서 론

연구의 배경 및 목적

그라우팅공법은 토목분야에서 주로 불안정한 사면의 보강이 목적이나 매립지역, 제방 또는 댐 등의 차수를 필요로 하는 곳, 구조물의 보수 ‧ 보강, 연약지반 보강의 수단으로 개발되었다. 최근에는 지하철, 도로 및 공항, 단지조성, 고속철도, 항만, 발전소 등 수많은 대규모 국가 산업시설물 건설공사에서 사용되고 있다. 그 중 우레탄 주입공법은 발포와 동시에 발포반응을 통하여 주입재료의 고결부피를 증가시키는 공법으로써 구조물 축조 시 지반의 안정성 확보뿐만 아니라 기존의 축조된 침하 구조물의 복원 및 지반의 투수성 문제를 해결할 수 있는 신개념 그라우팅 공법이다.

도심지에서 빈번하게 발생하는 구조물의 침하 및 공동구의 복구를 위해서는 최소한의 시간과 급속 시공성을 이용하여 복구가 이루어져야 한다. 현재 지반의 공동이나 도로 및 구조물의 침하 보강 시 그라우트재를 주입하거나 보강 대상지역에 대해 토사를 포설하고 다짐을 반복하는 과정을 반복하고 있다. 허나 이러한 과정에서 그라우팅에 비해 지반을 교란시키고 다짐에 대한 불확실성으로 공동 및 침하가 재 발생하는 경우를 초래할 수 있다.

본 연구에서는 연약지반 위에 축조된 중 ‧ 저층의 구조물의 얕은기초 지반의 안정화를 위하여 주입재료의 역학적 실험과 주입 후의 안정성 검토를 수행하였다. 구조물 기초지반의 허용지지력 및 허용 침하량을 산정하여 현장시공을 통한 지지력 증대 효과를 비교 분석하였다.

선행연구 분석

고분자계 우레탄 주입공법은 1990년 초에 국내에 보급되었으며 당시 국내에 보급된 우레탄 자재는 대부분 일본에서 생산된 자재에 기준을 두고 공법을 도입하게 되었다. 이후 국내 여러 연구자들에 의해 우레탄계 약액주입에 대한 연구가 시작되었다.

국내 우레탄 주입공법에 대한 본격적인 연구는 Kim et al.(1995)이 암반 주입용 우레탄계 약액의 온도와 점성과에 관계에 대한 연구를 수행함으로 시작되었다. 그 결과 온도가 높아짐에 따라 겔 타임이 상승되고 토압이 증가됨에 따라 발포율은 선형적으로 감소된다는 것을 확인하였다. Chae et al.(1996)은 고분자계 우레탄 주입공법에 대한 지반보강 효과에 대하여 연구를 수행하였으며 당시 상용화되지 않은 우레탄 공법에 대한 재료적 특성을 파악하였다.

Cheon et al.(1997)은 Soil Nailing System의 보조공법으로 폴리우레탄 주입공법을 적용하였고 적용된 주입재의 보강효과를 파악하기 위하여 현장실험 및 계측을 실시하였다. 그 결과 적용된 주입재가 네일의 인발력에 대한 저항성을 증대시키고 지반의 안정화에 기여한다고 판단하였다. Jeong et al.(2010)은 발포우레탄 패커의 특성을 이용하여 쏘일네일링 공법을 적용한 사면 및 흙막이 벽체 시공사례를 분석하였다.

2000년대 이후 산업부산물 및 재활용 가능한 재료를 대체 재료로 치환한 유동성 채움재에 대한 연구, 유동성 채움재의 탄성파 및 전자기파 특성과 일축압축강도의 관계로부터 양생시간에 따른 유동성 채움재의 강도 특성을 평가하는 연구가 수행된 바 있다.(Yu et al., 2016; Kim et al., 2016, 2017; Han et al., 2018).

최근에는 우레탄 공법을 이용한 도로함몰 및 지반공동의 긴급복구를 위한 무기질계 혼화재에 대한 연구가 수행되고 있다. Jung et al.(2017)은 수용성 폴리머 파우치 내부에 충진 재료인 시멘트와 잔골재 및 혼화재를 혼합하여 지반공동을 충전하는 연구를 수행하였으며 양생 온도에 따른 압축강도 및 팽창률 시험과 투수시험을 수행하였다. Han et al.(2017)은 긴급복구 재료의 팽창 및 강도 특성에 관한 연구를 수행하였으며 발포제와 촉진제의 배합비에 따른 강도 분석 및 팽창재료의 소요 주입시간, 팽창률에 대한 연구를 수행하였다. Han et al.(2018)은 지반공동 충진을 위한 발포성 경량 그라우트재에 대하여 기본 역학적 실험을 통하여 공동 충진의 적합성과 공학적 특성을 평가하고자 하였다. Lee et al.(2018)은 석고를 활용한 지반 함몰 발생 시 긴급 복구공법에 사용될 산업부산물을 활용한 뒤채움재를 개발하고자 하였으며 그 결과 시멘트의 비율이 4% 이상일 경우 재 굴착이 가능한 장기강도보다 크게 측정되어 긴급복구 목적에 적합하지 않은 것으로 판단되었다.

공법의 개요

우레탄 주입공법

우레탄계 약액은 주재료인인 Urethane Polymer의 이소시아네트기와 지중의 물이 결합되어 우레탄수지가 물속에서 결합된다. 또한 수화반응과 종시에 발포반응이 생겨 고결부피를 증가시키는 경향이 있으며 지반 중에 구속된 경우 현저하게 강도가 증가한다. 우레탄계 약액에는 비수용성과 수용성 등 2가지 형이 있으며 수용성은 친수성으로서 물에 용해되는 성질이 있고 다른 첨가제를 조합함으로서 사전에 겔화시간을 설정할 수가 있다. 한편, 비수용성은 배합 시에 물을 포함하지 않는 주제 및 첨가제로 되어 있어서 지중의 물과 반응하기 때문에 지하수의 변화에 따라 겔화시간이 변동되는 성질이 있다. 2액 성분의 발포 성능을 갖는 우레탄계 약액을 개량이 필요한 지반의 한정된 범위에 압입볼트를 사용하여 1.5 Shot 방식으로 주입하여 지반의 강도증대 및 차수 효과 증개를 목적으로 하는 지반고결공법이다.

본 연구는 사용재료, 시공방법에 따라 암반고결공법, 급 경화공법으로 구분된다. 본 연구에서 사용된 공법은 터널의 보강, 여굴 방지 및 효율적인 굴착을 위한 붕락방지, 갱구보강, 균열부지반의 봉합, 공동충전 등에 주로 이용된다.

고밀도 급속 팽창재 주입공법

고밀도 팽창성 폴리머 재질의 주입재를 지반의 공극 속으로 침투시키는 것이다. 이 주입 공법은 경량의 우레탄 물질이 느슨한 지반의 공극을 채우면서 지반의 지지력을 약 50배 이상 증가시킨다. 주입된 우레탄 물질은 시간이 경과 하면서 순간 팽창(약 20~30배까지 팽창)이 일어나면서 주변 지반에 50~2,500 t/m²의 팽창력이 작용하여 구조물을 밀어 올린다. 일반적으로 구조물 바닥 슬래브의 경우 지지 기반이 하중을 분담하도록 되어 있다. 그러므로 구조물 바닥에 대한 고밀도 급속 팽창 우레탄 계열 재료를 사용하는 공법은 바닥 하부 공동에 우레탄 물질이 충진과 동시에 발생한 팽창압에 의해 바닥 하부지면을 압밀 강화시킨다(Shin and Cha, 2008).

고밀도 급속 팽창성 물질은 지반에 존재하는 간극 사이로 주입된다. 이때 느슨해진 지반은 주입된 고밀도 급속 팽창성 물질과 결합하여 팽창하면서 흙 입자 사이에 압축응력을 받아 지반이 강화된다. 연약지반을 보강하기 위하여 보강 대상 지반에 다수의 주입구를 일정한 간격으로 천공한 후 직경 15.6 mm 주입용 동 파이프를 설계 심도까지 삽입한 후, 고밀도 급속 팽창성 물질의 저장 탱크 및 공기 압축기에 연결된 주입 장치에 구비된 노즐을 미리 삽입한 주입공에 연결하고 환경에 무해한 고밀도 급속 팽창성 물질을 0.3~0.5 MPa의 압력으로 순차 중 ‧ 저압 주입된다(Lee, 2009).

실내실험 및 현장실험

본 연구는 연약지반의 점토나 실트와 같은 미세립 입자의 간극이 큰 유기질토와 느슨한 사질토, 그리고 지하수위가 높은 지층을 대상으로 흙의 전단강도 증대, 투수성 문제에 대한 차수효과, 연직하중으로 인한 전단응력에 대한 흙의 측방거동에 대한 억제 효과 등, 기초지반의 공학적 문제점 등을 개선(개량)하는데 필요한 약액주입공법 중에 고분자계의 고밀도 폴리우레탄 주입 재료에 대해서 역학실험을 실시하여 주입 재료의 각종 실험 결과를 토대로 토질 정수 값을 적용하여 축조 될 얕은기초 지반의 토질에 대한 안정성 검토(허용지내력, 허용침하량 등)를 통해 중 ‧ 저층 구조물의 얕은기초 지반에 대한 안정성과 경제성, 시공성 등의 실험 결과를 토대로 연약지반 개량공법 설계에 필요한 정량적인 기초 설계 자료를 정립하고 현장 적용 실험에 연구목적이 있다.

적용대상 지반조사

대상지반은 ○○고등학교에 위치하여 있으며, 주상도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Boring log.

Table 1은 대상지반의 표준관입시험 결과이다.

실내실험

연약지반의 기초보강을 위하여 재료의 역학적 시험을 통한 토질 정수 값을 선정하였다. 축조될 구조물의 기초지반의 안정성 검토를 위한 일축압축강도시험, 전단강도시험, 단위용적 질량시험을 수행하였다.

일축압축시험

일축압축강도시험을 위한 공시체는 1:2 비인 10~20 cm 크기에 KS M 3808시험 방법규정에 의해 3개의 공시체를 제작하였다. 재료의 밀도는 70 kg/m³로 하였다. 시험결과 일축압축강도는 = 121 kPa, 129 kPa, 125 kPa로 평균값 125 kPa로 확인되었다.

전단강도시험

전단강도시험은 KS F 2343 규정에 의해 3개의 공시체를 제작하였고 시험재료의 밀도는 70 kg/m³로 하였다. 시험결과 점착력은 = 120.2, 120.9, 121.1 kPa로 평균 120.7 kPa로 확인되었고, 내부마찰각 ∅ = 57.3°, 57.1°, 57.8° 로 평균 57.4°로 확인되었다.

단위용적 질량시험

단위용적 질량시험은 현장적용시험 대상 토질을 대상으로 시험하였다. 시험방법 KS F 2505 규정에 의해 시료를 채취하여 실시하였다. 채취한 토질은 사질토로 건조밀도는 2.56 g/cm³, 공극비 54.7(%), 단위용적질량 1.550 g/cm³로 조사되었다. 실험 대상지반에 고밀도 급속 팽창재를 10 kg 주입 후 시료를 채취하여 시험한 결과 단위용적질량은 1.387 g/cm³로 조사되어, 주입 전 사질토 지반의 단위용적 질량에 비해 10.5% 정도 감소한 것으로 조사되었다. 이 시험은 약액주입공법에 사용되는 고밀도 급속 팽창재의 주입약액으로 인하여, 본 지반의 단위용적 질량보다 가중되어 지반 보강 후 주입재로 인한 단위용적질량 증가로 인하여 2차 압밀침하의 원인을 줄여 지반이 안정화의 원인을 찾고자 하는 시험이다.

현장시험

구조물 기초지반 보강 대상 지반과 동일한 실험 대상 위치를 선정하여 기초지반에 대한 토질실험을 실시하였고, 설계상의 독립기초 단면 3.6 m × 3.6 m × 0.9 m의 토조 실험체를 Fig. 2와 같이 제작하였다. 토조에는 기초지반과 동일한 토질과 설계허용지지력 20.21 t/m³의 재 하중을 적용하여 시공 전 평판재하시험을 실시하였다.

Fig. 2.

Experimental schematic diagram.

주입량 산정

주입량 산정은 점토질의 모래로 구성된 대체로 느슨한 상태의 주입량은 공극비와 충진율을 근거로 독립기초 규격별로 아래와 같이 산출하였다. 지층은 매립토＋붕적토로 점토질 모래로 구성되어 있으며 대체로 느슨한 상태이다. 주입 물질량은 식 (1), (2)와 같이 산정한다.

여기서, $\theta$는 주입량, $\nu$는 주입대상 체적, $\lambda$는 주입율이다.

여기서, $\upsilon$은 약액주입량, $\eta$는 간극율(%), $\alpha$는 충진율(%), $b$는 손율(5%)이다.

약액주입량 $\upsilon$은 1 m²당 30 kg이고, 간극율 는 사질토 지반 치 30 미만 일 경우 45%, 층진율 는 사질토 지반 N치 30 미만 일 경우 80%이다.

기초 폭 단면 B*L = 6.0*3.8 m인 경우 주입반경을 1.5 m로 추정하고 주입 깊이가 3 m일 때, 주입체적은 5.29 m³이고 주입량은 60 kg이 된다. 독립기초가 2개소이므로 120 kg을 주입하였다.

기초 폭 단면 B*L = 4.4*4.4 m인 경우 주입반경을 1.8 m로 추정하고 주입 깊이가 3 m일 때, 주입체적은 7.63 m³이고 주입량은 86 kg이 된다.

기초 폭 단면 B*L = 3.6*3.6 m인 경우 주입반경을 1.7 m로 추정하고 주입 깊이가 3 m일 때, 주입체적은 6.81 m³이고 주입량은 77 kg이 된다.

평판재하시험

구조물 기초지반의 지내력 보강 실험은 대상 지반에 대해서 독립기초 지반까지 터파기 후 평탄 다짐 작업을 하고, 시공 전 밀도시험과 평판재하시험을 실시 후 토조를 제작 설치하였다. 토조 제작 후 흙을 채우고 2개소의 주입구를 천공한 후 고밀도 급속 팽창재를 주입하여 1시간 경과 후 시험 토조를 해체하였다. 해체된 실험 토조 위치에서 실시한 밀도실험 및 평판재하실험은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Field test process.

구조물 변위 시험

지반보강 현장 적용 구조물에 대한 변위를 측정하기 위하여 Fig. 4a와 같이 변위측정을 위한 경사계를 준비하여 Fig. 4b와 같이 구조물의 옥상층 벽변부에 부착하였다. 변위는 준공 후 2년 동안 측정하였고 준공 후 1년차에는 년 3회, 2년차는 년2회를 실시하여 관찰 실험을 하였다.

Fig. 4.

Measuring equipment.

Fig. 5는 부착된 경사계의 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Instrument location.

GPR 지반탐사

지하탐사 깊이는 12 m 이내이고, 탐사 각은 60도이다. 탐사종류는 지중의 공극, 지하수위, 각종 지반상태(연약, 단단 등), 금속관, 비금속관 등이며, 지하구조물 탐사는 콘크리트 두께 1 m 이상으로 피복두께, 배근간격, 각종 매설 배수관 탐사 등이 가능하다.

GPR 지반탐사기를 이용하여 지반의 상태를 알아보기 위하여 고밀도 급속 팽창재를 이용한 현장 적용 시험은 붕적층 지반에 대한 지반보강 전 ‧ 후 지반 깊이 3 m 이내의 지반에 대해서 탐사 실험을 실시하였다.

Fig. 6은 GPR탐사장비이다.

Fig. 6.

GPR explorer and ground exploration.

현장시험 결과 및 고밀도 급속 팽창재를 적용한 안정성 검토

약액주입 지반보강설계

본 연구에서는 독립기초 6.0 m × 3.8 m, 4.4 m × 4.4 m, 3.6 m × 3.6 m에 대한 허용지내력 및 침하량 검토하였고, 약액주입 후 다짐 성토 높이 2.7 m 구간에 대한 연약지반보강(개량) 처리방안을 검토하였다. 독립기초 하부에 고밀도 팽창성 폴리우레탄 약액을 경제성과 안정성을 고려하여 순 하중의 2배인 15 t/m² 목표로 주입 깊이 3.0 m 확산반경 1.2~1.8 m로 보강하여 지내력 증대를 확인하였다.

지반보강(개량) 심도에 관한 공식은 식 (3)과 같다.

여기서, $q_d$는 설계하중, $r_t$는 성토재 단위하중, $D_f$는 기초근입심도, $r_s$는 치환재 단위중량, $\varphi$는 치환재 전단저항각이다.

건축의 고정하중(순하중) = 7.75 t/m², 사용하중(안전율 적용) = 17.4 t/m²이고, 지반의 고정하중(순하중) = 7.75 t/m², 사용하중(안전율 적용) = 10.0 t/m²이다.

Fig. 7은 각 기초의 단면도이다.

Fig. 7.

Reviewing the stability of the independent foundation.

독립기초 지반의 지내력 검토(허용지내력)

6.0 m × 3.8 m, 4.4 m × 4.4 m, 3.6 m × 3.6 m의 기초단면을 Terzaghi 공식을 이용하여 독립기초 단면별 허용지지력을 검토하였다. 독립기초 단면별 허용지지력 공식(Terzaghi 공식)은 식 (4)와 같다.

Tables 2, 3은 각 기초단면에 다른 고밀도 급속 팽창재 주입 전 ‧ 후 평판재하 실험결과이다. 실험 결과 주입 후의 허용지지력이 2배 이상 증가된 것으로 확인되었다.

침하량 검토

다층지반 내의 응력과 침하

Fig. 8은 현장 건물의 지반으로 원지반의 연약층(하층) 지반 위에 성토고 2.70 m를 다짐한 수평층(상층)의 퇴적층으로 탄성계수, 강도가 다층 지반이다. 지표와 지하 심부의 응력과 변위의 경계조건을 충족시키고 상 ‧ 하층의 경계에서 전단응력이 완전히 작용하는 거친 경우 또는 전단응력이 작용하지 않는 연직응력과 연직의 변위만이 연속하는 두 가지 조건이 설정된다. 실제 현장의 지반은 경계층이 거친 경우에 가깝다(Lee, 2005).

Fig. 8.

Load condition of multilayer ground.

Table 4는 고밀도 폴리우레탄 개량지반의 침하량검토 결과이다.

구조물 변위 시험 결과

Table 5와 Fig. 9는 구조물의 기초지반 보강 후 4년, 건축물 준공 후 2년여 총 6회를 측정한 실험 결과이다.

Fig. 9.

Measurement result.

GPR 지반탐사 결과

Fig. 10은 기초지반 보강 전 ‧ 후 GPR 탐사 결과를 나타낸 것으로 기초 콘크리트 THK 900 + 기초지정 THK300 + 붕적층 지반에 대하여 측정하였다.

Fig. 10.

GPR exploration before and after injection of infusion materials.

유효깊이 1.2~3.0 m에 대하여 주입 후 지층의 지반 내 공극과 GPR탐사 파장의 크기를 분석한 결과 Fig. 10b와 같이 파장이 50% 이상 감소 된 것으로 확인되었다.

이러한 현상은 붕적층의 자갈, 실트, 모래가 혼재된 느슨한 지반의 공극 사이로 고밀도 급속 팽창재 물질이 공극을 채우면서 순간 팽창압에 의해 지반이 압밀강화 된 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 고밀도 급속 팽창재를 이용한 얕은기초의 지내력 증대효과를 확인하였다. 이를 위하여 대상지반의 지반조사를 통하여 토질정수 값을 산정하였고, 재료의 역학적 실험 및 급속 팽창재의 주입 전 ‧ 후의 안정성 검토를 수행하였다. 지반보강 후의 안정성 검토를 확인하기 위하여 구조물 상층부에 변위계를 설치하였고, GPR 장비를 이용한 약액 주입 전후 지반탐사를 수행하였다.

(1) 고밀도 급속 팽창재료에 대한 역학적 시험결과 일축압축강도 = 125 kPa, 점착력 = 120.5 kPa, 내부마찰각 ∅ = 57.4°로 확인되었고, 단위용적 질량실험은 주입량 10 kg/m³일 때 사질토의 경우 주입 전 1.550 g/cm³, 주입 후 1.387 g/cm³로 약 10.5% 정도 흙의 단위 중량이 감소 된 것으로 조사되었다.

(2) 구조물에 대한 허용지내력 검토 결과(Terzaghi식) 부재 단면별 허용지내력은 기초단면 6.0 × 3.8 m인 경우 20.18 t/m³, 4.4 × 4.4 m인 경우 17.64 t/m³, 3.6 × 3.6 m인 경우 16.59 t/m³로 확인되었다.

(3) 기초 단면별 침하량을 검토한 결과 고밀도 급속 팽창제를 적용하여 지반개량을 실시 한 결과 6.0 × 3.8 m인 경우 2.28 cm, 4.4 × 4.4 m인 경우 1.55 cm, 3.6 × 3.6 m인 경우 0.46 cm로 모두 허용 침하량 이내에서 안전한 것으로 확인되었다.

(4) 현장 적용 실험 후 기초지반 대상 건축의 최상층 5개소에 경사계를 설치하여 수평변위, 수직변위에 대한 계측을 시공 후 509일 동안 계측한 결과 외관상 구조물의 부등침하 현상이나 침하균열 현상과 관련된 기초와 기둥, 벽체 등에 이상 징후가 일어나지 않았고, 안정된 상태의 계측 값이 조사되어 고밀도 급속 팽창재를 이용한 지반계량 후 지반의 안정성이 충분히 증대된 것으로 조사되었다.

(5) GPR탐사 결과 유효깊이 1.2~3.0 m에 대하여 주입 전후의 파장의 크기를 분석한 결과 주입후의 파장이 50%정도 감소된 것으로 확인되었다. 이는 주입재의 순간 팽창압에 의해 지반의 공극을 채우면서 자반이 압밀강화 된 것으로 확인되었다.

본 연구는 그라우팅 공법 중 우레탄공법을 이용한 고밀도 급속 팽창재를 주입하는 공법으로 연약지반의 중 ‧ 저층 기초지반 개량에 효과적이다. 기존 연약지반 개량공법의 문제점인 시공성 및 차수, 내진보강에 대한 부분을 보완함과 동시에 무소음, 무진동, 친환경성이 더해져 연약지반 개량공법에 크게 활용될 것으로 판단된다. 본 연구 내용을 초석으로 추후 씽크홀이나 포트홀과 같은 지반 공동현상에 대한 보완공법으로 연구를 수행하고자 한다.