KR100371990B1

KR100371990B1 - 고함수비 흙-시멘트 성토공법

Info

Publication number: KR100371990B1
Application number: KR10-1999-0047322A
Authority: KR
Inventors: 김현태
Original assignee: 농어촌진흥공사
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2003-02-14
Also published as: KR20010039088A

Abstract

본 발명은 함수율이 높은 뻘흙 등의 연약지반토를 제방 등의 성토재로 유효하게 사용하기 위한 고함수비 흙-시멘트 성토재의 조성방법을 제공하기 위한 것으로서, 간척지와 같은 연약지반에서 채취한 고함수비 흙을 주재로 하고, 이 흙에 대하여 시멘트 2∼5무게%를 교반기에 투입 교반하여 단단한 잔 흙덩어리상으로 배출시켜 성토하는 고함수비 흙-시멘트 성토공법이다.

Description

고함수비 흙-시멘트 성토공법{Wet fill method with soil-cement mixing}

본 발명은 함수율이 높은 뻘흙 등의 연약지반토를 농로나 하천 제방 등의 성토재로 유효하게 사용하기 위한 고함수비 흙-시멘트 성토재의 조성방법에 관한 것이다.

도로의 개설이나 확장에 있어서의 보조기층공사의 보조기층재, 해안이나 간척지 제방공사 등의 사면보호공사에 있어서의 성토재를 조성하는 데 쓰이던 흙-시멘트는 양질토나 지질토를 적당히 건조시켜 함수비를 낮춘 흙에 적량의 시멘트를 혼합하여 사용하는 것이 일반적이다. 지금까지는 일축 압축강도 5㎏/㎠ 이상의 고강도 흙-시멘트에 대한 연구가 주류를 이뤘다.

도로공사나 제방공사현장에서 멀지 않은 곳에 토사 채취장이 있는 경우에는 흙의 운송시간이 짧아 단가결정과 공기내 완공에 문제가 생길 소지가 적지만 흙채취장이 공사현장에서 원거리에 위치하여 운송비가 차지하는 비율이 높은 경우에는 문제가 심각해진다.

더구나 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 현실정하에서는 환경을 해칠 가능성이 있는 예정공사에 대한 민원성 반발이 우려되어 현장 부근의 야산을 흙채취장으로 개발하는 것을 어렵게 한다.

이런 저런 사정을 고려할 때, 현장 부근에서 저비용으로 조달할 수 있는 저가치 고함수비의 간척지토와 같은 흙을 도로의 성토단면이나 제방 등의 성토재료로 활용할 수 있는 길이 있다면 성토재료의 조달편의와 비용절감, 공기내 완성도 증대는 물론 더 나아가서는 환경보호적 관점에서도 여간 바람직한 일이 아닐 것이다.한편, 본 발명의 선행기술로 공개특허공보 제1999-10598호의 농사용 도로포장방법이 있다. 이 선행가술은 도로가 개설될 현장에서 도로의 방향을 따라 일정한 깊이로 파낸 흙을 가까운 곳에 야적하여 분쇄한 야적토 20㎥당 2,400kg의 시멘트를 섞고, 여기에 고화제:물 = 20kg:200ℓ의 비율로 조성된 고화제 수용액을 살포하여 버무린 교반토를 도로개설현장의 파낸 자리에 소정의 두께로 포설하고 다져서 습윤양생시키는 과정을 2차례 반복하여 농사용 포장도로를 개설하는 것인 바, 개설될 도로의 일정구간의 기반을 소정의 깊이로 파낸 흙을 인근 야적장으로 옮겨 터파기공사 종료시점까지 경과함에 따라 불가피하게 함수비를 낮추는 과정과 2차에 걸쳐 교반토를 포설하고 다져서 습윤양생시키는 과정 및 시멘트 사용량이 모토의 11배를 상회하는 점에서 공기가 더디고, 많은 인력과 장비 그리고 다량의 시멘트를 사용함에 따라 시공경제성이 낮은 것이 단점이다.

본 발명은 특히 간척지의 함수비 높은 연약지반토를 저가의 훌륭한 성토재료로 활용할 수 있는 길을 트기 위한 것이다.

본 발명은 고함수비의 간척지토에 시멘트 2∼5 무게%를 혼합하고, 이 혼합토를 조각날개가 나선상으로 부착된 한 쌍의 교반 스크류가 내장된 교반기에 투입하여 시멘트가 골고루 섞여서 꼬들꼬들하고 딱딱한 잔 흙덩어리로 배출함으로서 저시멘트함량 고강도 혼합처리토를 조성하는 것을 골자로 하는, 산토(山土)대용의 고함수비 흙-시멘트 성토공법을 제공한다.

도 1은 함수비 59% 해성 점토와 시멘트 혼합처리토의 7일 양생 후 일축압축강도를 나타낸 그래프

도 2는 시멘트 혼합 처리 후의 양생날짜별 일축압축강도를 나타낸 그래프

도 3은 시멘트 함량별 일축압축강도를 나타낸 그래프

도 4는 고함수비 흙-시멘트 혼합 처리토의 일축압축강도특성도

도 5는 무처리 연약지반토 현장함수비 ω=25% 조건에서 다짐 후 4일 수침조건의 CBR증가특성도

도 6은 시멘트 혼합 처리토와 무처리토의 CBR증가특성도

도 7은 시멘트 혼합 처리 시험시공의 응력 변위곡선도

도 8은 시멘트 첨가량별 일축압축강도증가표

고함수비 간척지반토에 시멘트 또는 시멘트계 고화재를 혼합 처리하면 흙의 전단강도가 크게 증가하고 압축성은 크게 감소되어 성토재로 사용이 가능하다. 여기서, 고함수비 간척지반토를 고강도와 경제성있는 성토재료로 개량하는 데는 흙과 시멘트의 배합비가 대단히 중요하다.

본 발명의 요체는 0.5∼2㎏/㎠ 의 저강도 성토재를 얻기 위한 시멘트함량 2∼5 무게%의 흙-시멘트제 성토재료이다. 시멘트함량이 2무게% 미만에서는 원하는 강도가 발현되지 않고 시멘트함량이 6 무게% 이상이면 일반 산토에 비해 비경제적이다.

흙-시멘트의 성토재료로서의 소요강도중 성토단면 시공을 위한 소요강도에 있어서, 고함수비의 연약지반토를 성토재료로 활용하기 위해서는 우선 성토 시공 중에 발생하는 사면활동파괴현상이 일어나지 않도록 충분한 전단강도를 가진 흙으로 개량해야 한다.

그리고 연약지반 위에서 2m 이하의 낮은 성토고에서는 안전율 1.2를 기준으로 할 때 비배수전단강도가 c_u=0.2㎏/㎠ 이면 성토가 가능하고 성토고가 10m인 경우에는 c_u=1.2㎏/㎠ 정도로 높은 강도가 요구된다.

그러므로 연약지반 위에 고함수비의 연약지반토를 성토재료로 이용하기 위하여는 시멘트 혼합처리 등의 개량공법으로 비배수전단강도 c_u=0.2∼1.2㎏/㎠을 갖는 성토재료로 개량하는 것이 필요하다.

또, 성토단면에 차량의 통행을 위하여는 소요의 지지력비를 갖는 성토재료로 성토해야 하며, 이에 따라 고함수비의 연약지반토에 시멘트를 혼합 처리하여 차량주행을 위한 성토재료로 사용하기 위하여는 소요의 지지력비를 갖도록 개량하여야만 한다.

도로공사표준시방서 205-2항에 도로 노상로의 소요지지력비는 수정 CBR=10% 이상, 보조기층은 도로공사표준시방서 602-2항에 수정 CBR=30% 이상으로 규정하고 있다.

이 기준을 인용하면 성토공사중에 CBR=10% 이상이면 차량주행이 가능하고, 성토완료 후 간이포장개념의 공사용 도로로서는 CBR=30% 이상의 강도를 갖는 성토재료로 개량하는 것이 필요하다.

성토재료로 활용할 흙의 함수비별로 시멘트의 첨가량별 개량효과를 확인하기 위하여 흙의 함수비별, 시멘트함량별 일축 압축시험, CBR 시험 및 삼축 압축시험을 실시하고, 압축성의 개량을 확인하기 위하여 압밀시험을 실시하였다.

일축압축시험

도 1에서, 현장함수비 59%, 일축 압축강도 q_u=0.04㎏/㎠의 흙에 시멘트 3 무게% 를 첨가하면 성토재료로 쓰기에 충분한 일축압축강도 q_u=1.1㎏/㎠ 를 얻을 수있는 것으로 나타났다.strain

도 2에서, 상기 성토재료는 양생일수가 경과하면서 강도가 증가한다는 사실이 확인되었다.

도 3과 도 4에서, 고함수비 해성점토에 일반 시멘트를 혼합 처리한 혼합 처리토의 일축압축강도면에서는 시멘트 함량이 높을수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다.

또, 무처리 고함수비 해성점토의 일축압축강도는 q_u=0.04㎏/㎠으로 강도가 매우 낮은 데 대하여 시멘트를 3무게% 혼합한 경우에는 q_u=1㎏/㎠, 5무게%의 시멘트를 혼합한 경우에는 q_u=3㎏/㎠ 으로 강도증가가 두드러졌다. 이것은 성토재료의 소요강도 q_u=0.4∼1㎏/㎠ 와 비교하면 대단히 높은 강도이다.

각 조건별 강도증가특성을 보면 고함수비 흙에서는 적은 배합비(흙의 건중량비 2%) 에서는 전혀 강도증가효과가 없으나 강도증가효과가 나타나기 시작하는 배합비에서는 시멘트 첨가량에 거의 직선적으로 비례하여 일축압축강도가 증가함을 알 수가 있다.

지지력비 시험

시멘트 혼합처리토의 차량통행가능성을 확인하기 위하여 시멘트처리 후 7일간 수침양생조건에서 CBR관입시험을 실시하였다.

해성점토를 최적함수비 ω=25%의 조건으로 CBR시험용 몰드에 5층, 각 층별로 25회와 55회로 다지고 4일간 수침 후 CBR 관입시험결과를 도 5에 표시한다. 여기서, CBR=2.5∼5.5%의 값을 갖는 흙은 도로노상용 성토재료로서는 사용하기 곤란하다.

그러나 함수비 ω=25%의 해성점토를 시멘트와 혼합처리하고 이것을 각 층별로 25회씩 다지고 7일간 수침 양생한 후 CBR시험한 결과를 나타낸 도 6을 보면 무처리토는 CBR=2.5%인 데 대하여 시멘트 5%가 혼합된 해성점토는 CBR=36%, 시멘트 10%가 혼합된 해성점토는 CBR=77%로 나타난 것으로 미뤄볼 때 도로의 노상용 성토재료로 충분히 사용할 수 있음이 확인되었다.

표 1. 해성점토의 시멘트혼합처리 후 CBR시험결과

다음으로, 이상의 시험결과를 토대로 고함수비 흙시멘트 성토공법에 대하여 설명한다.

고함수비 흙의 시멘트 혼합처리공법에 대한 실내시험결과, 개량효과가 큰 것으로 확인되었으나 현장에서 실제로 시멘트 혼합처리공법을 적용함에 있어서는 현장시공조건에서 혼합처리토의 개량효과가 실내시험결과와 같은 효과를 얻을 수 있는지의 여부를 확인할 필요가 있다.

또한 설계에 반영해야 하는 현장시공상의 공정과 혼합, 포설 및 다짐공정상의 전단강도 및 압축특성에 영향을 주는 요소와 그 영향정도를 확인하여 설계 또는시공관리상의 유의점을 도출하기 위해서도 공법의 시험시공은 필요하다.

시험시공지는 간척지 내에 점성토가 많은 경기도 안산시와 대부도 사이에 시공된 시화지구 간척지의 대부도 지구를 선정하였다. 이 지구의 흙은 해성점토로서 현장함수비 ω_n=46∼52%, 액성한계 LL=48.6%의 점토(CL)로서, 그 흙의 물리성은 표 2.와 같다.

표 2. 흙시멘트 혼합처리 시험시공 흙의 물리성

1차 시험시공:

표층건조토를 제외하고 심층의 고함수비토만을 굴착하여 시멘트 3%를 혼합한 혼합처리재를 20㎝ 두께로 노면에 성토하고 포크레인의 버킷으로 꾹꾹 눌러다졌다.

현장에서의 흙-시멘트 혼합결과를 비교하기 위하여 시멘트 3% 혼합조건의 배출토와 시멘트가 혼합되지 아니한 순흙을 교반기에 넣어 배출했을 때의 상태를 비교해 보면 시멘트가 전혀 혼합되지 않은 흙은 마치 떡가래처럼 죽상태로 배출되는데 대하여 시멘트가 혼합된 흙은 단단하면서도 꼬들꼬들하고 딱딱한 잔 흙덩어리 상태로 배출되는 것으로 봐서 혼합과정에서부터 강도상으로 두드러진 차이가 드러난다.

2차 시험시공:

도로의 노상에 대한 시멘트 혼합처리토의 사용가능성을 확인하기 위하여 일반 비포장도로를 20㎝ 가량 깊이 굴착 정리하고 그 위에 시멘트 3무게%를 혼합 처리한 흙을 성토하고 백호로 다졌다.

시험시공결과:

성토시공현장에 고함수비 흙-시멘트 혼합장비(교반기)를 비치하고 그 자리에서 시멘트 혼합 처리한 흙으로 일축압축시험용 몰드를 제작하여 현장시험포내에 현장조건과 같이 양생한 시편과 실내에서 습윤양생한 시편에 대하여 일축압축강도시험을 실시하였다.

도 7에서 보듯이, 시험결과 응력-변위곡선은 실내양생보다도 현장양생조건이 더 높은 강도와 탄성계수를 나타내는 것으로 확인되었다. 또, 시멘트 첨가량별 일축압축강도는 도 8과 같이 실내양생보다도 현장양생조건이 더 우수한 일축압축강도를 갖는 것으로 확인되었다.

이같은 결과는 현장조건이 대기건조에 의해 흙의 함수비가 낮아지고 건조수축이 발생되어 단위중량은 증가하고 강도가 증가한 때문으로 보여진다. 그러므로 현장에서 완전하게 혼합시킬 수 있는 혼합장비를 사용하고 대기건조에 의하여 혼합 처리된 흙이 어느 정도 대기 건조될 수 있는 여건 하에서는 시멘트의 배합비 결정시 할증을 고려않아도 무방하다는 사실을 확인할 수 있었다.

고함수비 흙-시멘트제 혼합처리토의 현장시험시공분석결과에 따르면 실내에서 혼합하는 것보다도 더 양호한 상태로 혼합 처리할 수 있고 일축압축강도도 성토재료로서 필요한 비배수 전단강도 c_u=0.2∼1.2㎏/㎠ 를 충분히 발휘할 수 있는 것으로 확인되었다.

그리고 도로 위에 고함수비 흙-시멘트를 40㎝ 두께로 성토하고 차량주행시험을 실시한 결과 처리한 후 1∼2시간이 지난 뒤에는 궤도형 장비의 주행이 가능하였으며, 3일 후에는 승용차의 주행도 가능하였다.

본 발명에 맞도록 특별히 개발한 혼합장비를 이용하여 고하수비 흙을 시멘트혼합처리 하면 실내 지지력비시험에서 확인한 것과 같이 현장에서 충분한 소요 CBR값을 발휘케 하여 공상용 도로는 물론 농로의 간이포장도로의 보조기층대체 성토단면으로 사용할 수 있음이 확인되었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 함수율이 높기 때문에 그 자체로는 도저히 성토재료로 사용할 수 없던 간척지토에 2∼10무게%의 시멘트만을 섞고 교반하여 전단강도 0.5∼2㎏/㎠의 딱딱한 잔 흙덩어리상으로 배출시켜 성토재료화하는 것으로서, 산토에 버금가는 강도의 도로용 보조기층재나 사면보호재, 제방의 사면보호재용 성토재료로 조금도 손색이 없으면서도 기재인 고함수비 간척지토의 조달이 용이하여 흙 조달비와 운송비가 크게 절감되고, 산토의 채취를 위하여 야산을 무책임하게 개발하는 데 대한 환경파괴의 부담과 그로 인한 민원의 고민으로부터도 안심이 된다.

Claims

간척지와 같은 연약지반에서 채취한 고함수비 흙에 시멘트를 배합하여 성토재로 함에 있어서, 고함수비 흙에 대한 시멘트의 함량을 2∼5무게%로 하여 교반기에 투입하고 교반하여 단단한 잔 흙덩어리상으로 배출시켜 성토하는 것을 특징으로 하는 고함수비 흙-시멘트 성토공법.