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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로파일의 지지력 개선을 위하여 부직포 형태인 팩을 마이크로 파일에 적용하여 가압주입이 가능한 신개념 마이크로파일의 지지력 및 건전도 향상에 관한 현장시험시공 및 시작품제작과정에 대하여 기술한다. 현장에 시공된 신개념 파일의 심도에 따른 시공품질을 파악하고자 파일을 회수하여 육안으로 관찰하였다.
- 본 연구의 목표는 새로 개발된 복합지지형 마이크로 파일의 현장시공성 파악 및 시공된 구조체의 품질 확인이다. 현장시험시공 결과 신개념 마이크로 파일의 현장시공성은 기존형과 비교하여 거의 유사하다고 할 수 있으나, 가압그라우팅 단계로 인하여 2개의 설치단계가 추가되어야 함을 파악하였다.
- 설치된 기존형은 표 1에 따라 Type-A1과 Type-A2형으로 분류되며, 복합지지형의 경우는 표 1의 분류에 따라 정확히 정의되지 않으나 Type-C와 유사한 것으로 판단되어진다. 본 절에서는 기존형 및 복합지지형 파일의 설치과정에 대하여 기술하도록 한다.
- 현장시험은 복합지지형 마이크로파일 구조체의 현장설치 가능성을 확인하여 파일복합체의 시공품질을 육안으로 확인하고자 수행되었다. 설치된 기존형은 표 1에 따라 Type-A1과 Type-A2형으로 분류되며, 복합지지형의 경우는 표 1의 분류에 따라 정확히 정의되지 않으나 Type-C와 유사한 것으로 판단되어진다.
제안 방법
- 그라우팅과정에서 중력식 주입 및 가압주입 차이에 따른 양생된 파일의 직경변화를 추정하고자 회수된 파일들에 대하여 각 심도별로 외경을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 2와 같다. M2 파일의 경우 철제케이싱이 존재하기 때문에 파일외경은 철제케이싱 외경과 동일하므로 본 측정대상에서 제외하였고, M1 및 M3 주입방식에 대하여 각 2개의 파일들을 대상으로 심도 1m, 3m 및 6m에서 외경을 측정하였다. 측정결과 DM1=230mm, DM3=220mm를 나타냈으며, 천공 케이싱의 직경(D=180mm)과 비교하여 128%와 122%의 확공된 형태의 현장타설 파일이 시공됨을 알 수 있다.
- 본 시험시공에 사용된 시멘트는 H(사)의 40㎏으로 포장되어 기성제품으로 판매되는 1종 포틀랜드 시 멘트(KS L 5201-1종)를 사용하였다. 그라우팅 과정에서 유동성 및 팽창성, 급경성 확보 목적으로 사용된 혼화제는 G(사)의 2㎏으로 포장되어 기성제품으로 판매되는 지반보강용 및 앙카제작용 제품인 OO픽스를 사용하였으며, 1% 첨가하였다. 그라우팅 과정에서 시멘트 그라우트제의 물-시멘트비(w/c)는 45%로 유지하였다.
- M3 파일들은 M1에 비해 그라우트체의 표면이 균일하였고 파일직경이 일정한 것으로 나타났다. 그라우팅과정에서 중력식 주입 및 가압주입 차이에 따른 양생된 파일의 직경변화를 추정하고자 회수된 파일들에 대하여 각 심도별로 외경을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 2와 같다. M2 파일의 경우 철제케이싱이 존재하기 때문에 파일외경은 철제케이싱 외경과 동일하므로 본 측정대상에서 제외하였고, M1 및 M3 주입방식에 대하여 각 2개의 파일들을 대상으로 심도 1m, 3m 및 6m에서 외경을 측정하였다.
- 토사층 내 지지력 확보를 위하여 소요되는 말뚝 구조체의 길이를 감소시키고자 그림 2와 같이 새로운 구조체 형식을 제안하였다(최창호 외 2008b). 그림 2는 본 연구를 통해 개발된 복합지지형 마이크로파일 구조체의 개요도로서, 상부 토사층에서 발생되는 마찰지지력을 극대화하기 위하여 그라우트재의 유실을 방지하는 팩(pack)을 강봉에 부착하여 설치한 후, 팩 내부에 2차 그라우팅을 실시함으로서 토사층에서도 구조체가 견고한 마찰지지력을 확보 가능하도록 한다. 토사층에서의 견고한 지지력 확보는 마이크로파일 근입 깊이를 감소시키고, 말뚝 1본(本)당 구조체 단가 및 공기를 감소시켜 경제적인 마이크로파일링 기술로 판단되어진다.
- 현장 재하시험이 종료된 후, 마이크로파일의 양생상태를 시공품질을 확인하기 위하여 파일회수작업을 실시하였다. 대형굴삭기를 6m 심도까지 굴삭한 후 시험시공된 파일들을 회수하였다. 회수과정에서 작업의 원할한 진행을 위하여 4∼5m 길이로 파일들을 절단하였다.
- 팩이 장착된 파일체를 삭공에 투입하는 과정에서, 파일체 중간부분에서 팩이 강관으로부터 분리되어 삭공 벽면과의 마찰에 따라 팩이 손상되는 것을 방지하기 위하여 팩을 소정의 재료를 사용하여 강관에 팩을 고정하였는데 이때 사용된 재료 및 방법은 팩이 일정한 압력 이상을 받을 경우 파단이 발생되도록 하였다. 또한, 파일체의 삭공 내 투입과정에서 파일체 선단 및 상부의 훼손을 방지하기 위하여 하부 및 상부측에 철망을 이용하여 팩보호 장치를 부착하였다.
- 마이크로 파일의 설치를 위한 천공 및 시공은 크롤러 드릴(PCR-200 일본 후루까사 제작)를 이용하여 수행되었다. 마이크로 파일 시공을 위한 천공심도는 8.0m 이며 케이싱드릴을 사용하여 회전수세식 방법을 적용하였다. 사용된 케이싱의 외경은 D=155mm이고 케이싱드릴의 외경은 D=180mm이다.
- 마이크로 파일의 설치를 위한 천공 및 시공은 크롤러 드릴(PCR-200 일본 후루까사 제작)를 이용하여 수행되었다. 마이크로 파일 시공을 위한 천공심도는 8.
- 먼저 강관에 70㎝ 간격으로 90°각도로 4개로 천공된 직경(D)=10㎜의 시멘트 그라우트재 분출공을 그라우팅 과정에서 시멘트 그라우트재가 소정의 압력을 받기 전에 팩으로 흘러나오는 것을 방지하기 위하여 강관에 천공된 모든 분출공에 대하여 테이핑을 실시하였다.
- 부직포 형태의 토목섬유를 강관에 부착하기 위하여 강관 선단에 20㎝길이의 선단서포트를 용접한 후, 소요길이로 제단된 팩을 뒤집은 상태로 끝부분을 ABS수지로 부착/결속하였다. 선단서포트부를 팩과 결속한 후 뒤집은 팩을 강관 전체에 대하여 덧씌우고 강관 상부측에 팩을 철제띠로 단단히 고정하였다.
- 부직포 형태의 토목섬유를 강관에 부착하기 위하여 강관 선단에 20㎝길이의 선단서포트를 용접한 후, 소요길이로 제단된 팩을 뒤집은 상태로 끝부분을 ABS수지로 부착/결속하였다. 선단서포트부를 팩과 결속한 후 뒤집은 팩을 강관 전체에 대하여 덧씌우고 강관 상부측에 팩을 철제띠로 단단히 고정하였다.
- 토사층 내 지지력 확보를 위하여 소요되는 말뚝 구조체의 길이를 감소시키고자 그림 2와 같이 새로운 구조체 형식을 제안하였다(최창호 외 2008b).
- 팩이 장착된 파일체를 삭공에 투입하는 과정에서, 파일체 중간부분에서 팩이 강관으로부터 분리되어 삭공 벽면과의 마찰에 따라 팩이 손상되는 것을 방지하기 위하여 팩을 소정의 재료를 사용하여 강관에 팩을 고정하였는데 이때 사용된 재료 및 방법은 팩이 일정한 압력 이상을 받을 경우 파단이 발생되도록 하였다. 또한, 파일체의 삭공 내 투입과정에서 파일체 선단 및 상부의 훼손을 방지하기 위하여 하부 및 상부측에 철망을 이용하여 팩보호 장치를 부착하였다.
- 현장 재하시험이 종료된 후, 마이크로파일의 양생상태를 시공품질을 확인하기 위하여 파일회수작업을 실시하였다. 대형굴삭기를 6m 심도까지 굴삭한 후 시험시공된 파일들을 회수하였다.
- 본 논문에서는 마이크로파일의 지지력 개선을 위하여 부직포 형태인 팩을 마이크로 파일에 적용하여 가압주입이 가능한 신개념 마이크로파일의 지지력 및 건전도 향상에 관한 현장시험시공 및 시작품제작과정에 대하여 기술한다. 현장에 시공된 신개념 파일의 심도에 따른 시공품질을 파악하고자 파일을 회수하여 육안으로 관찰하였다. 신개념 마이크로파일은 부직포 형태인 팩을 부착하여 그라우팅 과정에서 가압주입이 가능해졌으며, 파일회수 결과 지반-그라우트재 간의 부착이 양호한 상태로 형성되었고, 파일체의 품질이 향상된 것으로 파악되었다.
- 회수과정에서 작업의 원할한 진행을 위하여 4∼5m 길이로 파일들을 절단하였다.
대상 데이터
- 그림 3과 그림 4는 각각 기존형(Type-A1와 Type-A2) 마이크로 파일 구조체에 활용된 강봉과 강관을 보여준다. 기존 마이크로 파일 제작에 사용된 강봉은 외경(O/D)=50.0㎜, pitch=8㎟, 항복강도(Yield Strength)=71,3194tonf/㎡, 길이(L)=3.0m의 제품을 사용하였고, 복합지지형 마이크로파일 제작에 사용된 강관은 외경(O/D)=82.5㎜, 두께(t)=11㎜, 항복강도(Yield Strength)=49,184tonf/㎡의 제품을 사용하였다.
- 마이크로파일 시공과정에서 천공 종료 후 파일체 삽입과 그라우팅 과정에서 삭공 함몰 방지를 위해 강재케이싱을 지반 내 사장하는 기존 마이크로파일 시공을 위해 사용된 자재의 제원은 외경(O/D)=165.2㎜, 두께(t)=4.85㎜, 길이(L)=2.0의 제품을 사용하였다.
- 본 시험시공에 사용된 시멘트는 H(사)의 40㎏으로 포장되어 기성제품으로 판매되는 1종 포틀랜드 시 멘트(KS L 5201-1종)를 사용하였다. 그라우팅 과정에서 유동성 및 팽창성, 급경성 확보 목적으로 사용된 혼화제는 G(사)의 2㎏으로 포장되어 기성제품으로 판매되는 지반보강용 및 앙카제작용 제품인 OO픽스를 사용하였으며, 1% 첨가하였다.
- 파일은 모두 토사에 설치되었으므로 케이싱 드릴 외 굴착용 해머 등은 사용하지 않았다. 본 시험시공에서는 강봉 보강, 강봉 보강 및 지반사장용 철제케이싱을 적용한 기존 마이크로파일, 팩을 강관에 부착한 신개념 마이크로 파일을 설치하였다. 각 파일 종류에 대한 시공단계는 다음과 같고, 그림 5는 복합지지형 마이크로 파일의 시공단계를 보여준다.
- 0m 이며 케이싱드릴을 사용하여 회전수세식 방법을 적용하였다. 사용된 케이싱의 외경은 D=155mm이고 케이싱드릴의 외경은 D=180mm이다. 파일은 모두 토사에 설치되었으므로 케이싱 드릴 외 굴착용 해머 등은 사용하지 않았다.
이론/모형
- 신개념 마이크로파일의 가압주입 및 이에 따른 지반-그라우트체 간의 접착력 향상으로 기존 마이크로파일과 비교해 볼 때 파일시공개수 절감 및 시공심도 단축으로 시공비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 본 논문은 신개념 마이크로 파일의 현장적용성 및 품질향상도를 파악하기 위하여 수행되었으며, 현장재하시험에 관한 내용은 본 봄 학술발표회에서 발표된 구정민외 (2009)의 논문을 참조한다.
성능/효과
- 현장시험시공 결과 신개념 마이크로 파일의 현장시공성은 기존형과 비교하여 거의 유사하다고 할 수 있으나, 가압그라우팅 단계로 인하여 2개의 설치단계가 추가되어야 함을 파악하였다. 또한 가압그라우팅의 특성상 현장품질관리/시공관리가 매우 중요함을 파악하였고, 파일을 회수해 본 결과 복합지지형 마이크로 파일의 구조체는 제안된 개념으로 설치될 수 있음을 파악하였다. 복합지지형 파일에 사용된 토목섬유 팩은 가압단계에서 그라우트체가 외부로 과다하게 유출되는 것을 방지하여 이상적인 구조체의 양생을 가능하게 한 것으로 판단되어진다.
- 복합지지형 파일에 사용된 토목섬유 팩은 가압단계에서 그라우트체가 외부로 과다하게 유출되는 것을 방지하여 이상적인 구조체의 양생을 가능하게 한 것으로 판단되어진다. 본 논문에서 다루어지지 않은 현장재하시험 결과로 부터 복합지지형 마이크로 파일의 경우 기존형 대비 최소 40%이상의 하중지지력을 향상시키는 것으로 나타났다(구정민 외 2009).
- 현장에 시공된 신개념 파일의 심도에 따른 시공품질을 파악하고자 파일을 회수하여 육안으로 관찰하였다. 신개념 마이크로파일은 부직포 형태인 팩을 부착하여 그라우팅 과정에서 가압주입이 가능해졌으며, 파일회수 결과 지반-그라우트재 간의 부착이 양호한 상태로 형성되었고, 파일체의 품질이 향상된 것으로 파악되었다. 신개념 마이크로파일의 가압주입 및 이에 따른 지반-그라우트체 간의 접착력 향상으로 기존 마이크로파일과 비교해 볼 때 파일시공개수 절감 및 시공심도 단축으로 시공비 절감이 가능할 것으로 판단된다.
- 신개념 마이크로파일은 부직포 형태인 팩을 부착하여 그라우팅 과정에서 가압주입이 가능해졌으며, 파일회수 결과 지반-그라우트재 간의 부착이 양호한 상태로 형성되었고, 파일체의 품질이 향상된 것으로 파악되었다. 신개념 마이크로파일의 가압주입 및 이에 따른 지반-그라우트체 간의 접착력 향상으로 기존 마이크로파일과 비교해 볼 때 파일시공개수 절감 및 시공심도 단축으로 시공비 절감이 가능할 것으로 판단된다. 본 논문은 신개념 마이크로 파일의 현장적용성 및 품질향상도를 파악하기 위하여 수행되었으며, 현장재하시험에 관한 내용은 본 봄 학술발표회에서 발표된 구정민외 (2009)의 논문을 참조한다.
- 이후 삭공 내 보강재를 근입 시킨 후 케이싱을 제거하고 시멘트 그라우트재를 팩 내부로 1차 가압 주입하였다. 이때 주입압은 그라우트재 주입장치에 걸려있는 압력보다 1kgf/㎠정도 크게 하여, 파일체가 설치되는 심도의 중간위치에서 에어패커를 이용하여 실시하고 유출관을 통하여 시멘트 그라우트재가 오버플로우되는 것을 확인하였다. 2차 주입은 지표면에서 약 50㎝ 깊이의 강관 내부에 에어패커를 위치시킨 후 그라우트재 주입장치에 걸려 있는 주입압보다 Δp=2～3㎏f/㎠가 되도록 실시하여 삭공 내 일부 시멘트 그라우트재가 충진되어 있는 팩을 지반과 충분히 접합되도록 팩을 팽창시켰다.
- M2 파일의 경우 철제케이싱이 존재하기 때문에 파일외경은 철제케이싱 외경과 동일하므로 본 측정대상에서 제외하였고, M1 및 M3 주입방식에 대하여 각 2개의 파일들을 대상으로 심도 1m, 3m 및 6m에서 외경을 측정하였다. 측정결과 DM1=230mm, DM3=220mm를 나타냈으며, 천공 케이싱의 직경(D=180mm)과 비교하여 128%와 122%의 확공된 형태의 현장타설 파일이 시공됨을 알 수 있다.
- 본 연구의 목표는 새로 개발된 복합지지형 마이크로 파일의 현장시공성 파악 및 시공된 구조체의 품질 확인이다. 현장시험시공 결과 신개념 마이크로 파일의 현장시공성은 기존형과 비교하여 거의 유사하다고 할 수 있으나, 가압그라우팅 단계로 인하여 2개의 설치단계가 추가되어야 함을 파악하였다. 또한 가압그라우팅의 특성상 현장품질관리/시공관리가 매우 중요함을 파악하였고, 파일을 회수해 본 결과 복합지지형 마이크로 파일의 구조체는 제안된 개념으로 설치될 수 있음을 파악하였다.
- 또한, M2는 M1, M3와 비교하여 그라우트체의 색깔이 옅은 회색을 띠고 있는 것으로 나타났고 절개해본 결과 그라우트체에 미세한 기포들이 다수 존재하였는데 이는 철제케이싱에 의해 주변 지반으로부터 수분 공급이 차단된 상태의 양생이 진행되고 이 과정에서 발생된 수화열에 의해 기포가 발생된 것으로 판단된다(그림 8 참조). 회수된 복합지지형 파일(M3)을 절단해 본 결과, 파일체 내부가 밀실한 상태로 양생된 것을 확인할 수 있었고 이는 가압그라우팅에 의한 것으로 판단된다.
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