[논문]서울 도심지 내 지반에 시공한 소일-시멘트의 강도 특성

주진현; 김영석; 김학승; 조용상

문제 정의

본 연구에서는 도심지 공사에서의 지반 보강을 위하여 개발 중인 소일-시멘트 공법 연구(김영석 등, 2009)의 일부로 서울 도심지 내 3개의 재개발 현장들에서 채취한 흙을 자연 함수비 상태에서 실내에서 제작한 소일-시멘트에 대하여 일축 압축강도 시험을 실시하고 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 서울 도심지 재개발 현장 3개소에서 채취한 흙을 자연 함수비 상태에서 소일-시멘트로 제작하여 일축 압축강도 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

서울 시내 현장 3개소에서 소일-시멘트를 시공하기 전 대상 지반의 시료들을 채취하여 자연 함수비 상태에서 소일-시멘트를 제작하고 일축 압축강도 시험을 실시하여 강도 특성을 평가하였다. A 현장은 서울시 성북구의 아파트 재개발 현장, B 현장은 서울시 송파구의 아파트 재개발 현장, C 현장은 서울시 동대문구의 공원 재개발 현장이다.
일축 압축시험을 실시한 공시체 제작 시 토질 조건 및 시멘트 배합 조건에 따른 소일-시멘트 강도의 범위를 파악하고자 시멘트의 비율을 다양하게 설정하였다. 그리고 양생 시간에 따른 강도 발현 특성을 파악할 수 있도록 총 6개의 공시체를 제작하고 3개는 양생 7일 후, 나머지 3개는 양생 28일 후 강도를 측정하였다.
일축 압축시험은 한국산업규격에 제시되어 있는 흙의 일축 압축시험 규정(KS F 2314)에 따라 수행하였다. 즉, 공시체를 매분 1%의 압축 변형이 생기는 비율로 압축하였으며, 압축력이 최대가 되고 나서 계쏙해서 변형이 2% 이상 생기거나, 압축력이 최대값의 2/3 정도로 감소하거나 또는 압축 변형이 15%에도달할 때 까지 압축하였다. 시험 결과 모든 공시체가 최대 압축력 이후 압축력이 급속히 감소하면서 파괴되는 취성 거동을 나타내었다.
일축 압축시험을 실시한 공시체 제작 시 토질 조건 및 시멘트 배합 조건에 따른 소일-시멘트 강도의 범위를 파악하고자 시멘트의 비율을 다양하게 설정하였다. 그리고 양생 시간에 따른 강도 발현 특성을 파악할 수 있도록 총 6개의 공시체를 제작하고 3개는 양생 7일 후, 나머지 3개는 양생 28일 후 강도를 측정하였다.

이론/모형

일축 압축시험은 한국산업규격에 제시되어 있는 흙의 일축 압축시험 규정(KS F 2314)에 따라 수행하였다. 즉, 공시체를 매분 1%의 압축 변형이 생기는 비율로 압축하였으며, 압축력이 최대가 되고 나서 계쏙해서 변형이 2% 이상 생기거나, 압축력이 최대값의 2/3 정도로 감소하거나 또는 압축 변형이 15%에도달할 때 까지 압축하였다.

성능/효과

즉, 공시체를 매분 1%의 압축 변형이 생기는 비율로 압축하였으며, 압축력이 최대가 되고 나서 계쏙해서 변형이 2% 이상 생기거나, 압축력이 최대값의 2/3 정도로 감소하거나 또는 압축 변형이 15%에도달할 때 까지 압축하였다. 시험 결과 모든 공시체가 최대 압축력 이후 압축력이 급속히 감소하면서 파괴되는 취성 거동을 나타내었다. 일축 압축시험을 수행한 후 소일-시멘트 공시체의 모습은 그림 2와 같다.
5 - 3 MPa 을 나타내었다. 이를 통하여 소일-시멘트의 강도는 원지반 토질에 조립질 입자 성분이 많을수록 증가하며 입도 특성이 소 일-시멘트 강도의 중요한 영향인자임을 확인할 수 있다.
그리고 소일-시멘트의 일축 압축강도는 첨가한 시멘트의 양과 정비례하지 않고 토질 별로 소일-시멘트의 최대 강도가 발현되는 최적 시멘트 첨가 비율이 존재하는 것으로 나타났다. 최적 시멘트 첨가 비율은 약 20% 내외에 있었으며 세립분 함유량이 커질수록 최적 비율은 작아지는 경향을 나타냈다.
그리고 소일-시멘트의 일축 압축강도는 첨가한 시멘트의 양과 정비례하지 않고 토질 별로 소일-시멘트의 최대 강도가 발현되는 최적 시멘트 첨가 비율이 존재하는 것으로 나타났다. 최적 시멘트 첨가 비율은 약 20% 내외에 있었으며 세립분 함유량이 커질수록 최적 비율은 작아지는 경향을 나타냈다. 그림 4(d)는 시험 결과를 Mitchell (1976)이 제시한 시멘트 첨가 비율에 따른 소일-시멘트의 일축 압축강도 값과 비교한 그래프이다.
그림 4(d)는 시험 결과를 Mitchell (1976)이 제시한 시멘트 첨가 비율에 따른 소일-시멘트의 일축 압축강도 값과 비교한 그래프이다. 비교 결과, A 현장에서의 강도는 제시한 결과보다 크게 나온 반면 B와 C 현장에서의 소일-시멘트는 다소 작은 값을 나타내어 소일-시멘트의 강도는 시멘트 첨가량에 따라 한 가지로 나타나기 보다는 배합한 토질의 조립질 입자 함유량에 따라 달라지는 것으로 고려해야 한다.
소일-시멘트의 양생 시간에 따른 강도 발현 특성을 알아보기 위하여, 양생 7일 공시체와 양생 28일 공시체의 일축 압축강도 비율을 계산하여 그림 4에 나타내었다. 시험 결과 28일 / 7일 강도의 비율은 1.3 - 2.1 사이에 있는 것으로 나타났다. 또한 28일 / 7일 강도 비율은 같은 토질에 대해서도 시멘트 첨가 비율에 따라 다르게 나타났으며, 조립토가 많은 A 현장 흙에서는 시멘트 첨가 비율이 증가할수록 양생 시간에 따른 강도 증가량이 커지는 반면 세립토가 많은 C 현장 흙에서는 경향이 반대로 나타났다.
1 사이에 있는 것으로 나타났다. 또한 28일 / 7일 강도 비율은 같은 토질에 대해서도 시멘트 첨가 비율에 따라 다르게 나타났으며, 조립토가 많은 A 현장 흙에서는 시멘트 첨가 비율이 증가할수록 양생 시간에 따른 강도 증가량이 커지는 반면 세립토가 많은 C 현장 흙에서는 경향이 반대로 나타났다. 이를 통하여 소일-시멘트의 일축 압축강도 값 뿐 아니라 양생 시간에 따른 강도 발현 특성 역시 조립질 입자 함유량과 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있다.
이를 통하여 소일-시멘트의 일축 압축강도 값 뿐 아니라 양생 시간에 따른 강도 발현 특성 역시 조립질 입자 함유량과 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있다. 즉, 조립토를 많이 함유한 토질에서는 소일-시멘트 강도의 최적 시멘트 첨가 비율 뿐 아니라 양생 시간에 따라 강도가 크게 발현되는 첨가 비율이 조립질 입자를 적게 함유한 토질보다 크게 나타났다. 그림 4.
계산 결과 K 값은 대체로 조립토인 A 현장의 흙에서 큰 값을 나타내었지만, 조립토 및 세립토에 따른 상수로 나타나거나 일정한 경향을 나타나지는 않았다. 식 (1)은 28일 강도와 7일 강도의 차이를 비율로 고려하지 않고 강도의 차이로 나타내었기 때문에 상수 K 값은 분산이 심한 것으로 생각되며, 따라서 식 (1)로 시간에 따른 일축 압축강도의 변화를 계산하는 방법은 적합하지 않은 방법으로 판단된다.
(1) 소일-시멘트의 강도의 가장 큰 영향 인자는 토질의 조립질 입자 함유량이다. 소일-시멘트의 일축 압축강도는 SP 시료: 9 - 12 MPa, SW시료: 2 - 4 MPa , CL 시료: 1.
(2) 토질 종류에 따라 소일-시멘트의 최대 강도를 발현시키는 최적 시멘트 첨가 비율이 존재하였다.
(3) 양생 시간에 따른 소일-시멘트의 강도 발현 특성은 토질의 입도 특성, 시멘트 첨가 비율에 따라 다양하게 나타나 28일 / 7일 강도 비율이 1.3 ~ 2.1 범위에 있어 기존 식의 적용이 어려웠다.

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