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문제 정의
- 본 연구에서는 개발된 최적배합비를 갖는 유동화 뒷채움재에 대해 현장실험을 실시하여 시간에 따른 부력을 측정하고 배치플랜트의 타설능력을 평가하였다. 이를 통해 매설관의 변형특성 및 이음부 유입 여부, 간격재의 적정성, 도통성 등을 평가하고 현장배합과 실험실 배합과의 물성도 비교하였다.
- 본 연구에서는 지중전력관로용 유동화 뒷채움재의 시공성을 평가하기 위하여 현장거치용 배치 플랜트 및 배합통을 개발하고 현장실험을 통해 본장비의 타설성능을 평가하고 뒷채움재의 현장물성평가 및 관로의 시간에 따른 부력측정, 관의 변형특성 및 케이블 포설성능 등을 평가하였으며, 이를 요약하면 다음과 같다.
- 또한 무다짐으로 시공하기 위해 흐름값을 185~205mm 범위로 설정하였으며, 재료분리 방지를 위해블리딩율을 1%로 제한하였다. 지중송전관로의 특징중 하나인 열저항성은 85cm-℃/w 이하로 설정하여 송전에 의한 열확산율을 증가시키고 원활한 송전이 가능하도록 하여 송전효율을 높이고자 하였다.
제안 방법
- 개발된 현장거치식 배치플랜트의 타설성능은 시간당 10M로 설정하였으며, 시간에 따른 부력을 측정하여 매설관의 변형특성과 간격재의 적정성을 평가하였다. 또한 이음부의 수밀성 및 케이블 포설시 도통성 등을 평가하여 시공성을 확인하였다.
- 되메움재의 배합은 예비실험 시 배치플랜트의 시험운전과 성능평가를 통해 배합의 문제점들이 교정된 상태에서 정상적인 배합을 하였으며, 1讯의 생산을 위해 현장배합에서 얻어진 배합비로 재료량을 계량한 후 1배치에 3분동안 배합을 하고 예비실험과 동일한 펌프카를 사용하여 타설을 하면서 계측을 실시하였다. 토사의 현장함수비는 가스버너건조법과 전자렌지건조법, 급속함수비 측정으로 각각 13.
- 응력계를 설치하였다. 또한 LVDT를 수평 및 연직방향으로 지지점에서 25cm 및 50cm 떨어진 지점에 설치하고, 1단 및 3단 중앙에 관 이음부를 설치하였다.
- 4kgf/arf을 측정하기에 적합한 일축압축강도시험기를 설계 제작하였으며 최대압축하중은 200kgf이고 재하속도는 분당 0~5mm이다. 또한 도심지의 통행과 신속한 조립 및 운송이 가능한 배치플랜틀를 제작하여 성능을 검증하였으며, 이와는 별도로 실제 공사현장에서 간편하게 사용할 수 있도록 배합통을 추가적으로 제작하여 적용성을 파악하였다. (그림 1 참조).
- 즉 타설 4시간 경과후 차량이 통행할 수 있는 조기강도를 발현하여야 하며, 추후 유지보수를 위해 재굴착이 가능하도록 장기강도를 제한하였다. 또한 무다짐으로 시공하기 위해 흐름값을 185~205mm 범위로 설정하였으며, 재료분리 방지를 위해블리딩율을 1%로 제한하였다. 지중송전관로의 특징중 하나인 열저항성은 85cm-℃/w 이하로 설정하여 송전에 의한 열확산율을 증가시키고 원활한 송전이 가능하도록 하여 송전효율을 높이고자 하였다.
- 매설관의 변형특성과 간격재의 적정성을 평가하였다. 또한 이음부의 수밀성 및 케이블 포설시 도통성 등을 평가하여 시공성을 확인하였다.
- 모형-B에 지중전선관 양단을 밀봉한 후에 그림 6에서 보는 바와 같이 2열3단으로 콘크리트 간격재에고정하여 배열하였으며, 상단에 하중계를 설치하고, 2단 관의 한곳에 관 주위를 따라 45도 간격으로 8 군데에 응력계를 설치하였다. 또한 LVDT를 수평 및 연직방향으로 지지점에서 25cm 및 50cm 떨어진 지점에 설치하고, 1단 및 3단 중앙에 관 이음부를 설치하였다.
- (그림 1 참조). 모형실험에서는 되메움재 타설속도에 따른 부력측정과 기타 시공성 평가시험을 수행할 수 있는 실험장치를 다음 표 3 및 그림 2와 같이 제작하였다.
- 0%를 선택하여 배합을 하였다. 배합통에 1배치를 2.0m' 의 수량으로 먼저 흙 2410kgf, 고화재 440kgf을 투입하여 0.5rrf의 버켓의 포크레인을 사용하여 약 5분간 건비빔을 한 후, 물 789kgf를 수조에서 펌프를 사용하여 투입한 후 약 15분간 배합을 하고 슬럼프 치를 측정한 후에 유동토를 굴착장비 (back hoe)를 이용하여 모형내부에 투입하였다. 시험결과 배합 통의 흐름도는 손비빔보다 약 10% 작게 나타났는데 그 이유는 장비의 배합효율 저하로 혼합시간이 약 20분간 소요되어 고화재에 의한 급결작용으로 유동성이 떨어진 것으로 보여 진다.
- 시험을 위하여 1시간 강도인 0.4kgf/arf을 측정하기에 적합한 일축압축강도시험기를 설계 제작하였으며 최대압축하중은 200kgf이고 재하속도는 분당 0~5mm이다. 또한 도심지의 통행과 신속한 조립 및 운송이 가능한 배치플랜틀를 제작하여 성능을 검증하였으며, 이와는 별도로 실제 공사현장에서 간편하게 사용할 수 있도록 배합통을 추가적으로 제작하여 적용성을 파악하였다.
- 이를 통해 매설관의 변형특성 및 이음부 유입 여부, 간격재의 적정성, 도통성 등을 평가하고 현장배합과 실험실 배합과의 물성도 비교하였다. 이를 통해 개발된 유동화 뒷채움재의 시공성을 확인하고 타설에 따른 개선사항을 도출하였다.
- 측정하고 배치플랜트의 타설능력을 평가하였다. 이를 통해 매설관의 변형특성 및 이음부 유입 여부, 간격재의 적정성, 도통성 등을 평가하고 현장배합과 실험실 배합과의 물성도 비교하였다. 이를 통해 개발된 유동화 뒷채움재의 시공성을 확인하고 타설에 따른 개선사항을 도출하였다.
- 타설 후 28일이 경과된 후 거푸집을 제거하였으나, 동결로 인해 슬러리의 제거가 용이하지 않아 그림 10에서와 같이 일부분만 제거하여 관찰하였다.
- 토사의 현장함수비는 가스버너건조법과 전자렌지건조법, 급속함수비 측정으로 각각 13.4%와 16.3%, 14.1%를 얻었으며, 이 결과를 가지고 흐름도를 조정한 결과 14.0%를 선정하여 배치 플랜트를 이용하여 배합과 타설 하였다 (표 6 참조). 현장함수비에 따라 조정된 배치-1 배합의 경우 흐름도가 203mm가 되었으나 펌프카로 타설하는 중에 흐름도가 감소되어 배치-2로 수정배합하여 모형에 유동 토를 타설하였다.
- 따라서 실제 현장에 적용 시에는 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다. 한편, 유동화 뒷채움재의 타설에 따른 부력을 측정하기 위하여 모형-A에 지중전선관 양단을 밀봉한 후에 4열3단으로 직관용 간격재를 알미늄 구조용 각재(30x 60mm)에 고정하여 배열하고 모형상단과 하단부에 하중계 설치 및 타설 시 배합토가 확산되는 것을 방지하는 보호판을 설치한 후 슬러리를 투입 하였다. 실험결과는 그림 4에 나타난 바와 같다.
대상 데이터
- 실험은 2차에 걸쳐 수행하였으며 그 단계는 아래 표 4와 같다. 뒷채움재의 배합은 전력연구원 내 현장 시료를 채취하여 실내실험을 통하여 시방배합비를 표 5와 같이 선정하였다. 현장에서는 제시된 배합표를 기준으로 현장함수비를 측정하여 물과 흙의 무게를 조정하여 배합하였다.
- 본 실험에 사용한 지중송전관은 내경 200mm PE 파형관을 사용하였으며, 그 제원은 표 2와 같다.
성능/효과
- (2) 관로의 측정된 부력은 타설초기에는 이론부력과 유사하나 시간이 경과함에 따라 급격히 감소하여 이론 부력과 많은 차이를 나타낸다. 이는 유동토의 고화작용에 의한 것이며, 실제 현장에 적용시 시공 초기에 발생하는 부력을 정확히 평가하고 투입량 및 투입속도를 조절하여 부력에 의한 간격 재 및 관로가 이탈되는 현상을 방지할 필요가 있다.
- (3) 유동화 뒷채움재 타설에 따른 관주위의 채움상태는 내외부 모두 조직이 치밀하고 공극이 발견되지 않아 양호한 것으로 나타났다. 또한 이음부 누수여부를 관찰한 결과 타설에 따른 누수는 발견되지 않아 본 유동화 뒷채움재의 경우 무다짐에 의한 시공이 가능한 것으로 나타났다.
- 이에 따라 현장의 굴착잔토를 이용한 유동화 뒷채움재를 개발하여 활용하면 굴착 토를 재활용하고 다짐이 필요없으며, 강우시 안정성 향상을 꾀할 수 있다. 또한 개발된 뒷채움재의 열저항 특성을 평가하여 모래보다 열전도도가 우수할 경우 송전용량을 증대시킬 수 있어 경제적으로도 유리하다. 이에 따라 굴착잔토 및 개발된 고화재를 이용하여 소요의 조기강도 및 장기강도특성을 만족하고 유동성 및 열특성이 우수한 배합비를 선정한바 있다.
- 양호한 것으로 나타났다. 또한 이음부 누수여부를 관찰한 결과 타설에 따른 누수는 발견되지 않아 본 유동화 뒷채움재의 경우 무다짐에 의한 시공이 가능한 것으로 나타났다.
- 또한 변형은 타설 수량증가에 따라 증대되며, 계단식 증분 형태로 나타나고 있다. 변형율의 크기는 관 상부에서 가장 크고 타설에 따른 영향 또한 가장 큰 것으로 나타났다. 각도가 90도일 경우 변형율의 크기는 가장 작았으며, 시간에 따른 변화도 가장 미소하게 나타났다.
- 5rrf의 버켓의 포크레인을 사용하여 약 5분간 건비빔을 한 후, 물 789kgf를 수조에서 펌프를 사용하여 투입한 후 약 15분간 배합을 하고 슬럼프 치를 측정한 후에 유동토를 굴착장비 (back hoe)를 이용하여 모형내부에 투입하였다. 시험결과 배합 통의 흐름도는 손비빔보다 약 10% 작게 나타났는데 그 이유는 장비의 배합효율 저하로 혼합시간이 약 20분간 소요되어 고화재에 의한 급결작용으로 유동성이 떨어진 것으로 보여 진다. 따라서 실제 현장에 적용 시에는 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 원활한 케이블 포설여부를 확인하기 위한 직경 190mm의 도통봉 통과시험결과, 상단의 열만 통과하고 2단과 3단은 통과하지 못했으며, 특히 3단열의 처짐량이 가장 커 도통이 가장 어려운 것으로 나타났다. 이는 전체적인 부력은 유사하나 타설초기 주입에 따른 압력증가로 관이 밀려올라가고 시간에 따른 고화 작용으로 변형이 크게 발생한 것이 원인인 것으로 판단되며, 실제 현장에서는 초기 타설 압력 조절 및 간격재 설치에 특히 유의하여야 할것으로 판단된다.
- 측정결과, 단위중량 1.78을 고려하여 계산된 이론부력과 비교하면, 63.2% (742.3kgf/面)의 최대 부력이 나타남을 알 수 있었으며, 최종 타설 종료 후 25분경과 시 측정된 부력은 304.9kg으로 시간 경과에 따라 지속적인 감소를 나타내고 있다. 이는 급결고화재 투입으로 시간에 따른 뒷채움재의 유동성이 감소하여 발생하는 것으로 판단된다.
- 즉 타설시 급격한 부력의 증가와 타설후 시간에 따른 뒷채움재의 고화작용으로 부력은 점차 감소하는 경향을 보여주고 있어 단계별 증가형태를 나타내고 있다. 한편, 간격재의 부력 억제력을 파악해본 결과, 3단 동시 타설 시 간격재에 의한 부력 억제효과는 미미한 것으로 나타나 개선이 요구됨을 알 수 있었다.
- 한편, 믹서에서 혼합된 유동토를 일부 채취하여 시간에 따른 압축강도를 측정한 결과 1시간 강도는 1.37 kgf/arf로 목표치에 약간 미달하였으며, 차량이 통행할 수 있는 기준치인 4시간 강도는 만족하는 것으로 나타났다. 또한 28일 강도는 목표치를 다소 크게 웃돌아 실험실 배합과의 차이를 나타냈다.
- 이는 전체적인 부력은 유사하나 타설초기 주입에 따른 압력증가로 관이 밀려올라가고 시간에 따른 고화 작용으로 변형이 크게 발생한 것이 원인인 것으로 판단되며, 실제 현장에서는 초기 타설 압력 조절 및 간격재 설치에 특히 유의하여야 할것으로 판단된다. 한편, 유동화 뒷채움재 타설에 따른 관주위의 채움 상태는 내외부 모두 조직이 치밀하고 공극이 발견되지 않아 양호한 것으로 나타났다. 또한 이음부 누수 여부를 관찰한 결과 타설에 따른 누수는 발견되지 않았다.
- 현장함수비는 가스버너건조법과 급속함수비 측정으로 각각 15%와 10%를 얻었으며, 이 결과를 가지고 손비빔으로 흐름도 (flow)를 조정한 결과 11.0%를 선택하여 배합을 하였다. 배합통에 1배치를 2.
후속연구
- (1) 현장배합에 의한 유동화 뒷채움재의 물성평가 결과 실험실과 다소의 차이를 보였으며, 이는 현장 토의 물성차이와 대규모 배합에 따른 오차로써 추후 추가실험이 필요하며, 이를 통해 보정치를 도출할 예정이다.
- 이는 급결고화재 투입으로 시간에 따른 뒷채움재의 유동성이 감소하여 발생하는 것으로 판단된다. 따라서 타설초기에 나타나는 부력을 정확히 평가하고 투입량 및 투입속도를 조절하여 부력에 의한 관로 간격재가 이탈되는 현상을 방지하여야 할 것이다.
- 이는 관 손상을 수반할 정도는 아니며, 변형에 따른 케이블의 포설에 대한 시공성이 파악이 더 중요할 것이다. 본 시험은 시험체의 크기가 작아 부력 불균형에 의한 영향이 크므로 추가 실증실험 시 간격재의 배치를 균등하게 설치하면 변형은 감소 될 것으로 판단된다.
- 또한 28일 강도는 목표치를 다소 크게 웃돌아 실험실 배합과의 차이를 나타냈다. 이는 실험실에서의 이상적인 조건과는 달리 현장굴착토의 특성이 다른 것과 대규모 배합에 따른 오차로 보여 지며, 추가적인 실험을 통해 추후 보정치를 제시할 예정이다.
- 이는 전체적인 부력은 유사하나 타설초기 주입에 따른 압력증가로 관이 밀려올라가고 시간에 따른 고화 작용으로 변형이 크게 발생한 것이 원인인 것으로 판단되며, 실제 현장에서는 초기 타설 압력 조절 및 간격재 설치에 특히 유의하여야 할것으로 판단된다. 한편, 유동화 뒷채움재 타설에 따른 관주위의 채움 상태는 내외부 모두 조직이 치밀하고 공극이 발견되지 않아 양호한 것으로 나타났다.
- 한편, 관로를 설치할 때 관로 간의 적정 간격 및 정위치를 유지하기 위한 간격재(Spacer)가 필요하며, 또한 유동성이 매우 큰 액상의 되메움재를 채울 때 되메움 재료보다 가벼운 관로는 부력에 의한 부유 현상으로 이탈현상이 발생하게 되므로, 이를 방지하기 위한 대책이 요구된다. 따라서 관로 설치시의 적정 간격 유지(정위치)를 위한 간격재와 부력에 의한 떠오름을 방지할 수 았、는 콘크리트 블록(Block) 설치를 고려하였다 (그림 3 참조).
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