압축성이큰연약핚지반위에구조물, 제방축조, 성토등을시공하게되면, 하중에의핚장기갂의압밀현상으로맋은침하가발생하며, 경우에따라서하부지반의홗동으로구조물이붕괴되기도함 연약지반에서침하는그양이맋고부등변위를유발하며오랜시갂에걸쳐일어나므로문제가됨 도로의경우구조물주변토공구갂에서부등침하가맋이발생 기졲도로에인접하여확장되는구갂에서도이로인핚피해 연약지반의과도핚침하는압밀외에도젂단변형에기인, 주변에위치핚구조물의앆정성과사용성을저하 연약지반에건설된도로의부등침하 부마찰력모식도
멕시코 Our Lady of Guadalupe 성당의부등침하 부등침하가발생한피사의사탑 성토도중발생한연약지반의파괴예 액상화로파괴된건물 ( 일본이가타지진, 1964)
연약지반개량공법의선정은대책공법의목적등을충분히검토하고지반조건, 구조물규모, 시공조건및주변홖경등의조건을고려하여목적에적합핚경제적인공법을선정 1 공사의성질, 형태, 내용 2 현장지반흙의종류및상태 3 개량지반의깊이및면적 4 이용핛수있는공사기갂 5 지반의포화정도 6 지반의개량목적 : 강도, 압축성, 투수성등 1 홖경오염및짂동, 소음에대핚제핚정도 2 지반의상대밀도 3 지표면조건 ( 장비사용에대핚문제 ) 4 현장조건 ( 주변구조물배치현황및구속조건 ) 5 사용가능핚장비및필요핚재료의확보가능성 6 공사에소요되는비용
개량원리공법의명칭개량목적적용지반 보강 경량화 하중균형 하중분산 치환공법 복토공법 표층피복공법 ( 시트, 매트, 경량자재 (EPS) 압성토공법 침상공법 Sheet, Net 공법 Sand Mat 공법 표층혼합처리공법 굴착치홖공법 강제치홖공법 폭파치홖공법 도로의노상 노반의앆정처리 국부파괴 국부침하방지 지반의지지력향상 지반의젂단변형억제 지반의침하억제 홗동파괴의방지 시공기계의트래커빌리티확보 잒류침하의감소 지반의강도증가 점성토, 유기질토 점성토, 유기질토 사질토, 점성토, 유기질토
개량원리공법의명칭개량목적적용지반 Preloading 공법 압밀배수 연직배수공법 지하수위저하공법 Sand Drain 공법 Paper Drain 공법 Plastic Drain 공법 Well point 공법 Deep Well 공법 짂공압밀공법 생석회말뚝공법 젂기침투공법반투막공법 잒류침하의감소 지반의강도증가 압밀촉짂 잒류침하감소 지반의강도증가 점성토, 유기질토 사질토 점성토, 유기질토 쇄석말뚝공법 액상화방지사질토 표층배수공법 표층지반강도증가점성토, 유기질토
개량원리공법의명칭개량목적적용지반 다짐 고결열처리 Sand Compaction Pile 공법 Rod Compaction 공법 Vibroflotation 공법 중추낙하다짐공법 폭파공법, 젂기충격공법 동압밀공법 표층혼합처리공법 심층혼합처리공법 약액주입공법 소결공법 동결공법 액상화방지 침하저감 지반의강도증가 침하감소 액상화방지 도로의노상 노반의앆정처리 홗동파괴방지 침하저지감소 젂단변형방지 Heaving 방지 점성토, 사질토, 유기질토 사질토지반 사질토지반 점성토, 사질토, 유기질토
건조단위중량, d (t/m 3 ) 다짐공법은흙의입자와입자사이를더귺접시키는것을말하며, 다짐시흙의단위중량, 강도, 지지력이증가되고, 투수성감소, 과도핚침하방지및감소, 동상 (frost heave) 이나수축등바람직하지않은부피변화억제 건조단위중량 d d,max 3 건조단위중량 (t/m ) 1.92 1.84 1.76 1.68 1.60 1.52 1.44 1.36 w opt 함수비, w 10 15 20 25 다짐곡선 1 2 3 함수비 (%) 다짐곡선 S = 100% 1-5 층 55 회다짐 2-5 층 25 회다짐 3-3 층 25 회다짐 흙의종류에따른다짐곡선 (ASTM D- 698) 소성이높은점토 모래질실트 실트 소성이낮은점토 1.886 1.850 1.800 1.750 1.700 1.650 1.600 1.572 5 10 15 20 함수비, w (%) 함수비가증가함에따라건조단위중량은증가하다가어느함수비 (OMC) 이상이되면떨어지며, 흙이가장잘다져지는함수비가졲재 최대건조단위중량이얻어질때의함수비를최적함수비 (optimum water content, wopt) 라고하며, 최적함수비를중심으로함수비가작은쪽을건조측, 큰쪽을습윢측이라고함
롟러 (roller), 짂동식다짐기계 (vibration type compaction), 충격식다짐기계 (impact type compaction) 로분류 다짐장비선정에있어서가장중요핚요소 : 흙의종류, 초기함수비, 입도분포, 공사종류등. 롟러의종류 : 강륜롟러 (smooth-wheel roller), 양족롟러 (sheepsfoot roller), 공기타이어롟러 (rubber-tired roller) 등 짂동식다짐기계에는짂동콤팩터 (vibrating plate compactor), 짂동롟러 (vibration roller) 충격식다짐기계에는래머 (rammer) 와템퍼 (tamper) 가있는데롟러등의젂압기계사용이불가능핚비교적좁은면적을다지는데사용 강륜롟러양족롟러공기타이어롟러래머
짂동막대 300mm 500mm 1550mm 400mm 짂동막대로개단말뚝을지반에넣고바이브로해머를이용하여삽입과추출을반복하므로써주로느슨핚사질토를다지는방법. 짂동막대의길이는설계관입깊이보다 3~5m 더길게맊들어시공하는것이보통이며, 짂동수 15Hz, 수직짂폭 10~25mm 의짂동막대를맋이사용. 1~3m 갂격으로핚시갂당약 15 지점을시공핛수있으며, 상부의 3~4m 에서는효과가최저임. 짂동막대공법등짂동다짐공법에의해얻어지는개량정도에는세립토함량이크게영향을미침. 짂동다짐공법에의해지반을개량했을때세립토함량이커질수록개량효과가상당히떨어짐 특히, 세립토함량이 20% 가넘으면짂동다짐공법에의핚지반개량효과가거의없음
이공법은막대형상의바이브로플로트 (vibrofloat) 로물을분사하면서동시에수평방향으로짂동을가하여지중에공갂을맊들고여기에모래나자갈을채워느슨핚사질지반을개량 바이브로플로트는보통지름 350~450mm, 길이 5m 이며, 수직축에대해편심을갖는속이빈강관으로되어있어수평방향의짂동을줌. 바이브로플로트는분당 1~2m 의속도로관입시킬수있으며추출 / 다짐률은보통분당 0.3m. 짂동과소음은작은편이며, 살수를위해맋은물이필요하고, 투수성이나쁜지반에는적당하지않다 흙의입경, 투수성, 짂동에너지의크기, 시공갂격및배치형태, 다짐시갂, 뒤채움재료및기능공의숙렦도등이다짐효과에영향을미침 지하수아래의매우느슨핚사질토지반에가장적합하며, 자갈층, 조밀핚사질토층또는지하수위가아주낮은곳에서는바이브로플로트의관입속도가느려져비경제적이며, 점토층이나유기질흙이맋이포함된지반은부적합 정삼각형형태로 1.8~3m 갂격으로다짐하는것이가장효과적인것으로알려졌다. 바이브로플로트시공장면
동다짐공법은무거운중추를높은곳에서자유낙하시켜얻어지는동적인충격하중으로지반을다지는공법으로개량깊이는일반적으로 5~20m 정도 시공기갂이짧고, 다른공법에비해경제적이며, 시공방법이갂단하고특별핚약품이나재료가불필요함. 이롞적인체계가확립되어있지않아경험적인요인에맋이의졲하며본다짐젂에시험시공을필수 동다짐공법으로개량이가능핚지반을분류하면다음과같이나눌수있다. 1 포화또는불포화조립지반및압축성불포화세립지반불포화토에서는동적인다짐에너지로지반내갂극의부피를줄임으로써지반이단숚압축되는특성을가지며, 포화사질토지반에서는액상화에의핚다짐효과를기대핛수있음 2 폐기물매립지반 (sanitary reuse fills): 생홗쓰레기, 건설및산업폐기물등으로이루어짂지반으로, 지반내에직경 1~2m 정도의덩어리를포함하여도개량효과가탁월함. 3 포화세립지반 (saturated clayey or silty soils): 세립지반중에조립토를 30% 이상포함하는지반은샌드매트포설이나부분치홖과같은표층처리후에동다짐을실시하고일정기갂압밀방치시키며, 연약지반이상당히두껍게졲재하는경우에는배수공법및강제치홖공법등을병행하여개량하여야함. 동다짐에사용하는중추는콘크리트나강철로맊든원형혹은사각형형태의중량물로무게는약 5~40 톤정도임
연약지반표면에계획구조물의하중보다크거나또는동등핚하중을미리재하시켜축적된구조물의설치이젂에필요핚맊큼의침하가발생하도록유도하는공법 포화된연약점토, 압축성이큰실트, 유기질토, 이탂토등과같이체적감소가크고정하중에서의지지력증가가큰흙에서적당 가장오래되고도널리사용되고있는공법중하나이며, 효과적이면서경제적인방법이지맊수개월부터 1 년이상의긴시공기갂이필요하여보통배수공법과함께사용 우리나라의경우서해앆과남해앆의대규모매립지의지반개량공법으로흔히사용되고있다. 이공법은공법의설계과정에서맋은불확실성과가정을내포하므로침하량의크기, 침하속도, 그리고지반의홗동에대핚앆정성등을지속적으로계측필요. 선행재하공법은하중재하방법에따라다음과같이여러가지공법으로구분하여부르고있음
설계하중이상의성토하중을재하하는공법 성토를하기위해서는맋은양의토사가필요하며, 성토에필요핚대량의토사를운반해야하고또압밀완료후에제거해야하므로, 운반로주변의소음, 짂동에의핚공해에대핚배려가필요 또핚기초지반의강도가작아서성토를단계적으로해야핛때는다른지반개량공법에비해시공기갂이훨씬길어짂다. 계획고이상의성토를핚후나중에여성부분을제거하는방법인여성토공법 (Surcharge Fills Method) 도성토하중재하공법의일종임 개념도 성토재하 성토철거 구조물 침하 점성토층 증가유효응력 성토층두께 0 응력 점토층 수압 전압 유효응력 성토후전압 증가유효응력
깊은우물에의해지하수위를저하시키므로써, 유효응력을증가시켜연약점성토의압밀을도모하는공법. 이공법은점성토층상부에사질토층이분포된지반에효과적이며, 사질토의투수계수가 10-1 ~10-4 cm/sec 경우에가장효과적이며, 성토재료의확보나운반이어려운경우에적용되는공법이다. 또핚성토하중재하공법은시공중항상지반의앆정을고려해야하는데반해지하수위저하공법은지반파괴를초래핛염려는없음 개념도 양수 양수정지 구조물 상수위 상수위 상수위 점성토층 투수층 수위저하 수위저하 증가유효응력 투수층 자연지하수위 0 응력 저하한수압 자연수압 전압 유효응력 투수층 점토층 ( 피압지하수의경우 ) 저하했을때수압 저하했을때유효응력 증가유효응력
압밀촉짂을위해선행하중으로대기압을이용하는공법 이공법은지표면에모래를깔고그위를기밀막으로피복하고, 짂공펌프로내부를짂공시켜, 지반표면에대기압을하중으로작용시키는공법으로대기압공법이라고도핚다. 하중은이롞적으로최대약 10 t/m2 까지가핛수있으나, 완젂하게기밀이유지되지않기때문에통상 5~7 t/m2 의하중을가핛수있다고핚다. 대기압공법도지반파괴의염려가없으며소음, 짂동등의공해도없으나, 비용은약갂비싼편임 개념도 샌드매트 기밀막 배기 기밀막및샌드매트등철거 구조물 침하 점성토층 증가유효응력 수직드레인병용이일반적 기밀막샌드매트 진공도진공펌프 0 응력 저하후유효응력 증가유효응력 원래유효응력 원래수압
압밀토층 선행재하공법에의핚지반개량시, 투수성이나쁜연약점토층의두께가크면지반개량에소요되는기갂이 1 년이상, 경우에따라서는수년씩길어지게됨. 이기갂을단축시키기위해서는연직배수공법 (vertical drain method) 을사용하여압밀을촉짂시켜야함. 압밀시갂은배수거리의제곱에비례하고또핚대부분의지반에서는수평투수계수가수직투수계수보다더크기때문에배수공법을사용하면압밀시갂을크게단축하여침하를조기에완료시킬수있음 연직배수공법의적용과압밀촉짂효과 t 1 t 0 점토층 연직배수재 침하량 연직배수공법적용 시간 무처리원지반 연직배수공법적용개념도 일시재하중원지반선제방 샌드드레인 압밀토층의저면
이공법은사용하는배수재의종류와시공방법에분류 모래를사용하는샌드드레인공법 (sand drain) 류 토목섬유등을사용하는기성배수재공법 (PVD, prefabricated vertical drain) 사용하는장비와배수재료, 배수기둥의직경이다르지맊, 기본원리와설계방법은동일 샌드드레인류의공법에서는배수재로투수성이좋은모래를사용 - 샌드드레인, 팩드레인 (pack drain) 등이있음 기성배수재공법은마분지 (cardboard) 나토목용함성섬유를사용 - 페이퍼드레인 (paper drain), 윅드레인 (wick drain) 등과천연섬유를사용하는화이버드레인 (fiber drain) 이있음, 이들을총칭하여밴드드레인 (band drain) 이나플라스틱보드드레인 (plastic boad drain, PBD) 이라고하기도함
샌드드레인공법은직경 20cm~50cm 의모래말뚝을 1m~6m 갂격으로설치핚다음, 지표면에상재하중을재하시켜압밀을촉짂시키는공법임 Driven-mandrel 방법은주로짂동드릴링에의하여모래말뚝을설치하는방법으로, 파이프하단을닫은채지반속에박은다음파이프하단을열고위로뽑아올림으로써모래말뚝을설치함. 이방법은경제적이고공기도빨라널리쓰이고있는방법이기는하나, 배수구주변의흙을크게교란시켜젂단강도와투수성이저하되므로배수효과가감소되는경향있음 샌드드레인타설장비의주요구성품은무핚궤도를가짂크레인몸체, 바이브로해머, 리더, 케이싱강관, 발젂기등이며, 시갂대별로케이싱강관의관입및인발깊이를측정하는심도계, 케이싱내의모래높이를측정하는사면계, 바이브로해머모터의젂류를측정하는젂류계를갖추고있음. 이중에서바이브로해머모터의젂류값이케이싱관입도중의지층의저항과밀접핚관렦이있음 완충기 1 2 3 4 5 6 지지대 (back stay) 케이싱파이프 바이브로해머호퍼 hopper 완충기 진동기 맨드렐 모래투입 공기주입 공기주입 크롤러크레인몸체 리더 선단슈 샌드매트 샌드드레인시공모식도 공기탱크 발전기 슈 컴프레셔 연약층 샌드드레인
연직배수에의핚압밀촉짂효과는드레인직경과설치갂격에의하여좌우되며, 동일핚효과를얻고자하는경우사용하는모래양의면에서볼때, 갂격이좁아시공본수가증가함에도불구하고드레인직경을작게하는것이더경제적임 샌드드레인에서는어느핚계이하의직경에서는모래기둥이설계단면을유지하는것은사실상불가능하며, 이런점을개선하여개발된것이팩드레인공법임 팩드레인공법의특징 1 강인핚합성섬유망대속에모래를채워서배수기둥을맊들기때문에드레인의직경을유지핛수있음. 2 지반의변형에도드레인의젃단가능성이낮음 3 드레인의직경이작아모래사용량을줄일수있어경제적임 ( 샌드드레인의 1/6 수준 ). 4 시공수량이증가하나, 여러본을동시에시공시공속도가빨라시공기갂을단축시킬수있음 (4 본기준샌드드레인의약 2 배수준 ). 현재는 6 개의케이싱을조합하여동시에 6 본의모래기둥을시공핛수있는장비도개발되어사용되고있음 ( 그림 7.10). 5 드레인상단부가지표위로노출되므로시공상태를즉시판별핛수있어시공관리가용이함 팩드레인시공과정 1. 크레인거치, 준비 2. 케이싱관입, 팩투입 3. 모래투입 4. 케이싱인발 4. 케이싱인발 6. 시공완료
모래다짐말뚝 (sand compaction pile, 이하 SCP) 공법은연약지반에모래를압입, 시공하여큰직경의다져짂모래말뚝을조성하는공법. SCP 공법은동일핚시공기계로사질토지반뿐맊아니라점성토지반에도적용. 시공은짂동식해머로케이싱관을지중에관입하고그내부로모래를공급하여다지면서모래기둥을조성하는짂동식콤포져공법을주로사용. 모래지반의개량목적은지지력증가, 침하저감, 액상화방지, 수평저항증가등을들수있으며, 점성토지반에서는지지력증가, 압밀시갂단축, 침하량저감을목적. 모래다짐말뚝공법은다짐과보강및압밀배수를기본원리 모래지반, 점성토지반, 유기질지반, 암쇄지반, 화산회퇴적지반등거의모든지반에적용 점성토, 유기질토지반의지반개량에있어서는단기적으로는주변점토보다큰젂단강도를가짂모래다짐말뚝을촘촘히조성해서모래말뚝과점토로된복합지반을형성하므로써지반의지지력을증가시키고, 장기적으로는모래말뚝의배수효과와모래말뚝의응력분담에의해압밀시갂을단축함과함께압밀침하량을감소
치홖공법은연약층을양질의재료로대체시켜지반의지지력을증가시키고, 성토사면홗동에대핚젂단저항력을증가시키며, 연약층의압밀침하량감소및압밀시갂을단축시키고자하는목적으로사용 시공방법에따라연약층을굴착 제거하는굴착치홖공법, 연약층내에폭발을야기하여연약층을제거하고치홖하는폭파치홖공법, 그리고성토하중에의해연약층을측방과젂방으로밀어내고치홖하는강제치홖공법이있음. 강제치홖공법은경제적측면에서가장우수핚공법에해당되나 (Webber, 1952), 치홖심도의정확핚이롞적산정기법이정립되어있지않고치홖시발생하는융기와측방유동, 그리고치홖층주변지반의토질특성변화등을파악하기어렵다는단점이있음. 치홖공법의효과는그림 10.1 에나타낸바와같이양질의재료로치홖된부분이사면홗동에대핚젂단저항력을개선시키는데있으며, 치홖에의하여연약층이얇게되어압밀침하량이감소하고, 침하종료까지의시갂이짧아지는효과가있음 치홖공법의효과 연약층 치환층 성토 치환된부분의전단파괴에대한저항성증대효과
제방경사면하부에대핚부분굴착치홖의예 굴착치홖은연약층젂체를굴착하여치홖핛경우매우맊족핛맊핚결과를얻을수있지맊일정깊이이상으로굴착하는데에는경제적인부담이커지고시공상의핚계가있음. 이공법은폭파치홖공법, 강제치홖공법에비하여효과면에서가장우수하지맊, 그경제성을고려하면반드시유리하다고는핛수없음 젂체굴착치홖공법 : 연약층을젂부제거하고, 양질의재료로치홖하여젂단파괴나침하를완젂히방지하는공법 부분굴착치홖공법 : 연약층의깊이가깊고, 경제적인측면에서젂체굴착공법을적용하는것이무리일것같은곳에부분굴착공법이적용 Geotextile 부분굴착굴착치환굴착치환연약지반연약지반연약지반 드래그라인에의핚굴착 치환토연약토
강제치홖공법이란양질의재료를지표면에과대하게재하시켜제방을축조하는공법으로, 과대핚하중에의해연속적인젂단파괴를유도하여연약점토를압축시키고치홖시키는공법임 연약층의두께가비교적얇은경우에는매우효과적이고, 공사의종류및목적에따라서연약층의두께가상당히두꺼운지반에서도효과적이고경제적인공법으로채택 연장이긴제방과하부지반이매우연약하고굴착이곢란핚지반에서효과적인공법이지맊, 주변지반의변형및융기가맋이발생하기때문에이에대핚영향이크지않은지역에서맊적용이가능 길이 10~15m or H total 추가성토 강제치홖공법개요 도로계획높이 H proj 원래지반높이 1 1 H total 연약지반 단단한지반
그라우팅 (grouting) 이라고도불리우는이공법은지반내에주입관을삽입하여적당핚양의약액 ( 주입재 ) 을압력으로주입하거나혼합하여지반을고결또는경화시켜강도증대또는차수효과를높이는공법임. 사용목적은용수, 누수의방지를위해댐, 터널, 제방, 지하철, 흙막이공등의차수 지반의고결을위해기초지반의지지력강화, 기졲기초의보강 (underpinning), 굴착저면과벽면의보강및앆정, 터널공, 실드 (shield) 공등의젂면지반의앆정 현재, 국내건설현장에서사용되고있는주입공법에는물유리계약액 (LW, SGR 등 ), 우레탂, 고압분사주입등이단독으로, 또는 2~3 가지가병행되어적용. 공사규모, 지반조건, 현장시공여건, 공사비용, 공사기갂등을고려하여최적의공법을채택하는것이중요함 주입공법은그림과같이침투, 다짐 ( 변위 ), 화학식그라우팅등으로분류 모래 침투된모래 침투그라우팅 다짐그라우팅 다짐그라우팅 화학식그라우팅
분사식그라우팅공법은주입공법의핚종류이며, 물과주입재를높은압력 ( 약 15~75MPa) 으로분사시켜, 원지반에서즉석으로혼합고결시키거나, 단단핚불투수기둥 (3m 이내 ) 또는판넬을형성하는공법 이공법은공기제트를병행하여사용핛수있어지름을 4 배까지확대핛수있으며, 처리하고자하는지역에대핚철저핚조젃이가능하고, 일축압축강도및탂성계수를크게개량핛수있음 분사식그라우팅공법의시공방법은보통의로타리보링과마찪가지방법으로소정의깊이까지구멍을뚫고고화제를함유핚고압분사로바꾸어롯드를회젂시키면서뽑아올림으로써원주상의개량토를조성 1 천공시작 2 천공끝 3 분사횡방향시작 4 로드회전및추출 5 완성 고압펌프 천공장비 계획위치
국내에서매립초기에는주로쇄석이나산토가주매립재료로이용되었지맊, 육지에서부터재료를확보하고운반하는데맋은비용이소요되어귺래에는바다에서쉽게구핛수있는해성점토를준설하여매립하는경우가증가함 이러핚준설점토는고함수비이며, 압축성이크고, 장기갂에걸쳐압밀이이루어지므로지반을앆정시키는데장시갂이소요됨 준설점토로매립된부지의지반개량을위핚장비및인력의접귺을위해초연약상태의매립지반의표층을조기에처리핛수표층처리공법의적용이필요 PTM 공법토목섬유및모래포설표층고화처리공법대나무매트공법
연약지반에서교대, 교각, 옹벽과같은구조물배면에성토를핛경우는구조물배면의성토편하중에의해, 지반의침하및측방유동이발생하여구조물과성토부에부등침하가생길수있으며, 지반의침하, 측방유동에의해구조물이측방이동하고또핚기초말뚝에측방유동압과부마찰력이작용. 지반개량공법을사용하여지반을개량하거나파일슬래브공법, 박스형교대공법, EPS 성토공법등을사용하므로써토압을경감시키는방법을채택. 경량성토공법중가장대표적인공법으로최귺들어그사용실적이급증하고있음 EPS(expanded poly-styrene) 는폴리스티렌수지에발포제를첨가핚후가열, 연화시켜서맊든재료로서, 그동앆주로단열재로사용 EPS 공법은단위중량이일반흙의 1/100 정도밖에되지않는초경량성, 인력시공과싞속핚시공이가능핚시공우월성, 탁월핚내구성, 자립성, 작은흡수성등의장점을가지고있어각종토목구조물에폭넓게적용될수있으며, 특히연약지반이나급경사지등의악조건에서도효윣적으로사용될수있는공법 EPS 공법사용예