[논문]고밀도 급속 팽창재를 이용한 얕은기초 연약지반의 지내력 증대에 관한 연구

노의철; 김대현

doi:10.9720/kseg.2020.2.185

[국내논문] 고밀도 급속 팽창재를 이용한 얕은기초 연약지반의 지내력 증대에 관한 연구
A Study on the Increase of Bearing Capacity of Soft Ground in Shallow Foundation Using High Density Rapid Expansion Material 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.30 no.2, 2020년, pp.185 - 198

초록
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고밀도 급속 팽창재는 주입과 동시에 화학반응으로 인한 순간 발포반응이 생겨 주입재료의 고결부피를 증가시키는 공법으로써 구조물 축조 시 지반의 안정성 확보, 침하 구조물복원 및 차수에 효과적인 공법이다. 이와 관련하여 본 연구에서는 주입재료의 역학적 실험을 통하여 구조물 기초지반의 안정성 평가와 현장시공을 이용한 지내력 증대 효과를 분석하였다. 실험 결과, 사질토 지반의 경우 주입재의 주입 후 약 10.5% 정도 흙의 단위 중량이 감소 된 것으로 확인되었으며, 구조물에 대한 허용지지력 모두 안전하다고 판단되었고 지반개량 후 각 단면별 침하량은 허용 침하량 5 cm 이내인 2.28, 1.55, 0.46 cm로써 안전하다고 판단되었다. 현장 실험 후 대상 건축물의 최상층에 5개의 경사계를 설치하여 X, Y축에 대한 변위를 측정하였다. 계측결과, 시공 후 약 16개월(509일)동안 구조물의 부등침하 또는 침하균열 현상과 관련된 변위는 측정되지 않았다. 이는 급속 팽창재의 주입 후 지반의 안정성이 충분히 증대된 것이라고 판단할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-density rapid expansion material is a method that increases the solid volume of injection materials due to hydration and foam reactions at the same time as spraying. It is an effective method for securing ground stability, restoring subsidence, and loading during construction of structures. In this regard, through the mechanical experiments of injection materials, the stability of the foundation ground of the structure and the effect of increasing the endurance using site construction were analyzed. The results of the experiment showed that the unit weight of soil decreased by 10.5% after injection of the filling material, and the allowable support for the structure was deemed safe, and the subsidence by each section after ground improvement was determined to be safe at 2.28, 1.55 and 0.46 cm, respectively, with an acceptable subsidence of less than 5 cm. After the field test, five inclinometers were installed on the top floor of the target building to measure the displacement of the X and Y axes. As a result of the measurement, no displacement related to the phenomenon of inequality or subsidence cracks of the structure was measured for about 16 months (509 days) after construction. This can be judged to be a sufficient increase in the stability of the ground after the injection of rapid expansion.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Boring log.
표 Table 1. Standard penetration test
그림 Fig. 2. Experimental schematic diagram.
그림 Fig. 3. Field test process.
그림 Fig. 3. Continued.
그림 Fig. 4. Measuring equipment.
그림 Fig. 5. Instrument locations.
그림 Fig. 6. GPR explorer and ground exdploration.
그림 Fig. 7. Reviewing the stability of the independent foundation.
표 Table 2. Results of design load by foundation section and flat plate load test before injection
그림 Fig. 8. Load condition of multilayer ground.
표 Table 3. Results of design load by foundation section and flat plate load test after injection
표 Table 4. Standard penetration test
그림 Fig. 9. Measurement result.
표 Table 5. Measurements for each instrument
그림 Fig. 10. GPR exploration before and after injection of infusion materials.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 그라우팅 공법 중 우레탄공법을 이용한 고밀도 급속 팽창재를 주입하는 공법으로 연약지반의 중 ? 저층 기초 지반 개량에 효과적이다. 기존 연약지반 개량공법의 문제점인 시공성 및 차수, 내진보강에 대한 부분을 보완함과 동시에 무소음, 무진동, 친환경성이 더해져 연약지반 개량공법에 크게 활용될 것으로 판단된다.
본 연구는 연약지반의 점토나 실트와 같은 미세립 입자의 간극이 큰 유기질토와 느슨한 사질토, 그리고 지하수위가 높은 지층을 대상으로 흙의 전단강도 증대, 투수성 문제에 대한 차수효과, 연직하중으로 인한 전단응력에 대한 흙의 측방거 동에 대한 억제 효과 등, 기초지반의 공학적 문제점 등을 개선(개량)하는데 필요한 약액주입공법 중에 고분자계의 고밀도 폴리우레탄 주입 재료에 대해서 역학실험을 실시하여 주입 재료의 각종 실험 결과를 토대로 토질 정수 값을 적용하여 축조 될 얕은기초 지반의 토질에 대한 안정성 검토(허용지내력, 허용침하량 등)를 통해 중 ? 저층 구조물의 얕은기초 지반에 대한 안정성과 경제성, 시공성 등의 실험 결과를 토대로 연약지반 개량공법 설계에 필요한 정량적인 기초 설계 자료를 정립하고 현장 적용 실험에 연구목적이 있다.
본 연구에서는 고밀도 급속 팽창재를 이용한 얕은기초의 지내력 증대효과를 확인하였다. 이를 위하여 대상지반의 지반 조사를 통하여 토질정수 값을 산정하였고, 재료의 역학적 실험 및 급속 팽창재의 주입 전 · 후의 안정성 검토를 수행하였다.
본 연구에서는 연약지반 위에 축조된 중 ? 저층의 구조물의 얕은기초 지반의 안정화를 위하여 주입재료의 역학적 실험과 주입 후의 안정성 검토를 수행하였다. 구조물 기초지반의 허용지지력 및 허용 침하량을 산정하여 현장시공을 통한 지지력 증대 효과를 비교 분석하였다.
5% 정도 감소한 것으로 조사되었다. 이 시험은 약액주입공법에 사용되는 고밀도 급속 팽창재의 주입약액으로 인하여, 본 지반의 단위용적 질량보다 가중되어 지반 보강 후 주입재로 인한 단위용적질량 증가로 인하여 2차 압밀침하의 원인을 줄여 지반이 안정화의 원인을 찾고자 하는 시험이다.

제안 방법

GPR 지반탐사기를 이용하여 지반의 상태를 알아보기 위하여 고밀도 급속 팽창재를 이용한 현장 적용 시험은 붕적층 지반에 대한 지반보강 전 ? 후 지반 깊이 3 m 이내의 지반에 대해서 탐사 실험을 실시하였다.
구조물 기초지반 보강 대상 지반과 동일한 실험 대상 위치를 선정하여 기초지반에 대한 토질실험을 실시하였고, 설계상의 독립기초 단면 3.6 m × 3.6 m × 0.9 m의 토조 실험체를 Fig. 2와 같이 제작하였다.
구조물 기초지반의 지내력 보강 실험은 대상 지반에 대해서 독립기초 지반까지 터파기 후 평탄 다짐 작업을 하고, 시공전 밀도시험과 평판재하시험을 실시 후 토조를 제작 설치하였다. 토조 제작 후 흙을 채우고 2개소의 주입구를 천공한 후고밀도 급속 팽창재를 주입하여 1시간 경과 후 시험 토조를 해체하였다.
본 연구에서는 연약지반 위에 축조된 중 ? 저층의 구조물의 얕은기초 지반의 안정화를 위하여 주입재료의 역학적 실험과 주입 후의 안정성 검토를 수행하였다. 구조물 기초지반의 허용지지력 및 허용 침하량을 산정하여 현장시공을 통한 지지력 증대 효과를 비교 분석하였다.
7 m 구간에 대한 연약지반보강(개량) 처리방안을 검토하였다. 독립기초 하부에 고밀도 팽창성 폴리우레탄 약액을 경제성과 안정성을 고려하여 순 하중의 2배인 15 t/m 2 목표로 주입 깊이 3.0 m 확산반경 1.2~1.8 m로 보강하여 지내력 증대를 확인하였다.
본 연구는 사용재료, 시공방법에 따라 암반고결공법, 급 경화공법으로 구분된다. 본 연구에서 사용된 공법은 터널의 보강, 여굴 방지 및 효율적인 굴착을 위한 붕락방지, 갱구보강, 균열부지반의 봉합, 공동충전 등에 주로 이용된다.
본 연구에서는 독립기초 6.0 m × 3.8 m, 4.4 m × 4.4 m, 3.6 m × 3.6 m에 대한 허용지내력 및 침하량 검토하였고, 약액주입 후 다짐 성토 높이 2.7 m 구간에 대한 연약지반보강(개량) 처리방안을 검토하였다. 독립기초 하부에 고밀도 팽창성 폴리우레탄 약액을 경제성과 안정성을 고려하여 순 하중의 2배인 15 t/m 2 목표로 주입 깊이 3.
본 연구에서는 고밀도 급속 팽창재를 이용한 얕은기초의 지내력 증대효과를 확인하였다. 이를 위하여 대상지반의 지반 조사를 통하여 토질정수 값을 산정하였고, 재료의 역학적 실험 및 급속 팽창재의 주입 전 · 후의 안정성 검토를 수행하였다. 지반보강 후의 안정성 검토를 확인하기 위하여 구조물 상층부에 변위계를 설치하였고, GPR 장비를 이용한 약액 주입 전후 지반탐사를 수행하였다.
이를 위하여 대상지반의 지반 조사를 통하여 토질정수 값을 산정하였고, 재료의 역학적 실험 및 급속 팽창재의 주입 전 · 후의 안정성 검토를 수행하였다. 지반보강 후의 안정성 검토를 확인하기 위하여 구조물 상층부에 변위계를 설치하였고, GPR 장비를 이용한 약액 주입 전후 지반탐사를 수행하였다.
연약지반의 기초보강을 위하여 재료의 역학적 시험을 통한 토질 정수 값을 선정하였다. 축조될 구조물의 기초지반의 안정성 검토를 위한 일축압축강도시험, 전단강도시험, 단위용적 질량시험을 수행하였다.
구조물 기초지반의 지내력 보강 실험은 대상 지반에 대해서 독립기초 지반까지 터파기 후 평탄 다짐 작업을 하고, 시공전 밀도시험과 평판재하시험을 실시 후 토조를 제작 설치하였다. 토조 제작 후 흙을 채우고 2개소의 주입구를 천공한 후고밀도 급속 팽창재를 주입하여 1시간 경과 후 시험 토조를 해체하였다. 해체된 실험 토조 위치에서 실시한 밀도실험 및평판재하실험은 Fig.

대상 데이터

단위용적 질량시험은 현장적용시험 대상 토질을 대상으로 시험하였다. 시험방법 KS F 2505 규정에 의해 시료를 채취하여 실시하였다.
대상지반은 ○○고등학교에 위치하여 있으며, 주상도는 Fig. 1과 같다.

이론/모형

6.0 m × 3.8 m, 4.4 m × 4.4 m, 3.6 m × 3.6 m의 기초단면을 Terzaghi 공식을 이용하여 독립기초 단면별 허용지지력을 검토하였다. 독립기초 단면별 허용지지력 공식(Terzaghi 공식)은 식 (4)와 같다.
단위용적 질량시험은 현장적용시험 대상 토질을 대상으로 시험하였다. 시험방법 KS F 2505 규정에 의해 시료를 채취하여 실시하였다. 채취한 토질은 사질토로 건조밀도는 2.
일축압축강도시험을 위한 공시체는 1:2 비인 10~20 cm 크기에 KS M 3808시험 방법규정에 의해 3개의 공시체를 제작하였다. 재료의 밀도는 70 kg/m ³ 로 하였다.
전단강도시험은 KS F 2343 규정에 의해 3개의 공시체를 제작하였고 시험재료의 밀도는 70 kg/m ³ 로 하였다. 시험결과 점착력은 = 120.

성능/효과

(1) 고밀도 급속 팽창재료에 대한 역학적 시험결과 일축압축강도 = 125 kPa, 점착력 = 120.5 kPa, 내부마찰각 Φ = 57.4°로 확인되었고, 단위용적 질량실험은 주입량 10 kg/m 3 일 때 사질토의 경우 주입 전 1.550 g/cm ³ , 주입 후 1.387 g/cm ³ 로 약 10.5% 정도 흙의 단위 중량이 감소 된 것으로 조사되었다.
(2) 구조물에 대한 허용지내력 검토 결과(Terzaghi식) 부재 단면별 허용지내력은 기초단면 6.0 × 3.8 m인 경우 20.18 t/m ³ , 4.4 × 4.4 m인 경우 17.64 t/m 3 , 3.6 × 3.6 m인 경우 16.59 t/m ³ 로 확인되었다.
(3) 기초 단면별 침하량을 검토한 결과 고밀도 급속 팽창제를 적용하여 지반개량을 실시 한 결과 6.0 × 3.8 m인 경우 2.28 cm, 4.4 × 4.4 m인 경우 1.55 cm, 3.6 × 3.6 m인 경우 0.46 cm로 모두 허용 침하량 이내에서 안전한 것으로 확인되었다.
(4) 현장 적용 실험 후 기초지반 대상 건축의 최상층 5개소에 경사계를 설치하여 수평변위, 수직변위에 대한 계측을 시공 후 509일 동안 계측한 결과 외관상 구조물의 부등침하 현상이나 침하균열 현상과 관련된 기초와 기둥, 벽체 등에 이상 징후가 일어나지 않았고, 안정된 상태의 계측 값이 조사되어 고밀도 급속 팽창재를 이용한 지반계량 후 지반의 안정성이 충분히 증대된 것으로 조사되었다.
(5) GPR탐사 결과 유효깊이 1.2~3.0 m에 대하여 주입 전후의 파장의 크기를 분석한 결과 주입후의 파장이 50%정도 감소된 것으로 확인되었다. 이는 주입재의 순간 팽창압에 의해 지반의 공극을 채우면서 자반이 압밀강화 된 것으로 확인되었다.
(1995)이 암반 주입용 우레탄계 약액의 온도와 점성과에 관계에 대한 연구를 수행함으로 시작되었다. 그 결과 온도가 높아짐에 따라 겔 타임이 상승되고 토압이 증가됨에 따라 발포율은 선형적으로 감소된다는 것을 확인하였다. Chae et al.
550 g/cm ³ 로 조사되었다. 실험 대상지반에 고밀도 급속 팽창재를 10 kg 주입 후 시료를 채취하여 시험한 결과 단위용적질량은 1.387 g/cm ³ 로 조사되어, 주입 전 사질토 지반의 단위용적 질량에 비해 10.5% 정도 감소한 것으로 조사되었다. 이 시험은 약액주입공법에 사용되는 고밀도 급속 팽창재의 주입약액으로 인하여, 본 지반의 단위용적 질량보다 가중되어 지반 보강 후 주입재로 인한 단위용적질량 증가로 인하여 2차 압밀침하의 원인을 줄여 지반이 안정화의 원인을 찾고자 하는 시험이다.
유효깊이 1.2~3.0 m에 대하여 주입 후 지층의 지반 내 공극과 GPR탐사 파장의 크기를 분석한 결과 Fig. 10b와 같이 파장이 50% 이상 감소 된 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구는 그라우팅 공법 중 우레탄공법을 이용한 고밀도 급속 팽창재를 주입하는 공법으로 연약지반의 중 ? 저층 기초 지반 개량에 효과적이다. 기존 연약지반 개량공법의 문제점인 시공성 및 차수, 내진보강에 대한 부분을 보완함과 동시에 무소음, 무진동, 친환경성이 더해져 연약지반 개량공법에 크게 활용될 것으로 판단된다. 본 연구 내용을 초석으로 추후 씽크홀이나 포트홀과 같은 지반 공동현상에 대한 보완공법으로 연구를 수행하고자 한다.
기존 연약지반 개량공법의 문제점인 시공성 및 차수, 내진보강에 대한 부분을 보완함과 동시에 무소음, 무진동, 친환경성이 더해져 연약지반 개량공법에 크게 활용될 것으로 판단된다. 본 연구 내용을 초석으로 추후 씽크홀이나 포트홀과 같은 지반 공동현상에 대한 보완공법으로 연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고밀도 급속 팽창재이란 무엇인가?	고밀도 급속 팽창재는 주입과 동시에 화학반응으로 인한 순간 발포반응이 생겨 주입재료의 고결부피를 증가시키는 공법으로써 구조물 축조 시 지반의 안정성 확보, 침하 구조물복원 및 차수에 효과적인 공법이다. 이와 관련하여 본 연구에서는 주입재료의 역학적 실험을 통하여 구조물 기초지반의 안정성 평가와 현장시공을 이용한 지내력 증대 효과를 분석하였다.
	지반의 공동이나 도로, 구조물 침하 보강 시 토사를 포설하고 다짐을 반복하는 현상으로 초래되는 현상은 무엇인가?	현재 지반의 공동이나 도로 및 구조물의 침하 보강 시 그라우트재를 주입하거나 보강 대상지역에 대해 토사를 포설하고 다짐을 반복하는 과정을 반복하고 있다. 허나 이러한 과정에서 그라우팅에 비해 지반을 교란시 키고 다짐에 대한 불확실성으로 공동 및 침하가 재 발생하는 경우를 초래할 수 있다.
	그라우팅공법의 개발 목적은 무엇인가?	그라우팅공법은 토목분야에서 주로 불안정한 사면의 보강이 목적이나 매립지역, 제방　또는 댐 등의 차수를 필요로 하는 곳, 구조물의 보수 ? 보강, 연약지반 보강의 수단으로 개발되었다. 최근에는 지하철, 도로 및 공항, 단지조성, 고속철도, 항만, 발전소 등 수많은 대규모 국가 산업시설물 건설공사에서 사용되고 있다.

참고문헌 (15)

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Yu, N.J., Chung, D.S., You, S.K., Park, J.Y., Kim, Y.H., Han, J.G., 2016, An Experimental Study through Various Mixing Ratio of Filling Material for Rapid Reinforcing on Ground Sink: Considering Strength of Neighboring Ground, Korean Geosynthetics Society Academic Presentation Conference, 23-24.

저자의 다른 논문 :

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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