며, 수중불분리제 혼합 시멘트밀크를 혼합골재에 주입한 경우와 수분 불분리제 혼합 시멘트 몰탈을 쇄석골재에 주입한 경우는 기둥의 직경이 유사한 범위로 나타났다.
4. 주입상태에 대한 육안관찰 결과, 급결재 혼합 시멘트 밀크를 쇄석골재에 주입하였을 때 밀실하게 주입되는 것으로 나타나 그라우트 기둥형성에 가장 적합한 골재 및 그라우트재로 판단된다. 그러나 수중불분리제 혼합 시멘트밀크를 혼합골재에 주입한 경우 공극이 큰 방향으로만 할 열주입(Fracture Injection)되어 기둥 형성 및 강도 확보에 불리할 것으로 판단된다.
5. 본 연구에서 실시한 모형실험의 결과는 그라우트 기둥형성 공법 적용 시 골재 종류 및 공극률에 따라 적정한 그라우트재의 종류가 선정되어야 함을 시사하며, 실제 설계 시 현장여건에 따라 수급가능한 골재의 공극률이 본 연구에서 적용한 쇄석골재보다 클 경우 그라우트 주입압이 떨어져 기둥형성이 안되거나 직경이 낮게 나타날 수 있다. 따라서 본 연구와 같은 사전 예비실험을 통해 적정한 그라우트재의 종류와 배합비를 찾아내야 할 것으로 판단된다.

후속연구

급결재의 배합비별 겔타임을 측정한 결과물-급결재비가 5:5 일때 W/C 75%, 100%에서 적정 겔타임인 10초 내외로 측정되었다. 혼화재의 특성실 험결과는 기둥 모형실험 배합비 Case 산정시 반영 하였으며, 지하수로 포화된 채굴공동에 적용하는 그라우트 재료의 배합비 선정의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서 실시한 모형실험의 결과는 그라우트 기둥형성 공법 적용 시 골재 종류 및 공극률에 따라 적정한 그라우트재의 종류가 선정되어야 함을 시사하며, 실제 설계 시 현장여건에 따라 수급가능한 골재의 공극률이 본 연구에서 적용한 쇄석골재보다 클 경우 그라우트 주입압이 떨어져 기둥형성이 안되거나 직경이 낮게 나타날 수 있다. 따라서 본 연구와 같은 사전 예비실험을 통해 적정한 그라우트재의 종류와 배합비를 찾아내야 할 것으로 판단된다.
상기의 고무통을 활용한 예비실험은 실제 규모의 채굴공동과 차이가 크고 규모가 작아 실제 현장에서 이루어지는 주입플랜트에 의한 그라우팅과 차이가 있으며, 앞서 언급하였듯이 그라우트재의 종류, 배합비, 골재의 종류에 따른 그라우트 기둥 형성 여부만을 판단하기 위한 실험인데에 그 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 예비 실험결과를 토대로 골재별 적합한 그라우트재와 배합비(Table 8, Table 9)를 산정하여 대형 모형실험(Table 10, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그라우트 기둥공법이란?	채굴공동 보강공법 중 그라우트 기둥공법(Grout Column) 은 충전재 내에 그라우트재를 주입하여 기둥을 형성하는 공법으로 공동 내 충전재를 활용하면서 동시에 지보재 역할을 수행할 수 있어 대규모 채굴공동 보강 시 국부적으로 적용할 수 있는 효과적인 공법으로 판단된다. 그러나 채굴적이 지하수로 포화되어있을 경우 일반적인 그라우팅으로 그라우트 기둥을 형성 시 주입재 유실로 적용이 어렵다는 문제가 있으며, 국내외 그라우트 기둥공법과 관련한 연구 및 시공사례가 전무하여 골재의 종류, 그라우트재 재료 및 배합비에 관한 근거가 부족하기 때문에 그라우트 기둥 공법을 지반 보강 설계방 안으로서의 제시는 어려운 실정이다.
	지반 보강공법의 종류 두 가지는?	지반 보강공법은 크게 충전공법과 국부 보강공법으로 구분된다. 그라우트 기둥 공법(Grout Column)은 국부 보강공법 중 하나이며, 시추공을 통하여 골재 투입 후, 골재 내 공극에 그라우트재를 투입하여 공동 내에 기둥을 형성시킴으로써 그라우트된 기둥 또는 피어(pier) 형태의 보조적인 지보시스템을 수행하는 공법이다(Kwon and Nam, 2013).
	한국에서 채굴공동 보강공법 중 그라우트 기둥 공법의 단점은?	채굴공동 보강공법 중 그라우트 기둥공법(Grout Column) 은 충전재 내에 그라우트재를 주입하여 기둥을 형성하는 공법으로 공동 내 충전재를 활용하면서 동시에 지보재 역할을 수행할 수 있어 대규모 채굴공동 보강 시 국부적으로 적용할 수 있는 효과적인 공법으로 판단된다. 그러나 채굴적이 지하수로 포화되어있을 경우 일반적인 그라우팅으로 그라우트 기둥을 형성 시 주입재 유실로 적용이 어렵다는 문제가 있으며, 국내외 그라우트 기둥공법과 관련한 연구 및 시공사례가 전무하여 골재의 종류, 그라우트재 재료 및 배합비에 관한 근거가 부족하기 때문에 그라우트 기둥 공법을 지반 보강 설계방 안으로서의 제시는 어려운 실정이다.

참고문헌 (11)

Ahn, T. S. and B. D. Lee, 1998, Quality Improvement and Practical Use of Antiwashout Underwater Concrete Containing Sea-sand( I), Korea Expressway Corporation Research Institute.
Choi, W. S., B. C. Kang, E. S. Kim, D. C. Shin, S. L. Kim and S. H. Baek, 2015, A Case Study of Ground Subsidence on the Groundwater-Saturated Limestone Mine, The Journal of Engineering Geology, Vol. 25, No. 4, 511-524.

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Kim, K. H. and J. K. Jeon, 2001, A Study on Fundamental Properties of Antiwashout Underwater Adimixtures, Korea Ready-Mixed Concrete Industry Association, Vol. 10, 19-26.
Kim, M. S., Y. S. Eo, J. B. Yoon and S. M. Lee, 1999, An Experimental Study on the Fundamental Characteristics of Antiwashout Underwater Concrete with Variation of Water-cement Ratio, Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 11, No. 4, 21-29.
Kim, S. L., T. H. Kim, D. C. Shin and H. H. Shin, 2009, A Study on the Development of Rapidly Hardening Grouting Method for the Effective Filling in the Underground Cavity, Tunnel & Underground Space, Vol. 19, No. 6, 534-544.
KSCE Journal of Civil Engineering, 1997, 콘크리트용 수중불분리성 혼화제 품질규준, Vol. 45, No. 1, 71-77.
Kwon, H. H., and G. S. Nam, 2013, 광해방지공학, 동화 기술, pp.111-115.
Lee, B. Y., S. W. Jeon, T. H. Kim, J. W. Cho, K. I. Kim, T. H. Kim, and S. L. Kim, 2009, A Study on the Determination of Grout Injection Volume according to the Angle of Mine Cavity, Tunnel & Underground Space, Vol. 19, No. 2, 107-122.
Song, J. T. and H. Y. Choi, 2003, Rheological Properties of Cement Pastes Containing Metakaoline, Journal of the Korea Ceramic Society, Vol. 40, No. 12, 1229-1234.

원문보기 상세보기
Sun, W. C., Y. B. Jeong, Y. S. Choi and H. D. Park, 2010, Failure Prediction for Weak Rock Slopes in a Large Open-pit Mine by GPS Measurements and Assessment of Landslide Susceptibility, The Journal of Engineering Geology, Vol. 20, No. 3, 243-255.
Yoon, J. B., Y. S. Eo, J. S. Kim, M. S. Kim and D. Y Baek, 1998, An Experimental Study on the Optimum water-cement ratio of Antiwashout underwater concrete, Korea Concrete Institute Conference, 277-283.

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