[논문]농업용 저수지 제체에서의 그라우팅 주입효과 확인방법의 검증

김형신; 문성우; 임국묵; 서용석

doi:10.9720/kseg.2021.3.381

초록
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농업용 저수지 제체에 대한 그라우팅 주입효과 확인방법을 검증하기 위하여 물리·역학적 방법, 수리학적 방법, 지구물리학적 방법을 적용하여 결과를 분석하였다. 실내시험과 현장시험을 통하여 획득한 데이터들은 그라우팅 주입단계에 따라 ① 그라우팅 이전, ② 그라우팅 중 ③ 그라우팅 직후, ④ 그라우트재재령 28일 이후로 구분하여 획득되었다. 시추과정에서 획득되는 단위중량, 압축강도, 마찰각, 점착력, N값(관입저항치)의 경우 지반 개량을 확인할 수는 있지만, 지반의 불균질성에 기인하는 한계도 나타났다. 현장 투수시험으로 측정된 투수계수는 그라우트재가 고결되기 이전에도 차수성이 확인되어 그라우팅 직후에 저수지 제체의 개량효과를 확인하기에 가장 적합한 것으로 나타났다. 전기비저항탐사는 그라우팅 이전 저수지 제체에 발달하는 포화대와 누수영역 파악 활용에 적합하였다. 표면파탐사(MASW)는 그라우팅 주입 이후에 탄성파속도가 점차적으로 증가하는 경향성이 뚜렷하여 개량효과를 판단하는데 효과적인 것으로 판단되며, 탄성파 속도를 이용하여 동적특성을 산정할 수 있으므로 내진설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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Physical, mechanical, hydraulic, and geophysical tests were applied to validate methods of inspecting the effectiveness of grouting on an agricultural reservoir dam. Data obtained from series of in situ and laboratory tests considered four stages: before grouting; during grouting; immediately after ...

Physical, mechanical, hydraulic, and geophysical tests were applied to validate methods of inspecting the effectiveness of grouting on an agricultural reservoir dam. Data obtained from series of in situ and laboratory tests considered four stages: before grouting; during grouting; immediately after grouting; and after aging the grouting for 28 days. The results of SPT and triaxial tests, including the unit weight, compressive strength, friction angle, cohesion, and N-value, indicated the extent of ground improvement with respect to grout injection. However, they sometimes contained errors caused by ground heterogeneity. Hydraulic conductivity obtained from in situ variable head permeability testing is most suitable for identifying the effectiveness of grouting because the impermeability of the ground increased immediately after grouting. Electric resistivity surveying is useful for finding a saturated zone and a seepage pathway, and multichannel analysis of surface waves (MASW) is suitable for analyzing the effectiveness of grouting, as elastic velocity increases distinctly after grouting injection. MASW also allows calculation from the P- and S- wave velocities of dynamic properties (e.g., dynamic elastic modulus and dynamic Poisson's ratio), which can be used in the seismic design of dam structures.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Grouting section and locations of field tests and sampling in the study reservoir.
표 Table 1. Stages of field testing and sampling for laboratory tests
표 Table 2. Numbers and locations of samples taken for laboratory tests
그림 Fig. 2. Changes in wet and dry unit weights for respective grout injection stages.
그림 Fig. 3. Changes in compressive strength, friction angle, and cohesion for respective grout injection stages.
그림 Fig. 4. Changes in SPT N-value for respective grout injection stages.
그림 Fig. 5. Changes in laboratory permeability for respective grout injection stages.
그림 Fig. 6. Core samples obtained immediately after grouting (No. 9+00; depth: 7.0-8.0m).
그림 Fig. 7. Changes in in-situ permeability for respective grout injection stages.
그림 Fig. 8. Comparison of permeability between laboratory and in situ tests.
그림 Fig. 9. Diagram of size effects (modified from Hoek and Brown, 1997).
그림 Fig. 10. Electrical resistivity survey profiles for respective grout injection stages.
그림 Fig. 10. Continued.
그림 Fig. 11. Changes in resistivity (ave.) at depths of 5-10 m for respective grout injection stages.
표 Table 3. Electrical resistivity (ave.) and storage rate for respective survey stages
그림 Fig. 12. Changes in resistivity (ave.) at depths of 5-10 m for respective grout injection stages.
표 Table 4. Results for dynamic properties calculated by applying average seismic velocities

AI 본문요약
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문제 정의

5 m)이 분포하였다. 농업용 저수지 제체에서 시행되는 그라우팅은 차수능력의 향상이 가장 큰 목적이지만, 물리 ‧ 역학적 특성 변화를 관찰함으로써 그라우팅에 의한 중심 코어 물질의 강도특성 변화를 검토하고자 한다.
본 연구에서는 노후 저수지의 보수 ‧ 보강을 위해 가장 많이 시행되는 그라우팅공법의 주입효과를 확인하기 위한 여러 방법의 유효성을 검증하였다.
본 연구에서는 유지보수를 위해 그라우팅 주입을 실시하는 농업용 저수지 제체를 대상으로 주입단계별로 물리 ‧ 역학적 방법(단위중량, 삼축압축시험, 표준관입시험), 수리학적 방법(실내 및 현장 투수시험), 지구물리학적 방법(전기비저항탐사, MASW) 등을 적용하여, 주입단계별 그라우팅공법의 주입효과를 확인함으로써 여러 가지 주입효과 평가방법의 적절성에 대하여 검토하고자 한다.

제안 방법

각종 시험을 통해 획득한 데이터들은 그라우팅 주입 시점을 기준으로 ① 그라우팅 이전, ② 그라우팅 중, ③ 그라우팅 직후, ④ 그라우트재 재령 28일 이후, 총 4단계로 구분하여 분석을 수행하였다. 그라우트재 재령 28일 이후를 구분한 이유는 시멘트가 물과 혼합되어 28일 후 80%, 90일 후 90%, 3년 후 100%의 경화력을 보이고, 콘크리트로 구조물을 시공하는 경우 역학적인 계산 시 28일을 기준으로 하는 점을 고려하였다.
표면파 탐사(MASW)는 Table 1에서 언급한 것과 같이 그라우팅 중에 1회, 직후에 1회, 재령 28일 이후 1회, 총 3회를 실시하였다. 그라우팅 주입에 의한 지반개량의 판단지표로서의 유효성을 살펴보기 위하여 중심코어를 대상으로 P파와 S파의 속도를 검토하였다. 평균 P파 속도는 1차 357 m/sec, 2차 415 m/sec, 3차 458 m/sec이며, 평균 S파 속도도 1차 158 m/sec, 2차 177 m/sec, 3차 196 m/sec로 평균 P파 및 S파 속도가 증가하는 양상을 보였다.
표면파 탐사(MASW)는 Table 1에서 언급한 것과 같이 그라우팅 중에 1회, 직후에 1회, 재령 28일 이후 1회, 총 3회를 실시하였다. 그라우팅 주입에 의한 지반개량의 판단지표로서의 유효성을 살펴보기 위하여 중심코어를 대상으로 P파와 S파의 속도를 검토하였다.
현장에서 표준관입시험을 실시하여 중심코어의 그라우팅 이전과 직후, 재령 28일 이후의 N값(타격횟수)의 변화를 검토하였다. Fig.

대상 데이터

전기비저항탐사는 수평탐사 방법인 쌍극자배열법(Dipole-Dipole Array)을 이용하여 1개 측선(95 m)에 대하여 실시하였다. MASW 탐사는 2 m 간격으로 배열된 24개의 수진기(Geophone)를 이용하여 측선당 길이 46 m, 두 측선의 자료를 획득하였고, 각 측 선마다 25개의 기록을 획득하였다.

이론/모형

그라우팅 진행단계에 따른 차수효과를 파악하기 위하여 전기비저항탐사와 MASW 탐사를 수행하였다. 전기비저항탐사는 수평탐사 방법인 쌍극자배열법(Dipole-Dipole Array)을 이용하여 1개 측선(95 m)에 대하여 실시하였다.
실내시험을 위해 채취된 시료의 개수 및 위치 정보는 Table 2와 같으며, 시료는 시추작업을 통해 코어 형태로 채취되었다. 실내시험 시 습윤 및 건조 단위중량 측정은 KS F 2306(2020), 삼축압축강도 시험, 점착력 및 마찰각 산정은 KS F 2346(2017)의 기준에 근거하여 실시되었다. 표준관입시험 시에는 KS F 2307(2017)에 따랐으며, 심도별 1.
그라우팅 진행단계에 따른 차수효과를 파악하기 위하여 전기비저항탐사와 MASW 탐사를 수행하였다. 전기비저항탐사는 수평탐사 방법인 쌍극자배열법(Dipole-Dipole Array)을 이용하여 1개 측선(95 m)에 대하여 실시하였다. MASW 탐사는 2 m 간격으로 배열된 24개의 수진기(Geophone)를 이용하여 측선당 길이 46 m, 두 측선의 자료를 획득하였고, 각 측 선마다 25개의 기록을 획득하였다.
실내시험 시 습윤 및 건조 단위중량 측정은 KS F 2306(2020), 삼축압축강도 시험, 점착력 및 마찰각 산정은 KS F 2346(2017)의 기준에 근거하여 실시되었다. 표준관입시험 시에는 KS F 2307(2017)에 따랐으며, 심도별 1.5 m 간격으로 실시하였다.

성능/효과

물리 ‧ 역학적 방법에 속하는 단위중량, 압축강도, 마찰각, 점착력, N값(관입저항치)의 경우 그라우팅이 진행됨에 따라 제체의 강도가 일부 개량된 것을 확인하는데 유효하다. 하지만 강도의 증가가 곧 차수성의 증가를 의미하지는 않으며, 동일 위치에서 반복적으로 시료를 채취하기 어렵고, 불균질한 지반 특성을 반영하기 위해서는 분석시료 수가 증가되어야 하는 단점도 있었다.
실내 투수시험의 경우 대체로 차수성이 확인되지만 크기효과와 물의 흐름조건 때문에 현장의 투수성을 대표하기에는 부적절한 것으로 판단된다. 전기비저항탐사는 탐사 시기에 따라 변하는 외부요인으로 인하여 그라우팅 주입과정에 따른 비저항 값을 절대값으로 비교하기 어려운 단점이 있으나, 그라우팅 단계별 비저항치의 경향성을 통하여 지반개량 효과를 확인할 수 있다.
표면파탐사(MASW)는 그라우팅 주입과정에 따라 정량적인 값인 탄성파속도가 점차적으로 증가하고, 저속도층이 개선되는 양상을 보이므로 저수지 제체의 변화과정을 파악하는데 좀 더 유효한 것으로 나타났다. 또한 탄성파 속도를 이용하여 제체의 동적특성을 파악할 수 있기 때문에 내진설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
물리 ‧ 역학적 방법에 속하는 단위중량, 압축강도, 마찰각, 점착력, N값(관입저항치)의 경우 그라우팅이 진행됨에 따라 제체의 강도가 일부 개량된 것을 확인하는데 유효하다. 하지만 강도의 증가가 곧 차수성의 증가를 의미하지는 않으며, 동일 위치에서 반복적으로 시료를 채취하기 어렵고, 불균질한 지반 특성을 반영하기 위해서는 분석시료 수가 증가되어야 하는 단점도 있었다.
저수지 제체의 차수효과를 확인하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법에는 현장 투수시험과 전기비저항탐사법이있다. 현장 투수시험으로 측정된 투수계수는 그라우팅 주입 직후에 그라우트재가 고결되기 이전부터 차수성이 뚜렷하게 향상되는 것이 확인되기 때문에, 그라우팅 직후에 저수지 제체의 개량효과를 확인하는 방법으로 적합한 것으로 판단된다. 실내 투수시험의 경우 대체로 차수성이 확인되지만 크기효과와 물의 흐름조건 때문에 현장의 투수성을 대표하기에는 부적절한 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서는 일반적으로 현장에서 실시되는 것과 같이 그라우팅 이전, 직후, 재령 28일 이후에 각 1회씩 표준 관입시험을 실시하였기 때문에, 앞에서 기술한 것과 같은 N값의 불규칙성을 정확히 설명하기가 어렵다. 따라서 중심코어가 균질하다는 가정 하에 서로 인접한 위치에서 시행되는 단계별 표준관입시험의 결과만을 이용하여 그라우팅에 의한 지반개량 효과를 파악하는 것은 바람직하지 않고, 다른 분석의 결과를 동시에 검토해야 하며, 검사공의 수를 증가시키는 것도 대안이 될 수 있다.
표면파탐사(MASW)는 그라우팅 주입과정에 따라 정량적인 값인 탄성파속도가 점차적으로 증가하고, 저속도층이 개선되는 양상을 보이므로 저수지 제체의 변화과정을 파악하는데 좀 더 유효한 것으로 나타났다. 또한 탄성파 속도를 이용하여 제체의 동적특성을 파악할 수 있기 때문에 내진설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (15)

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Lee, H.W., Chang, P.W., 2007, Correlation between the laboratory and in-situ permeabilities for the embankments, KSCE Journal of Civil Engineering, 11(1), 1-5.

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Vallejo, L.G., Ferrer, M., 2011, Geological engineering, Taylor and Francis, London, 679p.

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