KR101201018B1

KR101201018B1 - 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법

Info

Publication number: KR101201018B1
Application number: KR1020100000221A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 김동준
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2012-11-13
Also published as: KR20110080063A

Abstract

본 발명은, 팽창성 그라우트재 및 그 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 팽창성 그라우트재를 이용한 소일 네일 공법에 있어서, 지면을 안정 높이까지 굴착하는 단계; 지반 수평에 대해 천공을 하여 복수의 천공 구멍을 형성하는 단계; 복수의 상기 천공 구멍 각각에 네일을 설치하는 단계; 및 상기 천공 구멍에 시멘트 분말과 물이 혼합된 70이상에서 95이하 중량%의 시멘트 밀크; 및 Al₂O₃, Ca0 및 SO₃를 구비하는 1이상에서 30이하 중량%의 팽창제를 포함하는 팽창성 그라우트재를 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 이용한 소일 네일 공법에 관한 것이다.

Description

팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법{Nailing Method using Self expanding Grout`s Sperate Injection Approach}

본 발명은 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 팽창제를 지반조건에 따라 시멘트에 혼합한 팽창성 그라우트재 및 그러한 그라우트재를 천공의 하단부에 주입하여 팽창제를 절감하면서 동일한 효과를 낼 수 있는 소일 네일 공법에 관한 것이다.

본 발명은 자기 경시 팽창형 가압 그라우트재 및 이를 이용한 가압 프리스트레싱 네일링 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천공 내부에 네일을 삽입한 후 별도의 가압용 장비 및 장치와 패커 설치 등 추가적인 작업 없이 자기 경시 팽창형 가압 그라우트재의 주입만으로 네일공에 가압 및 프리스트레싱을 가하고, 경화 전, 경화 중, 경화 후의 팽창에 따른 가압 효과에 의해 네일 그라우팅체와 주변 지반과의 마찰력을 증대시킬 수 있는 자기 경시 팽창형 가압 그라우트재 및 이를 이용한 가압 프리스트레싱 네일링 공법에 관한 것이다.

쏘일 네일링 공법은 사면 보강 및 굴착면의 안정을 목적으로, 유럽 및 미국 지역에서 널리 활용되고 있다. 국내에서도 80년대 말 기초 이론 및 설계법이 도입된 이래 최근 경제성과 편리성으로 흙막이, 사면 안정 등의 목적으로 적용이 확산되고 있다.

이상과 같은 쏘일 네일링 공법의 일반적인 시공단계는 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정 높이까지 굴착을 는 단계, 비탈면 또는 굴착배면 지반을 천공하는 단계, 천공된 구멍에 네일을 설치하고 그라우팅을 하는 단계 및 표면 보호를 위해 쇼크리트 타설 단계, 다시 굴착, 천공, 네일 삽입 및 그라우팅, 숏크리트 단계가 요구되는 높이가 될 때까지 반복적으로 이루어진다.

상기와 같이 일반적인 쏘일 네일링 공법에서는 네일에 프리텐션이나 그라우팅의 팽창압을 가하지 않고 시공되고 있고, 최근 네일에 프리텐션을 가하거나 그라우팅 작업 시 패커를 설치하고 콤프레샤 등의 가압 장치로 압력을 가하여 공법의 효과를 도모하는 방법이 모색되고 있으나. 네일에 프리텐션을 가하기 위해서는 인장력이 풀리지 않도록 하기 위한 전면판 두께의 증가 또는 별도의 장치 및 장비와 추가적인 작업이 필요하여 시공성 저하 및 공사비 상승의 요인이 되고 있으며, 그라우팅 작업 시 압력을 주는 경우도 상기와 같은 패커나 콤프레샤 등의 별도 장치가 요구되고 있다.

또한 그라우트재를 지반에 밀착시키기 위해 일반 팽창제를 이용하는 경우가 있으나 이는 통상적인 혼화재의 일종인 알루미늄 분말을 이용하는 것으로 시멘트의 경화가 일어나기 전에 대부분 팽창 반응을 완료함으로써 그라우트 경화체의 팽창

에 기여하기 보다는 지반 내의 국부 취약부나 균열부등 약한 개방된 부분으로 밀려 나가 그라우팅재와 지반과의 밀착이 어렵게 되며, 이로 인하여 인발저항력 향상에 한계가 있다.

특히, 네일링 시공은 굴착, 천공, 네일 삽입 또는 그라우팅, 쇼크리트 타설 등이 자립할 수 있는 제한된 높이의 굴착면에서 반복적으로 단계적인 시공이 필요한 것이어서 그라우트재가 충분히 힘을 받을 수 있을 정도로 강도가 조기에 발현되어야 다음 단계의 굴착 등의 공사를 할 수 있다. 따라서 주입되는 그라우트재의 조기 강도 발현은 공사 시간 단축과 안정성 향상을 위해서 필수적이다.

이상과 같이 기존의 일반적인 쏘일 네일링 공법은 시공성이 저하되고, 그라우팅재와 지반과의 밀착이 어려워 많은 보완점을 필요로 하며, 조기에 요구되어지는 강도 발현에 문제점을 가지고 있다.

또한, 통상의 팽창제를 사용하는 경우, 그 비율에 따라, 과잉팽창에 따른 문제가 존재하거나, 충분한 강도상승를 제공하지 못하는 경우가 존재한다. 따라서, 지반의 강도조건에 따른 적절한 혼합비가 요구되고 있다. 그리고, 종래 사용되는 팽창제는 고가에 해당하여, 시공 단가가 높아지고, 팽창제의 비율에 따라 강도 상승이 정비례하지 않아, 경쟁성을 확보하기 어려운 문제점이 존재한다. 따라서, 팽창제 비율에 따른 강도 상승을 예측할 필요가 있고, 적은 팽창제의 사용으로 그 이상 또는 동일한 효과를 발생시킬 수 있는 공법이 요구되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결 위하여, 팽창성 그라우트재의 의한 셀프 프리스트레싱을 제공하고, 소일 네일 공정에서 500MPa 이상의 고강도 철근을 이용할 수 있고, 팽창성 그라우트재를 효율적으로 분리 주입하는 소일 네일 공법을 제공함으로써 지반의 강도를 상승시킴과 동시에 경제적인 공법을 제공하게 된다.

또한 본 발명은 팽창성 가압 그라우트재를 이용하여 그라우트재 주입만으로 지반을 파괴시키지 않는 적정한 압력으로 네일에 팽창압과 프리스트레싱을 가하는 가압 프리스트레싱 네일링 공법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 하고 있다.

그리고, 팽창성 그라우트재에서, 지반의 강도 조건에 따른 시멘트에 혼합되는 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 팽창제의 적절한 비율을 제공하게 된다. 또한, CSA계 팽창제가 포함하는 각종 성분에 대한 비율을 제공하여, 그라우팅 작업시 필요한 바람직한 가압력을 제공할 수 있게 된다.

본 발명은, 각종 지반 환경 조건에서, 팽창제의 혼합비율에 따른 수직응력과 전단응력 상승치를 해석적으로 예측하고, 예측된 값과 실제 측정값을 비교함으로써, 보다 정확한 최적, 호적의 혼합비율을 제공하게 된다.

또한, 팽창성 그라우트재를 사용한 소일 네일 공법에 있어서, 본 발명은, 천공된 구멍 전체에 팽창성 그라우트재를 주입하는 것이 아닌, 실험에 의한 최적의 하단부분 또는 하단부분과 상단부에만 팽창성 그라우트재를 주입하여 보다 적은 양으로 동일한 기술적 특징을 얻을 수 있는 공법을 제공하게 된다.

또한, 철근을 기존의 300 ~ 400 MPa 규격(항복 강도) 제품과 대비하여 고강도의 제품으로 적용하여야 하는 필요성이 존재하였는데, 기존에는 소일 네일 공법의 적용 한계가 400 MPa였으나, 본 발명은 그 이상의 강도를 갖는 철근을 적용할 수 있게 됨으로써 기존 규격보다 강화된 규격을 사용하여 전반적인 성능을 향상시킨다는 기술적 과제를 갖는다.

본 발명의 목적은, 팽창성 그라우트재를 이용한 소일 네일 공법에 있어서, 지반에 소정깊이로 천공을 하여 복수의 천공 구멍을 형성하는 단계; 복수의 천공 구멍 각각의 내부에 네일을 설치하는 단계; 및 천공 구멍 내부 일부에 시멘트와 팽창제로 구비된 결합제와 물이 2:1로 포함되고, 팽창제는 Al₂O₃,Ca0 및 SO₃를 포함하고 결합제에서 1이상 ~ 40이하 중량%인 팽창성 그라우트재를 주입하고, 나머지 천공 내부는 시멘트와 물의 혼합물을 분리 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법으로 달성될 수 있다.

네일 설치 단계에서, 네일은 고강도 철근인 것을 특징으로 할 수 있다.

고강도 철근의 강도는 500 ~ 2000MPa인 것을 특징으로 할 수 있다.

그라우트재 주입 단계에서, 천공 깊이에 따라, 내부를 끝단 하단부, 중단부 및 상단부로 정의되고, 하단부에 팽창성 그라우트재를 주입하는 단계 및 중단부와 상단부에는 시멘트를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

하단부의 길이는 천공 전체 깊이의 1/4 ~ 1/2인 것을 특징으로 할 수 있다.

천공 전체 깊이가 10m 이상에서 25m 이하인 경우, 하단부의 길이는 천공 전체 깊이의 1/4 ~ 1/3인 것을 특징으로 할 수 있다.

천공 전체 깊이가 1.5m 이상에서 10m 이하인 경우, 하단부의 길이는 천공 전체 깊이의 1/3 ~ 1/2인 것을 특징으로 할 수 있다.

시멘트 주입단계 대신, 중단부에 시멘트를 주입하는 단계 및 상단부에 팽창성 그라우트재를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상단부는 0초과 ~ 1m이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

하단부에 주입되는 팽창성 그라우트재의 팽창제 비율이 상단부에 주입되는 팽창성 그라우트의 팽창제 비율보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.

지반의 영률이 50MPa이상 ~ 100GPa이하인 경우, 팽창제는 1이상 ~40이하의 중량%를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

지반의 영률이 20MPa이상 ~ 50Mpa 미만인 경우, 팽창제는 1이상 ~30이하의 중량%를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

지반의 영률이 0.1MPa초과 ~ 20MPa미만인 경우, 팽창제는 1이상 ~25이하의 중량%를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 천공 내부에 네일을 삽입한 후 별도의 가압용 장비 및 장치와 패커 설치 등 추가적인 작업 없이 팽창성 그라우트재 주입만으로 네일 공에 가압 및 프리스트레싱이 가능하다는 효과가 있다. 경화 전, 경화 중, 경화 후의 팽창 지속에 따른 가압 효과에 의해 네일 그라우팅와 주변 지반과의 마찰력을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

굴착면의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하여 네일링 보강 지반의 안정성을 증대시키고, 경화 건조 시 발생하는 건조 수축을 보상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 기존의 그라우트 팽창제와는 달리 경화 후에도 일정 기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 지반과의 밀착을 증진시키는 동시에 조기에 고강도 발현으로 안정성 증가 및 공사기간 단축 등의 장점을 가지고 있다. 또한 기존 시멘트 그라우팅재나 일반 팽창제에 비해 pH가 낮아 환경친화적인 장점도 가지고 있다.

또한, 지반의 강도 조건에 따른 시멘트에 혼합되는 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 팽창제의 적절한 비율을 제공하여 지반 강도에 따라 효율적인 강도상승을 발휘하게 되는 효과는 갖는다. 또한, CSA계 팽창제가 포함하는 각종 성분에 대한 비율을 제공하여, 그라우팅 작업시 필요한 바람직한 가압력을 제공할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은, 각종 지반 환경 조건에서, 팽창제의 혼합비율에 따른 수직응력과 전단응력 상승치를 해석적으로 예측하고, 예측된 값과 실제 측정값을 비교하고, 양자와의 관계에 대하여 분석할 수 있어, 보다 정확한 최적, 호적의 혼합비율을 효율적으로 결정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 팽창성 그라우트재를 사용한 소일 네일 공법에 있어서, 본 발명은, 천공된 구멍 전체에 팽창성 그라우트재를 주입하는 것이 아닌, 실험에 의해 얻어진 최적의 하단부분 또는 하단부분과 상단부에만 팽창성 그라우트재를 주입하여 보다 적은 양으로 동일한 기술적 특징을 얻을 수 있어 경제적으로 목적을 실현시킬 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 철근을 기존의 300 ~ 400 MPa 규격(항복 강도) 제품과 대비하여 고강도의 제품으로 적용하여야 하는 필요성이 존재하였는데, 기존에는 소일 네일 공법의 적용 한계가 400 MPa였으나, 본 발명은 그 이상의 강도를 갖는 철근을 적용할 수 있게 됨으로써 기존 규격보다 강화된 규격을 사용하여 전반적인 성능을 향상시킨다는 기술적 효과를 갖게 된다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 팽창성 그라우트재 양생중, 에트린자이트 형성 반응식,
도 2는 시공 및 재하에 따른 단계별 지반의 응력과 변형률 그래프,
도 3은 탄소성 무한 경계조건에서의 공동벽면의 단면도,
도 4a는 탄성 유한 경계조건에서, 내측튜브를 갖는 공동벽면의 단면도,
도 4b는 탄성 유한 경계조건에서, 내측튜브를 없는 공동벽면의 단면도,
도 5a는 지반 조건에 따른 수직응력(△p/p_o)-변형률 관계 예측 그래프,
도 5b는 지반 조건에 따른 수직응력(△p/G)-변형률 관계 예측 그래프,
도 6은 지반 조건과 팽창제 혼합율에 따른 수직응력(△p/p_o)-변형률 관계 예측 그래프,
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 팽창성 그라우트재를 코어에 주입하여 소일 네일 작업한 암석 지반의 사시도,
도 8a는 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 팽창재가 혼합되지않은 경우를 기준 1로 하였을 때, 배합비에 따른 인발력 상승률을 나타낸 그래프,
도 8b는 본 발명의 제 1 실시예에서, 배합비에 따른 하중-변위를 나타낸 그래프,
도 9a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전단강도 측정값과 예측값 그래프,
도 9b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직응력 측정값/예측값 비를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따라, 팽창성 그라우트재를 적용해 소일 네일 작업한 연약한 풍화토 지반의 사시도,
도 11a는 본 발명의 제 2 실시예에 따라, 배합비 1%를 기준 1로 하였을 때, 배합비에 따른 최대 강도 상승률 그래프,
도 11b는 본 발명의 제 2 실시예에서, 배합비에 따른 하중-변위 그래프,
도 12a은 팽창제 배합비에 따른 수직응력(△p/p_o)-변형률 관계 예측 그래프,
도 12b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전단강도 측정값과 예측값 그래프,
도 12c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직응력 측정값/예측값 비를 나타낸 그래프,
도 12d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라. 팽창성 그라우트재에 의해 소일 네일 작업된 보통 정도의 구속조건을 갖는 지반에서, 팽창제의 배합비가 2.5%인 경우를 기준 1로 하였을 때, 배합비에 따른 인발력 상승률을 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른, 팽창성 그라우트재를 분리 주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법의 흐름도
도 14a는 본 발명의 일실시예에 따라, 천공깊이가 16m인 경우, 전체 16m에서 1/4인 4m를 하단부로 하여 하단부에 팽창성 그라우트재를 주입한 지반의 단면도
도 14b는 본 발명의 일실시예에 따라, 천공 깊이가 5m인 경우, 전체 5m에서 1/2인 2.5m를 하단부로 하여 팽창성 그라우트재를 주입한 지반의 단면도,
도 14c는 본 발명의 일실시예에 따라, 천공깊이가 16m인 경우, 전체 16m에서 1/4인 4m를 하단부로 하고, 상단부를 1m로 하여, 하단부 및 상단부에 팽창성 그라우트재를 주입한 지반의 단면도,
도 14d는 본 발명의 일실시예에 따라, 천공 깊이가 5m인 경우, 전체 5m에서 1/2인 2.5m를 하단부로 하고, 상단부를 0.3m로 하여, 하단부와 상단부에 팽창성 그라우트재를 주입한 지반의 단면도를 도시한 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고,‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

<팽창성 그라우트재의 성분과 비율>

이하에서는 팽창성 그라우트재(100)의 성분과 비율에 대하여 설명하도록 한다. 팽창성 그라우트재(100)는 일반 프틀랜트 시멘트에 팽창제를 혼합한 것이다. 팽창제는 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 팽창제에 해당한다. 이러한 팽창제는 일반 시멘트와 대비하여 다량의 Al₂O₃, S0₃를 함유하고 있다. 팽창제의 주성분은 Al₂O₃, S0₃, CaO 등으로 이루어 진다. 그리고, 팽창제에 포함되는 성분은 가열과 소성 과정을 거쳐, 3CaO?3Al₂O₃?CaSO₄를 포함하는 클링커를 형성하게 된다. 이러한 팽창제에 일반 시멘트와 물이 혼합되어 팽창성 그라우트재(100)를 형성하게 된다.

그리고, 그라우팅 작업시, 양생과정에서 3CaO?3Al₂O₃?CaSO₄는 CaSO4(무수석고) 및 Ca(OH)₂(소석회)와의 반응에 의해 미세한 침상의 에트린자이트(Ettringite)를 형성하여 팽창된다. 에트린자이트는 수마이크로 정도의 작은 침상결정으로, 시멘트 페이스트의 경화과정에서, 콜로이드 상태로 겔간의 미세한 공극에 밤송이 형태로 발달되어, 조직이 치밀해 지고, 겔의 경화에 따른 수축 및 건조에 의한 수축을 방지하고, 나아가서 팽창시키는 작용을 하게 된다. 이러한 경우, 팽창은 강도증진과 함께 생기는 팽창변형으로서 강도발현 전의 팽창인 알루미늄 분말에 의한 가스발생이나 생석회의 수화에 의한 체적증가와는 본질적으로 다른 것이다.

에트린자이트의 형성과정은 이하의 수학식 1에 도시되어 있다. 그리고, 도 1은 에트린자이트 형성과정의 화학반응을 도시한 것이다.

수학식 1에서와 같이, 에트린자이트는 CaO 3분자와 Al₂O₃, 및CaSo₄ 3분자로 구성되어 있다. 그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 에트린자이트는 팽창성 그라우트재(100)의 양생과정에서, 하우인(hauyne)인 3Ca0?3Al₂O₃ ?CaSO₄이 물(H₂0)에 혼합되고, 유리석회(CaO)에 물을 혼합하여 형성된 소석회(Ca(OH)₂)를 혼합하고, 무수석고(CaSO₄)를 추가 혼합하여 형성됨을 알 수 있다.

그리고, 팽창제의 화학성분은, Al₂O₃, S0₃, CaO 뿐 아니라, FeO₃ SiO₂, MgO, Na₂O 및 K₂O 등을 더 포함할 수 있다. 중량 비율은 전체 팽창제를 100%로 할 때, CaO가 48이상 ~ 60이하(%), Al₂O₃ 10이상 ~ 18이하(%), FeO₃ 0초과 ~ 1이하(%), SiO₂는 0초과 ~ 5이하(%) 및 SO₃는 27이상 ~ 38이하(%)로 구성된다. 또한, 각각 1%이하의 MgO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 또한, lg-loss는 0초과 ~ 3이하(%)가 된다.

이러한 CSA 팽창제는 일반 포틀랜드 시멘트에 물이 혼합되어 본 발명의 팽창성 그라우트재(100)를 형성한다. 시멘트 분말 대비 팽창제의 혼합 중량 비율은, 약 9:1 ~ 7:3이다. 즉, 시멘트 70~90% 그리고, 팽창제 10~30%의 비율로 혼합하게 된다. 또한, 그라우트 될 지반조건에 따라 적절한 비율을 선택하여야 한다. 그리고, 물은 시멘트와 팽창제를 합한 전체 중량의 약 40~60%정도가 혼합된다. 즉, 시멘트분말과 팽창제가 혼합된 결합제와 물은 약 2:1의 비율로 혼합되고, 팽창제는 결합제(시멘트+팽창제)에서 1~40%의 비율로 혼합된다.

이하에서는 이론적인 분석에 따라, 본 발명인, 팽창성 그라우트재(100)를 사용한 경우, 변형율과 수직응력의 예측값을 설명하도록 한다. 그리고, 실제 실시예에서의 측정값과 예측값을 비교해 보도록 한다. 먼저, 도 2는 본 발명의 팽창성 그라우트재(100)를 사용하여 소일 네일한 경우, 시공에서 재하에 따른 단계별 지반의 공동(cavity, 10)에서의 수직응력(normal stress, σ_n) 및 반경응력(radial stressσ_r) 대 비 반경쪽으로의 변형율(ε_r)을 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, ①은 그라우팅의 대상이 되는 원지반의 초기응력상태이다. 원지반 상태에서의 응력은 σ_n0 = σ_r = K₀σ_v 로 표현될 수 있다. ②는 공동(cavity, 10)을 형성한 상태이다. 원지반을 천공하여 공동(10)을 형성하였을 때, 응력은 최소값을 가지게 된다(σ_r = min). 그리고, ③ 상태는 공동(10) 내에 팽창성 그라우트 재를 주입한 상태이다. 그라우트가 팽창되기 전이므로, 응력은 σ_r = 그라우트의 정수압 ≒ σ_n0로 표현될 수 있다. 그리고, ④는 양생중에 그라우트재(100)가 최대로 팽창되었을 때의 상태이다. 양생중 그라우트재(100)가 팽창하면서, 계속 수직응력(σ_n)과 반경응력(σ_r)이 증가하게 된다. ⑤상태는 그라우트재(100)의 수축으로 수직응력(σ_n)과 반경응력(σ_r)이 약간 감소됨을 알 수 있다. ⑥는 재하 과정에서의 응력으로, 지반의 거칠기로 인한 공동(10)의 확장에 의해 그리고, 주변 지반의 다일러턴시로 인해 수직응력(σ_n)과 반경응력(σ_r)이 증가하게 된다. 마지막으로, ⑦ 상태는 극한 상태로서, 평형상태가 되어 응력이 유지되게 된다.

이하에서는, 탄소성 무한 경계 조건(infinite Boundary)에서의 공동(10) 벽면의 수직응력-변형율 관계에 대한 해석적(이론적) 예측값을 설명하도록 한다. 예측값은 무한 경계조건에 대한 Yu 공동확장이론과 당해 기술분야에 자명한 미적분 수학이론에 따라 구해질 수 있다. 배수조건, Mohr-Coulomb 파괴기준은 ασ_v-σ_r = Y이다. 지반정수를 E, ν, Ｃ, φ, ψ로 하고, 유도변수를 k(실린더일 때, k=1이고, 구(sphere)일 때, k=2)라고 정의한다. 도 3은 무한 경계조건에서 공동(10)의 단면도를 도시한 것이다. p는 내부 압력, a는 반경이고, 초기 응력은 p₀ = σ_v = σ_n 이다.

따라서, 수학식 2에 의해 G, M, Y를 구할 수 있다.

그리고, 수학식 2를 이용하여 α, β, γ. δ를 이하의 수학식 3에 의해 정의할 수 있다.

그리고, 수학식 3을 이용하여 μ를 이하의 수학식 4에 의해 정의할 수 있다.

그리고, 수학식 4를 이용하여, χ를 이하의 수학식 5에 의해 정의할 수 있다.

따라서, 수학식 2 내지 수학식 5에 의해 무한 경계조건에 대한 수직응력-변형율 관계에서 탄성거동 해석적 해는 이하의 수학식 6으로 표현된다.

또한, 무한 경계조건에 대한 수직응력-변형율 관계에서 소성거동 해석적 해는 이하의 수학식 7로 표현된다.

그리고, A_n(R, μ) 은 n=γ일 때, 이하의 수학식 8로 정의되고, 그렇지 않은 경우는 이하의 수학식 9로 정의된다.

또한, 수학식 7 내지 9에서 R은 이하의 수학식 10으로 정의된다.

또한, 이하에서는, 탄성 유한 경계조건에서, 공동(10) 벽면의 수직응력-변형율과의 관계의 해석적 해(예측 값)를 설명하도록 한다. 그라우트 팽챵률(ε_E)을 고려한다. 먼저, 도 4a는 외측 튜브(12)와 내측 튜브(11)가 존재하는 경계조건을 갖는 공동(10)벽면의 단면도를 도시한 것이다. r_a는 내측 튜브(11)의 내경, r_i는 내측 튜브(11)의 외경, r_o는 외측 튜브(12)의 내경, r_b는 외측 튜브(12)의 외경에 해당한다. 내측 튜브(11)가 받는 압력(p_i)은 이하의 수학식 11에 의해 정의되고, 외측 튜브(12)가 받는 압력(p_out)은 이하의 수학식 12에 의해 정의된다.

그리고, λg는 이하의 수학식 13에 의해 정의되고, I^ro _ri 는 이하의 수학식 14에 의해 정의된다.

또한, 도 4b는 내측 튜브(11)가 없는 튜브의 공동(10)벽면의 단면도를 도시한 것이다. 내측 튜브(11)가 없는 경계조건에서의 외측튜브(12)가 받는 압력(p_out)은 이하의 수학식 15에 의해 정의된다.

그리고, 지반 조건에 따른 수직응력과 변형율과의 관계에 대한 예측값을 나타낼 수 있다. 표 1은 p₀ = 100kPa에서, 지반이 느슨한 모래(Loose Sand), 치밀한 모래(Dense Sand), 풍화암(weathered rock), 연암(soft rock)의 지반 조건에 따른 압력(수직응력) 변화(△p₁ _,y/p₀), 변형율(ε_r,1y), 변형율이 1%일때의 압력(△p_εr=1%/p₀)을 나타낸 것이다.

p₀=100kpa	느슨한 모래	치밀한 모래	풍화암	연암
△p₁ _,y/p₀	0.5	0.707	0.983	2.212
ε_r,1y	0.65	0.23	0.128	0.0288
△p_εr=1%/p₀	0.725	2.12	3.9	17.36

또한, 도 5a는 지반조건에 따른, 수직응력 증가량(△p₁ _,y/p₀)과 변형율과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 지반조건에 따른, 수직응력 증가량(△p₁ _,y/G)과 변형율과의 관계를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 6은 지반조건과 팽창제의 혼합율에 따른 수직응력 증가량과 변형율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

본 발명의 팽창성 그라우트 재를 적용한 경우의 수직 응력과 변형율의 예측값은 CNL 조건에 대한 ε^E - σ_n 관계를 사용하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, CSA 팽창제의 혼합율이 10%, 15%, 20%, 25%, 30% 각각에 대한 수직응력 증가량과 변형율을 나타내고 있다. 그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 수직응력 증가량은 느슨한 모래의 경우, 0.6 ~ 3.5, 조밀한 모래의 경우 1.8 ~10.3, 풍화암의 경우 3.0 ~ 10.5, 연암의 경우 10 ~40정도의 수직응력 증가 가능성이 예측된다. 또한, 변형율은 팽창제가 20%이상 혼합된 경우, 0.025 ~ 0.5(2.5% ~50%)정도가 됨을 알 수 있고, 그라우트 자체의 열화가능성이 존재함을 예측할 수 있다.

< 실시예 >

이하에서는 본 발명의 팽창성 그라우트재(100)를 사용한 경우에 수직응력과 전단강도의 증가량에 대한 실시예를 설명하도록 한다. 제 1 실시예에서는 암석 지반(200)의 코어 내에 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 경우의 실험, 측정값을 제시한다. 실험 조건은 화강편마암으로 된 오버코어링 지중 응력 측정 코어를 사용하였다, 영률 E는 54.1Gpa, 변형계수 K= 2079Mpa/mm이다. 외경은 127.9m, 내경은 37.75 높이는 98mm이다. 또한, 공동(10, 천공, 코어)에 삽입되는 네일은 D19 SD40 철근(210)을 사용하였고, 팽창성 그라우트재(100)는 수중 양생하였다.

제 1 실시예에서, 사용하는 팽창성 그라우트재(100)는, 시멘트(110)와 팽창제의 비율(E/B)이 0, 0.05, 0,10, 0.15, 0.29, 0.25, 0.30에서 각각 실험하였다. E는 팽창제의 중량, B는 시멘트+팽창제의 중량이다. 이러한 팽창성 그라우트재(100)에 의해 그라우트된 구조물은 인발시험기에 의해 인발력을 측정하였다.인발시험기는 코어에 삽입된 철근(210)에 하중을 인가하여, 코어-그라우트 경계면(220)이 파괴될 때까지의 인발력과 철근-그라우트 경계면(230)이 파괴될 때까지의 인발력을 측정하게 된다. 도 7은 제 1 실시예에 따라, 천공에 팽창성 그라우트재(100)를 주입하여 그라우팅된 암석지반(200)의 사시도를 도시한 것이다.

도 8a는 팽창제가 혼합되지 않은 그라우트재(100)를 주입한 경우, 코어-그라우트 경계면(220)에서의 강도와 철근- 그라우트 경계면(230)에서의 강도를 1이라고 할 때, 배합비에 따른 인발력 상승률을 나타낸 그래프이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 팽창제의 혼합비율이 증가할수록, 코어-그라우트 경계면(220) 및 철근-그라우트 경계면(230)의 인발력이 증가함을 알 수 있다. 특히, 배합비(E/B)가 0.05에서 0.10으로 증가할 때, 인발력이 크게 향상됨을 알 수 있다. 또한, 도 8b는 배합비에 따른 하중-변위 그래프를 도시한 것이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 배합비가 증가할수록 항복 하중이 증가됨을 알 수 있다. 그리고, 배합비가 0.2에 이르기까지 항복하중에서의 변위가 증가됨을 알 수 있다.

그리고, 이하에서는 수직응력과 전단응력의 측정값과 예측값을 비교해 보도록 한다. 코어-그라우트 경계면(220)에서의 전단 강도는 이하의 수학식 16에 의해 정의된다.

σ_n는 수직응력, φ_b는 암석의 기본 내부 마찰각(제 1 실시예에서는 30°), i는 거칠기 각도(예를 들어, 매끈한 면 = 0°)이다. 표 2는 배합비(E/B=0. 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)에 대한, 수직응력(σ_n)예측값, 전단응력 측정값, 측정된 전단응력 증가값, 측정된 전단응력 증가값에 의한 수직응력 증가값, 수직응력 측정값/예측값 비를 나타낸 것이다.

	단위	E/B
	단위	0	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3
수직응력 (σ_n)예측값	Mpa	0	1.90	5.72	9.37	12.8	16.1	19.3
전단응력 측정값	Mpa	2.72	3.64	5.93	6.73	7.69	8.85	9.24
측정된 전단응력 증가값	Mpa	0	0.92	3.21	4.01	4.97	6.13	6.52
측정된 전단응력 증가값에 의한 수직응력 증가값	Mpa	0	1.59	5.55	6.95	8.61	10.6	11.2
수직응력 측정값/ 예측값 비	-	-	0.84	0.97	0.74	0.67	0.66	0.58

또한, 도 9a는 배합비에 따른 전단응력의 측정값과 예측값의 그래프를 도시한 것이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 배합비가 증가할수록 전단응력이 증가함을 알 수 있다. 그러나, 예측값에 따른 전단응력 상승율에는 미치지 못함을 알 수 있다 또한, 배합비가 증가할수록, 측정값과 예측값의 오차가 증가함을 알 수 있다. 그리고, 도 9b는 배합비에 따른 수직응력 측정값/예측값의 비를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 배합비가 0.1까지는 예측된 수직응력값과 측정된 수직응력 값이 거의 일치되나, 배합비가 증가할수록 측정값과 예측값의 오차가 증가함을 알 수 있다. 수직응력 측정값/예측값의 비는 0.58 ~ 0.97의 범위를 가지게 됨을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제 2 실시예를 설명하도록 한다. 제 2 실시예에서는 연약한 지반(20, 풍화토 성분)에 천공을 형성하고, 천공에 팽창성 그라우트재(100)를 주입하여 네일 시공을 한 후, 인발력을 측정 하였다. 연약한 지반(20)인 풍화토에 φ는 20.4°, C는 2.45kPa이다. 그리고, E_R은 10.69MPa이다. 배합비 E/B는 0.01, 0.1, 0.2, 0.3에 대해 실험하였다. 실험조건은 이하의 표 3에 정리되어있다. 표 3에서와 같이, 연약한 지반(20)에 천공은 A, B, C 그룹으로 나누어 직경을 형성하였고, 네일 철근(210)은 직경 29mm와 25mm 를 사용하였고, 그라우트 타설 길이는 2.4m로 하였다. 그리고, 50%의 물을 혼합하였다. 도 10은 팽창성 그라우트재(100)를 이용하여 그라우팅된 연약한 지반(20)의 사시도를 도시한 것이다.

	단위	그룹			비고
	단위	A	B	C	비고
드릴링 비트 직경 (Drilling Bit Dia)	mm	102	87	102	45mm 천공 후 102mm 또는 87mm로 재천공
네일 철근 직경 (Neil Steel Bar)	mm SD40	29 (D29)	29 (D29)	25 (D25)	그라우트 타설 길이 2.4m
혼합율	E/B	0.01, 0.1, 0.2, 0.3			0.01은 기존 무수축 혼화재, 0.1, 0.2, 0.3:DENKA CSA #20

표 3에 의한 실험 조건하에서 측정된 실험결과를 표 4에서 정리하였다.

	단위	E/B				비고
	단위	0.01	0.1	0.2	0.3	비고
최대강도	kN	39.2	40.2	63.0	63.6	그룹 A, B, C의 평균
나머지 강도	kN	39.0	39.7	39.6	46.8
최대/나머지 비율 (peak/Residual Ratio)	-	1.01	1.02	1.65	1.43
E/B=0.01을 기중으로 강도 비율	최대(Peak)	1.00	1.03	1.61	1.62
E/B=0.01을 기중으로 강도 비율	나머지 (Residual)	1.00	1.02	1.02	1.20

그리고, 도 11a는 배합비 0.01의 강도를 1이라고 할 때, 배합비에 대한 최대강도 비를 나타낸 그래프이다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 배합비가 0.1(10%)인 경우, 지반이 연약하여 강도증가의 효과가 미미함을 알 수 있다. 그러나, 배합비가 0.2, 0.3에서는 최대강도가 60%정도 향상됨을 알 수 있다. 따라서, 팽창성 그라우트를 사용하게 됨으로써, 인발력 증가효과를 확인할 수 있다. 그리고, 도 11b는 배합비에 따른 하중과 변위곡선 그래프를 도시한 것이다. 도 11b에서 도시된 바와 같이, 배합비 0.1에서는 별다른 효과가 없으나, 0.2, 0.3 배합비에서는 항복 하중이 증가하고, 항복 하중에서 철근-그라우트 경계면(230)에 파괴현상이 일어남을 알 수 있다.

다음은 제 2 실시예에서의 전단강도, 수직응력에 대한 측정값과 예측값을 비교하도록 한다. 먼저, 도 12a는 배합비에 따른 수직응력 상승 예측값에 대한 변형율 곡선을 도시한 것이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 배합비에 따른, 수직응력 상승 예측값을 알 수 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 수직응력 증가 예측값(△p/p₀)은 배합비(E/B) 0.1에서 1.2이고, 배합비(E/B) 0.2에서 3.2이고, 배합비(E/B) 0.3에서 4.4이다. 도 12b는 배합비에 따른, 전단강도의 측정값과 예측값을 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 12c는 배합비에 따른, 수직응력의 측정값/예측값 비를 나타낸 그래프이다. 도 12b와 도 12c에 도시된 바와 같이, 배합비 0.1에서의 측정값과 예측값의 오차는 크고, 0.2에서 오차값이 가장 적고, 다시 배합비가 커질수록 예측값과 측정값의 오차가 커지게 됨을 알 수 있다. 즉, 배합비 0.2이상에서는 측정값/예측값의 범위는 0.58~0.78이 된다.

따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 지반조건과 배합비를 고려한, 수직응력 증가량의 예측방법알 수 있다. 또한, 팽창량 경험식, 구속조건에 따른 수직응력-변형율의 해석적 해를 구할 수 있다. 큰 강성 구속을 갖는 제 1 실시예에서는 배합비에 따라 최대 300% 가 증가된 인발력을 얻을 수 있고, 수직응력 증가 측정값/예측값은 0.58~0.97의 범위를 갖게 된다. 이러한 측정값과 예측값과의 관계로부터, 지반조건에 따른 적절한 배합비를 얻을 수 있게 된다.

또한, 작은 강성 구속을 갖는 제 2 실시예에서는 배합비에 따라 최대 60%의 인발력을 증가시킬 수 있다. 또한, 수직응력 증가 측정값/예측값은 0.58~0.78의 범위를 갖게 된다. 이러한 측정값과 예측값과의 관계로부터, 지반조건에 따른 적절한 배합비를 얻을 수 있게 된다.

결론적으로, 지반조건에서 지반의 평균 영률(Young`s Modulus)이 50MPa이상인 경우, 즉, 강한 구속 조건을 갖는 경우(제 1 실시예), 팽창제는 1~40의 중량% 범위에서 필요한 강도 상승에 따라 배합비를 결정하면 될 것이다. 이러한 경우, 지반의 구속력이 크기 때문에, 배합비에 비례하여 강도가 계속적으로 상승되게 된다.

또한, 지반의 영률이 0.1MPa이상에서 20MPa이하인 경우, 즉, 연역한 지반(매우 느슨하거나, 매우 약한 구속조건을 갖는 경우) 팽창제는 (E/B)*100이 1~30% 바람직하게는 15~25의 중량% 범위를 갖는 것이 바람직하다. 제 2 실시예에서 와 같이, 팽창제 적용비율이 높은 경우 성능향상이 관찰되지만, 비율이 낮은 경우 현장의 불균일한 지반 조건에 의해 성능향상이 없음을 알 수있다.

마지막으로, 보통지반(영률이 20MPa초과 50MPa미만인 경우, 보통정도의 구속)의 경우, 팽창제는 1~30%, 바람직하게는 5~20의 중량%를 구비하는 것이 바람직하다. 도 12d는 보통지반에서 팽창제 2.5%를 혼합한 경우의 강도를 1이라고 하였을 때, 혼합비율(10%, 15%, 20%)에 따른 강도 상승율을 나타낸 그래프이다. 도 12d에서 도시된 바와 같이, 팽창제 적용비율이 10%이상이 될 때, 상승효과가 발생하고, 15%를 초과하는 경우, 철근 성능한계로 인하여 전체 성능이 제한됨을 알 수 있다. 이 경우, 고강도 철근을 사용하는 경우, 20%까지 성능향상을 기대할 수 있다. 중량기준 혼입율(팽창제/(팽창제+시멘트분말))이 10% 이상인 경우에 강도 증가량이 수렴한 것은, 팽창제와 지반간의 최대 저항력이 발현되기 이전, 철근이 먼저 항복강도에 도달하여 전체적인 네일의 인발력이 충분히 향상되지 못한 것의 실험 결과이다.

<팽창성 그라우트재를 분리주입하는 소일 네일 공법>

이하에서는 앞서 설명한, 팽창성 그라우트재(100)를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른, 팽창성 그라우트재(100)를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법의 흐름도를 도시한 것이다.

그라우트재(100)를 주입하는 소일 네일 공법은 사면 보강 및 굴착면의 안정을 목적으로 한다. 먼저, 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정 높이까지 굴착하게 된다(S10). 그리고, 비탈면 또는 굴착배면 지반 수평에 대해 천공을 하여 복수의 천공 구멍을 형성하게 된다(S30). 그리고, 복수의 천공 구멍 각각의 내부에 네일을 설치하게 된다(S30).

본 발명의 일실시예에서의 네일은 고강도 철근(210)을 사용하게 된다. 고강도 철근(210)은 500~2000MPa 또는 그 이상의 강도를 갖는 것이다. 철근을 기존의 300 ~ 400 MPa 규격(항복 강도) 제품과 대비하여 고강도의 제품으로 적용하여야 하는 필요성이 존재하였는데, 기존에는 소일 네일 공법의 적용 한계가 400 MPa였으나, 본 발명은 그 이상의 강도를 갖는 철근을 적용할 수 있게 됨으로써 기존 규격보다 강화된 규격을 사용하여 전반적인 성능을 향상시킨다는 기술적 과제를 갖는다.

네일을 삽입한 후, 그라우팅 작업을 하여 양생함으로써 네일 공법은 종료하게 된다. 본 발명은, 팽창성 그라우트재(100)를 사용하게 되므로, 네일 삽입 후 별도의 가압용 장비 및 패커 설치 등의 추가적인 작업은 필요하지 않다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 팽창성 그라우트재(100)를 천공 구멍 전 구간에 사용하는 것이 아니고, 천공의 하단부에 주입하고, 나머지는 일반 시멘트를 주입하게 된다. 팽창성 그라우트재(100)에서 CSA팽창제는 앞서 설명한 바와 같이, 지반 구속 조건에 따라 1~40%정도를 포함한다. 이러한 팽창제의 가격은 고가라는 단점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 팽창제의 부피비를 50%이하로 절감하면서도 천공 전구간에 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 것과 동일하게 네일 각각의 보강 성능을 형상시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.

끝단 하단부는 천공구멍 전체 깊이에서, 1/4 ~ 1/2 정도로 정의한다. 그리고, 상단부는 최대 1m정도로 정의하고, 나머지는 중단부로 정의하게 된다. 보다 구체적으로, 천공의 깊이가 큰 경우, 예를 들어, 천공의 깊이가 10~20m 정도에 해당한다면, 하단부는 전체 길이의 1/3 ~ 1/4로 정의한다. 그리고, 천공의 깊이가 짧은 경우, 예를 들면, 10m미만 정도에 해당한다면, 하단부는 전체 길이의 1/3 ~ 1/2 정도로 정의한다.

도 14a는 천공깊이가 16m인 경우, 전체 16m에서 1/4인 4m를 하단부로 하여 하단부에 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 지반의 단면도를 도시한 것이다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 하단부 4m까지 팽창성 그라우트재(100)를 주입하고(S40), 나머지 부분은 시멘트(110)를 주입하게 된다. 또한, 도 14b는 천공 깊이가 5m인 경우, 전체 5m에서 1/2인 2.5m를 하단부로 하여 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 지반의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에서는 정의된 하단부에 팽창성 그라우트재(100)를 삽입하게 된다. 그리고, 연속적으로, 나머지 부분은 일반 시멘트(110)를 주입하게 된다. 하단부분에 부착력이 크기 때문에, 프리스트레스를 주게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 지반조건에 따라 팽창제의 혼합비를 결정하여 주입하게 된다. 그리고, 하나의 천공에 대한 전체 주입 후, 다른 천공에 그라우트 작업을 하는 것이 아니고, 복수의 천공 하단부에 동시에 팽창성 그라우트재(100)를 주입하고, 연속적으로 나머지 부분에 대해 일반시멘트(110)를 주입하여 작업하게 된다.

주입양은 지반 틈새로 그라우트재(100)가 스며들기 때문에 네일이 삽입된 천공의 나머지 부피보다 5~10% 정도 초과하여 주입하게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에서는, 필요에 따라 앞서 정의한 상단부에도 팽창성 그라우트재(100)를 주입할 수 있다. 지반의 종류에 따라, 상단부에도 강한 부착력, 프리스트레스가 필요한 경우, 팽창성 그라우트재(100)를 주입하게 된다. 상단부는 앞서 설명한 바와 같이, 전체 천공 깊이에서 0초과 ~ 1m이하의 길이로 정의된다.

도 14c는 천공깊이가 16m인 경우, 전체 16m에서 1/4인 4m를 하단부로 하고, 상단부를 1m로 하여, 하단부 및 상단부에 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 지반의 단면도를 도시한 것이다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 하단부 4m까지 팽창성 그라우트재(100)를 주입하고(S40), 중단부는 시멘트(110)를 주입하게 된다(S50). 그리고, 상단부 1m에 다시 팽창성 그라우트재(100)를 주입되었음을 알 수 있다(S60). 또한, 도 14d는 천공 깊이가 5m인 경우, 전체 5m에서 1/2인 2.5m를 하단부로 하고, 상단부를 0.3m로 하여, 하단부와 상단부에 팽창성 그라우트재(100)를 주입한 지반의 단면도를 도시한 것이다.

그리고, 하단부에 주입되는 팽창성 그라우트재(100)의 팽창제 혼합비와 상단부에 주입되는 팽창성 그라우트재(100)의 팽창제 혼합비가 동일할 필요는 없다. 대게 하단에서 더 큰 프리스트레스, 부착력이 필요하기 때문에, 팽창제의 혼합비는 상단부에 주입되는 팽창성 그라우트재(100)가 더 적게 된다.

천공 내부에 팽창성 그라우트재(100)와 시멘트(110)를 주입하여, 콘크리트 양생이 진행되는 동안, 앞서 설명한 바와 같이, 3CaO?3Al₂O₃?CaSO₄가 CaSO4(무수석고) 및 Ca(OH)₂(소석회)와의 반응에 하여 미세한 침상의 에트린자이트(Ettringite)를 형성하고 팽창된다. 따라서, 지반의 강도가 증가하게 된다(S70).

10:공동
11:내측튜브
12:외측튜브
20:연약한 지반
100:그라우트재
110:시멘트
200:암석지반
210:철근
220:코어-그라우트 경계면
230:철근-그라우트 경계면

Claims

팽창성 그라우트재를 이용한 소일 네일 공법에 있어서,
지반에 소정깊이로 천공을 하여 복수의 천공 구멍을 형성하는 단계;
복수의 상기 천공 구멍 각각의 내부에 네일을 설치하는 단계; 및
상기 천공 구멍 내부 일부에 시멘트와 팽창제로 구비된 결합제와 물이 2:1로 포함되고, 상기 팽창제는 Al₂O₃,Ca0 및 SO₃를 포함하며 상기 결합제에서 1이상 ~ 40이하 중량%으로 구비되는 팽창성 그라우트재를 주입하고, 나머지 상기 천공 내부는 상기 시멘트와 물의 혼합물을 분리 주입하는 단계;를 포함하고,
상기 그라우트재 주입 단계에서,
상기 천공 깊이에 따라, 내부를 끝단 하단부, 중단부 및 상단부로 정의되고,
상기 상단부와 상기 하단부에 상기 팽창성 그라우트재를 주입하는 단계 및 상기 중단부에는 상기 시멘트를 주입하는 단계를 더 포함하며,
상기 천공 전체 깊이가 10m 이상에서 25m 이하인 경우, 상기 하단부의 길이는 상기 천공 전체 깊이의 1/4 ~ 1/3이고, 상기 천공 전체 깊이가 1.5m 이상에서 10m 이하인 경우, 상기 하단부의 길이는 상기 천공 전체 깊이의 1/3 ~ 1/2이며,
상기 상단부는 0초과 ~ 1m이하이고, 상기 하단부에 주입되는 상기 팽창성 그라우트재의 팽창제 비율이 상기 상단부에 주입되는 상기 팽창성 그라우트의 팽창제 비율보다 크며,
상기 지반의 영률이 50MPa이상 ~ 100GPa이하인 경우, 상기 팽창제는 1이상 ~40이하의 중량%를 구비하고, 상기 지반의 영률이 20MPa이상 ~ 50Mpa 미만인 경우, 상기 팽창제는 15이상 ~25이하의 중량%를 구비하며, 상기 지반의 영률이 0.1MPa초과 ~ 20MPa미만인 경우, 상기 팽창제는 5이상 ~20이하의 중량%를 구비하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
제 1 항에 있어서,
상기 네일 설치 단계에서,
상기 네일은 고강도 철근인 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
제 2 항에 있어서,
상기 고강도 철근의 강도는 500 ~ 2000MPa인 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
제 1 항에 있어서,
상기 팽창제는 3CaO?3Al₂O₃?CaSO₄로 이루어진 클링거를 형성하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
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제 1 항에 있어서,
상기 시멘트 중량의 0.02이상 ~ 0.04 이하의 중량 %를 갖는 혼화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
제 20 항에 있어서,
상기 시멘트 중량의 0.01이상 ~ 0.05 이하의 중량 %를 갖는 유동화제 및 감수제 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.
제 21 항에 있어서,
고로수쇄 슬래그 분말, 플라이 애쉬 및 석회석 미분 중 적어도 하나를 포함하는 충전재 및 골재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트재를 분리주입하는 방식을 이용한 소일 네일 공법.