KR20040100704A - 경량기포혼합토 제조방법 및 경량기포혼합토를 이용한지반개량공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량기포혼합토 제조방법 및 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법에 관한 것으로, 준설토나 현장발생토를 채취하는 단계, 혼합토의 구성요소들을 모두 포함하는 정규화계수(Normalized Factor, NF)를 적용하여 혼합토의 구성요소 배합비를 조정하는 단계, 상기 정규화계수에 의한 배합비로 시멘트를 첨가하고, 기포를 경량재로 첨가하는 단계, 기포가 첨가된 경량의 혼합토를 타설하는 단계로 구성되어, 항만공사시 준설토 투기장이나 항로 준설토공사에서 발생하는 준설토를 직접 이용할 수 있으므로 환경오염문제와 시간적, 경제적으로 비용을 절감할 수 있고, 경량혼합토의 임의의 배합비에 대한 압축강도를 구하여 현장설계에 이용할 수 있도록 된 것이다.

Description

경량기포혼합토 제조방법 및 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법{ A Light-Weighted Foam Soil Manufacturing Method and Soft Ground Improvement Method Using thereof }

본 발명은 경량혼합토를 이용한 지반개량공법에 관한 것으로, 특히 경량기포혼합토를 제조하는 방법 및 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법에 관한 것이다.

일반적으로, 국토의 효율적인 이용을 위해 연안해역의 일부를 매립하여 산업단지나 주택단지, 위락단지, 공항 등을 조성하고 있다.

매립공사에서 양질의 매립재료인 해사는 경제적으로 획득에 한계가 있어 매립지 인근에서 쉽게 구할 수 있는 연약준설토를 활용하는 방안이 강구되고 있다.

종래의 매립공사는 안벽호안을 구축하는 단계, 호안 밖의 해저로부터 준설토를 펌핑하여 매립하는 단계, 준설토 매립지에 중장비가 주행하고 작업할 수 있는 표층을 형성시키는 단계로 구성되어 있다.

준설된 토사는 매우 연약하여 지반안정에 장시간이 소요되어 표층처리 단계에서 모래를 포설하거나 부직포를 부설하여 표층처리를 하고 있으며 최근에는 트렌치(trench)를 인력으로 굴착하여 국부적인 배수로로 활용하는 P.T.M(Progressive Trench Method) 공법이 사용되고 있으나, 지반을 안정시키는 데 소요되는 시간을 크게 줄이지 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 인공혼합토에 대한 연구가 진행되고 있으며, 해양환경의 오염방지, 자원의 유효이용, 건설공기의 단축 등 사회적 요구의 측면에서 재료의 경량성, 높은 강도성, 내구성, 공해의 저감등 다각적인 면으로 실용화방법을 연구하는 실정이다.

경량혼합토에 사용되는 경량화 재료로는 석탄회, 고로 슬래그 등 부수적인 발생재료, EPS와 기포제를 혼합한 인공재료가 널리 사용되고 있다.

기존에 경량혼합토의 물성에 관한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 주로 경량혼합토의 단위중량에 영향을 주는 원료토의 물리적 특성에 대해서 입도의 특성 및 유기물질의 함량을 고려하였다.

경량혼합토의 압축강도는 구성요소 모두에 의존하여 압축강도를 발현하고 있어 임의의 배합조건에 따른 압축강도의 크기를 추정하는 것은 복잡하다고 할 수 있다.

특히, 기포를 함유하는 경량혼합토는 기존의 강도증진을 위하여 적용되고 있는 시멘트 혼합토와는 달리 압축성의 기포로 인해 배합조건에 따른 압축강도, 점착력, 내부마찰각과 같은 지반재료 정수의 추정이 더욱 어려워 실제의 공사에서 설계가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바의 제반 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 기포를 경량제로 사용하여 양생기간을 단축시키고, 시멘트를 고화제로 사용하여 압축강도를 증가시킬 수 있으며, 구성요소인 초기 함수비, 시멘트 함유율, 기포 함유량을 모두 고려한 정규화계수(Normalized Factor, NF)를 적용하여 정규화계수(NF)와 일축압축강도 및 비압밀-비배수 삼축압축강도의 적절한 회귀식을 추출함으로써 임의의 배합비에 대한 압축강도를 설계할 수 있는 경량기포혼합토 제조방법 및 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 경량기포혼합토 제조방법의 배합공정을 나타낸 개념도,

도 2 - 도 22는 본 발명의 실험결과를 나타낸 그래프,

도 23은 본 발명에 따른 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법의 타설공정을 나타낸 개념도,

도 24는 본 발명에 따른 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법을 해양연약지반에 적용한 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 혼합조 20 : 배합탱크

21 : 스크류 30 : 공기펌프

40 : 트레미관 50 : 연직배수관

S1 : 경량기포혼합토 S2 : 모래층

S3 : 압밀성토층 D : 배수통로

G : 부직포

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 경량기포혼합토 제조방법은, 준설토나 현장발생토를 채취하는 단계, 혼합토의 구성요소들을 모두 포함하는 정규화계수(Normalized Factor, NF)를 적용하여 혼합토의 배합비를 조정하는 단계, 상기 정규화계수에 의한 배합비로 시멘트를 첨가하고 기포를 경량재로 첨가하는 단계, 기포가 첨가된 경량의 혼합토를 타설하는 단계로 구성되어 있다.

현장에서 채취된 배합재료를 전처리장치를 통해 혼합토의 함수비를 조정하고, 배합장치에서 고화제와 기포를 첨가한 후 혼합토를 운반하여 타설한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 혼합토 배합장치는 기포제와 물을 혼합하는 혼합조(10), 혼합토와 시멘트 및 기포를 배합하는 배합탱크(20), 공기펌프(30) 및 배합탱크 구동기구로 구성되어 있다.

상기 공기펌프(30)는 공기압을 이용하여 기포제를 공급하고 일정한 압력으로 기포를 생성시킨다.

상기 배합탱크(20)는 내부에 스크류(21)를 설치하여 배합을 균질하게 하고, 혼합토를 배출하게 된다.

기포제는 동물성, 식물성, 합성유계등이 있으며, 계면 활성 작용을 이용하여 물리적으로 기포를 혼합한 것으로 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 기포발생기를 이용하여 물리적으로 공기압을 가해 기포를 발생시킨다.

그리고 기포제와 물의 비율을 1:20, 공기압 2∼3하에 발포시킨 기포를 사용하였다. 사용된 기포제의 특성과 공기압에 따른 단위중량은 표 1과 같다.

[표 1] 기포제의 특성

구 분	비중Gs	Ph(4 C)	비누화값	침전값	염분농도(%)	단위중량, t ()
						공기압(2∼3)	공기압(3∼4)
식물성	1.03	7.1	5.30	0	1.7	0.047	0.076
동물성	1.20	7.0	2.10	10	4.2	-	-

상기 고화제는 경량혼합토의 강도를 증대시키는 역할을 하는 것으로, 1종 보통포틀랜드(Portland) 시멘트와 굴패각을 사용한다.

다음의 표 2는 보통포틀랜드 시멘트와 굴패각 고화재의 화학성분을 나타낸 것이다.

[표 2]

상기 배합비 조정단계에서의 정규화계수(Normalized Factor, NF)는 구성요소에 따른 압축강도의 변화를 추정하는 역할을 하는 것으로, 경량혼합토의 압축특성과 역학적 특성 및 응력-변형거동, 압축강도 특성을 고려하여 압축강도를 추정할 수 있게 되며, 구성요소들에 의한 다양한 배합조건 비에 상응하는 압축강도와 같은 지반재료의 정수를 쉽게 추정할 수 있게 된다.

[실험 1] 압축특성

준설토의 초기함수비를 125%에서 200%, 시멘트 함유율을 6%에서 18%, A 준설토에 대한 중량비로 B준설토의 혼합량을 25%에서 75%로 변화시켜 경량혼합토를 제작하여 28일간의 양생과정을 거쳤다. 이와같이 제작된 공시체를 이용하여 표준압밀시험, 일축압축시험과 구속압을 50kPa에서 400kPa까지 달리하여 비압밀-비배수조건의 삼축압축시험을 수행하였다.

먼저 경량혼합토의 압축특성을 파악하기 위하여 표준압밀시험을 수행하였다. 도 2는 초기함수비 125%일 경우 시멘트 함유율이 각각 6%, 12%일 경우에 기포를 포함한 시료와 기포가 포함되지 않은 시료의 e-logP곡선을 나타내고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 기포의 유무에 따라 초기 간극비의 차이가 나타나지만 압밀과정을 거친후 최종압밀하중의 시점에서는 간극비가 유사함을 보여준다.

시멘트 함유율에 따른 선행압밀하중은 기포가 포함되고 시멘트 함유율이 12%일 경우가 470kPa로 6%인 경우의 80kPa보다 크게 나타났으며 압축지수는 기포가 포함되고 시멘트 함유율이 12%일 경우 0.240으로 6%일 경우의 0.692보다 작게 나타났다. 그리고 팽창지수의 경우 차이가 거의 미소함을 알 수 있다. 또한, 팽창성도 일반적인 점토에 비해 작게 나타나게 되는 것이다. 따라서, 시멘트의 함유가 팽창성 보다는 압축성에 더 큰 영향을 주는 것으로 보인다.

기포가 포함되지 않은 경우에는 선행압밀하중의 경우 시멘트 함유율이 12%인 경우가 640kPa, 6%인 경우가 101kPa로 기포가 포함된 경우와 같은 경향을 보이고 있으며 압축지수도 시멘트 함유율이 12%인 경우가 0.116, 6%인 경우가 0.141로 역시 기포가 포함된 경우와 같은 경향을 나타내고 있다. 그리고, 팽창지수 또한 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 다만, 팽창지수의 경우 시멘트 함유량에 따른 변화에 있어서 기포가 포함된 경우가 기포가 포함되지 않은 경우보다 더 큰 것으로 나타났다.

도 3은 시멘트 함유율이 12%인 경우에 초기 함수비를 125%∼200%로 변화시킨 경우에 기포를 포함한 시료와 기포를 포함하지 않은 무기포 시료에 대한 시험 결과를 도시하였다.

기포가 포함된 경우에 초기 함수비의 변화에 따른 선행압밀하중은 초기 함수비가 125%일 경우 470kPa, 150%일 경우 320kPa, 200%일 경우 190kPa로서 점차 감소하는 경향을 보이며 압축지수의 경우는 초기 함수비가 125%일 경우 0.240, 150%일 경우 0.279, 200%일 경우 0.284로 증가하는 추세를 보인다. 그리고 팽창지수의 경우는 시멘트 함유량의 변화에서와 마찬가지로 초기 함수비의 변화에도 미소한 변화를 보이며 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

기포가 포함되지 않은 경우에 초기 함수비의 변화에 따른 선행압밀하중은 초기 함수비가 125%일 경우 640kPa, 150%일 경우 440kPa, 200%일 경우 220kPa로 기포가 포함된 경우와 동일한 경향을 보이며 압축지수의 경우도 초기 함수비가 125%일 경우 0.116, 150%일 경우 0.223, 200%일 경우 0.274로 기포가 포함된 경우와 같은 경향을 나타낸다. 그리고, 팽창지수도 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.

결과적으로 경량혼합토는 선행압밀하중의 경우 시멘트 함유량에 비례하고 초기 함수비와는 반비례하며 압축지수의 경우는 시멘트 함유량에 반비례하고 초기 함수비와는 비례적인 관계를 나타낸다. 그리고, 팽창지수는 시멘트 함유량과 초기 함수비에 거의 영향을 받지 않는 것으로 보인다. 또한, 기포함량의 유무에 따른 압축특성은 초기 함수비 보다 시멘트 함량과의 관계가 더 큰 영향을 받는 것으로 드러났다.

[실험 2] 경량혼합토의 응력 - 변형 거동

각각의 배합조건에 따라 제작된 공시체를 이용하여 일축압축시험 및 비압밀-비배수상태의 삼축압축시험을 통하여 경량혼합토의 응력-변형거동을 파악한다.

경량혼합토는 경량화를 위해 첨가된 기포로 인해 강도가 감소하게 되고, 시멘트를 고화제로 첨가하여 강도를 증가시키게 되므로, 시멘트의 함유율에 따른 혼합토의 응력-변형거동 특성의 고찰이 필요하다.

도 4는 초기 함수비 125%이고 기포가 포함된 경우 시멘트 함유율을 6%∼18%로 변화시켰을때의 일축압축시험 결과 나타난 응력-변형곡선을 보여주고 있다.

시멘트 함유율을 6%에서 18%까지 증가시킬수록 파괴시 압축강도까지의 기울기도 커지며 파괴이후의 응력감소 또한 고화제 함유량이 클수록 크게 나타났다.

이는 일반적인 시멘트계 처리토의 응력-변형거동과 유사하다. 파괴시 변형율은 0.82%∼1.32%로 시멘트 함유량의 변화에 따른 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.

현장에서 발생하는 준설토의 자연 함수비는 매우 큰 상태로 존재하며 이를 현장에서 사용하여 혼합토를 제작하기에는 많은 어려움이 따르므로, 적정 함수비를 결정하는 것은 중요하다고 할 수 있다.

도 4의 일축압축시험으로 나타난 결과를 보면 동일한 시멘트 함유율 12%에서 초기 함수비가 125%에서 200%로 증가할 경우 파괴시 압축강도는 감소하는 경향을 보이며 파괴시 압축강도까지의 기울기도 작아지는 양상을 보인다.

파괴시 변형율은 0.57%∼3.28%로 초기 함수비가 증가할수록 커지는 것으로 나타났다. 따라서, 일축압축상태에서의 파괴시 변형율은 초기 함수비의 영향을 받는 것으로 판단된다.

2-1. 시멘트 함유율의 영향

비압밀-비배수 삼축압축상태하의 동일한 초기함수비 조건에서 시멘트 함유율의 변화에 따른 응력-변형거동을 고찰하였다. 또한 작은 구속압과 큰 구속압하에서의 시멘트 함유율의 변화에 대한 영향도 파악하였다. 이를 위하여 초기 함수비가 125%, 구속압이 각각 100kPa, 400kPa인 경우 시멘트 함유율을 6%∼18%까지 증가함에 따른 응력-변형거동을 비교하여 도 5, 도 6에 나타내었다.

도 5는 초기 함수비 125%, 구속압이 100kPa인 경우 시멘트 함유율을 6%∼18%로 변화시켰을 때의 응력-변형거동을 나타낸다. 시멘트 함유율이 증가 할수록 파괴시 압축강도까지의 기울기가 커지며 파괴시 변형율은 1.71%∼7.35%로 일축압축상태보다는 다소 크게 나왔지만 시멘트 함유율의 증가에 따른 일정한 경향을 보이지는 않는 것으로 나타났다. 시멘트 함유율이 6%∼12%까지 증가할때의 응력-변형거동은 완만한 경사를 보이며 일반적인 점토의 거동양상과 비슷하다.

도 6은 초기 함수비 125%, 구속압 400kPa인 경우 시멘트 함유율을 6%∼18%로 변화시켰을 때의 응력-변형거동을 나타낸다. 구속압이 100kPa인 경우와 마찬가지로 시멘트 함유율이 증가할수록 응력-변형곡선에서 파괴시 까지의 기울기가 증가하며 파괴시 변형율도 3.01%∼6.62%로 일축압축상태보다 약간 크게 나타났다. 또한 구속압 조건이 100kPa인 경우보다도 다소 큰 것으로 나타났으며 구속압이 커질 경우 파괴시 변형율이 증가한다. 시멘트 함유율이 6%∼12%까지 증가할때의 응력-변형거동은 구속압 조건이 100kPa일 때 보다 400kPa의 구속압조건에서 더 완만한 경사를 보인다. 그리고, 시멘트 함유율이 18%인 경우 구속압이 100kPa인 경우와는 달리 파괴후 압축응력이 큰 변화없이 일정하게 유지가 되고 있다.

2-2. 초기함수비의 영향

비압밀-비배수조건의 삼축압축상태하의 동일한 시멘트 함유율의 조건에서 초기 함수비의 변화에 따른 응력-변형거동의 영향을 고찰하였다. 이러한 조건에서 구속압의 크기에 따른 영향도 같이 고려하였다. 시멘트 함유율이 12%, 구속압이 각각 100kPa, 400kPa일 경우 초기 함수비를 125%∼200%로 변화시켰을 때 나타나는 응력-변형곡선의 거동을 도 7, 도 8에 나타내었다.

도 7은 시멘트 함유율 12%, 구속압 100kPa인 경우 초기 함수비를 125%∼200%로 변화시켰을때의 응력-변형곡선을 나타낸다. 초기 함수비가 125%∼200%로 증가함에 따라 파괴시 응력상태까지의 기울기는 감소하는 경향을 나타냈다. 파괴시 변형율은 4.21%∼6.32%의 범위를 가지지만 일축압축상태와는 달리 초기 함수비가 200%일 때 가장 작은 변형율을 보였다. 그리고 일축압축응력 상태일 때보다는 다소 큰 변형율에서 파괴응력상태에 이르렀음을 알수 있다. 이는 구속압의 영향인 것으로 보인다. 파괴후 거동은 모두 완만하게 응력이 감소하는 것으로 나타났다.

도 8은 시멘트 함유율 12%, 구속압 400kPa인 경우 초기 함수비를 125%∼200%로 변화시켰을때의 응력-변형곡선을 나타낸다. 구속압이 100 kPa인 경우와 마찬가지로 초기 함수비가 125%∼200%로 증가했을 때 파괴시 응력상태까지의 기울기는 감소하는 경향을 보인다. 그러나, 구속압 100kPa인 경우와는 달리 초기 함수비가 150%∼200%로 증가할 경우 파괴시 변형율은 4.03%∼12.34%로 같이 증가함을 알 수 있다. 초기 함수비가 증가함에 따라 응력의 증가가 보다 완만하게 나타나면서 일축압축상태에서의 응력-변형거동과 비교할 때 변형율의 크기는 구속압의 영향으로 다소 크게 나타나지만 초기 함수비에 비례하여 파괴 변형율이 증가하는 같은 경향을 보이고 있다. 또한, 상대적으로 더 작은 구속압 100kPa의 조건에서의 파괴시 변형율 보다도 큰 값을 가지게 된다.

2-3. 기포함유의 영향

경량혼합토의 경량성을 위해 첨가된 기포가 응력-변형거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 초기 함수비와 시멘트 함유율에 따라 기포를 포함한 시료와 기포를 포함하지 않은 시료를 같은 구속압 조건에서 실험하였으며 그 결과는 도 9, 도 10에나타내었다.

도 9는 초기 함수비 125%, 구속압 100kPa, 시멘트 함유율이 각각 6%, 12%일경우에 기포를 포함한 경우와 기포를 포함하지 않은 무기포시료에 대한 응력-변형거동을 나타낸다. 초기 함수비가 125%이고 시멘트 함유율이 6%인 경우 무기포 시료와 비교했을때 기포의 첨가로 인한 강도 감소는 약 50.57%이며 시멘트 함유율이 12%인 경우에는 약 59.34%의 강도저하가 나타났다. 따라서, 시멘트 함유율이 6%, 12%일 경우 각각 기포의 포함 유무에 따른 강도감소율은 대략 8.77%정도 차이가 나는 것으로 나타났다.

파괴시 응력까지의 기울기는 시멘트 함유율이 6%인 경우 기포를 첨가하지 않은 경우가 더 크게 나타났으며 시멘트 함유율이 12%인 경우는 기포를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 모두 비슷하게 나타났다.

또한, 파괴시 변형율은 시멘트 함유율이 6%인 경우 4.21%(기포포함), 5.12%(무기포)이며 시멘트 함유율이 12%인 경우 5.58%(기포포함), 3.01%(무기포)로 나타났다.

도 10은 시멘트 함유율 12%, 구속압 100kPa, 초기 함수비가 각각 125%, 200%인 경우에 기포를 포함한 경우와 기포를 포함하지 않은 경우의 응력-변형거동을 나타낸다. 시멘트 함유율이 12%이고 초기함수비가 125%인 경우 무기포 시료와 비교했을 때 기포의 첨가로 인한 강도 감소는 약 59.34%이며 초기 함수비가 200%인 경우에는 약 61.97%의 강도 감소가 나타났다. 따라서, 초기 함수비가 기포의 유무에 의한 강도감소율에 미치는 영향은 경미한 것으로 보인다. 파괴시 변형율은 초기 함수비 200%, 시멘트 함유율 12%인 경우 4.21%(기포포함), 3.91%(무기포)로 나타났다.

2-4. 실트 함유율의 영향

실트질 준설토의 함유율에 따른 경량혼합토의 응력-변형거동을 파악하기 위하여 실트질 준설토를 점토질 준설토에 대한 중량비 25%∼75%까지 혼합하였으며 여기에 초기 함수비 125%, 시멘트 함량을 6%, 12%, 구속압조건을 100kPa, 400kPa로 변화시켜 일축압축시험과 비압밀-비배수 삼축압축시험을 수행하였다.

도 11은 초기 함수비가 125%, 시멘트 함량이 6%, 구속압 100kPa일 때 실트질 준설토의 혼합비를 25%∼75%로 변화시켰을때의 응력 - 변형거동을 나타낸다.

실트질 준설토의 혼합율이 증가할수록 파괴시 압축강도가지의 기울기가 증가하나 파괴시 변형율은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 뚜렷한 파괴압축강도를 나타내는 일반적인 사질토의 응력-변형거동의 형태와 유사하다.

도 12는 초기 함수비가 125%, 시멘트 함량이 12%, 구속압이 400kPa일 경우 실트질 준설토의 혼합비를 25%∼75%로 변화시켰을때의 응력-변형곡선을 나타낸다. 구속압 조건이 100kPa인 경우와 마찬가지로 실트질 준설토의 혼합율이 증가할수록 파괴시 압축강도까지의 기울기는 증가하지만 파괴 변형율은 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 다만, 뚜렷한 파괴 압축강도를 나타내며 완만하게 응력의 감소가 나타나고 있다.

[실험 3] 압축강도특성

3-1. 시멘트 함유율의 영향

시멘트 함유율에 따른 압축강도 특성을 고찰하기 위하여 초기 함수비가 125%인 경우에 일축압축시험과 구속압을 50kPa∼400kPa로 변화시켜 비압밀-비배수 삼축압축시험을 수행하여 압축강도를 비교하였다. 그리고 기포가 포함되지 않은 경우에 구속압 100kPa의 조건에서의 결과도 포함하였다.

도 13은 시멘트 함유율에 따른 압축강도를 나타낸다. 시멘트 함유율이 증가할수록 압축강도는 증가하며 각각의 동일한 시멘트 함유율에서 구속압이 50kPa∼400kPa로 커짐에 따라 압축강도가 증가한다. 같은 구속압 조건하에서 시멘트 함유율에 따른 일축압축강도, 비압밀-비배수 삼축압축강도를 회귀분석한 결과 시멘트 함유율과 압축강도 사이의 관계가 모두 지수함수의 형태로 나타났으며 그 결과는 표 3에 나타내었다.

[표 3]

그리고 구해진 회귀식의 상관계수()는 0.98∼0.99의 범위로 얻어졌다. 특히, 기포가 포함되지 않은 시료의 경우 시멘트 함유율이 증가할수록 기포가 포함된 시료와의 압축강도차이가 커지는 것을 알 수 있다.

3-2. 초기함수비의 영향

초기 함수비에 따른 압축강도 특성을 고찰하기 위하여 시멘트 함유율 12%인 경우에 초기 함수비를 125%∼200%로 증가시키면서 각각의 구속압을 50kPa∼400kPa로 하여 비압밀-비배수조건의 삼축압축시험을 수행하여 압축강도를 비교하였다.

도 14는 초기 함수비의 증가에 따른 압축강도를 각각의 구속압에 따라 나타내었다. 모든 구속압 조건하에서 초기 함수비가 증가함에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 보이고 있다. 구속압이 커질수록 초기 함수비가 증가함에 따라 압축강도의 감소율이 다소 작아지는 것으로 나타났다. 각각의 구속압 조건별로 나타난 압축강도의 회귀분석 결과 초기 함수비와 압축강도와의 관계는 지수함수의 형태로 나타내었으며 상관계수()는 0.91∼0.99의 범위로 얻어졌다.

3-3. 기포함유의 영향

기포함유의 유무에 따른 압축강도의 특성을 고찰하기 위하여 초기함수비 125%인 경우 시멘트 함유율에 따른 압축강도의 변화를 기포가 포함된 경우와 기포가 포함되지 않은 경우를 비교하였다. 그리고, 시멘트 함유율이 12%인 경우 초기 함수비에 따른 압축강도의 변화를 기포함유의 유무에 따라 분석하였으며 모두 구속압 조건은 100kPa로 동일하다.

도 15는 초기 함수비 125%인 경우 구속압 조건이 100kPa로 시멘트 함유율을 6%∼18%로 증가시켰을 때의 압축강도 특성을 나타낸다. 시멘트 함유율이 커짐에 따라 기포가 포함됨으로써 발생하는 압축강도의 감소율이 다소 커지는 경향을 볼 수있다. 시멘트 함유율이 6%∼18%로 증가함에 따라 기포가 포함된 경우는 기포가 포함되지 않은 경우에 비해 압축강도의 감소율이 대략 49.43%∼55.12%로 나타났다. 기포가 포함된 경우와 기포가 포함되지 않은 경우에 회귀분석 한 결과 모두 지수 함수의 형태로 나타났으며 상관계수()는 0.97이상으로 얻어졌다.

도 16은 시멘트 함유율 12%인 경우 구속압 조건이 100kPa로 초기 함수비를 125%∼200%로 증가시켰을 때의 압축강도 특성을 나타낸다. 초기 함수비가 커짐에 따라 기포가 포함됨으로써 발생하는 압축강도의 감소율이 다소 작아지는 것으로 나타났다. 초기 함수비가 125%에서 200%로 증가함에 따라 기포가 포함된 경우는 기포가 포함되지 않은 경우에 비해 압축강도의 감소율이 40.66%∼38.03%로 나타났다. 기포가 포함된 경우와 기포가 포함되지 않은 경우에 회귀분석 한 결과 모두 선형함수의 형태로 나타났으며 상관계수()는 0.96이상으로 얻어졌다.

3-4. 실트함유율의 영향

실트질 준설토의 혼합율에 따른 압축강도특성을 고찰하기 위하여 초기 함수비 125%, 시멘트 함유율이 6%, 12%, 구속압이 100kPa, 400kPa인 경우를 비교하였다.

도 17은 초기 함수비 125%, 시멘트 함유율 6%, 구속압이 100kPa, 400kPa일 때 실트질 준설토의 혼합율을 25%∼75%로 증가시켰을 때의 압축강도 특성을 나타낸다. 실트질 준설토의 함량이 증가할수록 구속압 조건이 100kPa, 400kPa일 경우 모두 비선형적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 실트질 준설토가 포함되지 않은시료와 75%로 혼합된 시료의 압축강도를 비교해 보면 구속압이 100kPa인 경우 약 120.4%, 구속압이 400kPa인 경우 약 77.8%의 강도증가율을 보였다. 각각의 구속압 조건에서의 실트질 준설토의 혼합율과 압축강도의 관계를 회귀분석한 결과 모두 지수함수의 형태로 나타났으며 상관계수()는 0.97이상으로 나타났다.

도 18은 초기 함수비 125%, 시멘트 함유율 12%, 구속압이 100kPa, 400kPa일 때 실트질 준설토의 혼합율을 25%∼75%로 변화시켰을 때의 압축강도 특성을 나타낸다. 시멘트 함유율이 6%일 경우와 마찬가지로 실트질 준설토의 혼합량이 증가함에 따라 각각의 구속압에 따라 압축강도 역시 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 실트질 준설토가 포함되지 않은 시료와 75%로 혼합된 시료의 압축강도를 비교해 보면 구속압이 100kPa인 경우 약 73.1%, 구속압이 400kPa인 경우 약 44.1%의 강도증가율을 보였다. 그리고, 회귀분석결과 실트질 준설토의 혼합율과 압축강도와의 관계는 지수함수의 형태로 나타났으며 상관계수()는 0.99이상으로 나타났으며 시멘트 함유율이 6%인 경우에 비해 상대적으로 증가함수의 기울기가 작은 것으로 나타났다.

[실험 4] 변형계수와 압축강도의 관계

도 19는 본 연구에서 수행된 삼축압축상태하에서의 압축강도와 변형계수(E)와의 관계를 나타낸 것이다.

구속압이 100kPa이하에서는 이산분포를 보이면 광범위하게 분포하고 있으나구속압이 100kPa이상에서는 비교적 하단부에 형성되어 있는 것으로 나타났다. 따라서, 삼축압축상태하에서의 압축강도는 구속압과 초기 함수비 및 시멘트 함유율에 복합적으로 의존하여 변화하기 때문에 각각의 구속압에 적합한 압축강도와 변형계수(E)의 관계를 제시하기 어려우므로 본 연구에서는 구속압이 50kPa∼400kPa의 조건에 대한 결과들로 압축강도와 변형계수와의 분포범위를 제시하였다. 결과적으로 변형계수는 18∼120의 범위를 가지게 되는데 이는 구속압이 커짐에 따라 파괴시 변형율이 증가하기 때문이다.

경량혼합토의 구성요소들과 압축강도와의 관계와 그 거동에 대해 대략적인 결과를 다시 한번 정리하여 도 20a, 도 20b, 도 20c에 나타내었다. 도 20a에 도시된 바와 같이 시멘트 함유율이 증가할수록 증가하고, 도 20b에 도시된 바와 같이 압축강도는 초기 함수비가 증가할수록 감소하며, 도 20c에 도시된 바와 같이 기포함유율이 증가할수록 감소하는 기본적인 양상을 보여주고 있다. 이와 같이, 경량혼합토의 압축강도는 구성요소 모두에 의존하여 압축강도를 발현하고 있어 임의의 배합조건에 따른 압축강도의 크기를 추정하는 것은 복잡하다고 할 수 있다.

상기의 3가지 실험을 토대로 경량혼합토의 구성요소인 초기 함수비, 시멘트 함유율, 기포함유량을 중량비로 고려한 정규화 계수(NF)는 다음과 같다.

여기서, NF : 정규화 계수

: 기포의 중량비

: 초기함수의 중량비

: 시멘트의 중량비

초기함수비가 125%∼200%, 시멘트 함유율이 6%∼18%, 구속압조건이 50kPa∼400kPa의 조건으로 실행된 일축압축시험과 비압밀-비배수 삼축압축시험으로부터 구해진 압축강도와 정규화계수(NF)와의 관계를 기포가 포함된 경우와 기포가 포함되지 않은 경우로 나누어 도 21, 도 22에 나타내었다.

도 21의 삼축압축시험에서의 압축강도와 정규화계수(NF)를 나타내는 분포에서 상부 경계는 구속압이 400kPa인 경우를 나타내며 하부 경계는 구속압이 50kPa인 경우를 나타내고 있다. 그리고 도 22는 구속압 100kPa의 조건에서 기포가 포함되지 않은 시료에 대한 결과이다. 각각의 결과를 회귀분석한 결과를 모두 지수함수의 형태로 나타내었으며 상관계수()는 0.93이상으로 얻어졌다.

표 4는 각각의 경우에 해당하는 회귀분석식을 나타낸다.

[표 4]

구속압(kPa)	정규화계수(NF)와 압축강도와의 회귀분석식	상관계수()
0		0.96
50		0.99
100(무기포)		0.94
400		0.99

결론적으로, 경량혼합토의 임의의 배합비에 대한 압축강도를 구하고자 구성요소인 초기 함수비, 시멘트 함유율, 기포 함유량을 모두 고려한 정규화계수(NF)를제안하였으며 그 결과 정규화계수(NF)와 일축압축강도 및 비압밀-비배수 삼축압축강도의 적절한 회귀식을 구할 수 있다.

상기의 실험에서 준설토와 시멘트 고화제 그리고 기포를 혼합한 경량혼합토를 다양한 배합조건으로 실험하여 이에 대한 압축성과 응력-변형거동 및 압축강도특성을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 경량혼합토의 압축성을 파악하기 위하여 시멘트 함유율이 12%이고 초기 함수비를 125%∼200%까지 변화시켰을 때 표준압밀시험을 수행한 결과 초기 함수비가 증가할수록 압축지수는 증가하며 선행압밀하중은 감소하는 것으로 나타났다. 그리고, 초기 함수비가 증가할수록 기포가 포함된 시료와 기포가 포함되지 않은 시료의 압축지수와 선행압밀하중의 차이가 줄어드는 것으로 나타났다. 반면, 팽창지수는 초기함수비, 시멘트 함유율, 기포함유에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

2. 경량혼합토의 응력-변형거동은 시멘트 함유율이 6%∼18%로 증가할 경우 초기 탄성부의 기울기는 증가하며 구속압이 커질수록 파괴시 변형율도 증가하는 것으로 나타났다. 초기 함수비가 125%∼200%로 증가할 경우에는 초기 탄성부의 기울기와 파괴시 변형율이 감소하며 구속압이 커질수록 또한 파괴시 변형율이 더 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, 기포가 함유의 유무에 따른 파괴시 변형율은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

3. 경량혼합토의 압축강도는 시멘트 함유율과 구속압에 비례하여 증가하며 이에 따른 적절한 회귀식을 제시하였다. 초기 함수비가 증가할수록 압축강도는 감소하며 구속압이 커질 경우 압축강도의 감소율은 줄어드는 것으로 나타났다. 기포의 함유로 인한 압축강도의 감소율은 시멘트 함유량이 커질수록 증가하며 초기 함수비가 커질수록 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 실트질 준설토의 혼합량이 증가할수록 입자구조의 변화로 인해 압축강도가 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.

4. 구속압이 50kPa∼400kPa의 조건에 대한 비압밀-비배수 삼축압축시험의 결과들로 압축강도와 변형계수(E)와의 관계를 분석한 결과의 범위를 가지는 것으로 나타났다.

도 23은 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법을 나타낸 것으로, 해양연약지반을 개량하는데 적용한 예이다.

본 발명에 따른 해양연약지반 개량공법은, 원지반 위에 부직포(G)를 덮는 단계, 부직포(G) 위에 경량기포혼합토와 모래로 표층처리하는 단계, 표층(S1,S2)에 복수개의 연직배수관(50)을 소정간격을 두고 설치하는 단계, 표층(S1,S2) 위에 경량기포혼합토를 타설하여 압밀성토층(S3)을 형성하는 단계로 구성되어 있다.

호안이나 제방에 수평방향의 배수통로(D)를 형성하고, 호안이나 제방 사이의 원지반(S0)위에 부직포(G)를 설치한 후 그 위에 경량기포혼합토(S1)와 모래를 타설하여 표층을 형성하게 된다.

상기 부직포(G)는 표층의 분포하중을 분산시켜 표층의 지지력을 높이게 되며, 표층이 형성되면 표층 위로 중장비의 이동이 가능해지게 된다.

중장비를 이용하여 경량기포혼합토(S1) 위의 모래층(S2)에 다수개의 연직배수관(50)을 소정간격을 두고 연직방향으로 설치하고, 모래층(S2) 위에 적절한 높이로 경량기포혼합토로 압밀성토층(S3)을 시공하면 압밀하중으로 인하여 원지반(S0)이 함유한 물이 배수통로(D)를 통해 외부로 배출된다.

상기 연직배수관(50)은 표면으로부터 원지반과 경량기포혼합토의 수분을 유입하게 되고, 유입된 물을 모래층으로 토출시켜 배수통로(D)로 배출시키게 된다.

원지반의 물이 제거되면 추가로 경량기포혼합토를 타설하여 부지를 조성한다.

도 24에 도시된 바와 같이, 상기 경량기포혼합토 타설단계에서는 제작된 경량혼합토를 확폭 트레미관(40)을 이용하여 타설한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 경량기포혼합토 제조방법 및 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법에 의하면, 항만공사시 준설토 투기장이나 항로 준설토공사에서 발생하는 준설토를 직접 이용할 수 있으므로 환경오염문제와 시간적, 경제적으로 비용을 절감할 수 있고, 지반의 부등침하에 대한 충진재로서의 역할과 지하매설물의 뒤채움재로서 이용될 수 있으며, 경량혼합토의 임의의 배합비에 대한 압축강도를 구하여 현장설계에 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 준설토나 현장발생토를 채취하는 단계;

   상기 준설토나 현장발생토에 시멘트와 기포를 첨가하는 단계;

   기포가 첨가된 경량의 혼합토를 타설하는 단계;를 포함하는 경량기포혼합토 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 혼합토의 구성요소들을 모두 포함하는 정규화계수(Normalized Factor,)를 적용하여 회귀분석식을 추출하고, 그 회귀분석식을 이용하여 혼합토의 구성요소 배합비를 조정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경량기포혼합토 제조방법.
3. 원지반 위에 부직포(G)를 덮고 그 위에 경량기포혼합토와 모래로 표층처리하는 단계; 표층에 복수개의 연직배수관(50)을 소정간격을 두고 설치하는 단계; 표층위에 경량기포혼합토를 타설하여 압밀성토층(S3)을 형성하는 단계;를 포함하는 경량기포혼합토를 이용한 지반개량공법.