KR20180117747A - 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법 - Google Patents

고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법 Download PDF

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KR20180117747A KR1020170050269A KR20170050269A KR20180117747A KR 20180117747 A KR20180117747 A KR 20180117747A KR 1020170050269 A KR1020170050269 A KR 1020170050269A KR 20170050269 A KR20170050269 A KR 20170050269A KR 20180117747 A KR20180117747 A KR 20180117747A
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하은룡
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Abstract

본 발명은, 표층 판상구조와 심층 말뚝구조로 이루어진 부상형 연약지반 안정화 시스템에 있어서, 연약지반 표층 0.25~0.5m의 지반을 시멘트계 안정화제와 혼합처리 후 장비 주행성을 우선적으로 확보하고, 말뚝형태의 심층 개량체를 C.T.C 2.0~4.0m, 직경 0.8~1.2m, 연약지반 심도의 60~80%까지 심층개량 시공후 표층 개량부에 지오그리드 및 고정유닛으로 심층 말뚝구조에 고정 후 그 상부에 심층 개량시 발생하는 부상토와 안정화제와 혼합처리한 표층토를 0.25~0.5m 두께로 다짐하여 표층구조를 완성함으로써 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법에 의해 달성된다. 이에 의해 장비주행성 확보를 위하여 원지반을 혼합처리 시공하므로 쇄석이나 모래 등의 외부재료 반입이 불필요하다, 또한 순차적으로 시공되는 표층 판상구조와 말뚝형태의 심층 개량체의 연결성을 지오그리드와 고정유닛으로 강결로 일체화시켜 하나의 구조물로 거동하는 효과와, 동시에 지오그리드의 하중분산효과 및 고정유닛에 의한 하중전이(아칭효과)을 통해 부등침하량 감소효과를 볼 수 있다. 이때 표층 및 심층 개량체에 적용되는 안정화제에 있어서 혼화재를 혼합한 고성능 시멘트계 안정화제를 적용함으로써 치환율을 감소시킬 수 있으므로 안정성과 경제성을 높일 수 있는 효과가 있다. 그리고 본 발명은 상부시설물 하부를 판상구조와 심층구조형태로 일체화하여 전면적으로 개량함으로써 전체적인 치환율을 낮춰 빠른 속도로 지반침하를 억제하는 이점과 아울러, 심층처리시 발생한 부상토를 표층처리시 고성능 안정화제를 혼합하여 활용함으로써 2차적인 환경오염을 유발시키지 않아 친환경적인 효과를 갖는다.

Description

고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법{A construction method for stabilizing floating type soft ground which integrates, with strong binding by using geogrids and fixing units, platy structure and pile structure formed by high-performance soft ground stabilizer}
본 발명은 고성능 안정화제와 고강도 지오그리드 및 고정유닛을 이용한 부상형 연약지반 안정화 구축방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고성능 혼화재를 배합하여 장기강도가 우수한 안정화제를 활용한 표층 판상구조와 심층 말뚝을 형성하고 이를 고강도 지오그리드 및 고정유닛으로 강결로 일체화시킨 Raft형태의 부상형 연약지반 안정화 구축 시스템을 제공할 수 있도록 한 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법에 관한 것이다.
종래 연약지반 개량공법 중 본 발명과 유사한 형태의 구조 및 재료를 사용하는 공법으로, 대한민국 등록실용신안 제20-0292926호(공고일자:2002.10.25) "연약지반 치환공법으로 토목섬유 팩으로 강화된 다짐말뚝을 이용한 연약지반의 지지력을 증대하기 위한 공법"과, 대한민국 등록특허 제10-0657613호(공고일자:2006.12.14) "말뚝 두부에 설치된 토목섬유를 포함하는 연약지반 지지력강화장치"가 있다.
먼저 상기 대한민국 등록실용신안 제20-292926호에는 연약지반 치환공법으로 토목섬유 팩으로 강화된 다짐말뚝을 이용한 연약지반의 지지력을 중대하기 위한 공법이 공개되어 있는데, 여기에서는 먼저 강관을 연약지반에 압입한 후 고강도 지오그리드로 강화시킨 팩에 자갈, 모래, 쇄석 등의 충진재를 충진하여 지중에 기둥을 만들고, 이후 모래를 포설하고 일정한 면으로 포설된 매트 보강재를 설치한다.
상기 문헌에 공개된 연약지반 내 성토하중을 지오텍스타일로 감싸진 기둥으로 지지하는 GCC(Geotextile Coatedcolumn)공법의 일환이다. 이 공법은 연약지반 내 일부를 모래, 자갈의 기둥을 만들어 치환함으로써, 전단강도가 증가된 복합지반을 구성하는 것이다. 보다 효율적인 지반 치환을 위해서는 대구경 스톤컬럼의 단면확대(Burlging) 및 축소(Necking) 파괴를 막아야 한다.
상기 문헌에 공개된 공법은 고강도 토목섬유로 주머니(Pack)를 만들어서 모래, 자갈 등을 충진 함으로써 스톤컬럼의 품질을 높였다.
그러나, 상기 등록실용신안 제20-292926호에 기술된 기술은 연약지반을 일부 다른 재료로 치환한다는 점과 토목섬유를 사용한다는 점에서 본 발명과 유사할 수도 있지만, 치환하는 재료가 본 발명에서는 시멘트계 안정화제라는 점에서 차이가 있으며, 본 발명에서는 토목섬유를 표층 위에 설치하는 매트 보강이나 팩(Pack)으로써 사용하는 것이 아닌 치환 지반 내 보강재로 사용한다는 점에서 그 차이가 존재한다.
한편, 상기 특허등록번호 제10-0657613호는 말뚝 상부에 토목섬유를 설치하여 축방향의 하중을 측방 유동압이나 횡방향의 하중을 지지할 수 있도록 연약지반의 지지력을 강화시키는 장치이다.
즉 특허등록 제10-065761호에 개시된 기술은, 연약지반의 구조물 기초로 말뚝 기초를 적용하고 말뚝 두부에 철근콘크리트 슬래브를 설치하는 대신 토목섬유로 말뚝을 연결하여 상부하중을 지지하는 방식이다.
종래에는 콘크리트로 말뚝을 연결했지만 고강도 토목섬유로 연결함으로써 처짐으로 인한 부재력 보강이 불필요하고 토목섬유를 말뚝과 연결하여 상부 하중을 직접적으로 말뚝에 전달하는 방식이다. 하지만 이 기술 역시 지지층까지 말뚝을 시공해야 하고 토목섬유, 말뚝, 샌드패드, 볼트를 모두 필요로 하여 상대적으로 구조가 복잡하기 때문에 실효성 면에서 다소 부족하므로 새로운 구조 개선이 요구된다.
또한, 일본 공개특허공보 공개번호 특개 제2011-220108호(공개일자:2011.11.04.)에는 연약 지반상으로의 성토의 구축방법 및 그 성토구조물이 개시되어 있다.
상기 성토의 구축방법에는, 입자크기가 조정된 쇄석을 시멘트로 안정화 처리한 시멘트 개량 역토에 지오텍스타일을 이용하여, 굴곡강성과 인성능을 향상시킨 들보 부재를 연약 지반상에 부설해, 그 들보 부재상에 성토를 구축하는 성토의 구축 방법이 개시되어 있으며, 그리고 성토구조물에는, 입자크기가 조정된 쇄석을 시멘트로 안정화 처리한 시멘트개량 역토에 지오텍스타일을 이용하여, 굴곡강성과 인성능을 향상시킨 성토구조물이 개시되어 있다.
그런데 상기와 같은 성토의 구축방법은, 외부에서 선별된 쇄석을 반입하여 시멘트로 안정화 처리한 시멘트 개량역토를 형성시키므로 고비용이 소모되고, 또한 시멘트개량 역토 내부에 설치한 지오텍 스타일을 지반개량말뚝에 고정하는 고정유닛 등을 사용하고 있지 않기 때문에 표층구조와 심층말뚝구조의 일체화된 거동이 어려워 상부하중이 말뚝으로 전달되기 힘들다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 과도한 지반침하를 방지하기 위하여 지지층까지 강관파일, PHC파일 등이나 심층혼합처리시공이 어려운 대심도 연약지반을 고성능 안정화제에 의한 지반 강도 증진과 고강도 지오그리드 및 고정유닛에 의하여 표층구조와 심층말뚝구조를 강결로 일체화하여 부등침하를 감소시킴으로써 연약지반을 안정화시키는 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기존의 표층 판상구조와 심층 말뚝구조로 이루어진 연약지반 안정화 공법에 대하여 표층처리에 의하여 장비주행성을 확보한 후, 표층 하부에 심층혼합처리공법에 의해 말뚝형태의 개량체를 시공하고, 표층처리층에 지오그리드를 설치하고, 지오그리드와 말뚝형태를 고정유닛을 사용하여 고정시킴으로써 안정화 처리된 지반을 하나의 구조물 시스템으로 일체화시키는 방법이다.
표층 판상구조는 상부하중을 분산시키고 심층 말뚝구조는 과도한 부등침하를 억제시켜 상부시설물을 지지하는 상호 보완적인 역할을 하는 연약지반 안정화 시스템이다.
본 발명의 구체적인 해결수단은, 표층 판상구조와 심층 말뚝구조로 이루어진 부상형 연약지반 안정화 시스템에 있어서, 연약지반 표층 0.25~0.5m의 지반을 시멘트계 안정화제와 혼합처리 후 장비 주행성을 우선적으로 확보하고, 말뚝형태의 심층 개량체를 C.T.C 2.0~4.0m, 직경 0.8~1.2m, 연약지반 심도의 60~80%까지 심층개량 시공후 표층 개량부에 지오그리드 및 고정유닛으로 심층 말뚝구조에 고정 후 그 상부에 심층 개량시 발생하는 부상토와 안정화제와 혼합처리한 표층토를 0.25~0.5m 두께로 다짐하여 표층구조를 완성함으로써 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기의 지오그리드는 인장강도 10ton/m 이상, 고정유닛 탄성계수 210 GPa 이상, 몰드에 다짐 성형한 흙-시멘트 공시체의 일축압축강도가 3000kPa 이상이며, 연약지반 치환율 범위는 8~24% 것이 바람직하다.
그리고, 상기의 안정화제는 XRD분석결과 전체 칼슘함량에서 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬 0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%인 것을 특징으로 하는 재료를 사용함으로써 시멘트 사용량과 전체 치환율을 감소시키는 것이 효과적이다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 장비주행성 확보를 위하여 원지반을 혼합처리 시공하므로 쇄석이나 모래 등의 외부재료 반입이 불필요하다, 또한 순차적으로 시공되는 표층 판상구조와 말뚝형태의 심층 개량체의 연결성을 지오그리드와 고정유닛으로 강결로 일체화시켜 하나의 구조물로 거동하는 효과와, 동시에 지오그리드의 하중분산효과 및 고정유닛에 의한 하중전이(아칭효과)을 통해 부등침하량 감소효과를 볼 수 있다. 이때 표층 및 심층 개량체에 적용되는 안정화제에 있어서 혼화재를 혼합한 고성능 시멘트계 안정화제를 적용함으로써 치환율을 감소시킬 수 있으므로 안정성과 경제성을 높일 수 있는 효과가 있다. 그리고 본 발명은 상부시설물 하부를 판상구조와 심층구조형태로 일체화하여 전면적으로 개량함으로써 전체적인 치환율을 낮춰 빠른 속도로 지반침하를 억제하는 이점과 아울러, 심층처리시 발생한 부상토를 표층처리시 고성능 안정화제를 혼합하여 활용함으로써 2차적인 환경오염을 유발시키지 않아 친환경적인 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 시공순서도 이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시공순서도에 관한 것으로서, (a)는 표층개량을 도시한 것이고, (b)는 심층개량을 도시한 것이며, (c)는 지오그리드 포설 및 고정유닛을 설치한 것을 도시한 것이고, (d)는 상부 표층개량을 도시한 것이다.
본 발명은 먼저, 연약지반 표층 0.25~0.5m의 지반을 시멘트계 안정화제와 혼합처리 후 장비 주행성을 우선적으로 확보한다.
이후 말뚝형태의 심층 개량체를 C.T.C 2.0~4.0m, 직경 0.8~1.2m을 갖도록 연약지반 심도의 60~80%까지 심층개량 시공후 표층 개량부(10) 상면에 지오그리드(20) 및 고정유닛(30)으로 심층 말뚝구조(40)에 고정한다. 이후 그 상부에 개량토(50)를 0.25~0.5m 두께로 다짐하여 표층구조를 완성하여, 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드(20)와 고정유닛(30)을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법이 제공된다. 여기서 미설명부호 1은 안정화층이고, 부호 2는 지지층을 표시한 것이다.
본 발명에서 지오그리드(20)는 인장강도 10ton/m 이상, 고정유닛(30) 탄성계수 210 GPa 이상, 몰드에 다짐 성형한 흙-시멘트 공시체의 일축압축강도가 4000kPa 이상이며, 연약지반 치환율 범위는 8~24% 것이 바람직하며, XRD분석결과 전체 칼슘함량에서 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬 0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%인 것을 특징으로 하는 안정화제를 혼합함으로써 시멘트 사용량과 전체 치환율을 감소시킨다.
한편 본 발명은, 표 1 및 그림 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 지오그리드(20) 보강위치에 따른 휨강도 시험 결과(G25,50,75=하부로부터 0.25H,0.5H,0.75H, H=표층두께) 표층 하부로부터 0.25H~0.5H 범위에 지오그리드(20)를 설치시 최대 1.4배 강도증진효과를 볼 수 있으며, 개량지반의 파괴 이후에도 연성거동을 발휘하여 개량지반의 급격한 파괴 방지로 개량체의 강도증진과 장기적인 안정성 확보에 유리할 수 있다.
실내모형실험 실험조건
시멘트/점토 비율 (CM) 컨시스턴시 지수 (C) 지오그리드 위치 (G)
25% 0.4, 0.5, 0.6 각 컨시스턴시 지수별 무보강, 0.25H, 0.50H, 0.75H (H:표층 두께)
50%
그림 1.
휨강도 시험 결과
Figure pat00001
Figure pat00002
본 발명에서 말뚝직경, 말뚝간격(C.T.C), 연약지반 개량심도에 따른 최대침하량 경향을 확인하기 위하여 일반적으로 DCM 공법에서 적용되는 표 2, 표 3의 조건으로 수치 해석을 실시하였다. 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에서 직경/C.T.C/연약지반 개량심도에 따른 수치해석결과 일반적으로 적용되는 DCM공법에 의한 말뚝의 직경크기 및 C.T.C에 따른 최대변위차이는 상대적으로 미미, 개량심도의 경우 연약지반 심도대비 50% 이하 보강시에는 최대변위가 상대적으로 크게 증가하는 것으로 나타났다.
수치해석 적용 물성치
구 분 성토재 연약지반 Column 고정유닛 그리드
탄성계수(kN/m 2 ) 30,000 5,000 150,000 210,000,000 2,500,000
포아송비 0.3 0.4 0.3 0.2 0.3
습윤단위중량
( kN /m 3 ) 		18 15 19 78 1
포화단위중량
( kN /m 3 ) 		19 16 20 78 1
점착력( kN /m 2 ) 15 20 - - -
내부마찰각( deg ) 25 0 - - -
수치해석 조건
구 분 적 용
성토고 5.0m
표층 두께 1.0m
말뚝 직경 0.8m, 1.0m, 1.2m
C.T.C 2.0m, 2.5, 3.0m
연약지반 심도 30m
보강심도 10m, 15m, 20m, 25m
그리드 위치 0.125H(H : 표층 두께)
그리드 두께 0.02m
고정유닛 길이 1.0m
지하수위 GL. 0.0m
배수조건 비배수
수치해석 결과
직 경
(m) 		C.T.C
(m) 		심층개량심도
(m) 		변 위(cm) 경향
0.8 2.0 10 24.7
Figure pat00003
15 16.7
20 10.0
25 5.4
2.5 10 27.7
15 18.4
20 11.7
25 6.7
3.0 10 30.2
15 20.2
20 12.9
25 7.8
1.0 2.0 10 24.1
Figure pat00004
15 16.3
20 9.5
25 4.8
2.5 10 26.3
15 17.7
20 10.8
25 5.9
3.0 10 28.8
15 18.8
20 11.9
25 6.9
1.2 2.0 10 23.7
Figure pat00005
15 15.9
20 9.1
25 4.3
2.5 10 25.5
15 17.1
20 10.3
25 5.3
3.0 10 27.9
15 18.3
20 11.3
25 6.2
또한 심층 개량 말뚝 직경 1.0m일 때, C.T.C 값 범위를 일반적으로 쓰지 않는 범위(8m)까지의 수치해석을 실시하여 치환율에 따른 최대변위 및 각변위를 확인하였다. 그림2에서 보는 것과 같이 치환율 5% 내외에서 최대 변위 및 각변위 그래프의 변곡점이 확인되었고, 이때의 C.T.C 는 약 4m로 확인되어 C.T.C는 최대 4m까지 적용가능 할 것으로 판단된다.
그림 2.
치환율에 따른 최대변위 및 각변위
Figure pat00006
이상과 같은 본 발명은, 장비주행성 확보를 위하여 원지반을 혼합처리 시공하므로 쇄석이나 모래 등의 외부재료 반입이 불필요하다, 또한 순차적으로 시공되는 표층 판상구조와 말뚝형태의 심층 개량체의 연결성을 지오그리드와 고정유닛으로 강결로 일체화시켜 하나의 구조물로 거동하며, 동시에 지오그리드의 하중분산효과 및 고정유닛에 의한 하중전이(아칭효과)을 통해 부등침하량 감소시킬 수 있다. 이때 표층 및 심층 개량체에 적용되는 안정화제에 있어서 혼화재를 혼합한 고성능 시멘트계 안정화제를 적용함으로서 치환율을 감소시킬 수 있으므로 안정성과 경제성을 높일 수 있다. 그리고 본 발명은 상부시설물 하부를 판상구조와 심층구조형태로 일체화하여 전면적으로 개량함으로써 전체적인 치환율을 낮춰 빠른 속도로 지반침하를 억제함과 아울러, 심층처리시 발생한 부상토를 표층처리시 고성능 안정화제를 혼합하여 활용함으로써 2차적인 환경오염을 유발시키지 않아 친환경적이다.
이상에서와 같이 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 1 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10 : 표층 개량부
20 : 지오그리이드
30 : 고정유닛
40 : 말뚝구조
50 : 개량토

Claims (3)

  1. 표층 판상구조와 심층 말뚝구조로 이루어진 부상형 연약지반 안정화 시스템에 있어서,
    연약지반 표층 0.25~0.5m의 지반을 시멘트계 안정화제와 혼합처리 후 장비 주행성을 우선적으로 확보하고, 말뚝형태의 심층 개량체를 C.T.C 2.0~4.0m, 직경 0.8~1.2m, 연약지반 심도의 60~80%까지 심층개량 시공후 표층 개량부에 지오그리드를 설치하고, 지오그리드를 고정유닛으로 심층 말뚝구조에 고정 후 그 상부에 심층 개량시 발생하는 부상토와 안정화제와 혼합처리한 표층토를 0.25~0.5m 두께로 다짐하여 표층구조를 완성함으로써 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 지오그리드는 인장강도 10ton/m 이상, 고정유닛 탄성계수 210 GPa 이상, 몰드에 다짐 성형한 흙-시멘트 공시체의 일축압축강도가 4000kPa 이상이며, 연약지반 치환율 범위는 8~24% 것을 특징으로 하는 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안정화제는 XRD분석결과 전체 칼슘함량에서 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량% 인 것을 특징으로 하며, 시멘트 사용량과 전체 치환율을 감소시키는 것을 특징으로 하는 고성능 연약지반 안정화제를 사용하여 형성한 판상구조와 말뚝구조를 지오그리드와 고정유닛을 사용하여 강결로 일체화한 부상형 연약지반 안정화 구축방법.
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CN110485230A (zh) * 2019-09-17 2019-11-22 招商局重庆交通科研设计院有限公司 一种高水位软土桥头路基的处治结构及施工方法
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