지반개량공법의 개념 및 종류에 대해 알아보자

지반개량공법의 개념 및 종류

 

1. 지반개량공법의 개념

연약한 기초 지반의 흙의 공학적 성질을 개량하여 지반 지지력 증대, 침하의 방지, 수압 및 투수성의 감소 또는 제거 등을 목적으로 흙의 치환, 다짐, 탈수, 고결 등의 처리를 하는 공법

 

2. 지반개량공법의 종류

(1) 점성토 개량 공법

① 탈수방법: sand drain, paper drain, preloading, 침투압 공법, 생석회 말뚝 공법

② 치환방법: 굴착치환공옵, 자중에 의한 방법, 폭파에 의한 치환 공법

(2) 사질토 개량 공법

① 다짐방법: 다짐 말뚝 공법, compozer 공법, virbro-flotation 공법, 전기 충격식 공법, 폭파 다짐 공법

② 배수방법: well point 공법

③ 고결방법: 약액 주입 공법

(3) 일시적인 개량 공법

① well point 공법

② 동결 공법

③ 대기압 공법

 

점성토 개량 공법

 

1. 압밀촉진방법(탈수방법)

(1) sand drain 공법 : 지반 중에 적당한 간격으로 연직방향에 많은 모래말뚝(sand - pile)을 설치하여 수평방향의 압밀배수 거리를 크게 단축시켜 압밀과 강도증가를 촉진

(2) paper drain 공법 : 지반 중에 적당한 간격으로 연직방향에 cardboard를 설치하여 수평방향의 압밀배수 거리를 크게 단축시킴

(3) preloading 공법 : 계획된 높이보다 여분으로 높게 흙을 쌓아 침하를 촉진시킨 후, 덧돋움부를 소거한 후 끝손질함

[기타]: 화학적 흡인 효과 이용법

(4) 침투압 공법 : 수분이 많은 연약점토층에 반투막을 포함한 가운데가 빈 원통을 삽입하고 속에 농도가 높은 용액을 넣어 점성토의 수분을 흡수시켜 점토를 다짐

(5) 생석회 말뚝 공법 : 연약 지반 중에 토질안정제가 되는 생석회를 주입하여, 생석회의 소화와 체적 팽창에 의한 탈수작용과 점토광물과 석회의 화학변화에 의하여 흙의 강도를 증대시킴

(6) 전기 침투 공법 : 연약 지반 중에 하나의 전극을 설치한 후 직류를 흐르게 하여 전기침투에 의하여 음극에 간극수를 모아 탈수시킴

 

2. 치환공법 : 점성토를 사질토로 치환하는 방법으로 구조물의 침하를 감소시킴

(1) 일반적인방법(굴착치환공법) : 연약층의 일부 또는 전부를 굴착하여 제거하고 양질토와 치환

(2) 압출치환공법(자중에 의한 치환공법) : 쌓은 흙의 중량에 의하여 연약층을 강제적으로 압출하고 양질인 재료와 치환

(3) 폭파치환공법 : 연약층중에 폭약을 삽입하여 폭파에 의하여 연약층을 압축하고 양질인 재료와 치환

☞ 점성토 지반(연약지반) 개량공법

┏ ① 기계적인 방법 : 3m이내일 때는 치환공법을 실시

┣ ② 압밀촉진공법 : Preloding공법, Sand drain공법, Paper drain공법

┣ ③ 화학적 흡입효과 : 침투압공법(MAIS공법), 생석회말뚝공법(Chemico pile)

┗ ④ 전기침투공법

 

사질토 지반개량공법

 

1. 다짐 방법

(1) 수평방향의 다짐 : 말뚝 등에 의함

① 다짐 말뚝 공법

② 다짐 모래 말뚝 공법 : 충격하중 혹은 진동하중에 의하여 연약 지반 중에 모래를 압입하여 모래 말뚝을 형성하면서 연약층을 다짐과 동시에 모래 말뚝의 효과에 의하여 지지력을 증가시켜 침하량을 감소시킴

③ 바이브로 플로테이션 : 느슨한 사질 지반 중에 봉 형태의 진동기를 넣어 진동부 부근에 물을 주면서 진동과 주수(注水)의 효과로 지반을 다짐. 이때 기계 부근에는 모래 또는 돌을 투입하여 모래 말뚝을 형성시킴

(2) 연직 방향의 다짐 : 충격에 의함

④ 전기 충격 공법 : 지반을 포화시킨 후 방전에 의한 고압 전류로 충격을 주어 소규모로 다짐

⑤ 폭파 다짐 공법 : 느슨한 사질지반 내에 화약을 격자상으로 배치하여 폭파의 충격에 의하여 지반을 밀어 넓혀 다짐

⑥ 진동 물다짐 공법 : 물의 포화로 겉보기 점착력을 없앰

2. 배수방법: well point 공법(후술)

3. 고결방법 : 약액 주입 공법(후술)

연약 지반중에 토질안정제가 되는 약액을 주입하여 물리적 반응 및 화학적 반응에 의하여 흙의 강도를 증대시킴

 

일시적 지반개량공법 

 

1. well point 공법

☞ 지하수위를 내리기 위하여 well point라 부르는 구멍을 뚫어 pipe를 지중에 설치하고 펌프에 의하여 강제 배수시켜 토층의 압밀을 함께 촉진시킴

(1) 함수비의 감소에 따른 지반 지지력의 증가와 물다짐 효과

(2) 지하수위의 저하에 따른 유효 압력의 증가

(3) 부압 효과

2. 대기압 공법(진공 공법)

☞ 지표면을 비닐 시트 등으로 덮은 후 진공 펌프로 내부의 압력을 내려 대기압 하중으로 압밀을 촉진시키는 공법

3. 동결공법

☞ 흙을 일시적으로 동결시켜 지반을 고결시키든지 차수벽(물을 막는 벽)을 조성함

[기타공법]

4. 전기 침투 공법

☞ 연약 지반 중에 하나의 전극을 설치한 후 직류를 흐르게 하여 전기 침투에 의하여 음극에 간극수를 모아 탈수시킴

5. 소결 공법

☞ 흙 중에 보오링하여 판 공속에 가열공기나 가연성가스 등으로 둘레의 흙을 구어 굳게 하여 흙 중에 강고한 기둥을 형성함

그라우팅(grouting)

 

1. 주입(Grouting)공법

☞ 지반의 강도증가 및 누수를 방지할 목적으로 지반 속에 응결제를 주입시켜 고결시키는 방법 으로서 흙의 치환, 다짐, 방수, 고결 등의 처리를 한다.

(1) 주입의 목적

☞ 지수 (Curtain), 충진 (Fill), 보강 (Reinforce), 개량 (Improvement), 뒷채움 (Back fill)

① 지반의 강도 증진, 기초지반의 지지력 증대, 터널 굴착시 주변지반 붕괴방지, 인접구조물보호, 토압의 경감 등

② 지반의 지수성 증진 → 용수방지 및 지하수위 저하 방지

③ 지반의 변위 억제

(2) 주입을 하기위한 과정

① 주입계획을 세운다.

② 예비조사를 한다.

③ 주입제를 선택한다.

④ 실험 : 모형 주입테스트를 하고, Lugeon test를 한 후 확인한다.

(3) 주입(Grouting)시공관리의 항목

☞ 주입재의 종류, gel화 시간, 주입방식, 주입관의 위치, 주입압력과 양.

(4) 현장주입시험시 고려해야 할 사항

① 주입공의 위치를 미리 생각해야 한다.

② 주입량과 속도를 고려해야만 한다.

③ 주입재의 종류와 gel화 시간을 고려하여 주입재를 선택한다.

④ 주입방식을 결정한다.

【참고】 주입방법의 종류.

① 반복주입 : 지반이 불균일하고 투수계수에 변화가 있을 경우에 사용

② 계단주입 : 각 지층의 투수계수가 다른 경우에 사용.

③ 유도주입 : 투수성이 큰 방향으로 약액이 방사상으로 흘러들어갈 경우에 사용.

 

2. Grouting공법의 종류 및 분류 ☞ 필수 숙지 사항

(1) 목적에 따른 주입의 분류

① 터널 및 항도공사를 할 때 : 지수 grouting 및 충진 grouting

② 댐공사를 할 때

┏ Curtain grouting

┣ Consolidation grouting

┗ Contact grouting

③ 기초개량을 하고자 할 때

┏ 공극 grouting

┣ 공동 grouting

┗ 혼화법

(2) 주입재료에 의한 분류

① 점토계

② 시멘트계

③ 아스팔트계

④ 약액주입

(3) 기타 : 주입 방법에 의한 분류

① 일단식 그라우팅

② 다단식 그라우팅 − − packer 그라우팅

− stage 그라우팅

 

3. 목적에 의한 분류

(1) 터널 및 항도공사

① 지수 grouting : 터널 및 항도굴착에서 굴착막장에 다량의 용수 및 유수를 만나게 되면 굴착작업이 크게 피해를 입게 되므로 전짐시추를 다방면으로 하여 이공에 grout재료를 압입을 막기위한 grouting이다.

② 충진 grouting : 터널 및 항도 굴착시, 암반과의 사이에 생기는 공동 및 공극을 시멘트, 실트 및 기타의 물질로 충진하는 grouting이다.

(2) 댐공사 ☞ 필수 숙지 사항

① curtain grouting : 댐의 기저부 및 양단에서 댐의 아아치에 평행하게 수열을 뚫고 기초암반에 grouting을 함에 따라 지수 curtain을 형성하고 저수 지로부터의 침투수를 방지하는 공법

② consolidation grouting : 댐기초의 지지력강화 및 누수방지를 목적으로 댐저면 및 좌우 양안 전반에 사용하는 공법, 심도는 5～15m, 압입압은 10kg/cm2

③ contact grouting : 댐본체와 기반과의 밀착부분에 주입하는 grouting, 심도는 2～3m정도.

④ blanket grouting : 지수막을 형성하여 지수효과 증대

(3) 기초개량 grouting : 각종 건축물의 기초지지력을 증강하기위한 grouting.

① 공극 grouting : 지반의 공극에 대하여 주입제를 침투시켜 토양의 입자

② 공동 grouting : 보강주입이라고도 하며, 기초의 하부에 있는 토양의 일부를 물 또는 공기에 의해 제트로 배제하고 그곳에 주입하는 방법

③ 혼화법(混和法) : 기초예정지의 연약한 토양을 일시에 토양과 안정제를 혼화하여 기초지반을 강화하는 공법

✎ 기초 암반에 대한 그라우트공의 깊이(curtain 그라우트에서)

d =1/3․H + C ☞ 필수 숙지 사항

┏ d : 공의 깊이 (m)

┣ H : 공위치에서의 댐높이 (m) → 통상 수위를 말함.

┗ C : 정수(8～25) (m)

 

4. 주입재에 따른 분류

(1) 약액주입재의 종류에 따른 분류. ☞ 필수 숙지 사항

① 시멘트주입(시멘트 용액) : 굵은 모래 지반의 강도를 증진시킨다.

② 점토계주입(벤토나이트와 점토와의 용액) : 물의 침투를 막는 효과가 있다.(지수 목적)

③ 아스팔트주입(아스팔트 용액) : 지수 목적

④ 약액주입(규화법 또는 수지용액을 주재로 하는 것) : 지수 및 강도 증진 목적

cf) 기타: 재료에 따른 분류

1) 현탄액형 약액

2) 용액형 약액

3) Cement, Bentonite계 약액

4) 초미립자 혼탁형 약액

5) 점토계 약액 : montmorillonite, bentonite

6) 시멘트계 약액

7) 아스팔트계 약액 : 아니온계, 카치온계

8) 기타 : 물유리계 주입제

(2) 대상지반에 따라 주입해야 할 약액의 종류

① 점성토 : 호모겔 강도가 기대되는 약액을 주입

② 사질토 : 물유리 용액형 약액, 초미립자형 약액을 주입

③ 암반 : 초미립자 시멘트, 초미립자형 약액을 주입

(3) 주입재료가 갖추어야 할 조건

① 고결 후 필요한 강도를 가져야 한다.

② 수중에서도 고결되어야 한다.

③ 응결시간을 조절할 수 있어야 한다.

④ 경제성이 있어야 한다.

⑤ 입자가 작아야 한다.

⑥ 주입을 했을 때 입자사이로 균등하게 분산되어야 한다.

⑦ 유동성이 있어야 한다.

 

5. 주입시 고려해야 할 사항

(1) 주입 가능성에서 압력과 시간과의 관계 ☞ 필수 숙지 사항

① 주입성공 ② 주입실패 ③ 주입은 성공하나 주입재가 소량탈출

① 주입성공: 지반내의 공극으로 주입이 순조롭게 이루어지고 있는 상태

② 주입실패: 주입도중에 생긴 균열로 압력이 급격히 강하하여 주입재가 탈출, 주입이 미완성됨

③ 주입은 성공하나 주입재가 소량 탈출: (나)번 과정이 지난 후 모든 공극이 충진, 다시 순조롭게 주입되나 경제적 손실을 가져옴.

(2) cement grouting시 주입재의 탈출시(누수시) 방지책

① 주입압을 최소로 한다.

② packer를 공구에서 하부로 이동 설치한다.

③ 주입을 중단하고 어느 정도 고결 후 압력없이 부배압으로 재주입한다.

(3) 지반의 삼투성(seepage)을 줄이는 방법

① 공극 사이에 액체 세멘트 물질 주입

② pressure grouting

③ 공극이 많은 사암에서는 chemical grouting 사용

(4) Grouting의 효과를 확인하는 방법

육안, 색소, 전기비저항법, γ-선 밀도계법, 중성자수분계법 등

(5) 주입 유효 범위 ☞ 필수 숙지 사항

주입재	주입한계	주입유효범위
pebble sand sand~fine sand fine sand fine sane~mud mud ┓ clay ┛	K =100 cm/sec 10 cm/sec   10 cm/sec   10 cm/sec   10 cm/sec   10 cm/sec	R = 373 cm 173 cm 80 cm 17 cm 38 cm 8 cm

※ 주입 가능한 한계는 실제로 K = 10-3cm/sec이다.

K = 10-4～10-5cm/sec되면 경제적으로 불리하다.