토사층 그라우팅 주입재료 선정은 어떻게?

주입재료 선정

주입에 있어서 가장 큰 문제점은 대상지반에 대한 침투성입니다.

대상지층의 공극이나 주입재의 입경, 점성등에 의해 주입이 되지 않는 경우가 발생하여 주입성을 높이기 위해 주입압력을 너무 높게 적용하면 지반의 공극파괴와 변형이 일어납니다.

침투성에 관한 시험은 실내에서 대표시료를 시험장치에 넣고 교반 된 주입재를 일정한 압력으로 주입하여 주입재가 확산되는 것을 육안으로 관찰하는 방법입니다.

이 시험과정에서 보통포틀랜드 시멘트, 초미립자시멘트, 약액등의 각종 주입재료를 사용하여 침투성, 경제성을 검토하고 대상지층에 맞는 주입재료를 선정해야 합니다.

건설교통부의 연구 보고서에는 실내주입시험 및 주입효과 평가실험을 하고 대상지반의 입경 및 투수계수에 따른 각 주입재의 침투한계와 토질조건별 주입형태 관계를 다음과 같이 설명하고 있습니다.

침투주입이 가능한 범위에서도 실내시험결과 보통시멘트는 침투가 거의 불가능하였고 지반개량의 신뢰성을 확보하기 위해서 초미립자시멘트를 사용하는 것이 효과적입니다.

미국 내무성 개척국과 공병단이 공동으로 포틀랜드시멘트와 초미립자시멘트의 침투성을 시험하였습니다.

지름 200mm, 높이89mm의 원통에 여러 가지 입도의 모래를 채우고 실제주입압력 0~5 psi으로 주입재를 펌프로 보냈습니다.

시험결과 물/시멘트=1 또는 이보다 빈배합의 초미립자시멘트를 No.50 모래에 주입하였더니 균일하게 주입되었습니다. 또한 물/시멘트비 0.8~1.0은 No.30 모래에 주입되었습니다.

감수제를 시멘트 중량의 4% 정도 포틀랜드시멘트에 첨가하였더니 물/시멘트비는 0.8이 되었으며 역시 No.30 모래에 주입이 되었습니다.

이 시험은 자연적인 산출상태의 모래가 아니라 인위적으로 체가름하여 만든 시료에 관해 실시한 것이니 참고해주시기 바랍니다.

미국의 초미립자시멘트 제조회사의 시험결과에 따르면 결론적으로 토사층의 주입재 선정은 대표적인 주입재료를 선정하여 현장시공과정에서 여건에 맞게 조정하여 시공하는것이 좋다는 결론입니다.

그러나 주입대상지층의 종류가 많고 사업규모가 큰 경우에는 시멘트 주입이 가능한지 여부를 결정하기 위해 현장 투수시험을 실시 하고 시료를 채취하여 입도분석 등 물리적 성질을 시험한 다음 포틀랜드 시멘트를 사용하여 주입시험을 실시해야 합니다.

혹시 주입이 되지 않거나 주입효과가 불량한 구간이나 지층에는 약액이나 초미립자시멘트를 주입재료로 선정해야 합니다.

침투성을 높이기 위해 사용하는 용액형 그라우팅의 대표적 약액인 규산소다는 주입후 용탈현상에 의해서 내구성이 현격하게 저하됩니다.

그리하여 지하수와 토양을 오염시키는 등 환경적인 측면에서 많은 문제점이 제기되고 있습니다.

국내에서는 물유리를 사용하는 LW공법과 SGR 공법을 기술도입 이후 약 30년 이상 일반적으로 사용하고 있습니다.

허나 정작 이 공법을 개발한 국가에서는 거의 사용하고 있지 않은 실정입니다.

물유리 3호가 조합된 LW공법 주입재의 가장 큰 문제점은 내구성입니다.

지하철 현장에서 실제 주입시공된 지반에서 채취한 주입고결토를 동수지반 등에 일정기간 방치한 후 주입고결통의 강도변화와 투수계수 변화를 측정한 시험이 이루어진 적이 있습니다.

결과는 투수계수는 18~24개월 경과된 후에는 원지반의 투수계수 상태로 되돌아 갔고 대부분의 경우 50% 이상 강도저하 현상을 보였다고 합니다.

특히 해수 중의 마그네슘이온이 약액의 미세한 균열에 침입하여 약액 중의 알칼리분과 반응하여 균열을 확대시켰습니다.

황산이온 역시 시멘트성분과 반응하여 팽창하므로 균열을 확대시키는 문제가 생겨나게 됩니다.

따라서 담수보다는 해수에서 열화현상이 크므로 혼합시멘트가 보통포틀랜드 시멘트에 비해 우수합니다.

아크릴아마이드 주입재로 인하여 지하수가 오염된 사례가 발생하여, 일본정부에서는 모든 약액주입제 사용을 전면 중단시켰다고 합니다.

다만 규산소다를 사용하는 주입재만 잠정 사용을 인정하고 있다고 합니다.

따라서 일본에서는 규산소다를 사용한 주입재의 겔이 용탈현상과 이장현상 때문에 화학적으로 불안정하고 체적이 감소하는 등의 내구성 문제를 인식했습니다.

더불어 환경성 문제도 따라오기 때문에 새로운 주입재료 개발에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

토사층에서 주입재 침투는 파쇄공극의 충전 및 파쇄-충전현상 등 세가지 유형으로 분류할 수 있다고 보고한 바 있습니다.

점토와 같은 미세립지층이 포화된 경우에는 파쇄현상으로 인한 시멘트계열의 주입이 가능합니다.

그러나 토사 공극을 충전침투시키기 위해서는 공극의 크기에 적합한 주입재를 사용해야 합니다.

토사층에서 틈새가 균일하게 연결된 상태이면 주입압력으로 시멘트계열의 주입재침투가 가능하여 충전될 수 있습니다.

그러나 이러한 경우는 매우 희귀한 사례입니다.

대개의 경우 점성이 낮은 액상의 약액을 사용해야 충전이 가능합니다.

토사의 입도가 세립으로서 10마이너스3승 이하의 투수도를 보이고 미고결지층에서는 시멘트의 주입재가 여과되어 케이스 현상이 발생합니다. 이런 경우 침투가 불가능합니다.

토사의 입도분포, 투수계수 및 비표면적의 자료를 이용하여 토사층 충전 주입에 적절한 주입재 선정방법을 제시합니다.

K<10마이너스6승 정도의 세립질 모래층에서는 규산소다 계열 주입재 주입이 가능한데 주입량은 100l/hr 보다 적어야 합니다.

이러한 지층에 주입압력을 높여 주입량을 많게 하면 순수히 공극충전으로만 이루어지는 것이 아닙니다.

공극충전과 파쇄현상이 같이 작용하여 주입재가 침투됩니다.

주입압력으로 인해 주입공 주변에 일련의 판상의 파쇄면이 생겨서 이 틈새에 주입재가 들어가게 됩니다.