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문제 정의
- 기존의 지반 보강 공법은 고압의 분사압을 이용하여 그라우트를 확산시켜 지반 보강을 유도하는 공법이 주이고 저압 보강 공법의 경우는 그 보강 범위가 협소하여 많은 굴착공을 요구함으로써 비경제적이며 많은 굴착공의 시공에 의해 지반을 교란시키는 역효과가 나타났다. 따라서 본 현장의 경우 굴착공수를 최소화하고 저압의 주입압에 의해 지반 및 기존 교량 기초를 보호하기 위하여 침투 성능이 뛰어난 재료의 선정과 저압의 주입압을 사용할 수 있는 공법의 선정이 필요하였다.
- 본 논문에서는 기존의 포틀랜드 시멘트계의 단점을 개선한 고점성, 유동성, 자기 충진성, 조기경화성, 분리저항성 등의 특성을 가진 액상형 그라우트용 개질재인 Hi-FA(High Functional Performance Agent)의 재료적인 특성파악과 이를 활용한 지반 보강 및 기존 기초 보강의 성공적인 사례연구를 통해보다 친환경적이고 최소한의 지반의 교란과 이완을 통한 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법의 특성과 폭넓은 활용 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- Hi-FA 그라우트의 강도특성 파악을 위하여 물/시멘트 비 50% 일 때 Hi-FA 배합 3%의 Hi-FA 그라우트 수용액의 3일과 7일 강도를 압축강도 시험을 수행하여 측정하였다.
- Hi-FA 재료의 물리적인 특성은 점도특성과 강도특성, 유동성의 측면에서 특성을 확인하였다.
- 또한 온도 35℃ 이상의 고온에서는 Hi-FA 재료의 점도 특성이 크게 저하 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 활용된 Hi-FA 재료의 배합특성은 물에 대한 배합비 3%를 기준으로 특성을 연구하였으며 물-시멘트 배합비에 따른 3%의 Hi-FA가 혼합되었을 때의 점도 특성을 확인하였다.
- 모형지반에 사용된 주입 조건은 물/시멘트 배합비 100% 에 펌프 압송주임압력은 5kg/㎠ 이하의 저압 주입 공법을 사용하였다. 또한 주입량과 주입 압력은 유량계를 통하여 확인하여 지반 보강 범위를 조정하였다.
- 또한 지반 보강체의 강도 확인은 7일 양생 후 공내재하시험을 수행하여 확인하였다.
- 모형 지반 조성 후 HGG 시공 장비인 Hi-Drill을 이용하여 주입을 실시하였고 주입 확인은 기 시공된 투명 탐측관을 이용하여 Hi-endoscope를 이용하여 지반 보강 내용을 확인하였다.
- 모형지반에 사용된 주입 조건은 물/시멘트 배합비 100% 에 펌프 압송주임압력은 5kg/㎠ 이하의 저압 주입 공법을 사용하였다. 또한 주입량과 주입 압력은 유량계를 통하여 확인하여 지반 보강 범위를 조정하였다.
- 본 연구에 활용된 Hi-FA 그라우트의 역학적 특성은 수중 불분리특성, 공벽유지특성, 자기침투성 등을 들수 있다. 수중 분불리 특성은 일반 포틀랜트 시멘트 그라우트가 물에 의해 희석되는 단점을 보완하는 것으로 이는 물에 의한 강도 감소와 지하수 및 지반에의 환경오염요소를 감소시키는 특성이다.
- 본 지반에 HGG 공법에 의한 지반 보강 수행을 위하여 Hi-endoscope를 이용한 지반 상채 확인 결과를 바탕으로 1차 배합 설계 및 주입 조건을 결정하였으며 본 지반 보강에 사용된 장비의 재원은 다음과 같다.
- 본 지반에 보강을 하기 위해서 먼저 지반 상태를 확인하기 위하여 Hi-endoscope를 이용하여 실제 지반 상태를 확인하였으며 확인된 결과와 지반 조사 결과를 비교하여 천공 심도와 보강 대상인 자갈층의 위치를 선정하였다.
- 본 현장에서 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법을 활용하여 육상부 6개 Pier의 모래자갈층을 대상으로 지반 보강을 성공적으로 수행하였으며 지반 보강 수행 후 All Casing 공법을 사용하여 대구경 현장 타설말뚝을 시공하였다. 그 결과 지반 보강 전 대구경 현장 타설말뚝의 굴착용 Casing 삽입에 의한 기존 교량 기초의 측방이동에 의해 발생하였던 변위가 현저하게 감소되어 기존 교량의 사용 성능에 영향을 주지 않았으며 말뚝의 시공에도 영향을 주지 않았다.
- 본 현장의 모형지반의 제작은 지반 상부에서 약 3.0m 직경의 사각 형태의 지반을 굴착한 후 자갈을 채운 후 물다짐을 수행하여 포화상태로 유지하였다. 모형 지반의 제작시 지반에 Hi-FA 그라우트의 침 투성을 확인하기 위하여 지반 영상 촬영장비인 Hi-endoscope 촬영을 위하여 투명한 아크릴관을 선시공 하였다.
- 본 현장의 하부 자갈층의 지반 보강을 수행하기 위하여 자갈층에서의 저압 주입시의 침투성능과 보강 범위를 확인하기 위하여 지반 상부에서 하부 자갈층의 조건과 동일하게 모형 지반을 제작하여 HGG 공법의 현장 적용성과 Hi-FA 그라우트재의 성능을 확인 한 후 본 지반에 HGG 공법을 사용하여 지반 보강을 수행하였다.
- 설계된 배합비와 주입조건을 사용하여 본 지반의 자갈층에 HGG 공법을 이용하여 지반 보강을 수행 하였으며 Hi-endoscope를 이용하여 주입 과정을 측정하였다.
- 그림 6. 에서와 같이 지반 보강 전 Hi-endoscope 촬영을 통해 지반 상태를 확인하였고 모형 지반에 주입과정에 다시 실시간 촬영을 통해 지반의 공극사이에 Hi-FA green 그라우트가 침투 주입되는 과정을 촬영하였다. Ho-endoscope의 촬영을 통하여 그동안 수행되지 못했던 연약 지반 보강 확인 방법을 새롭게 정립할 수 있었으며 보강 내용도 확실하게 확인 할 수 있었다.
대상 데이터
- 모형 지반의 보강 효과를 확인 한 후 본 현장의 실제 지반에서의 보강을 수행하였으며 주 보강 지반은 약 50m 하부의 자갈층을 대상으로 선정하였으며 보강 범위는 약 3.0m로 계획 수행하였다.
- 0m 직경의 사각 형태의 지반을 굴착한 후 자갈을 채운 후 물다짐을 수행하여 포화상태로 유지하였다. 모형 지반의 제작시 지반에 Hi-FA 그라우트의 침 투성을 확인하기 위하여 지반 영상 촬영장비인 Hi-endoscope 촬영을 위하여 투명한 아크릴관을 선시공 하였다.
- 본 연구에 활용된 Hi-FA 재료는 실내온도 20℃에서 엷은 미황색의 액상상태이며 pH 2.9에 1.0 정도의 밀도를 가지는 특성을 보이고 있다.
- 본 현장은 기존의 교량을 확장하는 현장으로 기존 교량의 하부 기초는 강관 말뚝으로 시공이 되어 지지층이 모래 자갈층으로 이루어져있다. 그러나 확장 교량은 기존 교량에 인접하여 대구경 현장타설말뚝으로 설계되어 연암층에 지지되는 기초 형식을 가지고 있다.
- 본 현장의 대표적인 지반 조건은 상부로부터 약 50m 까지는 싵트섞인 모래 혹은 모래층이 교호되고 있는 연약층으로 구성되어 있고 하부 약 50m 구간부터 자갈층으로 구성되어 있으며 약 58m 선에서 지지층이 연암이 나타나고 있다.
- 주입 조건은 천공경을 118mm 케이싱을 사용하였으며 물/시멘트 비는 100%를 준용하였으며 Hi-FA 첨가재는 3%를 기준하였다.
이론/모형
- 2장에서 소개한 유동성 및 점성 개질재인 Hi-FA 그라우트를 이용하여 기존 교량을 확장하는 건설현 장에서 하부 모래자갈층에 지반 보강 공법인 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법을 사용하여 지반 조강을 수행하였으며, 그 개요는 다음과 같다.
성능/효과
- 또한 보강 효과 확인 중 중요한 하나의 요소인 강도부분에서도 충분히 안정적인 것으로 현장시공 결과 나타났다. Hi-FA 그라 우트를 이용한 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법의 현장 적용성을 확인하였으며, 보강 효과의 확인 방법도 Hi-endoscope를 이용하여 실제 보강 과정을 확인 할 수 있었다. HGG 공법은 지반 보강뿐만 아니라 준설 매립에 의한 기존 기초 보강에도 활용할 수 있으며, 폭 넓은 활용 방안도 제시 될 수 있을 것으로 사료된다.
- Hi-endoscope를 이용한 실제 지반의 조건을 파악한 결과 보강 대상인 모래질 자갈층은 심도 48.3～ 56.7m로 나타났으며 촬영결과 입경이 비교적 큰 굵은 자갈질 모래층으로 구성되어 있는 것으로 파악되었다.
- 에서와 같이 지반 보강 전 Hi-endoscope 촬영을 통해 지반 상태를 확인하였고 모형 지반에 주입과정에 다시 실시간 촬영을 통해 지반의 공극사이에 Hi-FA green 그라우트가 침투 주입되는 과정을 촬영하였다. Ho-endoscope의 촬영을 통하여 그동안 수행되지 못했던 연약 지반 보강 확인 방법을 새롭게 정립할 수 있었으며 보강 내용도 확실하게 확인 할 수 있었다.
- 본 현장에서 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법을 활용하여 육상부 6개 Pier의 모래자갈층을 대상으로 지반 보강을 성공적으로 수행하였으며 지반 보강 수행 후 All Casing 공법을 사용하여 대구경 현장 타설말뚝을 시공하였다. 그 결과 지반 보강 전 대구경 현장 타설말뚝의 굴착용 Casing 삽입에 의한 기존 교량 기초의 측방이동에 의해 발생하였던 변위가 현저하게 감소되어 기존 교량의 사용 성능에 영향을 주지 않았으며 말뚝의 시공에도 영향을 주지 않았다.
- 또한 보강 효과 확인 중 중요한 하나의 요소인 강도부분에서도 충분히 안정적인 것으로 현장시공 결과 나타났다.
- 또한 신설기초의 상판이 기존 교량의 상판과 연결되는 구조로 신설기초가 기존 기초에 인접할 수 밖에 없어 하부 자갈층의 보강이 필수적인 것으로 나타났다.
- 의 온도에 따른 Hi-FA 배합비에 따른 점도 특성을 비교 분석하여 보면 온도 20～30℃에서 배합비 2～3% 일 때의 점도 특성이 약 5～8 정도로 일률적인 점도 특성을 보이고 있는 것으로 나타났으며 그 중 Hi-FA 배합비 3% 일 때 점도의 차이가 온도 20～30℃에서 약 5 정도로 가장 일률적인 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한 온도 35℃ 이상의 고온에서는 Hi-FA 재료의 점도 특성이 크게 저하 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 활용된 Hi-FA 재료의 배합특성은 물에 대한 배합비 3%를 기준으로 특성을 연구하였으며 물-시멘트 배합비에 따른 3%의 Hi-FA가 혼합되었을 때의 점도 특성을 확인하였다.
- 또한 일반 포틀랜트 시멘트계 그라우트는 하천이나 지반의 환경오염요소가 되므로 지반보강용 그라우트재는 친환경적이어야 하는데 본 논문에 사용한 Hi-FA (High Functional and Performance agent) 그 라우트는 수중 불분리 특성과 점성에 의해 물에 희석되지않는 거동을 보였다. 또한 보강 효과 확인 중 중요한 하나의 요소인 강도부분에서도 충분히 안정적인 것으로 현장시공 결과 나타났다.
- 수중 분불리 특성은 일반 포틀랜트 시멘트 그라우트가 물에 의해 희석되는 단점을 보완하는 것으로 이는 물에 의한 강도 감소와 지하수 및 지반에의 환경오염요소를 감소시키는 특성이다. 또한 자기 침투성이 커서 공극이 큰 모래자갈층의 침투에 적합한 특성을 가지고 있으며, 침투 범위도 점성을 조절하여 범위를 인위적으로 조절 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 물/시멘트 50%인 Hi-FA 그라우트의 강도 특성을 측정해보니 3릭 경과 후 약 22.0Mpa, 7일 경과 시 약 26.6Mpa 정도로 나타나 일반 시멘트 그라우트에 비해 강도 특성이 우수한 것으로 나타났다.
- 본 현장의 본 지반 보강 시 지반 보강의 효과 중 보강체의 강도가 너무 커 신설 기초 시공시 Casing 근입에 문제가 발생할 수 있었으나 실제 현장타설말뚝을 시공한 결과 지반 보강 범위의 알맞은 조정에 의해 신설 기초의 시공성을 저하시키지 않은 것으로 나타났으며 신설 기초의 압축 재하시험 결과 신설 기초의 지지력에도 문제가 없는 것으로 나타났다. 본 현장의 말뚝의 지지 형식이 선단지지 말뚝으로 설계 시공되었으나 모래 자갈층의 지반 보강 효과에 의해 주면의 저항성도 크게 증가 된 것으로 나타났다.
- 본 현장의 모형 지반에 대하여 7일 양생 후 공내재하시험을 수행하여 고결체의 강성을 확인한 결과 변형계수는 67～76 Mpa 정도의 특징을 보이고 있으며 탄성계수는 92 ～110 Mpa 정도의 특성을 보이고 있어 이는 풍화암 이상의 암반이 가지는 특성을 보이고 있는 것으로 판단되었다.
- 본 현장의 본 지반 보강 시 지반 보강의 효과 중 보강체의 강도가 너무 커 신설 기초 시공시 Casing 근입에 문제가 발생할 수 있었으나 실제 현장타설말뚝을 시공한 결과 지반 보강 범위의 알맞은 조정에 의해 신설 기초의 시공성을 저하시키지 않은 것으로 나타났으며 신설 기초의 압축 재하시험 결과 신설 기초의 지지력에도 문제가 없는 것으로 나타났다. 본 현장의 말뚝의 지지 형식이 선단지지 말뚝으로 설계 시공되었으나 모래 자갈층의 지반 보강 효과에 의해 주면의 저항성도 크게 증가 된 것으로 나타났다.
- 표 2. 의 온도에 따른 Hi-FA 배합비에 따른 점도 특성을 비교 분석하여 보면 온도 20～30℃에서 배합비 2～3% 일 때의 점도 특성이 약 5～8 정도로 일률적인 점도 특성을 보이고 있는 것으로 나타났으며 그 중 Hi-FA 배합비 3% 일 때 점도의 차이가 온도 20～30℃에서 약 5 정도로 가장 일률적인 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한 온도 35℃ 이상의 고온에서는 Hi-FA 재료의 점도 특성이 크게 저하 되는 것을 알 수 있었다.
- 표3에서 보이듯이 온도 15～30에서 점도 특성이 가장 지수함수에 의한 일률적인 페턴을 보이고 있으며 점도 특성이 가장 잘 나타나고 있는 것으로 나타났다.
- 기존의 교량의 하부 기초인 강관 말뚝은 하부 모래자갈층에 지지되어 있고 신설 기초는 하부 연암층에 소켓되게 계획되어 있다. 하부 연암층에 도달하기 전 자갈층이 지반의 교란과 기존 기초의 측방이동을 유발하는 연약층으로 판단되었으며 심도가 약 50m 이상의 대심도이고 하천이 바로 인접하여 지하수위가 높아 피압수의 영향도 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- Hi-FA 그라 우트를 이용한 HGG(Hi-FA Green Grouting) 공법의 현장 적용성을 확인하였으며, 보강 효과의 확인 방법도 Hi-endoscope를 이용하여 실제 보강 과정을 확인 할 수 있었다. HGG 공법은 지반 보강뿐만 아니라 준설 매립에 의한 기존 기초 보강에도 활용할 수 있으며, 폭 넓은 활용 방안도 제시 될 수 있을 것으로 사료된다.
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