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문제 정의
- 본 연구에서는 상기 기술한 지오튜브의 기초적 연구를 바탕으로, 지오튜브 채움토사가 세립분을 많이 함유한 실트질 점토일 경우에 대하여 실대형 크기의 현장시험을 실시하고, 시공방법 및 지오 튜브의 거동에 대하여 연구를 수행하였다. 모래와 실트질 조립토에 적용하였던 임페라식 펌프의 적 용성 한계를 극복하기 위하여, 오니 및 이토질 준설을 위하여 특수 제작된 준설선을 이용하여 장거리 펌핑을 통한 수리학적 채움을 실시하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산되는 지오텍스타일의 특성치 연구 및 지오튜브 적용성에 대한 기초 적 연구결과를 바탕으로, 세립분을 많이 함유한 실트질 점토에 대한 적용성을 연구하였다. 표 2는 본 연구의 현장시험시공에 사용한 국내생산 지오텍스타일의 특성치를 나타낸 것이며, 그림 2는 지 오텍스타일의 형태를 사진으로 나타낸 것이다.
- 국내기술력을 바탕으로 한 지오튜브 공법의 기초적 연구를 바탕으로 본 연구에서는 지오튜브 시 공을 위하여 특수제작한 펌프준설선의 시공효율에 대하여 검증하였고, 세립분을 많이 함유한 실트 질 점토를 채움토사로 사용하였을 경우, 지오튜브의 장기거동에 대하여 연구를 수행하였다. 현장시 험시공을 통한 연구결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상기 기술한 지오튜브의 기초적 연구를 바탕으로, 지오튜브 채움토사가 세립분을 많이 함유한 실트질 점토일 경우에 대하여 실대형 크기의 현장시험을 실시하고, 시공방법 및 지오 튜브의 거동에 대하여 연구를 수행하였다. 모래와 실트질 조립토에 적용하였던 임페라식 펌프의 적 용성 한계를 극복하기 위하여, 오니 및 이토질 준설을 위하여 특수 제작된 준설선을 이용하여 장거리 펌핑을 통한 수리학적 채움을 실시하였다. 펌핑압력 및 속도에 따른 단계별 시공을 실시하였으 며, 계측항목은 시간에 따른 지오튜브 내의 압력변화, 전단강도, 유효높이, 단위중량의 변화 등을 측 정하였다
- 모래와 실트질 조립토에 적용하였던 임페라식 펌프의 적 용성 한계를 극복하기 위하여, 오니 및 이토질 준설을 위하여 특수 제작된 준설선을 이용하여 장거리 펌핑을 통한 수리학적 채움을 실시하였다. 펌핑압력 및 속도에 따른 단계별 시공을 실시하였으 며, 계측항목은 시간에 따른 지오튜브 내의 압력변화, 전단강도, 유효높이, 단위중량의 변화 등을 측 정하였다
- 모 래 및 실토질 토사의 경우, 제트펌프, Sand 펌프 등과 같은 임페라형식 펌프의 적용이 가능하였으 나, 이토질이나 세립분을 많이 함유한 점토질 토사의 경우, 임페라 펌프의 날개 및 배송관이 막힘현 상 등으로 원활한 채움작업을 수행할 수 없는 한계점이 발견되었다. 따라서 본 연구에서는 하상오니 및 이토질 준설선을 지오튜브의 수리학적 채움작업에 적합하도록 개조한 준설선을 사용하였다. 준설선의 주요사양은 그림 1의 (a), (b)에 나타낸 바와 같다.
- 본 준설선은 토사를 세척 브러쉬가 부착된 스크류 로다를 통하여 중앙 부분에 토사가 모아지면 유압식 펌프를 작동시켜 강력한 흡입력으로 준설작업을 할 수 있다. 또한, 하상에 퇴적된 이물질들 이 펌프에 유입되는 것을 방지 할 수 있게 펌프 흡입구에 회전 칼날을 부착하여 임페라(Impeller)를 보호하면서 준설을 할 수 있고, 수심이 얕은 지역에서의 작업도 원활히 할 수 있도록 유압장치를 설치 하여 무동력으로도 준설선의 이동이 자유롭도록 제작하였다. 또한, 펌프와 배송관의 막힘을 방지하기 위하여, 특별히 고안된 스크류 로다 부분에 Water Jet 노즐 및 브러쉬를 부착하여 수압 및 브러쉬 에 의하여 임페라 세척과 준설을 동시에 실시할 수 있도록 하였다.
- 또한, 하상에 퇴적된 이물질들 이 펌프에 유입되는 것을 방지 할 수 있게 펌프 흡입구에 회전 칼날을 부착하여 임페라(Impeller)를 보호하면서 준설을 할 수 있고, 수심이 얕은 지역에서의 작업도 원활히 할 수 있도록 유압장치를 설치 하여 무동력으로도 준설선의 이동이 자유롭도록 제작하였다. 또한, 펌프와 배송관의 막힘을 방지하기 위하여, 특별히 고안된 스크류 로다 부분에 Water Jet 노즐 및 브러쉬를 부착하여 수압 및 브러쉬 에 의하여 임페라 세척과 준설을 동시에 실시할 수 있도록 하였다. 본 특수제작 준설선의 주요장비는 다음과 같다.
- 일반적 으로 수리학적 시공방법이 시공이 용이하고, 시공속도가 빨라 주로 사용된다. 본 연구의 현장시험 시공에서도 준설선을 이용한 수리학적 시공방법을 도입하여 시험시공을 실시하였다. 시험시공 현 장은 송도 공유수면 매립공사 제 1공구 준설현장에서 실시하였으며, 시험시공 개요도는 그림 4에서 보는 바와 같다.
- 시험시공 현 장은 송도 공유수면 매립공사 제 1공구 준설현장에서 실시하였으며, 시험시공 개요도는 그림 4에서 보는 바와 같다. 현장시험시공을 통하여, 준설선의 시공효율성 및 세립분을 많이 함유한 실트질 점도에 대한 적용성을 검증하기 위하여 펌프압력 및 속도 등의 변화를 주었다. 계측항목은 내부 채 움토사의 함수비변화와 종방향 및 횡방향의 단위중량을 측정하였으며, 그림 4에서 보는 바와 같이, 지오튜브 하부에 4m 간격으로 토압계를 설치하여 배수상태와 자중압밀에 의한 하부토압변화를 측 정하였다.
- 현장시험시공을 통하여, 준설선의 시공효율성 및 세립분을 많이 함유한 실트질 점도에 대한 적용성을 검증하기 위하여 펌프압력 및 속도 등의 변화를 주었다. 계측항목은 내부 채 움토사의 함수비변화와 종방향 및 횡방향의 단위중량을 측정하였으며, 그림 4에서 보는 바와 같이, 지오튜브 하부에 4m 간격으로 토압계를 설치하여 배수상태와 자중압밀에 의한 하부토압변화를 측 정하였다. 또한 지오튜브 내부토사의 자중압밀에 따른 전단강도를 측정하기 위하여, 현장 Vane시험 기를 이용하여, 시간 및 단위중량변화에 따른 전단강도를 측정하였다.
- 계측항목은 내부 채 움토사의 함수비변화와 종방향 및 횡방향의 단위중량을 측정하였으며, 그림 4에서 보는 바와 같이, 지오튜브 하부에 4m 간격으로 토압계를 설치하여 배수상태와 자중압밀에 의한 하부토압변화를 측 정하였다. 또한 지오튜브 내부토사의 자중압밀에 따른 전단강도를 측정하기 위하여, 현장 Vane시험 기를 이용하여, 시간 및 단위중량변화에 따른 전단강도를 측정하였다. 시공 시 적용한 펌프압력은 시공속도 및 압력으로 인한 지오튜브의 파열강도를 고려하여 결정하였으며, 그림 5의 (a), (b)는 특수제작한 준설선과 수리학적 방법에 의한 지오튜브의 현장시험 시공장면을 나타낸 것이다.
- 지오튜브의 세부적인 시공방법은 현장조건 및 채움토사의 종류에 따라 다양한 방법으로 시공을 실시한다. 세립분을 많이 함유한 실트질 점토를 적용한, 본 연구에서는 그림 6에서 보는 바와 같이, 총 11시간에 걸쳐 4단계의 단계별 시공을 실시하였다. 1단계시공 높이는 0.
- 세립분을 많이 함유한 실트질 점토를 적용한, 본 연구에서는 그림 6에서 보는 바와 같이, 총 11시간에 걸쳐 4단계의 단계별 시공을 실시하였다. 1단계시공 높이는 0.6m, 2단계는 0.8m, 3단계 는 1.1m, 최종단계에서는 1.2m의 높이로 펌핑을 실시하였으며, 각각의 펌핑시간은 1시간~2시간, 배수시간은 2시간~6시간으로 조절하여 시공하였다. 단계별 시공 최종높이는 지오튜브의 봉합강도를 고려하여, 유효높이 1.
- 시공단계 및 시공완료 후 자중압밀에 따른 지오튜브의 형태변화를 측정하기 위하여, 유입구와 중앙 및 유출구 위치에 대하여 높이, 폭, 둘레변화를 측정하였다. 그림 7은 시간변화에 따른 높이, 폭, 둘레변화를 나타낸 것이며, 그림 8은 시공 후 11일 후의 지오튜브의 형태를 나타낸 것이다.
- 일반적으로 모래 및 실트질 토사와 같이 상대적으로 입자가 굵은 토사의 경우, 배수 및 자중 압밀이 단기간에 완료되어 지오튜브의 구조물 강도를 확보하지만, 본 연구에 적용한 토사와 같이, 세 립분을 많이 함유한 토사의 경우, 시공중의 단계별 시공은 물론, 배수 및 자중압밀이 완료되는 데도 상당한 시간이 소요된다. 본 연구에서는 지오튜브의 위치 및 시간에 따른 자중압밀과정을 관찰하기 위하여, 종방향으로 상단부와 하부, 횡방향으로 유입구, 중앙 및 유출구의 함수비 변화 및 단위중량을 측정하였다. 각각의 위치와 시간에 따른 단위중량의 변화는 그림 9와 그림 10에 나타낸 바와 같다.
- 지오튜브의 시공 후, 자중압밀에 따른 내부 토사의 전단강도 변화를 측정하기 위하여 현장 Vane 시험을 실시하였다. 시험위치는 종방향으로 심도 15cm 간격으로 측정하였으며, 횡방향으로는 유입 구, 중앙, 유출구에 대하여 시험을 실시하였다. 그림 11은 지오튜브 내부의 전단강도를 측정한 결과 를 나타낸 것이다.
- 지오튜브의 시공 후, 자중압밀에 따른 내부 토사의 전단강도 변화를 측정하기 위하여 현장 Vane 시험을 실시하였다. 시험위치는 종방향으로 심도 15cm 간격으로 측정하였으며, 횡방향으로는 유입 구, 중앙, 유출구에 대하여 시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 지오튜브 채움토사는 송도 공유수면 1공구 매립에 사용된 준설토를 사용하였다. 현장시험시공을 수행한 “송도 1공구 공유수면매립공사”현장은 현재 준설 및 매립공사가 진행중 인 상태로서 대형 펌프준설선이 해저의 준설토를 준설하여, 배송관을 통하여 준설지역으로 압송하며, 배송관을 통하여 유출된 준설토는 물과 함께 이동하며 자중에 의하여 입자가 분리된다.
- 현장시험시공을 수행한 “송도 1공구 공유수면매립공사”현장은 현재 준설 및 매립공사가 진행중 인 상태로서 대형 펌프준설선이 해저의 준설토를 준설하여, 배송관을 통하여 준설지역으로 압송하며, 배송관을 통하여 유출된 준설토는 물과 함께 이동하며 자중에 의하여 입자가 분리된다. 준설토의 성분은 크게 모래, 점토, 점토덩어리, 암석등으로 구성되며, 본 연구에 사용한 토사는 준설매립지역의 여수토에 쌓인 실트질 점토를 사용하였다. 채움토사의 기본물성시험 결과는 표 3에 나타낸 바와 같으며, 비중계 분석을 통한 채움토사의 입도분포곡선은 그림 3에 나타낸 바와 같다.
- 본 연구의 현장시험 시공에서도 준설선을 이용한 수리학적 시공방법을 도입하여 시험시공을 실시하였다. 시험시공 현 장은 송도 공유수면 매립공사 제 1공구 준설현장에서 실시하였으며, 시험시공 개요도는 그림 4에서 보는 바와 같다. 현장시험시공을 통하여, 준설선의 시공효율성 및 세립분을 많이 함유한 실트질 점도에 대한 적용성을 검증하기 위하여 펌프압력 및 속도 등의 변화를 주었다.
성능/효과
- 그림 7은 시간변화에 따른 높이, 폭, 둘레변화를 나타낸 것이며, 그림 8은 시공 후 11일 후의 지오튜브의 형태를 나타낸 것이다. 그림 7에서 보는 바와 같이 지오튜브의 높이는 시간이 지남에 따라, 내부 채움토사의 침강 및 배수에 의하여 감소하는 경향을 보였으며, 최종시공완료 후 약 28시간 이후부터 완만한 변화를 보 였다. 둘레변화는 높이가 감소함에 따라 바닥의 접지면적이 증가하여 점차적으로 감소하였다.
- 각각의 위치와 시간에 따른 단위중량의 변화는 그림 9와 그림 10에 나타낸 바와 같다. 지오튜브 내부의 단위중량 변화는 초기 측정시점인 10일후의 단위중량을 기준으로, 습윤단위중 량의 경우, 10.3%~29.6%의 증가를 보였으며, 건조단위중량의 경우, 16.6%~27.0%의 증가를 나타내 었다. 또한 위치에 따른 단위중량은 횡방향위치에 따라서는 미세한 변화를 보였으나, 종방향 위치에 따른 변화는 상부에 비하여 하부의 단위중량이 습윤단위중량의 경우, 약 23.
- 0%의 증가를 나타내 었다. 또한 위치에 따른 단위중량은 횡방향위치에 따라서는 미세한 변화를 보였으나, 종방향 위치에 따른 변화는 상부에 비하여 하부의 단위중량이 습윤단위중량의 경우, 약 23.5%, 건조단위중량의 경우, 37.1% 큰 값을 나타내었다.
- 그림 11은 지오튜브 내부의 전단강도를 측정한 결과 를 나타낸 것이다. 각각의 위치에 따른 시험결과, 지오튜브 하단부의 전단강도가 상부의 전단강도에 비해, 최대 1.68배 이상 더 증가한 것으로 나타났다. 즉, 지오튜브의 하단부가 상부의 하중에 의한 자중압밀이 급속히 진행되어 전단강도의 증가량이 크게 발생된 것으로 판단된다.
- 1. 준설선에 장착된 특수 스크류로다와 칼날장치는 단단하게 침전되어 있는 하상의 토사를 준설하 며, 임페라 펌프의 막힘현상을 방지하는데 효과적인 것으로 나타났으며, 유압펌프 및 압송장치는 약 400mm이상의 거리를 충분히 토사를 압송하여, 본 준설선은 지오튜브 시공에 상당히 효율적인 것으로 나타났다.
- 3. 시공완료 후, 시간변화에 따른 지오튜브의 위치별 형태변화 측정결과, 유입구와 유출구의 높이편차가 최대 12cm의 편차를 보여, 펌핑압력에 의한 영향으로 유출구 위치에 토사가 집중되는 경향을 보였다. 또한 전체적인 높이변화는 시공 완료 후, 약 4일 후부터 완만한 변화를 보였으며, 자 중압밀에 의하여 높이감소 및 접지면적의 증가에 따라, 유효폭은 증가하며, 둘레는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 시공완료 후, 시간변화에 따른 지오튜브의 위치별 형태변화 측정결과, 유입구와 유출구의 높이편차가 최대 12cm의 편차를 보여, 펌핑압력에 의한 영향으로 유출구 위치에 토사가 집중되는 경향을 보였다. 또한 전체적인 높이변화는 시공 완료 후, 약 4일 후부터 완만한 변화를 보였으며, 자 중압밀에 의하여 높이감소 및 접지면적의 증가에 따라, 유효폭은 증가하며, 둘레는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 4. 지오튜브 내부의 단위중량 및 전단강도 측정결과, 단위중량은 횡방향위치에 따라서는 미세한 변화를 보였으나, 종방향 위치에 따른 변화는 상부에 비하여 하부의 단위중량이 습윤단위중량의 경우, 약 23.5%, 건조단위중량의 경우, 37.1% 큰 값을 나타내었다. 또한 하단부의 전단강도가 상부의 전단강도에 비해, 최대 1.
- 1% 큰 값을 나타내었다. 또한 하단부의 전단강도가 상부의 전단강도에 비해, 최대 1.68배 이상 더 증가한 것으로 나타났다. 즉, 지오튜브의 하단부가 상부의 하중에 의한 자중압밀이 급속히 진행되어 단위중량 및 전단강도의 증가량이 크게 발생된 것으로 판단된다.
후속연구
- 2. 세립분이 많은 토사를 사용하여 지오튜브의 채움을 실시할 경우, 지오튜브의 배수 및 내부토사의 침강시간이 길어, 지오튜브의 배수 및 침강시간에 따른 유효높이를 고려하여 단계별 시공을 실 시하여야 할 것으로 판단된다.
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