가. 개요
수중에 거치하는 케이슨 하부의 사석 마운드를 재시공 없이 개량하기 위해서는 그라우팅 공법 외에 적절한 대안이 없는 상황에서, 높은 정수압을 받는 지반의 그라우팅 공법 적용을 위한 연구의 필요성이 매우 높다.
국내에서 수행중인 그라우팅은 주로 지반 개량을 목적으로 수행되고 있으며, 대부분 지표 면 하부 얕은 깊이에서 수행되고 있다. 그에 따라 그라우트가 주입되는 지반은 지하수위 상 부에 위치하여 지하수의 영향을 받지 않거나, 지하수위 아래에서 주입되는 경우에도 그 깊이 가 깊지 않아 수압의 영향이 매우 적은 경우가 대부분이다. 하지만 해저에서 그라우팅을 수 행하는 경우, 깊은 수심의 영향으로 높은 정수압을 받게 되므로 그라우팅의 효율성이 매우 감소할 것으로 예상된다. 하지만 이와 같이 정수압을 받는 조건에서 그라우팅 공법을 적용하 기 위한 합리적인 설계 방법이나 그 영향에 대한 연구는 매우 부족하며, 관련 시장도 활성화 되지 못하였다.
본 연구에서는 수중에 거치하는 케이슨 하부의 사석 마운드와 같이 높은 정수압을 받는 조립질 재료에 대한 실험을 실시하여 수압으로 인한 그라우팅 효율 변화 및 영향인자를 분 석하였다.
나. 정수압을 고려한 그라우팅 주입성능 평가 실험시스템 구축
1) 개량형 로우셀
정수압을 고려한 그라우팅의 주입성능을 평가하기 위해서는 그라우트 재의 주입압 뿐만이 아니라 지반의 유효응력, 수압 등을 조절할 수 있어야 하며, 그라우트 재료의 주입양, 시료에 서의 배출 유량, 지반변위 등을 계측할 수 있는 장비가 함께 제작되어야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존 로우셀 장비의 셀 높이를 13.5cm로 상향 제작하여 그라우팅 주입영역을 확보하였다. 개량한 로우셀은 그림 3.2.40과 같다. 개량형 로우셀 상판에는 주입봉을 설치하 여 로우셀 내부로 그라우팅 주입이 가능하도록 하였다.
그림 3.2.40 개량형 로우셀
그림 3.2.41 주입봉과 다이아프램
2) 주입압, 상재압, 수압 조절 장치
개발된 그라우팅 주입성능 평가 실험장비는 주입압, 상재압, 수압을 조절할 수 있도록 제 작하였다. 주입압은 압력조절 장치와 조절밸브를 부착한 주입용기를 제작하여 주입압 제어장 치와 개량형 로우셀 상판의 주입봉과 연결함으로써 일정한 압력으로 그라우팅 용액이 주입 되도록 하였다. 상재압은 개량형 로우셀 상판의 다이아프램에 공기압을 주입하여 팽창시킴으 로써 지반구속압을 모사할 수 있도록 하였다. 수압은 그라우팅 용액의 역류 방지용 외부 물 통을 제작하고 수압조절 밸브를 부착하여 조절이 가능하도록 하였다.
주입압, 상재압, 수압은 동일한 압력제어장치를 사용하도록 제작되었으며, 이 제어장치의 상 용범위는 0~500kPa(지반심도 28m, 수심 50m), 최대 1,000 kPa(지반심도 56m, 수심 100m)까지 가능하도록 제작되었다.
다음 그림 3.2.42은 개발된 실험장비의 주입압, 상재압, 수압 조절장치 및 개량된 로우셀이다.
그림 3.2.42 실험시스템 구축 전경
다. 실험조건 및 방법
1) 시료선정 및 기본물성
실제 증심공법 시공 시 수중의 안벽하부에 있는 약 10mm 이상의 입경을 가진 쇄석에 그 라우팅을 주입한다. 본 연구는 실내 축소 모형시험이므로, 쇄석과 같은 조립재료를 모사하기 위하여 사질토를 이용하였다. 입자크기 영향을 고려하기 위하여 입경이 다른 주문진 표준사 와 굵은 모래의 2가지 재료를 선정하여 사용하였다. 재료의 사진 그림 3.2.43과 같다.
그림 3.2.43 주문진 표준사(좌)와 굵은 모래(우)
각 시료의 기본물성 실험결과는 다음 표 3.2.11과 같다.
주문진 표준사 굵은 모래
입도분포(mm) 0.297~0.59 0.8~1.2
비중(g/cm3) 2.616 2.627
투수계수(cm/sec) 0.0113~0.0118 0.0122~0.0165 표 3.2.11 시료의 기본물성치
상대밀도에 따른 투수시험결과 입경이 작은 표준사의 경우 투수성의 변화가 크지 않으나, 입경이 큰 굵은 모래의 경우에는 상대밀도가 증가할수록 투수성이 급격하게 감소하는 것으 로 나타났으며, 상대밀도가 약 80% 이상일 경우에는 두 시료의 투수성이 비슷해지는 것으로 나타났다.
또한, 체가름 시험결과 입경이 작은 표준사의 입경은 0.297~0.59mm로 일반적인 쇄석에 비 해 약 1/34 크기인 것으로 나타났으며, 입경이 큰 굵은 모래의 경우 약 1/8 크기인 것으로 나 타났다.
그림 3.2.44 체가름 시험결과
그림 3.2.45 상대밀도에 따른 투수계수
2) 실험순서 및 방법
정수압을 고려한 그라우팅 주입성능 평가 실험 순서는 시료의 포화, 상재압 주입, 수압 주 입, 주입압 주입 총 4단계로 진행된다. 개량된 로우셀 내부에 시료를 성형하고 20kPa의 수압 으로 셀 하부에서 상부로 물을 통과시켜 셀 내부 시료를 포화시킨 이후에 상재압, 수압, 주 입압을 순차적으로 가하여 실험을 수행하게 된다. 실험 전 후로는 변위량, 유출 유량, 주입량
을 가하는 물통에 부착된 스케일바를 이용하여 유출 유량을 측정하였다. 또한, 그라우팅 주 입액 용기 측면에 주입량 스케일 바를 부착하여 주입량을 측정하였다. 실험 종료 후에는 셀 을 탈거한 후 시료를 2등분하여 시료 내부에 형성된 구근의 크기를 측정하였다.
(a) 시료 성형
(b) 변위량 측정
(c) 유출 유량 측정
(d) 주입량 측정
(e) 구근 크기 확인(주문진 표준사)
(f) 구근 크기 확인(굵은 모래)
그림 3.2.46 실험 방법
3) 실험장비 검증
예비실험에 앞서 그라우팅 주입성능 평가 실험을 위해 개발한 실험장비의 검증실험을 수 행하였다. 초기에 제작한 주입봉은 3.5cm로 구근이 시료의 바닥부에 형성되어 구근이 시료의 중앙부에 위치하도록 주입봉 길이를 1.5cm로 수정하였으며, 주입봉 내부에서 그라우팅 액이 clogging되어 구근이 제대로 형성되지 않는 문제점이 발생하여 이를 방지하기 위해 주입봉을 개량하였다.
그림 3.2.47 주입봉 길이 선정(좌 3.5cm, 우 1.5cm)
그림 3.2.48 주입봉 개량을 통한 최적 구근 형상 도출
그라우팅 주입 성능 평가 예비실험에서는 물/시멘트 비와 주입시간에 따른 구근형상 및 크 기 변화를 확인하여 최적의 구근 형상을 도출할 수 있는 물/시멘트비와 주입시간을 선정하였 다. 이 때 지반재료는 주문진 표준사를 이용하였으며, 상대밀도 50%, 주입압 150 kPa, 수압
80 kPa, 상재압 120 kPa의 실험 조건으로 실험을 수행하였다. 예비시험에서는 그림 3.2.49에
나타난 것과 같이 물/시멘트비가 작을 때에는 구근의 형상 확인이 어려웠으며, 물시멘트비가 증가할수록 구근의 형상이 명확히 확인되는 것을 볼 수 있었다. 그러나 물시멘트비가 1:1.5 이상이 되면 시멘트가 너무 많아지면서 그라우트 재료의 고형율과 점성이 높아져 구근의 크 기는 오히려 줄어드는 결과를 나타낸다. 물시멘트비 1:1.5로 고정하여 주입시간을 변화시킨 결과 그림 3.2.50에서 볼 수 있는 것과 같이 주입시간이 증가할수록 구근의 크기도 커지지만, 주입시간 5초 이후에는 그 크기의 변화가 크지 않은 것으로 나타나, 물시멘트비 1:1.5, 주입
그림 3.2.49 물/시멘트비(0.5~2.5)에 따른 구근형상 분석
(a) 1:0.5 (b) 1:1.0
(c) 1:1.5 (d) 1:2.0
(e) 1:2.5
(a) 2초 (b) 4초
(c) 5초 (d) 8초
(e) 10초
그림 3.2.50 주입시간에 따른 구근 크기 변화 확인
4) 실험계획
예비실험을 통해 결정된 5초의 주입시간과 1:1.5의 물/시멘트비를 고정변수로 두고 상대밀 도와 상재압, 수압, 주입압을 달리하여 실험을 수행하였으며 각 시료 당 18회씩 총 36회의 실험을 수행하였다. 상대밀도는 최저 및 최대 상대밀도 값인 50%와 80%를 실험계획에 적용 하였다. 상세 실험계획은 표 3.2.12와 같다.
No. 상대밀도 상재압 수압 주입압 1
50%
40 0
20
2 40
3 60
4
120 80
100
5 120
6 150
7
200 150
170
8 200
9 230
10
80%
40 0
20
11 40
12 60
13
120 80
100
14 120
15 150
16
200 150
170
17 200
18 230
표 3.2.12 실험계획
라. 실험결과 및 분석
1) 그라우팅 주입양 대비 유출유량 비교(시료 입경별 비교)
그라우팅 액 주입양과 그로 인한 유출 유량을 비교하여 그림 3.2.51에 도시하였다. 주입양 과 유출양을 부피로 비교하였을 때(그림 3.2.51(a)) 유출 유량은 그라우팅 주입양과 대체로 유 사하며, 선형적 관계이다. 이는 그라우팅 액이 입자 사이로 침투하며 간극수를 밀어내면서 유출이 발생된다는 것을 의미하며 침투그라우팅의 메커니즘을 나타낸다. 또한 그라우팅 주입 양 대비 유출 유량을 비교하였을 때 입경이 굵어질수록 동일 조건에서 그라우팅 주입양과 유출 유량이 증가하는 것으로 나타났다. 주입량과 유출량을 중량으로 비교했을 때는(그림
3.2.51(b)), 그라우팅 액의 비중이 유출되는 물에 비하여 크므로 유출된 유량의 중량은 주입량
(a) 부피비교
(b) 무게비교 그림 3.2.51 그라우팅 주입 양 대비 유출 유량 비교
2) 시료의 체적감소와 그라우팅 주입 양, 유출 유량 비교
굵은 모래는 주입양이 증가할수록 시료의 체적이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 그라우 팅액이 시료의 간극으로 침투하면서 다짐효과를 발휘하기 때문인 것으로 보인다. 표준사는 주입량 증가에 따라 미소하게 체적이 감소하나 큰 상관성은 없는 것으로 판단된다. 이와 같 이 시료의 체적감소와 그라우팅 주입양 및 유출 유량을 비교해본 결과, 시료의 입경이 크고 간극 사이즈가 클수록 침투로 인한 다짐효과가 증대되는 것으로 나타났다.
그림 3.2.52 시료의 체적감소와 그라우팅 주입양, 유출 유량 비교 (a) 유출 유량 비교 (b) 그라우팅 주입 양 비교
3) 포화상태와 건조상태의 주입량 비교(주문진 표준사)
건조된 시료와 포화된 시료에 대한 그라우팅 주입결과, 수중에서는 수압이 0kPa인 경우에 도 건조된 시료의 경우에 비하여 그라우팅 효율이 급격히 감소하는 것으로 나타났다(구근 크 기 약 73% 감소). 이는 수중주입에서는 육상주입보다 주입효율이 감소한다는 것을 의미하므 로, 수중주입에서는 일반적인 그라우팅 공법에서의 주입효율과는 달리 수중조건으로 인한 그 라우팅 효율 감소를 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
그림 3.2.53 포화상태와 건조상태의 주입량 비교
4) 주입압에 따른 구근크기 비교
모든 실험에서 주입압과 주입후 형성된 구근의 크기를 도시하면 그림 3.2.54와 같다. 이 때 각 실험에서의 유효응력은 상재압에서 수압을 뺀 값이므로 수압과 상재압이 각각 0, 40kPa인 경우의 유효응력은 40kPa이고, 수압과 상재압이 80, 120kPa인 경우의 유효응력은 40kPa, 수압 과 상재압이 150, 200kPa인 경우의 유효응력은 50kPa로 모든 실험에서 유효응력조건은 거의 동일하다. 분석결과, 굵은 모래에서는 주입압 증가에 따라 구근크기가 증가하며, 이러한 주입 압 증가에 따른 구근크기 증가 효율은 동일한 유효응력이라도 수압이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 표준사에서는 주입압에 따른 구근의 차이가 거의 없는 것으로 나타 났다. 이는 입경이 작은 시료에서는 수압(수심)증가에 따라 주입압을 증가시켜도 주입효율 증가효과가 거의 없다는 것을 의미한다.