Geotechnical Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. December 2019. 779-788
https://doi.org/10.12652/Ksce.2019.39.6.0779


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅

  •   2.1 컴팩션 그라우팅 공법

  •   2.2 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅

  • 3. 현장시험

  •   3.1 현장시험 개요

  •   3.2 다중 동시주입 컴팩션 그라우트 공법 적용

  •   3.3 개량효과 평가

  • 4. 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 적용성 평가

  • 5. 결 론

1. 서 론

컴팩션 그라우팅 공법은 CGS (Compaction Grouting System) 공법이라고도 불리며 슬럼프 값이 25.4 mm 이하인 저유동성 그라우팅을 지반 내에 고압으로 주입함으로써 원지반을 압밀・다짐하여 주변 지반의 물성을 개량하고 그라우트 구근체의 형성을 통해 원지반과의 복합지반으로써의 거동을 하도록 하는 지반개량 공법이다(Park, 2009). 컴팩션 그라우팅 공법은 이미 항만, 방파제 등의 해안시설의 보강, 연약지반개량에의 적용 등의 많은 국내・외 시공실적과 그라우트 주입에 따른 지반개량효과에 대한 연구가 진행되어 왔다(Au et al., 2003; Chun, 2002; Chun, 2011; Kazemian and Huat, 2009; Park et al., 2013; Wang et al., 2013). 컴팩션 그라우팅 공법의 적용에 따른 개량효과를 현장시험을 통해 평가한 연구로는 Donovan(1984), Majia and Boulanger(1995), Salley et al.(1987), Schmertmann et al.(1986) 등의 연구가 대표적이며, 특히 Chun and Yeoh(2003)는 국내 연약지반에서 CGS 공법의 적용성을 확인하기 위해 구근직경, 주입패턴, 심도, 주입재, 주입압 등을 고려하여 현장시공을 설계한 후 현장시험 및 계측결과를 통해 공법의 적용성을 파악한 바 있다.

그러나 전술한 연구들의 연구대상 공법인 기존 컴팩션 그라우팅 공법은 일반적으로 대상 개량구간에 많게는 수백 개의 주입공이 설계되나 실제 시공 시에는 한 번에 한 공의 주입만 가능한 펌프를 사용하여 그라우트를 주입해야 하는 한계가 있어 시공해야 할 주입공이 많고 주입목표 심도가 깊은 경우 시공 효율성 확보가 어려웠다. 이러한 단일 컴팩션 그라우팅 공법의 단점을 보완하고 동시주입을 통한 지반개량효과의 증대를 위해 본 논문에서는 3개의 주입공에 동시에 그라우트를 주입할 수 있는 펌프를 고안하였다. 점성토 연약지반에서 고안된 펌프를 이용한 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법, 일명 TCS (Total Compaction Grouting System) 공법의 적용성을 평가하기 위하여 상부에 매립층이 분포하고 있는 점성토 연약지반 현장에 컴팩션 그라우트 주입을 각각 단일공과 3공 삼각배열로 계획하여 단일 및 동시주입의 효과를 비교하였다.

점성토 연약지반에서의 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법 적용에 따른 보강효과를 파악하기 위하여 단일공 주입의 경우에는 주입공에서의 이격거리에 따라, 삼각배열 동시주입의 경우에는 3개의 주입공 중심에 그라우트 주입 전·후 각각 표준관입시험(SPT)을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 최종적으로 본 논문에서는 일련의 현장 표준관입시험 결과를 통해 일정한 주입간격으로 저유동성 그라우트를 점성토 연약지반 내 동시에 압입하였을 경우 발생할 수 있는 문제점과 그 활용방안을 제시하였다.

2. 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅

2.1 컴팩션 그라우팅 공법

컴팩션 그라우팅 공법은 저유동성의 그라우트를 사전에 관입한 케이싱을 통해 주입하여 원지반을 방사방향으로 다짐 및 압밀하여 지반 물성을 향상시키고 주입재 자체가 고결되어 형성된 그라우팅 구근체를 통해 추가적으로 지반을 개량하는 공법이다. 공법 적용 시 슬러지가 배출되지 않고 그대로 주입재를 고결시키므로 정적 비배출 치환공법으로 분류된다(Chun, 2011). 또한 매우 낮은 유동성을 가지는 그라우트재를 주입하므로 침투 그라우팅 공법과는 다르게 대부분 흙의 공극사이로 침투가 일어나지 않고 흙-그라우트 경계면으로 원지반 토압에 상응하는 압력을 가해 주변 지반의 강도와 강성을 증진시킬 수 있다는 특징을 갖는다. 따라서 본 공법의 성공적인 적용을 위해서는 원지반 내 횡토압을 견디며 일정 변위를 발생시키기 위한 압력을 가하고 저유동성 그라우트를 이송할 수 있는 충분한 용량의 펌프가 사용되어야 한다.

주입재는 관내 압송을 위해 소성을 가질 수 있도록 충분한 양의 골재 및 세립토에 물과 시멘트를 혼합하여 현장 슬럼프치 5 cm 이하 기준(국내 현장 기준)을 만족하도록 관리한다. 주입공 배치는 일반적으로 정사각형이나 정삼각형 배치가 보편적이며 주입공의 간격은 시공목적에 따라 다르게 설계한다. 그라우트의 주입은 계획심도까지 천공 후 단계별로 약 33 cm 씩 주입과 인발을 반복하여 목표하는 지반개량 효과를 얻게 된다. 컴팩션 그라우팅은 주입의 진행방향 따라 개량 목표지반의 최하단에서 최상부로 주입하는 상향식주입(Stage-up 혹은 Bottom-up) 방법과 최상부에서 최하부로 주입하는 하향식주입(Stage-down 혹은 Top-down) 방법으로 나뉘며, 일반적으로 전자는 상대적으로 간단하고 빠른 시공이 가능해 육・해상 연약지반개량, 액상화 방지 등에 사용되며 후자는 구조물의 침하에 따른 구조물 복원에 적용된다(ASCE Consensus Guide Committee, 2010). Fig. 1은 연약지반개량 목적으로 컴팩션 그라우팅 공법을 적용할 때 대표적으로 사용되는 상향식주입(Stage-up) 방법의 시공과정을 나타낸 그림이다. 상향식주입(Stage-up) 방법은 1 m 길이의 케이싱을 연결하여 개량목표 지반 깊이까지 사전 관입한 후 약 33 cm 씩 인발하여 설계된 치환율에 맞게 정량의 주입량 또는 주입압을 조절하며 저유동성 그라우트의 주입을 수행한다. 이때 1 m 길이의 케이싱이 인발되면, 지상에서 해체 후 최상부 케이싱과 주입구를 다시 결합하여 동일한 인발·주입 과정을 반복하게 된다. 상향식주입(Stage-up) 방법에서는 주입에 따른 과도한 지표 융기의 발생을 억제하기 위해 지표 변위를 모니터링하며 주입 심도를 조절한다(Moseley and Kirsch, 2004).

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Fig. 1.

Conceptual Diagram of Compaction Grouting Method (Stage-up Process)

2.2 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅

앞 절에서 설명한 기존의 컴팩션 그라우팅은 단일 천공홀에 한 번씩 주입하는 시스템이거나 그라우팅 펌프 한 개의 토출구 전면에 분배기를 설치한 후 여러 주입공에 하나씩 순차적으로 주입하는 시스템으로써 시공 심도가 깊거나 설계된 시공 물량이 많을 경우 시공 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같은 컴팩션 그라우트 주입용 다중 동시주입 펌프를 고안하여 3개의 주입공까지 동시주입이 가능하도록 하였다. 고안된 펌프는 다양한 지반조건에 대응하기 위해 상용 주입압 21 MPa까지의 압력으로 그라우트를 주입할 수 있으며, 일정 타수(stroke)에 정확한 양의 그라우트를 주입하기 위해 0.006 m3/1타(stroke) 이내의 정밀성을 갖도록 하였다. 고안된 펌프를 이용한 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법의 주입시공 전경이 Fig. 2(b)에 나타나 있다(삼각배열 주입).

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Fig. 2.

Multiple Simultaneous Compaction Grouting Pump and Grout Injection

다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법은 전술한 바와 같이 한 번에 3개의 주입공으로 컴팩션 그라우팅을 주입할 수 있어 기존 컴팩션 그라우팅 공법에 비해 향상된 시공성과 경제성을 확실히 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 지반개량의 관점에서는 여러 방향으로 동시에 지반에 압력을 가할 수 있으므로 응력증가의 중첩 효과 및 지반 구속 효과로 인하여 단일공을 통한 주입에 비해 원지반의 다짐·압밀 효과가 증대될 것으로 사료된다. 본 논문에서는 점성토 연약지반에 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법을 시험시공하고 표준관입시험을 통해 그 영향을 분석하고자 하였다.

3. 현장시험

3.1 현장시험 개요

3공 동시주입이 가능하도록 개발된 펌프와 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법의 적용성을 평가하기 위해 점성토 연약지반에 컴팩션 그라우팅 현장시험을 계획하였다. Fig. 3은 현장시험 위치를 나타내며, 현장시험 부지는 영종대교 남단 서해안 인천 ○○현장과 영종도사이에 위치하고 있다. 대상 지반은 본래 해상이었으나 영종대교 건설을 위해 해성 점토로 준설매립한 후 그 상부를 사석을 포함한 매립토로 매립하고 3년을 방치하여 인공적으로 조성되었다.

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Fig. 3.

Site Location from Google Maps (Yeongjongdo, Incheon)

현장시험 계획을 위한 대상지반의 사전 시추조사 결과가 Fig. 4에 나타나 있다. 사전 시추조사 결과, 대상지반은 약 5.6~6.6 m 두께의 사석층이 다수 산재해있는 매립층, 약 6.4~7.4 m 두께의 실트질 점토, 약 2~3.4 m 두께의 점토질 실트, 그리고 하부의 모래층으로 크게 4개의 층으로 구성된 것으로 조사되었다. 또한 지하수위는 모두 지표면 3 m 아래에 형성되어 있어 매립층 하부의 지반은 모두 포화된 것으로 나타났다.

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Fig. 4.

Boring Log from Subsurface Investigation

사전 지반조사결과를 통해 6~7 m 두께의 매립층의 하부인 두께 약 10 m 가량의 점토질의 연약지반 구간에 컴팩션 그라우팅 주입을 통하여 개량하고 그 영향을 분석하는 것이 타당하다고 판단되었다. 따라서 개량 목표구간의 지반물성을 파악하기 위해 점성토 연약지반의 중심부(지표 하 11 m 지점)에서 비교란 시료를 채취하여 실내실험을 수행하고 현장지반의 대표 물성을 Table 1과 같이 도출하였다. 실내시험 결과, 대상지반은 통일분류법(USCS)에 따라 상대적으로 낮은 압축성을 가지는 실트질 점토(CL-ML)로 분류되었으며, 측정된 비배수전단강도와 탄성계수를 통해 중간 정도의 강도를 갖는 점토(medium clay)인 것으로 나타났다.

Table 1. Representative Soil Properties from Laboratory Tests

Specific Gravity Gravimetric Water Content (%) Plastic Limit (%) Liquid Limit (%)
2.72 26.51 27.32 47
Undrained Shear Strength (kPa) Elastic Modulus (MPa) Soil Classification (USCS)
72.67 2.63 CL-ML

3.2 다중 동시주입 컴팩션 그라우트 공법 적용

일본의 CDIT (2013)에 따르면 그라우팅 주입패턴은 일반적으로 정사각형과 정삼각형으로 구성한다. 그중 정삼각형 패턴의 동시주입에 의한 지반개량 영향을 평가하기 위하여 3개의 주입공을 통한 동시주입의 배치를 정삼각 배열의 형태로 계획하고 그라우팅 주입을 수행하였다. 이때 3공 다중 동시주입에 따른 지반개량 정도를 기존 단일공 컴팩션 그라우트 주입 결과와 비교하기 위하여 1공 단일 주입을 10 m 이상 이격하여 추가로 수행하였다. 이때, 삼각배열 및 단일 그라우트 주입량과 주입공 간의 이격거리는 일반적인 압밀개량 공법인 SCP (Sand Compaction Pile) 공법에 적용하는 지반의 치환율을 계산하여 설계하였다. 본 논문에서는 주입량의 경우, 그라우트 구근체의 설계 직경을 1 m로 설정하고 케이싱 인발 당 주입량을 계산하여 인발당 일정한 타수(stroke)로 정량주입을 수행하였다. 최종적으로 삼각배열의 각 주입공 간 이격거리는 2 m (2D, D: 그라우트 구근체의 직경)로 설정하여 시공하였다.

전술한 바와 같이 주입재의 주입을 통해 6~7 m 두께의 매립층 하부 10 m 점성토 연약지반을 목표 개량구간으로 설계하였으며, 그라우트의 주입을 위한 케이싱은 총 길이 16 m로 각각 단일공과 3공 삼각배열 주입으로 계획한 위치에 사전에 관입하였다. 모든 그라우트재의 주입은 개발된 다중 동시주입 펌프를 적용하였으며 사전에 관입된 케이싱을 33 cm 씩 인발하며 상향식주입(Stage-up) 방법으로 정량 주입하였다. 총 10 m의 케이싱을 인발하여 개량 목표 지반에의 주입을 완료한 후 매립층 두께에 해당하는 6 m의 케이싱은 제거하고 공을 매립하여 주입을 완료하였다. Fig. 5는 현장에서 수행된 단일 및 다중 동시 컴팩션 그라우트 주입에 대한 모식도이며 현장 그라우트 주입 전경이 Fig. 2(b)에 나타나 있다(삼각배열 주입).

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Fig. 5.

Schematic View of Single and Multiple Simultaneous Compaction Grouting Injection at Construction Site

3.3 개량효과 평가

기존 컴팩션 그라우팅 공법을 통해 개량된 지반의 복합지반 거동에서는 상대적으로 강성이 높은 고결된 그라우트 구근체가 아칭효과를 통해 하중을 분담하여 주요한 구조체 역할을 하게 되지만, 구근체 사이의 지반 또한 일정 부분의 하중을 분담한다고 알려져 있다(Chun and Yeoh, 2003). 본 연구대상인 다중 동시주입 공법의 경우 치환율을 기존 공법과 동일하게 하여 그라우트를 주입한다면 구근체 자체의 구조적 역할은 기존 공법을 적용하였을 경우와 큰 차이가 없을 것으로 판단된다. 이때, 다중 동시주입 공법과 기존 공법의 지반 개량효과에서 차이가 생기는 부분은 동시주입에 따른 응력증가의 중첩과 구속 효과에 따른 주입공 사이 지반의 거동이다. 따라서 본 연구에서는 그라우트 구근체에 의한 복합지반 거동은 기존 공법을 적용하였을 경우와 큰 차이가 없을 것으로 판단하여 주입에 따른 개량효과 분석에 포함하지 않았으며, 다중 동시주입 공법의 적용에 따라 차이점이 생기는 부분인 주입공 사이 연약지반의 강도 변화에만 중점을 두어 공법 적용에 따른 지반개량 효과를 평가하였다.

다중 동시 컴팩션 그라우팅의 주입에 따른 구근체 사이 점성토 연약지반의 지반개량 효과와 공법의 적용성을 파악하기 위하여 그라우트 주입 전과 후에 일련의 표준관입시험을 KS F 2307(2017)에 따라 수행하였다. 표준관입시험은 원지반에 대해서 그라우트 주입 7일 전에 이루어졌으며 주입 후 개량효과를 확인하기 위해서는 시공 후 7일이 경과한 후에 표준관입시험이 이루어졌다. 또한 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법의 지반 안정화와 그라우트 구근체 양생에 대한 영향을 파악하기 위해 시공 후 28일이 경과 삼각 그라우트 주입공 중심에 추가 표준관입시험을 수행하였다.

Fig. 6은 표준관입시험이 수행된 위치에 대한 상세이다. 단일공 주입의 경우 Fig. 6(a), 삼각배열의 경우 Fig. 6(b)에 각각 수행된 표준관입시험의 위치와 그라우트 주입 지점이 나타나 있다. Fig. 6(a)에서는 단일 주입 시 주입공에서의 이격거리에 따른 영향을 파악하기 위하여 그라우트 주입 지점에서 각각 1.5, 2.5, 3.5 m 이격된 지점에 표준관입시험을 수행하였다. Fig. 6(b)에서는 삼각배열의 삼중공 동시주입에 대한 영향을 평가하기 위해 세 개의 주입지점 중심에 표준관입시험을 수행하여 기존 단일 컴팩션 그라우팅의 개량효과와 비교하였다. 그라우트 주입에 따른 개량효과를 파악하기 위해서는 각 조건의 표준관입시험은 그라우트 주입 전과 후 동일지점에 정확히 수행되는 것이 바람직하나 표준관입시험을 위한 보어홀 간의 간섭으로 인한 지반 교란을 최소화하기 위하여 각 지점에서 최대 30 cm의 오차 내 위치에 수행되었다.

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Fig. 6.

Specific Schematic Diagram of Single and Triangle Arrangement of Three Grout Injection Holes and Standard Penetration Test (SPT)

표준관입시험은 매립층 하부 10 m의 점토층 전 구간에 걸쳐 수행되었다. 표준관입시험에서는 정확한 N 값의 산정을 위해 유효응력, 타격 에너지 효율 등의 여러 영향 요인에 대한 보정이 필요하나 국내에서는 통계적으로 장비별로 분류된 각 보정계수를 적용하기 힘들고 본 논문에서는 그라우팅 주입 전과 후의 지반개량 정도를 파악하는 것에 의의가 있으므로 보정하지 않은 실측된 N 값을 바탕으로 상대적으로 비교하였다(Korean Geotechnical Society, 2005).

4. 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 적용성 평가

다중 동시 컴팩션 그라우트의 주입 전과 후에 주입공 배치와 거리에 따른 지반개량 정도를 평가하기 위하여 수행한 표준관입시험의 결과를 Fig. 6에서 나타낸 두 가지 구역에 대해 각각 Figs. 7 and 8에 정리하였다. 각 그림의 (a)는 깊이에 따라 측정된 N 값을 비교하였고, (b)는 대상 지반을 구성하고 있는 흙의 종류와 깊이에 따른 평균 N 값을 대표로 나타냈다. 지층의 구분은 표준관입시험 수행에 따른 스플릿 스푼 샘플러(split spoon sampler)를 통해 채취한 시료를 바탕으로 심도 6~10 m 점토층, 11~15 m 실트층, 16~18 m 모래층으로 3구간으로 구분하였다.

Fig. 7은 단일 주입에 따른 주입공에서 각 이격거리(1.5, 2.5, 3.5 m)에서 N 값의 분포를 나타냈으며, 이를 통하여 하나의 주입공에 한 번씩 주입이 이루어지는 기존 단일공 컴팩션 그라우팅의 보강효과를 이격거리에 따라 평가하였다. 주입공에서 가까울수록 전반적인 N 값의 증가가 크게 나타났고, 주입공에서 멀어질수록 지반개량 효과가 감소되는 양상을 보였다. 점토층의 경우 평균 N 값이 2~3 가량 증가하였고 주입 지점에서의 거리에 따른 경향 또한 크게 나타나지 않았다. 그러나 실트층과 모래층(11~18 m)의 경우 각각 초기 N값에 비해 1.5 m 이격된 지점의 경우 99 %, 2.5 m 이격된 지점의 경우 36 %, 3.5 m 이격된 지점의 경우 11 %으로 두 층의 평균 N 값이 크게 증가한 것으로 나타났으며, 거리에 따른 경향성 또한 점토층에 비해 상대적으로 뚜렷하게 나타났다. 이는 일반적으로 모래 지반, 실트 지반, 점토 지반 순으로 주입공 인접 지반의 개량효과가 크다고 문헌에서 제시한 컴팩션 그라우팅 공법의 보강효과와도 일치하는 결과이다(ASCE Consensus Guide Committee, 2010). 컴팩션 그라우트 주입 후 측정한 콘의 원추 관입저항력(tip resistance) 역시 실트질 모래층에 비해 점토층에서 그 크기가 매우 작게 측정되는 것으로 보고된 바 있으며(Boulanger and Hayden,1995), 점토층의 경우 주입공과의 거리와 N 값의 증가율은 상관관계가 적고, 사질토의 경우 이격거리에 따라 뚜렷한 상관관계를 가진다는 Do et al.(2007)의 연구결과와도 일치하는 경향을 나타냈다.

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Fig. 7.

Standard Penetration Test (SPT) Result (Single Injection)

Fig. 8은 삼중공 삼각배열 주입공의 중심에서 측정한 N 값의 변화를 도시한 결과이다. 시험결과, 단일공 주입 결과와는 상반되게 모든 층에서 전반적인 N 값 증가를 보이지 않았다. 응력증가 중첩 효과로 인하여 세 개의 주입공 사이의 N 값 증가량이 단일 주입공 외곽의 N 값 증가량보다 모든 층에서 클 것으로 예상하였으나 점토층과 실트층의 경우 N 값이 주입 전과 동일하거나 오히려 약간 감소하는 결과를 나타냈다. 이를 지층별로 나누어 살펴보면, 모래층의 경우 동시주입에 따른 기대한 응력증가 중첩 효과가 뚜렷하게 나타나 평균적으로 N 값이 8 정도 증가하여 47 %의 N 값 증가를 보였으나 점토층과 실트층의 경우 응력증가 중첩 효과가 나타나지 않아 평균 N 값의 변화가 없었다. 즉, 단일공 주입시 개량효과와 동일하게 동시주입 컴팩션 그라우팅을 적용하였을 때 모래 지반의 경우 응력증가의 중첩 효과에 따른 동시주입 효과가 뚜렷했으나, 점토질이나 실트질 지반의 경우 단일공 주입에 비해 지반개량 효과가 크지 않았다. 이는 본 연구대상 지반 및 주입조건과 가장 유사한 조건에서 기존 컴팩션 그라우팅 공법을 평가한 Chun and Yeoh(2003)의 연구결과와도 상반된 결과이다. 해당 연구에서는 그라우트 구근 직경 0.8 m, 주입공 간 이격거리 2 m의 주입조건에서 삼각형 및 사각형 배열로 각 주입공에 순차적으로 그라우트를 주입한 후 표준관입시험을 수행하였는데, 충적층 점토지반에서 평균 5 정도의 N 값 증가를 나타내었다.

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Fig. 8.

Standard Penetration Test (SPT) Result (Triple Injection)

전술한 표준관입시험 결과, 단일공 컴팩션 그라우트 주입에 의해 주변 지반은 고압의 저유동성 그라우트의 주입에 따라 압밀·다짐되어 모든 지층에서 물성이 개량되는 결과를 보여주었으며 이격거리와의 상관성도 상대적으로 뚜렷이 나타났다. 그러나 다중공(삼중공) 컴팩션 그라우트 동시주입의 경우 점토층과 실트층에서 주입공 사이 지반의 물성 변화가 심도에 따라 큰 변화가 없는 결과를 보여주었다.

일반적으로 주로 점성토로 구성되어 있는 연약지반의 경우 컴팩션 그라우팅 공법 적용 후 지반개량 효과가 실트질이나 사질토 지반의 경우보다 적은 것으로 알려져 있어 시공 후 원위치시험 결과 지반물성의 큰 변화가 없었던 것으로 볼 수 있다. 그러나 선행연구와 본 현장시험에서는 단일공 주입시, 다중 동시주입의 결과와는 다르게 점성토 지반에서 N 값이 증가하는 결과를 나타내어 주입에 따른 지반 물성 저하는 수행한 동시주입 조건에 원인이 있다고 볼 수 있다.

표준관입시험 결과를 통한 다중 동시주입에 의한 상대적인 지반강도 저하는 다음과 같이 크게 두 가지 이유로 설명할 수 있다. 첫째, 삼각배열 동시주입의 경우 2 m (2D)로 설정한 주입공간의 거리가 가까워 그라우트 주입에 따른 압밀·다짐에 의한 지반개량 효과를 얻은 것이 아니라 중복 가압에 의해 원지반을 오히려 교란시켜 주입공 인접 지반 물성을 크게 개량하지 못했던 것으로 사료된다. 실제로 표준관입시험을 수행한 삼중공 사이의 지반은 완전히 구속된 상태가 아니며 지반의 강도가 측정된 평균 주입 압력(약 10 MPa)에 비해 크지 않은 점토(medium clay)로 이루어져 있어 주입 압력에 의해 쉽게 교란되었을 것으로 판단된다. 두 번째 원인은 현장 표준관입시험의 수행 시기이다. 그라우트 주입 후 현장 원위치 시험은 지반이 충분히 안정화되고 주입 몰탈의 강도가 일정 이상 발현되었을 것이라고 판단되는 시공 7일 후에 시험이 수행되었다. 그러나 Fig. 9에 나타난 것과 같이 삼각배열의 삼중공 중심 위치에서 개량 대상 지반인 점토층 중심부 11 m에서 시공 시작 시점부터 7일 후 까지 측정된 과잉간극수압의 시간에 따른 소산 양상을 보면, 시공 중 생성된 과잉간극수압이 표준관입시험이 수행된 시점에서 모두 소산되지 않아 주입압에 의해 교란된 지반의 강도 회복이 미처 이루어지지 않았음을 보여준다. 특히 과잉간극수압이 측정된 점토 및 실트층의 중심부(심도 11 m 지점)의 경우 상부(매립층)와 하부(모래층)에 배수층이 형성되어 있는 개량 대상지반의 특성상 최종 지반개량효과가 과소평가 되었을 것으로 사료된다. 또한, 교란된 점토지반의 경우 시간이 경과함에 따라 면모구조화 되며 강도가 회복되는 틱소트로피(thixortropy) 현상이 발생한다. 일반적으로 틱소트로피 현상에 의한 강도의 회복 수준은 크지 않지만, 교란 후 약 1개월까지는 저하된 강도가 빠르게 회복되는 것으로 알려져 있다(Skempton and Northey, 1952).

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Fig. 1.

Excess Pore Water Pressure Dissipation With Time at Center of Triple Injection

이를 확인하기 위하여 그라우트 주입에 의한 과잉간극수압이 소산되고 주입재의 재령 압축강도가 충분히 발현되었을 것으로 생각되는 28일이 경과한 시점에 표준관입시험을 추가적으로 수행하였다. 시험 지점은 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법이 적용된 삼각배열 삼중공 그라우팅 지점의 중심부이며, 기존 시험공과의 이격을 30 cm 이내로 유지하였다(Fig. 6). Fig. 10은 삼각배열 삼중공 주입 중심부에서 시공 28일 후 추가적으로 수행한 표준관입시험의 결과를 7일 후 수행한 결과와 함께 비교하였다. 28일 후 삼중공 동시주입에 따른 N 값 증가량의 경우 7일 후 수행한 시험 결과에 비해 모든 층에서 뚜렷하게 증가된 것으로 나타났다. 점토층의 경우 평균 N 값이 2 정도(33 %) 증가하였으며, 실트층의 경우 9 (129 %), 모래층의 경우에도 N 값이 약 9 정도(100 %) 증가하여 과잉간극수압 소산 및 틱소트로피 현상에 따른 충분한 지반 안정화 기간 및 개량체 양생기간 확보의 중요성을 보여준다.

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Fig. 10.

Standard Penetration Test (SPT) Result After 28 days of Construction at Center of Triple Injection

그라우트 주입 전 원지반 표준관입시험 결과와 비교하여 단일공, 삼중공에서의 시공 7일 후, 28일 후의 표준관입시험 결과가 Table 2에 요약되어 있다. 이 결과는 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법의 평가를 위한 표준관입시험은 점성토 또는 실트질의 연약지반 뿐만 아니라 모래층의 경우에도 과잉간극수압이 모두 소산되고 주입재의 강도가 충분히 발현되는 시점에 수행하는 것이 합리적임을 시사한다.

Table 2. Summary of Standard Penetration Test Results

Single Injection Triple (Multiple) Injection
7 Days after grouting Improved Partially improved
28 Days after grouting - Improved
Remarks - The conventional single hole compaction grouting has sufficient applicability on all ground conditions.
- The ground improvement effect is superior in order of sandy, silty and clayey soil.
- The simultaneous multiple compaction grouting should be carefully examined before application especially in clayey and silty soil.
- Considering an adequate distance between injection holes should be required.
-At least 28 days of ground stabilization period is recommended.

5. 결 론

본 논문에서는 다중 동시주입 펌프를 이용한 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅을 연약지반에 시험시공하고 표준관입시험을 수행하여 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법 적용에 따른 지반의 개량효과에 대하여 분석하였다. 시험 시공 7일 후 표준관입시험 수행결과 이격거리에 따라 17 %에서 150 %의 N 값이 증가한 기존의 단일공 그라우트 주입 개량효과에 비해 서로 근접한 다중공에 동시주입할 경우 점토나 실트 지반에서 모래 지반에 비해 개량효과의 변화가 나타나지 않았다. 반면에 사질토 지반의 경우 단일 컴팩션 그라우트 공법을 적용하였을 때 약 47 %의 N 값 증가가 나타났지만, 다중 동시주입할 경우 100 %의 N 값 증가가 나타나 다중 동시주입 공법의 효과가 보다 뛰어난 것으로 나타났다. 전술한 바와 같이 일반적으로 컴팩션 그라우팅 공법을 연약지반에서의 적용할 때 기대할 수 있는 지반개량 효과는 주입공 사이 지반의 강도 향상 효과보다는 그라우트 구근체와 원지반과의 복합지반 거동으로 인한 개량효과가 더 주요하게 작용하므로 연약지반에서 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법의 적용에는 큰 문제는 없을 것으로 판단된다. 또한 주입 시공 결과 다중 동시주입 공법을 적용할 경우 기존 컴팩션 그라우팅 공법을 적용할 때 보다 시공성을 확실히 개선시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 최적의 지반개량 효과를 얻기 위해서는 주입공 사이 지반 또한 충분히 개량되는 것이 타당하므로(Chun and Yeoh, 2003), 본 연구에서 수행한 주입시험과 표준관입시험 결과를 통해 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법을 점성토 또는 실트질 지반 등의 연약지반에 적용할 때 유의해야 할 점을 다음과 같이 제언하였다.

첫째, 대상 지반에서의 단일공 주입에 따른 영향범위를 먼저 산정하고 이를 바탕으로 동시주입에 따른 응력증가 중첩의 효과를 최대한 발휘하는 선에서 적정한 이격거리를 유지하고 동시주입하여 설계된 지반 치환율에 따라 격공으로 시공해야한다. 최적의 중첩 효과가 발현되는 영향범위는 지반 특성에 따라 다를 것으로 판단되며, 표준관입시험 결과를 바탕으로 본 논문에서 설정된 주입 이격거리에서 점토층의 동시주입 효과가 다른층에 비해 변화가 없는 것으로 보아 점토지반의 경우 필요한 이격거리가 실트질이나 사질토지반의 경우보다 큰 것으로 나타났다.

둘째, 지반개량효과의 확인은 그라우트 주입시 발생된 과잉간극수압이 모두 소산되어 지반이 충분히 안정화 된 후에 이루어져야 한다. 이는 간극수압의 소산 영향이 큰 점토층 뿐만 아니라 실트층, 모래층에도 해당된다. 본 논문에서는 다중 동시주입공법 평가 시 과잉간극수압 소산에 따른 지반의 안정화에 대한 검증을 위하여 28일 후 추가 표준관입시험을 수행하였으며 7일 후 수행한 시험에 비해 지반개량 효과가 크게 향상되었다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 건설교통과학기술진흥원의 건설기술연구사업(지반함몰 발생 및 피해저감을 위한 지반 안정성 평가 및 굴착·보강 기술 개발, 18SCIP-B108153-04)의 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

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