- 2 -

- 1 -

- 2 -

森麟등 (1987), - 3 -

~ - 4 -

) - 5 -

- 6 -

(2.1) (2.2) - 7 -

(2.3) - 8 -

- 9 -

- 1. 무수소규산소다및가성소다와의혼합물 2. 결정성규산소다 3. 일부결정성규산소다를포함한혼합물 4. 규산소다유리 5. 수화유리 6. 탈수한물유리 7. 반고체 8. 점주액 9. 규산소다용액 10. 회박용액 11. 통상불안정한액및겔 - 10 -

종류 화학명 분자식 몰비 결정성 올소규산소다 TeraSodium(Mono) Siliate 2Na 2 O SiO 2 xh 2 O 0.5 규산 세끼스규산소다 HexaSodium Disiliate 3Na 2 O 2SiO 2 xh 2 O 0.67 소다 메타규산소다 DiSodium(Mono) Siliate Na 2 O SiO 2 xh 2 O 1 규산 소다 용액 규산소다 1호 DiSodium DiSiliate Na 2 O 2SiO 2 aq 2 규산소다 2호 TeraSodiu, PentaSiliate 2Na 2 O 5SiO 2 aq 2.5 규산소다 3호 DiSodium TriSiliate Na 2 O 3SiO 2 aq 3 규산소다 4호 DiSodium, TeraSiliate Na 2 O 4SiO 2 aq 4 종류항목외관비중 (15, ) 이산화규소 (SiO 2 ) (%) 1 호 2 호 3 호 물엿형의무색내지다소착색된액체 메타규산나트륨 1 종 2 종 백색분말또는과립형 백색결정 - 54 이상 40 이상 - - 35~38 34~36 28~38 27.5~29 19~22 산화나트륨 (Na 2O)(%) 17~19 14~15 9~10 28.5~30 20~22 철 (Fe)(%) 0.03 이하 0.03 이하 0.02 이하 - - 물不溶分 (%) 0.2 이하 0.2 이하 0.2 이하 - - - 11 -

鳥田, 1977) - 12 -

규산모노마 ( 수용액 ) 규산콜로이드 (Sol) 콜로이드의접합과결합 입자의망눈형구조 (Gel) OH OH OH Na O - Si O Si O Si O - Na OH OH OH Si O O Si Si OH O Si O O O Si 규산콜로이드 OH 규산콜로이드 OH 수소결합 H 2 O 탈수중합 규산 -O- 콜로이드 규산콜로이드 시로키산결합 鳥田, 1977) - 13 -

~ - 14 -

표 2.3 칼슘알루미네이트광물의종류별반응특성및용도 광물명 CA 6 CA 2 CA 응결 시간 OCP와의반응시응결시간 응용 미응결 24시간 이상 결정질 C 12A 7 비정질 C 12A 7 C 3 A 5~8 시간수초수십초수초 미응결수시간 10~60 분 10~30 분 5~10 분 내화물의최종조성 알루미나시멘트 ( 고내화성 ) 알루미나시멘트 ( 일반, 내화성 ) 특수시멘트 지수제, 제강용 FLUX, 특수시멘트 급결제, 특수시멘트 10~30 분 급결제, 포틀랜드시멘트 제조방법소성소성소성, 용융용융용융소성 그림 2.4 에트링자이트형성 ( 수화 1 시간후 SEM 3,500 배관찰 ) - 15 -

~ (2.4) 수중 : (2.5) 공기중 : (2.6) - 16 -

(2.7) 그림 2.5 결정질 C 12 A 7 과비정질 C 12 A 7 의응결반응모식도 - 17 -

- 18 -

그림 2.6 CSA 의수화반응과정 기존의여러지반주입공법은급결성확보또는고결시간을조절하기위하여물유리를사용하고있으나, 연구대상재료는물유리대신급결용시멘트계재료를사용하여물과반응하는즉시에트링자이트 (Ettringite, 3CaOㆍAl 2O 3 ㆍ3CaSO 4 ㆍ32H 2O) 를형성하여토질간극에서흙입자들을가교상으로연결하고, 이후에칼슘실리케이트수화물이공극을충전하여고결체의강도를증가시킨다. 이러한급결성시멘트계재료는석회석, 보크사이트및석고를분쇄, 혼합하여 1,600 이상의고온에서제조된용융소성물을급랭시킨후, 분쇄및분급과정을통하여미립자로제조한무기질계재료로서주성분은일반보통포틀랜드시멘트 (OPC) 와유사한성분인 CaO, Al 2 O 3, CaSO 4 등이주성분으로구성되어있다 ( 표 2.4 참조 ). 표 2.4 OPC 와비교한급결성시멘트계재료의화학성분및물리적성능 구분 Ig.loss* Insol.** SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO SO 3 비중분말도 (m 2 /g) 급결재료 (NDS QS) 0.6 0.8 2.2 23.9 0.7 42.6 0.2 28.3 2.9 5,500 OPC 1.9 0.3 20.7 4.2 3.1 63.3 3.9 2.3 3.1 3,200 * Ig.loss : 강열감량 ** Insol : 불용잔분 (Insoluable Residue) 급결성시멘트계재료는물과혼합시시멘트광물및포졸란성분이수산화칼슘 (Ca(OH) 2) 의존재하에칼슘설퍼알루미네이트 (Calium Sulfur Aluminate) 수화물의일종인 3CaO Al 2O 3 12H 2O 를생성하며이반응은수초내에일어난다 ( 그림 2.7 참조 ). - 19 -

시멘트 + 물 (3CaO SiO 2 + 2CaO SiO 2 ) + 물 (H 2O) NDS - Gel 3CaO 2SiO 2 3H 2O + Ca(OH) 2 ( 수산화칼슘 ) + 급결성시멘트계재료 (CaO Al 2O 3 CaSO 4) Calium Sulfur Aluminate 수화물 (3CaO Al 2O 3 3CaSO 4 32H 2O + 3CaO Al 2O 3 CaSO 4 12H 2O) 그림 2.7 급결성시멘트의반응기구 - 20 -

- 21 -

(a) 착공시 (b) 주입시 그림 2.8 Roket의이동 ( 천병식, 2005) ~ ~ - 22 -

그림 2.9 주입속도의비교 ( 주입관내공면적은 8m 2 으로가정 ) 그림 2.10 펌프의토출량을일정하게했을때방출구에따른주입속도의차 ( 주입속도를화살표의길이로표시 ) - 23 -

~ 그림 2.11 이중관스트레이나공법 ( 단상방식 ) 그림 2.12 이중관스트레이나공법 ( 복상방식 ) - 24 -

그림 2.13 이중관더블파카공법 그림 2.14 NDS 공법에사용되는특수선단장치 ( 특허제 10-0493807) - 25 -

(a) 천공작업 (b) 이중관삽입후케이싱인발작업 () 주입장치의연결 (d) NDS 재료주입 (e) 상승인발주입 (f) 주입작업의완료그림 2.15 NDS공법의시공순서 - 26 -

표 3.1 SGR 배합비 A 액 (200L) B 액 (200L) 물유리 (L) 물 (L) 시멘트 (kg) 보조제 (kg) 물 (L) 급결 23 100mL 100mL 60g 완결 24 167 표 3.2 NDS 배합비 A 액 (200L) B 액 (200L) NDS ES(kg) 물 (L) NDS UF(kg) 물 (L) 순결 60 179.3 160 147.5 급결 40 186.2 120 160.7 완결 20 193.1 100 167.2-27 -

그림 3.1 일축압축시험전경 그림 3.2 응결시간시험기 그림 3.3 응결시간측정결과예 - 28 -

그림 촬영원리 그림 주사전자현미경 전경 - 29 -

λ θ λ θ sin (3.1) θ θ θ θ λ 그림 3.6 결정에대한 X 선의회절원리 - 30 -

그림 어독성시험장치 - 31 -

그림 3.8. 내구성시험장치 - 32 -

- 33 -

(a) 모형토조광경 그림 3.10 모형토조시험광경 (b) 주입시험광경 - 34 -

그림 3.11 모형토조및주입관모델링 - 35 -

표 3.3 수치해석수행시주문진표준사의물성치 재료 조건 밀도 (kgf/m 3 ) 투수계수 (m/s) 공극비 점도 (kgf/m s) 유체 크기 주문진 표준사 다공성 재질 고체 1340 1.201 10-2 0.46 300 - 표 3.4 수치해석시지반지반개량재의물성치 재료 점도 (kgf/m s) 밀도 (kgf/m 3 ) 부피 계수 유체 크기 NDS( 완결 ) 연속해석 0.0024 1500 0 - SGR( 완결 ) 연속해석 0.008 1200 0 - ~ - 36 -

(a) 시간 - 시간함수설정 (b) 경과시간에따른주입압설정 그림 3.12 주입모델링테스트시의시간함수설정 - 37 -

~3 ~ 그림 3.13 현장시험위치 - 38 -

그림 3.14 921 정거장시점부평면도 그림 3.15 921 정거장시점부보강상세도 - 39 -

그림 3.16 921 정거장종점부평면도 그림 3.17 921 정거장종점부보강상세도 - 40 -

그림 3.18 912 공구종점부평면도 그림 3.19 912 공구종점부보강상세도 - 41 -

~ ~ - 42 -

표 3.5 투수계수를중심으로한그라우트재료의적용범위 그라우트재료 지반의종류 재료명조성성분의크기 (mm) k(m/se) 토질성상 시멘트 2 10-3 ~2 10-1 (60~70μ)~ 10-1 -3 자갈, 거친모래, 균열폭 ~10 0.1mm 코로이드시멘트 2 10-3 ~2 10-1 50% < 10μ 상한이 3 10-2 이상되는것은실제적으로없음. 농도가비교적엷은경우는표면장력을내리기위한화학제를첨가함. 10-3 ~10-5 모래, 자갈, 품질이나쁜콘크리트, 균열폭 0.1mm 벤토나이트점토현탁액 2 10-4 ~2 10-2 (5~10μ) 10-3 ~10-6 모래, 모래섞인자갈 약액 2 10-4 10-4 ~10-6 매우작은균열을갖는 미세사, 다공질사암, 암석 투수계수 (m/s) 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 0 5 10 15 20 실시설계시조사결과시험시공전조사결과 25 30 그림 3.20 충적층투수계수시험결과 - 43 -

세립분함유율 (%) 0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 실시설계시조사결과시험시공전조사결과 25 30 35 그림 3.21 대상지반충적층의세립분함유율 ~ 그림 3.22 토질조건과주입형태의관계 - 44 -

N 1 = D 15 / G 85 15 (3.2) N 2 = D 10 / G 95 8 (3.3) 그림 3.23 현탁형주입재의입도분포 - 45 -

표 3.6 현탁형주입재의 G 85, G 95 의값 (μm) 종류 G 85 G 95 보통시멘트 46 70 조강시멘트 25 34 플라이애쉬 47 52 콜로이달시멘트 15 25 초미립자시멘트 5.2 8 벤토나이트 1.5 7 표 3.7 침투가능한토립자의입경 (mm) 종류 D 10 D 15 보통시멘트 0.56 0.69 콜로이달시멘트 0.20 0.23 초미립자시멘트 0.064 0.078-46 -

그림 3.24 고분말시멘트 (FC6000, FC8000) 의입도분포 표 3.8 FC6000과 FC8000의 G 85, G 95 및침투가능한토립자의입경 (mm) 종류 G 85 G 95 D 10 D 15 FC6000 0.025 0.040 0.320이상 0.375이상 FC8000 0.011 0.021 0.168이상 0.165이상 - 47 -

표 3.9 FC6000 또는 FC8000 을이용할경우대상지반의그라우터빌리티비 위치 심도 (m) 지반 FC6000 FC8000 초미립자시멘트 지층 D 15 D 10 N 1 N 2 N 1 N 2 N 1 N 2 BH-24 6.0 모래 0.065 0.06 2.6 1.5 5.9 2.9 12.5 7.5 BH-24 12.0 모래 0.07 0.02 2.8 0.5 6.4 1.0 13.5 2.5 BH-25 7.5 모래 0.08 0.05 3.2 1.3 7.3 2.4 15.4 6.3 BH-25 13.5 모래 0.09 0.06 3.6 1.5 8.2 2.9 17.3 7.5 BH-28 4.5 모래 0.045 0.035 1.8 0.9 4.1 1.7 8.7 4.4 BH-28 9.0 모래 0.08 0.06 3.2 1.5 7.3 2.9 15.4 7.5 BH-29 3.0 모래 0.05 0.04 2.0 1.0 4.5 1.9 9.6 5.0 BH-30 3.0 모래 0.055 0.045 2.2 1.1 5.0 2.1 10.6 5.6 BH-30 12.0 모래 0.008 0.005 0.3 0.1 0.7 0.2 1.5 0.6 BH-31 4.5 모래 0.04 0.03 1.6 0.8 3.6 1.4 7.7 3.8 920 정거장내채취시료 ( 기술연구소 ) 921 정거장내채취시료 ( 현장시험실 ) 모래 0.31 0.28 12.4 7.0 28.2 13.3 59.6 35.0 모래 0.19 0.17 7.6 4.3 17.3 8.1 36.5 21.3 모래 0.19 0.17 7.6 4.3 17.3 8.1 36.5 21.3 모래 0.045 0.02 1.8 0.5 4.1 1.0 8.7 2.5 모래 0.08 0.03 3.2 0.8 7.3 1.4 15.4 3.8-48 -

log γ Q = Vnα = Vλ - 49 -

α λ λ λ (3.7) - 50 -

토질 종류 N 치 투수계수 (m/se) 공극율 (%) 충전율 (%) 주입률 (%) 주입재주입목적별주입목적별종별강화지수강화지수 느슨 4~10 10 1 45~50 현탁액계 95 100 43~48 45~50 용액계 - 100-45~50 자갈 모래 중간 10~30 10 0 35~40 조밀 30~50 10-1 30~35 현탁액계 95 - 용액계 90 100 현탁액계 90 - 용액계 90 95 33.3~ 30.8 31.5~ 36.0 27.0~ 31.5 27.0~ 31.5-35~40-28.5~ 33.3 사질토 느슨 4~10 10-2 45~50 90~95 40.5~47.5 중간 10~30 10-2 ~10-3 40~45 현탁 용액계 90~92 36.0~41.4 조밀 30~50 10-3 ~10-4 35~40 80~85 28.0~34.0 점성토 느슨 0~4 10-4 ~10-5 60~75 중간 4~8 10-4 ~10-5 50~60 현탁액계 40-24~30 - 용액계 45-27~34 - 현탁액계 30-15~18 - 용액계 30-15~18 - 부식토 0~5 10-2 ~10-3 70~90 현탁액계 60 42~54 용액계 - 100-70~90-51 -

3.11.3 시험시공계획 표 3.12 NDS 지반주입전시험항목 구분시추조사현장시험실내시험 시험항목토질주상도작성, 표준관입시험, 수위측정현장투수시험, 유향유속시험단위중량, 비중, 공극비, 입도 실내시험은코아회수결과에따라수행여부결정 표 3.13 NDS 지반주입후시험항목 구분시추조사현장시험실내시험 시험항목 표준관입시험, 회수코아착색시험 현장투수시험, 공내재하시험 단위중량, 비중, 공극비, 일축압축강도또는관입시험 ( 터널구간의고결체강도확인 ) 실내시험은코아회수결과에따라수행여부결정 - 52 -

표 3.14 항목별시험수량 조사항목표준관입시험, 샘플링현장투수시험유향유속시험실내시험 시험수량 2m간격 2m간격모래층, 자갈층각 1회지층별 2개소 - 53 -

4 공주입시험시공 Type C( 급결 : 완결 =5:5) 4 공주입시험시공 Type A( 완결 ) 시추조사 (C) 현장투수시험유향유속시험공내재하시험 시추조사 (A1) 현장투수시험유향유속시험공내재하시험 1 공주입예비시험 Type C( 급결 : 완결 =5:5) 시추조사 (A) 1 공주입예비시험 Type A( 완결 ) 주입방법구분시험위치공번 1단계 2단계 Type A 921정거장 105 물완결재로만주입 Type C 시점부 97 주입급결재 : 완결재비율 5:5 복합주입 - 54 -

구분 시험위치 확인시험시추공번 주입방법 Type A 921 정거장시점부 A1 완결재로만주입 Type B 921 정거장종점부 B1 Type C 921 정거장시점부 C 실시공 912 공구종점부 B 급결재 : 완결재비율 2:8 복합주입 급결재 : 완결재비율 5:5 복합주입 급결재 : 완결재비율 5:5 복합주입 ( 주입속도 : 20l/min 로고정 ) - 55 -

- 56 -

그림 4.1 주입재료별재령과일축압축강도의관계 - 57 -

그림 4.2 경과시간에따른바늘의관입도 - 58 -

- 59 -

(a) NDS 순결재령 3 일 (b) NDS 순결재령 28 일 () NDS 급결재령 3 일 (d) NDS 급결재령 28 일 (e) NDS 완결재령 3 일 (f) NDS 완결재령 28 일 그림 4.3 NDS 의타입에따른재령별 SEM 촬영결과 - 60 -

(a) SGR 급결재령 3 일 (b) SGR 급결재령 28 일 () SGR 완결재령 3 일 (d) SGR 완결재령 28 일 그림 4.4 SGR 의타입에따른재령별 SEM 촬영결과 - 61 -

XRD분석은전압 40kV, 전류 100mA, Sanning speed 5.00 /min, step 0.05, 2 θ 5 60 의조건으로실시하였다. 먼저 NDS와 SGR의공통된성질을보면재령이증가할수록 C-S-H라고약칭되는칼슘실리케이트수화물이증가하는것을관찰할수있었다 ( 그림 4.5~4.9 참조 ). C-S-H는경화체에있어서가장큰용적을차지하는것으로강도를결정짓는중요한요소이고, 경화체의성질을결정짓는가장중요한부분이다. C-S-H의내부결정구조는아직해명되지않았지만그물질의성질을설명하기위하여몇가지모델이제안되었다. 파워스 (Powers-Brumauer) 의모델에의하면이물질은대단히큰표면적을가진층상구조로되어있다고하였다. 또한, 펠드만 (Feldman-Sereda) 의모델은 C-S-H를다른형태와크기 (5Å~25Å) 의층간공극을가진것처럼불규칙하고굴절된임의의층으로이루어진구조로설명하였다 (Ann, K.Y., et., 2006). 그리고 NDS 순결재료의경우, 3일와 14일의경우 NDS 급결과완결보다 C-S-H(2 θ deg. = 29 ) 의 intensity가높게나오는것을확인할수있었는데, 이는 NDS 순결이초기에더빨리강도가발현된다는것을의미하며, 일축압축시험결과와도부합됨을알수있었다. 그리고 28일의 NDS 완결이 NDS 순결과급결보다 C-S-H의정점값이더크게나타나는것으로보아, NDS 완결재료가더큰강도가발현됨을알수있었고, 실제일축압축시험결과와도같다. SGR 지반개량재의경우도재령 3일과 14일의경우, 초기강도가크게발현되는 SGR급결이 SGR완결보다 C-S-H의 intensity가더높게나왔다. 또한, 재령 28일의경우 SGR급결과완결이거의동일한 C-S-H intensity를보였는데, 이또한일축압축시험결과와도유사한것으로나타났다. 각각의 XRD 분석에서재령초기에서에트링자이트정점값 (2 θ deg. = 9 ) 가나타났다가점차소멸되어지는경향이나타났는데, 이는강도발현이에트링자이트보다훨씬작은모노설페이트 (2 θ deg. = 10 ) 가생성되기때문으로사료된다. 그리고재령이증가할수록에트링자이트도더욱안정한 C-S-H로전이되고있음을확인할수있었다. M. D. Cohen(1983) 에의하면미세한결정의에트링자이트의생성에는수산화칼슘의용출량이매우중요한역할을하는데, 본 XRD 분석에서는재료의팽창을주도하는미세한결정의에트링자이트정점값이성장시수산화칼슘의정점값이강하게나타나에트링자이트의생성을촉진키는것을확인할수있었다. - 62 -

그림 4.5 재령별 XRD 분석에의한강도와회절각의관계 ( 그림 4.6 재령별 XRD 분석에의한강도와회절각의관계 ( - 63 -

그림 4.7 재령별 XRD 분석에의한강도와회절각의관계 ( 그림 4.8 재령별 XRD 분석에의한강도와회절각의관계 ( - 64 -

그림 4.9 재령별 XRD 분석에의한강도와회절각의관계 ( - 65 -

본시험에서는 SGR 재료와 NDS 재료를대상으로 ph상승에의한어독성을측정함으로써환경영향성을평가하였다. 시간경과에따른 ph 시험결과는그림 4.10~4.14와같이 SGR 재료의경우시험시작초기에급격하게 ph가증가하여최대점에이르고, 이후시간이지남에따라 ph가일정하게수렴하는경향을나타내었다. 고결시간에따른변화를보면, 고결시간이짧은급결형 (short type) 의경우가완결형 (middle type) 보다 ph 증가율이약 1.7배크게나타나는경향을보였는데, 이는물유리계약액인 SGR 재료가고결시간이짧은경우에알칼리성분의용출이다소빠르게진행된결과로판단되었다. SGR 재료의경우급결형은 ph 10.99, 완결형은 ph 10.33까지증가하였고 NDS 재료의경우는급결형및완결형모두 ph 8을전후로소폭변화하였다. 시간경과에따른공시어수변화측정결과는그림 4.15~4.19와같이, SGR 재료의경우급결형은 50%, 완결형은 70% 의생존율을보였으나 NDS 재료는순결, 급결형및완결형모두초기공시어숫자인 20마리를유지하여알칼리용출에의한오염도가적은것으로판단되어친환경적임을알수있었다. 그림 4.10 어독성시험중 ph 변화측정결과 (NDS 순결 ) - 66 -

그림 4.11 어독성시험중 ph 변화측정결과 (NDS 급결 ) 그림 4.12 어독성시험중 ph 변화측정결과 (NDS 완결 ) - 67 -

그림 4.13 어독성시험중 ph 변화측정결과 (SGR 급결 ) 그림 4.14 어독성시험중 ph 변화측정결과 (SGR 완결 ) - 68 -

그림 4.15 어독성시험중공시어변화측정결과 (NDS 순결 ) 그림 4.16 어독성시험중공시어변화측정결과 (NDS 급결 ) - 69 -

그림 4.17 어독성시험중공시어변화측정결과 (NDS 완결 ) 그림 4.18 어독성시험중공시어변화측정결과 (SGR 급결 ) - 70 -

그림 4.19 어독성시험중공시어변화측정결과 (SGR 완결 ) - 71 -

표 4.2 내화학성시험결과 ( 일축압축강도측정 ) - 72 -

SGR과 NDS 지반개량재의투수특성을규명하기위하여삼축투수시험을실시하여표 4.3, 표 4.4로투수계수를산정하였으며그결과는표 4.5와같다. 삼축투수시험결과, SGR과 NDS 모두순결, 급결에비해완결재료가재령 28일의투수계수가작게측정되었고, 이는일축압축시험과도같은경향으로나타났다. 측정된 NDS 지반개량재의투수계수는 SGR재료투수계수의약 10~24% 정도로측정되었으며, 건설현장에서효과적인침투주입이가능하다면뛰어난차수효과를기대할수있을것으로사료된다. 표 4.3 SGR 시료 SGR 급결 완결 시료번호 1 2 3 1 2 3 q(m 3 ) 0.61 0.51 0.56 0.95 0.85 0.89 A(m 2 ) 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 i 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 t(se) 18000 18000 18000 18000 18000 18000 k(10-6 m/se) 3.78 3.21 3.52 5.96 5.37 5.59 표 4.4 NDS 시료 NDS 순결 급결 완결 시료번호 1 2 3 1 2 3 1 2 3 q(m 3 ) 0.10 0.11 0.10 0.10 0.10 0.11 0.13 0.15 0.13 A(m 2 ) 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 9.86 i 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 t(se) 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 k(10-7 m/se) 5.98 5.72 5.48 6.21 6.32 7.10 8.13 9.12 8.42 표 4.5 삼축투수시험결과 재료고결시간투수계수 (m/se) NDS SGR 순결 5.723 10-7 급결 6.543 10-7 완결 8.557 10-7 급결 3.503 10-6 완결 5.640 10-6 - 73 -

이상으로다단분급기에의해생산된 NDS 지반개량재의지반개량효과를규명하기위 하여재령별일축압축시험, 응결시간시험, SEM촬영, XRD분석을실시하여각각의결과를도출하였고, 그결과를정리하면그림 4.20, 4.21와같이나타낼수있다. NDS 지반개량재의경우재령 3일에는재료의강도에영향을미치는에트링자이트의빈도가재령 28일에비해적음을 SEM촬영결과에도나타나듯확인할수있으며, 이는 XRD분석결과에도 X선의강도로확인할수있었다. 공시체제작후고결시간을측정하는응결시간시험의경우는재료의재령별일축압축시험결과와상관성이적음을알수있었고, 이는단순히고결시간에만국한된시험일뿐강도규명에는쓰여질수없는것으로보여진다. 일축압축시험, SEM촬영, XRD분석결과를바탕으로재료의지반개량효과를분석하여보면, 재령별 SEM촬영결과에서재령경과에따라시멘트겔이시멘트입자사이의공극을채우고결정화되면서입자가성장하며연결되는것을관찰할수있었으며이와관련하여 XRD분석결과, 강도발현에큰역할을하는에트링자이트의형성밀도가커지는것을확인할수있었다. 또한, 삼축투수시험을통하여재령 28일의각재료별투수계수를측정한결과 SGR재료는 10-6 m/se, NDS는 10-7 m/se로나타나상당한차수효과가발휘되어차수그라우팅공사시효과적일것으로사료된다. 즉, 본연구를통하여 NDS재료및 SGR재료내의시멘트화합물성분이물과빠르게반응함과동시에그입자표면은겔상수화물에의해덮여지고그후의수화반응은이겔상막을통하여물이내부로확산하고막의내측에수화물층 ( 내부수화물 ) 을만들게되며, 이와같이발달한시멘트겔은시멘트입자사이의공극을점차채우고결정화하면서서로연결되어강도가증대되는 L. Mihaelis(1907) 에의해주장되어진입자성장론과관련된지반개량효과를확인할수있었다. - 74 -

그림 4.20 재령별지반개량효과분석 그림 4.21 겔상수화물입자의성장에의한지반개량 - 75 -

NDS 및 SGR 지반개량재의주입성능을평가하기위하여모형토조에사질토지반을형성하여주입시험을실시한결과를육안으로확인할결과는그림 4.22와같다. 주입압을 50kPa, 100kPa, 150kPa로하여주입된지반의고결체를모형토조분리후수거하여고결체의직경을측정한결과는그림 4.22와같이주입압을높일수록형성된구근의직경이커짐을확인할수있었다. 그림 4.22 주입압과주입범위의관계 NDS 지반개량재의각주입압별구근의형태를살펴보면, 그림 4.23의주입압 50kPa의경우는낮은주입압으로인하여주입재료가주입관으로부터거리에따라균등하게침투되지못하고일부구간에집중적으로주입되는형태를보였다. 이는주입압이낮을경우투수계수가높은쪽으로주입재료가유입되기에주입압이모자라므로모형토조내에형성된지반내에서주입재의거동이주로투수계수가높은쪽에치우치기때문인것으로사료된다. - 76 -

그림 4.23 NDS 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 50 kpa) - 77 -

주입압이 100kPa인경우는 NDS 지반개량재의구근확인결과는그림 4.24와같이주입압이 50kPa의경우보다비교적균등한주입이이루어진것으로나타났다. 고결체의형태를살펴보면약 17~18m 정도의일정한반경으로침투주입이효과적으로이루어진긴원기둥형태로구근이형성되어졌다. 그림 4.24 NDS 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 100 kpa) 주입압이 150kPa인경우 NDS 지반개량재의구근은그림 4.25과같이주입압이 50kPa 및 100kPa의경우보다구근의형태가좀더커졌으나, 주입압이 100kPa인구근에비하여구근표면의강도가조금떨어졌다. 구근채취를위하여토조를분리후주입이약하게이루어진모래를털어내는작업시표면이쉽게부스러지는정도의강도를나타내었다. 따라서사질토지반에저압주입으로침투주입효과를내기위해서는주입압을 100kPa과 150kPa 사이에서전문적인장비로 p-q-t 곡선을얻은뒤실시하는것이바람직할것으로사료되었다. - 78 -

그림 4.25 NDS 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 150 kpa) SGR, 4.26 50kPa, NDS 50kPa. NDS,. NDS. - 79 -

그림 4.26 SGR 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 50 kpa) 주입압이 100kPa인경우의 SGR재료구근확인결과는그림 4.27과같이주입압이 50kPa의경우보다주입범위가넓게나타났다. NDS 지반개량재의 100kPa 주입시험결과와비교하면, 구근의형태가균등한침투주입형태는보이지않았으나, 구근의표면강도는강한것으로예측되었다. 즉, 주입재의밀도가상대적으로크게형성되었으며, 재료의입자크기가 NDS재료에비해커서침투주입범위가상대적으로작게형성되었으며, 주입관인발과동시에주입시침투주입범위가좁아구근의형태가불균등하게이루어진것으로보여진다. - 80 -

그림 4.27 SGR 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 100 kpa) 주입압이 150kPa인경우 SGR 지반개량재의구근은그림 4.28과같이주입압이 50kPa 및 100kPa의경우보다구근의형태가좀더크게나타났다. 주입압 150kPa의경우역시, 구근의길이가 NDS재료에비해짧게나타난것으로보아주입관이인발되면서침투주입되는효과가 NDS재료에비해낮게나타난것으로보여진다. 따라서, 사질토지반에저압주입으로 SGR주입재를주입시주입관인발과함께침투주입효과를내기위해서는인발속도를늦추면서각지반별로침투주입이효과적으로될수있는 p-q-t 값을얻은뒤에실시하는것이바람직할것으로사료되었다. - 81 -

그림 4.28 SGR 지반개량재의구근확인 ( 주입압 : 150 kpa) - 82 -

~ ~ 그림 4.29 수치해석에의한주입압과주입범위의관계 - 83 -

(a) 주입압 : 50kPa(Time Step 4.525) (b) 주입압 : 100kPa(Time Step 4.550) () 주입압 : 150kPa(Time Step 4.775) - 84 -

(a) 주입압 : 50kPa(Time Step 4.275) (b) 주입압 : 100kPa(Time Step 4.525) () 주입압 : 150kPa(Time Step 4.050) - 85 -

,., 1.2,, ( 4.32 ). - 86 -

현장시험대상지반지층의분석결과, 표 4.6과같이상부모래충적층과 하부의모래질자갈충적층이약 GL-14m를전후로구분되어있었으며, 두 층의경계에는약 10m 두께의실트질점토로추정되는세립토층이전체적 으로분포하고있었다. 지하수위는표 4.7와같이공구종점부인 B시추공을 제외하면상부충적층과하부충적층의경계부에존재하고있다. 표 4.6 지층두께 (m) 지층 공번 A A1 B B1 C 매립층 1.3 1.9 1.2 2.4 2.8 모래층 12.1 11.6 12.1 11.6 11.2 자갈모래층 10.6 10.9 10.2 9.4 11.0 풍화암층 0.9 0.7 2.5 6.9 0.5 연암층 - - - - - 표 4.7 지하수위 (m) A A1 B B1 C 13.4 13.4 16.4 14.3 14.1 현장시험대상지반의표준관입시험결과는그림 4.33~4.35 및표 4.8 과 같이, 주대상지층인모래층은 4/30~33/30, 모래질자갈층은 17/30~50/5 로나타났다. - 87 -

지층 지층 지층 지층 지층 0 매립층 0 매립층 0 매립층 0 매립층 0 매립층 5 5 5 5 5 모래층 모래층 모래층 모래층 모래층 10 10 10 10 10 15 1 4 15 1 6 1 4 15 15 1 3 1 3 15 20 사력층 20 사력층 20 사력층 20 사력층 20 사력층 25 풍화암 연암 25 풍화암 연암 25 풍화암 연암 25 풍화암 25 풍화암 연암 30 30 30 30 30 A A1 B B1 C 그림 4.33 심도별지층분포및지하수위 - 88 -

N N N N N 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 0 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 15 15 15 15 15 20 20 20 20 20 25 25 25 25 25 30 30 30 30 30 A A1 B B1 C 그림 4.34 심도에따른 N 치 - 89 -

투수계수, 유속 (m/s) 투수계수, 유속 (m/s) 투수계수, 유속 (m/s) 투수계수, 유속 (m/s) 투수계수, 유속 (m/s) 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 15 15 15 15 15 20 20 20 20 20 25 25 25 25 25 투수계수 투수계수 투수계수 투수계수 투수계수 30 유속 30 유속 30 유속 30 유속 30 유속 A A1 B B1 C 그림 4.35 심도에따른현장투수계수및유속 - 90 -

표 4.8 지층에따른 N 치 지층 A A1 B B1 C 모래 7/30~19/30 6/30~12/30 6/30~20/30 4/30~33/30 6/30~11/30 모래자갈 50/30~50/8 17/30~50/20 33/30~50/5 50/30~50/5 38/30~50/5 현장시험대상지반의투수계수는표 4.9과같이 5 10-4 ~2 10-3 m/se 이고, 입도분석결과세립분함유율은 10~20% 정도이다. 따라서, 보통포틀랜드시멘트를이용한현탁형약액은주입이불가능하다. 표 4.9 각공별현장투수계수 (m/se) 공번 모래층 모래자갈층 A 2.702 10-4 ~ 8.963 10-4 2.314 10-4 ~ 7.304 10-4 A1 2.789 10-4 ~ 7.808 10-4 5.868 10-4 ~ 9.951 10-4 B 4.320 10-4 ~ 6.266 10-4 5.220 10-4 ~ 1.213 10-3 B1 9.588 10-4 ~ 2.575 10-3 1.281 10-3 ~ 1.688 10-3 C 4.422 10-4 ~ 7.876 10-4 6.636 10-4 ~ 8.209 10-4 평균 8.030 10-4 8.647 10-4 본연구의목적은다단분급기으로생산된분말도 6000이상의고분말시멘트인 NDS 지반개량재의침투주입성능을확인하는것이므로당현장과같은낮은투수성을가진지반에적용을하게되면주입재의성능평가를효율적으로확인할수있을것으로판단하였다. 일반적으로현장시험대상지반의투수계수와입도및주입재의입도를종합하여그라우터빌리티를분석해보면분말도 6000이상의고분말시멘트를사용할때침투와할렬을복합적으로적용해야하는것으로나타나므로, 많은현장에적용 - 91 -

하여 p-q-t 챠트등의데이터를확보하는것이중요할것으로보여진다. 4.10.2 예비시험 다단분급기에의해생산된 NDS 지반개량재의현장적용시험은제한된시험에의한결과이나, 물주입을통한예비시험을우선적으로실시하였다. 시험결과는그림 4.36, 4.37 및표 4.10과같이, 주입속도가 10l/min 이상이되면, 지반의할렬이발생하기시작하며, 이때할렬압력은해당심도에서의수직응력과유사한것으로나타났다. 그러나, 주입재를이용한 1공주입예비시험에서는 6l/min의작은주입속도에서도할렬압력이상으로큰압력이측정되었으며, 할렬거동양상을보이는압력변화형태가계측되었다. 따라서, 대상지반의투수계수가상당히작은점을고려하여주입속도를 6l/min 이하로낮추어실시를하는것이효과적인것으로판단되었다. 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 Q(l/min) P(kg/ m2 ) 2.0 0.0 0 5 10 15 20 25 t(min) (a) G.L-16.0m 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 Q(l/min) P(kg/ m2 ) 2.0 0.0 0 5 10 15 20 25 t(min) (b) G.L-22.0m - 92 -

12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0 5 10 15 20 25 t(min) () G.L-23.5m 그림 4.36 시간에따른 p, q의변화 ( 예비시험 ) Q(l/min) P(kg/ m2 ) 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 23.5m 22.0m 16.0m 1.0 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Q(l) 그림 4.37 주입압 (P) 에따른주입량 (Q) 의변화 ( 예비시험 ) - 93 -

표 4.10 할렬압력및한계주입속도 심도 (m) 수직응력 (kgf/m 2 ) 공극수압 (kgf/m 2 ) 할렬압력 (kgf/m 2 ) 한계주입속도 (l/min) 16.0 2.92 0.26 2.9 9.7 22.0 4.12 0.86 3.2 9.5 23.5 4.42 1.01 5.3 10.0 4.10.3 지반주입후지반조사지반주입후지반조사실시결과는그림 4.38~4.41와같다. 토질성상에따른주입속도압력의변화를살펴보면, 주입압을높일수록대체적으로주입속도가커지는경향을보여침투주입이효과적으로실시되었음을예측할수있었다. 침투주입효과에대한검증은지반주입전 후의표준관입시험, 공내재하시험, 투수시험으로실시하였다. 토질성상에따라주입속도에대한압력의변화는다양하게나타났고, 주입속도와압력간의관계에서는뚜렷한경향을찾기힘들었다. 또한, 압력의변화는심도 ( 지층 ) 에따라유사한경향을나타내었으며, 차수효과는주입속도가클수록다소증가하는경향을보였으나, 그경향을일반화하기는힘들것으로판단되었다. - 94 -

0 지층 매립층 0 주입속도 (l/min) 압력 (kg/m^2) 0 5 10 15 20 25 30 N 0 10 20 30 40 50 0 투수계수, 유속 (m/s) 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 0 5 5 5 5 모래층 10 10 10 10 13.4m 15 15 15 15 20 사력층 20 20 20 25 30 풍화암 연암 25 30 주입속도 No. 153-1 No. 153-2 No. 144 No. 155 평균압력 25 30 시공전 시공후 25 30 투수계수 ( 시공전 ) 유속 ( 시공전 ) 투수계수 ( 시공후 ) 유속 ( 시공후 ) (a) 주상도 (b) 주입속도및주입압력 () N 치 (d) 투수계수및유속 그림 4.38 Type A ( 급결 : 완결 =0:1 / 시추공 A1) 확인시험결과 - 95 -

0 지층 매립층 0 주입속도 (l/min) 압력 (kg/m^2) 0 5 10 15 20 25 30 N 0 10 20 30 40 50 0 투수계수, 유속 (m/s) 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 0 5 5 5 5 모래층 10 10 10 10 15 14.3m 15 15 15 사력층 20 20 20 20 25 풍화암 25 주입속도 No. 72 No. 73 No. 50 25 시공전 25 투수계수 ( 시공전 ) 유속 ( 시공전 ) 30 30 No. 51 평균압력 30 시공후 30 투수계수 ( 시공후 ) 유속 ( 시공후 ) (a) 주상도 (b) 주입속도및주입압력 () N 치 (d) 투수계수및유속 그림 4.39 Type B ( 급결 : 완결 =2:8 / 시추공 B1) 확인시험결과 - 96 -

0 지층 매립층 0 주입속도 (l/min) 압력 (kg/m^2) 0 5 10 15 20 25 30 N 0 10 20 30 40 50 0 투수계수, 유속 (m/s) 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 0 5 5 5 5 모래층 10 10 10 10 15 14.1m 15 15 심도 (m) 15 20 사력층 20 20 20 25 풍화암 연암 25 주입속도 No. 39 No. 40 No. 22 25 시공전 25 투수계수 ( 시공전 ) 유속 ( 시공전 ) 30 30 No. 23 평균압력 30 시공후 30 투수계수 ( 시공후 ) 유속 ( 시공후 ) (a) 주상도 (b) 주입속도및주입압력 () N 치 (d) 투수계수및유속 그림 4.40 Type C ( 급결 : 완결 =5:5 / 시추공 C) 확인시험결과 - 97 -

0 지층 매립층 0 주입속도 (l/min) 압력 (kg/m^2) 0 5 10 15 20 25 30 N 0 10 20 30 40 50 0 투수계수, 유속 (m/s) 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 0 5 5 5 5 모래층 10 10 주입속도 10 10 No. 13 15 16.4m 15 No. 14 No. 35 15 15 사력층 No. 36 20 20 평균압력 ( 시공초반 ) No. 54 20 20 25 30 풍화암 연암 25 30 No. 55 No. 56 No. 57 평균압력 ( 시공후반 ) 25 30 시공전 시공후 25 30 투수계수 ( 시공전 ) 유속 ( 시공전 ) 투수계수 ( 시공후 ) 유속 ( 시공후 ) (a) 주상도 (b) 주입속도및주입압력 () N 치 (d) 투수계수및유속 그림 4.41 실시공 ( 급결 : 완결 =5:5 / 시추공 B) 확인시험결과 - 98 -

3가지 type의시험시공효과에대한확인결과는표 4.11~4.15와같이모래층보다는모래자갈층에대한지반개량효과가더좋은것으로나타났다. 또한, 주입재의비율에따라서는서로상이한결과를보여주었는데, 완결재만주입한 Type A의경우에는차수에대한개량효과가거의없었으나, 급결재와같이복합주입한경우에는어느정도차수개량효과를얻을수있었으며, 급결재의비율이높을수록개량효과가좋은것으로나타났다. 완결재만주입한 Type A에대한확인시험결과투수계수가 3 10-4 ~7 10-4 m/se 범위로그라우팅전과비교해차수효과가거의증가되지않았으나, 급결재와완결재의비율을 5:5로주입한경우에는투수계수가대부분 2 10-5 ~4 10-5 m/se 의범위로설계기준인 10-5 m/se에일부구간에서는다소미치지못하나, 비교적큰개량효과를얻을수있었다. 표 4.11 각공별지하수위 (m) A1 B B1 C 13.9 16.4 14.3 14.2 표 4.12 각공별지층의 N치 지층 A1 B B1 C 모래 5/30~11/30 9/30~11/30 10/30~34/30 6/30~14/30 모래자갈 23/30~50/15 50/24~50/6 50/30~50/8 43/30~50/6-99 -

표 4.13 각공별현장투수계수 (m/se) 공번 모래층 모래자갈층 A1 2.889 10-4 ~ 3.399 10-4 2.796 10-4 ~ 7.398 10-4 B 2.981 10-5 ~ 1.225 10-4 2.361 10-5 ~ 4.423 10-5 B1 2.008 10-4 ~ 4.085 10-4 7.701 10-5 ~ 5.090 10-4 C 8.797 10-5 ~ 4.626 10-4 3.802 10-5 ~ 9.854 10-5 평균 2.150 10-4 2.329 10-4 표 4.14 각공별착색시험에의한반응심도 구분 A1 B B1 C 반응심도 12m 이하 8m 이하 14m 이하 14m 이하 표 4.15 심도별변형계수및탄성계수 시험공구분모래층모래자갈층 심도 (m) 9.5 18.5 21.5 A1 변형계수 (kgf/m 2 ) 314 92 152 탄성계수 (kgf/m 2 ) 337 119 160 심도 (m) 9.5 18.5 21.5 B 변형계수 (kgf/m 2 ) 30 120 131 탄성계수 (kgf/m 2 ) - - 162 심도 (m) 9.5 18.5 21.5 B1 변형계수 (kgf/m 2 ) 84 303 134 탄성계수 (kgf/m 2 ) 116 373 166 C 심도 (m) 9.5 18.5 22.0 변형계수 (kgf/m 2 ) 118 210 222 탄성계수 (kgf/m 2 ) - 263 280-100 -

4.10.4 지반주입전 후지반조사결과비교 (1) 표준관입시험 표준관입시험결과를분석하여보면그림 4.42, 4.43과같이나타낼수있으며, 전체적으로 N치가평균 20~30% 정도증가하였으며, 급결재의비율이높을수록지반주입전후의 N치비가증가하였다. Type과심도에따라서는상이한경향을나타내었는데, Type A와 Type C는상부충적층의 N치증가가하부충적층보다상대적으로두드러졌으며, Type B와실시공의경우에는반대의경향을보여주었다. 일반적으로강도증가는주입률에비례한다고할수있는데, 그림 4.44에나타낸주입률과효과를비교한도표에서볼수있듯이 N치가 10인모래지반에서 25~35% 의주입률을적용하였을경우 N치가 2배정도증가하는것과비교하여개량효과가양호한것을알수있었다. - 101 -

0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 Ty pe-a Ty pe-b Ty pe-c 실시공 (a) 지반주입전 후의 N 치비 (%) 그림 4.42 지반주입전후의 N 치비교 ( 뒷페이지계속 ) - 102 -

160 140 120 100 80 60 40 20 0 Ty pe-a Ty pe-b Ty pe-c Ty pe 실시공 160 140 120 100 80 60 40 20 0 모래층 지층종류 모래자갈층 (b) Type 별 N 치비 () 지층별 N 치비 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Ty pe A Ty pe B Ty pe C 실시공 (d) Type 과지층별 N 치비 그림 4.43 지반주입전후의 N 치비교 모래층모래자갈층 그림 4.44 주입률과효과의관계 ( 사질토에서 N 치의변화 ) - 103 -

(2) 현장투수시험 지반주입전후의투수계수를비교한결과는그림 4.45, 4.46와같으며, 완전한침투주입을목표로하여완결재만을주입한 Type A의경우투수계수가지반주입전에비해평균 30% 정도로감소하였고, 할렬과침투가혼재하도록완결재와급결재의비율을 5:5로주입한 Type C의경우에는평균 90% 정도로감소된것으로나타났다. 시험시공결과 4공의지반주입공의중심부에서투수계수를측정한결과는, 할렬주입으로인한지반개량재의주변이탈에의해주변으로이탈하여투수계수가작게나온것으로판단되며, 향후현장적용시예비시험에서얻은 p-q-t의관계를면밀히분석하여침투주입효과를극대화하는방안을마련하는것이바람직할것으로사료된다. Type C와동일한주입재의비율과 20l/min의주입속도를적용한경우, 지반주입전에비해투수계수가 90% 수준으로감소하였으며, 그값은평균 3.3 10-5 m/se로비교적만족할만한차수효과가나타났다. - 104 -

그라우팅후투수계수 (m/s) 그라우팅전후의투수계수비 (%) 1.E-06 0 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 0 0 20 40 60 80 100 5 5 10 10 15 15 20 20 25 Ty pe-a Ty pe-b Ty pe-c 30 실시공 (a) 지반주입후투수계수 25 Ty pe-a Ty pe-b Ty pe-c 30 실시공 (b) 지반주입전후의투수계수비 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Ty pe-a Ty pe-b Ty pe-c 실시공 Type 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 모래층 지층 모래자갈층 시험시공실시공 () Type 별투수계수비 (d) 지층별투수계수비 그림 4.45 지반주입전후의투수계수비교 ( 뒷페이지계속 ) - 105 -

100 80 60 40 전체 Ty pe-b,c 20 0 6L/min 10L/min 20L/min 주입속도 (e) 주입속도별투수계수비 그림 4.46 지반주입전후의투수계수비교 - 106 -

본연구에서는기존의미립자시멘트생산방식에비해발전된다단분급기로제조된친환경적인급결성시멘트계지반개량재료에대하여차수성및지반개량효과를검증하기위하여삼축투수시험, 일축압축시험, SEM촬영, XRD분석, 내구성시험등을실시하여지반개량효과를분석하고, 실내주입시험, 현장시험등을실시하여현장적용성등주입성능을검토하였으며, 그결과를요약, 정리하면다음과같다. - 107 -

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