Transcript 제16장 지반개량

건설기술강좌
軟弱地盤工法의
理論과 實際
2010. 10.
강원대학교 환경방재공학과
교수 : 최 항 길
1
목
차
1 지반개량의 이론
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
지반개량공법의 의미와 접근방법
지반개량공법의 분야
연약지반의 정의
연약지반판정의 공학적 기준
연약지반의 형성
공법선정의 조건과 공법의 종류
개량의 목적, 원리와 공법의 분류
2. 주입공법의 역사
3. 주입공법및 터널보조공법의 종류
4. 물유리, 실리카졸, 항구성주입재로의 변천
4.1 물유리주입재의 변천
4.2 물유리계 약액의 구성
4.3 물유리에 대한 연구시공 결과
4.4 기술진전
4. 주입공법의 적용기준(서울시 및 일본건설성)
5. 결론
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1. 지반개량의 이론
1.1 지반개량공법의 의미와 접근 방법
(1) 지반개량의 필요성
☞ 건설공사를 필요로 하는 지점 :
지상공간, 해양공간, 대심도 지하공간, 우주공간
☞ 구조물의 안전성이나 중요도 :
고도의 생활공간
☞ 지반 개량 :
건설공사 전체의 공사비 절감 (예, 홍콩부두 등)
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(2) 지반개량의 접근 방법
(1)시공 위치에 의한 구분
① 斜面部 에서의 개량
② 심도가 얕은 지층 에서의 개량
③ 심도가 깊은 지층 에서의 개량
(2) 개량 물성치에 관한 구분
① 치환
(양질의 재료로 치환)
② 압밀탈수
(점성토의 압밀, 사질토의 지하수위 저하)
③ 高 密度化 (다짐, 공극의 감소)
④ 고결
(주입ㆍ혼합ㆍ교반에 의한 고결)
⑤ 보강
(異種재료에 의한 보강)
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(3) 개량수단에 의한 구분
① 물리적 수단에 의한 개량
② 화학적 수단에 의한 개량
③ 생물적 수단에 의한 개량
(4) 효과의 시기에 관한 구분
① 영구적인 효과가 요구되는 것
② 임시적인 효과가 요구되는 것
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1.2 지반개량공법의 분야
☞ 지반개량이 요구되는 대상 : 자연지반, 인공지반, 구조물 등
☞ 지반개량공법의 분야 :
지반공학의 영역 + 기초공법 분야
☞ 지반 안정 처리 문제
① 역학적인 안정을 도모하는 방법
② 수리학적 처리를 도모하는 방법
③ 환경보전을 고려한 안정처리
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(1) 역학적 안정을 도모하는 분야
☞ 지반 개량수법을 구사 :
지지력증가, 변형방지, 토압경감, 사면안정 등
☞ 지반의 내력을 높이는 것 :
압밀․탈수, 고밀도화, 고결, 보강
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(2) 수리적 안정을 도모하는 분야
☞ 해결방안 : 지하수의 배제, 지수,수위 저하, 지하침식의 방지,
지진시 액상화방지 등
(3) 환경보전을 도모하는 분야
☞ 환경의 보전 대책 : 본래의 자연상태를 유지하는 환경대책의 수립
☞ 지반개량공법이 환경보전에 공헌할 수 있는 분야 :
소음,진동의 방지, 폐기물의 처리처분, 지반침하의 방지,
토양이나 수질오염의 방지 등
☞ 환경영향평가 에 대처
例 ☞ 일본 한신대지진 (진도7.8,사망자 5,500명)시 연약지반개량을
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한 지역에는 거의 피해가 없었다.
1.3 연약지반의 정의
토질 역학적 접근
☞
☞
☞
☞
☞
연약한 점토,
실트등의 세립분이 많고, 함수비가 높은 점성토 지반
고사한 식물이 미분해의 상태로 퇴적한 니탄으로 되어있는 지반,
느슨하게 퇴적한 지하수위 이하의 모래지반
그 以外 ( ? )
지질학적 측면
☞ 충적평야, 늪과 못, 구릉지나 산간의 계곡부등에 퇴적한 충적층의
연약한 자연지반
☞ 바다해안이나 호수나 늪의 매립에 의한 인공지반
☞ 臨海지대의 매립지
☞ 낮은 성토나 얕은 굴착과 높은 성토나 깊은 굴착
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☞ 급속하게 성토를 하고 즉시 구조물을 축조하는 경우
최근 대규모 성토공사나 굴착 공사가 대형기계에 의하여 급속히
시공되는 경우가 많아, 상당히 양호한 지반일지라도,
연약지반과 동등한 취급을 필요로 하는 경우가 증가
따라서, 고 압축성 때문에 과다침하의 발생이나 저강도로 인하여
안전사고 등의 문제가 생기는 지반을 연약지반이라고 한다면,
☞ 연약지반인지, 아닌지의 판단은 그 위에 축조되어지는 구조물의 종류,
형식, 규모, 하중의 크기, 중요도 혹은 시공 공정 등으로부터 받는 조건
에 의하여 결정되며,
일정한 규정이나 척도로 표시될 수 없다는 것을 꼭 이해할 필요가 있다.
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1.4 연약지반판정의 공학적 기준
☞ Terzaghi 와 Peck의 고전적 교재
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1.5 연약지반의 형성
(1) 붕적계곡 (2) 익곡 (3) 배후습지 (4) 삼각주 (5) 사호성저습지
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1.6 공법선정의 조건과 공법의 종류
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1.7 개량의 목적․원리와 공법의 분류
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2 주입공법의 역사
영국의 저명한 토질기초공학자인 R.Glossop에 의하면,
1802년 “ 주입공법의 발명은 프랑스의 Charles Berigny ,
파리 북서쪽 150km 대서양측의 河口港인 Dieppe에서,
세굴된 수문 보수공사
1886년 : 독일의 Jeziorsky가 물유리(규산소다)와 경화제(염화칼슘)를
따로따로 주입 , Egypt에서도 시공
1925년 : 네델란드의 광산기사 Josten ,물유리와 염화칼슘
1930년 : Soletanche 회사가 개발한 맨셋튜브공법 (더블파카공법)
1950년 : 고분자화학계의 AM9는
1983년 : 모래자갈지반 의 Pittsburgh의 지하철공사에서 채택.
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일본에서는
1915년 :
수직구 굴착공사에 시멘트가 사용된 기록
1924년 :
약액주입공법이 최초로 시공, 터널공사의 지수공사,
물유리계 약액 사용
1951년 :
일본 독자적으로 MI공법. 이것은 물유리(Na2O, nSiO2)용액
을 알루민산 소다(NaAlO2)로 고결(固結).
1961년 :
일본식 LW공법 개발,
물유리용액을 시멘트 현탁액으로 고결 시키는 것.
--- MS공법으로서 발전
1960년 :
AM9와 같은 아크릴아미드계 약액이 일본에서도 생산.
우레탄계 약액이 일본에서 처음으로 개발
1974년5월 : 하수도공사를 위하여 주입한 아크릴아미드계 으로 주민에게
건강피해가 발생하는 불행한 사건.
1974년7월.약액주입공법에 의한 건설공사의 시공에 관한 잠정지침에 대하여
”라는 기준을 통보
이후 2중관 단상주입 방식
1980년대에 들어서 부터는 2중관복상주입방식을 개발
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2.1 한국 주입공법의 역사
1953년5월 : 옥포저수지에서 그라우팅공사 현장(1차 공사)에서 사용
- 이러한 배경으로 약 20여년간 비약액계의 재료를 사용한 주입공법 적용
- 1970년대 : 서울시 지하철 1호선(1971～1974),
서울시 지하철 2호선(1978～1984),
부산시 지하철 1호선(1981～1994
- LW공법이 1980년 일본으로부터 도입
- 1980.6. 서울 지하철2호선 2-3공구 경부고속도로 육교하부통과구간,
- 1981.11.서울 지하철2호선 을지로6가
SGR공법이 일본의 SGR공법협회 (신일본 Techno(주))에서 도입,
- 1983. 1. 서울 지하철3호선 동대문운동장역 시험시공,
- 1983. 2. 지하철3호선 329공구 안국동사거리 국내최초 터널구간 적용,
- 1983. 2. 22.정자지구공사,
- 1983. 8. 22.～1983. 11. 24. 이안지하댐공사.
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현장에서의 애로사항에 대한 개선방안 의견 개진
첫 째, LW공법의 개선 (40년전 기술 그대로)
둘 째, SGR 공법의 개선 (38년전 기술 그대로)
셋 째, 물유리재료의 한계성 (같은 물유리3호라도 성분차이)
넷 째, 선단장치의 문제점 (개량장치를 개발도, 도입도 안한다)
다섯째, 시공기술의 한계 (전문 기술자가 없다?)
여섯째 , 공사비 하청(약50%) 문제 (적산체계의 문란)
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3. 주입공법및 터널보조공법의 종류
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4. 물유리, 실리카졸, 항구성주입재로의 변천
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4. 1 물유리 주입재의 변천
- 1925년의 Joosten에 의한 약액주입공법은
물유리 (Na₂SiO)용액을 염화칼슘(CaCl₂)으로 고결.
- 1950년 일본에서는 물유리(Na2O․nSiO2)용액을
알루민산소다 (NaAℓO2) 로 고결시키는 MI공법과,
- 물유리용액을 세멘트 현탁액으로 고결 시키는 LW工法
(독일에서 유래)이 개발.
- 그 후 발전하여 중탄산소다(NaHCO₃)나 硅弗化
(규불화) 소다(NaFSiO₃)등의 여러 경화제를 이용한
물유리계약액이 개발.
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4. 2 물유리계 약액의 구성
A액(主 劑) : 물유리 (Na₂O․SiO₂)용액,
B액(硬化劑) : 시멘트 등의 현탁액 혹은 산,
또는 산성염의 용액.
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4.3 주입공법의 흐름 및 물유리에 대한 연구시공결과
일본의 건설성토목연구소에서 국내외의 물유리 및 주입공법에 대한 시
공실적 및 연구결과를 사고 발생건수를 정리하여 검토한 것을 보면
※ 강도특성분야
☞ 물유리를 主劑로 한 약액주입은, 장기간 (일반적으로
6-12 개월, 일본약액주입협회)에 걸친 공사 시는
일축압축 강도가 50%정도 저하한다.
☞ 유기․무기계, 용액완결형용액은 일축압축강도가 50% 저하
하면, 크리프변형량도 파괴시간도 작게 된다.
☞ 물유리시멘트계의 호모겔은, 流水양생의 경우가 靜水양생에
比하여 장기강도가 적다.
☞ 물유리계 약액주입고결토는 고결중의 토사의 마찰저항
없이 강도가 열화한다.
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☞ 물유리계 약액주입은 구속압이 큰 심층부에서는 효과가 마이너스.
☞ 실리카졸, 초미립자실리카는 용탈은 극히 적고 장기간에 걸쳐
강도가 유지.
☞ 초미립자실리카는 경시적 수축도 없고 강도도 장기간에 걸쳐서 유지.
☞ 무기계 물유리용액은 용탈이 많이 생기고 강도저하가 현저.
☞ 실리카졸계는 장기강도가 저하하지 않음.
☞ 초미립자시멘트는 재령이 오래될수록 강도가 증가하여 고강도를
이룰 수 있다.
☞ 초미립자 LW는 강도발현은 크지만 경시적인 증가는 없고 저하하는 경향이
있다.
☞ 실리카졸은 장기적인 크리프변형에 관하여 유효하다.
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※ 주입특성분야
☞ 충진율, 강도․충진율, 투수계수 등의 조건을 감안할 때 최저 40%의
충진율이 필요
☞ 주입시, 침투주입단계→침투할렬단계→할렬주입단계로 나누어진다.
☞ 할렬발생주입속도의 3배까지는 양호한 고결형상이 가능.
☞ 호모겔강도와 고결토강도와는 상관성이 인정된다.
☞ 토층이 불균일할 경우, 양호한 고결상황으로 고결시키는 경우에는
겔화시간이 짧은 약액이 적당하다.
☞ 초미립자시멘트현탁액은 GR = 8에도 침투가능.
☞ 할렬면적은 투수계수, N値, 토피압력에 영향을 받는다.
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4. 4 물유리에서 실리카졸, 항구성주입재로의 기술진전
- 1974년 일본에서는 1960년대의 미국의 AM-9 및 고분자계주입재사용이 금
지된 이래, 독극물과 불소 화합물을 포함하지 않는 물유리계 약액으로만 사용
한정되고,
- 게다가 물유리계 주입재는 내구성이 부족하다는 치명적인 문제를 안고 있었
다.
- 이때부터 공학자들 및 기술자들은 물유리계 주입재에 대하여 집중적인 연구가
시작되어 물유리의 강도 및 내구성을 보완하고자 개발된 획기적인 주입재가,
바로 非알카리성 실리카졸 주입재이다(1980년대 개발).
- 이 주입재는 물유리중의 실리카分이 비알카리영역에서도 겔화가 가능하다는
것에 착안하였으며, 산성액에 물유리를 넣어 물유리속의 알카리를 제거하여
얻어진 실리카졸을 기본소재로 하여
- 거기에 겔화촉진제나 시멘트 현탁액을 넣어 확실한 고결성을 얻음과 동시에
지하수의 pH변화가 적은 주입재를 가능하게 한 것이다. 이러한 실리카졸은
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물유리에 비하여 그 뛰어난 품질이 증명되고 있다.
- 최근의 지하철, 고속철도등의 건설공사에서의 가설구조물의 토공 등이
2-3년이 소요되고 영구구조물로서의 역할을 요구하는 경향.
- 이러한 요구에 부응하기 위하여 우리나라도 이제 약액계의 주입재중에 이
실리카졸이 등장하게 되어 향후 많은 활약이 기대.
- 외국의 선진기술은 여기에서 그치지 않고, 이미 1997년에 이 실리카졸
보다 더 향상된 고강도, 고 내구성주입재인 「항구성주입재」를 개발.
- 예를 들어 항구성 주입재인「하이브리드실리카」의 고결체는 40～60 의
일축압축강도를 자랑
- 그러므로 물유리 (규산3호)보다는 실리카졸이,
실리카졸 보다는 항구성재료를 사용함이 바람직.
- 또한 일각에서 언급하는 특수규산은 국내에서만 통용되는 용어
例, 지하철9호선 MSG공법사건.
例, 청계천 복원공사시의 주입공법의 선정착오의 예
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4. 건설기술자를 위한 주 입 공 법
적 용 기 준
서울시 지하철건설본부
일본 건설성
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1. 약액주입공법의 정의
약액주입공법이란, 지반속에 약액 등을 주입하여 지반의
투수성을 감소시키거나,지반의 강화를 도모하는 공법.
【 뜻풀이】
☞ 연약지반(Soft ground, Poor ground)이란 구조물의 기초지반으로서 충
분한 지내력을 갖지 못하는 지반으로서 N=10전후의 부드러운 점토, 실트
, 유기질토 또는 느슨한 사질토등으로 구성되는 지반이다.
☞ 지반개량(Soil improvement)혹은 토질안정처리(Soil stabilization)란,
자연지반의 공학적성질을 인위적으로 개선하여 안정화시키는 것을 말한
다. 치환, 고밀도화, 혼합재로 고결, 특수재료로 보강시키는 방법등 4
☞ 지반주입공법 (Injection process, Grouting)으로서의 약액주입공법
(Chemical Grouting)이란, 소정의 시간이 지나면 凝固하여 고결성을 나
타내는 약액을 주입관을 통하여 지반중에 압입하여, 지반의 지수성이나
강도를 증대시키는 지반개량 공법중의 하나.
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2. 본기준의 적용범위
본 기준은 점토, 실트, 사질토 모래자갈 풍화토, 풍화암, 등
의 지반에 약액을 주입,『지반의 투수성을 감소』또는
『지반의 강도(고결도)를 증가』시키는 약액주입공법중
이중관스트레이나공법 (단상식 및 복상식) 및
이중관 더블파카공법을 대상으로 한 주입공사에 적용한다.
☞ 이 기준은 모든 종류의 공사에 적용하는 것이 아니고,
개착공사시 토류공 배면의 지수, 근접구조물의 보전, 보호,
지반침하방지, 터널굴착시 막장의 안정화 등
주로 도시부의 건설공사에 따른 약액주입공사를 대상으로 한다.
그러나, 산악터널이나 댐공사시에는 적용기본개념은 동일하나 추가검토
사항이 있을 수 있다.
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3. 주입재료의 분류
주입재료는 원칙으로 물유리계열의 약액만 사용하는 것을
원칙
으로 한다.
☞ 주입공사에 사용하는 약액은 1802년부터 1930년대말까지는 점토, 시
멘트, 물유리계의 주입재를 사용
1940년대부터 1973년까지는 특수실리카계, 고분자계, 비약액계등
을 포함한 여러 가지의 재료가 사용되었다.
☞ 특히, 주입재중 主材가 고분자계의 약액은 침투성면에서는 최고6배까
지의 성능이 있어 1950년대부터 1970년대 초기까지는 사용되었으나,
1974년.5월 오염사고(주민건강피해)발생을 계기로 국제적으로 1974
년 7월부터 현재까지 전면사용금지가 되어 있다.
☞ 현재는 주입재의 성능보다 시공법의 기술개발로 물유리계의 약액만을
사용하여도 안전공사에 필요한 충분한 효과를 올림으로서 모든문제를
해결하고 있다.
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☞ 국내에서는 1997년 「제3기 지하철 건설기준」에 본내용이 삽입되어
4. 주입방식의 분류 및 정립배경
주입방식은 이중관스트레이나 단상식,
이중관스트레이나 복상식,
이중관 더블파카식 등 3가지로 대별한다.
☞ 국내에서 1950년대부터 사용되어 왔던 단관롯드 주입방식은 이
분류방식에서 제외되었다.
그 이유는 수 십년간의 공사경험에서 이방식은 주입재의 설계범위
외로 이탈이나 분산 확산 또한 과도한 주입압으로 인한 지반융기등
효과가 많이 떨어진다는 것은 이미 주지의 사실로 되어 있다. 현재
이 방식은 국내외적으로 거의 사용하지 않고 있으며, 다만 암반지
층의 충진등의 목적으로만 사용되고 있다.
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5. 공법선정의 기준
및 예상주입형태
주입 공법 선정은
주입목적, 토질조건,
주입재의
겔타임,
주변환경, 경제성등
모든 제반 여건을
감안 최적 공법을
선택.
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7. 주입율, 충진율의 결정기준
주입율은 대상지반의 상태 및 약액의 성질 또한 주입목적
이나 효과의 신뢰도를 고려하여 최종 결정한다
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8. 주입공 배치
주입공의 배치는 단열배치와 복열배치로 크게 구분한다.
또, 복렬배치에는 대개 고결체의 계획형상에 따라 정방형 배
치와 정삼각형 배치가 있다. 주입간격(D)은 목적에 따라 다
르지만, 일반적으로 0.6～1.5m정도를 기준으로 한다.
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5. 결
론
가. 기존 공법의 보완
- LW, SGR 공법의 문제점 및 선단장치의 교체
나. 모든 공법을 단상식, 복상식, 더블파카공법으로 구분
다. 주입재의 선정기준
- 6개월 이상의 가시설재인 경우 실리카졸 사용문제
라. 진정한 국내기술을 향상시키기 위한 발주자의 임무
마. 공해문제에 저촉되지 않는 공법으로 국제시장선점.
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