Research Article

The Journal of Engineering Geology. March 2021. 83-101
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.1.083

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 배경 및 목적

  •   선행연구 분석

  • 공법의 개요

  •   우레탄 주입공법

  •   고밀도 급속 팽창재 주입공법

  • 실내실험

  •   호모겔 축압축강도시험

  •   직접전단시험

  •   투수시험

  •   확산반경시험

  •   단위용적 중량시험

  •   토압시험

  •   환경성 평가(토양환경안정성 시험)

  • 실험결과

  •   호모겔 일축압축가도시험 결과

  •   직접전단시험 결과

  •   투수시험 결과

  •   확산반경시험 결과

  •   단위용적중량시험 결과

  •   토압시험 결과

  •   환경성평가 결과(토양환경안정성시험)

  • 결 론

서 론

연구의 배경 및 목적

연약지반 개량공법은 연약한 원지반 대해서 고결, 치환, 다짐 등의 방법으로 개량하여 흙의 전단강도를 증대시켜 침하방지, 측방변형억제 및 지반의 투수성 등을 감소 또는 억제 및 차수를 기하여 지반의 안정화를 증대시키는 공법이다. 이와 관련하여 지반공학 분야에서는 연약지반 그라우팅 공법에 대한 여러 가지 신공법과 신소재 등 수많은 연구개발이 이루어지고 있다.

도심지에서 빈번하게 발생하는 구조물의 침하 및 공동구의 복구를 위해서는 최소한의 시간과 빠르고 신속한 시공성을 이용하여 복구가 이루어져야 한다. 현재 지반의 공동이나 도로 및 구조물의 침하 보강 및 복원 시 그라우트재를 주입하거나 보강 대상 지역에 대해 토사를 포설하고 다짐을 반복하는 과정에서 지반을 교란시키며, 다짐에 대한 불확실성으로 공동 및 침하가 재발생하는 경우를 초래할 수 있다.

기존 우레탄계 주입공법은 연약지반의 터널보강, 세굴방지 및 효율적인 굴착을 위한 붕괴 및 낙석방지, 균열 누수 부위 보강, 공동충진 등에 주로 사용되었고 통상 용수 개소에 대해서는 우레탄을 주입하면 우레탄의 약액 온도가 저하하고 또한 발포 시 발열이 흡수되어 Rise-time이 길어지는 등 제한적인 현장에 활용되었다. 이러한 기존의 우레탄계 주입공법의 제한적인 현장 적용 문제점을 개선하고자 고밀도 급속 팽창재의 물성시험과 역학적 시험을 통해 본 연구는 연약지반에서의 공동 및 침하에 대한 문제점을 파악하고 기존의 우레탄 주입공법을 활용한 고밀도 급속 팽창재를 이용하여 연약지반의 개량 및 침하 문제를 해결하고자 한다. 고밀도 급속 팽창재를 이용한 주입공법은 발포와 동시에 순간 팽창압을 통하여 주입재료의 고결 및 부피를 증가시키는 공법으로써 구조물 축조 시 지반의 안정성 확보뿐만 아니라 축조된 침하구조물의 복원 및 지반의 투수성 문제를 해결할 수 있는 신개념의 고밀도 급속 팽창 그라우팅 공법이다.

본 연구에서는 실내실험을 통하여 고밀도 급속 팽창재의 물리 ‧ 역학적 특성을 확인하고자 하였다. 이를 위하여 순수한 주입재만의 호모겔 일축압축강도와 직접전단시험을 통하여 흙의 강도정수 값인 c, ϕ를 산정하였고, 주입반경과 그 단위중량을 확인하고자 확산반경시험과 단위용적중량 시험을 수행하였다. 주입 후의 주입재의 팽창재의 압밀상태와 지지력에 대한 안정성을 위하여 토압계 설치를 통한 토압시험을 수행하였다. 또한 최근 대두되고있는 약액주입 공법의 환경적인 문제에 대한 부분을 확인하기 위하여 순수 주입재의 토양환경안정성시험을 수행하였다.

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 and Lee(1996)는 고분자계 우레탄 주입공법에 대한 지반보강 효과에 대하여 연구를 수행하였으며 당시 상용화되지 않은 우레탄 공법에 대한 재료적 특성을 파악하였다.

Chun et al.(1997)은 Soil Nailing System의 보조공법으로 폴리우레탄 주입공법을 적용하였고 적용된 주입재의 보강효과를 파악하기 위하여 현장실험 및 계측을 하였다. 그 결과 적용된 주입재가 네일의 인발력에 대한 저항성을 증대시키고 지반의 안정화에 기여한다고 판단하였다. Hwang et al.(2015)은 수분에 의해 발생될 수 있는 도로 파손에 대한 잠재적인 안정성과 주행성을 유지하기 위한 내구성이 증진된 응급 보수재를 개발하고 기존 보수재와 비교 평가하였다. Shin and Cha(2008)는 기존 침하 복원을 위한 급속 팽창재료의 특성에 관한 연구와 반복하중을 받는 철도 노반 보수용 급속 팽창재료의 거동 분석을 모색하였고, Lee and Shin(2009)은 고밀도 급속 팽창을 이용하여 반복 하중에 의한 변형특성과 진동 저감 효과를 분석하고 철도 및 지하철에서 기초침하 복원성을 평가하였다.

Jung et al.(2010)은 발포우레탄 패커의 특성을 이용하여 쏘일네일링 공법을 적용한 사면 및 흙막이 벽체 시공사례를 분석하였다. Shin et al.(2011)은 침하한 시멘트 콘크리트 도로를 복원, 보강하는 공법 중 하나인 우레탄계열 재료를 사용하는 공법의 복원 메커니즘을 고밀도 급속 팽창성 물질을 실내형 모형 토조와 조성된 지반에 주입하여 분석하였다.

2000년대 이후 우레탄 주입에 대한 연구가 활성화 되었는데, Lim et al.(2013)은 팽창성 주입재를 이용한 팽이말뚝기초 보강 사례를 분석하였고, Han et al.(2011)은 석조문화재 복원을 위하여 우레탄을 메움제로써 사용하였고, Hwang et al.(2013)은 발포 우레탄을 이용하여 아스팔트 포트 홀 방지에 대한 연구를 수행하였다.

최근에는 우레탄 공법을 이용한 도로 함몰 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.(2018a)은 석고를 활용한 지반 함몰 발생 시 긴급 복구공법에 사용될 산업부산물을 활용한 뒤 채움재를 개발하고자 하였으며 그 결과 시멘트의 비율이 4% 이상일 경우 재굴착이 가능한 장기강도보다 크게 측정되어 긴급복구 목적에 적합하지 않은 것으로 판단되었다.

Lee et al.(2018b)은 우레탄계 팽창성 재료가 이완 영역을 가진 지반에서 팽창될 경우 이완 정도에 따른 주변 지반의 다짐 효과 및 거동을 파악하였다. Ro and Kim(2020)은 개발한 우레탄계 팽창재료를 이용한 공법으로 지하공동 복구현장의 적용성을 평가하기 위해 아크릴 토조를 이용한 실내실험과 수치해석을 토대로 현장 실험을 진행하여 공법의 현장 적용성을 평가하였고, 그 결과 팽창재를 이용한 지하공동 복구 공법은 현장 적용성이 충분한 것으로 판단하였다.

문헌 고찰을 통해 살펴본 바와 같이 연약지반에서 우레탄 공법을 활용한 연구는 매우 제한적일 뿐 아니라 특히 건축물 축조를 위해 연약지반을 보강하는 연구는 국내외를 포함하여 찾아보기 힘들었다. 따라서 본 연구의 목적과 방향은 건축물 축조를 위한연약지반 보강 시 고밀도 급속 팽창재의 주입공법의 현장 적용 시 실무적인 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

공법의 개요

우레탄 주입공법

토질 분야에서 여러 해 동안 건물에 대한 우레텍 지반강화 공법에 대해 관심이 있었다. 초기에는 유럽에서 개발되고 특허를 얻은 우레텍 공법에 대하여 이 분야의 엔지니어들은 큰 관심을 갖지 않았다. 그 이유는 우레텍 공법이 공학적인 검증을 거치지 않은 공법이라고 생각하였기 때문이다.

그러나 여러 해가 지난 오늘날에는 엔지니어들에 의해 광범위하게 공감대가 형성되고 있으며 이것은 아마도 각양각색의 조건 아래에서 수많은 시험을 거치며 우레텍 공법이 성공적으로 적용된 수많은 사례에서 비롯된 것이라고 보인다. 기술적으로 지속적인 우위를 점하기 위해 파도바대학과 함께 연구를 거듭해왔으며 실제 현장에서의 적용기법과 물질 그 자체의 개선에 주력해 왔다. 신속한 작업과 수많은 시공실적과 결과를 통해 현장 공법개선으로 이어졌다.

그 중에서도 가장 혁신적인 것은 우레텍 물질 Geoplus로써 특별히 지반강화용으로 개발 연구되었으며 우레텍에 의해 독점적으로 생산되고 있다. 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

약액주입공법은 고밀도 폴리우레탄 물질의 순간 팽창압을 이용하여 연약지반의 불안정한 지반의 안정화를 위해 적용되며 내구성이 매우 탁월한 친환경 공법이다. 약액주입공법의 주입물질은 순간 팽창압에 의해 연약지반 보강 및 복원, 차수공사가 가능하다. 작업시간이 매우 짧고 신속하여 열악한 환경에서도 타 공법보다 접근성과 작업성이 매우 탁월하고 침하구조물의 지반보강 및 복원은 주입물질이 지중에서 작용과 반작용의 원리를 이용하여 순간 복원된다.

약액주입공법의 주입 물질은 연약지반의 흙 속에 존재하는 물과 공극을 밀어내고 채움과 동시에 사질토는 값을, 점성토는 값을 동시에 증대시켜 흙의 지지력을 순간 증강 시킨다. 주입물질은 물과 반응하지 않으며, 연약지반인 점성토층 또는 사질토층에 물질주입과 동시에 순간 팽창압에 의해 느슨한 지반이 압밀강화 되면서 차수가 가능하므로 대상지반에 대해서 불투수층 시공이 가능하다.

고밀도 폴리우레탄의 공학적인 특성으로는 레진 폼으로 구성된 지반 강화 공법임을 의미하고, 팽창재의 단위중량은 50~70 kg/m3이며 투수계수는 1.0 × 10-8 cm/sec로 LW그라우트재 대비 현저하게 낮은 수치를 가지고 있다. 지지력에 대한 특성에서 주입물질의 부피팽창은 초기 물질주입량 대비 20~30배 이상 조절이 가능하고, 일축압축강도는 지반내의 흙의 특성과 관련이 있으며 교반된 원지반에 대하여 밀도 조절이 가능하다. 흙의 전단강도는 물질의 밀도와 주입량 그리고 재하중인 지중응력에 따라 조절이 가능하다. 화학적 특성에 대해서는 크롬, 구리, 수은, 납 등을 포함한 9가지 항목의 기준치에 대하여 안정적인 수치를 확인할 수 있다.

실내실험

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.

호모겔 축압축강도시험

본 연구에서는 팽창재의 일축압축강도를 확인하기 위하여 흙시료를 혼합하지 않은 순수한 Homogel 만의 일축압축강도를 측정하였다. 이를 위하여 예열온도 및 발포 후 결화시간에 따른 Homogel의 일축압축강도를 확인하고 주입재료의 최적의 배합조건을 찾고자 하였다. 주입재의 배합비는 주재(A액)인 폴리우레탄과 경화재(B액)인 이소시아네이트를 중량대비 45:55% (1.00:1.22)로 배합하였다.

시험의 신뢰성을 높이기 위하여 주입할 두 물질의 교반기 예열온도를 30, 35, 40°C로 설정하였고, 경화시간 또한 세 구간으로 나누고 그에 따른 일축압축시험용 공시체를 3 Case로 제작하였다. 제작된 공시체는 KS F 2403의 기준에 따라 1 mm/min의 변위제어 방식을 사용하였다.

Table 1은 고밀도 급속팽창재의 기본 배합비를 나타낸 것이고, Fig. 1은 팽창재의 발포 후 경화과정 및 일축압축강도시험 과정을 나타낸 것이다.

Table 1.

Mixing ratio of expansive material

Classification Specification and product name Unit Quantity Ratio
Injection material 210 kg/Polyurethane Drum 1 45% (1.00)
Curing agent 250 kg/Isocyanate Drum 1 55% (1.22)

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F1.jpg
Fig. 1

Sample fabrication process for measurement of uniaxial compression test.

직접전단시험

직접전단시험은 공시체에 여러 가지 크기의 수직 응력을 주어 전단응력을 가해서 어느 정해진 면에서 전단파괴를 발생시켜, 그때의 수직응력과 전단응력에 관한 Coulomb방정식에 의해서 흙의 점착력(c)과 내부마찰각(ϕ)을 구하고, 필요에 따라 전단시험 중에 생기는 체적과 형태의 변화를 측정하여 흙의 강도정수를 구하는 시험이다.

본 시험은 배수조건과 간극수압을 측정할 수 없으나, 주입재의 경우 지반에 주입 시 수압파쇄를 일으켜 그 투수계수가 아주 미소하기에 본 시험방법을 적용하였다.

시험에 사용된 공시체는 일축압축강도시험과 동일하게 구간별 예열온도를 설정하였고, 경화시간에 따라 팽창재를 경화시킨 후에 5 cm (D) × 2 cm (H) 규격으로 Coring하여 전단 상자를 이용하여 실험을 수행하였다.

시험방법은 KS F 2343의 기준을 적용하였고, 세 구간의 전단응력을 가하였으며 주입 전 Homogel 시료의 강도정수인 점착력(c)과 내부마찰각(ϕ)을 확인하고자 하였다.

Fig. 2는 팽창재의 직접전단시험 과정을 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F2.jpg
Fig. 2

Direct shear test process.

투수시험

흙의 투수계수를 구하는 방법은 현장시험과 실내시험으로 대별할 수 있으며, 실내시험 중 수위를 주는 방법에 따라 정수위 투수시험과 변수위 투수시험이 있는데, 일반적으로 정수위 투수시험은 사질토에, 변수위 투수시험은 점성토에 적용된다.기존 LW그라우팅 공법의 경우 주입재를 주입하여도 어느 정도의 간극이 있어 정수위 투수시험을 적용하였으나, 주입재의 경우 주입과 동시에 지반을 밀어냄과 동시에 간극을 채움으로써 그 간극이 미소하여 본 연구에서는 변수위 투수시험을 적용하였다.

시험 기준은 KS F 2322의 변수위 투수시험을 수행하여 실험을 수행하였으며, 투수시험용 공시체는 100 cm (D) × 150 cm (H) 규격으로 성형하여 유출되는 물의 양 Q와 측정시간 t를 통하여 투수계수를 확인하였다. 약액으로 사용되는 주입재가 원지반에 주입되고 입자와의 부착을 통해 수평저항력 및 지반의 강도증가와 차수를 확인하기 위함에 그 목적이 있다.

Fig. 3은 주입재의 투수시험 과정을 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F3.jpg
Fig. 3

Permeability test process.

확산반경시험

주입물질에 대한 교반기의 예열온도, 경화시간, 일축압축강도시험의 결과를 기반으로 현장 주입 시 연약지반의 특성에 따른 확산반경 및 팽창재의 형상을 확인하고자 시험을 수행하였다.

지반조건은 사질토, 점성토의 두 가지 조건으로 구분하여 약액을 주입하였으며, 주입물질의 예열온도는 35°C, 주입압은 6.90 MPa, 10.33 MPa이고 주입량은 10 kg, 15 kg를 주입하였다. 주입 깊이(개량)는 3 m로 하였으며, 주입 후 지중에서 1시간 경화 후의 시료를 채취하여 일축압축강도를 측정하였다.

Fig. 4는 사질토와 점성토의 지반조건에 따른 주입량과 주입압에 따른 지중에서의 확산반경시험 과정을 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F4.jpg
Fig. 4

Diffusion radius measurement test process.

단위용적 중량시험

단위용적중량시험은 원지반의 단위용적중량보다 가중되어 지반보강 후 주입재로 인한 단위용적중량의 증가로 인하여 2차 압밀침하의 원인을 줄여 지반이 안정화시키고자 하는 시험이다.

본 실험을 통하여 팽창재의 주입 후 보강된 지반의 단위용적중량이 얼마나 증감되었는지를 확인하고자 하였다. 시험의 대상 지반은 현장 적용시험 토질을 대상으로 시험을 수행하였으며, 기본 물성실험인 밀도, 함수비, 공극비에 대한 특성을 확인한 후 사질토와 점성토에 대해서 단위용적중량시험을 수행하였다. 시험방법은 한국산업규격인 KS F 2505 규정에 따라 실험을 수행하였다.

Fig. 5는 사질토와 점성토의 단위용적중량시험 과정을 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F5.jpg
Fig. 5

Unit volume load test process.

토압시험

토압시험은 지반의 응력-변위(침하량)에 대해서 토압을 계측하여 구조물의 기초지반의 압밀상태와 지지력의 안정성을 측정하는 시험으로, 시험에 사용하는 토질은 사질토를 사용하였다.

주입량은 5 kg, 10 kg 물질 주입 깊이는 지표에서 1 m, 토압측정 깊이는 상, 중, 하 3단으로 하였고, 계측기 시험판(600 × 600) 간격은 20 cm로 하였으며, 계측기와 계측기 간격은 세 구간으로 나누어 상부는 25 cm, 중앙은 30 cm, 하부는 60 cm 간격으로 4개소에 총 12개의 계측기를 설치하였다. 하중은 50, 100, 200, 300 kg을 재하하여 물질 주입 전 ‧ 후의 대상 지반의 응력-변위량을 측정하고자 하였다.

Table 2는 토압계 설치 위치와 간격을 나타낸 것이고, Fig. 6은 토압측정을 위한 시험 과정을 나타낸 것이다.

Table 2.

Installation location and interval of the earth pressure gauge

Classification Design quantity
(EA)
Installation
quantity (EA)
Installation
location
Interval
(cm)
Notes
Earth pressure
gauge
4 4 The ground
floor
(lower)
25 /media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_T1.jpg
4 4 Second floor
(central)
30 /media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_T2.jpg
4 4 Third floor
(upper)
60 /media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_T3.jpg

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F6.jpg
Fig. 6

Test process for pressure measurement.

환경성 평가(토양환경안정성 시험)

최근 약액주입공법으로 가장 많이 사용되고 있는 시멘트계의 그라우팅 재료에 대한 지반오염에 대하여 그라우팅 주변 수질기준이 pH 8.6 이하로 제한하고 있으며, 발암물질인 이 용출되어 오염문제에 대한 규제가 대두되고 있다. 이런 환경문제와 관련하여 주입재인 고밀도 급속 팽창재에 대한 오염물질의 함량을 조사하여 환경적 위해성 여부를 확인하였다.

본 연구에서는 주입재가 토양에 미치는 환경적인 영향을 확인하기 위하여 보건환경연구원의 토양오염우려기준(제1조 5항, 개정 2018.11.27.)에 따라 각 위해 물질에 따른 함량실험을 수행하였다. 실험에 사용 된 시료는 2~3 mm 규격의 분말 시료를 채취하여 모래, 점토와 혼합하여 실험을 수행하였다. 실험은 표 3.4와 같이 대상지반은 학교용지이므로 기준에 따라 1지역 기준에 의한 안정성을 확인하였다.

Table 3은 환경성 평가를 위한 토양오염우려기준을 나타낸 것이다.

Table 3.

Concern criteria about soil contamination (Institute of Health and Environment, 2018) (unit: mg/kg)

Substance Experimental method Area 1 Area 2 Area 3
Cd Atomic absorbance photometry 4 10 60
Cu 150 500 2,000
As 25 50 200
Hg 4 10 20
Pb 200 400 700
Cr6+ 5 15 40
Zn 300 600 2,000
Ni 100 200 500
F Absorbance luminosity 400 400 800
Cyan 2 2 120
Organophosphorus compound Ggas chromatograph 10 10 30
PCT 1 4 12
phenol 4 4 20
benzene 1 1 3
Ethylbenzene 50 50 340
xylene 15 15 45
TPH 500 800 2,000
TCE 8 8 40
PCE 4 4 25

실험결과

호모겔 일축압축가도시험 결과

팽창재의 일축압축강도 평가는 Homogel 시료와 Sandgel 시료 실험으로 분류될 수 있으며 Homogel은 팽창재의 일축압축강도를 말하고, Sandgel은 팽창재와 시료가 섞인 일축압축강도를 말한다. 본 실험은 Homogel 시료의 일축압축강도 시험이다.

Fig. 7a는 주입재의 예열온도에 따른 경화시간을 나타낸 것으로 3회 시험을 실시하여 평균값을 적용하였다. 실험결과 경화시간의 경우 평균값이 30°C일 때 16분, 35°C일 때 5분, 40°C일 때 8분으로 35°C일 때의 경화 시간이 가장 빠르게 측정되었다.

Fig. 7b, 7c는 주입재의 예열온도와 경화 시간에 따른 호모겔의 일축압축강도 시험결과를 나타낸 것이다.

실험결과, 예열온도가 30°C일 때 호모겔의 일축압축강도는 평균 9.6 MPa, 예열온도가 35°C일 때 일축압축강도는 평균 12.2 MPa, 예열온도가 40°C일 때 호모겔의 일축압축강도는 평균 11.0 MPa로 측정되었다.

교반기의 예열온도 35°C일 때 평균 경화시간 5분 일축압축강도 평균값 12.2 MPa로 최적의 조건을 얻었다. 경화시간과 마찬가지로 교반기의 예열온도가 35°C일 때 최적의 12.2 MPa 강도 값이 확인되었다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F7.jpg
Fig. 7

Result of homogel rejection compressive strength test.

직접전단시험 결과

일반적인 흙의 전단강도 시험에서 조밀한 사질토의 경우 내부마찰각은 30~35°, 점착력은 30 kN/m2 이하이고 단단한 점성토의 경우 내부마찰각은 20~25°, 점착력은 약 50 kN/m2이다.

Fig. 8Table 4는 팽창재의 직접전단시험용 공시체를 제작하여 3회 측정한 실험결과이다. 팽창재의 직접전단시험결과 내부마찰각은 평균 57°로 확인되었고, 점착력은 평균 120 kN/m2로 확인되었다. 이는 조밀한 사질토와 단단한 점성토 대비 내부마찰각은 2배 정도 높은 것으로 확인되었고, 점착력은 2.5~3.5배 이상 높은 것으로 확인되었다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F8.jpg
Fig. 8

Direct shear test results.

Table 4.

Direct shear test results

Classification No. 1 No. 2 No. 3
Cohesive (c) 120.2 kN/m2 120.3 kN/m2 121.1 kN/m2
Internal friction angle (ϕ) 57.3° 57.1° 57.8°

투수시험 결과

다층지반 내의 응력과 침하

선행연구에서 Chae et al.(1999)Lee(2010)는 미세립 시멘트, 마이크로 시멘트를 이용한 투수시험을 시험한 결과 각각 5.0 × 10-5 cm/sec, 8.0 × 10-5 cm/sec으로 확인되었다.

Fig. 9는 본 연구의 투수시험 결과와 기존 시멘트 그라우팅과의 결과를 비교한 것이다. 투수시험결과, 팽창재의 투수계수는 1.0 × 10-7 cm/sec 이상으로 확인되었고 이는 기존 성행연구 대비 현저하게 낮은 것으로 판단할 수 있었다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F9.jpg
Fig. 9

Compare permeability coefficients.

투수시험 식은

(1)
k=2.303LaA(t2-t1)logh1h2

여기서, L : 시편의 길이(cm)

a : 스탠파이프의 단면적(cm2)

A : 공시체 면적(cm2)

t1, t2 : 초기시간, 종료시간(sec)

h1, h2 : t1일 때의 수위, t2일 때의 수위(cm)

확산반경시험 결과

Fig. 10은 각 지반조건에서 주입압에 따른 확산반경을 나타낸 것이고, Tables 5는 사질토와 점성토에서 주입압과 주입량에 따른 팽창재의 확산반경을 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F10.jpg
Fig. 10

Comparison of diffusion radius results.

Table 5.

Diffusion radius of expansion material according to injection pressure

Injection volume (kg) Injection pressure (Pa) Diffusion radius (m)
Sand 10 6.90 1.15
10.33 1.30
15 6.90 1.30
10.33 1.40
Clay 10 6.90 1.25
10.33 1.40
15 6.90 1.40
10.33 1.47

사질토의 경우, 주입압력 6.90 Pa, 주입량 10 kg, 15 kg일 때 주입 물질의 경화된 상태의 확산반경은 2회 측정 평균 1.0~1.3 m, 1.1~1.5 m로 확인되었고, 주입압력 10.33 Pa, 주입량 10 kg, 15 kg일 때 주입 물질의 경화된 상태의 확산반경 2회 측정 평균 1.15~1.3 m, 1.3~1.4 m로 확인되었다.

점성토의 경우, 주입압력 6.90 Pa, 주입량 10 kg, 15 kg일 때 주입물질의 경화된 상태의 확산반경은 2회 측정 평균 1.0~1.5 m, 1.2~1.6 m로 확인되었고, 주입압력 10.33 Pa, 주입량 10 kg, 15 kg일 때 주입 물질의 경화된 상태의 확산반경 2회 측정 평균 1.25~1.4 m, 1.4~1.475 m로 확인되었다.

단위용적중량시험 결과

사질토의 경우, 물질 주입 전 단위용적 중량이 1.550 g/cm3이고 10 kg을 주입 후 주입된 물질과 시료를 포함한 단위용적중량 시험 결과는 1.387 g/cm3로 확인되었다. 점성토의 경우, 물질 주입 전 단위용적중량이 1.853 g/cm3일 때 주입량 10 kg을 주입 후 주입된 물질과 시료를 포함한 단위용적중량 시험결과는 1.445 g/cm3로 조사되었다.

Table 6과 같이 단위용적중량이 사질토인 경우 10.5%, 점성토일 경우 22.0% 정도 감소하였다. 주입물질의 단위용적중량이 원지반보다 같거나 클 경우에 연약지반 보강 후 장.단기 2차 압밀침하가 발생하지만, 기존의 원지반보다 단위용적중량이 적고 단단한 물질의 개량재료로 보강되었다면 지반보강 후 주입물질로 인한 2차 압밀침하 억제 효과는 크며, 연약지반의 안정성 검토에 적용할 수 있을 것이다.

Table 6은 팽창재의 주입량에 따른 단위용적중량시험 결과를 나타낸 것이다.

Table 6.

Results of unit volume load test according to injection volume

Classification Density
(g/cm3)
Void ratio
(%)
Water content
by weight
(%)
Injection
volume
(kg)
Unit volume
weight before
injection
(g/cm3)
Unit volume
weight after
injection
(g/cm3)
Notes
Sand 2.56 54.7 10.9 10 1.550 1.387 -10.5%
2.58
Clay 2.65 2.767 35.3 10 1.853 1.445 -22.0%
1.24

Fig. 11은 사질토와 점성토 지반의 팽창재 주입 전 ‧ 후의 단위용적중량시험 결과를 나타낸 것이다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F11.jpg
Fig. 11

Results of unit volume weight test before and after injection of expansion material.

토압시험 결과

Fig. 12는 토압계 위치별 토압 변위 결과를 나타낸 것이다. 계측 결과, 하부층에서는 Fig. 12a와 같이 주입량 10 kg 주입 전, 후 50, 100, 200, 300 kg 재하하중에 대하여 토압시험 결과 변위가 각각 8.5, 10, 13, 10.2% 감소하였다.

Fig. 12b와 같이 중심층에서는 주입량 10 kg 주입 전, 후 50, 100, 200, 300 kg 재하하중에 대하여 토압시험 결과 변위가 각각 6.5, 5.3, 9.7, 8.7% 감소하였다.

Fig. 12c와 같이 상부층에서는 주입량 10 kg 주입 전, 후 50, 100, 200, 300 kg 재하하중에 대하여 토압시험 결과 변위가 각각 3.3, 3.7, 3.3, 3.4% 감소하였다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F12.jpg
Fig. 12

Measurement results of soil pressure displacement by location.

구간별 토압에 대한 변위로 미루어 보아 주입물질이 어느 한 곳으로 편중되지 않고 일정한 비율로 지지력이 증대되었다는 결과를 보여줬다. 또한 주입물질의 순간 팽창압에 의해 느슨한 토질이 압축강화 되면서 지지력 증대가 이루어진 것으로도 확인 할 수 있다.

Table 7은 주입재의 주입 후 각 층별 토압의 증감률을 나타낸 것이다.

Table 7.

Increasing and decreasing rate of injection earth pressure of injection material

Installation
location
Interval
(cm)
Load
(kg)
Injection volume (10 kg) Increasing and
decreasing rate (%)
Before injection (t/m2) After injection (t/m2)
The ground floor
(lower)
25 50 0.631 0.577 -8.5
100 0.756 0.687 -10
200 0.985 0.857 -13
300 1.106 0.994 -10.2
Second floor
(central)
30 50 1.141 1.067 -6.5
100 1.228 1.163 -5.3
200 1.264 1.142 -9.7
300 1.425 1.301 -8.7
Third floor
(upper)
60 50 1.160 1.122 -3.3
100 1.135 1.092 -3.7
200 1.143 1.106 -3.3
300 1.197 1.156 -3.4

환경성평가 결과(토양환경안정성시험)

토양환경 안정성시험은 보건환경연구원의 토양오염우려기준에 따라 실험을 수행하였고 학교용지 기준인 1지역 기준에 대하여 결과를 비교하였다.

Fig. 13과 같이 주입재료는 함량이 모두 기준치 이내이고 그 이외에 항목은 검출되지 않은 것으로 확인되었다.

/media/sites/kseg/2021-031-01/N0520310107/images/kseg_31_01_07_F13.jpg
Fig. 13

Comparison of contaminant content of injection materials according to soil contamination concerns.

Table 8은 토양환경안정성시험 결과로 각 항목에 따른 함량을 나타낸 것이다.

Table 8.

Soil environmental stability test results (unit: mg/kg)

Classification Cd Cu As Hg Pb Cr6+ Zn N`i F
Criteria 4 150 25 4 200 5 300 100 400
Content 0.018 0.731 0.392 0.0109 0.8 0 18.4 6.15 68

결 론

본 연구에서는 실내실험을 고밀도 급속 팽창재의 물리 ‧ 역학적 특성을 확인하였다. 순수한 주입재만의 호모겔 일축압축강도와 직접전단시험을 통하여 흙의 강도정수 값을 산정하였고, 주입반경과 그 단위중량을 확인하고자 확산반경시험과 단위용적중량 시험을 수행하였다. 주입 후의 주입재의 변위와 환경적인 문제를 확인하기 위하여 모형토조와 토압계를 이용하여 각 층별 변위를 측정하였고, 토양환경안정성시험을 수행하였다.

(1)고밀도 급속 팽창재의 Homogel에 대한 물성시험과 역학적 시험 결과, 예열온도 35°C일 때 경화시간은 5분으로 가장 빠르게 측정되었고, 일축압축강도는 평균 12.2 MPa로 나타났다. 직접전단시험 결과, 강도정수인 내부마찰각과 점착력은 평균 57°, 평균 120 kN/m2로 나타났다. 조밀한 사질토와 단단한 점성토를 대상으로 비교하였을 때, 내부마찰각은 약 2배, 점착력은 약 2.5~3.5배 이상 높은 것으로 확인되었다. 이는 팽창재의 순간 발포반응으로 인해 주입재료의 순간 고결 및 부피가 증가하면서 강도가 증대된 것으로 판단된다.

(2)투수시험 및 토양환경 안정성시험 결과, 팽창재의 투수계수는 1.0 × 10-7로 이는 차수 조건인 1.0 × 10-5의 범위 이내를 만족하며, 기존 그라우팅 공법과 비교하였을 때 현저히 낮은 투수계수를 확인할 수 있었다. 이는 고밀도 급속 팽창재가 물과 반응하지 않는 불투수성이라는 점과 동시에 지반 내에 주입되면서 순간 팽창압에 의한 느슨한 지반이 압밀강화 현상으로 인한 것이라 판단된다. 또 한토양환경 안정성시험에서는 환경오염우려기준에 부합한 결과를 확인할 수 있었다.

(3)토압시험 결과, 상부층의 경우 최대 3.4%, 하부층의 경우 최대 10.2%로 변위가 감소하였다. 이로 미루어 보아 주입물질이 어느 한 곳으로 편중되지 않고 일정한 비율로 지지력이 증대되었다는 결과를 보여주고 있다. 또한 주입물질의 순간 팽창압에 의해 느슨한 토질이 압축강화 되면서 지지력 증대가 이루어진 것으로도 확인할 수 있다.

References

1
Chae, J.H., Lee, J.Y., Lee, W.J., Park, K.S., Kim, J.C., Lee, S.W., 1999, Flow properties of ultra cement with superplasticizer, Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference, 58-63.
2
Chae, Y.S., Lee, K.I., 1996, The effect of the ground reinforcement by the high polymer urethane grouting method, Proceedings of the Korean Geotechnical Society Academic Presentations and Seminar Materials, 1996(5), 21-29.
3
Chun, B.S., Ryu, D.S., Kim, J.D., Ryu, G.Y., 1997, The effectiveness of polyurethane as auxiliary method of soil nailing system, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 3, 489-492 (in Korean with English abstract).
4
Han, J.G., Ryu, Y.S., Kim, D.W., Park, J.J., Hong, G.G., 2017, A study on expansion and strength characteristics of material for emergency restoration in ground cavity, Journal of the Korean Geosynthetics Society, 16(2), 131-138 (in Korean with English abstract).
5
Han, W.J., Lee, J.S., Byun, Y.H., 2018, Engineering properties of lightweight foaming grouting materials for underground cavities, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, 19(2), 5-12 (in Korean with English abstract).
6
Han, W.S., Lee, H.Y., Park, K.J., Hong, T.K., Wi, K.C., 2011, Study on the urethane restoration filling material and adhesive for stone cultural heritage, Journal of Conservation Science, 27(1), 115-121 (in Korean with English abstract).
7
Hwang, I.S., Kim, J.H., Mun, K.W., 2013, Development of an asphalt pothole prevention capsule using foamed urethane, Paper Presented at the Academic Conference of the Korean Society of Road Engineers, 127.
8
Hwang, S.D., Rhee, S.G., Kim, Y.M., Lee, J.I., 2015, Evaluation of emergency pothole repair materials using polyurethane-modified asphalt binder, International Journal of highway Engineering, 17(1), 43-49 (in Korean with English abstract). 10.7855/IJHE.2015.17.1.043
9
Institute of Health and Environment, 2018, Concern standards for soil pollution.
10
Jung, D.H., Chung, D.S., You, S.K., Kim, J.H., Han, J.G., 2017, Mechanical property enhancement of water soluble polymer pouch for ground reinforcement, Journal of the Korean Geosynthetics Society, 16(4), 221-230 (in Korean with English abstract).
11
Jung, K.H., Kim, J.Y., Lee, S.J., 2010, A case study on solpe and earth retaining wall reinforced by pressure-grouted soil nailing, Proceedings of the Korean Geotechnical Society Fall National Conference, Gyeonggi, 97-108.
12
Kim, J.I., Cheon, B.S., Ryu, D.S., Nam, S.S., Oh, S.J., 1995, Study on the characteristics and construction cases of urethane-based chemicals for rock injection, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 2, 405-408 (in Korean with English abstract).
13
Lee, J.D., Shin, E.C., 2009, Behavior of rapidly expansion materials for maintenance railroad bed subjected to cyclic loading, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, 10(2), 45-50 (in Korean with English abstract).
14
Lee, K.C., Choi, B.H., Park, J.H., Kim, D.W., 2018a, Numerical analysis and laboratory experiment of rapid restoration of underground cavity using expansive material without excavation, Journal of the Korean Geosynthetics Society, 17(1), 55-64 (in Korean with English abstract).
15
Lee, K.H., 2010, Study for injection materials of RPUM using ultrafine cement, Master Thesis, Paichai University, 1-153.
16
Lee, S.Y., Yoon, H.H., Soon, M., Kong, J.Y., Jung, H.S., 2018b, Controlled low strength material for emergency restoration using bottom ash and gypsum, Journal of the Korean Geosynthetics Society, 17(2), 19-31 (in Korean with English abstract).
17
Lim, J.S., Lee, I.H., No, E.C., Kim, H.S., 2013, A case study on the reinforcing effect for the top pile foundations by expansive grout, Proceedings of the Korean Society of Civil Engineers Conference, 2825-2829.
18
Ro, E.C., Kim, D.H., 2020, A study on the increase of bearing capacity of soft ground in shallow foundation using high density rapid expansion material, The Journal of Engineering Geology, 30(2), 185-198 (in Korean with English abstract).
19
Shin, E.C., Cha, Y.I., 2008, Engineering characteristic of high density expansion materials for strusture restoration technology, Journal of the Korean Geosynthetics Society, 7(2), 1-5 (in Korean with English abstract).
20
Shin, E.C., Lee, S.M., Ryu, B.H., 2011, Experimental study on restoring settled road through injected high density expansion materials, Proceedings of the Korean Geo-Environmental Society, 93-94.
페이지 상단으로 이동하기