[논문]방파제 기초에 적용된 고품질 DCM공법의 설계 및 시공 사례

강연익; 심민보; 심성현; 김하영; 심재범; 천윤철; 윤종익

문제 정의

최근에 호안, 컨테이너 부두, 방파제 등의 항만구조물을 건설하는데 있어서 하부연약지반에 대한 개량공법으로 모래재료의 부족이나 잔류침하 등의 문제로 고결공법의 일종인 DCM(Deep Cement Mixing)공법의 적용 빈도가 높아지고 있다. 본 연구에서는 고중량의 케이슨(10,700톤/함)식 방파제 하부기초로 대심도 연약점토지반(14～32m) 개량을 목적으로 적용된 울산신항 북방파제 제1공구 현장의 해상 DCM공법에 대해 설계와 시공의 측면에서 분석하고자 한다.
본 연구에서는 울산신항 북방파제 제1공구에 하부 기초개량공법으로 적용된 해상 DCM공법에 대해 설계와 시공에 대한 주요 요소를 검토하였으며 요약하면 다음과 같다.
설계적 측면에서는 원지반 점토의 심도별 함수비 특성을 고려한 시멘트 배합량 산정, DCM 개량체의 최적화된 지지형식안(상부 블록식+하부 벽식) 선정, 그리고 현재의 설계기준에 충실한 내적 안정검토 기준 준수(특히, 유효단면계수 α값) 등의 설계주안점을 중심으로 분석하였다. 시공적 측면에서는 종래의 DCM 전용선에서 개선된 장비의 특성을 소개하고 그 결과 현장의 DCM 개량체의 강도가 설계단계에서 목표로 한 강도와 설계기준강도에 비교해 어느 정도의 강도를 확보하였는지 검토하였다.
최근에는 항만구조물 하부기초 개량공법으로 SCP(Sand Compaction Pile)공법 대신 DCM공법이 채택되는 사례가 늘어나면서 시공장비 효율을 개선하고 품질관리기준을 재정비하여 보다 경쟁력있는 공법으로 자리매김하고 있다. 아래에는 본 현장에서 시공성 및 품질향상을 위해 개선한 내용을 장비부분과 주요 시공관리사항에 대해 소개하고자 한다.

가설 설정

1) DCM 개량체의 단면, 개량형식, 개량율(A_s) 등의 설계제원을 가정하고 각종 설계기준을 결정한다.
2) 가정된 DCM 설계단면에 대한 내적 및 외적인 안정계산을 수행한다.
DCM 기초에 대해 단면을 가정한 뒤에는 가정한 단면이 외력조건(상재하중, 자중, 파압, 토압, 부력, 지진력 등)에 대해 안정성(외적 안정성)을 확보하고 있는지 검토한다. 이 때, 개량체는 강성체로 거동한다고 가정하여 전도, 활동, 지지력에 대해 안정한지를 검토한다(그림 5 참조).
DCM 기초에 대해 단면을 가정한 뒤에는 가정한 단면이 외력조건(상재하중, 자중, 파압, 토압, 부력, 지진력 등)에 대해 안정성(외적 안정성)을 확보하고 있는지 검토한다. 이 때, 개량체는 강성체로 거동한다고 가정하여 전도, 활동, 지지력에 대해 안정한지를 검토한다(그림 5 참조). 내적 안정검토는 외력에 의해 개량체 내부에 발생하는 응력에 대해 허용응력기준을 만족하는지에 대해 검토한다(그림 6 참조).

제안 방법

1) 설계단계에서는 단면을 가정하고 외적, 내적 안정조건을 만족하도록 지지형식(블록식, 격자식, 벽식 등)과 개량폭, 개량율을 결정하는 것이 중요하며, 본 현장에서는 최적화된 지지형식 결정을 위해 상부 블록식과 하부 벽식을 혼합한 형태로 결정하였다.
4) 내외적 안정에 대한 기준안전율을 만족한 단면에 대해 원호활동의 안정성과 침하량을 검토한다.
그림 12(a)는 현장 일축압축강도(28일)와 심도의 관계를 보여주고 있다. 동일한 목표강도를 얻기 위해 실내배합시험을 통해 원지반 함수비 차이를 고려하여 최적화된 시멘트량을 세 가지층에 대해 다르게 주입하였다. 그러나, 그림 12(a)를 보면 중층부 강도는 심도가 깊어짐에 따라 강도가 증가되는 경향이 있는 것으로 보인다.
5m 인발 후 재관입할 때 선단부 처리를 위한 관입토출교반을 실시할 때 사용된다. 또한, 교반장비는 1축의 직경이 1,100mm, 축간 중첩폭이 설계(그림 6 참조)와 같이 20cm(종래의 장비는 주로 10cm)가 되도록 개선하였다.
특히, 개량체 구조형식에 대해서는 고파랑을 받는 대규모 방파제라는 조건을 고려하여 이에 불리한 접원식(수평력 작용시 말뚝사이 미개량토 변형에 따른 개량지반 전체의 변형 우려)을 배제하고, 외력조건에 효과적으로 저항할 수 있으며 경제성도 확보되는 상부 블록식(길이 3m)과 하부 벽식을 혼합한 구조형식을 선정하였다. 또한, 하부 벽식의 경우 개량율을 50%이상으로 적용하여 블록식과 유사한 안정성을 확보하도록 설계하였다. 그러나, 이러한 블록식과 벽식을 혼합한 경우, 일체화된 구조체로 기능하기 위해서는 상부의 단주와 장주간의 시공중첩부가 중요한 관리대상(critical section)이 되기 때문에 이에 대해 보다 엄밀한 설계와 시공관리가 필요하다고 생각된다.
본 설계에서는 실내배합시험을 통한 시멘트량 결정시 원지반 점토의 심도별 특성(그림 3(a)참조)이 다른 점을 고려하여 상층부, 중층부, 하층부 각각에 대한 배합시험을 실시하였다. 실내배합시험의 결과는 그림 7과 같으며 시멘트량(Cement Contents)이 증가될 때 일축압축강도(Unconfined Compression Strength)가 거의 직선적으로 증가됨을 보여주고 있다.
시멘트 배합량은 원지반 점토와 고화재(여기서는 고로 슬래그 시멘트) 사이의 화학적 반응 정도에 따라 편차가 크기 때문에 적절한 실내배합시험에 의해 구해져야 한다. 본 현장은 심도별 함수비 차이를 고려하여 240～330kg/m³의 시멘트 배합량을 실내배합시험을 통해 결정하였다.
DCM장비의 고장으로 인발이 지연될 경우 관입토출방식에서는 시멘트 고화가 진행되어 교반장치를 회수할 수 없기 때문이다. 본 현장의 경우는 개량심도가 25m를 넘고, 현장시공 여건도 고파랑의 악조건이기 때문에 시공 중 장비의 고장 확률도 높아짐을 감안하여 인발토출방식을 채택하였다. 교반방식이 인발토출교반인 조건에서는 시멘트 슬러리가 교반날개 상부에서 공급되어야 고품질의 개량체 시공이 가능하게 된다.
설계적 측면에서는 원지반 점토의 심도별 함수비 특성을 고려한 시멘트 배합량 산정, DCM 개량체의 최적화된 지지형식안(상부 블록식+하부 벽식) 선정, 그리고 현재의 설계기준에 충실한 내적 안정검토 기준 준수(특히, 유효단면계수 α값) 등의 설계주안점을 중심으로 분석하였다.
개량체의 허용응력기준은 개량체의 설계기준강도(q_uck), 개량체 중첩부 특성, 안전율 등을 고려하여 식 (1)과 같이 결정된다. 여기서, 설계기준강도는 일본에서 해상공사의 블록식과 벽식에 주로 적용되는 범위인 1.5～2.5 MPa (일본 해상공사 심층혼합공법 기술매뉴얼)로 부터 2.21 MPa로 결정하였다.
축별 회전방향을 종래의 방식(4축 모두 동일한 방향으로 회전)에서 그림 10(d)와 같은 방식으로 변경한 결과 미개량부가 없는 매우 균질한 개량체(mud ball 현상 미발생)를 얻을 수 있었다. 이 외에 호스펌프와 전자유량계를 이용한 자동제어식 슬러리 공급 시스템(분당 160리터)을 적용하여 물-시멘트비(W/C)를 0.8로 낮추었으며, 심도기록장치와 오거 암페어 부하게이지 관리를 통해 개량심도를 결정하였다.
특히, 그 중에서도 설계시 결정한 소요 시멘트량을 어떤 시공cycle로 공급할 것인지, 그리고 현장의 교반효율이 충분히 확보되는 교반축 회전속도 및 회전수가 얼마인지 확인하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 현장에서는 시험시공을 통하여 시멘트 슬러리량(분당 640리터)을 일정하게 공급할 때 소요시멘트량(240～330 kg/m3)을 주입할 수 있는 교반축 인발속도, 그리고 교반효율에 큰 영향을 미치는 단위 길이당 교반날개 회전수(평균 38rpm 조건)를 산정하여 시공관리기준으로 결정하였다. 현장 시험시공에서 결정된 주요 시공관리사항과 시공cycle은 표 4와 그림 11에 요약된 바와 같다.
전술한 외적, 내적 안정검토방법에 따라 각 구간별(두부구간, 깊은구간, 얕은구간)로 파압이 최고조(즉, 파봉시)와 최저(파곡시)일 경우에 대해 안전율, 지지력, 허용응력 검토를 실시하였다. 그림 8에 나타나 있듯이 외적, 내적 검토 결과 모든 경우에 안정성이 확보됨을 알 수 있고, 특히 외적 안정에 대해서는 전도에 대한 안정성이 지배적인 조건이며, 내적인 안정에 있어서는 단지압의 압축응력이 지배적인 조건임을 알 수 있다.
본 현장의 DCM 기초에 대한 설계단면 결정시 검토된 주요 항목과 설계에 적용된 사항은 표 2에 나타난 바와 같다. 특히, 개량체 구조형식에 대해서는 고파랑을 받는 대규모 방파제라는 조건을 고려하여 이에 불리한 접원식(수평력 작용시 말뚝사이 미개량토 변형에 따른 개량지반 전체의 변형 우려)을 배제하고, 외력조건에 효과적으로 저항할 수 있으며 경제성도 확보되는 상부 블록식(길이 3m)과 하부 벽식을 혼합한 구조형식을 선정하였다. 또한, 하부 벽식의 경우 개량율을 50%이상으로 적용하여 블록식과 유사한 안정성을 확보하도록 설계하였다.

대상 데이터

울산신항 북방파제 제1공구는 그림 1에 나타난 바와 같이 울산광역시 남구 용연동 전면해상에 위치하고 있다. 본 해역은 수심이 평균 21m인 대수심 조건을 가지고 있으며, 하부 지층은 그림 2와 같이 연약점토층, 사질토층, 기반암층의 세 가지 지층으로 구성되어 있다. 연약점토층은 14～32m의 층두께로 분포하고 있으며, 그 하부의 사질토층은 느슨한 상태에서 보통정도의 상대밀도 특성을 가지는 모래와 자갈로 구성되어 있다.

성능/효과

3) 가정한 설계단면이 기준안전율을 만족할 때까지 위 과정을 반복한다.
3) 내적 안정검토시 개량체가 원주형으로 중첩되어 시공되는 점을 고려한 유효단면계수(α)는 검토방법에 따라 달라지지만 설계기준(항만 및 어항 설계기준)에는 최소값을 적용토록 되어 있으므로 중첩폭은 30cm이상이 되어야 하며, 특히 이 조건은 횡력이 작용하는 경우나 전단력 검토시 중첩면이 위험단면이 되기 때문에 주의하여야 한다고 판단된다.
5) 시공에 있어서는 DCM 전용선의 도입과 교반장치, 오거모터 등의 장비개선에 따라 교반효율이 향상되어 현장강도가 목표강도를 상회하는 결과를 얻었으며 불량률 또한 7%정도로 허용기준인 15.9%(K=1일 때)보다 낮았다고 판단된다.
6) 현장시험에서 구한 E₅₀ /q_uf의 비는 44～211의 범위를 보이며, 국내에서 일반적으로 적용되는 범위보다 약 25～55% 정도 크게 평가되었다.
두 번째는 오거모터로써 종래 회전속도가 고정(24rpm)이었고 축별 회전방향이 동일하였던 것을 개선하여 회전속도 조절이 가능하고 축별 회전방향도 그림 10(d)와 같이 변경하였다. 교반축의 회전속도 조절(1단～4단)이 가능해짐에 따라 관입시는 회전속도를 저속으로 하여 관입저항을 줄여서 시공성 및 적용성이 향상되었으며, 개량부에서는 회전속도를 높임(평균 35rpm 적용)으로써 개량효율을 향상시킬 수 있었다. 축별 회전방향을 종래의 방식(4축 모두 동일한 방향으로 회전)에서 그림 10(d)와 같은 방식으로 변경한 결과 미개량부가 없는 매우 균질한 개량체(mud ball 현상 미발생)를 얻을 수 있었다.
교반축의 회전속도 조절(1단～4단)이 가능해짐에 따라 관입시는 회전속도를 저속으로 하여 관입저항을 줄여서 시공성 및 적용성이 향상되었으며, 개량부에서는 회전속도를 높임(평균 35rpm 적용)으로써 개량효율을 향상시킬 수 있었다. 축별 회전방향을 종래의 방식(4축 모두 동일한 방향으로 회전)에서 그림 10(d)와 같은 방식으로 변경한 결과 미개량부가 없는 매우 균질한 개량체(mud ball 현상 미발생)를 얻을 수 있었다. 이 외에 호스펌프와 전자유량계를 이용한 자동제어식 슬러리 공급 시스템(분당 160리터)을 적용하여 물-시멘트비(W/C)를 0.
현장시험시공을 통해 결정된 시공cycle에 의해 본 구간에 대한 시공이 진행된 후, 본 시공구간에 대한 일축압축강도가 구해졌다. 현장강도시험은 실내시험과 달리 코어링에 의해 얻어진 54개의 공시체에 대해 강도가 구해졌으며 코어링시의 코어회수율(TCR)은 85%이상이었고, 육안으로 보기에 매우 균질한 상태를 보였다. 그림 12(a)는 현장 일축압축강도(28일)와 심도의 관계를 보여주고 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DCM 기초의 내외적 안정검토를 수행할때 외력조건의 종류는?	DCM 기초에 대해 단면을 가정한 뒤에는 가정한 단면이 외력조건(상재하중, 자중, 파압, 토압, 부력, 지진력 등)에 대해 안정성(외적 안정성)을 확보하고 있는지 검토한다. 이 때, 개량체는 강성체로 거동한다고 가정하여 전도, 활동, 지지력에 대해 안정한지를 검토한다(그림 5 참조).
	호안, 컨테이너 부두, 방파제 등의 항만구조물을 건설에 DCM(Deep Cement Mixing)공법의 적용 빈도가 높아지는 이유는?	최근에 호안, 컨테이너 부두, 방파제 등의 항만구조물을 건설하는데 있어서 하부연약지반에 대한 개량공법으로 모래재료의 부족이나 잔류침하 등의 문제로 고결공법의 일종인 DCM(Deep Cement Mixing)공법의 적용 빈도가 높아지고 있다. 본 연구에서는 고중량의 케이슨(10,700톤/함)식 방파제 하부기초로 대심도 연약점토지반(14～32m) 개량을 목적으로 적용된 울산신항 북방파제 제1공구 현장의 해상 DCM공법에 대해 설계와 시공의 측면에서 분석하고자 한다.

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