KR20180084101A - 안정된 기초지반 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주어진 부지의 기존 지반을 좀더 안정된 기초지반으로 변환하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 부지 표면에 변환할 지반의 영역에 상응하는 경계 영역을 설정하는 단계, 토양층들을 관통해 소정 깊이까지 경계 영역 전체의 토양을 굴착하는 단계, 굴착된 토양 중의 적어도 2개 토양층들과 섞어 균일한 혼합물을 포함하는 토양으로 개량하는 단계, 개량된 토양을 경계 영역에 되돌려 굴착된 깊이까지 균일하게 충전하는 단계; 및 경계 영역에 되돌아간 개량된 토양을 다져 안정된 기초지반을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

안정된 기초지반 형성방법

본 발명은 주어진 부지의 기존 지반을 좀더 안정된 기초지반으로 변환하는 방법과 이렇게 형성된 기초구조물에 관한 것이다.

일정 깊이의 토양의 지지력을 높이고 압축율을 줄이기 위해 액상화 방지 안정화는 건축된 구조물의 안정성을 확보하기 위한 기본 조건이다. 토양 내부의 투수채널이 침하로 이어져 결국 싱크홀로 발전하지 않도록 하는 것도 필요하다. 이런 조건들은 교량, 댐, 고층건물, 옹벽구조물과 같은 대형이거나 민감한 구조물에 특히 중요하다. 도로나 철도가 사용될 때는 경사지와 저장소도 주요 관심사이다. 오염된 토양과 광산의 구조물 유지도 관심사이다.

기초 토양의 성질은 지지력과 액상화 방지기능에 중요한 영향을 미친다. 지표면의 많은 면적이 푸석푸석한 퇴적토로 덮여있고, 이런 퇴적토는 지진에 의해 액상화되기 쉬운 입도불량의 두꺼운 토양층을 갖고, 깊이 다진 후에도 계속 불안정하다. 일반적으로, 이런 토양은 다지기 후에도 150kPa 이상의 지지력을 내지 않고 지진에 의해 액상화되기 쉽다. 이때문에, 장소에 따라서는 자연 토양이 어떤 종류의 대형이거나 민감한 구조물을 지지하기에 적절치 않을 수 있다.

구조물을 더 잘 지지할 수 있도록 토양 상태를 개선하는 여러 공법이 있는데, 주로 특수한 공구로 토양을 다지거나 특수 구조물을 매립해 토양을 보강한다. 이런 공법이 유용하기는 해도 여전히 개선의 여지가 많다.

동다짐(dynamic compaction) 공법은 반복된 충격으로 토양 밀도를 높이는 것으로, 지반에 대해 무게추를 일정 간격으로 반복 낙하시키며, 무게추의 충격력으로 지반을 다져 지지력을 높인다. 이 공법은 입도양호 토양에는 아주 효과적이고, 10m 이상의 깊이로 다지기를 할 때는 불필요하다. 큰 충격은 철로나 건물과 같은 부근 구조물에 진동으로 인한 나쁜 영향을 줄 수 있다. 또, 원치않는 토양이나 재료가 일정 깊이로 있으면 직접적인 동다짐의 효율에 큰 영향을 준다. 특히, 토양 안에 민감한 점토가 형성되거나 존재할 때 그렇다.

진동다지기는 진동으로 토양밀도를 높이는 다른 다지기 공법으로, 원통형 바이브로플로트나 플런저를 지면에 박아 토양 입자들을 좀더 치밀하게 재배열하는 것으로, 이런 진동에 의해 토양입자들이 진동하면서 바이프로플로트가 지면 밑으로 점점 내려간다. 토양이 충분히 다져지면 바이브로플로트가 지면 밖으로 상승된다. 동다짐과 같은 공겁은 입도양호 토양에는 최적이지만, 아주 고가이고 토양의 입도가 균일할 때는 효과가 없다. 또, 이 공법은 지반내 처리된 토양들 사이의 비안정화된 토양들이 상당량 남게되고 인접 구조물들이 가까이 있는 곳에서는 사용할 수 없다는 문제가 있다.

바이브로를 대체해 돌기둥으로 토양을 보강하는 기술도 있는데, 이 기술은 다양한 크기의 돌기둥들을 격자 형태로 토양에 박아넣는 것으로, 돌기둥들이 박인 부분의 토양을 강화해 지지력을 높이게 된다. 토양에 박힌 돌기둥들 주변 토양도 다져지게 된다. 이 공법은 동다짐과 같은 다른 공법에 비해 훨씬 더 많은 비용이 드는 문제가 있고, 최종 토양의 강도도 일정하지 않아, 돌기둥 사이의 균일한 토양은 돌기둥 내부와 둘레의 토양보다 약하다. 돌기둥 사이의 균일한 토양은 변환되지 않아 여전히 성질이 나쁘다. 그 결과, 이 공법으로 보강된 토양은 지진을 견디기에는 부적절하다. 지진이 일어나면 돌기둥들 사이의 균일한 토양이 액상화되어 움직여, 돌기둥들이 변형되거나 파손된다. 또, 돌기둥의 자갈들과 자연 토양이 부적절하게 혼합되는 경우도 많고, 이 경우 돌기둥의 수직 투수성이 줄어들고 지진에 대해 공극압이 생기는 문제도 있다. 이런 돌기둥들은 지진시 큰 손상을 입히게 되는 액상층 바닥에 도달하지 못할 수도 있다. 또, 액상층이 민감하거나 약한 점토층 위에 있으면, 돌기둥의 바닥이 약한 토양층에 얹혀지는 문제도 있다. 돌기둥들 사이에 있는 액상화 토양의 침하나 이동으로 돌기둥 벽의 옹벽 특성이 영향받으면, 지진시 돌기둥에서의 부하전달이 과잉될 수 있다.

세멘트계 기둥 격자를 매립해 토양을 보강하는 세멘트 기둥 공법도 있는데, 이 경우 지반에 구멍을 뚫고 세멘트 재료로 채운다. 이 공법은 돌기둥 공법보다 훨씬 비용이 많이든다. 돌기둥과 마찬가지로, 세멘트 기둥 공법은 토양의 강도를 불균일하게 하는바; 기둥들 사이의 균일한 토양이 변환되지 않고 나쁜 특징을 가져 액상화될 수 있다. 따라서, 세멘트 기둥들은 지진을 견디기에 부적절하다.

자연 토양 전부를 교체하는 가공토양 공법도 있다. 자연 토양이 충분히 다져지지 않아 그 성질이 나쁘면, 토양을 굴착하고 더 좋은 등급의 토양으로 교체할 수 있다. 이 공법으로는 토양의 강도를 균일화할 수 있지만, 대량의 토양을 원격지로 옮겨야하기 때문에 비용과 노력이 많이 든다. 또, 기존의 다지기 장비로 원하는 정도로 다지기 힘들다는 문제도 있다.

관련 기술로는 US6,802,805; US6,193,444; US6,000,641; US5,927,907; US5,199,196; US4,458,763; DE19627465; DE19612074; EP470297이 공개되어 있다.

본 발명은 기존의 이런 문제점들을 극복하거나 최소화하는 토양 처리/변환 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

요약

본 발명은 다수의 토양층들을 갖는 자연 토양을 개량된 토양으로 변환하는 방법을 제공한다. 이 방법은 굴착영역을 정하는 단계, 자연토양을 굴착하는 단계, 개량된 토양을 얻기위해 굴착된 토양을 처리하는 단계, 및 개량된 토양을 굴착영역에 되돌리는 단계를 포함하고, 굴착된 토양을 처리할 때 굴착된 자연토양층들의 적어도 일부를 섞어 균일한 토양 혼합물을 구하며, 개량된 토양이 이런 균일한 토양 혼합물을 포함한다.

이 방법은 입도양호 토양 혼합물을 구하는데 필요한 자연 토양층들의 조합을 결정하는 단계와, 필요한 자연토양층들을 굴착하도록 굴착영역의 깊이를 설정하는 단계를 포함한다.

또, 굴착영역의 깊이는 자연토양을 안정 지반까지 굴착하도록 정해진다.

또, 입도양호 토양 혼합물은 다양한 크기의 입자들을 갖고, 이런 입자들은 0.001 내지 150 mm 정도나 그 이상의 넓은 입경 크기 분포를 갖는다.

또, 자연토양층들의 조합은 적어도 하나의 등급불량 토양층을 포함할 수 있고, 낮은 민감도의 점토크기 입자들을 최대 20% 포함할 수 있다.

적어도 하나의 등급불량 토양은 입자크기의 범위가 좁거나, 0.001 내지 150 mm 정도의 입자들이 고르게 분포되지 않는다.

굴착된 토양을 처리할 때 굴착된 토양에서 원치않는 재료들을 제거하고, 원치않는 재료는 개량된 토양의 장기나 단기 안정성을 해치기 쉬운 재료이다.

원치않는 재료가 비압축성 재료, 무너지거나 악화될 수 있는 토양과 같은 압축성/불안정성 재료를 포함할 수도 있다.

굴착된 토양을 처리할 때 토양 혼합물에 첨가물을 넣을 수도 있다.

첨가물은 토양 혼합물에 넣었을 때 입자크기가 광범위하고 0.001 내지 150 mm나 그 이상의 입자크기가 골고루 분포된 토양 혼합물을 만드는 입자크기를 갖는 재료를 포함할 수 있다.

첨가물이 결합제나 충전제를 포함할 수도 있다.

본 발명의 방법이 개량된 토양을 보강하는 단계를 가질 수도 있다.

이런 보강 단계에서 개량된 토양 안에 지오그리드나 메탈스트립이나 제오텍스타일 시트들을 겹쳐지게 배치하여 기초지반 부하로부터의 측면방향 응력전달을 줄이도록 한다.

본 발명의 방법이 개량된 토양을 굴착부로 되돌린 뒤 개량된 토양을 다지는 단계를 포함할 수 있다.

이런 다지기 단계에서 진동판으로 토양을 반죽한다.

또, 개량된 토양을 한번에 0.5~20m의 토양층으로 굴착부에 되돌리되, 각 토양층을 다진 뒤에 다음 토양층을 굴착부에 되돌린다.

또, 이 방법이 개량된 토양에 기초구조물을 건축하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 방법을 댐이나 교량과 같은 민감한 구조물을 건축하기 전에 실행하여 대량 침하나 싱크홀과 같은 위험이 없어진 안정된 기초를 상기 구조물에 제공할 수 있다. 본 발명에 의하면, 기존의 토양 다지기 방법을 적용한 뒤에도 남아있을 수 있는 투수채널을 제거할 수 있다.

본 발명의 방법은 지진에서도 구조물을 유지하도록 개량된 토양내에 세멘트 옹벽들을 건축하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이런 건축 단계에서 설정할 토양의 면적을 정하는 옹벽의 경계를 설정하는 단계; 굴착할 토양 영역을 다지는 단계; 다진 영역에서 초기 깊이까지 토양을 굴착해, 바닥면과 측면들을 갖는 옹벽 공간을 만드는 단계; 옹벽 공간의 바닥면을 다지는 단계; 다지기 된 바닥면에서 토양을 굴착하는 단계; 옹벽 공간의 최종 깊이에 이를 때까지 이전 단계들을 반복하는 단계; 옹벽을 형성하도록 세멘트 재료를 옹벽 공간의 적어도 일부에 채우는 단계를 포함한다. 옹벽을 위한 다른 굴착 깊이에서의 다지기 단계들은 불필요하고, 옹벽을 배치할 토양은 본 발명의 방법으로 미리 다지기할 수 있다.

본 발명의 방법이 지진에서 구조물을 유지하기 위해 개량된 토양에 안정 파일 및/또는 앵커 시스템을 건축하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또, 이상 설명한 방법을 이용해 생긴 개량된 기초 토양을 제공할 수도 있다.

또, 이상 설명한대로 형성된 개량 토양과, 개량 토양에 매립된 세멘트 구조를 갖는 기초지반을 제공할 수 있다.

이런 세멘트 구조물은 건물 경계를 따라 배치되고 건물에 고정되어 건물기초나 토양구조물의 회전/측면 이동을 방지하는 매립형 세멘트 옹벽들을 포함할 수 있다.

세멘트 구조물들은 옹벽 구조를 통해 건물에 고정된다.

세멘트 구조물들이 파일을 통해 안정된 토양층에 고정될 수 있다.

본 발명은 개량된 토양에 직접 접촉하는 기초토대폭을 줄이는 방법도 제공한다. 이 방법은 전술한대로 토양을 개량하는 단계를 포함한다.

기초토대에 스티로폼 블록을 배치해 여러 구간으로 나눌 수 있다.

본 발명은 지면 접촉부를 갖는 몸체를 갖는 기초토대를 제공하고, 지면접촉부에 지면접촉부의 적어도 일부분을 지면에서 이격시키는 스페이서가 제공된다.

또, 본 발명의 방법으로 토양을 변환시켜 기초를 형성하는 공구를 포함한 키트가 제공될 수도 있다.

이런 키트는 이상 설명한 모든 기초구조물들을 형성하는 공구를 구비한다.

본 발명은 또한, 다른 토양종류로 된 하나나 다수의 토양층들을 갖는 토양으로 된 대지의 지반을 좀더 안정적인 기초지반으로 변환하는 방법을 제공하고, 이 방법은 a) 부지 표면에 변환할 지반의 영역에 상응하는 경계 영역을 설정하는 단계; b) 토양층들을 관통해 소정 깊이까지 경계 영역 전체의 토양을 굴착하는 단계; c) b) 단계에서 굴착된 토양 중의 적어도 2개 토양층들과 섞어 균일한 혼합물을 포함하는 토양으로 개량하는 단계; d) 개량된 토양을 경계 영역에 되돌려 b) 단계에서 굴착된 깊이까지 균일하게 충전하는 단계; 및 e) 경계 영역에 되돌아간 개량된 토양을 다져 안정된 기초지반을 형성하는 단계를 포함한다.

e) 단계에서 개량된 토양에 진동력을 가할 수 있다.

또, e) 단계에서 진동판을 이용해 개량된 토양을 반죽할 수 있다.

또, e) 단계에서 동다짐, 진동다짐, 돌기둥다짐, 세멘트기둥 다짐을 하여 복귀된 토양을 다질 수도 있다.

또, d) 단계와 e) 단계에서 개량된 토양을 경계 영역에 토양층 한층씩 연속적으로 되돌리되, 각각의 토양층을 다진 다음에 후속 토양층을 되돌릴 수 있다.

또, d) 단계에서 개량된 토양을 깊이가 0.5~20m, 바람직하게는 1.5~3m인 연속적인 토양층들로 경계 영역에 되돌릴 수 있다.

또, b) 단계에서 자연 암반이나 밀집토양에 닿는 깊이까지 경계 영역에서 토양을 굴착할 수 있다.

또, b) 단계에서 경계 영역의 토양이 2m 이상의 깊이까지, 바람직하게는 20m 이상의 깊이까지 굴착될 수 있다.

또, c) 단계에서, b) 단계에서 굴착된 토양을 개량할 때 균일한 토양 혼합물이 입도양호 등급을 받도록 그 조성을 조정할 수 있다.

또, 균일한 토양 혼합물의 조성이 0.001 내지 150mm 범위로 분산된 입경을 갖도록 조정되거나, 모든 입경이 4번 내지 200번 체의 크기를 갖도록 조정될 수 있다.

또, 균일한 토양 혼합물의 조성이 균등계수 C_u가 4 내지 6보다 크고 곡률계수 C_c는 1 내지 3이면서 C_u=D₆₀/D₁₀, C는=D² ₃₀/(D₁₀*D₆₀)이 되도록 조정되고, 이때 D₆₀은 60% 통과시의 균일한 토양 혼합물의 입경이고 D₁₀은 10% 통과시의 균일한 토양 혼합물의 입경일 수도 있다.

또, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때, b) 단계에서 굴착된 토양층들 중의 적어도 하나의 적어도 일부분을 균일한 토양 혼합물에서 제외하거나; b) 단계에서 굴착된 토양층들 중의 적어도 하나를 균일한 토양 혼합물에서 완전히 제외하거나; 유기물, 비압축성 재료, 연점토, 미사점토 및 전단강도가 15kPa 미만인 재료 중의 적어도 하나를 함유한 토양층들 중의 적어도 하나를 균일한 토양 혼합물에서 제외하거나; b) 단계에서 굴착된 토양층들 각각의 혼합비를 입도양호 토양 혼합물을 얻도록 선택하고 이런 선택비에 맞게 토양층들을 혼합하거나; 적어도 하나의 입경이 부족하거나 과잉되어 있는 적어도 하나의 토양층을 입도불량으로 확인하고, 이렇게 확인된 토양층을 적어도 하나의 다른 토양층과 섞어 입경의 부족이나 과잉을 수정하거나; 적어도 하나나 두개의 토양층들에 첨가물을 섞거나; 혼합물내의 적어도 하나의 입경의 부족을 확인하고 이 입경을 갖는 첨가물을 균일한 토양 혼합물에 섞어 부족을 교정할 수 있다.

또, 적어도 하나나 두개의 토양층에 첨가물을 섞을 때, 외부 부지의 토양을 포함한 첨가물을 섞거나; 입도양호 토양을 포함한 충전제를 갖춘 첨가물을 섞거나; 결합제를 섞을 수 있다.

또, 본 발명의 방법이 굴착된 토양층들의 조성을 각각 분석하는 단계; 및 개량된 토양의 등급을 높이도록 균일한 혼합물에 포함되거나 제외될 분석된 토양층의 양을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또, 본 발명의 방법이 굴착된 토양층들의 조성을 각각 분석하는 단계; 및 개량된 토양의 등급을 높이도록 균일한 혼합물에 포함될 첨가물의 양을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또, 본 발명의 방법 중의 b) 단계에서 경계 영역의 전체 깊이까지 완전히 굴착한 뒤에 d) 단계에서 개량된 토양을 되돌리거나; b) 단계에서 경계 영역의 전체 깊이까지 완전히 굴착하고, 개량된 토양을 d) 단계에서 경계 영역의 일부에 되돌린 뒤 경계 영역의 다른 일부에 대해 b) 단계를 반복하거나; b)와 c) 단계들에서 인접한 토양층들을 굴착하고 섞어 중간 혼합물을 형성한 뒤, 후속 층을 굴착해 중간 혼합물에 첨가하고, 토양층들을 소정 깊이로 굴착할 때까지 이런 중간 혼합물 형성과 후속 층의 첨가를 반복하거나; b) 단계에서 굴착된 토양을 경계 영역에서 빼내거나; b) 단계에서 굴착된 토양을 경계 영역에서 옮길 수 있다.

본 발명은 부지에 있는 다른 토양종류로 된 다수의 토양층들을 부지의 면적과 깊이 전체에 균일하게 섞어 입도양호 토양 혼합물을 구하는 단계; 및 입도양호 토양 혼합물에 진동력을 가해 다지는 단계를 포함하는 안정된 기초지반 형성 방법도 제공한다.

본 발명은 또한 이상 설명한 방법으로 형성된 안정된 기초지반도 제공한다.

도 1은 토양 성질 등급표;
도 2A~B는 A급지의 8층 건물이 E급지의 건물보다 측면 지진력과 지진 전도모멘트를 아주 약하게 겪는 것을 보여주는 그래프들;
도 3A는 자연토양층들이 입도양호 개량토양 혼합물로 변화하는 과정을 보여주는 도면;
도 3B는 체가름 결과를 통과 중량과 로그 크기로 표시한 그래프;
도 3C는 내부에 다양한 싱크홀이나 공극을 갖는 자연토양이 안정된 토양으로 변하는 과정을 보여주는 도면;
도 4는 본 발명의 토양변환 방법의 순서도;
도 5는 도 4의 방법으로 변환되고 다져진 토양과 자연의 느슨한 토양에 있는 피초토대의 영향을 보여주는 도면들;
도 6은 자연 토양과 도 4의 방법으로 변환된 토양에 박힌 파일에 대한 지진의 영향을 보여주는 도면들;
도 7A~B는 도 4의 방법으로 개량된 토양에 매립된 구조물과 기초와 지진중에 건물을 안정시키는 옹벽구조들을 보여주는 단면도와 평면도;
도 7C~D는 지진의 영향에 대해 도 7A~B의 매립 구조물에 의한 수동 저항을 보여주는 도면들;
도 8은 기초토대에 의한 응력이 토양내에서 측면으로 퍼지는데 대한 지오그리드의 영향을 보여주는 도면;
도 9A는 기초토대의 개략도;
도 9B는 개량된 토양과의 접촉면적이 줄어 기초토대의 깊이방향의 영향을 보여주는 도면.

주어진 부지의 지반이나 토양의 성질을 이용해 지진력 계산을 위해 여러 등급으로 부지를 분류할 수 있다. 도 1의 표는 부지등급표로, 2006년 국제 건축표준에 따라 A 내지 F급으로 분류되고, A급은 (전단파 속도가 1500m/s를 넘는) 경암과 같은 가장 강한 토양상태이고, F급은 연점토와 같이 가장 약한 토양상태이다.

토양상태가 약할수록 안정성을 강화한 구조가 필요하다. 토양상태가 나쁘면 구조물의 설계상 아주 큰 힘과 모멘트를 갖춰야 한다. 구조물이 높을수록 강한 전달력과 회전모멘트가 구조물에 생긴다.

도 2A~B의 그래프는 A급지의 8층 건물이 E급지의 건물보다 측면 지진력과 지진 전도모멘트를 아주 약하게 겪는 것을 보여준다. 그 결과, 토양상태가 나쁜 곳에서는, 지진중의 구조물의 미통제 흔들림과 붕괴를 방지하기 위해 큰 보강과 안정성이 필요하다. 구조적 요구조건을 줄이고 안전표준을 만족하려면, 대형의 민감한 구조물의 경우 A나 B급지가 이상적이지만, 고가가 아니라 합리적인 구조적 요구조건과 공간으로 안전조건을 충족하려면 C나 D급지도 충분하다.

지질 변화로, 주어진 부지가 여러종류의 토양을 갖는 지반을 가질 수 있다. 도 3A의 기존의 지반(100)은 한가지 이상의 토양 종류로 이루어지고, 이를 편의상 인간의 개입 전에 자연적으로 존재하거나 자연적인 지질과정으로 형성된 지반, 또는 깊이가 균질하지 않고 본 발명에 따른 변환 전의 지반이라 한다. 기존의 지반(100)의 토양은 빙하토나 암반에 닿기 전의 토탄(도시 안됨), 미사(102), 모래(106), 자갈(도시 안됨), 왕모래(104) 및/또는 점토(106)를 포함해 한가지 이상의 재료들을 포함할 수 있다. 재료들 각각은 액상화 위험도, 지지력, 압축성, 투과성 및 안정성을 결정하는 자체 성질을 갖는다. 여러가지 토양들이 자연 지반(100)에 다양한 방식으로 분산될 수 있다. 편의상, 도면에는 자연 지반(100)의 깊이 방향의 여러 층으로 토양의 종류들이 표시되었지만, 다른 방식으로 토양의 종류들이 구분될 수도 있다.

토양종류가 다른 층들 각각 등급을 매길 수 있다. (크기가 같은 입자들로 이루어진) 균일한 재료나 (일정 크기의 입자가 없거나 과도한) 불균일한 재료와 (입경이 0.001mm 내지 150mm 사이나 그 이상이고 분포도가 좋지 않은) 입도불량 재료들은 대개 약하고 액상화되기 쉽다. 입도양호 재료(예; 입경이 0.001mm 내지 150mm 사이나 그 이상이면서 다양한 사이즈의 입자들이 분포된 재료)는 대개 강하고 액상화와 압축과 내부침식이 쉽지 않아 안정적인 지반에 맞다.

(4.76mm인 4번 체와 0.074mm인 200번 체 사이의) 여러가지 표준크기의 체들에 토양을 통과시켜 입경 크기별로 양을 측정하는 체가름을 이용해 토양의 등급을 측정할 수 있다. 입자 크기가 다양하면서 4번부터 200번 까지의 모든 크기를 가지면 입도양호 등급을 받을 수 있다.

체가름 결과를 통과 중량과 로그 크기로 표시한 그래프가 도 3B이다. 이 그래프는 토양의 등급을 잘 나타낸다. (미사 곡선 102'와 균일한 왕모래 곡선 108'과 같은) 균일하거나 입도불량 토양은 경사가 아주 급하고 입자크기가 한가지이다. (중모래 곡선 104'와 미사점토 곡선 106'와 같은) 입도양호 토양은 경사가 완만하고 입자크기가 다양하다. 곡선 200'와 같이 높은 입도양호 토양은 그래프의 폭 전체로 기울어져 경사가 아주 완만하고 입경이 0.001mm 내지 150mm 정도로 입자크기도 아주 다양하다.

정량적 관점에서, 입도양호 토양은 균등계수 C_u가 4 내지 6보다 크고 곡률계수 C_c는 1 내지 3인 토양으로서 아래와 같다:

C_u=D₆₀/D₁₀, C는=D² ₃₀/(D₁₀*D₆₀)

Dx는 X% 통과시 입경으로, 예컨대 미세모래는 C_u≥6이면 좋은 등급이지만 자갈은 C_u>4이면 좋은 등급으로 분류된다.

이상 설명한 방법의 목적은 주어진 부지의 지반의 토양을 균질하게 바꿔, 원래의 안정된 하부 토양층 위로 각각 다른 재료로 된 여러 토양층이 형성되지 않도록 하여 지반이 적어도 C급이나 D급 부재의 특성을 닮도록 하여 대형 및/또는 민감한 구조물들을 안정되게 지지하도록 하는데 있다. 최종 토양은 좋은 등급이나 아주 좋은 등급을 받고 불안정한 토양층들을 갖지 않는다.

도 3A와 같이, 재료들(102,104,106,108)로 된 토양층들을 섞거나, 합치거나 첨가물들을 첨가하거나 원치않는 재료들을 제거하여 균질한 입도양호 토양 혼합물(200)을 형성할 수 있다. 혼합에 사용된 각각의 재료는 입도불량의 재료(102,106)만, 입도양호 재료(104,106)만, 또는 이들 둘다 포함할 수 있다. 이 혼합물은 한가지나 여러가지 재료를 포함할 수 있다. 한가지 이상의 재료를 섞어, 아주 입도양호 균질한 토양(200)을 구해 불균질한 토양층이나 각각의 토양층보다 우수하고 더 안정된 기초지반을 형성할 수 있다.

102나 106과 같은 입도불량의 재료는 다지기 후의 안정화에 부적절하지만, 개량된 토양(200)은 입도양호 등급으로서 다지기 후의 안정화에 적절한데, 이는 큰 입자들 사이를 작은 입자들로 채워 공극이 줄어들고 다양한 크기의 입자들이 결합되어있기 때문이다.

여러 토양층들을 섞으면 모든 입자 크기들을 잘 섞어 다지기에 적합하면서 대형 및/또는 민감한 구조물을 안정적으로 지지할 수 있는 좋은 등급을 받을 수 있다. 예컨대 여러 토양층들(102,104,106,108) 중의 일부나 하나나 두개의 토양층의 입자들이 균일하게 섞이도록 토양 혼합물(200)을 섞는 것이 바람직하지만, 특성 개선을 위해 이 혼합물에 다른 첨가물을 넣을 수도 있다. 예를 들어, 자연적인 토양층들의 혼합물에 좋은 등급을 받는데 필요한 크기의 입자들이 없다고 판단되면, 이 크기의 입자들을 첨가할 수 있다. 마찬가지로, 어떤 크기의 입자가 과잉이라고 판단되면, 이런 입자크기의 재료나 그 일부를 제거할 수 있다. 또, 연점토층(106)과 같이 등급은 좋아도 다지기에 부적절하거나 토탄처럼 등급을 악화시킬 토양층이 있으면, 이런 토양층은 제거할 수 있다. 마지막으로, 토양을 혼합하고 개량한 뒤, 이 토양 혼합물(200)을 다져 지지력을 높이고 액상화되지 않도록 한다.

최종 기초지반 토양이 균질하여 전체 조성을 알 수 있으며 지질적 위험이 없어 안정되도록 자연적인 토양을 개량한다. 예컨대, 지반이 자연이나 인공 퇴적상태에서 크게 변하면 댐, 교량, 기타 건물의 붕괴를 일으키는 재난적인 지반침하 등을 일으킬 수 있다. 도 3C에서 보듯이, 비변환 토양(100)은 미세하고 일정한 모래층(119) 밑에 굵은자갈과 같은 고투수층(118)이 배치된 것으로, 지하수층처럼 속도와 에너지가 높은 수류(116,117)가 이 층(118)을 통과할 수 있다. 상부의 균일한 모래층(119)과 하부의 자갈층(118) 사이의 입자크기가 커서, 자갈층(118)의 여과효과가 없고 모래층(119)이 자갈층(118) 안으로 스며들어 모래층(119)에 공간(114)이 생기면서 불안정성과 재료의 손실이 가속된다. 이 경우, 결국 원래의 지표면까지 이르는 싱크홀이 생기고, 이런 싱크홀이 구조물이나 배수로 밑으로 퍼져 주거지까지 이르러 지반침하와 건물붕괴를 일으킬 수 있다. 토양(100)이 깊이 D까지 입도양호 토양(200)으로 바뀌면, 이 토양은 원칙적으로 불투수성이어서, 수류(116)가 121 부분에서 막혀 토양(200)을 통과하지 못하므로, 예컨대 댐과 같은 구조물에 의해 상류측에 모인 물 때문에 생길 수 있는 싱크홀의 위험을 배제할 수 있다. 비변환 토양내 기존의 공간(114)도 토양변환 과정에서 제거되고, 최종 토양(200)은 안정적이고 균일한 토양이다.

도 3C에 보이는 압축/부패 가능한 유기체(112)는 지질탐사로 항상 확인할 수 있는 것은 아니다. 이런 유기체들이 프로젝트 개시후 충분히 일찍 발견되지 않으면, 부지 위의 구조물에 큰 손상을 줄 수 있다. 현재의 토양변환법으로는, 개량된 토양(200)을 형성할 때 이런 유기체(112)를 확인하고 제거하여, 비변환 자연 토양(100)에 존재했던 이런 재료의 위험을 없앨 수 있다.

도 4의 1단계 a)에서 기존의 대지 표면에서 굴착할 영역을 설정한다. 설정된 영역은 기존의 대지에서 변환할 영역이고, 경우에 따라서는 토양을 변환할 깊이도 결정할 수 있다. 영역 설정은 좀더 안정된 지반으로 변환할 대지 영역을 정하기 위해 지면에 하는 경계표시, 구획표시라고도 한다. 따라서, 영역설정은 지면에 눈에보이는 표시를 하여 변환할 경계를 정하는 것이다. 구조물에 필요한 기초사양에 의거해 설정된 영역의 경계를 정하거나 지도를 그릴 수도 있다. 천연 토양을 굴착할 곳에 설정 영역과 깊이를 정할 수 있다. 설정된 영역이 변환할 기초지반 전체이거나 일부일 수 있다.

변환할 영역과 깊이는 여러 인자들에 맞게 선택될 수 있다. 구조물을 제대로 지지하려면, 적절한 면적과 깊이에 걸쳐 안정된 토양이 필요하다. 예를 들어, 기초 토대가 토양에 영향을 준다. 도 5A와 같이, 기초토대(400)가 토양에 응력 q0을 전구 형태로 분산시킨다. 주어진 깊이에서 토양에 가해진 응력의 크기가 q이다. q/q0로 표시한 것처럼, 토대에서 멀어질수록 토양의 응력이 줄어든다.

이런 토대가 구조물을 제대로 지지하려면, q/q0가 0.2 이상으로 응력이 큰 영역의 토양이 안정되어야 한다. 기초토대의 크기에 따라, 응력이 토양에 얕게/깊게 작용한다. 따라서, 적절한 지지력을 제공하도록 설정영역의 면적과 깊이를 선택해야 한다. 지진에 대한 안정성을 더 확보하려면, 20m 이상, 바람직하게는 30m 이상의 깊이까지 토양이 액상화되어서는 안된다. 자연 토양이 액상화 성질이면, 개량토양을 비액상화화기에 충분한 깊이까지 굴착 면적을 선택해야 한다.

도 5A에서, 입도불량의 자연 토양(100) 위에 있는 폭 B(예; 4m)의 토대(400)는 q/q0가 0.2~1.0인 상당한 응력을 (깊이 6m나 1.5B의) 성긴 토양(100)과 그 밑의 압축성 연점토층(150)에 전달하여, 토양의 지지력을 초과해 지반침하를 일으킨다. 반면에, 도 5B와 같이 토양을 처리하면, 개량토양의 지지력에 맞게 지반 폭을 (예컨대 2m 정도로 절반까지) 줄일 수 있다. 이런 구성에서 토대에서 생긴 응력이 (q/q0>0.2인) 밀집된 입도양호 (1.5B=3m 깊이의) 토양(200)에 주로 분산된다. 이 토양(200)이 깊이 1.5B 정도의 충분한 깊이로 개량되었으면, 그 밑의 압축성 연점토층(150)는 상당한 크기의 응력(예; q/q0=0.2 이하)을 받지 않어, 토양의 지지력이 늘어나고 침하는 줄어들어, 무거운 구조물을 지지하기에 더 안정된다. 도 5B와 같이 변환된 토양은 도 5A의 미개량 토양보다 지지력이 2배 이상 증가하여, 토대 크기를 절반까지 줄일 수 있다.

지반 구조에 따라 토양변환 조건들이 바뀔 수 있다. 예컨대, 도 3A와 같이, 암반이나 밀집토양에 닿는 깊이까지 토양을 개량할 수 있다. 도 6A~B와 같이, 암반까지 파일이 박혀있으면, 파일(252) 주변 토양이 내진성을 가져 지진중에 파일을 보호한다. 예를 들어, 도 6A와 같이, 파일(252)의 상부 구간은 액상적인 자연 토양(100)로 둘러싸인 반면, 파일(252)의 하부가간은 비액상적인 압축성 점토(150)로 둘러싸여 있다. 이런 상태에서 지진이 생기면 토양(100)이 p_lD 방향으로 움직여 파일(252)의 상부구간과 파일캡(253)이 처음 위치에서 새로운 상태(252',253')로 움직이거나 변형된다. 반면에, 도 6B의 경우, 토양(100)이 개량토양(200)으로 변환되어, 파일(252)의 상부구간이 액상성이 없는 밀집되고 안정된 입도양호 토양으로 둘러싸여 있다. 따라서, 지진이 생겼을 때 토양이 액상하거나 파일이 변형될 가능성이 크게 줄어든다. 이때문에 파일이 충분히 안정될 정도로 모든 액상층들을 개량하는 굴착 깊이를 선택하는 것이 좋다. 마찰 파일의 경우, 액상성 토양 깊이의 바닥까지 토양을 개량해 지진이 일어나도 토양이 측면방향으로 밀리지 않도록 한다.

도 7A~D와 같이 매립된 기반벽의 경우, 벽(350)의 양쪽에서 적어도 5m 이상 충분한 깊이(D)로 토양을 개량하는 것이 좋다. 도 7C~D와 같이, 벽의 한쪽에 작용한 힘(A)은 벽 반대쪽의 파열면(개량토양은 225; 미개량토양은 225') 위의 토양의 체적과 전단강도 인자들에 의해 수동 저항 Rp로 표시된다. 개량토양의 파열면(225)이 미개량토양의 파열면(225')보다 경사가 완만해, 힘 A에 저항하는 그 위의 토양체적이 더 많아, 개량된 토양과 미개량된 토양의 수동 압력선(226,226')으로 표시된 것처럼 수동 저항 Rp가 더 크다. 따라서, 벽의 양쪽을 따라 3~5m 이상의 깊이로 충분히 토양을 개량하여 지진이 어느 방향으로 일어나도 적절한 저항을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 개량토가 강할수록 토양의 수동저항이 커지고 지진에서 구조물 기반과 건물의 변형도 작아진다.

다른 기반 구조도 가능하고, 기반 조건에 맞게 토양개량 면적과 깊이를 선택할 수 있다. 도 7A와 같이 파일과 앵커와 매립된 구조물이 함께 있을 수도 있고, 굴착/개량할 토지의 위치도 깊이와 면적에 맞게 변할 수 있다.

기반구조물 부근의 영역만 토양을 개량하도록 영역을 선택할 수도 있다. 예컨대, 기반에 4개의 토대가 서로 떨어져 있으면, 이들 토대 사이의 자연 토양은 그대로 두고 토대의 영향을 받는 영역의 토양만 개량할 수 있다. 또는, 부지 전체의 토양을 개량하여 부지 전체에 "비액상성" 토양을 제공해 내진성을 더 강화할 수도 있다.

개량된 토양의 입자 조성에 맞게 면적과 깊이를 결정할 수도 있다. 토양 등급을 높이려면, 다양한 크기의 입자들이 섞여 모든 범위의 입자들을 적절히 혼합하는 것이 좋다. 굴착 면적과 깊이에 따라 자연 토양내 굴착될 층들과 토양 혼합에 이용될 층들이 결정된다. 특정한 입자 종류와 크기의 토양을 얻기 위해 더 깊게 굴착해야할 수도 있다. 다지기 후의 지지력이 300kPa, 450kPa 또는 그 이상이 되도록 최종 혼합물의 조성을 선택하는 것이 좋다.

따라서, 굴착 면적과 깊이를 계획할 때 토양을 연구하고 토양층의 입자조성을 측정할 수 있다. 토양층들의 조성은 체가름, 콘관입 테스트와 같은 기존의 방법으로 측정될 수 있다. 이 정보를 이용해 입도양호 혼합물을 얻도록 결합해야 하는 입자 종류들과, 혼합을 위해 굴착할 층들을 결정한다. 혼합할 토양층들의 비율을 설정하고 외부 토양을 도입할지 여부도 결정할 수 있다. 이런 측정은 토양의 조성만을 추정하기 위한 것이고, 실제 토양 조성은 부지내의 지질변화 때문에 다를 수도 있다. 따라서, 부지내 실제 토양 조성이 알려지면서 굴착중에 토양 조성이 조정될 수도 있다.

도 4의 2단계 b)에서 설정된 굴착 면적과 깊이에 맞게 자연 토양을 굴착하되, a) 단계에서 설정된 영역 전체의 토양을 토양 종류가 다른 하나나 다수의 층들까지의 깊이, 예컨대 2m 이상, 바람직하게는 20m, 30m 또는 그 이상의 깊이까지 굴착하는 것이 좋다. 굴착이란 a) 단계에서 설정된 영역의 지면을 파내는 것을 말한다. 어떤 경우에는, 굴착이 설정된 영역에서 토양을 빼내거나 움직여 구멍이나 도랑을 형성하거나 일정 깊이로 토양층들을 드러내는 것을 포함하기도 한다. 또, 굴착을 통해 토양이 재배열될 수도 있다. 삽, 채굴기, 스쿠프, 모종삽, 준설기 등의 어떤 터파기 공구도 굴착에 사용할 수 있다. 터파기 공구는 기계식, 공압식 및/또는 유압식으로 동작하고, 교환이 가능하여 여러가지 임무를 수행할 수 있으면 좋다.

설정단계에서 자연 토양의 일부 층이 최종 토양 혼합에 적절치 않다고 결정될 수 있다. 예컨대, 부드럽고 민감한 점토나 점토사처럼 비압축성/불안정 재료와 전단강도가 낮은 재료(마찰각과 응집력이 낮아 전단강도가 15kPa 미만)는 최종 토양혼합물을 약화시킨다. 토탄과 같은 유기체도 최종 토양혼합물을 약화시킨다. 또, 굴착중에 혼합에 적합치 않은 큰바위나 폐차와 같은 이물체가 발견되기도 한다. 기본적으로, 토양의 장단기간 안정성에 영향을 줄 수 있는 어떤 재료도 최종 토양혼합물에 포함되어서는 안된다. 따라서, 굴착과 토양처리과정중에 부적절한 토양이나 물체들을 추출된 토양에서 제거하는 과정이 있을 수 있고, 이런 과정에서 부적절한 재료를 토양 혼합물에서 빼내는 등의 방법으로 부적절한 토양층들이나 물체를 적절한 토양층들에서 분리한다. 부적절한 토양층이나 물체는 다른 부지나 부지내 다른 곳에 옮겼다가 폐기하거나 재활용한다.

설정된 면적과 깊이의 모든 토양을 굴착하는 것이 좋다. 굴착을 하면 영역내 실제 토양 조성을 모두 알 수 있다. 굴착 과정중에, 굴착된 토양을 더 분석해 토양 혼합에 사용할 수 있는 정확한 양을 결정할 수도 있다. 이런 정보로, 굴착 면적과 깊이를 필요한대로 설정할 수 있다. 예컨대, 굴착과정중에 부적절한 토양층이 발견되면, 원래보다 더 깊이 굴착해 이런 부적절한 토양층을 제거할 수 있다. 또, 토양 첨가물 및/또는 제외물도 조정할 수 있다. 예를 들어, 굴착할 때 입도양호 개량된 토양 혼합물을 얻는데 필요한 크기의 입자가 없거나 너무 많은 자연 토양층이 있다고 판단되면, 첨가물을 추가하거나 이 토양층들을 제외하여 입자크기들을 이상적으로 조절할 수 있다.

이런 식으로 굴착하면 토양변환과정을 조절하면서도 토양의 최종 성질들을 좀더 확실히 알 수 있어, 지리적 변화에 적응하여 계획보다 더 원하는대로 디자인하여 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이다.

도 4의 3단계 c)에서는 b) 단계 동안 굴착된 토양을 혼합한다. 이 토양은 어떤 방법과 굴착공구로도 혼합할 수 있지만, 최종 혼합물이 균일하도록 혼합하는 것이 좋다. 경우에 따라서는 한가지 토양종류가 균일하도록 또는 여러가지 토양 종류가 섞이도록 한다. 여러 토양층의 재료들을 혼합할 때 자연 토양층들을 혼합물 전체에 균일하게 흩어놓는다. 또는, 모든 토양층들을 굴착한 뒤에 토양을 혼합할 수도 있다. 또는, 토양을 층별로나 군데군데 굴착하고, 인접한 층들이나 부분 토양들을 혼합해 중간단계의 혼합물을 만든 다음, 다른 토양층이나 토양을 중간단계 혼합물에 섞을 수도 있다. 설정된 영역 전체를 굴착할 때까지 이 과정을 반복하고, 중간단계 혼합물은 원하는 모든 토양층 전부를 포함하는 균일하게 개량된 토양혼합물에 해당한다.

또, 혼합된 토양의 지지력을 늘이거나 압축성을 최소화하거나 안정성을 높이는 등의 성질 개선을 위해 혼합물에 첨가물을 추가할 수도 있다. 추가될 첨가물의 종류에 따라, 개량된 토양의 압축강도가 1~15 MPark 될 수 있다. 따라서, 굴착된 토양을 혼합할 때 혼합물에 첨가물을 추가하여 토양을 개량할 수 있다.

지반을 변환해야할 현재의 부지에서 떨어진 다른 부지에서 들여온 토양이 첨가물일 수도 있다. 설정 및 굴착 단계들에서, 자연 토양층에 특정 입자 크기나 종류가 없거나 너무 많은지, 최종 토양 혼합물이 불연속 입도를 갖는지(즉, 토양 혼합물이 대부분의 입자크기를 보이지면 몇가지 특정 입자크기는 없음) 또는 등급이 나쁜지를 결정할 수 있다. 이 경우, 부지에서 구할 수 있는 자연 토양만 사용해 아주 입도양호 토양을 만들 수는 없을 것이다. 이때문에, 혼합물이 외부 토양을 첨가하는 것이 좋을 수 있다. 외부 토양은 굴착중에 쉽게 구할 수 없고 변환할 지반이 있는 부지에서 자연적으로 생기지 않는 모든 자연/합성 토양을 말한다. 예컨대, 굴착된 자연 토양에 미세 입자들이 없으면, (토사채취장과 같은) 부근의 다른 부지의 토양을 굴착지로 운반해 혼합물에 섞어 입도양호 토양 혼합물을 만든다. 마찬가지로, 설정단계와 굴착단계에서, 최종 토양 혼합물이 다지기 후에 굴착된 면적을 덮기에 충분한 체적을 갖지 않은지를 결정할 수 있다. 이 경우, 최종 토양 혼합물에 충진물을 첨가해 체적을 늘이면서도 등급은 유지하도록 한다. 충진물은 최종 혼합물의 강도를 해치지만 않으면 어떤 재료(예; 다른 입도양호 토양)도 사용할 수 있다.

혼화제나 결합제와 같은 다른 종류의 첨가물을 첨가해 강도는 높이고 투습도는 낮춘 토양을 만들 수도 있다. 규산나트륨, 실리카졸, 페놀, 아미노플라스트, 미세 시멘트 재료, 폴리에스테르 등의 다른 여러 종류의 결합제들을 첨가할 수도 있다. 현재에도 개발되고 있는 새로운 혼화제들도 사용할 수 있다. 혼합되는 첨가물의 종류와 양은 혼합물이 적절히 지연되어 고화되거나 경화되도록 선택한다. 예컨대, 3~4일 사이에 경화되도록 개량 토양을 혼화제로 처리하여, 나머지 단계들을 끝내기에 충분한 시간을 확보할 수 있다. 이런 식으로 토양을 개량하면 지지력을 1000~2000 kPa 이상으로 높이면서도 압축성은 낮추고 지반침하는 최소화하며 투습성은 줄여, 원래의 토양을 거의 퇴적암 수준으로 만들어 토양을 B급 부지로 만들 수 있다.

도 4의 4단계 d)에서는 개량된 토양을 굴착된 영역에 되돌리고 다지되, b) 단계에서 굴착된 깊이까지 채우는 것이 좋다. 이제 등급이 높아진 토양 혼합물은 원래의 자연 토양보다 우수한 성질(균질하고 다지기에 더 적합하며 변형이 줄어듬)을 가져 변환되거나 개량될 수 있다. 일례로, 개량된 토양을 추가 조작 없이 바로 굴착부에 되돌릴 수 있다. 이런 식으로 토양을 혼합해 굴착부에 되돌리면, 토양이 전체 면적에서 균질해진다. 동다짐이나 진동다짐과 같은 기존의 다지기 공법을 개량 토양에 적용하면, 자연 토양 보다 우수한 성질을 갖는 다진 토양을 얻을 수 있다.

또는, 토양을 굴착부에 한번에 전부 되돌리지 않고, 층층이 되돌릴 수도 있다. 예컨대, 0.5m와 20m 사이, 바람직하게는 1.5m와 3m 사이로 혼합된 토양을 1층으로 만들고, 이 층을 다진 뒤 다음 층을 만든다. 이런 층별 다지기 과정은 굴착부를 완전히 채울 때까지 반복된다.

이렇게 토양을 다지면 굴착된 면적 전체 깊이로 토양이 치밀해진다. 또, 이 과정을 층마다 조절하면 각각의 층을 연속적으로 치밀하게 하여 균일도를 더 높일 수 있다. 그 결과, 이 방법으로 만든 토양은 전체가 일정한 성질을 보여 예측성이 더 높아진다. 이 방법은 토양 샘플들을 채취한 시추공들 사이의 토양이 다를 수도 있기 때문에 장점을 갖는다. 즉, 지지력 안전율이 3 이상이 되도록 설계하는 것이 보통이지만, 본 실시예의 경우는 안전율을 2나 1.5로 해도 충분할 수 있다.

각각의 토양층의 다지기는 고정, 충격, 진동, 선회, 롤링 등을 이용하지만, 반죽다지기가 바람직하다. 강력한 토양 반죽은 토양을 부수고 액상시켜 균등하게 퍼지게 하며 개량된 토양의 균질도를 더 높인다. 반죽을 하면 개량 토양에서 잉여 수분이 축출된다. 그 결과, 개량 토양의 수분함량을 층별로 조절하여, 토양 밀도와 불투수성을 높일 수 있다.

개량된 토양을 방향을 바꿔가면서 압력과 전단력을 가하는 진동판으로 반죽할 수도 있다. 진동판은 부지 사정(전원이나 장비)에 따라 유압이나 공압으로 작동하거나, 부지의 장비의 유압회로나 진동판 고유의 독립 회로에 연결되어 작동할 수 있다. 이런 회로는 굴착깊이의 바닥부터 표면까지 진동력을 가하는데 필요한 동력과 내구성을 제공하는 것이 좋다.

회로가 부지의 장치에서 비롯될 경우, 이 장치에 진동판을 연결하면, 굴착공구를 가동하는 장치와 함께 진동판을 사용할 수 있어, 굴착작업이 끝나면 진동판을 굴착공구와 호환할 수 있다. 이 경우, 굴착공구를 이 장치에 설치하여 굴착할 수 있다. 토양층들을 혼합해 토양을 개량했으면, 굴착공구를 이용해 0.5~20 m, 바람직하게는 1.5~3 m 두께의 개질토양층을 굴착부에 되돌릴 수 있다. 이어서 굴착공구를 진동판으로 바꿔 다지기 작업을 할 수 있다. 끝으로, 다지기가 끝나면, 진동판을 굴착공구로 바꾸고 다음 토양층에 전술한 작업을 반복한다. 굴착공구와 진동판의 이런 호환에 의해, 전체 과정이 효율화되고 경제적이 된다.

대형 시스템의 일부일 수 있는 진동강판과 같은 장치로 다지기를 할 수도 있고, 진동강판의 크기는 2.5ftx2ft가 일반적이지만, 크기가 다를 수도 있다. 진동강판은 건설현장에서 쉽게 구할 수 있는 유압 셔블의 아암에 연결되어 다양한 깊이로 다지기 작업을 한다. 한편, 진동강판이 크레인이나 다른 비슷한 장치에 연결되어 굴착 깊이에 맞게 타격할 수도 있다. 이런 다지기 공법에서는 현장 작업자가 장애물을 발견하는 등의 상황에 쉽게 간섭할 수 있다.

측면 응력전달을 최소화하기 위해 토대 밑의 개량토양을 더 보강해야할 수도 있고, 이때 중첩형 지오그리드, 메탈스트립, 지오텍스타일 시트 등을 사용할 수 있다. 도 5의 경우, 지오그리드가 없으면, 기초토대에서 토양에 전달된 응력이 측면으로 전구 형상으로 퍼질 수 있다. 반면에, 도 8과 같이, 토대(258) 밑에 지오그리드(250)가 중첩되어 있으면 응력이 토양에서 측면으로 퍼지는 것을 상당히 줄일 수 있다. 254 라인에서 알 수 있듯이, 지오그리드(250)가 있으면 응력이 측면이 아닌 깊이 방향으로 퍼진다. 이런 강화작용으로 기초토대들을 서로 더 가까이 배치해도 응력들이 깊이 방향으로 겹칠 위험이 없다. 이런 강화구조를 이상 설명한 방법으로 구축할 수 있으면서도 개량 토양을 층별로 굴착영역에 되돌릴 수 있다. 다져진 개량 토양은 강화에 효율적인 매체이다.

도 4의 최종단계 e)는 기초구조물 건축에 관한 것이다. 개량토양에 기초구조물을 건축하는데, 이 기초구조물은 건물이 아닌 것을 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 댐이나 교량과 같은 민감한 구조물의 기초를 안정화하는데 토양변환 단계들을 적용할 수 있다. 전술한 것처럼, a) 내지 d) 단계를 통해 싱크홀이나 토질악화와 같은 미개량 토양에 생길 위험을 제거하여, 민감한 구조물을 위해 좀더 안전한 기초에 적합한 변환 토양을 만든다. e) 단계는 댐, 교량, 기타 구조물을 변환된 토양에 건축하는 단계에 관한 것이다.

이렇게 개량된 토양은 지지력이 최대 600kPa이며 첨가하면 2000kPa까지도 되지만, 자연 토양은 아무리 다져도 150kPa 이상 가질 수 없다. 이때문에 기초토대의 크기를 줄이고 그 깊이로의 영향도 줄어든다. 지진에 대비해 구조물을 안정시키기 위해 아주 대량의 콘크리트 질량이 필요할 경우 장점을 갖는다. 크기로 인해 이런 질량은 깊이에 큰 영향을 준다. 그러나, 본 발명의 개량된 토양이라면 이런 큰 질량의 다지기 면적을 줄여 지진중의 토양 응력의 증가를 수용할 수 있는데, 이는 도 5와 같이 개량된 토양의 지지력이 높아지기 때문이다.

도 9는 지지토대의 접촉면적을 줄이는 방법을 보여준다. 도 9A의 기초 토대(400)는 콘크리트 등으로 만들어지고 폭(404) 전체에서 지면에 응력을 분산시켜, 응력이 전구 형태로 상당한 깊이(406)까지 퍼진다. 도 9B의 다른 지지토대(500)는 고압축성 스티로폼 블록(502)으로 접촉면적을 줄일 수 있고, 스티로폼 부분이 아닌 지면에 접촉하는 콘크리트 부분(508,508')을 통해 대부분의 응력이 분산된다.

토대(400)의 접촉면적이 3개의 작은 구간(508,508',508")로 줄어들고, 이들 구간 전체의 폭은 토대의 폭(504)보다 작다. 그 결과, 각 구간(508,508',508")의 응력이 도 9A의 깊이보다 작은 깊이(506)까지 퍼진다. 줄어든 토대 크기로 인한 압력증가 때문에, 토양의 상부층들에 더 큰 응력이 가해지지만, 본 발명에 의해 개량된 토양은 이런 응력증가를 충분히 견디는 지지력을 갖는다.

토대(500)의 경우, 토대(400)의 한가지 응력 대신에 3개의 전구형 응력으로 분산된다. 개량된 토양에 지오그리드를 설치하면 3개의 응력이 겹쳐 깊이 방향으로 상당한 응력이 생기는 것이 방지된다.

본 발명의 개량된 토양은 지진 액상화에 더 안정되고 투수성이 낮으며 침하나 측면 분산에 민감하지 않아, 건축용으로 아주 안정된 지반을 형성하며 건축표준설계기준에도 일치한다. 또, 예상못한 지진 크기에도 대비할 수 있다. 토양의 성질과 예상 지진크기에 의거한 액상화 해석을 할 때, 제시된 구조물의 위험감수성에 따라 안전율을 1 내지 1.2로 하는 것이 보통이다. 즉, 예상되는 크기의 지진이나 그보다 20%까지 큰 지진에서 액상화를 견디도록 지반을 설계한다. 안전율을 설계할 때, 엔지니어와 계약자들은 토양의 성질에 의해 제한을 받고 설계시 고려한 사항을 넘는 지진강도에 대해서는 충분히 대비하지 못한다. 그러나, 본 발명에 의하면, 개량 토양이 더이상 액상화되지 않아, (알려진 것보다 더 큰) 지진의 영향도 쉽게 견딜 수 있고, 지진이 더 심각해도 안전율을 낮춰잡아 생긴 위험을 줄일 수 있다.

본 발명의 방법으로 개량된 토양은 지진중에 지반에서의 건물의 이동과 회전을 완전히 방지하도록 건물 주변에 연속적으로나 국부적으로 구조물들을 매립할 수도 있다. 이런 방안은 전방향의 지진력과 모멘트에 적용된다.

이렇게 보강된 콘크리트 구조물들로 USP8,898,996에 소개된 "가슨벽(Garzon Walls)"이 있다. 이런 구조물은 지진 등으로 건물에 의해 받는 부하에 의해 최소로 움직이도록 개량 토양 안에 설치하여, 건물의 회전과 이동을 방지해 안정성을 보장한다.

도 7A~B에 의하면, 개량된 토양(300,300') 안으로 건물(356)의 4변을 따라 주변에 4개의 가슨벽(350)을 설치한다. 또, 건물이 움직이거나 회전하지 못하게 지지할 수만 있으면 건물의 둘레 일부에만 벽을 설치할 수도 있고, 이 가슨벽(350)이 건물의 변의 길이 전체가 아닌 일부에만 배치할 수도 있다. 이런 벽에 건물을 고정하는 옹벽(354)에 의해 건물이 더 안정될 수 있다.

암반(302)까지 깊게 박힌 파일(352)로 가슨벽(350)을 안정시킬 수 있다. 이런 파일(352)는 가슨벽(350)을 따라 일정 간격으로 배치되고, 가슨벽 밑의 자연 토양을 처리한다. 가슨벽(350)에 안정화 부재(360)를 설치해 보강할 수도 있다. 파일들(352)이 지진중의 액상화로 인한 피해를 받지 않도록 파일을 따라 개량토양(300)을 배치한다. 또, 지지력이 높은 개량 토양(300)안으로 건물 토대들(358)을 박아 토대들이 상당한 압력을 견디도록 한다.

가슨벽(350)이 벽(300') 내부의 개량토양과 벽(300") 외부의 개량토양 사이에 배치된다. 벽(350) 양쪽의 개량되고 다져진 토양은 도 7에서 설명된 마찰각도와 고밀도를 포함해 개선된 토양 성질에 관련된 높은 수동 저항을 제공한다. 벽(350)의 깊이(H)는 특정 건물에 필요한 저항에 맞게 변할 수 있고, 구조물에 예상되는 지진과 개량된 지반 성질에 의거하여 선택된다. 벽 양쪽에 개량 토양(300)을 배치하면, 수동 저항이 증가해 벽(350)을 자연 토양보다 낮은 깊이로 세울 수 있다.

Claims (30)

1. 다른 토양종류로 된 하나나 다수의 토양층들을 갖는 토양으로 된 대지의 지반을 좀더 안정적인 기초지반으로 변환하는 방법에 있어서:
   a) 부지 표면에 변환할 지반의 영역에 상응하는 경계 영역을 설정하는 단계;
   b) 상기 토양층들을 관통해 소정 깊이까지 경계 영역 전체의 토양을 굴착하는 단계;
   c) b) 단계에서 굴착된 토양 중의 적어도 2개 토양층들과 섞어 균일한 혼합물을 포함하는 토양으로 개량하는 단계;
   d) 개량된 토양을 경계 영역에 되돌려 b) 단계에서 굴착된 깊이까지 균일하게 충전하는 단계; 및
   e) 경계 영역에 되돌아간 개량된 토양을 다져 안정된 기초지반을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 e) 단계에서 개량된 토양에 진동력을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 e) 단계에서 진동판을 이용해 개량된 토양을 반죽하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 d) 단계와 e) 단계에서 개량된 토양을 경계 영역에 토양층 한층씩 연속적으로 되돌리되, 각각의 토양층을 다진 다음에 후속 토양층을 되돌리는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 d) 단계에서 개량된 토양을 깊이가 0.5~20m, 바람직하게는 1.5~3m인 연속적인 토양층들로 경계 영역에 되돌리는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 b) 단계에서 자연 암반이나 밀집토양에 닿는 깊이까지 경계 영역에서 토양을 굴착하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 b) 단계에서 경계 영역의 토양이 2m 이상의 깊이까지, 바람직하게는 20m 이상의 깊이까지 굴착되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 c) 단계에서, b) 단계에서 굴착된 토양을 개량할 때 균일한 토양 혼합물이 입도양호 등급을 받도록 그 조성을 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 균일한 토양 혼합물의 조성이 0.001 내지 150mm 범위로 분산된 입경을 갖도록 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 균일한 토양 혼합물의 조성이 모든 입경이 4번 내지 200번 체의 크기를 갖도록 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 균일한 토양 혼합물의 조성이 균등계수 C_u가 4 내지 6보다 크고 곡률계수 C_c는 1 내지 3이면서 C_u=D₆₀/D₁₀, C는=D² ₃₀/(D₁₀*D₆₀)이 되도록 조정되고, 이때 D₆₀은 60% 통과시의 균일한 토양 혼합물의 입경이고 D₁₀은 10% 통과시의 균일한 토양 혼합물의 입경인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제8항 내지 제11항 중의 어느 하나에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 b) 단계에서 굴착된 토양층들 중의 적어도 하나의 적어도 일부분을 균일한 토양 혼합물에서 제외하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 b) 단계에서 굴착된 토양층들 중의 적어도 하나를 균일한 토양 혼합물에서 완전히 제외하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 유기물, 비압축성 재료, 연점토, 미사점토 및 전단강도가 15kPa 미만인 재료 중의 적어도 하나를 함유한 토양층들 중의 적어도 하나를 균일한 토양 혼합물에서 제외하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제8항 내지 제14항 중의 어느 하나에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 b) 단계에서 굴착된 토양층들 각각의 혼합비를 입도양호 토양 혼합물을 얻도록 선택하고 이런 선택비에 맞게 토양층들을 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제8항 내지 제15항 중의 어느 하나에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 적어도 하나의 입경이 부족하거나 과잉되어 있는 적어도 하나의 토양층을 입도불량으로 확인하고, 이렇게 확인된 토양층을 적어도 하나의 다른 토양층과 섞어 상기 입경의 부족이나 과잉을 수정하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제8항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 적어도 하나나 두개의 토양층들에 첨가물을 섞는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 균일한 토양 혼합물의 조성을 조정할 때 혼합물내의 적어도 하나의 입경의 부족을 확인하고 이 입경을 갖는 첨가물을 균일한 토양 혼합물에 섞어 상기 부족을 교정하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 적어도 하나나 두개의 토양층에 첨가물을 섞을 때 외부 부지의 토양을 포함한 첨가물을 섞는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제17항 내지 제19항 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나나 두개의 토양층에 첨가물을 섞을 때 입도양호 토양을 포함한 충전제를 갖춘 첨가물을 섞는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제17항 내지 제20항 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나나 두개의 토양층에 첨가물을 섞을 때 결합제를 섞는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제1항 내지 제21항 중의 어느 하나에 있어서, 굴착된 토양층들의 조성을 각각 분석하는 단계; 및 개량된 토양의 등급을 높이도록 균일한 혼합물에 포함되거나 제외될 분석된 토양층의 양을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제1항 내지 제22항 중의 어느 하나에 있어서, 굴착된 토양층들의 조성을 각각 분석하는 단계; 및 개량된 토양의 등급을 높이도록 균일한 혼합물에 포함될 첨가물의 양을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제1항 내지 제23항 중의 어느 하나에 있어서, b) 단계에서 경계 영역의 전체 깊이까지 완전히 굴착한 뒤에 d) 단계에서 개량된 토양을 되돌리는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제1항 내지 제24항 중의 어느 하나에 있어서, b) 단계에서 경계 영역의 전체 깊이까지 완전히 굴착하고, 개량된 토양을 d) 단계에서 경계 영역의 일부에 되돌린 뒤 경계 영역의 다른 일부에 대해 b) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제1항 내지 제25항 중의 어느 하나에 있어서, b)와 c) 단계들에서 인접한 토양층들을 굴착하고 섞어 중간 혼합물을 형성한 뒤, 후속 층을 굴착해 중간 혼합물에 첨가하고, 토양층들을 소정 깊이로 굴착할 때까지 이런 중간 혼합물 형성과 후속 층의 첨가를 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제1항 내지 제26항 중의 어느 하나에 있어서, b) 단계에서 굴착된 토양을 경계 영역에서 빼내는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제1항 내지 제27항 중의 어느 하나에 있어서, b) 단계에서 굴착된 토양을 경계 영역에서 옮기는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 부지에 있는 다른 토양종류로 된 다수의 토양층들을 부지의 면적과 깊이 전체에 균일하게 섞어 입도양호 토양 혼합물을 구하는 단계; 및 입도양호 토양 혼합물에 진동력을 가해 다지는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정된 기초지반 형성 방법.
30. 제1항 내지 제29항 중의 어느 하나에 따른 방법으로 형성된 안정된 기초지반.

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