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문제 정의
- 또한, 대규모로 계획, 건설되는 신도시는 준공에 따른 시간적, 공간적 제한 때문에 기간·시설 등의 동시시공이 필연적으로 발생하여 시공 중 인접 공사와 연관성 및 깊은 영향관계에서 상호의 안전성을 확보함이 필요하다. 이에 본 연구에서는 인접 공사와의 깊은 연관성속에 침하 및 액상화 보강을 위해 대규모로 진행된 CGS(Compaction Grouting System)공법에 의한 지반개량의 설계 및 시공사례를 토목기술의 발전 및 축적을 위해 소개하고자 한다. CGS공법은 슬럼프치가 낮은 저유동성(5cm이하) 콘크리트형 모르타르를 소정의 주입관을 통하여 지중에 비배출 방식으로 압입하여 원지반을 사방으로 밀어내어, 주위지반의 밀도를 증가시킴과 동시에 원기둥에 가까운 콘크리트 파일을 형성하여 말뚝 기초로서 지지력확보 및 주위지반의 지내력 증대를 도모하는 공법이다(성우지오텍, 2009).
제안 방법
- 그러므로 본 현장에서도 그림 2와 같이 동일한 개량효과를 적용하기 위해 개량율과 직경의 관계를 분석하였으며, 개량직경 및 개량율의 추세선 상에서 오차범위가 10%이내이고, 가장 경제적이면서 개량효과의 적용이 가장 적절한 개량직경과 개량율을 검토하였다. 검토결과에 따른 개량율 확보를 위해 CGS의 배치는 시공간격 2.5m, 배치형태는 개량효과를 고려하여 삼각형(▲)배치로 계획하였으며, 시공직경은 D800mm로 계획하였다.
- 따라서 가시설 구조물과 10m 떨어진 위치에 Φ75mm PVC 스트레이너를 관입하여 드레인 방식의 압력해소공을 설치하였다.
- 또한 설계 시 고려되기 어려운 지반 고유의 특성인 비등방 비균질성의 극복을 위해 시험시공을 통하여 최적의 직경과 간격을 검토하고 일부 수정·적용 하였으며, 도시철도 가시설의 안전조건을 도출하였다.
- 무처리시 침하검토 결과를 토대로, 총 침하가 구간별로 허용침하량(10cm)이상 발생되는 도시철도 가시설 인접구간 및 액상화 가능 구간을 검토대상구간으로 하였으며, 본 연구에 적용한 공법은 침하 및 액상화에 대한 지반개량효과가 높고 시공에 따른 진동 영향이 없으며, 타공정에 비해 슬라임 처리비가 없어 상대적으로 유리한 CGS공법을 채택하였다. 그림 2는 보강설계에 따른 지반개량 검토대상 구간을 나타낸 것이다.
- 본 공법에 사용된 주입재의 배합은 시멘트, 세립토, 석분으로 이루어져 있으며, 설계 및 시험시공에 의한 주입재 비율로 배합을 실시하였다.
- 또한 설계 시 고려되기 어려운 지반 고유의 특성인 비등방 비균질성의 극복을 위해 시험시공을 통하여 최적의 직경과 간격을 검토하고 일부 수정·적용 하였으며, 도시철도 가시설의 안전조건을 도출하였다. 시공 중 시공여건의 변화로 가시설 일부의 변형이 있어 압력해소공을 설치하여 극복하였으며, CGS 시공에 따른 개량효과는 피죠콘 등 현장시험, 실내물성 및 역학시험, CGS 구근의 육안확인 등을 통하여 확인하였다.
- 연약지반 및 준설매립층 개량공사와 관련하여 본 공사에 앞서 CGS공법 시험시공을 통하여 설계적정성을 확인하였다. 시험시공 배치구간은 도시철도 공사구간을 고려하여 비개착구간 중 설계 개량심도가 깊은 곳을 시험시공위치로 선정하였으며, 시험시공 배치는 위치의 주변현황을 고려하여 그림 3과 같이 시공간격을 2.
- 5m, 시공직경(D)은 800mm로 검토하였다. 이에 대한 침하검토시 C.G.S부위는 강성체로서 침하가 없는 것으로 간주하고, 원지반과 CGS의 응력분담비(n)와 치환율(as ) 개념을 이용하여 복합지반의 응력해석으로 연약지반에 대한 압밀침하량을 검토하였다. CGS를 시공한 지반에서의 침하량은 무처리시의 침하량보다 감소하게 되는데 그 원인은 CGS가 상재하중을 분담하여 압밀지반에 작용하는 응력을 감소시키고, 주변지반의 압밀특성을 변화시키기 때문이라고 판단된다.
- 연약한 실트질 점토층 위에 해성준설토로 조성한 부지에 건설되는 송도국제도시의 중앙대로건설공사는 지반보강이 가장 중요한 공종으로 도시철도의 굴토공정과 동시에 진행되어 굴토 가시설의 안전성을 저해하지 않는 범위에서 침하 및 액상화 보강이 필요하였다. 이에 침하 및 액상화에 대한 지반개량효과가 높고 시공에 따른 진동영향이 없으며, 타 공정에 비해 슬라임 처리비가 없어 상대적 경제성이 유리한 CGS공법을 채택 적용하였다.
- 중앙대로 구간 내 점성토지반의 토질특성을 파악하기 위해 시추조사와 병행하여 채취한 자연시료를 대상으로 KS F규정에 의거하여 실내시험을 실시하였다. 자연함수비는 9.
- 현장시험은 표준관입시험과 피죠콘관입시험을 실시하였다. 표준관입시험 결과 준설매립층의 액상화 개량구간에 대한 관리기준치인 최소(평균)의 6(10)/30을 상회하는 8(10)/30으로 나타나 목표치를 상회하여 개량된 것으로 나타났으며, 심도에 따른 N값의 변화는 그림 5와 같다.
대상 데이터
- 2007년 4월 17일부터 2008년 9월 8일까지 약 17개월 동안 CGS공법 시공을 실시하였다. 시공방법으로는 크게 천공작업과 주입작업으로 구분 할 수가 있다.
- 천공작업은 73mm의 비트 및 케이싱을 사용하여 소정의 계획심도까지 천공을 하는 것이고, 주입작업은 선단부터 계획량을 지반의 절삭없이 비배출형으로 주입재를 전용펌프로 주입하였고 주입관의 33cm/1회 기준으로 소정의 주입량을 주입한 후 인발하는 과정이다. 본 시공에 사용된 장비는 천공장비로 150m 천공능력 이상의 회전수세식 보링기를 사용하였고, 주입장비로 주입압력 70kgf/cm2 이상의 용량으로 저슬럼프의 주입재를 펌핑할 수 있는 CGS 전용펌프를 사용하였다.
- 송도국제도시는 현재 국제화, 정보화 도시조성이라는 목표 하에 교육 · 연구 · 주변공간을 활용한 문화 · 관광 · 물류유통 · 산업단지 등을 조성함은 물론 친환경적인 생태도시 조성을 목적으로 건립중에 있으며, 본 연구대상 지역은 송도 국제도시의 송도 1공구 기반시설 중앙대로 건설공사(L=2.4Km, B=70.0m) 현장이다.
- 연약지반 및 준설매립층 개량공사와 관련하여 본 공사에 앞서 CGS공법 시험시공을 통하여 설계적정성을 확인하였다. 시험시공 배치구간은 도시철도 공사구간을 고려하여 비개착구간 중 설계 개량심도가 깊은 곳을 시험시공위치로 선정하였으며, 시험시공 배치는 위치의 주변현황을 고려하여 그림 3과 같이 시공간격을 2.0m, 2.5m, 3.0m로 시험시공을 실시하였다.
이론/모형
- 이 건설 공사 현장은 2003년 5월 준설토로 매립이 완료된 지역으로 시공전까지 압밀이 진행중인 것으로 판단되었고, 인접하여 도시철도 시공을 위한 굴토 가시설이 계획되어 있어 이에 대한 안정성을 확보해야 하는 상황이다. 따라서 연약지반개량공법으로 하중영향이 없고 무진동으로 시공이 가능하며 가시설 동시시공시 및 가시설 시공 후 문제가 없을 것으로 판단되는 공법이 필요하여 지지말뚝으로써의 지지력과 주위 지반의 지내력확보를 동시에 만족하는 공법인 CGS공법(천병식 등, 1997)을 적용하였다.
성능/효과
- CGS 공법 시공에 따른 개량효과 확인을 위하여 피죠콘 관입 등에 의한 현장시험, 구근의 육안 및 코아채취에 의한 확인, 실내시험 결과 지반개량 목표치를 상회하는 것으로 나타나 침하 및 액상화 보강이 충분이 이루어 진 것으로 검토가 되었다.
- 표 7에는 개량 전과 개량 후 토질정수들의 변화를 비교한 것이다. CGS 공법을 이용하여 지반개량을 한 결과, 함수비, 비중, 초기간극비, 압축지수는 감소하였고, 반대로 단위중량과 선행압밀하중은 증가하는 것으로 나타났다.
- CGS공법 시험시공구간에 대하여 각각 사전/사후 시추 및 피조콘관입시험, 실내시험을 실시하고 계측 및 품질시험을 통하여 적용성 및 효과를 검토한 결과 Type-2(시공간격 2.5m, 구경 800)가 액상화, 허용침하량 등에서 가장 적정한 것으로 분석되었으며, 도시철도 가시설 구간에서도 안전하게 시공될 것으로 판단되었다. 시험시공결과는 표 4에 나타내었다.
- 개량후의 실내시험 결과에 의한 잔류침하량 검토결과 관리기준인 10cm이하로 나타났다. 각 시추공별 침하량은 표 6에서와 같이 BHN-6과 BCN-20에서의 침하량은 각각 8.4cm, 5.3cm로 모두 허용 잔류침하량 이내로 수렴하는 것을 확인하였다. 표 7에는 개량 전과 개량 후 토질정수들의 변화를 비교한 것이다.
- 개량 후 액상화 검토 결과 중앙대로 도시철도 인접구간 매립층에 대한 액상화 검토를 Seed & Idriss의 간편법과 지진응답해석으로 검토를 수행하였으며, 두 가지 해석방법에 의한 검토결과는 토질조사 위치별로 유사한 결과를 나타났다.
- 계측결과는 도시철도 가시설 안전성을 지중변위 측정결과(가시설 허용수평변위; 이격거리 1.6m에서 300mm이하) 일부구간에 대한 집중 및 동시작업만 방지하면 문제가 없을 것으로 분석되었으며, 주입작업에 의해 발생된 간극수압도 주입완료 10일 경과 후에는 소산되는 것으로 분석되어 인접공의 작업순서를 조절하면 지장이 없는 것으로 나타났다.
- 따라서 가시설 구조물과 10m 떨어진 위치에 Φ75mm PVC 스트레이너를 관입하여 드레인 방식의 압력해소공을 설치하였다. 그 결과 미리 설치된 계측기를 통해 가시설의 변형이 나타나지 않아 안전한 시공이 가능하였다. 그림 4는 시공 시 발생한 문제를 극복하기 위하여 압력해소공을 설치하는 모습이다.
- 그 결과 요구되는 지반개량의 기준을 상회하는 것으로 나타나 침하 및 액상화 방지를 위한 CGS공법은 성공적으로 수행되었음이 확인되었으며, 송도국제도시의 중심도로인 중앙대로 건설공사를 안전하고 양호한 고품질로 마무리할 수 있었다.
- 그라우팅 공법의 복합지반 개량효과를 도시철도 인접구간에 적용하기 위해 기존문헌을 분석한 결과, 적용가능한 개량효과는 저유동성 몰탈 주입공의 제원이 시공직경 D600∼D1000mm, 시공간격 2.0∼2.5m, 개량율 5.22∼14.5%의 범위인 것으로 나타났다.
- 그러나 BHN-1,2의 경우 지진응답해석 결과는 안정한 것으로 나타났지만, Seed & Idriss의 간편법 검토결과는 불안정한 것으로 검토되었으며, 그라우팅 개량 후에는 원지반의 N값이 상승하여 액상화에 대해 안정한 것으로 검토되었다.
- 5%의 범위인 것으로 나타났다. 그러므로 본 현장에서도 그림 2와 같이 동일한 개량효과를 적용하기 위해 개량율과 직경의 관계를 분석하였으며, 개량직경 및 개량율의 추세선 상에서 오차범위가 10%이내이고, 가장 경제적이면서 개량효과의 적용이 가장 적절한 개량직경과 개량율을 검토하였다. 검토결과에 따른 개량율 확보를 위해 CGS의 배치는 시공간격 2.
- 또한, 연약지반 개량공사가 시행중인 도시철도 공사와 공정이 중복되는 것으로 나타나 이에 대한 안전성을 검토 결과 P/L 하중 및 진동에 대한 가시설 영향범위는 압밀을 위한 P/L재하시의 하중범위를 고려할 때 주동파괴범위로 판단되는 20∼25m 이내에서 하중증가에 따른 토압에 영향이 있는 것으로 나타났으며, 연직배수재 타입장비 및 다짐장비에 따른 영향도 최소 20m에서는 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 상기에서 검토된 결과에 따라 CGS공법에 의한 연약지반 처리는 시공간격(C.T.C) 2.5m, 시공직경(D)은 800mm로 검토하였다. 이에 대한 침하검토시 C.
- 7%로 준소성(slightly plastic)상태이며 상부층은 액성지수가 1이상으로 불안정한 상태를 보이고 있다. 압밀특성시험결과 심도에 따른 뚜렷한 특성은 보이지 않았고, 간극비 평균값은 0.87, 압축지수 평균값은 0.18로서 압축성이 크지 않은 비교적 양호한 상태로 판단된다. 과압밀비는 평균 0.
- 액성한계는 23.8∼39%의 범위, 평균 23.8%의 값이고, 소성한계는 14.7∼22.7%의 범위, 평균 19.8%의 값을 보이며 심도에 따른 특성은 나타나지 않는 것으로 판단된다.
- 육안에 의한 구근이 확인되고 코아회수율(TCR)은 97.3∼99.7%로 연속성이 있는 것으로 나타났다.
- 침하량 산정은 정규압밀점토 조건으로 압축지수(cc)법으로 산정한 결과 총침하량(S1+S2+S3)은 0.115m∼0.881m이고, 시공을 고려한 압밀기간 40개월일 때의 압밀도(U)는 35.3∼100%이며, 이때의 잔류침하량은 3.0∼58.7cm로 대부분 지역에서 도로의 허용침하량인 10cm를 초과하는 것으로 나타났다.
- CGS를 시공한 지반에서의 침하량은 무처리시의 침하량보다 감소하게 되는데 그 원인은 CGS가 상재하중을 분담하여 압밀지반에 작용하는 응력을 감소시키고, 주변지반의 압밀특성을 변화시키기 때문이라고 판단된다. 표 3은 CGS 공법을 적용하여 지반을 개량한 결과 침하량을 검토한 결과이며, 개량 후 모든 구간에서의 침하량이 허용잔류침하량인 10cm 이내로 만족하는 것으로 나타났다.
- 현장시험은 표준관입시험과 피죠콘관입시험을 실시하였다. 표준관입시험 결과 준설매립층의 액상화 개량구간에 대한 관리기준치인 최소(평균)의 6(10)/30을 상회하는 8(10)/30으로 나타나 목표치를 상회하여 개량된 것으로 나타났으며, 심도에 따른 N값의 변화는 그림 5와 같다.
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