[논문]현장시험과 공동팽창이론을 통한 CGS 공법의 적용성 평가

정현석; 서석현; 최항석; 이효범

doi:10.14481/jkges.2019.20.2.19

[국내논문] 현장시험과 공동팽창이론을 통한 CGS 공법의 적용성 평가
Study on Applicability of CGS Method based on Field Experiments and Cavity Expansion Theory 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.2, 2019년, pp.19 - 28

정현석 (Department of Architecture and Civil Engineering, Korea University) , 서석현 (Denver Korea E&C) , 최항석 (Department of Architecture and Civil Engineering, Korea University) , 이효범 (Department of Architecture and Civil Engineering, Korea University)

초록
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국내 서해안 지역은 대부분 퇴적된 연약점성토로 이루어져 있으며, 구조물을 시공하기 전에 현장에 적합한 지반개량 공법의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 CGS(Compaction Grouting System) 공법의 적용성을 파악하기 위하여 매립토 및 연약점성토로 이루어진 인천국제공항시설 현장에 공법을 적용하였다. CGS 공법은 현장 성토부의 지반개량 효과를 얻기 위함뿐만 아니라 교대의 말뚝기초 역할을 위해 적용되었으며, 본 공법의 지반개량 효과를 파악하기 위하여 공법 적용 전 후 지반의 개량 효과를 콘 관입시험을 수행함으로써 비교 분석하였다. CGS 공법의 적용 결과 현장지반의 전반적인 강도 증대 효과를 얻을 수 있었으며, 이는 현장교대의 하중을 충분히 견딜 수 있는 것으로 파악되어 말뚝기초로의 역할과 지반개량공법으로써의 CGS 공법의 적용성을 검증하였다. 또한 공동팽창이론을 적용하여 상부 구근의 크기 예측을 수행하였으며, 시공 후 상부구근 육안 확인을 통하여 시공 후 구근예측에 있어 공동팽창이론의 적용 가능성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Grounds of the western coast of the Korean Peninsular are mostly composed of soft and cohesive soils, and it is necessary to carry out soil improvement before construction. The CGS (Compaction Grouting System) method has been commonly applied for the purpose of not only improving soft ground but also serving as the pile foundation of a bridge. In this paper, the CGS method was applied to the Incheon International Airport facility site, which consists of reclaimed landfill and soft clay soil, so as to evaluate the applicability of this soil improvement method to soft clay ground formations. Futhermore, results of construction were intensively studied along with a series of field experiments and theoretical consideration. The cone penetration tests were performed to assess the ground improvement effect of the CGS method. Consequently, the application of CGS method led to an increase in soil strength enough to be used as the pile foundation to support the bridge at the site. In addition, the size of the upper grout-bulb was estimated by adopting the cavity expansion theory and compared with that of actual grout bulb exhumed in the field. Therefore, it is proved that the cavity expansion theory can be utilized to predict and evaluate the improvement of soft ground.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Conceptual diagram of CGS method
표 Table 1. Comparison between CGS method and other methods
그림 Fig. 2. Ideal schematic view of grout bulb growth for analytical solution
표 Table 2. Site investigation results (bridge-1 & 2, refer Fig. 3)
그림 Fig. 3. Construction field plans and fence diagrams
그림 Fig. 4. Cone penetration test result (cone resistance)
표 Table 3. Soil properties input in cavity expansion theory (Yu & Houlsby, 1991)
그림 Fig. 5. Grout-bulb excavation and its size measurement
그림 Fig. 6. Analytical solution of cavity expansion (Yu & Houlsby,1991)
표 Table 4. Measured and calculated injection pressure with different dilation angle (3m)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대표적인 Yu & Houlsby(1991)의 공동팽 창이론을 적용하여 그라우팅 주입에 따른 구근 확장 예측에 있어 이론해 적용 시 각 지반정수에 대하여 사전 민감도 분 석을 수행하였다.
본 연구에서는 CGS 공법을 실제 연약지반과 매립지반이 발달한 현장에 적용해보고 콘관입시험을 수행함으로써 그 개량효과를 파악하였다. 또한 공법적용에 따른 개량 정도 예측에 있어 공동팽창이론을 적용해보고 그라우팅 구근 형성 예측에 있어 이론해를 적용할 때 일반적인 현장 지반조사 결과에서 도출되는 지반정수 반영 시 유의점과 이론해 적용의 한계점을 제시하였다.
성토를 통한 선행하중 재하 및 CGS 공법, PBD(Plastic Board Drain) 공법이 동시에 적용되어 성토부 연약지반의 개량이 수행되었고, 교량 교대기초 또한 CGS 공법을 적용하여 시공이 수행되었다. 본 연구에서는 공법 수행 후 지반개량 효과를 파악하기 위하여 콘 관입시험을 수행하여 지반개량 효과를 분석하고 공법의 지반개량에 있어서의 적용성을 검증하였다. 또한 시공 완료 후 굴착을 통하여 실제 상부구근 크기를 측정하였고, 실제 주입압에 따른 공동팽창이론의 이론해와 비교함으로써 그 적용의 한계점을 제시하였다.
Yu & Houlsby(1991)는 공동팽창이론의 유도에서 지반을 선형탄성-완전소성 재료로 가정하고 지반재료의 소성포텐셜함수가 항복함수와 다르다는 가정하에 비연합유동법칙(Non-associated flow rule)을 적용하였다. 이를 통하여 최종적으로 내부마찰각, 체적팽창각, 점착력이 존재하는 지반에서의 유한변형률의 공동팽창에 대하여 주변 지반의 응력, 변위에 대한 이론해를 제시하였다. 앞 절에서 소개한 Vesic(1972) 이론해는 콘관입시험의 콘계수 및 깊은 기초의 지지력 계수를 도출하기 위한 해로써 압축성 지반에서 3차원 구형의 공동형상에 대하여의 이론해 이다.

가설 설정

Vesic(1972)은 3차원 구형의 공동형상에 대하여 Eq. (5) 와 같이 공동의 부피변화는 탄성영역의 부피변화와 소성영역의 부피변화 합과 같다고 가정하였다.
1m 간격으로 시공되었다. 이때, 교량 기초구간의 지지력은 개량지반을 원지반과 개량체로 이루어진 복합지반으로 가정하여 산정하였다. 시공 현장의 평면도 및 지층구조가 Fig.

제안 방법

(1) CGS 공법의 지반개량 효과 파악을 위해 공법이 적용된 두 개의 인접한 그라우트 구근 사이의 대표 1개소에서 콘관입시험을 수행하여 콘관입저항력을 측정하였다. 결 과적으로 깊이에 따른 평균 콘관입저항력은 해당 지반의 목표 값인 4Mpa를 상회한 7Mpa로 나타나 공법의 충분한 지반개량효과를 보여주었다.
CGS 공법 적용에 의한 구근 확장을 공동팽창이론을 통해 이론적으로 규명하기 위해 앞 절에서 언급한 Yu & Houlsby (1991)의 이론해를 적용하여 상부 구근의 크기를 예측하고 이를 실측치와 비교하였다.
검증 구근의 형상 및 CGS 공법의 지반개량 효과를 검증하기 위하여 시공이 완료된 지반에 콘관입시험을 수행하였다. 콘관입시험은 형성 구근 사이 지반을 대표하는 지점에서 수행 되었고 수행 위치는 Fig.
본 연구에서는 CGS 공법을 실제 연약지반과 매립지반이 발달한 현장에 적용해보고 콘관입시험을 수행함으로써 그 개량효과를 파악하였다. 또한 공법적용에 따른 개량 정도 예측에 있어 공동팽창이론을 적용해보고 그라우팅 구근 형성 예측에 있어 이론해를 적용할 때 일반적인 현장 지반조사 결과에서 도출되는 지반정수 반영 시 유의점과 이론해 적용의 한계점을 제시하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다
본 연구에서는 공법 수행 후 지반개량 효과를 파악하기 위하여 콘 관입시험을 수행하여 지반개량 효과를 분석하고 공법의 지반개량에 있어서의 적용성을 검증하였다. 또한 시공 완료 후 굴착을 통하여 실제 상부구근 크기를 측정하였고, 실제 주입압에 따른 공동팽창이론의 이론해와 비교함으로써 그 적용의 한계점을 제시하였다. 이를 통해 CGS 공법의 지반개량 효과 및 공동팽창이론의 CGS 공법 개량 후 구근 크기 예측에 있어서의 공동팽창이론의 적용성을 평가하였다.
따라서 CGS 그라우팅의 목표 심도를 30m가량으로 충분히 설계･시공하였다. 예비검토를 토대로 목표 형성 구근크기는 1.2m로 설계되었고, 현장 성토구간은 선행하중 공법과 사각형 배치의 PBD 간격(1.5~ 2.0)⨯(1.5~2.0)m 및 토공부 사면안정을 위한 CGS 그라우팅 3.0⨯3.0m 간격으로 시공되었다. 교량-1 기초구간은 CGS 그라우팅 2.
또한 시공 완료 후 굴착을 통하여 실제 상부구근 크기를 측정하였고, 실제 주입압에 따른 공동팽창이론의 이론해와 비교함으로써 그 적용의 한계점을 제시하였다. 이를 통해 CGS 공법의 지반개량 효과 및 공동팽창이론의 CGS 공법 개량 후 구근 크기 예측에 있어서의 공동팽창이론의 적용성을 평가하였다.
이때, m 의 경우 1을 사용하여 이론해의 적용성 판단을 위해 가정한 2차원 원통형 수직 평면변형률 조건을 반영하였다. 형성된 구근의 크기를 육안으로 확인하기 위하여 Fig. 5 와 같이 대표 3개 지점에 대하여 굴착작업을 수행하였다. 굴착 깊이는 구근의 크기를 육안으로 확인이 가능한 지표면 하부 5m 내외 구간으로 선정하였다.

대상 데이터

5 와 같이 대표 3개 지점에 대하여 굴착작업을 수행하였다. 굴착 깊이는 구근의 크기를 육안으로 확인이 가능한 지표면 하부 5m 내외 구간으로 선정하였다. CGS 공법이 적용된 현장의 상부구간은 사전 지반조사 결과 5~10m 두께의 실트질 모래의 성토층 및 매립층이 존재하는 것으로 조사되었다.

이론/모형

CGS 공법의 적용성 평가를 위하여 연약한 점성토 및 실트 질 모래로 구성된 인천국제공항 부지의 공항도로시설 시공 현장에 CGS 공법을 적용하였다. 현재 상용되는 지반개량공법인 SCP(Sand Compaction Pile) 공법, 고압분사 공법, EPS(Expanded Poly-Styrol) 공법 등과 CGS(Compaction Grouting System) 공법을 비교한 결과, 소규모 장비로 고도에 제약이 없어 시공성이 탁월하고, 개량체 자체의 강도가 크며, 복합지반으로 지반 강도증대 효과가 우수한 CGS 공법이 인천국제공항 공항시설 연결도로 현장의 연약지반개량 공법으로 우선적으로 고려되었다.
특히, 본 논문에서는 고압의 비유동성 몰탈 주입에 따른 주변 지반에 큰 변형이 발생하는 CGS 공법에서의 공동팽창이론의 적용성을 평가하는 것에 그 목적이 있으므로 유한변형률 문제에 대한 이론해인 Yu & Houlsby(1991)의 해를 적용하였다.

성능/효과

(2) 실제 굴착을 통해 주입된 그라우트 구근의 직경은 881.2 kPa의 압력이 적용된 3m 깊이에서 약 2m로 측정되었다. 초기 공동 크기(NX, 8.
굴착 깊이는 구근의 크기를 육안으로 확인이 가능한 지표면 하부 5m 내외 구간으로 선정하였다. CGS 공법이 적용된 현장의 상부구간은 사전 지반조사 결과 5~10m 두께의 실트질 모래의 성토층 및 매립층이 존재하는 것으로 조사되었다. 굴착 후 육안으로 확인한 결과, 평균 지름이 2m로 구근 이 형성되어 초기 굴착공 크기(NX, 8.
(1) CGS 공법의 지반개량 효과 파악을 위해 공법이 적용된 두 개의 인접한 그라우트 구근 사이의 대표 1개소에서 콘관입시험을 수행하여 콘관입저항력을 측정하였다. 결 과적으로 깊이에 따른 평균 콘관입저항력은 해당 지반의 목표 값인 4Mpa를 상회한 7Mpa로 나타나 공법의 충분한 지반개량효과를 보여주었다.
CGS 공법이 적용된 현장의 상부구간은 사전 지반조사 결과 5~10m 두께의 실트질 모래의 성토층 및 매립층이 존재하는 것으로 조사되었다. 굴착 후 육안으로 확인한 결과, 평균 지름이 2m로 구근 이 형성되어 초기 굴착공 크기(NX, 8.89cm)에 비하여 약 22.5배의 구근 크기 증가를 나타내었다. 이는 설계단계에서 의 목표 구근 크기인 1.
첫째, 지반은 균질하고 등방성인 탄소성연속체이며, Mohr-Coulomb 파괴규준에 따라 항복이 일어나기 전까지 탄성거동을 한다. 둘째, 그라우트 주입으로 발생한 공동의 형상은 구형이며, 공동 생성 시 주변 지반은 교란되지 않는다. 마지막으로 지반과 그라우팅 주입재 사이에는 뚜렷한 경계면이 존재하여 그라우팅재는 지반으로 침투하지 않는다.
콘관입시험 결과 시공 전에 비하여 심도에 따른 콘관입저항력이 전반적으로 증가한 모습을 보여준다. 심도별 콘관입저항치는 평균 7MPa로, 인천국제공항 공항 전문시방서 기준(2009)에 따라 육상공사 시 현장강도 계수 1/2을 반영한 CGS 공법 적용의 목표치 4MPa을 충 분히 상회하였으므로 고결체 형성으로 인한 압밀･다짐 작용으로 개량 정도가 충분함을 알 수 있다. 이는 그라우트 주입으로 형성된 몰탈 구근에 의한 지반의 보강효과뿐만 아니라 주변 지반의 다짐효과에 의하여 원지반의 강도가 증가한 것으로 사료된다.
이론해 산정에 있어 지반정수의 민감도 분석결과 체적팽창각(ψ), 탄성계수(E), 내부마찰각(Ø), 푸아송비(v), 점착력(c) 순으로 입력 값이 클수록 공동의 팽창 정도가 작게 나타났다.
2 kPa의 압력이 적용된 3m 깊이에서 약 2m로 측정되었다. 초기 공동 크기(NX, 8.89cm)에 비해 22.5배 증가된 그라우트 구근 확인을 통하여 다짐 및 압밀에 의한 지반개량 공법인 CGS 공법의 적용 가능성을 나타내었다.
CGS 공법의 적용성 평가를 위하여 연약한 점성토 및 실트 질 모래로 구성된 인천국제공항 부지의 공항도로시설 시공 현장에 CGS 공법을 적용하였다. 현재 상용되는 지반개량공법인 SCP(Sand Compaction Pile) 공법, 고압분사 공법, EPS(Expanded Poly-Styrol) 공법 등과 CGS(Compaction Grouting System) 공법을 비교한 결과, 소규모 장비로 고도에 제약이 없어 시공성이 탁월하고, 개량체 자체의 강도가 크며, 복합지반으로 지반 강도증대 효과가 우수한 CGS 공법이 인천국제공항 공항시설 연결도로 현장의 연약지반개량 공법으로 우선적으로 고려되었다. CGS 공법이 적용된 현장에서의 타 공법과의 적용성을 비교한 결과를 Table 1에 나타내었다.

후속연구

(4) 적용된 공동팽창이론은 ψ=9.28°를 기준으로 구근 크기의 과대평가 및 과소평가를 나타내었고 공동팽창이론을 통한 구근크기 예측 시 산정된 지반정수들에 대한 정확한 분석이 필요할 것이다.
즉, 초기 공동 상태의 지반과 팽창과정 중에 있는 지반은 엄밀히 다른 토질정수를 가지고 있으므로 토질 정수값에 민감한 공동팽창이론의 해에 대한 오차를 발생시켰을 것이다. 따라서 그라우트재의 지반침투 현상을 고려하여 이론해를 보정하거나 수치해석을 적용하여 주입과정에 따른 지반변형에 대한 상세한 모사 등의 예측보완이 필요할 것으로 사료된다.
이는 체적팽창각(ψ)에 따라 소요 구근에 필요한 주입압의 예측범위가 크게 달라짐을 보여준다. 또한 정확한 지반정수 산정이 선행된다면 측정된 주입 압과 공동팽창이론을 통한 역해석으로 목표 지반의 주입압 범위를 이론적으로 예측할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	몰탈 주입의 장점은 무엇인가?	CGS(Compaction Grouting System) 공법은 저유동성 몰탈을 주입하여 주변 원지반의 압축･다짐 및 압밀 촉진 효과를 기대함으로써 지반을 개량하는 공법이다. 몰탈 주입 시, 정적인 지반보강을 가능케 하여 시공 시 소음이 적고 비배출 압입주입방식으로 건설폐기물인 슬라임처리가 필요하지 않아 상대적으로 저소음･친환경적이라는 장점이 있다. CGS 공법은 일반적으로 항만 내진보강, 방파제 증축보강, 연약지반개량, 지반 액상화 방지, 도심지 공동충전 등에 적용되며 국내에서도 공법의 적용이 보편화 되고 있는 추세이다.
	Compaction Grouting System 공법의 한계는?	CGS 공법은 일반적으로 항만 내진보강, 방파제 증축보강, 연약지반개량, 지반 액상화 방지, 도심지 공동충전 등에 적용되며 국내에서도 공법의 적용이 보편화 되고 있는 추세이다. 그러나 현재 CGS 공법의 설계 및 시공은 주로 경험에 의존하여 지반개량 특성을 파악하고 있으며, 이론적 연구를 통한 지반개량 특성파악에 대한 기준 확립이 필요한 실정이다.
	CGS공법은 무엇인가?	CGS(Compaction Grouting System) 공법은 저유동성 몰탈을 주입하여 주변 원지반의 압축･다짐 및 압밀 촉진 효과를 기대함으로써 지반을 개량하는 공법이다. 몰탈 주입 시, 정적인 지반보강을 가능케 하여 시공 시 소음이 적고 비배출 압입주입방식으로 건설폐기물인 슬라임처리가 필요하지 않아 상대적으로 저소음･친환경적이라는 장점이 있다.

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상세보기
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표제어: PCR

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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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