KR100539179B1 - 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토매립지반의 표층 고결 촉진공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 준설토로 매립된 지반의 표층부를, 저비용으로 조기에 안정시켜 토목공사용 장비나 공장설립용 장비가 주행할 수 있도록 고결을 촉진시키기 위한 공법으로서, 해안 매립예정지의 해안쪽 윤곽을 따라 석재로 석축을 축조하고, 인근 바다를 준설하여 채취한 준설토를 계획성토높이보다는 1∼2m 낮게 성토하여 자중에 의해 압밀 침하되고 물은 위쪽으로 솟게 하는 기층 성토층을 조성하며, 하층은 기층 성토층의 물을 수평으로 배수하는 배수재로 이뤄지고 상층은 배수재의 물이 수직으로 상승하여 표층 성토층의 조기 고결을 방해하지 못하게 차단하는 차수막으로 이뤄진 분리층을 상기한 기층 성토층 위에 포설하고, 분리층으로부터 잔여 계획성토높이까지는 준설토로 성토하여 대기에 의해 건조되어 장비가 주행할 수 있기까지 대략 1∼2년이 걸리던 것을 절반 이하로 대폭 단축시킴으로서 고가의 자재와 막대한 장비 및 인력 동원이 불가피하고 부수적인 표층처리 없이도 경제적으로 차량 등의 장비 진입과 주행이 가능한 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 고결 촉진공법을 특징으로 한다.

Description

자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 고결 촉진공법 {Quick Surface Strengthening of Soft Dredged Clay Fill by Dividing the Layer into Self Consolidation and Desiccation}

본 발명은 매립지 인근의 해역에서 채취한 해성 점성토로 해안 매립지의 표층부의 조기 고결을 촉진하여 저비용으로 공사용 장비의 진출입이 가능한 단단한 지반으로 조성할 수 있게 한 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 고결 촉진공법에 관한 것이다.

공장부지나 농업용지를 확보하기 위한 해안은 대체로 지반이 낮기 때문에 지반을 높이기 위한 성토가 필요하다. 통상, 해안 매립에 소요되는 성토재는 매립지 인근 야산에 토석채취장을 개발하여 거기서 채취한 토석으로 성토하는 것은 아주 보편화된 매립방법이다. 토석채취장은 개발비가 막대하다. 또, 자연도 파괴되고, 토석채취장을 폐쇄한 후에 복구하는 비용도 만만찮다.

그런데 이 마저도 여의치 못해 검토가 필요한 해안 매립지가 있다. 성토에 적합한 토석을 채취할 야산이 매립예정지 부근에서 찾기 곤란한 경우다. 매립예정지에서 개발할 토석채취장이 원거리일수록 운송비가 차지하는 비율이 높아 비경제적이며, 성토재를 적기에 조달하기도 곤란하다.

이처럼 뭍에서 성토재료를 조달하기가 곤란한 해안 매립지에서 인근 해역을 준설할 때 발생하는 준설토를 성토재로 활용하는 이른바 준설성토법이 채택되고 있다.

준설성토의 준설시 함수비는 500∼1000%에 달한다. 준설토의 주성분이 모래인 경우에는 이것으로 성토된 매립지반은 조기에 단단해지므로 크게 문제될 것은 없다. 문제는 해성 점성토가 주종인 준설토인 경우다. 해성 점성토로 조성된 매립지반은 성토 후의 표층이 아주 연약하다. 연약한 표층부는 농지조성이라든지 혹은 공장부지 조성 등에 필요한 장비를 투입하기가 불가능하다. 차량을 비롯한 장비의 주행이 불가능하다.

이러한 이유에서 준설토로 성토된 매립지반의 표층이 고결되어 초습지 장비의 진입이 가능하면 연직배수공법 등의 지반개량이 가능하므로 준설토로 성토한 후에는 되도록 빨리 표층을 고결시키는 것이 필요하다.

이 분야에 관련된 매립지반의 표층 고결공법으로는 진공압밀공법과 고화재 혼합처리 공법, 보강재료 포설공법, 모래 포설공법, PTM공법 등이 제안되어 있지만, 어느 것이나 표층부가 고결되기까지는 1, 2년 이라는 상당히 오랜 기간을 기다려야 한다. 때문에 후속 공사의 착수시기가 지연은 불가피해 이로 인해 입을 경제적 손실은 이만 저만 큰게 아니다.

뿐만 아니라 표층부의 고결에 투입되는 자재수가 많고 장비와 인력 동원에도 막대한 예산이 소요되기 때문에 비경제적이다.

따라서 본 발명의 목적은 해성 점성토가 주성분인 준설토로 매립된 지반의 표층부를, 저비용으로 조기에 안정시켜 토목공사용 장비나 공장설립용 장비가 주행할 수 있도록 고결시킬 수 있는 새로운 공법을 제공하는 것이다.

이러한 과제는 해안 매립예정지의 해안쪽 윤곽을 따라 석재로 석축을 축조하고, 인근 바다를 준설하여 채취한 준설토를 계획성토높이보다는 1∼2m 낮게 성토하여 자중에 의해 압밀되고 물은 위쪽으로 솟게 하는 기층 성토층을 조성하며, 하층은 기층 성토층의 물을 수평으로 배수하는 배수재로 이뤄지고 상층은 배수재의 물이 수직으로 상승하여 표층 성토층의 조기 고결을 방해하지 못하게 차단하는 차수막으로 이뤄진 분리층을 상기한 기층 성토층 위에 포설하고, 분리층으로부터 잔여 계획성토높이까지는 준설토로 성토하여 대기에 의해 건조되어 장비가 주행할 수 있기까지 대략 1∼2년이 걸리던 것을 절반 이하로 대폭 단축시킴으로서 고가의 자재와 막대한 장비 및 인력 동원이 불가피하고 부수적인 표층처리 없이도 경제적으로 차량 등의 장비 진입과 주행이 가능한 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 고결 촉진공법으로 달성할 수 있다.

도 1에서, 매립 대상 지역의 해안에 매립경계를 따라 석축(1)을 축조한다. 석축(1)은 기층 성토층의 준설토가 자중에 의해 압밀되는 동안 상부를 향해 상승하는 물이 기층 성토층의 상부에서 수평으로 이동하여 석축(1) 밖으로 배수되기 쉽게 하려는 의도가 포함돼 있다.

석축(1)의 안쪽에는 인근 바다에서 채취한 준설토로 성토한다. 이렇게 성토한 것을 기층 성토층(2)이라고 한다. 여기서 준설토란 해성 점성토를 주로 한다. 기층 성토층(2)은 준설토의 종류와 함수율에 따라 계획성토높이에서 1∼2m 낮게 조성한다. 예를테면, 뻘 비율이 높은 준설토는 니질이 높고 함수율이 높으므로 더디 자중압밀될 것이므로 낮게 성토하여 이 보다는 조기에 고결되는 표층 성토층의 높이를 늘리고, 모래나 자갈비율이 높은 준설토는 자중에 의한 압밀속도가 뻘 비율이 높은 준설토에 비해 빠를 것이므로 높게 성토하여 표층 성토층의 높이를 낮춤으로써 기층의 조기 압밀과 표층 성토층의 조기 고결화를 함께 기도한다.

기층 성토층(2)의 지표면에 배수 분리층(3)을 조성한다. 분리층(3)은 하층이 배수재(3a)이고 상층은 차수막(3b)으로 이뤄진 것이다. 또는 배수재(3a)를 먼저 포설하고, 배수재(3a) 위에 차수막(3b)을 포설하여 분리층(3)을 구성하는 것도 가능하다. 분리층(3)의 시공성과 배수재(3a) 상에서의 차수막(3a)의 안정을 위해서는 전자의 일체형이 바람직하다.

배수재(3a)는 기층 성토층(2)이 자중에 위해 압밀적으로 퇴적되는 것과는 반대로 상승하는 물을 기층 성토층(2)의 상부에서 수평으로 이동시켜 석축(10 밖으로 배제시킬 수 있는 적절한 통수능을 가진 펠트지, 필터매트, 부직포 등의 토목섬유다.

차수막(3b)은 배수재(3a)에 흡수되는 기층 성토층(2)의 물이 배수 분리층(3) 위에 성토되는 대기건조영역의 표층 성토층으로 상승하지 못하게 차단하기 위한 것으로, 인장장도와 인열강도가 우수한 합성수지 필름 또는 이러한 합성수지가 충분한 두께로 코팅된 강인한 직물 등이다.

기층 성토층(2)과 표층 성토층을 구분하는 분리층이 존재하지 않는 경우에는 표층 성토층이 대기에 의해 건조되는 동안 그 아래로부터 계속 물이 스며들어 표층 성토층의 고결을 지연시키게 된다. 표층 성토층을 개량하기 위한 공사비가 전혀 들지 않는 대기건조에 의한 표층고결공법이 실용화되지 못했던 이유가 여기에 있다.

본 발명에 의해서 비로소 이것이 가능해진 것이다. 배수 분리층(3)의 차수막(3b)은 그 위에 존재하게 되는 표층 성토층의 고결을 촉진시키는 역할을 하기 때문이다.

기층 성토층(2)의 표층에 분리층(3)을 포설하여 자중에 의해 압밀되면서 기층 성토층(2)의 상부로 상승한 물(a)이 수평 배수되는 동안 분리층(3) 위에 잔여 계획성토높이까지 준설토로 성토하여 표층 성토층(4)을 조성한다. 표층 성토층(4)은 자중압밀영역인 기층 성토층(2)에 대하여 대기건조영역이며, 상기한 분리층(3)에 의해 상호 분리된다.

분리층(3) 위에 성토되는 표층 성토층(4)의 두께는 장비의 주행에 필요한 지내력을 발휘하기에 충분한 전단강도와 두께를 갖는 것이 필요하다. 표층 성토층(4)은 준설토의 종류에 따라 1∼2m이 적합하다.

표층 성토층(4)은 한 번에 성토하여 대기의 작용으로 건조시키는 방법과, 2∼5개층으로 나누어 소정의 시차를 두고 단계적으로 성토하여 건조시키는

다단 분할 성토법과, 표층 성토층의 평면적을 바둑판처럼 여러 구역으로 분할하여 한 칸씩 성토해 나가는 균등분할 성토법 등으로도 성토할 수 있다. 분할 성토법은 일괄 성토법에 비해 단단한 표층 성토층(4)을 이룰 수 있어서 효과적이긴 하지만, 선시공된 성토층이 건조될 때까지 준설장비의 휴면기가 길어 매립예산의 증가가 불가피하는 등 비경제적이고 공기도 다소 더딘게 흠이다.

도 2에서, 기층 성토층(2)이 자중에 의해 압밀되면서 상승하는 물(a)은 배수재(3a)를 통해 수평방향으로 이동하여 석축(1) 밖으로 배수되고, 불투수성 차수막(3b)에 의해서는 그 물(a)이 표층 성토층(4)으로 상승하는 것이 철저히 차단된다. 이에 따라 분리층(3) 위에 채워진 표층 성토층(4)에 있는 물(b)만 대기의 작용으로 증발시켜 건조하면 도로개설장비나 공장설립용 자재를 운반하기 위한 차량과 같은 장비의 진입과 주행이 가능한 준설토 매립지반의 표층으로 조기에 고결시킬 수가 있다.

표층 성토층(4)의 전단강도 증가는 대기에 노출된 표층에서 수분의 증발이 이루어져 건조수축되는 과정에서 흙 속의 과잉간극수압이 소산되면서 침하가 발생되고, 간극비와 함수비는 감소하며, 유효응력이 증가하면서 전단강도도 증가한다.

본 발명의 분리층(3)에 의한 매립지반의 표층 성토층(4)의 전단강도가 어느 정도나 증대되는지 그 촉진효과를 확인해보기 위하여 분리층(3)이 있는 본 발명과 그렇지 아니한 경우에 대한 모형시험과 이를 토대로 수치해석을 실시한 결과를 비교하였다.

도 3에서, 표층 성토층(4)에 대한 과잉간극수압의 소산속도는, 배수 분리층에 의해 자중압밀영역과 대기건조영역이 분리된 본 발명(실선. 이하 같음)이 그렇지 아니한 경우(점선. 이하 같음)에 비해 훨씬 빨리 소산되는 것이 확인되었다.

도 4에서, 준설한 해성 점성토로 조성된 매립지반의 침하속도에 있어서도 본 발명이 그렇지 아니한 경우 보다도 훨씬 빨리 진행된다는 사실을 확인할 수가 있다.

도 5에서, 성토 후 1년이 경과한 시점에 과잉간극수압분포를 보더라도 본 발명이 비분리형에 비해 훨씬 많이 소산된 것을 확인할 수가 있다.

또, 도 6과 도 7에서, 간극비와 함수비도 본 발명이 그렇지 아니한 경우 보다도 훨씬 빨리 감소한다는 사실도 확인할 수 있었다.

또한 도 8에서, 유효응력도 본 발명이 그렇지 아니한 경우에 비해 훨씬 빨리 증가한다. 그 결과, 표층의 전단강도는 도 9와 같이 표층 성토층이 분리된 경우가 분리되지 않은 경우와 비교할 수 없을 정도로 대폭 증가하여 두께 50∼100cm인 표층의 전단강도가 0.2kg/㎠ 이상 증대된다는 것을 확인하였다.

한편, 분리층(3) 위에 표층 성토층(4)을 조성할 때 3단계로 나누어 1층을 먼저 준설토로 성토한 후 1개월간 대기건조시키고 2단계에 대한 준설토로 성토하는 방법을 통하여 성토한 경우에는 도 10과 같이 분리층(3) 위에 단계별 성토가 1회 성토했을 때의 수치 이상으로 두께 50∼100cm인 표층의 전단강도가 0.2kg/㎠ 이상 높아진다는 것도 증명되었다.

해성 점성토가 주종인 준설토로 성토한 매립지반의 표층에 관한 장비의 주행성 판정기준에는 층 두께가 50cm 이상에 콘관입저항치 q_c = 2kg/㎠ 이상이면 습지장비의 주행이 가능하다고 규정되어 있는 바, 비배수전단강도(c_u)와 q_c 사이에는 c_u = 1/10 ×q_c의 관계식을 보이므로 c_u = 0.2kg/㎠ 이상이면 습지장비의 주행이 가능한 것으로 판단된다.

즉, 준설토로 성토된 기층 성토층(2)과 표층 성토층(4)을 배수재(3a) 위에 차수막(3b)이 존재하는 분리층(3)로 분리하여 성토하면 성토 후 0.5∼1년내에 대략 50∼100cm의 표층 성토층(4)의 전단강도가 0.2kg/㎠ 이상 발휘되고, 따라서 별도의 표층처리 없이 습지장비가 충분히 주행할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 해안 매립지의 주변 여건상 인근 지역에서 토석채취장을 개발하기가 현실적으로 매우 곤란하고, 또 인근 해역에서 준설모래를 조달하기도 곤란하여 매립지를 조성하기 위한 주변의 지정학적 여건이 열악한 해안 매립현장에서 해성 점성토가 주성분인 준설토를 성토재로 사용하여 해안 매립지를 조성함에 있어서, 종전에는 성토한 지 1∼2년 이상 경과하더라도 장비의 진출입이 불가능하여 후속 공정진행에 여러모로 큰 어려움이 있는데다 매립지반의 안정을 위하여 다단계적으로 성토하는 과정에서 준설장비를 장기간 휴면시키게 됨으로서 매립지반을 조성하는 것이 비경제적이었는데, 본 발명은 준설토로 성토되는 매립지반을 자중에 압밀되면서 상승하는 물이 수직 상승하는 기층 성토층과 기층 성토층의 표층수가 석축을 향해 수평으로 배수는 되지만 표층 성토층으로는 상승하지 못하게 차단시킨 가운데 대기에 의해 자연 건조되도록하는 표층 성토층을 분리층으로 구분하여 매립지반을 조성함으로서 재료비와 설치비가 크게 절감되면서도 준설토로 성토한 지 불과 0.5∼1년이라는 짧은 기간내에 매립지반의 표층부 전단강도를 0.2kg/㎠ 이상 증대시킬 수 있고, 따라서 매립지의 개발에 필요한 장비의 조기 진입 및 주행이 가능하여 공단 등의 조기 조성에 이바지할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 준설토를 성토재로 하는 해안 매립지반의 단면 예시도

도 2는 기층 성토층과 표층 성토층의 고결예상도

도 3은 본 발명(자중압밀영역과 대기건조영역을 분리한 경우. 이하 같음)과 그렇지 아니한 경우의 침하량의 대비도

도4는 과잉간극수압 소산속도의 대비도

도 5 이하는 준설토로 성토한 후 1년이 경과된 시점에서 본 발명의 표층 성토층과 배수 비분리형 표층부에 대한 항목별 시험결과를 나타낸 그래프로서,

도 5는 과잉간극수압 분포도

도 6은 간극비 분포도

도 7은 함수비 분포도

도 8은 유효응력 분포도

도 9는 전단강도 분포도

도 10은 분할 성토한 표층 성토층의 유효응력 분포도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 석축 2: 기층 성토층

3: 분리층 3a: 배수재

3b: 차수막 4: 표층 성토층

Claims (3)

1. 해안 매립예정지의 경계를 따라 석축을 축조하고, 석축의 안쪽을 바다 준설토로 성토하여 매립지를 조성함에 있어서, 기층 성토층의 자중압밀영역과 표층 성토층의 대기건조영역을 하층의 배수재와 상층의 차수막으로 이뤄진 분리층으로 구분하여 분리 성토하되 기층 성토층의 성토높이를 준설토의 종류와 함수비에 따라 매립지반 계획성토높이보다도 1∼2m 낮게 성토하는 것을 특징으로 하는 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 성토층 고결 촉진공법.
2. 제1항에 있어서, 표층 성토층은 다단으로 분할 성토하는 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 성토층 고결 촉진공법.
3. 제1항에 있어서, 표층 성토층은 계획된 매립면적을 분할하여 차례로 성토하는 자중압밀영역과 대기건조영역의 분리 성토에 의한 준설토 매립지반의 표층 성토층 고결 촉진공법.