1. 서 론
2. 시 험
2.1 시험장비 및 조건
2.2 시험시공 단면 및 순서
2.3 시험방법
2.4 DCM 부상토 융기량 측정
3. 결과 분석
3.1 시험시공 결과
3.2 DCM 부상토의 융기 특성
3.3 평가 및 고찰
4. 결 론
1. 서 론
DCM(Deep Cement Mixing, 심층혼합처리) 공법은 연약지반층에 석회, 시멘트 등의 화학적 안정재를 투입하여 원지반 흙과 강제적 혼합교반을 시켜서 화학적 반응을 일으켜 연약지반을 단시간에 개량하고 원지반의 개량체를 형성하여 강도를 증가시키는 공법이다. 심층혼합처리공법은 1970년 중반부터 일본 및 북유럽 국가들을 시작으로 현재까지 40년 이상을 현장에 사용하면서 장비 개선 및 고화재의 변화를 거쳐 다양하게 적용되고 있으며(Kim et al., 2021), 근래에는 석회나 석고 및 플라이 애쉬나 슬래그를 혼합한 재료들을 이용한 특수용도로 적용되고 있다(Kitazume et al., 2013).
즉, DCM 공법은 교반관입 고화처리공법을 말하며, 해저 연약지반을 경화제를 이용해 굳혀 구조물을 지지할 수 있는 지반으로 개량하는 기술이다. 연약지반(점성토, 사질토, 유기질토) 내에 시멘트 경화재와 물을 혼합한 주입재를 저압으로 주입하면서 해저 지반인 연약토를 특수 교반기의 회전에 의해 교반 혼합하고, 시멘트의 경화반응을 이용하여 원지반 내에 고화시켜 원주형 및 직사각형의 말뚝체를 조성하여 차수공, 토류공, 기초공 지반의 안정강화 등을 목적으로 다양하게 적용되는 공법으로 연약지반을 견고한 지반으로 개량하는 공법이다(Japan Building Center, 2010).
이와 같은 DCM 개량 시 시멘트의 주입/교반에 의해 원지반 상부로 융기되는 부상토의 발생량과 부상토의 지지력 특성 등은 지반개량공사에서 공사비의 증감, 기초지반 안정성 확보여부를 판단하는데 주요 영향인자로 고려된다.
현재까지 부상토 발생량과 관련된 설계는 주로 육상공사에서의 심층혼합처리공법 설계·시공 매뉴얼(Civil Engineering Research Cente, 2004)의 제안식과 국내 시공사례를 참조하여 부상토의 발생량을 고화재 투입량의 약 70% 수준으로 예측하여 이를 설계에 적용하고 있다. 일본의 육상공사 DCM 매뉴얼과 시멘트처리공법 협의회의 경우에는 70~80% 정도의 융기율을 제시하고 있다. 일본의 파워블렌더협회의 경우, 점성토는 100~130%, 사질 점토는 50~100%, 사질토는 0~60% 정도가 부상될 수 있음을 제시한 바 있다(Japan Civil Engineering Research Institute, 2007). 일본의 경우 융기각으로 40°를 제시하고 있으나, 국내의 경우 41°~76°로 광범위하게 측정되고 있으며, 쇄석 매트를 포설한 현장의 경우 최대 76°까지 융기각도가 증가할 수 있다(Kang, 2017).
이와 같이 부상토의 발생량은 지반조건, DCM 시공방법, 개량율 등에 따라 차이를 나타내며(Moon, 2009), 실제 현장 시공 시 설계에 적용된 부상토량과의 큰 차이로 인해 추가 굴착, 폐기물처리 등의 공사비 증가와 공기지연 등이 발생되고 있는 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 DCM 실내 시험시공을 통해 실제 현장에서의 부상토 발생량과 범위 등 부상토의 융기 특성을 정량적으로 분석하고자 하였다. 즉, DCM 공법 일련의 시공과정을 실제 현장과 근사하게 대형토조에서 재현함으로써 부상토의 발생량을 예측하고 부상토의 융기고, 확산범위, 확산각, 융기량 등의 융기 특성을 평가하고자 하였다.
2. 시 험
2.1 시험장비 및 조건
본 연구에서는 상사율을 고려한 DCM 교반기를 제작하였다. 즉, 단위 축당 ∅1,600mm, 4축 DCM 교반 제원에 대해 상사율 1/70을 고려하여, 시험시공 교반장비는 ∅50mm을 적용한 장비를 제작하였다(Fig. 1).
평면변형율 조건으로 한 개의 케이슨을 거치하는 것으로 DCM 실내 시험시공을 계획하였고, 상사율을 고려한 토조크기는 W2,400mm×L600mm×H1,200mm로 제작하였다. 검토 표준단면도를 바탕으로 상사율을 적용한 대형토조의 단면은 Fig. 2와 같다. 지층구성은 하부 모래층 위에 점토층을 재조성(원지반 함수비 100%)하고 총 50.0m의 점성토층을 재현하였다.
시험에 사용한 점성토는 ○○현장에서 채취한 원지반 시료를 균질하게 혼합하여 함수비를 조정하여 대형토조에서 재구성하였으며, Table 1에 현장 점성토 물성의 대표값을 나타내었다.
Table 1.
Soil properties
2.2 시험시공 단면 및 순서
DCM 장비의 직경이 1,600mm이고, 4축 DCM 장비에 대한 환산단면은 Fig. 3과 같다. 환산단면에 대하여 상사율(1/70)을 적용한 시공평면도는 Fig. 4와 같으며, 시공평면도에 따른 시험시공 순서는 케이슨 단면을 따라 장주와 단주를 반복하면서 실내 시험시공을 실시하였다(Fig. 5). Fig. 6은 이와 같은 일련의 시험시공 과정을 보여주고 있다.
2.3 시험방법
본 연구에서 수행한 실내 시험시공의 절차와 방법을 정리하면 다음과 같다.
1) 교반날개의 토출방식과 호스펌프(정량펌프)의 성능 등 투입 장비를 검증하여 시공장비의 적정성을 확인
2) 물시멘트비(W/C=0.8)를 중량비에 맞추어 계량하고, 물시멘트 혼합용기 안에서 혼합 및 교반
3) 타설장비를 설치하고 관입, 분사 및 교반 날개를 장착한 후 이동레일을 이용하여 타설위치로 이동하여 고정
4) 교반날개 회전모터를 켜서 회전속도를 조절하고, 관입모터를 켜서 관입속도를 조절한 후 DCM 교반날개 관입
5) 설계 심도까지 관입되면 교반날개를 인발하면서 주입 밸브를 개방하여 시멘트 주입(인발 주입)
6) 1행 1열 장주 타설이 완료되면 1행 2열 위치로 이동하여 상기의 조작을 반복함
7) 1행 35열 장주의 타설이 완료되면 2행으로 이동하여 장주와 단주를 구분하여 타설작업을 반복하며, 13행까지 DCM 타설함. 원지반층 인발주입이 끝나면 상부 부상토에서 인발 속도를 조작하여 부상토 개량을 실시
8) 부상토 융기량 측정 후, 부상토 경화 전 기초사석 포설 등 유용을 위해 일정 두께 이상 제거 후 수중 양생
2.4 DCM 부상토 융기량 측정
DCM 부상토의 융기형상과 융기량을 파악하기 위하여 DCM 실내 시험시공 후에 레이저 거리측정기를 사용하여 원지반으로부터의 융기고를 측정하였다(Fig. 7(b)). 부상토 융기고의 측정간격은 모형토조(2,400mm×600mm)에 대하여 80mm 간격으로 총 150개(세로 13행×가로 31번)의 위치에서 융기고를 측정하였다. 기준높이는 점토층 상부면과 상부 포설모래층의 상부면을 미리 측정하여 기록하고, 측정된 부상토 융기고에서 기준 상부면의 높이 차이를 구하였다.
3. 결과 분석
3.1 시험시공 결과
DCM 대형토조 시험시공 결과, 관입 시 융기량보다 인발 시 융기량이 더 많이 발생하였고, 1행부터 13행까지 인발주입하였을 때 주입행을 진행할수록 융기고가 증가하였다. DCM 개량구간 내에서 상사율로 환산한 실제 융기고는 0~8.18m로 평균 3.50m로 관측되었고, 개량구간 좌우측 바깥쪽은 점토+시멘트 부상토가 흘러내리는 형상으로 융기고가 급감하고 있다(Fig. 8).
상사율로 환산한 부상토의 실제 확산범위는 개량구간 좌우측 바깥쪽으로 28.0~38.0m 까지 분포하였다. 1행부터 13행까지의 부상토 위치 중 각 장주행에서 부상토 융기고의 형상과 값은 Fig. 9와 같다.
3.2 DCM 부상토의 융기 특성
본 연구에서는 SURFER 프로그램과 Kriging 기법을 사용하여 부상토 융기형상을 3차원으로 표출하고 부상토 융기량을 산정하였다. 부상토의 융기형상을 구체화하기 위하여 측정된 융기고를 SURFER 프로그램에 입력하여 표출한 융기형상은 Fig. 10~Fig. 11과 같다. 부상토 융기형상은 육안으로 관찰한 바와 같이 인발주입이 진행되면서 융기고가 증가하고, 개량구간 중앙에서 융기고가 높고 좌우측으로 갈수록 낮아지는 경향을 보인다.
케이슨 한 개에 대하여 실내 시험시공한 결과, 프로그램으로 계산한 부상토의 총융기량은 19,901m3로 주입한 물시멘트량 16,992m3와 비교하면 주입량 대비 융기량은 85.4%로 분석되었다. 또한, 부상토 확산각은 개량심도 50.0m에 대하여 30.0~38.0°로 측정되어 평균 34.0°로 평가되었다. Fig. 12~Fig. 14는 이와 같은 부상토 융기량 해석 결과를 보여주고 있다.
한편, 본 연구에서 수행한 DCM 실내 시험시공과 프로그램을 이용한 분석 결과를 토대로 DCM 타설 심도별 부상토의 융기량을 예측하였다. Fig. 15는 개량심도 40.0m와 60.0m일 때 부상토 융기량의 예측 결과를 각각 보여주고 있다.
3.3 평가 및 고찰
DCM 시공 시 발생되는 부상토(Heaving soil)는 교반날개(Mixing blade)의 회전으로 원지반이 교란되어 점토 입자가 분리되고 주입된 고화재와 혼합되어 교반 케이싱(롯드, Rod) 틈을 따라 지면으로 부상된 후 해저면에 쌓여 발생한다. 즉, DCM 부상토란 DCM 공사 시에 시멘트 슬러리와 원지반 토사가 혼합되어 일부가 지반 상부로 상승하여 지표 부근에 일정한 두께로 퇴적되어 시간이 경과됨에 물리적, 역학적 특성이 변화되는 시멘트 혼합 부상물로 정의할 수 있다.
이와 같은 부상토의 발생량과 발생 범위는 현장 실측자료의 부족 등으로 정확한 예측은 어려우나, 국내·외 시공사례 분석결과 총 주입 슬러리량(Slurry)의 약 70% 정도로 적용되고 있다(Kitazume, 2013). 그러나, 최근 실측 사례에서의 부상토 융기율은 일본 DCM 메뉴얼에서 108%, 국내 시공사례에서는 85%~130%로 확인되고 있다. 이와 같이 부상토의 발생량과 발생 범위는 현장 시공 및 지층 조건 등에 따라 큰 폭으로 변동되므로 설계 시 적용해야 하는 융기율 산정이 매우 중요하다.
융기범위의 경우, SCP공법(Sand Compaction Pile)과 유사한 것으로 알려져 있으며, 타설반대 방향으로 40~45°, 타설방향으로 55~60° 범위에 있을 것으로 예상하고 있다(Kitazume, 2005). 실제 신뢰도 높은 부상 형상을 확인하기 위해서는 이론적 방법이나 사례보다는 실제 개량율과 슬러리 주입량, 시공 순서 등을 실내에서 구현한 시험시공 등을 통해서 결정하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다.
DCM 공법 적용 후 발생되는 부상토는 과거 일반적으로 제거하였지만, 경제적 측면으로 부상토를 유용하고자 하는 현장과 DCM 공법 적용 후 시간이 경과되어 일정 이상의 압축강도를 가져 제거하기가 어려운 현장 등과 같이 DCM 부상토를 유용하고자 하는 현장에서는 부상토에 대한 연구가 부족하여 유용하는데 상당한 어려움을 겪고 있는 실정이다.
DCM 부상토를 유용하고자 하는 경우, DCM 공사에 발생한 부상토는 일반 해저 준설토와는 다르므로 준설 시기에 따른 부상토의 환경적인 영향, 부상토의 강도 발현 문제, 부상토의 부상으로 인한 준설토의 심도 등을 검토하여 처리해야 한다. 부상토의 제거 또는 유용 계획을 수립하는 경우, DCM 시공 시 발생되는 부상토의 양과 형상을 평가해야 한다. 이를 위해 유사공법인 SCP공법의 사례를 검토하고, DCM 공법의 국내·외 사례 등을 종합적으로 검토해야 할 필요가 있다. 또한, 실내 시험시공을 통해 현장 조건과 설계 조건을 고려한 부상량과 높이를 측정하여 사례 조사 결과와 비교·분석이 필요하다.
상기와 같은 일련의 기술 검토로 미루어 볼 때, 본 연구에서 수행한 DCM 실내 시험시공과 SUFFER 프로그램 분석을 통한 실제 현장의 부상토 융기 특성에 대한 제반 분석결과는 향후 심층혼합처리공법 설계 시 의미있는 자료가 될 것으로 기대한다.
다만, 본 논문의 연구결과는 특정 지반조건에 대해서 수행된 것이다. 즉, 본 연구는 제한된 지반조건(실험조건)에서 실시한 실험에 근거한 것으로서, 실제 DCM 공법의 부상토 발생량과 범위는 지반조건(흙의 종류, 밀도, 함수비, 입도분포 등) 및 주입재의 분말도와 W/C, 시공장비의 특성(롯드 및 교반날의 형상, 교반속도, 근입 및 주입속도 등)에 따라서도 영향을 받을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 DCM 부상토의 융기 특성을 정량적으로 분석하기 위해 케이슨 1개의 실제 시공조건에 상사율을 적용하여 DCM 실내 시험시공을 실시하고 부상토 융기고를 측정하였다. DCM 실내 시험시공 후 부상토의 융기형상, 융기고, 부상토 확산 범위를 측정하여 결과를 분석하였으며, SURFER 프로그램과 Kriging 기법을 사용하여 부상토 융기형상의 3차원 표출 및 부상토 융기량를 산정하였다. 이와 같은 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) DCM 대형토조 시험시공 결과, 개량구간 내에서 상사율로 환산한 실제 융기고는 0~8.18m로 평균 3.50m로 관측되었고, 개량구간 좌우측 바깥쪽은 점토+시멘트 부상토가 흘러내리는 형상으로 융기고가 급감하였다.
(2) 상사율로 환산한 부상토의 실제 확산범위는 개량구간 좌우측 바깥쪽으로 28.0~38.0m 까지 분포하였고, 실내 시험시공에서 1행부터 13행까지의 부상토 위치 중 각 장주행에서 부상토 융기고의 형상과 값을 정량적으로 제시하였다.
(3) 케이슨 1개에 대하여 실내 시험시공한 결과를 프로그램으로 계산한 부상토의 총융기량은 19,901m3로, 주입한 물시멘트량 16,992m3과 비교하면 주입량 대비 융기량은 85.4%로 분석되었다. 부상토 확산각은 개량심도 50.0m에 대하여 30.0~38.0°로 측정되어 평균 34.0°로 평가되었다.
(4) 부상토의 발생량과 발생 범위는 현장 실측자료의 부족 등으로 정확한 예측은 어려우며 현장조건 등에 따라 큰 폭으로 변동되므로 설계 시 적용해야 하는 융기율 산정이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서 수행한 DCM 실내 시험시공과 SUFFER 프로그램 분석을 통한 실제 현장의 부상토 융기 특성에 대한 연구결과는 향후 심층혼합처리공법 설계 시 의미있는 자료가 될 것으로 기대한다.
