1. 서 론
2. 컴팩션 그라우팅 공법
2.1 일반적 원리
2.2 컴팩션 그라우팅 공법 특징
3. 자동화 품질관리 시스템
3.1 품질관리 시스템의 개발
3.2 품질관리 시스템 장비의 검증
4. 시험시공 및 품질시험
4.1 시험시공 및 품질시험 계획
4.2 품질시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
지속적인 경제성장과 산업의 발달로 인하여 국토가 협소한 국내 여건상 양질의 지반 확보가 어려워져 각종 구조물이 연약지반에 시공되고 있다. 연약지반에 시공된 구조물의 경우 지반침하에 의한 구조물의 사용성 저하 가능성이 있고 심해질 경우 구조물의 파괴가 일어날 수 있다. 이를 예방하기 위하여 연약지반을 개량하는 다양한 공법들이 개발되었다.
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).
본 연구대상 공법인 컴팩션 그라우팅 공법은 CGS(Compaction Grouting System)공법이라고 불리며 부등침하가 일어난 건물의 복원, 폐광지역의 함몰 및 석회암 동굴 지역에서의 기초보강, 흙댐의 손상된 코어부의 보수 등 연약지반의 개량을 위하여 폭넓게 쓰이고 있으며(Chun and Yeoh, 2003), 협소한 작업 공간에서도 주변 상황에 크게 영향을 받지 않고 시공할 수 있는 특징을 가지고 있다(Chun, 2011).
컴팩션 그라우팅 공법은 1993년에 도입된 이래로 다수의 현장에서 1개의 천공홀에 1공씩 주입하는 펌프와 아날로그 방식으로 품질을 관리하면서 지속적으로 사용되었다. 그러나 여전히 본 공법의 적용에 있어서 대상구간에 수백, 수 천개의 주입공을 시공함에 있어 한 번에 한 공의 주입만 가능한 펌프 사용으로 시공 효율의 한계성을 가졌다. 또한 현장 작업자의 경험이나 주관적 판단에 의존하거나 시험시공을 통하여 그 개량특성을 파악하는 상황이므로 모르타르의 주입 과정에서도 요구되는 적합한 품질을 만족하기 위하여 관리되어야 하는 주입재료, 주입압력, 주입량, 주입 깊이 등의 주요 부분들이 정량화되지 않고 시공자의 판단에 좌우되는 실정이다. 따라서 현장 관리자별로 시공 품질의 편차가 발생하여 일관성 있는 시공품질 확보가 어렵고, 같은 관리자가 관리를 하더라도 각각의 시공에서의 품질 편차가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 1공씩 주입하는 컴팩션 그라우팅 공법의 단점을 보완하고 동시주입을 통한 시공 효율성과 지반개량효과의 증대를 위해 3개의 주입공에 동시에 그라우트를 주입할 수 있는 펌프를 고안하였다. 고안된 펌프를 이용한 다중 동시주입 컴팩션 그라우팅 공법, 일명 TCS (Total Compaction Grouting System) 공법이라 한다. 또한, 시공조건이 바뀌거나 작업자의 교체 등의 변화에도 시공의 신뢰성을 확보하고, 시공 효율성 향상, 공기 단축을 할 수 있도록 펌프통합품질관리 시스템을 개발하였다. 그리고 개발된 통합품질관리 시스템의 성능을 검증하기 위하여 다수의 현장에서 성능평가를 진행하였다.
2. 컴팩션 그라우팅 공법
2.1 일반적 원리
컴팩션 그라우팅 공법은 모르타르를 주입재로 사용하는 비배출 치환원리에 의한 주입공법으로 지중에 모르타르를 압입하여 원기둥 형태의 고결체를 형성함으로 하중을 받는 구조물 하부의 연약질 혹은 느슨한 토질구성을 압축 및 조밀하게 개량하는 공법이다(Chun and Yeoh, 2003; ASCE, 1997; Warner, 1978).
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. 본 공법은 주입재가 주변 지반의 공극 속으로 침투하여 개량하는 방법이 아니라 주입재 자체로 원기둥 형태의 고결체를 형성하여 지중에 방사형으로 압력을 가해 주변 지반을 압밀시키고 토립자 사이의 공극을 감소시켜 지반이 조밀하게 되도록 개량하는 공법이다.
컴팩션 그라우팅 공법은 설계 시 결정한 일정량의 주입재를 주입하는 정량주입 방법과 지반의 조건에 따라 일정한 주입압력을 확인하며 주입재를 주입하는 정압주입 방법이 있다. 정량주입은 일정한 원기둥 형태의 지지말뚝을 형성하는 방법으로서 현장의 토질 특성을 고려하여 적정량의 주입재를 주입시킨다. 주입재를 통하여 주변 연약지반을 밀어내어 공간을 형성하는 동시에 말뚝을 구축하여 지반을 압밀시키고, 압밀된 지반을 견고하게 하여 지반을 개량한다. 정량주입은 주로 연약지반의 개량, 항만의 기초지반에 대한 보강, 제체와 교대의 측방유동을 방지하기 위해 사용된다. 정압주입은 지반의 지내력을 일정하게 확보하는 방법이다. 지중에 무근콘크리트 기둥을 형성하며 주변 연약지반이 복합지반으로 형성되어 지지력과 침하량에 대한 안정성을 확보한다. 정압주입은 주로 부등침하의 보강과 복원, 경사진 구조물의 복원, 지중에 존재하는 공동을 보강하기 위해 사용된다.
주입량이 많을수록 지반개량에 대한 효과는 좋을 수 있으나 명확한 기준 없이 주입량을 늘리는 것은 경제적으로나 시공의 측면에 있어서 효율적인 방법은 아니다. 따라서 현장의 지반조건이나 시공 상황에 따라 적합한 방법을 제안할 필요가 있다.
2.2 컴팩션 그라우팅 공법 특징
컴팩션 그라우팅 공법은 연약지반의 개량을 위한 목적 이외에도 액상화 가능성이 있는 지반에서도 사용이 가능하다. 해성점토로 이루어진 지반에서는 본 공법을 통해 지반의 염분에 의한 강도 감소, 침식 등의 영향을 거의 받지 않고 모르타르만으로 구체를 형성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 천공 시 미니천공기 또는 로터리 천공기를 이용하고, 주입되는 모르타르의 함수비가 낮아 원 지반을 연약화 시키지 않는다(Chun et al., 1997). 최근에는 고압으로 주입하여 주변 지반을 압축시키는 본 공법의 원리를 이용하여 부등침하 등으로 기울어진 건물의 기초부분을 들어 올려 보강하는 언더피닝 공법으로도 사용한다(Warner, 1978).
이 외에도 지중에 주입된 저유동성 모르타르 자체로 균일한 강도의 원기둥을 형성하여 말뚝으로도 사용할 수 있으며, 현장의 요구에 따라 고결체의 강도를 30∼150kgf/cm2로 조절이 가능하다. 또한 유동성이 적은 주입재를 사용하여 계획한 위치에서 주입재가 이탈하는 현상을 방지할 수 있다. 본 공법은 상대적으로 진동과 소음이 적어 시가지나 주택지에서도 작업이 가능하다. 기존 구조물의 주변 혹은 지하 등 좁은 공간에서도 특별한 조치 없이 시공 가능하다는 장점이 있다. 모르타르와 같은 시멘트계 주입재는 공해문제가 거의 없고, 비배출 치환 주입방법이므로 배출되는 슬라임에 대한 처리비용이 없어 경제적이고 친환경적이다.
3. 자동화 품질관리 시스템
3.1 품질관리 시스템의 개발
3.1.1 자동 배합 시스템
지금까지는 컴팩션 그라우팅 공법을 시공 시 건설 장비를 통한 투입 횟수로 주입량을 계산하였다. 예를 들면, 굴삭기로 주입재를 1회 채취할 때의 재료의 중량을 정하고 채취 횟수를 곱하여 총 중량을 계산하는 방식이었다. 그러나 이러한 방법은 정밀한 중량 측정이 불가능하고 채취량을 육안을 통해 판단하여 현장 작업자의 주관적 판단이 개입될 수 있어 일관된 품질관리가 어렵다. Ahn(2018)에 의하면 자동화 그라우팅 장비의 적용으로 모든 데이터가 영구히 기록 및 보전을 할 수 있어 측적된 데이터에 대한 정밀한 분석을 통해 그라우팅 품질관리를 향상할 수 있으며 자동화 그라우팅 장비 사용 의무 확대가 필요하다고 하였다. 또한, Nam(2015)에 따르면 아직까지 건설현장에서 범용적으로 적용되고 있는 기존 그라우팅 기술은 단순히 압력을 가해서 채워 넣기만 하면 되는 단순한 공정으로 인식되어 시공 중 적절한 품질관리가 되지못하여 지반함몰 등이 발생했을 때도 원인 규명이 쉽지 않아 책임소재 파악이 어려운 문제점이 있어 자동화 그라우팅 장비의 필요성을 언급하였다. 따라서 기존의 수동적이고 정성적인 측정방식의 문제를 개선할 필요가 있어 본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 자동화 배합시스템을 개발하였으며, 자동 배합 시스템 순서는 Fig. 3과 같다.
개발된 자동화 배합시스템은 요구되는 배합비에 따라 주입재료(시멘트, 석분, 마사토 등)의 정량 개량 및 투입, 혼합 그리고 주입 펌프로 이동까지 가능하도록 개발하였다. 이를 위하여 재료를 보관하기 위한 호퍼, 정량계량을 하기 위한 토출구의 자동 개폐장치와 배출량 조절밸브, 유량센서, 혼합을 위한 교반기, 이송을 위한 컨베이어벨트, 그리고 전체 장비를 조절하는 제어기 등으로 구성되었다.
3.1.2 다중 동시 주입펌프
기존 컴팩션 그라우팅 공법에 사용되는 펌프는 1개의 천공 홀에 1공씩 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 효율성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 단일 주입펌프에 6개의 실린더를 장착하고, 최대 3공의 주입공에 동시에 주입이 가능하도록 다중 동시 주입펌프를 개발하였다. 개별 주입공마다 주입압력과 주입시간을 조절할 수 있도록 하여 작업이 동시에 이루어질 수 있어 시공시간 단축이 가능하고 시공 효율성을 향상시켰다.
개발된 다중 동시 주입펌프는 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 6개의 실린더로 구성되었고, 2개의 실린더가 한 쌍을 이루어 1개의 주입공에 각각 흡입 및 배출을 하게 된다. 따라서 동시에 3개의 주입공에 주입이 가능하다.
3.1.3 주입관리 모니터링 시스템
기존의 주입관리에서는 시공자료를 아날로그 장비를 육안으로 확인하여 수기로 작성하는 방식을 사용하였다. 이는 정확도가 낮고 측정하는 사람에 따라 편차가 심해 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 존재한다. 따라서 결과의 신뢰성이 부족하고 일관된 시공 품질을 입증하는 것이 곤란하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 주입재를 지중에 주입할 때 반드시 관리해야 하는 요소인 주입시간, 주입압력, 지반의 반발압, 주입심도 등을 자동으로 관리하여 일정한 품질을 확보할 수 있도록 하였다. 아날로그 장비를 디지털화하여 품질관리 시스템 내부에 값이 나타나도록 하였고, 이러한 정보들은 화면에 실시간으로 나타난다. 시간에 따른 시공정보뿐만 아니라 시공 깊이에 따른 정보도 시공 중에 확인할 수 있도록 하였다. 품질관리 시스템을 통해 확인할 수 있는 시공정보를 Fig. 5에 나타내었다.
3.2 품질관리 시스템 장비의 검증
본 연구에서는 기존의 컴팩션 그라우팅 공법의 시공 문제를 해결하기 위해 품질관리 시스템을 개발하였다. 그 구성으로는 크게 재료배합 장비, 주입재 주입장비, 주입관리 장비로 이루어져 있다. 개발된 품질관리 시스템 장비에 대한 검증을 하기 위해 7개의 현장에서 검증을 수행하였다.
3.2.1 자동 배합 장비 검증
컴팩션 그라우팅 공법의 주입재료는 요구된 적합한 비율로 혼합이 되어야 설계기준강도에 부합하는 성능을 가지게 된다. 따라서 배합비의 관리는 시공 품질에 있어서 매우 중요한 요소이다. 각 재료는 요구된 양에 맞게 배출되어 배합되어야 하므로 재료별로 각각의 호퍼를 설치하였다. 개별 호퍼의 계량 기능을 확인하여 각 재료의 계량 오차를 해양수산부 저유동성 모르타르 주입공법 표준시방서(2019)에 의거하여 세립토(마사토) ± 3%, 조립토(석분) ±3%, 시멘트 ±1%로 제한하였다. 주입재료의 중량 계량 오차 측정 결과는 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Weight Measurement Errors
모든 현장에서 각 재료의 계량이 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 주입 재료의 평균적인 계량 오차는 세립토(마사토) 0.9%, 석분 1.1%, 시멘트 0.8%, 전체중량 1.3%로 전체적으로 1.0% 안팎의 계량 오차가 발생하였다. 이를 통해 재료배합 장비의 성능이 확인되었다.
3.2.2 다중 동시 주입 펌프 특성
앞선 재료배합 장비를 통해 배합된 재료들은 주입 전에 교반 스크루를 통해 충분히 혼합된다. 혼합된 재료는 주입펌프를 통해 지중에 주입된다. 이때, 저유동성을 가진 재료는 강도가 균일한 고결체를 형성하여 우수한 지반개량 효과를 얻을 수 있다. 따라서 주입재의 유동성을 확인하기 위하여 펌프에서 토출되는 모르타르로 슬럼프 실험을 실시하였다. 슬럼프 시험은 항만 및 어항 전문 시방서에서 제시하는 저유동성 모르타르 주입공의 품질기준인 5cm 이하로 제한하였고 시험결과는 Table 2에 나타내었다. 각각의 현장에서 측정된 모든 슬럼프 값이 기준을 만족하여 모르타르의 유동성에 대한 품질을 확인하였다.
개정된 해양수산부 시공 품질관리기준에 따르면 공극 사이를 밀실하게 충전주입하기 위해서는 저유동성 모르타르 주입 펌프의 주입속도를 0.06m3/min 이내로 관리하도록 되어있다. 본 연구의 펌프 토출속도 검증을 위해 펌프 배출시간에 따라 배출되는 모르타르의 부피를 측정하여 속도를 산정하였다. 시험결과는 Table 2에 나타내었으며 그 결과 1분당 펌프에서 주입되는 토출량이 0.06m3 이내의 일정한 속도로 나타나 모든 값들이 기준을 만족하는 것으로 확인되어 펌프의 토출속도가 검증되었다.
Table 2.
Slump and Discharge Rate Measurements
3.2.3 주입관리 모니터링 장비 검증
주입압과 주입량을 아날로그 장비를 이용하여 수동으로 관리하던 기존의 방법을 보완하기 위해 자동 주입관리 장비를 개발하였다. 이 장비를 검증하기 위하여 주입펌프를 통해 주입되는 저유동성 모르타르의 주입량과 주입시간, 지반 반발압, 주입 깊이 등을 제어시스템을 통해 조정하며 설치된 측정 장비와 모니터에 표시되는 값들의 일치 여부를 확인하였다. 그 결과 모든 값들이 실시간으로 모니터 Fig. 6에 표시되었고, 설치된 측정 장비와 모니터에 표시되는 값이 일치하는 것으로 Table 3에서 확인하였다.
Table 3.
Injection equipment verification
4. 시험시공 및 품질시험
4.1 시험시공 및 품질시험 계획
모르타르 주입 시공 후 계획된 심도 범위 내 주입 고결체의 조성 여부를 확인하기 위하여 본 연구를 통해 개발된 시스템이 적용된 4개의 지역에서 코어를 채취하였고, 또 다른 2개의 지역에서는 지반밀도 검층(감마-감마검층)과 음파검층(S-PS검층)을 실시하였다. 관련 내용은 Table 4에 정리하였다.
Table 4.
Schedules and Locations with Types of Tests
4.2 품질시험 결과
4.2.1 대상지반 밀도검층 비교 분석
대산 Z 현장과 구룡포 C 현장에서 감마-감마검층을 실시하여 밀도 검층을 진행하였다. 실험 결과인 Fig. 7을 보면 저유동성 모르타르 적용 구간에서 밀도가 상승함을 확인할 수 있다. 대산 Z 현장은 모르타르 주입 전에 비해 약 18.2%의 밀도 증가가 있었고, 구룡포 C 현장의 경우 약 18.8%의 밀도 증가가 있었다. 이와 같이 밀도가 뚜렷하게 증가한 이유는 주입재가 지중에 방사형으로 압력을 가해 주변지변을 압밀시키고 토립자 사이의 공극을 감소시켜 지반이 조밀하게 함으로써, 매립층의 단위중량을 증가시켰다고 판단된다.
4.2.2 대상지반 음파검층 비교 분석
대산 Z 현장과 구룡포 C 현장에서 저유동성 모르타르 주입 시공 전·후 같은 매립층에 대하여 동적물성 확인을 위하여 S-PS 검층을 실시하여 깊이별로 속도 값을 측정하였다.
모르타르 주입 전･후 속도검층 비교결과는 Fig. 8에 나타내었다. 대산 Z 현장은 평균 압축파(Velocity of P wave, Vp)는 4.8% 증가하였고, 평균 전단파(Velocity of S wave, Vs)는 8.7% 증가하였다. 구룡포 C 현장에서는 Vp는 5.1%, Vs는 13.2% 증가하였다. 밀도의 증가율에 비해 속도의 증가율이 낮은 원인은 주입재의 공극 및 파쇄대의 충진이 속도 값 증가에 미치는 영향이 상대적으로 적기 때문으로 판단된다.
4.2.3 코어 압축강도 및 회수율 시험
인천 X 현장, 마산 Y 현장, 연평도 B 현장, 그리고 목포 G 현장에서 품질관리 시스템을 활용하여 시공된 저유동성 모르타르 주입공법의 품질 시험결과는 Table 5에 정리하였다. 시험시공 28일 후 개량체 확인을 위하여 Double Tube로 연속시료를 채취하여 개량체의 형상과 코어회수율을 확인하고 일축압축강도를 실시하여 설계기준강도 만족여부를 확인하였다. 설계기준강도 및 회수율 기준은 해양수산부 저유동성 모르타르 주입공법 표준시방서(2019)에 의거하였고, 채취된 시료는 공인시험기관에 의뢰하여 압축강도 및 코어회수율을 확인하였다. 인천, 마산, 목포 현장의 코어 압축강도시험결과 재령 28일강도 4.8MPa 이상으로 모두 기준값을 상회하였다. 확인조사에서 채취한 코어로부터 회수율을 측정하여 개량체의 심도별 연속성을 확인한 결과 최소 회수율이 67.8%로 회수율이 60.0%이상인 것으로 확인되었다.
Table 5.
TCR and Compressive strength of core
5. 결 론
기존의 컴팩션 그라우팅 공법은 주입관리 자동화 및 일정한 시공 품질 확보가 요구되었다. 본 연구를 통하여 재료배합, 모르타르 주입 펌프, 주입관리 모니터링 등을 자동화 할 수 있는 통합 관리 시스템을 개발하였고 개발된 장비를 가지고 컴팩션 그라우팅 현장에서 검증시험을 수행하였다.
(1) 재료배합 장비의 경우, 배합재료의 중량오차가 시멘트는 ±1% 이내, 골재 및 세립토는 ±3% 이내로 적합한 배합 품질을 만족하는 것으로 검증되었고, 모르타르 주입 펌프의 토출량을 시험하여 0.06m3/min 이내로 주입펌프의 성능을 만족하는 것으로 확인하였다. 또한 주입관리 실시간 모니터링 장비의 출력 값과 실제 계측한 값이 일치하여 성공적으로 작동하는 것을 확인하였다.
(2) 통합 품질관리 시스템이 적용된 현장 시험시공 후 물리검층을 수행한 결과 지반의 밀도가 18.2∼18.8% 증가하였고, P파의 속도는 4.8∼5.1%, S파의 속도는 8.7∼13.2%로 증가함을 확인하였다.
(3) 시험시공 지반에 대한 코어채취 회수율은 67.8∼87.3%로 설계기준을 만족하였고, 채취된 코어의 일축압축시험을 수행한 결과 압축강도가 각각의 설계기준을 만족하는 값이 도출됨을 확인하였다.
위의 결과와 같이 본 연구를 통하여 컴팩션 그라우팅 공법의 효율적 관리를 위한 통합 품질관리 시스템을 개발하였고 이에 대한 시험시공과 현장 및 실내 검증을 통하여 신뢰성을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 통합 품질관리 시스템을 활용하여 시공 및 품질 확인이 어려운 연약지반의 개량, 혹은 항만 구조물의 내진성능 보강 공사 등의 품질과 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 본 적용현장의 시험시공 지반은 매립층으로 분포되어 신뢰성을 확인하였으나, 추후 토질종류 별 지반구성이 차별화 된 다양한 지층에서 시험시공을 실시하여 신뢰성 확인이 필요한 것으로 사료된다.
