서 론

연약지반을 대상으로 지지력을 향상시키거나 투수성을 저하시키기 위해 실시되는 그라우팅 공법의 지반개량 효과를 확인하는 방법으로는 물리 ‧ 역학적 방법(콘관입시험, 표준관입시험, 사운딩 및 시료채취, 코어링, 시험굴착, 공내재하시험, 신축계, 침하판, 밀도시험, 평판재하시험 등), 수리학적 방법(현장 및 실내 투수시험, 관정양수시험, 위어(weir) 등), 지구물리학적 방법(탄성파탐사, 음향탐사, 전기비저항탐사, 레이다탐사, 표면파탐사 등), 화학적 방법(수소이온농도 측정, 시약판별법 등) 등이 있다(Byle and Borden, 1995). 물리 ‧ 역학적 방법은 지반의 강도 및 단위중량 증가, 수리학적 방법은 투수계수 감소, 지구물리학적 방법은 전기전도도 감소, 탄성파 속도 증가 등을 확인함으로써 그라우팅의 주입효과를 판단한다.

농업용 저수지 제체는 일부 기초 지반조사 해석의 부적절성과 부실시공 등으로 인하여 안정성의 문제가 발생하기도 하지만, 일반적으로 구조물의 특성상 시간이 경과함에 따라 자중 및 외력에 의해 노후화되어 구조가 취약해지거나 성능이 저하되어 제체의 안정성에 문제가 발생한다(Park et al., 2002). 노후화된 저수지 제체의 보수 ‧ 보강을 위해 일반적으로 적용되는 공법은 그라우팅 공법이다. 다만 일반적인 지반개량과 달리 제체에서 그라우팅을 시행하는 주된 목적은 제체 코어물질이나 기초지반의 물리 ‧ 역학적 특성을 개량하여 차수능력을 향상시키는 것이며, 이 과정에서 제체 구성물질의 강도특성도 일부 향상된다.

국내 행정규칙에서는 농업생산기반 정비사업 대상의 댐과 저수지를 보수 ‧ 보강하기 위한 그라우팅 주입 시, 전기비저항탐사와 현장투수시험을 수행하여 그라우팅 후의 주입효과를 평가할 것을 제시하고 있다(MAFRA, 2017). 하지만 위 평가법에 대해서 평가의 한계를 지적하는 연구들도 있다. Oh and Sun(2004)에 의하면 전기비저항탐사는 제체에서 함수비가 높은 곳이 연약하거나 저비저항을 보이는 것으로 가정하지만, 점토질 모래(SC)에 해당하는 지반에서 점토와 같은 세립자가 유실되는 영역은 오히려 비저항의 상승효과를 가져와 고비저항을 보이므로 표준관입시험과 육안검사 등을 병행할 것을 권장하고 있다. 또한, Bae et al.(2018)은 전기비저항치 만으로는 제체의 강성을 평가하기 어려우므로, MASW(Multichannel Analysis of Surface Wave)를 실시하여 전단파속도(V_s)를 통해 제체의 강성을 평가할 필요가 있음을 주장하고 있다.

본 연구에서는 유지보수를 위해 그라우팅 주입을 실시하는 농업용 저수지 제체를 대상으로 주입단계별로 물리 ‧ 역학적 방법(단위중량, 삼축압축시험, 표준관입시험), 수리학적 방법(실내 및 현장 투수시험), 지구물리학적 방법(전기비저항탐사, MASW) 등을 적용하여, 주입단계별 그라우팅공법의 주입효과를 확인함으로써 여러 가지 주입효과 평가방법의 적절성에 대하여 검토하고자 한다.

그라우팅 주입현황 및 분석 자료

그라우팅 주입현황

○○저수지는 농업생산기반 1종시설물로서 2002년, 2008년, 2013년에 정밀안전진단을 수행한 결과 “C(보통)”등급으로 분류되었고, 내구성 확보 및 기능 회복을 도모하기 위하여 2018년부터 2021까지 개보수사업을 진행하고 있다. 본 연구에서 분석한 그라우팅 주입구간은 No.7+00~No.10+19(L = 79 m) 구간이다(Fig. 1). 시추공은 제당 중심선에서부터 공 간격 2 m, 열 간격 1 m의 2열 지그재그 식으로 배치되었고, 공별 주입순서는 8 m 간격으로 후열을 선주입하고 전열을 후주입하였다. 분석 자료의 수집 및 획득을 위한 현장시험과 실내시험의 일정은 Table 1과 같으며, 그라우팅이 실시되기 이전의 데이터는 해당 저수지의 수리시설 개보수 시추조사보고서를 참고하였다(Chungbuk Aqua Exploitation, 2018).

Fig. 1은 그라우팅 주입 구간과 실내시험(단위중량시험, 삼축압축시험, 실내 투수시험)을 위한 시료채취와 현장시험(현장 투수시험, SPT, MASW 탐사, 전기비저항 탐사)을 수행한 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Grouting section and locations of field tests and sampling in the study reservoir.

각종 시험을 통해 획득한 데이터들은 그라우팅 주입 시점을 기준으로 ① 그라우팅 이전, ② 그라우팅 중, ③ 그라우팅 직후, ④ 그라우트재 재령 28일 이후, 총 4단계로 구분하여 분석을 수행하였다. 그라우트재 재령 28일 이후를 구분한 이유는 시멘트가 물과 혼합되어 28일 후 80%, 90일 후 90%, 3년 후 100%의 경화력을 보이고, 콘크리트로 구조물을 시공하는 경우 역학적인 계산 시 28일을 기준으로 하는 점을 고려하였다.

물리 ‧ 역학적 자료

물리 ‧ 역학적 특성 자료에는 실내 및 현장시험으로부터 획득한 단위중량, 삼축압축강도, 점착력 및 마찰각, 관입저항치(N값) 등이 있다. 실내시험을 위해 채취된 시료의 개수 및 위치 정보는 Table 2와 같으며, 시료는 시추작업을 통해 코어형태로 채취되었다. 실내시험 시 습윤 및 건조 단위중량 측정은 KS F 2306(2020), 삼축압축강도 시험, 점착력 및 마찰각 산정은 KS F 2346(2017)의 기준에 근거하여 실시되었다. 표준관입시험 시에는 KS F 2307(2017)에 따랐으며, 심도별 1.5 m 간격으로 실시하였다.

수리학적 자료

수리학적 특성 자료는 현장 및 실내에서 투수시험을 실시하여 투수계수를 획득하였다. 실내 투수시험은 KS F 2322(2020) 기준에 근거하여 비교적 투수계수가 작은 흙에 적용하는 변수위 투수시험을 적용하였다. 실내 변수위 투수시험은 일정한 단면과 길이를 가진 시험체 내에서 일정한 수위차를 초기상태로 하여 물이 통과할 때의 수위 강하량과 그 경과 시간을 측정하는 시험법으로, 그라우팅 이전에 1회, 직후에 3회, 재령 28일 이후에 1회 실시되었다. 현장 투수시험은 시추조사와 병행하였고, 시추공 내에서 변수위법을 이용하여 그라우팅 이전에 4회, 직후에 1회, 그라우트재 재령 28일 이후에 1회 실시되었다.

지구물리탐사 자료

그라우팅 진행단계에 따른 차수효과를 파악하기 위하여 전기비저항탐사와 MASW 탐사를 수행하였다. 전기비저항탐사는 수평탐사 방법인 쌍극자배열법(Dipole-Dipole Array)을 이용하여 1개 측선(95 m)에 대하여 실시하였다. MASW탐사는 2 m 간격으로 배열된 24개의 수진기(Geophone)를 이용하여 측선당 길이 46 m, 두 측선의 자료를 획득하였고, 각 측선마다 25개의 기록을 획득하였다.

물리 ‧ 역학적 특성 분석

시추결과에 의하면 제체 마루에서 심도 2.7 m까지는 실트질 모래(CM)로 구성된 성토층이 분포하고, 그 이하 심도에서는 세립질 점토(CL)로 구성된 제체의 중심 점토층(심도 2.7~16.5 m)이 분포하였다. 농업용 저수지 제체에서 시행되는 그라우팅은 차수능력의 향상이 가장 큰 목적이지만, 물리 ‧ 역학적 특성 변화를 관찰함으로써 그라우팅에 의한 중심코어 물질의 강도특성 변화를 검토하고자 한다.

단위중량

단위중량의 경우 그라우팅 이전 단계(1.85 g/cm³)에서 재령 28일 이후 단계(1.96 g/cm³)로 갈수록 습윤단위중량은 증가하는 경향성을 보였다(Fig. 2a). 건조단위중량의 경우 그라우팅 이전과 직후(평균)가 1.52 g/cm³로 동일하지만, 재령 28일 이후의 값이 0.06 g/cm³ 증가하였다(Fig. 2b). 따라서 습윤단위중량과 건조단위중량 모두 그라우팅 이전보다 그라우팅 이후에 증가하는 양상을 보였다. 그 이유로는 중심코어에 분포하는 균열에 그라우트재가 주입되어 단위중량이 소폭 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Changes in wet and dry unit weights for respective grout injection stages.

삼축압축시험

그라우트 주입에 따른 강도 변화를 파악하기 위해 삼축압축시험을 통해 산정된 압축강도, 마찰력, 점착력을 분석하였다. 그라우트재가 고결됨에 따라 구속압 별 압축강도는 Fig. 3a와 같이 증가하는 경향을 보였다. 마찰각은 그라우팅 이전보다 직후가 3.73°, 재령 28일 이후 시료는 8.50° 더 크게 나타났으며(Fig. 3b), 점착력은 이전보다 직후(평균)와 재령 28일 이후 시료가 각각 13.47 kPa, 4.93 kPa 더 높게 나타났다(Fig. 3c). 그라우팅 직후(평균)가 재령 28일 이후 시료보다 점착력이 큰 이유는 주입약액의 침투 특성에 따른 개량범위의 불균질성에 기인하는 것으로 판단된다(Geotech Technology Institute, 2012). 즉, 그라우팅공법이 적용된 지반에서 채취된 실내시험용 시료는 지반의 불균질성에 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 3.

Changes in compressive strength, friction angle, and cohesion for respective grout injection stages.

표준관입시험

현장에서 표준관입시험을 실시하여 중심코어의 그라우팅 이전과 직후, 재령 28일 이후의 N값(타격횟수)의 변화를 검토하였다. Fig. 4에서 그라우팅 직후의 곡선을 살펴보면 심도 3~7 m에서 N값이 크게 증가하였다. 그리고 그라우팅 직후의 N값은 그라우팅 이전의 N값보다 평균 2.2회 증가하여 나타났다. 그라우트재 재령 28일 이후의 N값을 살펴보면 심도 3.0~10.5 m에서는 그라우팅 이전보다 동일하거나 1~3회 정도 소폭 증가하였으며, 심도 12.0~15.0 m에서는 그라우팅 이전보다 1~3회 정도 감소하여 나타났다.

Fig. 4.

Changes in SPT N-value for respective grout injection stages.

본 연구에서는 일반적으로 현장에서 실시되는 것과 같이 그라우팅 이전, 직후, 재령 28일 이후에 각 1회씩 표준관입시험을 실시하였기 때문에, 앞에서 기술한 것과 같은 N값의 불규칙성을 정확히 설명하기가 어렵다. 따라서 중심코어가 균질하다는 가정 하에 서로 인접한 위치에서 시행되는 단계별 표준관입시험의 결과만을 이용하여 그라우팅에 의한 지반개량효과를 파악하는 것은 바람직하지 않고, 다른 분석의 결과를 동시에 검토해야 하며, 검사공의 수를 증가시키는 것도 대안이 될 수 있다.

수리 특성 분석

실내 투수시험

그라우팅 이전, 직후와 재령 28일 이후 중심코어를 대상으로 실내 투수시험을 실시하였다. 그 결과를 살펴보면 그라우팅 이전 시료의 평균 투수계수는 1.20 × 10^-6 cm/sec, 그라우팅 직후 시료의 평균 투수계수는 1.17 × 10^-6 cm/sec, 재령 28일 이후 시료는 8.32 × 10^-7 cm/sec로 나타났다. 그라우팅 직후에는 차수성이 크게 변하지 않지만, 재령 28일 이후에는 차수성이 상당히 개선되는 것으로 분석되었다(Fig. 5). 다만, 그라우팅 직후의 3개 시료 중 하나(No.9+00 7.0~8.0 m)의 투수계수는 1.60 × 10^-6 cm/sec로 그라우팅 이전보다 투수계수가 다소 높은 것으로 나타났다. Fig. 6에 제시한 두 개의 시료를 살펴보면 시료의 불균질성에 의한 투수계수의 분산을 어느 정도 이해할 수 있다. (a)시료의 경우 시료 표면에서 관찰되는 균열을 그라우트재가 채우지 못한 것으로 관찰되며, (b)시료는 균열을 그라우트재가 충전시키고 있는 것을 볼 수 있다. 다만, 두 시료를 채취한 제체는 농업용수용 제체의 유지보수 누수량 허용기준(2 × 10^-4 cm/sec 이하)을 만족하고 있으므로 차수성에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Changes in laboratory permeability for respective grout injection stages.

Fig. 6.

Core samples obtained immediately after grouting (No. 9+00; depth: 7.0-8.0 m).

현장 투수시험

현장 투수시험을 통하여 획득한 투수계수의 변화를 살펴보기 위하여 그라우팅 이전(평균값), 그라우팅 직후 그리고 재령 28일 이후의 투수계수를 상호 비교하였다(Fig. 7). 중심코어의 그라우팅 이전 투수계수(평균)는 3.98 × 10^-4 cm/sec, 그라우팅 직후 7.58 × 10^-5 cm/sec, 재령 28일 이후 9.29 × 10^-5 cm/sec로 그라우팅 주입 직후부터 차수성이 향상되었다. 현장 투수시험으로 측정된 투수계수는 재령 28일 이후의 투수성이 그라우팅 직후보다 다소 좋게 나타나지만 변수위법이 적용된 현장 투수시험의 정밀도를 감안하면 큰 차이는 아니며, 그라우팅 주입 직후에 그라우팅의 효과를 발현하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Changes in in-situ permeability for respective grout injection stages.

실내 및 현장 시험의 투수계수 비교

일반적으로 동일한 지역, 같은 암종의 시료라 하더라도 현장시험과 실내시험으로 획득한 결과는 시료의 대표성, 규모, 시험 방법 등의 차이로 인하여 편차가 발생하는 것으로 알려져 있다(Vallejo and Ferrer, 2011). 본 연구에서도 현장 투수시험과 실내 투수시험으로 측정한 투수계수를 비교하여 그 특징을 검토하였다.

그라우팅 이전 투수계수는 실내시험에서 1.20 × 10^-6 cm/sec, 현장시험에서 3.98 × 10^-4 cm/sec로 측정되어 현장시험 결과가 331.7배 큰 것으로 분석되었다. 또한, 그라우팅 주입 직후에는 실내시험 결과가 1.17 × 10^-6 cm/sec, 현장시험 결과가 7.58 × 10^-5 cm/sec으로 현장시험 결과가 64.8배 크게 측정되었다. 그라우트재 재령 28일 이후도 실내시험 결과가 8.32 × 10^-7 cm/sec, 현장시험 결과가 9.29 × 10^-5 cm/sec으로 현장시험의 투수계수가 111.7배 크게 측정되었다(Fig. 8).

Fig. 8.

Comparison of permeability between laboratory and in situ tests.

모든 그라우팅 단계에서 현장시험에서 측정된 투수계수가 실내시험의 결과보다 약 64.8~331.7배 크게 나타나는 이유는 시료크기 효과와 물의 흐름조건 때문이다. Fig. 9는 시료의 크기효과를 보여주는 개념도로서, 시료의 크기가 증가함에 따라 무결암에서 심하게 절리가 발달한 암반으로 전이되는 것을 나타낸다(Hoek and Brown, 1997). 이러한 개념은 제체의 중심코어에도 적용이 가능하다. 실내시험에 이용된 시료는 크기가 작기 때문에 투수계수에 직접적으로 영향을 미치는 균열이 포함될 확률이 낮으나, 현장시험에 이용된 시료는 상대적으로 많은 균열을 포함하기 때문에 투수계수가 높게 산정되는 것으로 분석된다.

Fig. 9.

Diagram of size effects (modified from Hoek and Brown, 1997).

물의 흐름조건은 실내 투수시험의 경우 물의 흐름이 한방향으로 제한되지만, 현장 투수시험의 경우 여러 방향(수직과 방사상 방향)으로 흐름을 허용하므로 현장시험의 투수계수가 더 크게 측정된다. 상기와 같은 이유로 Lee and Chang(2007)은 댐 및 저수지 제당 설계 시 실내시험 투수계수를 적용할 경우에는 α×102배 만큼 크게 적용할 것을 제안하고 있다.

지구물리탐사 결과 분석

전기비저항탐사

전기비저항탐사는 Table 1에서 언급한 것처럼, 그라우팅 중에 2회, 직후에 2회, 재령 28일 이후에 3회를 실시하여 총 7회 실시하였다. 전기비저항탐사 결과는 Fig. 10과 같이 단면도로 산출되기 때문에, 중심코어만 존재하는 심도 5~10 m 구간의 전기비저항값(평균)을 그래프로 도시하여 비저항값의 변화를 분석하였다(Fig. 11).

Fig. 10.

Electrical resistivity survey profiles for respective grout injection stages.

Fig. 11.

Changes in resistivity (ave.) at depths of 5-10 m for respective grout injection stages.

1~7차 탐사결과를 살펴보면 1차탐사의 전기비저항값이 다른 차수에 비해 상대적으로 고비저항값을 보인다. 전기비저항값은 지하수위의 영향을 많이 받기 때문에 그 영향을 확인하기 위하여 농촌용수종합정보시스템(KRC, 2020)에서 연구대상 저수지의 저수율을 확인하면 Table 3과 같다. 1차와 2차 시험을 실시한 시점의 저수율은 각각 73.9%와 74.9%로 그 차이가 1% 정도로 미미하다. 따라서 1차와 2차 탐사 사이에 실시된 그라우팅 주입의 결과가 탐사결과에 반영되어 중심코어 부분의 비저항치가 낮게 나타나는 것으로 판단된다. 이러한 경향은 그 이후 7차까지의 중심코어 비저항치에서도 관찰되는데, 그라우팅 주입 후 시간 경과에 따라 그라우트재가 고결됨에 따라 중심코어의 비저항치가 서서히 증가되어 나타난다.

그라우팅 단계별 전기비저항값의 변화를 살펴보면, 1차 탐사결과를 제외하고, 2차(97 ohm ‧ m)에서 7차(113 ohm ‧ m)까지 16 ohm ‧ m로 소폭 증가하는 경향을 보인다. 하지만 저수율 또한 달라지고 있으므로 전기비저항값의 증가만으로 지반개량 효과를 판단하는 것은 다소 어려움이 있다. 하지만 그라우팅 주입에 따른 보강효과의 경향성을 판단하는 데는 유효한 수단이며, 특히 저수지 제체의 포화대나 누수대 파악에는 효과적인 방법으로 판단된다.

표면파 탐사(MASW)

표면파 탐사(MASW)는 Table 1에서 언급한 것과 같이 그라우팅 중에 1회, 직후에 1회, 재령 28일 이후 1회, 총 3회를 실시하였다. 그라우팅 주입에 의한 지반개량의 판단지표로서의 유효성을 살펴보기 위하여 중심코어를 대상으로 P파와 S파의 속도를 검토하였다. 평균 P파 속도는 1차 357 m/sec, 2차 415 m/sec, 3차 458 m/sec이며, 평균 S파 속도도 1차 158 m/sec, 2차 177 m/sec, 3차 196 m/sec로 평균 P파 및 S파 속도가 증가하는 양상을 보였다. 그라우팅 주입이 진행됨에 따라 중심코어에서 저속도층을 보이는 구간 역시 주입 전과 비교하여 주입 후 개선된 양상을 보인다(Fig. 12).

Fig. 12.

Changes in resistivity (ave.) at depths of 5–10 m for respective grout injection stages.

또한, 표면파 탐사의 결과로부터 식 (1), (2), (3), (4)를 이용하여 동적특성을 계산할 수 있다.

여기서 υd는 동포아송비, Gd는 동전단탄성계수, Kd는 동체적탄성계수, Ed는 동탄성계수, ρ는 단위중량, Vp는 P파 속도, Vs는 S파 속도이다. 중심코어의 평균탄성파속도를 적용하여 동적물성치를 산정한 결과를 정리하면 Table 4와 같다. 위와 같이 산정된 동적특성은 내진설계 시 기초자료로 활용할 수 있다.

결 론

본 연구에서는 노후 저수지의 보수 ‧ 보강을 위해 가장 많이 시행되는 그라우팅공법의 주입효과를 확인하기 위한 여러 방법의 유효성을 검증하였다.

저수지 제체의 차수효과를 확인하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법에는 현장 투수시험과 전기비저항탐사법이 있다. 현장 투수시험으로 측정된 투수계수는 그라우팅 주입 직후에 그라우트재가 고결되기 이전부터 차수성이 뚜렷하게 향상되는 것이 확인되기 때문에, 그라우팅 직후에 저수지 제체의 개량효과를 확인하는 방법으로 적합한 것으로 판단된다. 실내 투수시험의 경우 대체로 차수성이 확인되지만 크기효과와 물의 흐름조건 때문에 현장의 투수성을 대표하기에는 부적절한 것으로 판단된다. 전기비저항탐사는 탐사 시기에 따라 변하는 외부요인으로 인하여 그라우팅 주입과정에 따른 비저항값을 절대값으로 비교하기 어려운 단점이 있으나, 그라우팅 단계별 비저항치의 경향성을 통하여 지반개량 효과를 확인할 수 있다.

표면파탐사(MASW)는 그라우팅 주입과정에 따라 정량적인 값인 탄성파속도가 점차적으로 증가하고, 저속도층이 개선되는 양상을 보이므로 저수지 제체의 변화과정을 파악하는데 좀 더 유효한 것으로 나타났다. 또한 탄성파 속도를 이용하여 제체의 동적특성을 파악할 수 있기 때문에 내진설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

물리 ‧ 역학적 방법에 속하는 단위중량, 압축강도, 마찰각, 점착력, N값(관입저항치)의 경우 그라우팅이 진행됨에 따라 제체의 강도가 일부 개량된 것을 확인하는데 유효하다. 하지만 강도의 증가가 곧 차수성의 증가를 의미하지는 않으며, 동일 위치에서 반복적으로 시료를 채취하기 어렵고, 불균질한 지반 특성을 반영하기 위해서는 분석시료 수가 증가되어야 하는 단점도 있었다.