[논문]초미립자 시멘트의 암반지반 그라우팅 주입효과에 관한 연구

안준희; 박춘식

doi:10.5762/kais.2018.19.12.279

[국내논문] 초미립자 시멘트의 암반지반 그라우팅 주입효과에 관한 연구
A Study on the Grouting Effect of Ultrafine Cement in Rock Ground 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.279 - 286

안준희 (지산특수토건(주) 기술연구소) , 박춘식 (창원대학교 토목환경화공융합공학부)

초록
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그라우팅공법은 지반강화와 차수를 위한 공법으로 약액을 주입하여 지반을 고화시키는 것이다. 시멘트계 그라우트 주입재는 수세기 전부터 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으나 시멘트 입경이 커 주입효과에 한계가 있다. 이에 본 연구는 초미립자 시멘트가 사용된 암반지반에서의 그라우팅 주입효과를 분석하기 위함이다. 이를 위해 초미립자 시멘트로 3S-1호가 사용되었고, OPC와 3S-1호를 각각 적용하여 암반그라우팅 현장시험시공을 실시하였으며 수압시험 공내재하시험 주입시험을 통해 그 결과를 비교분석 하였다. 시험 결과, 암반지반에서는 OPC보다 초미립자 시멘트(3S-1호)를 사용하는 것이 차수효과(K, $10^{-6}cm/sec$)가 더 높으며 보강효과도 확인할 수 있었다. 또한 초미립자 시멘트(3S-1호)가 OPC보다 약 4~9배 주입성이 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 암반그라우팅 시공시 OPC대신 초미립자 시멘트를 적용하는 것이 더 유리한 것으로 판단이 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The grouting method is to reinforce the ground by injecting the chemical solution for the strengthening of the ground. Cement grouting material has usually used portland cement for centuries ago, but the cement particle size is large and the injection effect is limited. This study analyzes the effect of ultrafine cement grouting in rock ground using 3S-1 grouting in rock ground and ordinary Portland cement (OPC). The results of tests were compared and analyzed from the Lugeon test, bore loading test (P.M.T.), and injection (P-Q) test. The use of ultrafine cement (3S-1) had a higher effect (K, 10-6cm/sec) than OPC. The reinforcement effect of 3S-1 was also confirmed. Ultrafine cement (3S-1) was 4~9 times more injectable than OPC. Therefore, it is more advantageous to use ultrafine cement (3S-1) than OPC.

주제어

표/그림 (25)

표 Table 1. Slag fine powder
표 Table 2. Chemical composition
표 Table 3. Property
표 Table 4. Practicle size analysis
그림 Fig. 1. Test construction site
그림 Fig. 2. Test layout
표 Table 5. Test item
표 Table 6. Drilling survey
그림 Fig. 3. Flow pattern
그림 Fig. 4. P-R Curve
표 Table 7. Lugeon test
표 Table 8. Lugeon test
표 Table 9. Bore loading test
그림 Fig. 5. Test construction site
그림 Fig. 6. Test layout
표 Table 10. injection test(P-Q)
표 Table 11. Injection(P-Q)
표 Table 12. Injection(ave.)
표 Table 13. Test item
그림 Fig. 7. Flow pattern(continue)
표 Table 14. Lugeon test
표 Table 15. Lugeon test
표 Table 16. Injection test(P-Q)
표 Table 17. Injection(P-Q)
표 Table 18. Injection(ave.)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 암반지반에서의 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입효과를 분석하기 위함이다. 이를 위해 보 기초와 하구둑이 시공될 2개소 현장을 선정하고 기초 암반지반을 대상으로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 초미립자 시멘트(3S-1호)를 각각 적용하여 암반그라우팅 현장시험시공을 실시하였으며 수압시험·공내재하시험·주입시험을 통해 그 결과를 현장별로 비교분석 하였다.
본 연구에서는 공내재하시험(P.M.T)을 통하여 시험 구간 적용 대상지층에 대한 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입전/후 변형특성을 파악함으로써 강도증진 효과를 간접적으로 파악하였다. 시험은 시험공 공내 공벽을 수평방향으로 가압하고 가압 하중에 의하여 발생되는 공벽의 변위량을 측정하여 압력-변형량 곡선으로부터 지층별 변형계수(E) 값을 구하였다.
이후 국내에서도 Chun(1997)[2,3], Park(2003)[4,5], Lim(2008)[6]등 초미립자 시멘트에 대한 개발 또는 연구사례가 활발히 이어져 오고 있으며, Lee(2012)[7] 등에 의해 실제 사질∼점성토층에서 초미립자 시멘트 주입 시공후 차수, 강도증진에 큰 효과가 있는 것으로 분석되었다. 이외 본 연구에서는 기초처리가 필요한 암반 지반의 보강, 양압력 및 침투수량을 저감하는 암반그라우팅을 실시하여 OPC대비 초미립자 시멘트 적용 효과를 비교분석 하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 동일압력 조건으로 OPC와 초미립자 시멘트(3S-1호) 각각 주입시험을 실시하고, 주입량을 파악함으로써 그 결과를 비교분석 하였다. 주입시 사전 수압시험(G-1, 7공) Lu치(10미만)로 배합비(C:W=1:10)를 결정 하였으며, 최대허용압력은(p) 10kgf/cm²로 제한하여 허용압 도달시 주입을 종료하였다.
본 연구에서는 수압시험(Lugeon test)을 통하여 주입 전 적정 초기 주입재의 배합비를 산정하고, 주입 전/후 Lu Value를 산출하여 시멘트별 차수효과 결과를 비교분석 하였다. 시험방법은 누수의 오차가 적은 Single Packer방법의 하향식 수압시험[10]으로 실시하였으며, 압력의 증감은 5단계로 실시하고 각 단계에서 주입압력별로 10분의 가압시간을 유지하여 주입수량(Q)을 측정함으로써 투수계수(K)와 Lu값을 최종 산출 하였다(Houlsby, 1976).
2.2 수압시험
수압시험(Lugeon test)을 통하여 주입전 적정 초기 주입재의 배합비를 산정하고, 주입 전/후 Lu Value를 산출하여 OPC, 초미립자 시멘트(3S-1호) 차수효과 결과를 비교분석 하였다. 시험결과, 풍화암에서는 주입전 Lu=9.
시험공 배치는 아래 그림 6과 같이 동일하며, 이 역시 주입작업시 간섭이 되지 않는 범위내에서 각 시멘트별(OPC, 3S-1호) 비교시험을 실시하여 그 결과를 비교분석 하였다.
2.3 주입시험
시험구간인 풍화암과 연암에 각각 동일압력 조건으로 OPC와 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입시험을 실시하고, 주입량을 파악함으로써 그 결과를 비교분석 하였다. 주입시 사전 수압시험(G-1공) Lu치로 배합비를 결정하였는데, 풍화암은 Lu=9.
본 연구에서는 수압시험(Lugeon test)을 통하여 주입 전 적정 초기 주입재의 배합비를 산정하고, 주입 전/후 Lu Value를 산출하여 시멘트별 차수효과 결과를 비교분석 하였다. 시험방법은 누수의 오차가 적은 Single Packer방법의 하향식 수압시험[10]으로 실시하였으며, 압력의 증감은 5단계로 실시하고 각 단계에서 주입압력별로 10분의 가압시간을 유지하여 주입수량(Q)을 측정함으로써 투수계수(K)와 Lu값을 최종 산출 하였다(Houlsby, 1976). 시험결과.
T)을 통하여 시험 구간 적용 대상지층에 대한 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입전/후 변형특성을 파악함으로써 강도증진 효과를 간접적으로 파악하였다. 시험은 시험공 공내 공벽을 수평방향으로 가압하고 가압 하중에 의하여 발생되는 공벽의 변위량을 측정하여 압력-변형량 곡선으로부터 지층별 변형계수(E) 값을 구하였다.
이를 위해 보 기초와 하구둑이 시공될 2개소 현장을 선정하고 기초 암반지반을 대상으로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 초미립자 시멘트(3S-1호)를 각각 적용하여 암반그라우팅 현장시험시공을 실시하였으며 수압시험·공내재하시험·주입시험을 통해 그 결과를 현장별로 비교분석 하였다.
본 연구에서는 동일압력 조건으로 OPC와 초미립자 시멘트(3S-1호) 각각 주입시험을 실시하고, 주입량을 파악함으로써 그 결과를 비교분석 하였다. 주입시 사전 수압시험(G-1, 7공) Lu치(10미만)로 배합비(C:W=1:10)를 결정 하였으며, 최대허용압력은(p) 10kgf/cm²로 제한하여 허용압 도달시 주입을 종료하였다. 아래 표 10은 각 공별 주입시험 구간을 정리하여 나타낸 것이다.
본 현장시험은 상기 시추조사가 이뤄진 지점에서 수행되었으며, 시험공 배치는 아래 그림 2와 같이 BH-5-1공(풍화암), BH-5공(단층대) 지점에 위치를 선정하였다. 특히, BH-5-1공 지점에서 각 시멘트별(OPC, 3S-1호) 비교시험을 실시하였는데 주입작업시 간섭이 되지 않는 범위 내에서 동일 지층구간을 대상으로 시험을 수행하여 그 결과를 비교분석 하였다.
현장지층은 매립층(0.0∼0.7m), 풍화토(0.7∼4.2m), 풍화암(4.2∼5.5m), 연암(5.5∼8.5m) 순으로 분포하였으며 본 연구에서는 풍화암, 연암을 시험구간으로 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 초미립자 시멘트(이하. 3S-1호)는 제조 공정에 따라 비표면적이 6,000~8,000cm² /g인 초미립형으로, 그라우팅 시멘트 주재(경화재)로 사용된다. 제조는 포틀랜드 시멘트(OPC)에 슬래그 미분말등을 일정비율 혼합·재분쇄한 것[6,8]으로, 여기서 슬래그 미분말은 주입재 고결후 내구성과 장기강도의 개선을 촉진하는 주 특성이 있다.
본 연구에서는 경기도 여주군 여주읍 소재 남한강 일원에 보 하부 기초처리를 위한 암반그라우팅이 실시될 현장에 OPC와 초미립자 시멘트(3S-1호)를 각각 적용하여 사전 시험시공을 실시하였다. 당 현장 상부로부터의 지층순서는 퇴적층(모래섞인 자갈), 풍화암, 연암층 순이며 일부 지점(BH-5공)에 폭 1.
본 현장시험은 상기 시추조사가 이뤄진 지점에서 수행되었으며, 시험공 배치는 아래 그림 2와 같이 BH-5-1공(풍화암), BH-5공(단층대) 지점에 위치를 선정하였다. 특히, BH-5-1공 지점에서 각 시멘트별(OPC, 3S-1호) 비교시험을 실시하였는데 주입작업시 간섭이 되지 않는 범위 내에서 동일 지층구간을 대상으로 시험을 수행하여 그 결과를 비교분석 하였다.
일반적으로 시멘트 계열의 그라우트 주입재(경화재)는 제조방법, 혼합물의 종류 및 배합비율에 따라서 물리·화학적 특성이 달라지는 것으로 알려져 있다. 아래 표 1은 슬래그 미분말의 종별에 따른 물리적 특성을 나타낸 것인데 본 연구에서 사용된 초미립자 시멘트(3S-1호)는 1종이 혼합되어있다.
전남 영암군 삼호읍 소재 영산강 일원 하구둑 하부 암반지반 그라우팅이 실시될 현장으로 앞 3.1 보 기초 하부 암반그라우팅 현장시험과 동일한 방법으로 사전 시험시공을 실시하였다. 아래 그림 8은 시험현장의 평면도를 나타낸 것으로 시추를 통한 사전 지반조사가 수행되었다.
제조는 포틀랜드 시멘트(OPC)에 슬래그 미분말등을 일정비율 혼합·재분쇄한 것[6,8]으로, 여기서 슬래그 미분말은 주입재 고결후 내구성과 장기강도의 개선을 촉진하는 주 특성이 있다.

성능/효과

1) 수압시험 결과, 풍화암의 경우 주입전 Lu=8.3(K=6.74×10-4cm/sec)에서 OPC 주입후에는 Lu=6.1(K=4.08×10-5cm/ sec)로 1/10정도 약간의 차수 저감효과를 나타내었다.
1) 수압시험 결과, 풍화암의 경우 주입전 Lu=9.8(K=1.35×10-4cm/sec)에서 OPC 주입후에는 Lu=6.5(K=9.71×10-5cm/sec)로 약간의 감소를 나타내었다.
2) 공내재하시험 결과, 주입전 풍화암의 변형계수(E) 값이 1.94×103 kgf/cm2에서 3S-1호 주입후 7.57×103 kgf/cm2으로 주입전에 비해 약 3.9배 증가하는 것을 나타내었다.
2) 주입시험 결과, 풍화암에서 OPC의 경우 평균 28.3ℓ/m가 주입이 되었으나, 3S-1호는 251.7ℓ/m로 약 9배 정도 주입성이 더 높은 것으로 나타났다. 연암층에서는 OPC의 경우 평균 91.
3) 주입시험 결과, 풍화암에서 OPC는 평균 24.5ℓ/m가 주입되었으나 3S-1호는 164.7ℓ/m 주입됨으로써 OPC에 비해 주입량이 약 7배정도 더 많은 것으로 나타났다.
그러나, 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입시에는 Lu=0.4(K=9.76×10-6cm/sec)로 주입전에 비해 1/100정도로 현저히 감소하며, 목표치인 불투수층을 형성하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 경기도 여주군 여주읍 소재 남한강 일원에 보 하부 기초처리를 위한 암반그라우팅이 실시될 현장에 OPC와 초미립자 시멘트(3S-1호)를 각각 적용하여 사전 시험시공을 실시하였다. 당 현장 상부로부터의 지층순서는 퇴적층(모래섞인 자갈), 풍화암, 연암층 순이며 일부 지점(BH-5공)에 폭 1.67m의 단층파쇄대가 분포되어 있는 것으로 나타났다. 아래 그림 1은 현장의 평면도와 지층단면도를 나타낸 것으로 시추조사(BH-5, 5-1, 7공) 지점을 별도 표기하였다.
이는 주입시험 결과, 초미립자 시멘트(3S-1호)가 OPC보다 약 4∼9배 주입성이 더 높은 것이 원인으로 판단이 된다. 따라서 본 연구는 암반그라우팅 시공시 OPC보다 3S-1호와 같은 초미립자 시멘트를 적용하는 것이 더 적합한 것으로 판단된다.
7ℓ/m 주입됨으로써 OPC에 비해 주입량이 약 7배정도 더 많은 것으로 나타났다. 또한, 단층대에서는 242.8ℓ/m로 풍화암층에 비해 초미립자 시멘트(3S-1호) 주입량이 약 1.5배 더 많은 것으로 나타났다.
시험 결과, 주입전(G-4공)의 변형계수(E) 값이 .94×103kgf/cm2에서 주입후(1-2공) 7.57×103 kgf/cm2으로 주입전에 비해 약 3.9배 증가하는 보강,압밀 효과가 나타났다.
시험결과, 풍화암에서는 주입전 Lu=9.8(K=1.35×10-4cm/sec)의 비교적 낮은 값으로 나타나긴 하였으나, OPC 주입후에는 Lu=6.5(K=9.71×10-5cm/sec)로 약간의 감소는 있을뿐 주입전에 비해 큰 저감효과는 없는 것으로 나타났다.
7ℓ/m로 약 9배 정도 주입성이 더 높은 것으로 나타났다. 연암층에서는 OPC의 경우 평균 91.5ℓ/m가 주입이 되었으나, 초미립자 시멘트(3S-1호)는 평균 348ℓ/m로 약 4배 정도 주입성이 더 높은 것으로 나타났다.
이상과 같이, 암반지반에서 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)는 1/10정도의 비교적 낮은 차수 저감으로 목표치(10^-5cm/sec 이하) 또한 나타내지 못하나 초미립자 시멘트(3S-1호)는 1/100정도의 큰 차수(10^-6cm/sec) 효과와 보강효과도 확인할 수 있었다. 이는 주입시험 결과, 초미립자 시멘트(3S-1호)가 OPC보다 약 4∼9배 주입성이 더 높은 것이 원인으로 판단이 된다.
아래 표 11은 각 공별 주입시험 결과이며, 표 12는 표 11의 각 주입량(m당)을 평균치로 환산하여 비교한 것이다. 주입시험 결과, 동일 지층인 풍화암에서 OPC는 평균 24.5ℓ/m가 주입되었으나 초미립자 시멘트(3S-1호)는 164.7ℓ/m 주입됨으로써 OPC에 비해 주입량이 약 7배정도 더 많은 것으로 나타났다. 또한, 단층대에서는 242.
아래 표 17은 각 공별 주입시험 결과이며, 표 18은 표 17의 각 주입량(m당)을 평균치로 환산하여 비교한 것이다. 주입시험 결과, 풍화암층에서는 OPC의 경우 평균 28.3ℓ/m가 주입이 되었으나, 초미립자 시멘트(3S-1호)는 평균 251.7ℓ/m로 약 9배 정도 주입성이 더 높은 것으로 나타났다. 연암층에서는 OPC의 경우 평균 91.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그라우팅공법은 무엇인가?	그라우팅공법은 지반강화와 차수를 위한 공법으로 약액을 주입하여 지반을 고화시키는 것이다. 시멘트계 그라우트 주입재는 수세기 전부터 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으나 시멘트 입경이 커 주입효과에 한계가 있다.
	암반지반에는 OPC와 초미립자 시멘트 중 무엇이 효과가 더 좋은가?	이를 위해 초미립자 시멘트로 3S-1호가 사용되었고, OPC와 3S-1호를 각각 적용하여 암반그라우팅 현장시험시공을 실시하였으며 수압시험 공내재하시험 주입시험을 통해 그 결과를 비교분석 하였다. 시험 결과, 암반지반에서는 OPC보다 초미립자 시멘트(3S-1호)를 사용하는 것이 차수효과(K, $10^{-6}cm/sec$)가 더 높으며 보강효과도 확인할 수 있었다. 또한 초미립자 시멘트(3S-1호)가 OPC보다 약 4~9배 주입성이 더 높은 것으로 나타났다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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