The Journal of Engineering Geology. September 2019. 201-209
https://doi.org/10.9720/kseg.2019.3.201


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 실내시험

  •   실내시험 계획 및 실시

  •   실내시험 결과

  • 현장시험

  •   현장시험 계획 및 실시

  •   현장시험 결과

  • 결 론

서 론

구조물이 거대화되고 지중구조물이 증가하면서 지반침하, 구조물 균열, 지반붕괴 등 다양한 문제들이 발생되었으며. 이런 문제들에 대한 대안으로 수많은 공법들이 개발되었으며, 높은 경제성과 안정성, 타 공법에 비해 상대적으로 편리한 시공성으로 주입(그라우팅)공법도 꾸준히 연구․개발되어 왔다. Glossop(1960)은 주입공법의 history에 대해 설명 하였으며, Karvetz(1958)은 그라우트액의 종류와 지반조건에 따른 침투주입시험을 실시하였다. Karol and Swift(1961)실내시험조건과 유사한 조건인 사질토의 균질한 지반과 침투주입이 가능한 주입압, 주입속도가 적용이 가능한 범위일 때 주입압력이 클수록, 지반 내 간극이 클수록, 고결강도가 작을수록 그라우트의 주입범위가 증가하는 것을 확인하였다. Tsuboi(1978)는 주입관 선단부에 스트레너 주입구가 주입관 축을 따라 다수 설치된 경우 주입재가 원주상으로 확산 침투되는 것을 확인하고 각각의 주입은 2차원 평면으로 이루어진다는 침투이론을 전개하였으며, Shimada et al.(1991)은 실내시험을 통해 일정한 가압하에서 겔 구조는 자연상태의 겔 구조보다 조밀해짐을 확인하였다. Kleyner and Krizek(1995)는 실내모형시험을 통하여 주입압 및 다짐 조건 등을 변화시켜 주입압과 천공직경과의 변화를 실험적으로 규명하였으며, Donard et al.(1997)는 가압식 그라우팅 방식이 그라우팅체와 주변지반의 부착력을 향상시키며 단계별 그라우팅은 가압식 그라우팅에 비해 더 넓은 영역에 걸쳐 장기간 그라우팅 성능을 발휘한다고 실험결과를 발표하였다. 국내에서 Jang(2001)은 압력분사 그라우팅을 실시할 경우 깊이별 유효경 팽창은 하부로 갈수록 감소함을 연구하였으며, Kim(2015)은 구근체 직경-지반 내 응력-상부토피고의 비례관계를 연구하였다. 또한 Ministry of Agriculture and Forestry(2006) 자료에는 하향식 그라우팅 방법의 경우 앞서 주입된 상부 단계의 상재하중을 이용하여 하부단계 주입 시 높은 압력을 가할 수 있고 주입재의 지표유출을 줄여 양호한 주입효과와 주입압력을 단계별로 다양하게 적용이 가능하나 주입 후 재천공이 필요해 작업효율이 낮고 Packer의 Jamming 위험성이 높은 단점을 지적하였다.

지반에 시멘트 밀크 등을 주입하는 그라우팅 방법은 입구를 막고 주입재를 천공홀 내에 주입하는 방법에서 시작하여 임의의 압력으로 지반에 강제로 주입하는 압력주입방법이 개발되었으며, 지반을 고르게 그라우팅하기 위해 단계적으로 압력을 가하는 다단 압력 그라우팅 공법이 개발되어 터널, 사면, 기초, 댐 등에 널리 적용되고 있다.

국내에서 대부분 적용되고 있는 다단식 압력 그라우팅 방법은 지중에서 지표부로 이동하며 주입이 이루어지는 상향식 방법이 적용되고 있으며, 이와 반대로 지표에서 지중으로 이동하며 주입이 이루어지는 하향식 그라우팅 방법의 경우는 다단식 압력주입이 아닌 주입 후 재천공 방식의 단단식으로 차수 목적으로 주로 적용되고 있다.

본 연구에서는 기존 단단 방식인 하향식 그라우팅 방법을 다단 압력 주입이 가능한 그라우팅 방법으로 변경하였을 때 구속력이 거의 없는 지표부 부근에서부터 그라우트 구근체가 형성되므로 하부 주입 시 높은 압력으로 그라우팅 주입재가 효과적으로 지반 내로 침투할 수 있을 것으로 판단되며, 다단 압력 주입에 의한 2차 주입 시에 선 주입된 그라우트체 주변으로 적층되는 케비징 효과가 발생해 그라우트체 부피 및 주입 밀집도가 증가할 것으로 예상되었으며, 이에 실내시험과 현장시험을 실시하여 그라우트체 부피 ‧ 주입범위와 주입 밀집도에 관한 특성을 기존 상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 비교 ‧ 분석 하였다.

실내시험

실내시험 계획 및 실시

본 연구에서는 모형 토조를 이용한 실내시험을 통해 하향식 다단압력 그라우팅 방법과 상향식 다단압력 그라우팅 방법의 주입 방법에 의한 구근체의 부피 및 형상을 비교하였다. 시험을 실시하기 위한 모형토조는 크기효과와 주입압 ‧ 주입량에 따른 영향을 받지 않도록 1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 크기의 토조를 제작하였다. 주입을 실시할 주입관은 이형철근(D29 mm)에 PVC관을 접합해 각 관 마다 주입호스를 연결하여 상향식 하향식 모두 가능하게 제작 하였다. 토조 상부에는 지반 내 구속압 상태를 모식화 하기 위해 유압 실린더를 설치하여 75 kPa의 등분포 하중을 재하 하였으며, 수압파쇄 현상을 최대한 억제하기 위하여 주입압은 각 주입단계 마다 최대 0.4~0.5 MPa을 유지하였다. 지반 내 주입량은 편차는 있으나 최상단에서 차례대로 42 L (-0.35 m), 42 L (-0.75 m), 41 L (-1.15 m)로 총 125 L를 주입하였다. 또한 시험체는 하향식 다단압력 그라우팅 방법 5회, 상향식 다단압력 그라우팅 방법 5회를 실시하였으며, 다단 압력 주입 방법의 일반적인 물-시멘트비인 168%를 적용하였다(Table 1).

Table 1. Soil box test plan

Method Reinforcement
(SD40)
Road cell
pressure
(kPa)
W/C ratio
(%)
Total injection
quantity
(L)
Injection
pressure
(MPa)
Number of
test
Soil box size
(m)
Bottom-up multi step D29 mm
Deformed bar
75 168 125 42-42-41 0.4~0.5 5 1.5 × 1.5 × 1.5
Top-down multi step 5

실내시험을 위한 보강재 및 주입관은 상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 하향식 다단압력 그라우팅 방법 모두 동일하게 제작하였다.

보강재는 길이 1.40 m, D29 mm 이형철근을 사용하였으며, 주입관은 길이 25 cm, 직경 75 mm의 PIPE를 보강재 위에 일정한 간격으로 3개를 배치하였다.

각 주입관에는 직경 10 mm짜리 주입호스를 연결해 다단 압력 주입이 가능토록 하였으며 각 주입관에는 주입홀을 양방향으로 2개씩 총 4개를 뚫은 후 테이프로 밴딩하여 주입관에서 압력 생성 시 주입홀을 통해 지반으로 가압 주입이 가능하게 제작하였다(Fig. 1a).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-03/N0520290301/images/kseg_29_03_01_F1.jpg
Fig. 1.

Soil box test setup and plan.

제작된 보강재 및 주입관을 모형토조 중앙부에 위치시킨 후 모래를 일정한 높이까지 채웠으며, 구근체의 부피에 최대한 영향을 적게 주기 위해 보강재를 최하단에서 10 cm 가량 띄어 설치하였다. 상향식 다단 압력 그라우팅 방법은 최하단부 주입관 부터 주입을 시작하여 중앙부, 최상단부에서 주입을 완료하는 방법을 채택하였으며, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법은 반대로 최상단부 주입관부터 주입을 시작하여 중앙부, 최하단부에서 주입을 완료하는 방법을 채택하였다(Fig. 1b).

실내시험용 모형토조는 1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 크기의 steel 재질이며, 유압잭으로 상재하중을 등분포로 재하하기 위해 상부에는 1.5 m × 1.5 m 크기의 철판과 2조의 H-pile을 설치하였다(Fig. 1c).

유압잭에는 콘트롤러와 컴퓨터를 연결해 약 75 kPa의 상재하중을 토조 상부에 균등하게 작용케 하였다(Fig. 1d).

3개의 주입관에는 직경 10 mm 정도의 주입호스를 연결하였으며, 주입호스는 주입펌프와 연결하였다. 저압 침투주입이 가능하도록 주입관별로 약 600초 가량의 주입시간을 두어 최대한 천천히 주입하였으며, 총 125 L (42 L,42 L,41 L) 정도를 주입재로 사용하였다. 또한 시험시간의 단축을 위해 주입재 배합 시 1%의 급결제를 사용하였다(Fig. 1e).

실내시험 결과

각 시험 7일 경과 후 토조를 탈거 하였으며 모형토조 탈거 후 원지반 모래를 제거한 후에는 강도가 거의 없거나, 그라우트체로써의 역할을 할 수 없는 부분들은 부드러운 솔을 사용하여 이러한 것들을 제거한 상태에서 그라우트체의 부피를 측정하였으며, 먼저 구근체의 형상을 비교하였다. 상향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우 상부 ‧ 중앙 ‧ 하부로 구분하였을 때 상부보다 중앙과 하부에서 비교적 직경이 넓은 것으로 나타났으나, 중앙과 하부의 차이는 크지 않았다. 햐향식 다단압력 그라우팅 방법의 경우 주로 상부와 중앙의 직경이 하부에 비해 현격하게 큰 것으로 나타나, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우 자유면 주변 선 주입 효과와 적층효과가 나타나는 것으로 확인되었다(Fig. 2).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-03/N0520290301/images/kseg_29_03_01_F2.jpg
Fig. 2.

Comparison of grouting bulb volume between the bottom-up and top-down methods.

상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 하향식 다단 압력 그라우팅 방법에 대한 부피측정 결과 하향식 다단압력 그라우팅 방법의 경우 5개 구근체에 대하 측정결과 최대 0.41 m3, 최소 0.26 m3, 평균 0.32 m3의 부피를 보이는 것으로 나타났으며, 상향식 다단 압력 그라우팅 방법은 최대 0.33 m3, 최소 0.21 m3, 평균 0.26 m3의 부피를 보이는 것으로 나타났다(Table 2).

Table 2. Grouting bulb volume results

Method Top-down multi step grouting method Bottom-up multi step grouting method
Test specimen #1 #2 #3 #4 #5 #1 #2 #3 #4 #5
Volumetric (m3) 0.27 0.35 0.26 0.30 0.41 0.21 0.33 0.23 0.29 0.25
Max 0.41, Min 0.26, Avg. 0.32 Max 0.33, Min 0.21, Avg. 0.26

하향식 다단 압력 그라우팅 방법을 적용했을 때, 상향식 다단 압력 그라우팅 방법일 때보다 최대 부피에서는 약 24.2%, 최소 부피에서는 약 23.8%, 평균 부피에서는 약 23.0% 가량 증가하는 것으로 나타나 상향식 다단 압력 그라우팅 방법을 적용했을 때에 대비하여 하향식 다단 압력 그라우팅 방법을 적용했을 때에 약 24% 정도의 그라우팅 구근체의 부피 증가가 있는 것으로 나타났다(Fig. 3).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-03/N0520290301/images/kseg_29_03_01_F3.jpg
Fig. 3.

Comparison of grouting bulb volume (maximum, minimum, average) between the bottom-up and top-down methods.

현장시험

현장시험 계획 및 실시

모형 토조를 사용한 실내시험 결과 침투주입이 가능한 균질한 지반에서는 하향식 다단압력 그라우팅 방법이 상향식 다단압력 그라우팅 방법보다 구근체의 부피가 커지는 것으로 확인 되었으며, 이 실내시험 결과를 토대로 하였을 때 실제 지반상태에서 시험을 실시할 경우 주입범위와 밀집도와도 상관관계를 보일 것으로 판단하였다. 모형 토조 시험은 균질한 지반조건하에서 침투주입이 이루어지도록 압력과 주입량을 임의로 조절한 시험이므로 실제 원지반 상황과는 차이를 보이며, 할렬주입의 형태로 구근체의 정확한 부피 차이를 확인하기는 어려울 것으로 판단하였으며 이에 실제 현장에서 시행되고 있는 방법을 최대한 적용하여 상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 주입 범위 및 밀집도에 대한 주입특성을 분석하였다.

현장시험은 풍화대층(풍화토층-풍화암층)으로 이루어진 지반에 수직으로 주입관을 6.0 m 삽입하여 압력 주입을 실시하였다. 상향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우 현재 주로 사용되고 있는 Φ60.5 mm 강관을 보강재로 사용하고, Air 패커체를 사용하여 바닥에서 2.0 m씩 끌어올리며 시험을 실시하였으며, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우 실내시험과 동일하게 D29 mm 이형철근을 보강재로 사용하고, 3개의 Φ75 mm PVC PIPE 주입관을 제작하여 상향식 다단 압력 그라우팅 방법의 Air 패커체와 동일한 역할을 하도록 하였다. 물시멘트비와 총 주입량은 풍화대에서 일반적으로 사용되는 값들을 적용하였으며, 비균질의 풍화대층에서 주입으로 침투주입이 아닌 할렬주입형태로 주입이 이루어질 것으로 판단되어 0.5~1.5 MPa의 압력으로 주입하였다.

상향식 다단 압력 그라우팅 공과 하향식 다단 압력 그라우팅 공 사이를 약 10.0 m 이격하여 서로 그라우팅에 의한 간섭이 발생되지 않도록 하였으며, 주입이 완료된 후에는 그라우팅 공 앞쪽에 너비 와 폭 3.0 m, 너비 3.0 m, 깊이 6.0 m의 형태로 굴착을 실시하여 주입범위와 밀집도를 확인하였다(Fig. 4, Table 3).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-03/N0520290301/images/kseg_29_03_01_F4.jpg
Fig. 4.

Field test setup and plan.

Table 3. Field test plan

Method Reinforcement Packer
(injection pipe)
W/C ratio
(%)
Injection quantity
(L)
Injection
pressure
(MPa)
Test location Excavation scale
(m)
Bottom-up
multi step
grouting
ϕ60.5
Steel pipe
L = 6.0 m
Air packer 168 450
Step by step
150-150-150
0.5~1.5 10.0 m apart 3.0 (B) × 3.0 (L) × 6.0 (H)
Top-down
multi step
grouting
D29 mm
Steel bar
L = 6.0 m
(ϕ75 mm PVC PIPE)

현장시험 결과

실제 현장에서 시공되고 있는 방법을 적용하여 현장시험을 실시하였다. 국내에서 적용되고 있는 상향식 다단 압력 그라우팅 방법은 직경 60.5 mm의 강관을 보강재와 Air packer를 사용하고 있으며, 하향식 단단 그라우팅 방법의 경우 상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 동일하게 직경 60.5 mm 강관과 Air packer를 사용할 수 있으나, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법을 적용하기 위해서는 각각 독립된 주입관이 필요하였다. 직경 65.0 mm 강관과 직경 75.0 mm PVC PIPE 와의 실제 직경차이는 크지 않으며, 실제주입은 강관과 PVC PIPE에 있는 소형 주입홀을 통해 가압주입이 이루어지므로 구근체의 크기에 크게 영향을 미치지는 않을 것으로 판단된다.

주입범위 및 밀집도 확인을 위해 폭 3.0 m, 너비 3.0 m, 깊이 6.0 m의 BOX 형태로 굴착 하였으며, 주입범위의 원활한 확인을 위해 주입면에 시멘트와 반응하면 붉은 색으로 변하는 페놀프탈레인 용액을 살포 하였다.

상향식 ‧ 하향식 다단 압력 그라우팅 방법 모두 할렬 주입 형태를 보였으며 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우 넓은 주입 범위를 보였으며, 단위면적당 밀집도가 높은 것을 확인하였다(Fig. 5).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-03/N0520290301/images/kseg_29_03_01_F5.jpg
Fig. 5.

Field test results.

그라우팅 공 정면 1개면(B = 3.0 m, H = 6.0 m)에 대해서 주입범위 및 주입길이를 개략적으로 측정하였다. 측정결과 상향식 다단 압력 그라우팅 방법은 2.8 m2의 주입범위와 0.34의 밀집도를 보였으며, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법은 3.9 m2의 주입범위와 0.49의 밀집도를 보였다. 두 값을 분석한 결과 하향식 다단 압력 그라우팅 방법이 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 주입범위는 약 39% 밀집도는 약 44% 높은 것으로 나타났다(Table 4).

Table 4. Injection range and density (per face)

Bottom-up multi-step pressure grouting method Top-down multi-step pressure grouting method
Contents Injection range
(m2)
Injection density
(injection length/m2)
Injection range
(m2)
Injection density
(injection length/m2)
About 2.8 6.14 m/18 m2 = 0.34 About 3.9 8.81 m/18 m2 = 0.49

결 론

본 연구에서는 실내시험과 현장시험을 통해 기존 상향식 다단 압력 그라우팅 방법과 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 주입 특성을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

(1) 1.5 m × 1.5 m × 1.5 m의 모형 토조를 이용하여 지반 내 구근체의 크기를 비교한 결과 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 하향식 다단압력 그라우팅 방법을 사용했을 때 그라우팅 구근체 부피가 커지는 것으로 확인 되었으며, 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 평균 24% 증가하는 것으로 측정되었다. 구근체의 형태는 상향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우는 하부 및 중앙부의 크기가 크고, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 경우는 상부, 중앙부가 큰 것으로 확인 되었다.

(2) 실제 현장에서 할렬주입 시험을 실시하였으며 굴착면에서 주입범위와 밀집도를 측정 하였다. 현장 시험 결과 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 하향식 다단 압력 그라우팅 방법일 때 주입범위는 약 39%, 밀집도는 약 44% 높은 것으로 나타났다.

(3) 실내시험 결과 구근체 평균 부피는 상향식 다단 압력 그라우팅 방법이 0.26 m3, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법이 0.32 m3로 나타났으며 현장시험 결과 상향식 다단 압력 그라우팅 방법의 주입범위는 약 2.8 m2, 주입 밀집도는 0.34, 하향식 다단 압력 그라우팅 방법의 주입범위는 약 3.9 m2, 주입 밀집도는 0.49로 나타나 하향식 다단 압력 그라우팅 방법이 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 구근체 부피, 주입범위 및 주입 밀집도 모두 높게 나타나는 것으로 확인되었다.

(4) 본 연구결과 하향식 다단 압력 그라우팅 방법을 사용할 경우 상향식 다단 압력 그라우팅 방법에 비해 그라우팅 구근체의 부피가 크고, 동일한 면적에서 주입범위가 넓으며 주입 밀집도도 높아지는 것으로 나타났다. 이는 구속력이 없는 지표면(자유면)부 가까운 곳 부터 그라우팅이 되므로 먼저 주입된 그라우트체가 보강판의 역할을 하여 다단 압력 주입된 후속 그라우트재가 지중에 효과적으로 주입 되며, 적층효과에 의해 주입재가 먼저 형성된 그라우트 구근체 주변으로 폭 넓게 주입되는 효과 때문인 것으로 판단된다.

(5) 본 연구결과는 토사층 및 풍화대층에서 실시한 결과이므로 다양한 지반상태에서 실험 및 분석을 통한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

References

1 

Donard, A.B., Mike, T., Allen, C., Paul, W., 1997, Drilled and grouted micropiles: state of practice review, FHWA-RD-96-016, 1-13~1-46.

2 

Glossop, R., 1960, The invention and development of injection processes Part I: 1902-1850, Géotechnique, 10(3), 91-100.

10.1680/geot.1960.10.3.91
3 

Jang, S.J., 2001, Estimate of effective diameter and laboratory model tests of soil nails by pressure-injected grout, Master's Coarse, Hongik University, 42-43.

4 

Karol, R.H., Swift, A.M., 1961, Symposium on grouting: Grouting in flowing water and stratified deposits, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 87(2), 125-148.

5 

Karvetz, G.A., 1958, Cement and clay grouting of foundations: The use of clay in pressure grouting, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 84(1), 1-30.

6 

Kim, N.S., 2015, A study on effect determination influence range in ground accordance with grout shape, Master's Thesis, Sangji University, 83-85.

7 

Kleyner, I., Krizek, R.J., 1995, Mathematical model for bore-injected cement grout installations, Journal of Geotechnical Engineering, 121(11), 782-788.

10.1061/(ASCE)0733-9410(1995)121:11(782)
8 

Ministry of Agriculture and Forestry, 2006, Agricultural production base maintenance work planning design criteria, 35-37.

9 

Shimada, G., Takeshi, S., Taku, M., 1991, Quality: Chemical injection method of advanced technology, National Document of Science and Technology, 129-181.

10 

Tsuboi, N., 1978, Practical application of chemical injection method, 152-161.

페이지 상단으로 이동하기