KR20040016102A - 초연약지반의 조기 안정화 처리를 위한 연직배수재 적용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초연약지반의 조기 안정화 처리를 위한 연직배수재 적용 기술로서, 지지력이 거의 없는 슬러리 상태의 초연약지반에 인력 또는 특수장비에 의해 배수재를 연직으로 타설하고, 부력이 큰 물질을 이용해 배수재의 자립을 유도하여 자중압밀에 소요되는 시간을 단축시킴과 동시에 추가적인 압밀개량시 연직배수재를 재활용함에 따른 시간적, 경제적 이득을 가져오는 발명이다.

연직배수공법이란 연약지반에 천연 또는 인공적으로 만들어진 필터를 지중에 설치함으로서, 연직방향의 투수계수보다 수평방향의 투수계수가 큰 점성토의 특성을 이용해 배수거리를 단축시켜, 원활한 배수를 유도해 압밀을 촉진시키는 공법이다. 이와 같이 준설매립직후의 초연약지반의 자중압밀 촉진에도 배수거리 단축에 의한 공기단축의 필요성이 인식되고 있으나, 시공상 또는 기술상의 문제로 실행되고 있지 못하고 있는 실정이다.

준설토 투기후의 매립지는 매우 연약한 상태이므로 지반개량에 필요한 주행성 확보를 위해서는 토립자의 자중의 힘만을 이용한 자중압밀, 표층고화처리등의 공정을 거쳐야 하며, 이중 자중압밀에 소요되는 시간은 전체 공정 중 매우 큰 비중을 차지하고 있다. 본 발명이 적용됨으로서의 장점은 ⅰ) 매우 연약한 지반에서의 배수재을 자립을 위해 부력이 큰 물질을 이용함으로서 자립성을 확보; ⅱ) 고함수비의 연약한 상태로 존재하는 지반에 연직배수재를 설치함으로서 배수거리를 단축시키는 효과를 유발해 점토의 자중압밀에 소요되는 시간을 단축시킴으로 전체공기의 상당부분 단축; ⅲ) 배수재 설치공정을 미리 수행했으므로, 단계성토에 의한 압밀개량시에도 이용할 수 있어 전체적인 공정단계 일부를 줄일 수 있다는 것에 특징이 있다.

Description

초연약지반의 조기 안정화 처리를 위한 연직배수재 적용 시스템{The vertical drain application system for the early stabilization of very soft grounds}

우리나라는 국토의 효율적 이용을 목표로 서남해안을 2000년대 신 산업지대로 개발 육성하여 경제성장에 따른 공업용지 및 주거용지와 공항, 항만 등 늘어나는 토지의 수요를 충족하고자 해안매립을 통한 부지개발을 활발히 추진하고 있다. 국내의 해안매립 초기에는 주로 쇄석이나 산토가 매립재료로 사용되었지만 매립공사가 활발해짐에 따라 육지에서 사용할 수 있는 양질의 토사에 대한 채취량이 한정되어 있으므로, 환경문제와 대치되어 해상 준설토를 이용한 매립방법의 개발이 중요하게 대두되어 있는 실정이다.

준설토를 이용하여 부지를 조성하기 위해서는 해상에서 준설선을 이용하여 해저의 매립재료를 물과 혼합하여 투기장에 투기한다. 물과 혼합되어 매립지에 투기된 준설토는 유효응력이 존재하지 않은 상태에서 응집, 침강, 퇴적단계를 거쳐 토립자의 자중에만 의존하는 자중압밀 상태가 된다. 토립자의 자중에만 의존한 자중압밀은 매우 오랜 시간에 걸쳐 진행되므로, 이를 단축시키는 것은 시간적, 경제적 측면에서 매우 가치있는 일이 될 것이다.

기존의 매립지반 조성 공정은 준설토 투기 후 매우 연약한 지반에 소정의 강도를 발휘시키기 위해 상당시간(보통 3∼5년)의 방치기간을 거쳐 표층고화처리(PTM, 수평진공배수, 시멘트계 고화처리)를 시킨다. 이후 Sand Mat를 포설하여 시공장비의 주행로를 확보한 후 Paper Drain, Plastic Board Drain, Fiber Drain, Sand Drain등 연직배수재를 설치한 후 단계적인 성토로 인한 하중으로 압밀시킨다.

본 발명과 관련된 대표적인 종래의 기술은 다음과 같다.

수평진공배수공법은 일본의 五洋建設에서 최초로 개발되어 일본의 Ooita공항의 매립지 개량공사등에 적용된 바 있으며, 김해숙 등이 2000년 등록한 특허(한국 특허 : 2001920920000)는 '연약지반을 안정화 시키기 위한 수평배수재'이다. 이 발명의 내용은 매립지반을 조기에 안정화시키기 위해 매립지반에 특수장비를 투입하여 배수재를 수평으로 타설한 후 물을 강제 펌핑에 의해 배수시켜 매립지반을 조기에 견고하게 만들어 안정화 작업을 보다 빠르게 진행할 수 있도록 하는 공법이다.

그러나, 경제성 분석에 의하면 이 공법은 사용용도가 제한적이며, 그 효과 또한 신뢰하기 힘들 정도라 알려져 있다.

Sato et al.(2000)과 이룡(2001)은 실내 실험을 통해 초연약지반에서의 연직배수재 적용시 자중압밀 효과에 대한 연구를 하였다. 이들 연구에 의하면 연직배수재를 적용하였을 경우에 적용하지 않았을 경우보다 매우 큰 시간단축 효과를 가져올 수 있을 것이라 하였다. 그러나, 시공시 배수재 자립에 대한 문제점을 해결하지 못하여 실제 현장에서의 적용은 이루어지지 않고 있다.

정순용이 1996년 등록한 특허(한국특허 : 1002222350000)는 '해안매립시의 배수재 설치방법'이다. 이 발명의 내용은 준설토 투기전에 매립지 원지반을 특수장비를 이용해 슬러리화 시킨 후 강성이 있는 막대를 이용해 격자틀을 만들어 수직 또는 수평방향으로 막대에 묶어서 원지반에 올려놓는 방법이다.

그러나, 이 방법은 광범위한 매립지에 격자틀을 형성하여 배수재를 설치하기에는 많은 시간과 노력이 요구되기 때문에 경제성에 한계가 있다.

본 발명은 앞서 설명하였듯이 초연약지반의 조기 안정화 처리를 위해 연직배수재를 설치함에 있어 부력이 큰 물질을 이용해 배수재를 자립시키는 방법과 이를 설치하는 방법에 관한 발명이다.

배수재는 물보다 비중이 작고 물속에 잠기면 매우 짧은시간에 포화되므로 부력의 영향을 받지 못해 자립성을 상실하게 되며, 이러한 문제로 인해 지지력이 없는 초연약지반에서의 적용이 불가능해 다른 대책공법들을 이용하였으나, 경제성이나 시공성에서 만족할만한 성과를 얻지 못했다. 본 발명을 이용해 현장에서 부력이 큰 물질을 이용해 배수재의 자립성을 유지시켜 적용할 경우, 자중압밀에 소요되는 시간의 단축으로 인한 공기단축에 매우 크게 기여할 것이라 기대된다. 또, 자중압밀 이후의 단계성토에 의한 압밀개량시에도 효과적인 배수역할을 담당할 수 있어, 추가적인 배수재 설치가 줄어짐에 따른 경제적 효과도 누릴 수 있을 것이라 기대된다.

도면 1은 배수재 설치시 자중압밀 촉진효과 규명을 위한 실내실험 장치

도면 2는 배수재 설치시 자중압밀 촉진효과

도면 3은 실내 모형실험 개략도

도면 4는 실내 모형실험 전경(수중설치)

도면 5는 실내 모형실험 전경(혼합토 투기직후)

도면 6은 본 발명의 적용을 위한 연직배수재 인력 설치법

도면 7은 본 발명의 적용을 위한 연직배수재 특수장비에 의한 설치법

도면 8은 본 발명 적용 후 매립지 평면도

도면 9는 연직배수재 설치를 위한 특수장비 개략도

도면 10은 본 발명에 적용한 배수재 고정장치(제①안)

도면 11은 본 발명에 적용한 배수재 고정장치(제②안)

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 부력이 큰 물질 2 : 연결선

3 : 배수재 설치를 위한 특수장비 4 : 배수재 고정장치(제②안)

5 : 배수재 6 : 롯드

7 : 도르래 8 : 롯드 지지대

9 : 실내실험을 위한 아크릴 Column 10 : 제방

11 : 인력설치선 12 :배수재 고정장치(제①안)

본 발명에서 제시한 슬러리 지반에서의 연직배수재에 부력이 큰 물질을 이용, 실내 모형실험을 통해 배수재 자립효과를 검증하였으며, 기존에 이룡(2001)에 의해 연구된 자중압밀 촉진효과를 요약하면 다음과 같다.

이룡(2001)은 실내에서 초연약지반에 연직배수재 설치시 자중압밀 촉진효과에 대한 실험적 연구를 하였다. 실험에 사용한 흙은 통일분류법상 CL로 분류되는 국내 남해안 점성토이며(표 1 참조), 배수재 설치시 준설토의 자중압밀 촉진효과의 검증을 위한 실내실험방법은 도면 1의 실험장치에 의하여 실시하였다.

도면 1은 실내실험을 위한 Column은 투명 아크릴 재질로 직경 21㎝, 높이 1m로 제작되었다. 시간경과에 따른 계면하강을 관찰하고자 Column외측 벽면에 줄자를 부착하여 시간경과에 따른 침하량을 육안으로 측정하였다. 실내실험을 위한 흙의 특성 및 실험조건은 표. 1에 명시한 바와 같다.

도면 2는 물과 혼합하여 소정의 함수비로 조정한 후 실험에 사용된 Column에 90cm투기한 후 침하량 관측결과이다. 배수재를 타입했을 경우 자중압밀 종료에 소요되는 시간은 배수재를 설치하였을 경우 약 1250시간, 배수재를 설치하지 않았을 경우 약 2500시간이 소요되어 배수재를 설치하였을 경우 약 50%의 자중압밀 소요시간을 단축시키는 것으로 나타났다.

(표 1) 실시 예1에 사용된 흙의 주요 특성 및 실험조건(이룡, 2001)

토질특성	토질분류(USCS)	비중	액성한계(%)	소성한계(%)	소성지수	#200체 통과중량 (%)
	CL	2.65	47±2%	26±2%	20±2	97∼99%
실험조건	초기함수비	투기고(일괄투기 조건)
	1000%	90cm

본 발명을 적용하여 실내에서의 배수재 자립능력 평가 시험을 실시하였다. 이하 실시 예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 다음의 실시 예에 의하여 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 > 실내 모형실험에 의한 연직배수재 자립능력 실험

도면 3은 부력에 의한 배수재 자립성 평가를 위한 토조시험의 개략도이다. 물과 흙을 혼합하여 소정의 함수비(1000%)로 조정하여 토조에 투기한 후 배수재를 설치하였다. 실내 실험에서는 배수재 하부에서의 위치 이동을 방지하기 위한 고정장치로 무게추를 설치하였으며, 배수재 상부에 연결선을 설치, 발포 스티로폴에 연결하여 배수재가 자립하도록 하였다.

도면 4는 본 발명을 수중에 적용한 도면이다. 물과 고함수비의 혼합토의 밀도는 큰 차이가 없으므로 수중조건이나 혼합토에서 설치나 큰 차이를 보이지 않는다고 판단되어, 본 발명을 적용한 배수재의 자립능력을 육안으로 명확히 확인하고자 수중에 설치하였다. 실험결과 배수재는 일정높이까지 물이 채워진 상태에서 자립성을 유지하고 있었다.

도면 5는 혼합토를 투기한 후 배수재를 설치하여 일정시간 경과후의 전경이다. 상부에 발포 스티로폴을 설치한 배수재는 수중에 설치했을 때와 마찬가지로 자립성을 잘 유지하고 있었다.

도면 6은 인력에 의한 연직배수재 타설을 모식화한 것이다. 슬러리 상태의 초연약지반은 강도가 거의 없기 때문에 소형바지선 또는 선박을 이용하여 배수재를 롯드하부에 연결해 인력으로 설치하는 방법이다. 준설매립시의 매립층은 일반적으로 5∼8m정도이므로 배수재 설치에 사용되는 롯드가 단계적으로 분리될 경우에는 작업의 편의를 도울 수 있다. 또한 앞서 언급하였듯이 슬러리 상태의 초연약지반은 강도가 거의 없기 때문에 롯드는 큰 강성을 필요로 하지 않는다.

도면 7은 해상연직배수재 타설장비를 장착한 바지선에 의한 배수재 설치를 모식화한 그림이다. 앞서 언급하였듯이 타설에 필요한 롯드는 큰 강성을 필요로하지 않으며, 롯드에 거치된 배수재를 유압 또는 전동장치등에 의한 기계장치로 설치한다. 장비를 이용한 타설시에는 일부 원지반까지 설치하면 배수재 하부의 고정능력이 크게 향상될 것으로 기대된다.

도면 8은 부력 큰 물질로 배수재의 자립성을 확보한 후의 매립지 평면도이다. 이때 배수재의 설치간격은 배수재의 영향원을 고려하여 설계자 또는 감독자에 의하여 결정될 수 있다. 또한 기상조건 악화에 의한 배수재의 이동발생이 예상될 경우 배수재 상부의 부력물질을 서로 연결하여 이동을 방지할 수 있다. 도면 8에서는 일반적인 배수재 설치법인 사각형 배치를 나타내지만, 본 발명의 적용이 이에 한정되는 것은 아니다.

도면 9는 초연약지반에서의 배수재를 타설하기 위해 특수장비의 개략도로 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 바지선 또는 선박에 배수재 장착을 위한 도르래와 롯드의 직립과 작업효율을 높이기 위한 장치로 롯드 지지대, 롯드를 압입시킬 수 있는 유압다. 또는 전동장치를 설치한 롯드는 단계적으로 분리될 수 있는 방식이 작업의 편의상 이로우며, 롯드의 중량이 클 경우에는 자중에 의한 관입도 가능할 수 있다. 바지선 또는 선박의 이동을 위한 방법으로 추진장치에 의한 방법과 육지에서의 예인방법이 있으나, 추진장치에 의해 이동할 경우 초연약지반은 교란이 발생이 예상된다.

도면 10과 도면 11은 배수재 하부 고정장치에 대한 그림으로 상세히 설명하자면 다음과 같다. 도면 10의 배수재 고정장치는 하부에서의 배수재 이동을 방지하기 위한 장치로서, 중량이 큰 재질로 하부를 뾰족하게 원형 또는 마름모형으로 지중 설치를 용이하게 한다. 인력설치의 경우 하부 원지반까지의 타설이 불가능 할 수도 있지만, 원지반이 매우 연약할 경우에는 원지반 일부까지 타설함이 보다 효과적인 설치가 될 것이다. 도면 11의 배수재 고정장치는 기존의 PBD(Plastic Board Drain)타설시 배수재를 원지반 하부에 고정시키기 위한 장치로 장비타설에 의한 방식에 효과적인 장치이다. 그러나, 반듯이 특수장비에 의한 타설시에만 적용되는 것을 의미하는 것은 아니며, 특수장비 타설시에도 도면 10에서 제안한 고정장치를 사용할 수 있다.

본 발명은 지지력이 거의 없는 슬러리 상태의 초연약지반 개량을 위해 연직배수재를 설치, 부력이 큰 물질을 이용해 배수재의 자립을 유도함으로서, 상부 일면배수 또는 상하부 양면배수에만 의존하고 있는 배수거리를 단축시켜서, 자중압밀에 소요되는 시간을 단축시키는 효과를 가져온다. 실내실험 결과에 의하면 약 50%정도의 시간절감 효과를 가져온다. 또, 자중압밀 촉진에 사용된 배수재를 단계성토에 의한 압밀개량시에도 이용할 수 있어 경제적인 효과에 있어서도 큰 기대가 된다.

Claims (7)

1. 준설매립지반이나 슬러리 상태의 초연약지반의 자중압밀 촉진시 연직배수재를 설치함에 있어, 배수재 하부의 고정과 동시에 자립성을 확보하고자 부력이 큰 물질을 배수재 상부에 연결선을 연결하여 배수재의 자립을 도모하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 부력이 큰 물질이라함은 발포스티로폴, 고무튜브, 플라스틱통 등 물에 뜰 수 있는 자연적, 인공적 물질을 말한다.
3. 제1항에 있어서, 초연약지반에서 배수재 설치시점은 준설토 투기 중 또는 투기 후에 구애를 받지 않는 방법.
4. 제1항에 있어서, 배수재를 설치하는 방법으로 소형바지선 또는 선박에 배수재 설치를 위한 도르래와 롯드의 직립성과 작업효율을 높이기 위한 장치로 롯드 지지대, 롯드를 압입시킬 수 있는 유압 또는 전동장치등의 기계장치를 설치하여, 진행방향에 따라 연속적으로 배수재를 설치하는 특수장치.
5. 제1항에 있어서, 인력에 의한 설치방법으로 연속적인 연결이 가능한 롯드를 이용하여, 인력에 의해 설치하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 배수재 고정장치는 중량이 큰 재질로 하부를 뾰족하게 원형 또는 마름모형으로 지중 타설을 용이하게 하며, 하부에서의 배수재 이동을 방지하기 위한 장치.
7. 배수재의 이동발생이 예상될 경우 배수재 상부의 부력물질을 서로 연결하여 배수재의 이동을 방지하는 방법.