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지반보강용 주입재의 성능향상을 위한 초음파 에너지의 활용
Application of ultrasonic energy to enhance capability of soil improving material 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.4, 2017년, pp.567 - 576  

문준호 (명지대학교 토목환경공학과) ,  (명지대학교 토목환경공학과) ,  정강복 ((주)도담이앤씨) ,  김영욱 (명지대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 지반보강용 시멘트-페이스트에 초음파를 조사하여 온도변화, 점도, 일축압축강도, 육안관측 시험을 통해 초음파가 시멘트-페이스트에 어떠한 물리적 특성을 변화시키는지에 대하여 고찰하였다. 실험에 사용된 w/c는 50~100%까지 다양하게 진행하였으며, 그라우트재의 온도변화는 ${\pm}2^{\circ}C$내에서 범위를 벗어나지 않도록 조절하여 실험을 진행하였다. 실험결과 온도변화는 초음파 조사시간에 비례하여 일정하게 증가하였고, 초음파를 조사한 지반보강용 시멘트-페이스트 점도는 최대 40%까지 감소하는 것으로 나타났다. 일축압축강도는 평균 30% 증가하였으며 육안관측시험에서도 초음파를 조사한 시멘트-페이스트의 단면이 공극이 많이 감소하는 양상을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre- defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this stud...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이처럼 여러 분야에서 입자에 물리적 에너지를 가하여 순수 물성치만을 변화시키는 연구가 국내에서 진행되고 있으며, 국외에서는 독일의 Roessler (2009)가 시멘트 페이스트에 초음파를 활용하여 초기강도를 증진시킨 사례를 보여주었다. 따라서, 본 논문에서는 초음파를 활용한 선행연구들을 기초하여 지반보강재로 널리 사용되고 있는 일반 포틀랜드 시멘트와 물의 혼합 재료에 초음파를 가하여 물성치 변화를 고찰하고, 그라우팅 재료로서 침투 및 보강재로서의 가능성을 검토하였다.
  • 본 연구에서는 지반보강용 주입재인 시멘트-페이스트에 초음파를 조사하여 물리적 성능을 검토하였다. 일반적으로 쓰이는 포틀랜드 시멘트를 활용하여 온도변화, 점도, 일축압축강도, 육안관측실험을 수행하였으며, 실험에 의해 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

  • 이는 초음파 조사에 따른 진동에너지로 인한 페이스트 내 클러스터의 깨짐 현상이 발생하고 균열된 입자들에 자유간 극수의 흡착에 따른 유동성 증가와 클러스트 크기 감소로 인한 전단저항 감소와 동시에 페이스트내의 점도가 감소하는 것으로 판단된다. 주입된 Einput 에 따라 최대 40%까지 점도가 감소되어 유동성 확보가 필요한 그라우팅 공법에 적용될 수 있을 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시공 중 그라우팅을 진행하는 이유는? 해저터널 시공 중 단층, 파쇄대 및 미고결층 등의 취약한 지반조건에서 일어나는 문제점(단층과 파쇄대 등은 주요한 해수의 통로가 될 수 있어, 막대한 수압과 용수로 지반의 안정성 크게 저하)을 극복하기 위해 시공 중 그라우팅을 진행한다. 암반에서 그라우팅은 주로 불연속면을 따라 주입되므로 절리의 분포, 거칠기 도는 폭과 같은 절리 인자들이 그라우팅 보강암반의 물성에 큰 영향을 미친다(Kim et al.
물유리계 약액의 장단점은? 이렇게 해수의 유입제어, 터널 시공중에 지반보강 목적을 충족하기 위해 다양한 그라우팅 재료가 사용되고 있는데, 그라우팅 재료는 크게 물유리계 약액과 시멘트계 약액으로 나눌 수 있다. 물유리계 약액의 경우 협소한 곳에 깊숙이 주입 할 수 있다는 장점이 있는 반면 지반강도를 증대 할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 단점으로 인해 일반적으로 시멘트계 약액은 비약액계 중에서 가장 대표적인 주입재로 활용된다(Sim, 2010; Allan and Philippacopoulos, 1999).
시멘트 그라우트 주입 문제를 해결하기 위한 대책은? 시멘트 그라우트 입경은 평균 15~22 µm이며, 주입재는 사질토나 암반균열 등과 같이 공극이 미세한 지반의 경우 침투성이 떨어져 그라우팅이 잘 이루어지지 않는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주입이 간편한 그라우팅 재료개발과 적정 주입압 관리기법의 개발 등 그라우팅 재료, 주입장치, 주입성능에 관한 연구가 지속적으로 이루어 지고 있다(Kutzner, 1996). 특히, 시멘트의 분쇄분급기술이 급속히 발전하여 높은 침투력을 발휘할 수 있는 입경의 주입재 제조가 가능하게 되었고, 이를 바탕으로 다양한 특성을 가진 그라우트재를 개발 중에 있다.
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참고문헌 (15)

  1. Allan, M.L., Philippacopoulos, A.J. (1999), "Properties and performance of cement-based grouts for geothermal heat pump application", U.S. Department of Energy, Washington D.C. 

  2. Date, K., Wakita, S., Yamamoto, T., NaKashima, Y., Hoshino, Y.,Aoki, K., Mito, Y. (2003), "Development of dynamic grouting technique for the ground improvement", Proc. of the ITA World Tunnelling Congress 2003: (RE) Claiming the Underground Space, Amsterdam, The Netherlands, pp. 929-936. 

  3. Karol, R.F. (1990), "Chemical grouting", 2nd Ed, New York and Basel, Marcel Ekker Inc, pp. 49-54. 

  4. Kim, D.H., Jung, D.H., Jeong, G.H. (2010), "Evaluation of engineering characteristics and field applicability of inorganic thixotropic-grout for backfilling of shield TBM tail voids", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 1, pp. 75-76. 

  5. Kim, J.W., Hong, E.S., Cho, G.C. (2016), "Assessment of elastic-wave propagation characteristics in grouting-improved rock mass around subsea tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 2, pp. 75-76. 

  6. Kutzner, C. (1996), "Grouting of rock and soil, Balkema", Rotterdam, pp. 9-27. 

  7. Lee, J.S., Lee, I.M., Chung, H.S., Lee, D.S. (2003), "Analysis of ground reinforcement effect using fracturing grouting", Tunnelling Technology, Vol. 5, No. 4, pp. 349-360. 

  8. Lee, M.S., Kim, J.S., Lee, S.D., Choi, Y.J., Yang, J.M., Lee, I.M. (2010), "Effect of vibratory injection on grout permeation characteristics", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 26, No. 7, pp. 37-47. 

  9. Lim, Y.J., Lee, K.H., Kim, H.K., Hong, C.S., Ahn, J.H. (2008), "Development of new micro-cement grouting materials for tunneling", Korean Geotechnical Society, pp. 1559-1570. 

  10. Mo, W.J., Han, J.S., Ahn, C.M., Yoon, S.Y., Seok, H.J., Kim, C.G. (2013), "Enhancement of dewaterability of sewage sludge by ultrasonification and electric field treatment", Journal of the KSEE, Vol. 35, No. 1, pp. 23-30. 

  11. Na, S.M., Kim, Y.U., Khim, J.H. (2007), "Physiochemical properties of digested sewage sludge with ultrasonic treatment", Ultrasonics sonochemistry, Vol. 7, pp. 281-285. 

  12. Park, B.G., Son, Y.G., Hwang, A.N., Kim, J.H. (2011), "Investigation for optimization of ultrasonic soil-washing process for remediation of diesel contaminated soil", Korean society of hazard mitigation, Vol. 11, No. 1, pp. 101-105. 

  13. Roessler, C. (2009), "Influence of power ultrasound on flow and flow solidification behavior of cement suspensions", Session of the 17th International Building Materials Conference Ibausil. 

  14. Seo, M.B., Kwon, S.H., Lee, B.J. (2015), "Improvement of grouting by short-period vibration energy", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 16, No. 7, pp. 35-42. 

  15. Sim, S.J. (2010), "Analyses of permeation effect in soil due to mixing properties of cement grout", A Master's Thesis, pp. 1-45. 

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