Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. December 2019. 115-127
https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.4.115


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 저유동성 모르타르 주입공법

  •   2.1 저유동성 모르타르 주입공법의 원리

  •   2.2 저유동성 모르타르 주입 시공방법

  • 3. 밀도검층 및 음파검층

  •   3.1 밀도검층

  •   3.2 음파검층

  • 4. 현장시공

  •   4.1 경상북도 구룡포항(Case-1) 현장 시공조건

  •   4.2 충청남도 대산항(Case-1) 현장 시공조건

  • 5. 시험결과

  •   5.1 경상북도 구룡포항(Case-1)

  •   5.2 충청남도 대산항(Case-2)

  • 6. 결 론

1. 서 론

최근 경주, 포항에서 발생한 지진으로 인하여 내진 및 액상화방지에 대한 관심이 증대되고 있다. 신설 구조물의 경우 내진설계가 적용되고 있으나 내진설계가 고려되지 않은 구조물의 경우 가장 경제적이고 합리적으로 지진에 대비하는 방법은 내진보강이다.

차수 및 지반 보강에 주로 사용되는 그라우팅공법은 지반 내에 주입관을 삽입하고 주입재를 지중에 압송 충진시켜 지반을 고결하는 공법으로 지반의 불투수화, 지반강도 증대 등을 목적으로 사용되는 공법이다. 과거 그라우팅공법은 단기간의 임시적 대책이나 보조공법 수단으로 적용 및 계획되는 경우가 많았다. 최근에는 지반의 강화와 구조물의 보수 및 주변 시설물로부터의 보호기능, 댐 체의 누수방지, 터널보강, 사면보강 등 그 용도가 날로 증가하고 있다(Karol, 1990; Lee, 2010). 그러나 국내의 경우 이러한 그라우팅의 효과 및 효율성, 적정성 등에 대한 분석이 이루어지지 않아 신뢰도 높은 계획이나 이론적 접근이 어려운 상황이다(Lee, 2015).

지진에 대한 가장 경제적이고 합리적인 대비는 신설 시설물에 대한 내진설계와 기존 시설물에 대한 내진보강이다. 신설 시설물은 시설물별로 제정된 내진설계기준에 따라 설계함으로써 쉽게 내진성능을 확보할 수 있다. 내진설계가 수행되지 않은 기존시설물의 경우도 신설시설물의 내진성능과 동등한 수준의 내진 성능을 확보할 필요가 있다. 기존시설물에 대해서 합리적으로 내진성능을 확보하기 위해서는 우선 내진성능을 평가하고 내진성능이 부족한 경우에 한하여 소요내진성능을 확보하는 보강작업을 수행하여야 한다.

최근 몇 년 사이에 규모가 큰 지진이 자주 발생 하면서 지진에 대한 경각심이 증가하고 있다. 이에 맞추어 국내에서도 내진설계 의무화 및 기준 강화 등에 대책을 내놓았지만, 내진설계가 고려되지 않은 노후화된 구조물의 경우는 여전히 지진에 취약 할 수밖에 없다. 따라서 지반 자체를 보강하는 그라우팅 공법을 활용하여 기존 구조물의 내진 보강 공법 등이 현재 이뤄지고 있다. 하지만 그라우팅 공법을 위해 사용되는 고결재인 시멘트는 토양의 산성 염기성화 및 중금속 오염 등의 환경적 문제를 내포하고 있는 실정이다. 시멘트그라우팅공법은 현재 연약지반보강공법으로 많이 사용되는 대표적인 공법이다. 하지만, 시멘트의 환경 유해성을 고려해 많은 대체재에 대한 연구가 이뤄지고 있으나, 아직까지 큰 성과를 이루지 못하고 있는 실정이다. 국내 주요항만에서 주로 저유동성 모르타르 주입공법으로 내진보강을 수행하고 있다.

본 연구에서는 저유동성 모르타르 주입공법으로 보강된 경상북도 구룡포항, 충청남도 대산항의 그라우팅 효과를 확인하기 위하여 주입 전・후 지반의 물성변화(음파검층 및 밀도검층)를 측정하여 그라우팅 효과를 파악하고자 한다.

2. 저유동성 모르타르 주입공법

2.1 저유동성 모르타르 주입공법의 원리

본 연구대상 공법인 저유동성 모르타르 주입공법은 이론적 방법보다는 주로 경험적인 방법에 의하여 발전되어 왔으나, 수십 년 동안의 발전을 거치는 동안 많은 실험적인 고찰뿐만 아니라 이론적인 접근도 이루어지고 있다.

미국 토목학회 그라우팅 위원회(ASCE/GI, 2010)에서 발표한 저유동성 모르타르 주입공법의 정의에 의하면 주입재는 슬럼프 값이 2inch(50mm) 이하의 저 유동성 모르타르로서 소성 확보를 위해 실트질 크기의 세립토와 내부마찰력 증대를 위한 모래질 크기의 조립토로 구성된다. 저유동성 모르타르 주입공법은 저 유동성의 모르타르형 주입재를 지중에 압입하여 원기둥 형태의 균질한 고결체를 형성시켜 주변 지반을 압축 강화시키는 지반개량공법으로써, 기존의 3가지 주입방식 즉, 시멘트계의 맥상고결, 약액의 침투고결, Jet Grouting의 배출치환 등과는 전혀 다른 비배출 치환이라는 독특한 기법의 주입공법이다. Fig. 1에 저유동성 모르타르 주입 공법의 원리를 나타내었다.

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Fig. 1.

Low slump mortar grouting method

저유동성 모르타르 주입공법은 인접지역에 대한 소음이나 진동 등 피해가 없으므로 높은 적용성을 가지며, 시공성 측면에서도 개량범위와 고결체의 형상을 자유롭게 형성할 수 있고 좁은 장소에서도 시공이 가능한 점 등 매우 우수한 효과를 가지고 있다. 또한 시멘트 모르타르(시멘트+세립토+조골재+물)가 주재료이므로 일종의 무근콘크리트로서 30∼200kg/cm2 이상의 압축강도를 가지고 있으므로 미국, 일본 등 선진외국에서와 같이 기성 콘크리트 파일과 같은 기능의 구조물 기초파일로 사용할 수도 있으며 건물의 침하방지로도 사용되었다(Engineering News Record, 1977; Stilley, 1982; Byle, 1992; Lamb and Hourihan, 1995; Akiyama et al., 1996; Wong et al., 1996; Kling et al., 2003). 주입과정 중 전달되는 주입압력은 지반의 최대주응력과 최소주응력 상태를 복잡하게 변화시키며 주입관의 선단 부분에서 최대가 되고 멀어지면 감소한다. Brown and Waner(1973)는 주입 그라우팅과 주변 지반에 뚜렷한 경계면이 있다고 가정하였으며, 실제 지반에서 주입은 불규칙하게 일어나지만 균등한 지반에서는 구형 또는 원주형으로 일어나게 된다고 하였다. 또한, 주입재에 의한 팽창은 흙과 그라우팅 경계면의 방사방향 및 접선방향의 응력을 증가시켜 종국에는 전단파괴, 소성변형 등을 일으키게 된다고 하였다.

개량대상 지반에 대한 적용성 측면에서 보면 액상화 가능성을 가진 토질에서의 활용에도 기대할 수 있으며, 해성점토 지반에서 저유동성 모르타르 주입공법을 적용하는 경우에는 원지반 흙의 종류와는 관계없이 시멘트 모르타르 만으로 구체를 형성이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 해수 또는 원지반 속의 염분 등의 영향을 거의 받지 않으므로 원지반 토사에 시멘트밀크를 주입하는 고압분사공법과 비교할 때 해성점토 지반에 함유된 유기물 또는 염분에 의한 강도열화 및 침식의 영향을 거의 받지 않는 매우 유리한 장점을 가지고 있다.

최근 저유동성 모르타르 주입 공법은 사질계 지반의 내진 및 액상화 보강목적으로 항만계류 시설물인 물양장, 안벽구조물, 호안구조물에 많이 적용되어지고 있다. 또한 사석층・자갈층 차수목적인 공극 충전보강과 기울어진 피해를 입은 건물의 기초 지반층을 필요한 만큼 자유자재로 들어 올려 기초를 보강하는 언더피닝 공법으로도 널리 사용하고 있다.

2.2 저유동성 모르타르 주입 시공방법

본 시험시공에서는 관리부두 안벽 전면 기초사석부에 저유동성 몰탈 주입을 수행하였다. 천공장비는 현장여건을 고려하여 사석층 천공이 가능한 로터리 천공기를 사용하며, Ø73mm 천공 작업 시 수직도 유지를 위해 수직도를 측정할 수 있는 장치(수직・수평계)를 설치하였다. 주입재료는 한국산업표준(KS)규격품 이상인 시멘트(KS L 5210 / KS L 5210), 골재, 세립토, 물로 구성되며, 배합비는 Table 1과 같다.

Table 1. Mixing ratio

Cement (kg) Granite soil (m3) Crushed Stone
280 0.5 0.5

주입전 계량체크를 실시하여 주입펌핑 횟수를 결정하며, 각 현장의 사석층 주입량은 공극(충전)률 30%, 손실율 10%를 적용하여 시공하였다. Fig. 2는 구룡포항 현장의 천공 및 주입전경을 나타낸 것이다.

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Fig. 2.

Field test foreground

3. 밀도검층 및 음파검층

구조물 안정성 및 내진성능 향상을 위하여 경상북도 구룡포항, 충청남도 대산항에 저유동성 모르타르 주입공법으로 시공하였다. 각 현장의 매립층에서 그라우팅 주입 전・후 지반의 물성변화를 측정하기 위하여 음파검층과 밀도검층을 수행하였다. 매립층의 압축파와 전단파 그리고 방사능계수율 값을 측정하여 지반의 동적물성치를 산정하고, 그라우팅 전・후의 물성변화를 비교분석함으로써 그라우팅 효과 검증을 위한 자료로 활용하였다.

3.1 밀도검층

밀도검층(Density Log, Gamma-Gamma Log)은 Sonde 하부에 감마선원을 장착하고 시추공 바닥까지 내린 후 천천히 올리면서 감마선원에서 지층으로 방사된 감마선의 산란 및 감쇠상황을 검출기로 측정하여 밀도를 측정하는 방법이다. 방사선원에서 방출된 감마선은 시추공 주변에 지반을 구성하는 물질의 전자와 충돌하여 컴프톤(Compton) 산란을 일으키면서 감마선의 에너지가 감소한다. 즉, 경암과 같은 지반을 구성하는 물질의 전자의 수가 많은 경우에는 산란에 의한 에너지 손실이 커지고 따라서 검출기의 센서에 도달하는 감마선의 수가 줄어든다. 이와 같이 밀도검층에서는 지반 구성물질의 전자의 밀도를 측정하며 측정된 전자밀도로부터 체적밀도를 구한다. Fig. 3은 밀도검층 개요도를 나타내었다.

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Fig. 3.

Schematic diagram of density log

밀도검층기 조사범위는 많은 요인에 영향을 받는다. 감마선이 통과하는 매질의 밀도를 비롯하여 케이싱, 시멘트나 이수의 밀도는 감마선이 소멸되지 않고 이동할 수 있는 거리에 영향을 미친다. 일정 범위 내에서는 선원과 검출기의 간격을 넓게 할수록 조사범위도 넓어지며, 이것이 바로 방사능 검층기에서 간격이 다른 두 개의 검출기를 사용하는 기본원리이다. 컴프턴 효과(Compton Effect)란 γ선이 원자중의 전자와 충돌해서 에너지의 일부를 잃어버리고 진로가 변화는 현상을 말한다. 컴프턴 효과는 γ선과 물질중의 전자와의 상호작용 때문에 이에 따른 선 흡수계수는 전자의 컴프톤 단면적과 단위체적당 전자수와의 곱으로서 다음과 같이 나타낸다.

$$\mu=\frac{\sigma_e\;\bullet\;N_0\;\bullet\;\rho\;\bullet\;Z\;}A$$ (1)

여기서, µ : 선 흡수계수

σe : 컴프턴산란 단면적

N0 : Avogadro’s number

A : 원자량

Z : 원자번호

위 식과 같이 선 흡수계수가 물질의 겉보기밀도에 비례하는 것을 알 수 있다. 감마선은 방사선의 일종으로 물질에 방사되면 상호 작용(컴프턴 산란이나 광전효과 등)을 일으켜 에너지가 감쇠한다. 컴프턴 산란 현상은 물질의 밀도에 비례한다고 알려져 있고, 이러한 현상을 이용하여 지반의 밀도를 구하는 것이 밀도검층이다. 즉, 손데(sonde)에 장착된 방사성 동위원소를 이용하여 시추공 주변 공벽으로 방출된 감마선이 지반에 의해 산란 및 감쇠하면서 검출기에 들어오며, 이때 산란된 감마선의 세기(계수율: 초당 횟수, Unit: Count Per Second)를 연속적으로 측정하고 측정된 계수율은 밀도검출기 교정 과정을 이용하여 작성된 교정곡선을 통해 지층밀도로 환산된다. 교정곡선은 시추공 직경의 변화 또는 케이싱의 유무에 따라 달라지기 때문에 다양한 시추공 환경에 따라 작성되며 밀도의 환산은 시추공 환경에 적합한 교정곡선을 이용한다.

밀도검층은 체적밀도를 결정하는 것이 주 사용목적이며 이는 검층장비에서 보내진 감마선이 지층 내에 흡수되지 않고 흐르는 양을 측정하여 공극률을 계산한다. 다음 방정식은 체적 밀도 log로부터 공극률을 계산하는데 사용된다.

$$porosity=\frac{grain\;density-bulk\;density}{grain\;density-fluid\;density}$$ (2)

방사능 소스의 강도 변화 특성을 구하는 가장 쉬운 방법은 방사능 감쇠 방정식을 이용하는 방법으로 다음의 식으로 주어진 감쇠 방정식을 사용하여 소스 변화를 구하고 이 소스의 변화가 검출기 반응을 결정한다고 가정하는 것으로 이론값이 실제에 어느 정도 접근 하는지를 확인할 필요가 있다.

$$API_t=API_0\;\exp^{-t\frac{\ln2}{T_1/2}}$$ (3)

여기서, t : 반감기 붕괴시간

APIt : t시간후의 API값

APIo : 초기 API값

T1/2 : 방사능 자연 반감기

강원대학교 교내에 설치된 모형시험공을 이용하여 검출기 거리조합, 지층과 이수의 밀도 차, 이격량 등에 따른 기준선과 이격선의 변화 경향을 추적하기 위한 기초자료를 획득하였다.

검출기 보정공은 고밀도 모델(high density model), 중밀도 모델(medium density model), 저밀도 모델(low density model)의 세 가지 밀도로 만들어진 시험체이며, 각 시험체에서의 감마반응은 자연감마보정까지 수행된 결과이며 밀도를 상용 스케일로 하고 검출기 반응을 대수 스케일로 잡아 플롯할 때 선형 관계의 밀도-검출기 반응식을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 다음 보정식을 적용하여 밀도값을 산정하였다.

$$Y=-0.90308\log X+4.52482$$ (4)

밀도검층의 탐사반경은 방사선 선원과 감마선 검출기와의 거리, 지층의 밀도 등에 따라 변하지만 일반적으로 시추공에서 약 15∼30cm 정도이며, 모형 시추공을 이용한 직접 보정의 결과는 완벽한 선형 관계의 밀도-검출기 반응식을 얻을 수 있고, 암반의 정확한 밀도 분포를 구할 수 있음은 물론이고 연암 및 풍화암, 그리고 토사 구간에서의 밀도 분포까지 정확하게 구할 수 있다.

3.2 음파검층

파동의 진행방향에 대해 입자가 평행하게 전후운동을 하는 P파는 종파라고도 불리며, 파의 진행방향에 대하여 입자의 운동이 수직인 파를 횡파라고 한다.

음파검층은 시추공 내에 음파 발생장치와 수신장치로 구성된 검출기를 이용하여 시추공 주변의 구성 암반의 P파와 S파 속도의 수직적 분포를 파악하는 검층 방법이다. 음파검층 방법은 음원에서 생성된 음파가 시추공벽을 구성하고 있는 암반에서 임계 굴절되어 공벽을 따라 전파되면서 각 수신기에 도달되는 음파의 파형을 일정한 간격으로 기록한다. 완전파형 음파검층은 수신기에 도달하는 전체의 파형을 연속적으로 측정하여 P파와 S파의 정보를 제공하는 검층으로, 밀도검층과 함께 시추공의 원위치 동탄성계수 등을 산출하는 방법이다. 동체적탄성률과 동전단계수는 항상 0보다 큰 값을 가지며, 포아송비는 0.5보다 작으므로 P파의 속도가 S파의 속도보다 빠르다는 것을 알 수 있고, S파 속도로부터 동전단계수(Gd), 동탄성계수(Ed)는 다음식과 같이 나타낼 수 있다.

$$G_d=\rho V_S^2$$ (5)
$$E_d=2\rho V_S^2(1+\nu_d)$$ (6)

음파검층기는 음파발생 장치와 2개 이상의 수신장치로 구성되어 있으며, 송신기에서 발생된 음파는 이수와 이벽을 통하여 지층속으로 전파되어 공벽과 나란히 진행하다가 다시 이벽과 이수를 통해 나와 수진기에 도달하게 된다. 지층을 전파하는 음파의 속도 또는 주행시간은 음파가 일정한 간격의 다중채널 수진기에 도달하는 시간의 차(Δt) 및 STC(Slowness-Time Coherence) 기법을 이용하여 계산된다. Fig. 4는 음파검층 개요도를 나타낸 것이다.

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Fig. 4.

Schematic diagram of sonic log

본 연구에 사용된 검층기는 전기적인 신호를 음파 신호로 바꿔주는 자기장 수축 트랜스듀서(magnetostrictive transducer)를 사용한다. 음파를 송신하는 검층봉에는 송신 음파의 가장 빠른 경로가 시추공 유체와 인접한 암석을 통해 이루어지도록 검층봉 내에 저속도 물질이 들어있다. 검층봉은 Centralizer의 도움을 받아 시추공 중앙에 위치하기 때문에, 어느 방향이든 암석으로의 전파경로 길이는 같게 된다. 암석을 통하여 이동하는 에너지의 일부는 시추공으로 되돌아가서 압전트란스듀서(piezoelectric transducer)로 구성된 수신기에 기록된다. 수신기에서는 음파에너지를 다시 전기적인 신호로 변환하여 케이블을 통해 지상으로 송신한다. 지상에서는 완전파형음파검층의 형태로 전체 신호가 기록된다. 발진기는 초당 10회 이상의 펄스를 발생시키고, 발생되는 음파에너지의 주파수는 1∼30kHz의 범위를 갖는다. Fig. 3의 모식도에서와 같이 음원 발생 장치와 세 개의 수진장치로 구성되어 있으며, 표준형 발진기와 수진기를 포함하는 프로브를 시추공 내의 탐사 구간내에서 이동하며 연속적으로 세 수진기에서 데이터를 수진하여 음파속도를 계산한다.

진원에서 발생된 파는 지반을 통해 전파하게 되며 이 파는 진원의 상부에 있는 3개의 수진부에 도달하게 된다. 수진기는 수직으로 움직이는 파(P파)와, 수평으로 움직이는 파(S파)를 수진하는 센서는 물의 비중과 거의 같은 유체로 채워진 수진기 내에 설치되어 있다. 본 검층법은 기존의 다운홀 방법과는 달리 수진기를 공벽에 밀착시키지 않는 비압착식으로 P파 및 S파를 수진할 수 있는 방법이며, 세 수진부에 도달하는 파의 시간차이 또는 STC(Slowness-Time Coherence)기법을 적용하여 파가 전파하는 구간의 P파 및 S파의 속도를 구하게 된다.

검층 속도는 샘플링 수와 스택 수를 적용한 패킷타임과 측정 간격을 고려한 1.2∼1.5m/min의 속도로 수행하게 되며, 음파검층 자료 획득에 사용된 S/W는 MSlog이며 자료 처리에는 WellCAD FWS Module이 사용된다. 음파검층의 자료획득은 10cm 마다 하나의 샘플을 획득하였고 샘플링 간격을 4µs로 하여 총 1024개의 샘플, 즉 4096µs의 시간동안의 자료를 획득하였다.

4. 현장시공

4.1 경상북도 구룡포항(Case-1) 현장 시공조건

저유동성 그라우팅 공법이 적용된 현장은 경상북도 구룡포항 현장으로, 내진성능 향상방안으로 공법별 장・단점, 시공사례, 현장적용성 등을 면밀히 검토하여 안벽전면 기초사석에 충전하는 그라우팅 공법을 선정하였다. 구룡포항 부지는 상대적으로 다른 층에 비하여 상부 연약지반의 두께가 두꺼운 것으로 조사되었으며, 그 두께가 위치에 따라 불규칙하다는 특징을 가지고 있다. 저유동성 그라우팅 공법이 적용된 구룡포항 부지의 시추조사 결과가 Table 2에 나타나 있으며, 지층구성 상태는 Fig. 5와 같이 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암으로 구성되어 있다. 매립층과 퇴적층의 경우 대부분 세・중립질 모래로 이루어져 있으며, 5/30의 작은 N값부터 50/20의 큰 N값까지 느슨한 모래에서 매우 조밀한 모래로 다양하게 분포하고 있다.

Table 2. Site investigation results

Soil layer Depth (m) Soil type N value (blows/cm)
Landfill 5.5∼12.5 Gravel sand, Fine and
assembled sand, Riprap
5/30∼26/30
Sedimentation Clay 6.0 Sandy Silt 4/30∼6/30
Sand 1.0∼20.8 Clay sand, Fine and
assembled sand,
Sand mixed gravel
5/30∼50/20
Weathered soil 1.2 Silt sand 46/30
Weathered rock 1.0∼1.5 Silt-sand decomposition 50/8∼50/5
Soft rock 1.0m 이상 Soft rock -

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Fig. 5.

Layers section

현장시공은 구룡포항 안벽구간의 기초사석 및 지반의 지지력 향상을 위하여 구조물 전면부 기초사석과 그 하부 기초지반에 내진보강공사를 수행하였다. Fig. 6과 같이 예비검토를 토대로 목표 형성 구근크기는 1.8m로 설계되었고, 저유동성 그라우팅은 1.6m 간격으로 시공되었다.

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Fig. 6.

Reinforcement overview

4.2 충청남도 대산항(Case-1) 현장 시공조건

대산항은 구룡포항과 같이 내진성능 향상방안으로 저유동성 그라우팅 공법을 선정하였으며, 안벽전면 기초사석부에 그라우팅을 보강하였다. 대산항 부지 지층구성 상태는 Fig. 7과 같이 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암으로 구성되어 있으며, 매립층과 퇴적층의 경우 7/30∼22/30 범위로 대부분 자갈・전석 및 실트질 모래로 이루어져 있다. 시추조사 결과는 Table 3에 나타나 있다.

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Fig. 7.

Layers section

Table 3. Site investigation results

Soil layer Depth (m) Soil type N value (blows/cm)
Landfill 0.0∼15.0 Silty sand 7/30~50/2
Sedimentation Silt 15.0∼16.0 Clay silt 6/30
Clay 16.0~22.0 Silty clay 5/30~7/30
Sand 22.0∼38.4 Silty sand 6/30~22/30
Weathered soil 38.4∼39.5 Silty sand 50/20
Weathered rock 39.5~43.0 Weathering zone 50/8~50/2
Soft rock 43.0~44.0 schist (50/0)

현장시공은 대산항 안벽구간의 기초사석 및 지반의 지지력 향상을 위하여 구조물 전면부 기초사석과 그 하부 기초지반에 내진보강공사를 수행하였다. Fig. 8과 같이 예비검토를 토대로 목표 형성 구근크기는 1.0m로 설계되었고, 저유동성 그라우팅은 0.8m 간격으로 시공되었다.

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Fig. 8.

Reinforcement overview

5. 시험결과

5.1 경상북도 구룡포항(Case-1)

본 연구는 내진성능 보강을 위하여 경상북도 구룡포항에 저유동성 몰탈 주입공법을 시공을 하였다. 내진성능 보강공법은 항만의 고유 기능인 선박의 출입, 사람의 승・하선, 화물의 하역・보관 및 처리, 해양친수활동 등을 유지할 수 있도록 하면서 내진성능을 확보할 수 있는 공법을 검토하여 선정하였다.

그라우팅 수행 전・후 매립층에 대하여 시추공을 굴진하고 밀도검층을 실시하여 심도별 계수율을 측정하고 깊이에 따른 밀도값을 산정하여 Fig. 9, 10 및 Table 4에 결과를 나타내었다.

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Fig. 9.

Density of depth (case-1)

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Fig. 10.

Counting rate by depth (case-1, CPS)

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Fig. 11.

Layers section

Table 4. Test result of density logs (case-1)

Depth (m) Layer Density (g/cm3)
Before After
9.0∼12.0 Landfill (riprap) 1.827 2.171
12.0∼14.0 In-situ (sand) 1.782 1.832

그라우팅 전・후 밀도검층 비교 결과, 그라우팅 수행 전 사석 매립층의 평균 밀도는 1.827 g/cm3인 반면, 그라우팅 후 평균 밀도는 2.171 g/cm3로 평균 0.334 g/cm3의 밀도가 증가하였다. 모래층의 경우 1.782 g/cm3에서 1.832 g/cm3로 증가하였다. 사석층에서 밀도의 증가가 뚜렷하게 나타나는 이유는 주입재가 매립층 사석 사이의 빈 공간 또는 충진 토사, 암석 균열 틈에 충진(채움)되어 단위중량을 증가시켰기 때문인 것으로 판단된다.

그라우팅 수행 전 사석 매립층의 평균 압축파 속도(Vp)는 1,913m/s인 반면, 그라우팅 후 평균 압축파 속도는 2,011m/s로 평균 98m/s의 속도가 증가하였다. 그라우팅 전, 후 평균 전단파 속도(Vs)는 498m/s 및 563m/s로 측정되었으며, 평균 65m/s의 속도 증가가 발생하였다. 압축파 속도는 약 5.1%, 전단파 속도는 약 13.0% 증가한 것으로 나타났다. 동전단계수(Gd)는 평균 464MPa에서 702MPa로 동탄성계수(Ed)는 평균 1,364MPa에서 2,046MPa로 증가하였다. 그라우팅 전, 후를 비교할 때, 탄성계수 값은 증가되어 나타났으며, 이는 지반 속도의 소폭 상승과 밀도 값의 뚜렷한 증가에 의한 영향이라고 판단된다. Fig. 10은 긴거리검출기(Long Spaced Detector; 이하 LSD)의 심도별 계수율 그래프를 측정하였고, 음파검층 결과는 Tables 5, 6에 나타내었다.

Table 5. Test result of sonic logs (case-1)

Depth (m) Layer Vp (m/s) Vs (m/s)
Before After Before After
9.0 Landfill
(riprap)
1,945 2,071 515 587
9.5 1,957 2,040 440 542
10.0 1,924 2,026 512 582
10.5 1,965 2,034 506 563
11.0 1,895 2,013 517 572
11.5 1,878 1,960 501 551
12.0 1,824 1,930 496 543
12.5 In-situ
(sand)
1,759 1,862 484 513
13.0 1,623 1,649 473 491

Table 6. Calculation result of dynamic elastic modulus (case-1)

Depth (m) Layer Before After
Gd (MPa) Ed (MPa) νd Gd (MPa) Ed (MPa) νd
9.0 Landfill (riprap) 495 1,448 0.462 763 2,222 0.456
9.5 362 1,065 0.473 650 1,902 0.462
10.0 490 1,431 0.462 750 2,183 0.455
10.5 478 1,400 0.464 702 2,047 0.459
11.0 499 1,457 0.460 724 2,110 0.456
11.5 469 1,370 0.462 672 1,959 0.457
12.0 459 1,342 0.460 653 1,903 0.457

시험시공 28일 후 개량체(Ø1,800mm) 확인을 위하여 Double Tube로 연속시료를 채취하여 개량체의 형상과 코어회수율을 확인하고 일축압축강도를 실시하여 설계기준강도 만족여부를 확인하였다. 채취된 시료는 공인시험기관에 의뢰하여 압축강도 및 코어회수율을 확인하였다. 구룡포항 현장의 코어 압축강도시험결과 6개소 총 18회의 평균값은 20.04MPa로 재령 28일강도 4.8MPa 이상으로 기준값을 확보하였다. 확인조사에서 채취한 코어로부터 회수율을 측정하여 개량체의 심도별 연속성을 확인한 결과 공별 6개소 총 18회의 평균 회수율이 89.76%로 회수율이 70%이상인 것으로 확인되었다. Tables 7, 8 결과를 통하여 유추해 보면 개량체의 확산 및 강도시험 결과가 설계기준을 만족시켜 내진성능보강을 달성한 것으로 판단된다.

Table 7. Uniaxial Compressive Strength Result

Division A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Uniaxial compressive
strength (MPa)
15.32 16.09 22.24 23.24 21.59 22.84 16.57 18.79 17.16 20.80 19.93 21.37
Average (MPa) 17.88 22.56 17.51 20.70

Table 8. Core recovery result

Division A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Recovery rate (%) 88.00 88.00 96.00 90.00 84.00 86.00 86.00 88.00 88.00 92.00 90.00 84.00
Average (%) 90.67 86.67 87.33 88.67

5.2 충청남도 대산항(Case-2)

본 연구는 편심경사하중에 대한 지지력 확보를 위하여 충청남도 대산항에 저유동성 몰탈 주입공법 시공을 하였다. 안벽 전면 기초사석 보강으로 슬럼프치가 100mm이하로 개량체 강도가 크고 시공중 부유사와 슬라임 발생이 없으며, 소규모 천공장비로 작업대를 이용한 육상공사가 가능하여 시공효율 및 경제성이 우수한 저유동성 몰탈 주입공법을 선정하였다.

그라우팅 전・후 밀도검층 비교 결과, 그라우팅 수행 전 사석 매립층의 평균 밀도는 1.771g/cm3인 반면, 그라우팅 후 평균 밀도는 2.094g/cm3로 평균 0.323g/cm3의 밀도가 증가하였다. 모래층의 경우 1.662g/cm3에서 1.952g/cm3로 증가하였다. 이는 밀도검층이 컴프턴 산란에 의한 전자밀도에 직접적으로 반응하는 검층이므로 공극 및 파쇄대에 대해 주입재의 충진효과가 크게 반영된 것으로 사료된다. Figs. 12, 13, Table 9는 밀도검층 결과를 나타낸 것이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180411/images/kgss_18_04_11_F12.jpg
Fig. 12.

Density of depth (case-2)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180411/images/kgss_18_04_11_F13.jpg
Fig. 13.

Counting rate by depth (case-2, CPS)

Table 9. Test result of density logs (case-2)

Depth (m) Layer Density (g/cm3)
Before After
16.5∼18.0 Landfill (riprap) 2.387 2.548
18.0∼23.5 1.771 2.094

그라우팅 수행 전 사석 매립층의 평균 압축파 속도(Vp)는 2,155m/s인 반면, 그라우팅 후 평균 압축파 속도는 2,236m/s로 평균 81m/s의 속도가 증가하였다. 그라우팅 전, 후 평균 전단파 속도(Vs)는 931m/s 및 1,005m/s로 측정되었으며, 평균 74m/s의 속도 증가가 발생하였다. 동전단계수(Gd)는 평균 1,587MPa에서 2,163MPa로 동탄성계수(Ed)는 평균 4,386MPa에서 5,939MPa로 증가하였다. 그라우팅 전, 후를 비교할 때, 탄성계수 값은 증가되어 나타났으며, 이는 지반 속도의 소폭 상승과 밀도 값의 뚜렷한 증가에 의한 영향이라고 판단된다. Fig. 12는 긴거리검출기(Long Spaced Detector; 이하 LSD)의 심도별 계수율 그래프를 측정하였고, 음파검층 결과는 Tables 10, 11에 나타내었다.

Table 10. Test result of sonic logs (case-2)

Depth (m) Layer Vp (m/s) Vs (m/s)
Before After Before After
18.0 Landfill
(riprap)
1,822 2,193 782 967
19.0 2,327 2,376 1,105 1,113
20.0 2,000 2,035 893 924
21.0 2,334 2,336 982 1,011
22.0 2,057 2,187 835 967
23.0 2,334 2,293 992 1,050

Table 11. Calculation result of dynamic elastic modulus (case-2)

Depth (m) Layer Before After
Gd (MPa) Ed (MPa) νd Gd (MPa) Ed (MPa) νd
18.0 Landfill
(riprap)
1,104 3,064 0.387 1,994 5,501 0.379
19.0 2,205 5,974 0.354 2,642 7,183 0.359
20.0 1,440 3,962 0.375 1,821 4,990 0.370
21.0 1,742 4,850 0.392 2,180 6,037 0.385
22.0 1,259 3,529 0.401 1,994 5,498 0.378
23.0 1,777 4,940 0.390 2,351 6,430 0.367

대산항 현장의 코어 압축강도시험결과 4개소 총 12회의 평균값은 14.1MPa로 재령 28일강도 기준값을 확보하였다. 확인조사에서 채취한 코어로부터 회수율을 측정하여 개량체의 심도별 연속성을 확인한 결과 공별 4개소 총 12회의 평균 회수율이 80.77%로 확인되었다. Tables 12, 13 결과 개량체의 확산 및 강도시험 결과가 설계기준을 만족시켜 내진성능보강을 달성한 것으로 판단된다.

Table 12. Uniaxial compressive strength result

Division A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Uniaxial compressive
strength (MPa)
14.3 14.2 13.8 14.6 13.5 14.1 13.2 14.8 15.1 14.6 14.1 13.4
Average (MPa) 14.2 13.9 14.3

Table 13. Core recovery result

Division A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Recovery rate (%) 85.2 83.0 82.3 82.4 82.5 78.7 78.1 77.5 80.8 80.7 78.9 79.3
Average (%) 83.2 79.2 79.9

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180411/images/kgss_18_04_11_F14.jpg
Fig. 14.

Layers section

6. 결 론

본 연구에서는 그라우팅으로 보강된 지반의 시공 전・후 물성변화를 측정하여 그라우팅 효과를 검증하고자 하였다. 이를 위하여 밀도검층 및 음파검층을 수행하였으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 그라우팅 수행 전・후 사석 매립층의 평균 밀도를 비교하면 경상북도 구룡포항은 1.827g/cm3에서 2.171g/cm3로 평균 0.334g/cm3의 밀도가 증가하였다. 충청남도 대산항의 경우 평균 밀도는 1.771g/cm3에서 2.094 g/cm3로 평균 0.323g/cm3의 밀도가 증가하였다.

(2) 그라우팅 수행 전・후 사석 매립층의 평균 압축파 속도(Vp)를 비교하면 경상북도 구룡포항은 1,913m/s에서 2,011m/s로 평균 98m/s의 속도가 증가하였다. 충청남도 대산항은 2,155m/s에서 2,263m/s로 평균 81m/s의 속도가 증가하였다.

(3) 그라우팅 수행 전・후 사석 매립층의 평균 전단파 속도(Vs)를 비교하면 경상북도 구룡포항은 498m/s에서 563m/s로 평균 65m/s의 속도가 증가하였다. 충청남도 대산항은 931m/s에서 1,005m/s로 평균 74m/s의 속도가 증가하였다.

(4) 지반 속도 증가가 상대적으로 작게 측정된 원인으로는 매질의 속도는 매질의 밀도, 강성과 같은 1차적 구조 변화에 의한 차이보다는 균열, 파쇄 등 불연속면의 2차 구조에 의한 영향이 더 크기 때문이다. 따라서, 주입재가 암석의 균열 및 매립 사석의 빈 공간을 충진하여 고결되더라도 암석과 그라우트제의 불연속면은 항상 존재하기 때문에 속도 증가는 둔화되어 측정된 것으로 판단된다.

(5) 그라우팅 전, 후 밀도 및 속도 변화 측정 결과, 두 물성 모두 그라우트제 주입 후 물성이 증가하여 측정되었다. 다만, 그라우팅 후 속도 증가보다 밀도 증가의 변화 폭이 컸으며, 지반 밀도 측정 방법이 주입재의 충진 효과를 측정하는데 효과적인 것으로 사료되며 향후 추가적인 연구를 수행하여 명확한 상관관계를 파악하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

(6)구룡포항, 대산항 시험시공 결과 개량체의 확산 및 강도시험 결과가 설계기준을 만족시켜 내진성능보강을 달성한 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This research was supported by a grant “Development of life-cycle engineering technique and construction method for global competitiveness upgrade of cable bridges (16SCIP-B119960-01)” from Smart Civil Infrastructure Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT) of Korea government and Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA).

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