[논문]연약지반 보강을 위한 저유동성 몰탈 개량체의 응력분담비에 관한 연구

박언상; 김병일; 박승도

doi:10.14481/jkges.2020.21.9.15

[국내논문] 연약지반 보강을 위한 저유동성 몰탈 개량체의 응력분담비에 관한 연구
The Study on the Stress Concentration Ratio of Low Slump Mortar Grouting Mixtures for Improving the Soft Ground 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.21 no.9, 2020년, pp.15 - 24

박언상 (Department of Construction System Engineering, Soongsil Cyber University) , 김병일 (Institute of Technology, Expert Group for Earth & Environment) , 박승도 (HanYoung Construction and Technology)

초록
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본 연구에서는 저유동성 몰탈 주입공법의 개량체에 관한 응력분담비를 복합지반법, 지반아칭이론, 소성각법 및 2차원과 3차원 수치해석, 3차원 모형실험을 통해 평가하였다. 복합지반법으로 계산된 응력분담비는 89.3, 3차원 지반아칭이론을 적용할 경우 3.75~59.0, 3차원 소성각법의 경우 82.8로 이론별 응력분담비의 차이가 나타났다. 2차원 수치해석 결과 응력분담비는 63.0~77.0으로 개량율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났고, 3차원 수치해석 결과 50.0~56.0으로 2차원 해석 결과 대비 작게 예측되었다. 대형 삼축압축셀을 이용한 특수 모형 실험의 경우 하중단계별 응력분담비는 53.0~60.0으로 나타났고, 실험으로 평가한 응력분담비는 2차원과 3차원 수치해석적 예측치 내에서 측정되었다. 본 연구에서는 저유동성 몰탈 주입 공법의 개량체에 대하여 해석 및 실험값을 바탕으로 개량율에 따른 응력분담비에 대한 예측식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the stress concentration ratio for the improved material of the low slump mortar grouting was evaluated through the composite ground method, the ground arching theory, the plastic angle method, the 2D and 3D numerical analysis and the 3D model experiment. The stress concentration ratio calculated by the composite ground method was 89.3, 3.75~59.0 when the three-dimensional ground arching theory was applied, and 82.8 for the three-dimensional plastic angle method. As a result of the 2D numerical analysis, the stress concentration ratio was 63.0~77.0, which was found to increase as the improvement ratio increased. The results of 3D numerical analysis were predicted to be 50.0~56.0 smaller than the results of 2D analysis. In the case of a special model experiment using a large triaxial compression cell, the stress concentration ratio for each load step was 53.0~60.0, and the stress concentration ratio evaluated by the experiment was measured within 2D and 3D numerical analysis predictions. In this study, a predictive equation for the stress concentration ratio according to the improvement ratio is proposed based on the analysis and experimental values for the improved ratio of the low slump mortar grouting.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Stress reduction ratio and stress concentration ratio
표 Table 2. The calculation results of theoretical stress concentration ratio
그림 Fig. 1. Test, theoretical and numerical analysis conditions
그림 Fig. 4. Stress concentration ratio with improvement ratio
표 Table 3. Conditions of 2D and 3D numerical analysis
표 Table 4. Input parameters for 2D and 3D numerical analysis
그림 Fig. 2. FEM mesh for numerical analysis
그림 Fig. 3. Stress concentration ratio with loading step
표 Table 5. The results of numerical analysis
표 Table 6. Soil properties
그림 Fig. 5. Slump test for estimating soil-cement ratio
그림 Fig. 6. Preperation and curing of low slump mortar grouting mixtures
그림 Fig. 7. Test procedures
그림 Fig. 8. Test results
그림 Fig. 9. Earth pressure and stress concentration ratio with settlement
그림 Fig. 10. Stress concentration ratio with loading step in large triaxial chamber
그림 Fig. 11. Stress concentration ratio with improvement ratio
표 Table 7. Summary of stress concentration ratio for the low slump mortar grouting

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 실스케일 조건을 구현한 수치해석 침하량을 상사법칙에 의해 모사된 대형 3차원 모형실험에서 발생시켜 연약지반과 개량체간에 발생하는 응력분담비를 산정하였다. 또한, 그 결과를 기존 이론 및 연구 문헌에 제안된 방법을 적용하여 상호 비교 검증하므로써 신뢰성 높은 설계 응력분담비를 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 실제 설계 사례를 바탕으로 대상 대표 단면에 대하여 설계 개량율을 고려한 응력분담비를 산정하고자 하였다. 대상 단면과 개량율은 Fig.
본 연구에서는 저유동성 몰탈 주입공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비를 평가하기 위하여 2차원 및 3차원 수치해석과 3차원 복합지반을 모사하는 지반모형을 제작하여 재하시험을 실시하였다. 특히, 실스케일 조건을 구현한 수치해석 침하량을 상사법칙에 의해 모사된 대형 3차원 모형실험에서 발생시켜 연약지반과 개량체간에 발생하는 응력분담비를 산정하였다.

가설 설정

이때의 지반아칭 형상은 Hewlett & Randolph(1998)가 가정한 폭이 말뚝캡 폭의 1/2인 지반아치로 가정하였다.

제안 방법

(5) 본 연구에서는 2차원 수치해석(상한 한계)과 3차원 수치해석(하한 한계) 결과에 해당하는 각 개량율에 대한 평균값과 실험값을 고려하여 개량율에 따른 응력분담비에 대한 예측식, 응력분담비(n)=As(%)+36에 해당하는 단순한 1차원식을 제안하였다.
11에서 3차원 실험적 응력분담비는 2차원과 3차원 수치해석 값 사이에서 나타나고 있었다. 2차원 수치해석(상한 한계)과 3차원 수치해석(하한 한계) 결과에 해당하는 각 개량율에 대한 평균값과 대형 삼축압축 실험값을 고려하여 개량율에 따른 응력분담비에 대한 예측식을 개발하였고, 응력분담비(n)=As(%)+36에 해당하는 단순한 1차원식을 제안하였다. 또한, Table 7에 제시된 바와 같이 본 연구에서의 대상 개량율 23.
대형 삼축압축실험기(직경=50cm, 높이=100cm)를 이용한 3차원 실험에서는 사례 대상 지반 및 하중 조건 등을 고려한 시험계획을 수립하였다. 응력분담비 실험은 대상 개량율 23.
Table 1에는 본 연구에서 이용한 지반아칭을 이용한 응력감소비 또는 응력분담비 산정방법을 요약하여 제시한 것으로 원지반에 대한 응력감소비를 통해 말뚝에 작용하는 응력 등으로부터 응력분담비를 산정할 수 있었다. 본 방법 들의 경우 지면 관계상 상세 설명은 참고문헌으로 대체하였다.
본 연구에서는 대상 개량율에 대하여 모형실험, 지반아칭이론, 소성각법 및 2차원과 3차원 수치해석 등 다양한 방법을 통해 응력분담비를 산정하였고, 그 결과를 Fig. 11과 Table 7에 종합적으로 제시하였다. Fig.
본 연구에서는 연약지반 보강을 위해 적용사례가 증가하고 있는 저유동성 몰탈 주입공법의 개량체에 관한 응력분담비를 지반아칭이론, 소성각법 및 2차원과 3차원 수치해석, 3차원 모형실험을 통해 평가하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대형 삼축압축실험기(직경=50cm, 높이=100cm)를 이용한 3차원 실험에서는 사례 대상 지반 및 하중 조건 등을 고려한 시험계획을 수립하였다. 응력분담비 실험은 대상 개량율 23.4% 조건에 대하여 실시하였고, 변위제어 방식으로 진행하였다. 이때, 개량체 두부에 토압계 2Set(LSMG 1～2) 및 미개량 원지반에 토압계 1Set(Clay)를 설치하여 토압을 측정하면서 하중 재하를 실시하였다.
시료는 불교란 시료를 대형으로 채취하기가 어려워 교란된 상태로 채취하여 사용하였다. 이 때, 큰 불순물이나 덩어리 등은 제거하였고, 강제 교반 후 함수비 평형을 유도한 후 사용하였다.
4% 조건에 대하여 실시하였고, 변위제어 방식으로 진행하였다. 이때, 개량체 두부에 토압계 2Set(LSMG 1～2) 및 미개량 원지반에 토압계 1Set(Clay)를 설치하여 토압을 측정하면서 하중 재하를 실시하였다.
대형 챔버 또는 삼축압축시험기를 활용하는 경우 구조물의 시공단계에 따른 하중을 재하하거나, 실스케일 조건에서 수치해석으로 얻어진 침하량을 상사법칙에 해당되는 침하량으로 환산하여 해당 변위를 유발시켜 응력분담비를 평가한다. 즉, 연약점토의 시공단계별 침하량을 하중재하장치로 제어하여 각 단계별 침하량 조건에 따라 발생하는 연약점토와 개량체의 응력을 토압계로 측정하여 응력분담비를 산정한다. 본 방법은 현장토와 설계 조건 등을 반영할 수 있어 가장 신뢰도 높은 평가방법으로 알려져 있다.
본 연구에서는 저유동성 몰탈 주입공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비를 평가하기 위하여 2차원 및 3차원 수치해석과 3차원 복합지반을 모사하는 지반모형을 제작하여 재하시험을 실시하였다. 특히, 실스케일 조건을 구현한 수치해석 침하량을 상사법칙에 의해 모사된 대형 3차원 모형실험에서 발생시켜 연약지반과 개량체간에 발생하는 응력분담비를 산정하였다. 또한, 그 결과를 기존 이론 및 연구 문헌에 제안된 방법을 적용하여 상호 비교 검증하므로써 신뢰성 높은 설계 응력분담비를 제시하고자 하였다.
2이며, 3차원의 경우 GTS-NX(Midas)이다. 해석 단면은 개량율(C.T.C 2.2m, As=23.4%) 외에 2가지 조건(C.T.C 2.0m; As=28.3%, C.T.C 2.4m; As=19.6%)을 추가하여 개량율 변화에 따른 응력분담비를 평가하였다.
해석 시 시공 단계는 원지반에 개량체를 설치하고 강성재하(등변위 조건, Box 구조물 고려)를 위해 재하판을 설치, 상부에 설계하중을 단계적으로 재하(총 265kN/m²)하였다.개량체는 직사각형 배치로 무리말뚝(3×3열) 배치를 모사하였다.

대상 데이터

개량체는 직사각형 배치로 무리말뚝(3×3열) 배치를 모사하였다.
1과 같다. 대상으로 하는 저유동성 몰탈 개량체의 직경이 1.2m, 사각형 배치형태로 간격이 2.2m(As=23.4%)임을 고려하여 대형 삼축압축 실험에서는 Fig. 1(c)와 같이 축소(1/10)하여 적용하였다.
본 모형실험에서 사용된 저유동성 몰탈 개량체(LSMG, Low Slump Mixture Grout)는 표준배합비(시멘트=280kg/m³, 조골재=0.5m³, 세골재=0.5m³, 물=0.2m³)를 적용하여 제작하였고, Fig. 5와 같이 배합 후 슬럼프를 확인하여 저유동성 개량체인지를 확인하였다.
시료는 불교란 시료를 대형으로 채취하기가 어려워 교란된 상태로 채취하여 사용하였다. 이 때, 큰 불순물이나 덩어리 등은 제거하였고, 강제 교반 후 함수비 평형을 유도한 후 사용하였다.
대상 개량율과 지반정수를 적용한 수치해석 단면 및 조건은 다음과 같다(Table 3, Table 4). 해석에 이용된 프로그램은 2차원 프로그램의 경우 지반 범용 유한요소해석 프로그램인 Plaxis V8.2이며, 3차원의 경우 GTS-NX(Midas)이다. 해석 단면은 개량율(C.

데이터처리

채취한 시료는 물리적 시험을 2회 수행하여 평균값으로 결과를 산출하였으며, 모든 시험은 KS규격을 준수하여 수행하였다. Table 6에 제시된 바와 같이 실험에 사용된 시료는 자연함수비 47.

이론/모형

본 연구에서는 대상 개량율을 고려한 이론적 응력분담비를 산정하고자 기 제시된 여러 가지 이론 중 적용 사례가 많은 복합지반법(BCJ, 2002), BS 8006 방법(1995), Hong & Lee(2002) 방법, 3차원 소성각법(JCERI, 2007)을 이용하였다.

성능/효과

(1) 복합지반법으로 계산된 응력분담비는 89.3, 3차원 지반아칭이론을 적용할 경우 3.75～59.0, 3차원 소성각법의 경우 82.8로 이론별 응력분담비의 차이가 나타났다. 다만, BS Code를 제외한 경우에는 각 이론별 응력분담비의 차이가 크게 작아짐을 알 수 있었다.
(2) 2차원 수치해석 결과, 하중 재하 시 개량체 내에서 발생되는 연직응력이 두부 부근(약 3.5m)에 집중되는 것으로 나타났으며, 응력분담비의 경우 하중 재하면을 기준으로 63.0～77.0으로 개량율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일 개량율에서 하중변화에 따른 응력분담비의 차이는 미미한 것으로 나타났다.
(3) 3차원 수치해석 결과, 하중 재하 시 단계별 응력분담비는 50.0～56.0으로 2차원 해석 결과(63.0～77.0) 대비 작게 예측되었다. 또한 개량율에 따른 응력분담비는 하중 재하면을 기준으로 개량율이 증가함에 따라 비례하는 것으로 나타났으나 2차원과는 달리 큰 차이를 보이지 않았으며 하중변화에 따른 응력분담비의 차이 또한 미미한 것으로 나타났다.
(4) 대형 삼축압축셀을 이용한 특수 모형 실험의 경우 재하된 하중의 크기가 증가하면서 개량체가 부담하는 하중이 증가하여 저유동성 몰탈 개량체의 응력분담비도 증가하였다. 하중단계별 응력분담비는 53.
Fig. 8(a)～(c)에 제시된 바와 같이 등변위 재하조건에서 수치해석과 유사하게 점토가 분담하는 하중보다 개량체가 분담하는 하중이 큰 것으로 측정되었다. 즉, 토압은 변위량이 증가할수록 점토보다는 개량체에 집중되는 현상을 보였다.
0 이상의 값을 평가하고 있었고, 이론적인 방법이 수치해석과 실험값보다 다소 높게 예측하는 것으로 분석되었다. 따라서, 본 연구에서의 제안식을 적용한 약 60.0 정도의 응력분담비를 적용해야 하는 것으로 판단된다.
그러나 하중 단계별 응력분담비는 50～56으로 2차원 해석 결과(63～77) 대비 작은 것으로 나타났다. 또한 개량율에 따른 응력분담비는 하중 재하면을 기준으로 개량율이 증가함에 따라 비례하는 것으로 나타났으나 2차원과는 달리 큰 차이를 보이지 않았으며 하중변화에 따른 응력분담비의 차이 또한 미미한 것으로 나타났다.
2차원 수치해석(상한 한계)과 3차원 수치해석(하한 한계) 결과에 해당하는 각 개량율에 대한 평균값과 대형 삼축압축 실험값을 고려하여 개량율에 따른 응력분담비에 대한 예측식을 개발하였고, 응력분담비(n)=As(%)+36에 해당하는 단순한 1차원식을 제안하였다. 또한, Table 7에 제시된 바와 같이 본 연구에서의 대상 개량율 23.4% 조건에서 이론적, 해석적, 실험적 방법 대부분 저유동성 몰탈주입 개량체의 응력분담비로 50.0～60.0 이상의 값을 평가하고 있었고, 이론적인 방법이 수치해석과 실험값보다 다소 높게 예측하는 것으로 분석되었다. 따라서, 본 연구에서의 제안식을 적용한 약 60.
0으로 개량율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일 개량율에서 하중변화에 따른 응력분담비의 차이는 미미한 것으로 나타났다.
9는 점토와 개량체에서 측정된 응력(토압)과 이를 적용하여 산정된 응력분담비를 제시한 것이다. 응력분담비는 하중이 증가할수록 천천히 증가하는 경향을 보였고, 최소 47.3에서 최대 69.3까지 변화하였다. 평균 응력분담비는 58.
5m까지 집중되는 것으로 나타났으며, 하부의 경우 상대적으로 점토 대비 경질인 자갈층으로 일부 응력이 전이되어 감소하는 것으로 나타났다. 응력분담비의 경우 63～77의 범위를 예측하였으며, 하중 재하면을 기준으로 개량율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났으나 동일 개량율에서 하중변화에 따른 응력분담비의 차이는 미미한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 대상 개량율을 고려한 이론적 응력분담비를 산정하고자 기 제시된 여러 가지 이론 중 적용 사례가 많은 복합지반법(BCJ, 2002), BS 8006 방법(1995), Hong & Lee(2002) 방법, 3차원 소성각법(JCERI, 2007)을 이용하였다. 이론적 응력분담비 산정결과, 단순 아칭계수로 산정하는 BS 8006 방법이 3.75로 가장 낮게 산정되었으며, 탄성계수를 고려한 복합지반법이 89.3으로 가장 크게 산정되어 이론식 간 차이가 크게 나타남을 확인하였다.
즉, 토압은 변위량이 증가할수록 점토보다는 개량체에 집중되는 현상을 보였다. 점토의 경우 최대 6kPa 부근에서 수렴하는 경향을 보였고, 개량체의 경우 최대 400～450kPa에 수렴하는 경향을 보였다. Fig.
8(a)～(c)에 제시된 바와 같이 등변위 재하조건에서 수치해석과 유사하게 점토가 분담하는 하중보다 개량체가 분담하는 하중이 큰 것으로 측정되었다. 즉, 토압은 변위량이 증가할수록 점토보다는 개량체에 집중되는 현상을 보였다. 점토의 경우 최대 6kPa 부근에서 수렴하는 경향을 보였고, 개량체의 경우 최대 400～450kPa에 수렴하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저유동성 몰탈 주입공법의 특징은 무엇인가?	저유동성 몰탈 주입공법(Low Slump Mortar Grouting, LSMG)은 슬럼프가 작은 저유동성 재료(5cm 이내)를 사용하기 때문에 주입재가 계획된 장소에서 이탈되지 않으며, 균질한 고결체를 형성한다. 또한 주입된 재료는 주변지반을 압축 강화시켜서 지반을 개량할 수 있다. 뿐만 아니라 필요에 따라 강도를 임의로 조절(3MPa∼20MPa)할 수 있으며, 강도가 균질한 고결체를 형성하기 때문에 말뚝으로도 사용할 수 있고, 기설 구조물의 주변 혹은 지하실 등 좁은 작업 장소에서도 시공이 가능하다. 특히, 일반적인 심층혼합처리공법 대비 저소음, 저진동으로 공해가 적고, 단시간에 큰 강도와 큰 강성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
	기존에 사용하던 연약지반개량공법의 문제점은 무엇인가?	연약지반개량공법은 연직배수공법, 모래다짐말뚝공법, 쇄석말뚝공법, 치환공법 등이 있다. 이러한 공법들은 지반의 강도를 개선시키는데 한계가 있으며 두꺼운 연약지반에는 적용하기가 어려운 단점이 있다. 이에 따라 지반개량 공사에 심층혼합처리공법, 고압분사공법 및 저유동성 몰탈 주입공법 등의 시멘트계 지반보강공법의 적용이 증가하고 있다.
	연약지반개량공법엔 무엇이 있는가?	연약지반개량공법은 연직배수공법, 모래다짐말뚝공법, 쇄석말뚝공법, 치환공법 등이 있다. 이러한 공법들은 지반의 강도를 개선시키는데 한계가 있으며 두꺼운 연약지반에는 적용하기가 어려운 단점이 있다.

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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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