KR101779251B1

KR101779251B1 - 토양고화제를 이용한 상하수도관 연결부의 지반보강체 시공방법

Info

Publication number: KR101779251B1
Application number: KR1020150054392A
Authority: KR
Inventors: 남 출 이; 이성우
Original assignee: 남 출 이; 이성우
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-09-26
Also published as: KR20160123783A

Abstract

본 발명은 토양고화제를 이용한 상,하수도관 연결부의 지반보강체 시공법으로 염화나트륨, 염화칼리움, 염화마그네슘, 염화칼슘의 염화물계 고화제, 황산나트륨, 알루민산나트륨, 유동화제 및 분산제로 조성되는 고화제 조성물의 수용액에 변성 실리케이트 액상고화제를 첨가 혼합한 혼합액상고화제 및 시멘트를 현장토에 첨가하여 교반 혼화한 고화토 모르터를 이용한 상하수도관 연결부의 지반보강체 시공법에 관한 것이다.

Description

토양고화제를 이용한 상하수도관 연결부의 지반보강체 시공방법{The method of carring out reinforced block on the ground base under connection part of tap and waste water pipeline using solidification agent of soil}

최근 사회문제로 대두되고 있는 도로 침하현상에 의한 도로 함몰이라는 싱크홀 발생이 서울지역을 위시하여 큰 도시의 도로상에 수시로 나타나고 있어 교통사고에 의한 인명피해와 경제적 손실이 현실화되고 있다.

이와 같은 싱크홀(sink holl)의 발생은 도로시설인 상, 하수도관의 노후화에 기인하기도 하지만 급격한 산업성장에 따라 단기간에 많은 량의 도로 건설로 기간이 소요되는 연약지반의 안정화를 확보할 수 없었고 시공기술의 낙후, 부실시공 및 교통환경 등 복합적인 요인에 의한 것이라 하겠다.

현재 발생하고 있는 도로 함몰에 의한 싱크홀의 발생은 서울시 자료에 의하면 도로에 매설되는 상하수도관의 손상에 의한 발생률이 85%에 달하고 더욱이 상하수도관 이음부에서 대부분이 발생한다는 사실에 주목해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 싱크홀의 발생 원인에 유의하여 이에 적절한 토양고화제를 이용한 상, 하수도관 연결부 지반 보강체의 시공방법을 제공함에 있으며, 구체적으로는 염화물계 고화제, 황산염의 고화제, 알루민산 나트륨, 유동화제 및 분산제로 조성된 고화제 조성물의 수용액에 변성실리케이트의 액상고화제를 첨가한 혼합액상고화제와 시멘트를 현장토에 첨가하여 조성한 고화토 모르터로 형성한 상하수도관 이음부 지반보강체의 시공방법을 제공함에 있다.

전술한 바와 같이 최근 잇따른 싱크홀 발생으로 서울시의 노후 시설물에 대한 대대적인 보수가 필요하다는 지적이 제기되고 있으며 특히 미국, 일본과 같은 선진국의 도시 시설물의 노후화로 인한 실질적인 피해를 경험하고 있어 미리 노후 시설물 정비에 나서야 한다는 주장도 대두되고 있다.

서울시가 관리하는 시설물 중 하수관로에 있어서는 전체 하수관로 중 48.3%(약 5000km)가 사용연수 30년 이상인 것으로 나타나 있으며 서울시는 시 하수도 예산의 29%를 노후 불량 관로 개선에 투입하고 있지만 하수관로의 노후화를 따라잡기에는 크게 부족한 게 현실이다.

또한, 환경부는 싱크홀 예방 차원에서 내달부터 금년 연말까지 예산 712억원(국고 350억원)을 들여 90개 지자체 12,000km에 이르는 하수관을 우선 정밀 조사하고 2016년 말까지 총 연장 4만km의 하수관을 모두 정밀 조사할 계획으로 되어 있으며 조사 결과에 따라 당장 보수가 시급한 곳은 지자체 자체 예산으로 바로 조치토록하고 2016년부터 국비를 투입해 하수관 개보수나 교체와 같은 정비사업을 추진할 계획으로 되어 있다. 이 시점에서 노후 하수관을 정밀 조사하여 하수관 개보수나 교체와 같은 정비 사업을 추진하는 것도 급선무라 할 수 있지만 이와 병행하여 수준 높은 개보수에 관한 기술 및 시공방법에 관한 연구와 개발로 내구성의 향상 확보에도 역점을 두어야 할 것이다.

종래 상, 하수도관의 시공방법은 흙 지반을 기초로 하는 양질 기반을 기초층으로 하거나 불량지반은 양질토, 자갈, 쇄석 등으로 보강시킨 보강토 지반을 조성하여 단순한 다짐과 콘크리트 기초 보강시설로 선택 시공하므로서 이들 기초 지반은 주변토의 상태, 지하수의 침출 등의 자연 환경과 주변의 토목공사, 굴착공사, 교통량 등의 개발 환경에 의해 직, 간접적으로 쉽게 영향을 받게 되고 콘크리트 기초 보강시설로 매설된 상하수 관체를 지지하는 지지력이 약해 관체에 변형을 발생케 하므로서 이음부로부터 파손으로 이어져 싱크홀의 발생 원인을 제공하게 되었다.

보다 구체적인 종래 기술을 열거하면 국내 등록특허공보(등록번호: 719628호)에 "흙 고화제를 이용한 도로 포장골재 대체 흙 고화공법 및 연약지반 고화법"에 관한 기술 내용이 소개되고 있으며 그 기술 구성을 정사해 보면 중량비로 염화칼슘 11~18%, 리그닌슬폰산염 15~25%, 트리폴리산염, 가성소다 12~20%, 염화마그네슘 15~25%, 생석회 8~12%로 조성되는 흙 고화제 조성물 3~15중량부를 시멘트 100중량부에 혼합한 흙 고화제와 상기 흙 고화제 1~10중량부와 흙 100중량부를 혼합한 고화토를 도로 포장층의 표층을 제외한 어느 하나의 층(보조기층 또는 기층)에 타설하여 다짐하고 고결하는 단계를 포함하는 도로 포장 골재 대체 흙 고화공법과 상기 흙 고화제 3~15중량부와 흙 100중량부를 혼합한 고화토를 교반, 다짐 및 고결하는 단계를 포함하는 연약지반 고화공법에 관한 것이라 할 수 있다.

상술한 흙 고화제는 본원 출원 발명에 사용하는 토양 고화제와는 조성물에서 큰 차이가 있고 용도와 공법에서 큰 차이가 있는 기술 구성이라 하겠다.

또 다른 종래기술로서 국내 등록특허공보(등록번호:821491)에는 "폐기물 매립지용 고화토"에 관한 기술 내용이 소개되어 있다.

기술의 구성은 점토, 마사토 또는 이들의 혼합물 85~90중량%, 벤토나이트 13~30중량%, 8mm이하의 석분 2~7중량%로 구성된 고화토라 할 수 있으나 조성물 중 수경화에 의한 경화기능이나 고결기능이 전혀 없는 흙과 석분으로 조성되어 있어 고화토라 할 수 없고 조성물 또한 본원 발명의 고화

제 조성물과는 전혀 다르다고 할 수 있다.

현장토를 모재로 하여 여기에 고화제 조성물 수용액에 변성 실리케이트 액상고화제를 혼합한 혼합 액상고화제와 시멘트를 현장토에 혼합하여 혼화한 고화토 모르터로 상하수도관 연결부의 지반보강체를 형성하여 지반의 침하예방, 주변 지반과의 일체화, 누수 및 지하수에 의한 세굴 형성방지로 지반의 변형을 방지하므로서 상,하수관의 내구성을 확보할 수 있는 싱크홀발생 방지용 토양고화제를 이용한 상,하수관 연결부의 지반보강체 시공방법을 제공함에 있다

염화나트륨 18~24중량%, 염화칼리움 27~34중량%, 염화마그네슘 19~25중량%, 염화칼슘 17~21중량%, 황산나트륨 3~5중량%, 알루민산나트륨 2~3중량%, 타타르산 0.4~0.8중량%, 시트르산(Citric Acid) 0.2~0.4중량%로 조성된 고화제 조성물 1.2kg을 물 25~35ℓ에 변성실리케이트 액상고화제 10ℓ를 첨가해서 된 혼합액상고화제 35~45ℓ 및 시멘트 70kg을 현장토 1루배에 혼합하여 교반 혼화시켜서 된 토양고화제 모르터를 상,하수도 이음부 아래에 위치하는 장소에 형성한 사면형 공간부에 타설하여 충진시킴과 동시에 상면에 상,하수관 이음부의 안치부가 형성된 지반보강체 시공방법을 제공하므로서 본 발명 목적을 달성할 수 있었다.

상ㆍ하수관 이음부 아래에 현장토, 액상고화제, 시멘트로 조성한 고화토 모르터로 지반 보강체를 시공 설치하므로서 관체 이음부에서 소량의 누수가 있어도 세굴 형성이나 수로형성을 방지하므로서 싱크홀의 발생을 예방할 수 있으며 또한 지반보강체는 그 자체가 우수한 내압성을 가진데다 주변 지반과 일체화되므로서 밀리거나 요동 없이 강력하게 고정되고 상하수도 이음부 상의 도로 위에 고하중의 압력이 분산되는 구조로 되어 있어 관 이음부에 집중적인 하중 압력이 작용하지 아니하므로 이음부에서 상하수관의 상하좌우로 만곡현상이 발생하지 않아 이음부의 손상예방과 더불어 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 관 이음부 지반 보강체 시공방법이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명 상ㆍ하수도 관 아래에 시공되는 지반보강체 사시도

본 발명 토양고화제를 이용한 상,하수관 연결부 지반 보강체 시공방법으로 고상 고화제 조성물의 수용액에 변성 실리케이트의 액상 수용액을 첨가 혼합하여 혼합 액상토양고화제를 얻고 이 고화제와 시멘트를 현장토에 첨가 혼합 혼련하여 고화토 모르터를 얻고 이를 이용 상,하수관 연결부(이음부)의 아래에 지반 보강체를 시공하는 방법으로 구체적인 실시예는 다음과 같다.

○ 고화토 모르터를 조성하는 방법

염화물계의 고화제로서 염화나트륨 18~24중량%, 염화칼리움 27~34중량%, 염화마그네슘 19~25중량%, 염화칼슘 17~21중량%, 황산나트륨 3~5중량%, 알루민산나트륨 2~3중량%, 타타르산(Tataric Acid) 0.4~0.8중량%, 시트르산(Citric Acid) 0.2~0.4중량%로 조성된 토양고화제 조성물1.2kg을 물 25~35ℓ에 용해시켜 고화제 조성물의 수용액을 얻는 단계

상기 고화제 조성물 수용액 25~35ℓ에 변성 실리케이트 액상고화제 10ℓ를 첨가하여 혼합한 혼합 액상고화제 35~45ℓ 및 시멘트 70kg을 현장토 1루배에 혼합하여 교반 혼화시켜서 되는 5단계로 구성되는 고화토 모르터 조성방법이다.

○상하수관 연결부의 지반 보강체 시공방법

상하수관 설치장소에 통상의 보강기초 지반을 시공한 다음 상하수관 연결부 아래에 관의 크기, 하중에 따라 폭, 길이 및 깊이의 비가 1:1.5:1 이고 사면각도 10~15° 사면 공간부를 형성하는 단계

상기 사면 공간부를 거푸집으로 하여 공간부에 고화토 모르터를 보강지반 수준으로 타설하여 충전하되 상면에 상,하수도관 이음부 안치부를 형성한 사면형 지반보강체를 설치하는 단계

상기 사면형 지반보강체를 10시간 경화 고화시키는 단계로 마감되는 상수도관 연결부의 지반 보강체 시공방법이다.

본 발명에서 사용되는 염화물계 고화제들은 흙 고화체에 초기 강도를 발현하므로서 도로 침하로 발생한 싱크홀의 지반 보수와 같이 시급성을 요하는 시공에 있어서는 적합한 고화제라 할 수 있다.

삭제

또한 고화토 모르터에 사용되는 흙에 유기물이 함유될 경우 유기물이 시멘트의 수화반응을 억제하게 되는데 유기물 중의 부식산 및 펄빅산을 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부식산 칼슘을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지 않는 시멘트 입자를 파괴시켜 시멘트의 수화반응이 저해를 받게 되며 이는 고화체의 압축강도 저하요인이 된다.

본 발명에서 황산염 고화제로서 사용되는 황산나트륨(Na₂SO₄)은 본 발명의 토양고화제 중 시멘트 성분의 산화칼슘 또는 염화칼슘 등의 수화로 생성되는 수산화칼슘과 결합하여 석고를 생성시키며 이와 같이 생성된 석고는 다시 수화된 알루미네이트와 반응하여 에트린가이트의 생성반응에 소요된다.

에트린 가이트의 생성반응은 전술한 부식산 및 펄빅산이 함유된 유기물이 존재해도 그다지 저해를 받지 않으므로 하수관의 누수 등으로 발생된 유기물을 다량 함유하는 싱크홀의 지반 개량에 적합하다.

그 밖에도 생성된 석고는 수화의 촉진으로 다량의 간극수를 소비하므로서 응결시간이 단축되며 시멘트의 수화 반응이 진행되기 위해서는 일정 농도의 SO₃ ^2-가 존재해야 하는데 생성된 석고는 시멘트의 수화반응과 CaO·SiO2의 수화를 촉진시켜 더 많은 에트린 가이트가 생성되므로 더욱 강도 높은 경화체를 얻을 수 있다.

또한 고화제로서 알루민산나트륨(Na₂Al₂O₃)은 쉽게 물에 용해하며 칼슘알루미네이트 수화물을 생성하며 이는 규산칼슘수화물에 비해 용해도가 크고 수화 속도와 결정 생성이 아주 빠르며 반응성이 크기 때문에 대기 중의 이산화탄소와 반응하여 고용체를 형성하는 고화제라 할 수 있다.

그 밖에 첨가물로서 타타르산은 액상 토양고화제와 시멘트를 첨가하여 고화토 모르터를 조성할 때 시멘트 및 흙을 효과적으로 분산시키고 감수기능을 갖는 유동화제이고 시트르산(Citric Acid)은 분산성과 침투성을 좋게하여 균질성의 토양 고화모르터를 얻게하는 분산제이다.

또한 본 발명 토양 고화제의 조성에 사용되는 변성 실리케이트 액상 고화제는 전술한 고형분의 고상 고화제와 접촉하게 되면 잠재 수경성을 갖는 고상 고화제 입자의 피막이 파괴되고 -Si-O-Al-O-의 결합이 이루어지는 무기폴리며 반응이 일어나며 이 과정을 통해 높은 강도와 내구성이 뛰어난 토양 고화체가 형성되며 시멘트의 사용량도 크게 줄일 수 있는 잇점이 있다.

본 발명 고화토 모르터를 조성하는 방법에 있어서 고화제 조성물 수용액과 변성 실리케이트 액상 고화제의 혼합은 시공현장에서 짧은 시간에 조성되어야 하며 상기 두 액을 혼합한 토양 액상 고화제에 시멘트를 첨가해 두어도 않되며 현장에서 조성한 토양 액상 고화제는 현장 시공에서 모두 소진해야 하며 남은 것을 보관해도 않된다.

이상의 고화토 모르터로 상,하수관 이음부의 지반 보강체 시공방법에 있어서 상,하수도 관체를 설치하기 위한 통로는 협소하고 협소한 통로 바닥면에 사면홈을 굴착 형성하여 사면 홈 내에 고화토 모르터를 타설해서 기초 지반 수준으로 충진하고 사면홈을 거푸집으로 하는 습식 고화토(함수비 20~25중량%) 시공방법으로 지반 보강체를 시공한다.

상기 지반 보강체 시공방법에 있어서 통상의 기초 지반 시공이라 함은 불량지반의 경우는 자갈 쇄석을 깔고 다짐하거나 안정 지반의 경우는 다짐만을 행하는 시공방법이다.

시공된 지반 보강체(A)의 구성은 도 1에서와 같이 몸체(A1)는 고화토 몰탈로 경화시킨 콘크리트로 구성되어 있고 측면은 10~15°의 사면(A2)으로 형성되어 있으며 상면(A3)에는 관 연결부의 안치부(A4)가 형성되어 있고 관 연결부 안치부(A4)에는 관체 이음부홈(A4')과 관체 안치홈(A4")이 형성되어 있는 상하수도 관 연결부의 지반 보강체라 할 수 있다.

지반 보강체의 규격은 폭, 길이, 높이의 비율이 1 : 1.5 : 1로 형성되는 것이 일반적이라 할 수 있고 상하수도 관의 종류 및 크기가 다양하므로 상기 치수의 비율로 한정하는 것은 아니다.

이와 같은 지반 보강체의 특성은 다짐 없이 타설하여 경화 및 고화시킨 지반 보강체이므로 투수 계수가 1×10^-5의 수준으로 상하수관 이음부에서 적은 량의 누수가 있어도 이를 흡수하여 지반 보강체의 저면 및 사면으로 균일하게 배출되므로서 미세량의 누수가 지반토에 흡수되므로서 세굴의 수로가 형성되지 않는다.

지반 보강체는 관체가 설치되는 기초 지반을 굴착하여 형성한 사면 공간부에 고화 모르터를 습식공법으로 타설 충전하여 고화시켜 형성된 지반 보강체이므로 타설 시 고화토 모르터에 함유된 액상 고화액이 사면 공간부의 저면과 사면으로 침투하여 사면 공간부의 주변토를 고화하여 일체화되므로서 지반으로부터 탈리되거나 요동됨이 없이 지중에 강력하게 고정된다.

또한 본 발명 고화제로 조성한 고화토 모르터의 경화로 얻어진 지반 보강체의 압축강도(일축 압축강도)가 12~20kg/cm² 수준으로서 통상 싱크홀 발생 지반의 압축강도가 0.3~0.8kg/cm²에 비해 아주 높은 압축 강도를 가지며 이와 같은 지반 보강체는 특히 상,하수도 이음부 상에 고하중의 압력이 작용해도 압력을 분산시키는 구조로 되어 있어 상,하수도관 이음부에 집중적으로 하중 압력이 작용하지 아니하므로 상,하수도관 이음부에 상하좌우로 만곡 현상이 발생하지 않아 이음부의 손상을 예방할 수 있고 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 기술 구성을 보다 명확하게 이해하고 또는 그 효과를 알아 보기 위해 구체적인 실시예를 들기로 한다.

<실시예1>

염화나트륨 20중량%, 염화가리 30중량%, 염화마그네슘 24중량%, 염화칼슘 18중량%, 황산나트륨 5중량%, 알루민산나트륨 2중량%, 타타르산 0.7중량%, 시트르산 0.3중량%로 조성되는 고화제 1.2kg을 물 30ℓ에 용해시킨 고화제 조성물 30ℓ에 변성실리케이트 액상고화제 10ℓ를 첨가하여 혼합하여 혼화한 고화토 모르터로 두께 10cm ×가로 30cm × 30cm의 시료 고화체를 제조하였다.

<실시예2>

실시예1의 혼합액상고화제 40ℓ와 시멘트 100kg을 현장토 1루배(1m³)에 첨가 혼화하여 혼화한 고화토 모르터로 두께 10cm ×가로 30cm × 30cm의 고화체를 제조하였다.

상기 실시예(1) 및 (2)의 고화체의 압축강도(일축 압축강도) 및 투수율을 측정한 결과 표(1)과 같은 결과를 얻었다.

실시예(1) 및 (2)의 압축강도 시험결과

항목＼구분	실시예(1)	실시예(2)
압축강도(kg/cm²)	14	19
투수계수	1×10^-5	1×10^-6

본 발명 고화제의 유해성을 알아보기 위해서 실시예(1)에서 조성된 혼합 액상고화제의 인체 무해성 검사 결과를 표(2)에 나타내었다.

인체 무해성 검사결과표

항목	기준치	측정치
cd 또는 그 화합물	0.5mg/l 이상	검출 안됨
CN 화합물	1.0mg/l 이상	검출 안됨
유기인 화합물	1.0mg/l 이상	검출 안됨
Pb 또는 그 화합물	3.0mg/l 이상	0.10mg/l 이하
Cr⁺⁶ 또는 그 화합물	1.5mg/l 이상	검출 안됨
AS 또는 그 화합물	1.5mg/l 이상	검출 안됨
Hg 또는 그 화합물	0.005mg/l 이상	검출 안됨
Cu 또는 그 화합물	3.0mg/l 이상	0.12mg/l 이하
트리클로로에티렌	0.3mg/l 이상	검출 안됨
테트라클로로에티렌	0.1mg/l 이상	검출 안됨

※상기 표(2)는 국내 폐기물 용출수의 유해성 판정을 위한 판정 항목 및 기준치임

A : 지반보강체 A4 : 상하수관 연결부의 안치부
A1 : 몸체 A4' : 관체 이음부홈
A2 : 사면 A4" : 관체 안치홈
A3 : 상면

Claims

상,하수관 설치장소에 통상의 기초지반을 시공하고
상하수관 연결부 아래에 관의 크기 하중에 따라 폭, 길이 깊이의 비가 1:1.5:1이고 사면각도 10~15°인 사면공간부를 형성하는 단계
상기 사면공간부를 거푸집으로하여 사면공간부 내에 현장토 1루배에 토양고화제 조성물1.2㎏을 물25~35ℓ에 용해시킨 토양고화제 조성물의 수용액에 변성 실리케이트 액상고화제 10ℓ를 첨가하여 혼합한 혼합액상 고화제 35~45ℓ및 시멘트 70㎏을 현장토 1루배에 첨가혼화시킨 고화토 모르터를 기초지반수준으로 타설하고 그 위에 상,하수관 이음부의 안치부를 형성한 사면형 지반 보강체를 형성하는 단계
상기 사면형 지반보강체를 10시간 고결경화 시키는 단계를 포함하는 토양고화제를 이용한 상,하수관 연결부의 지반보강체 시공방법
삭제
청구항 제1항에 있어서,
지반보강체는 몸체(A1)가 고화토 몰탈로 고결 경화시킨 콘크리트로 되어 있고 폭, 길이 및 깊이 비가 1:1.5:1 이며 측면이 10~15°의 사면(A2)으로 형성되어 있으며 상면(A3)에는 관 연결부의 안치부(A4)가 형성되어 있고 관 연결부 안치부(A4)에는 관체이음부(A4') 및 관체 안치홈(A4")이 형성되어 있는 지반보강체임을 특징으로 하는 상하수도관 연결부의 지반보강체 시공방법
삭제
삭제
삭제
청구항 제1항에 있어서 토양고화제 조성물은 염화나트륨 18~24중량%, 염화칼리움 27~34중량%, 염화마그네슘 19~25중량%, 염화칼슘 17~21중량%, 황산나트륨3~5중량%, 알루민산나트륨2~3중량%, 타타르산0.4~0.8중량%, 시트르산 0.2~0.4중량%로 조성된 토양고화제 조성물임을 특징으로 하는 상,하수관 연결부의 지반보강체 시공방법