KR100834923B1 - 연약지반 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고점도 고강도 몰탈 주입구가 상단에 형성되고, 상기 압축공기, 절삭수 및 경화재 주입구와 연통되는 압축공기, 절삭수 및 경화재 토출구가 측면에 형성되며, 상기 고점도 고강도 몰탈 주입구와 연통되는 고점도 고강도 몰탈 토출구가 하단에 형성되는 로드를 포함하되, 상기 압축공기 및 절삭수 토출구는 수평방향에서 약 5°정도 상향으로 압축공기 및 절삭수를 분사할 수 있도록 형성되고, 상기 경화재 토출구는 경화재를 수평방향으로 분사할 수 있도록 형성되며 압축공기 및 절삭수 토출구로부터 하향으로 소정 거리 이격된 위치에 형성되는 연약지반 및 소규모공동 충진 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법에 관한 것으로, 몰탈과 경화재 등의 주입재가 외부로 배출되는 것을 방지하고, 로드의 하단 토출구에서 고점도 고강도 몰탈을 토출함으로써 유속이 빠른 지층이나 대규모 공동에 적합하며, 작업생산성이 현저히 향상될 뿐만 아니라 지중의 그라우팅을 견고하며 균일하게 시공할 수 있다.

연약지반, 그라우팅, 분사방향, 다중관, 고점도 고강도 주입재

Description

연약지반 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법{Apparatus for Improvement Soft Ground And Method For Improvement Soft Ground Use Of It}

도 1은 본 발명에 의한 연약지반 개량장치를 도시하는 단면도.

도 2 내지 도 3은 본 발명에 의한 연약지반 개량과정을 도시하는 공정도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 로드 112 : 압축공기 주입구

122 : 절삭수 주입구 132 : 경화재 주입구

142 : 몰탈 주입구 114 : 압축공기 유로

124 : 절삭수 유로 134 : 경화재 유로

144 : 몰탈 유로 116 : 압축공기 토출구

126 : 절삭수 토출구 136 : 경화재 토출구

146 : 몰탈 토출구 150 : 절삭 비트

본 발명은 연약지반 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법에 관한 것으로, 구체적으로는 몰탈이나 경화재 등의 주입재가 외부로 배출되는 것을 최대한 방지하고, 유속이 빠른 지층이나 대규모 공동에 적합한 연약지반 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법에 관한 것이다.

일반적으로 지반 개량공법은 지반 속에 약액, 시멘트 밀크 등의 주입재를 주입하고 굳힘으로써 지반의 강도를 강화하는 공법으로서, 초고압분사 충전공법(SIG 공법), 고압충전공법(SRC 공법), 초고압분사 교반공법(RJP 공법), 고압분사 교반공법(JSP 공법) 등이 널리 사용되고 있다.

상기 SIG 공법은 초고압(P=400∼600㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 연약토를 배출시키고, 배출된 공간에 직경(Φ) 1200∼2000㎜ 정도의 대구경 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, 자갈층, 연암층 및 N<10인 점성토층에 사용된다.

SIG 공법은 고압수로 석회암 공동이나 파쇄대의 연약한 토사분을 배출시키면서 배출된 공간에 시멘트 밀크를 주입하여 원지반과 전혀 다른 성질의 지반강도 및 내구성이 우수한 보강지반을 형성하는 방법이다. 이 방법에 의하면 기존의 제트 그라우팅의 단점인 고압분사 주입으로 인한 주변지반 융기 문제와 분출수로 인한 원지반 연약화 문제를 해결할 수 있고, 다중관 로드의 회전인발 속도를 조절할 수 있어 단면의 크기조절이 용이하며, 특히 치환공법이므로 보강 후 강도 증가가 현저한 장점이 있다.

그러나 상술한 SIG 공법은 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

또한, 상기 SRC 공법은 천공시 압축공기를 동반한 초고압수(0∼800㎏/㎠)를 이용하여 지반을 절삭, 이완시키며, 이때 배출되는 절삭 이토를 고화재와 섞어 그라우트재로 재사용하는 공법이다.

이러한 SRC 공법은 절삭, 충전(치환)시 배출되는 이토는 절삭수와 충전재의 혼합재로 사용하기 때문에 슬라임이 대폭 삭감되는 특징이 있으며, 슬라임을 이수와 이토로 분류하여 재사용하므로 폐기물 처리가 거의 없는 친환경적인 공법이며, 충전재의 배합비를 조정하여 개량목적에 적합한 강도조정이 가능하며, 시공 시 지반이나 주변 구조물에 영향을 주지 않는 장점이 있다.

그러나 상술한 SRC 공법은 배출된 이토의 양이 적을 경우에는 그라우트재를 보충하여야 하며, 슬라임을 재처리하여 주입하므로 장비가 복잡하며, 공법을 적용하는 구간의 토사가 점토일 경우에는 이토로의 재사용이 불가능하고, 그라우트재 충전 시 지하수와 접촉할 경우 재료분리 현상이 나타나며 공동내부에 자갈 및 사질토를 치환 주입할 수 없는 단점이 있다.

또한, 상기한 RJP 공법은 초고압(P=400∼600㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 지중에 원지반의 연약토와 교반하여 직경(Φ) 1200∼2000㎜ 정도의 대구경 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, N<10인 점성토층에 사용된다.

이러한 RJP 공법은 무진동, 무소음으로 도심지에서 시공이 가능하고 보조작업이 필요 없으며, 다중관 로드의 회전 인발 속도를 조절할 수 있어 단면의 크기조절이 용이하며, 고압수로 석회암 공동이나 파쇄대의 연약한 토사분과 시멘트 밀크를 교반시켜 주변지반과 일체화시키므로 지반강도 및 내구성이 우수한 보강지반을 형성할 수 있는 장점이 있다.

그러나 상술한 RJP 공법은 SIG 공법에 비해 개량체의 강도(최대강도=60㎏/㎠) 및 경제성이 떨어지며, 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

또한, 상기한 JSP 공법은 고압(P=200㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 지중에 직경(Φ) 800∼1000㎜ 정도의 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, N<10인 점성토층에 사용된다.

이러한 JSP 공법은 수직, 경사 어떤 방법으로도 시공이 가능하고, 특히 협소한 장소(건물의 지하실, 교량하부 등)에서 작업이 가능하므로 기존 구조물의 보강공법으로 적합하며, 원주형 고결체의 배치, 배열의 조합에 의하여 여러 가지로 개량되며, 지중에 인공적으로 만든 공극에 그라우트재를 충전하는 것이기 때문에 보통의 약액주입공법처럼 인근 구조물이나 지하매설물에 영향을 미치는 일이 거의 없는 장점이 있다.

그러나 상술한 JSP 공법은 개량체가 원지반 흙과 시멘트 밀크에 의해 형성된 일종의 소일시멘트이므로 소요강도의 발현 등에 따른 품질관리가 어려우며, SIG 공 법에 비해 개량체의 강도(최대강도=40㎏/㎠) 및 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 뿐만 아니라 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 주입재가 외부로 배출되는 것을 최대한 방지하고, 로드 하부 측면의 경화재 분사토출구를 통한 연약지반 및 소규모 공동 충진효과와 로드 하단부의 주입구를 통한 낮은 슬럼프 수치의 고점도 고강도 주입재를 주입함으로써 유속이 빠른 지층이나 대규모 공동에 고강도 칼럼(Column)을 형성하는 장치 및 이를 이용한 연약지반 개량 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연약지반 개량장치는, 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고점도 고강도 몰탈 주입구가 상단에 형성되고, 상기 압축공기, 절삭수 및 경화재 주입구와 연통되는 압축공기, 절삭수 및 경화재 토출구가 측면에 형성되며, 상기 고점도 고강도 몰탈 주입구와 연통되는 고점도 고강도 몰탈 토출구가 하단에 형성되는 로드를 포함하되, 상기 압축공기 및 절삭수 토출구은 수평방향에서 약 5°정도 상향으로 압축공기 및 절삭수를 분사할 수 있도 록 형성되고, 상기 경화재 토출구는 경화재를 수평방향으로 분사할 수 있도록 형성되며 압축공기 및 절삭수 토출구로부터 하향으로 소정 거리 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 연약지반 개량장치를 이용한 연약지반 개량방법은 상기 연약지반 개량장치를 이용하여 계획된 심도까지 지반을 수직으로 천공하는 단계와, 압축공기, 절삭수 및 경화재를 회전 분사하여 지반을 굴착하거나 연약지반 및 소규모 공동을 충진하며 슬라임을 외부로 배출하는 단계와, 로드 하단부에 마련된 토출구를 통해 고점도 고강도 몰탈을 압력토출하여 지중에 원주(圓柱)형 고결체를 형성하는 단계로 이루어지고, 이때 사용되는 몰탈은 슬럼프 수치가 5 내지 8인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 연약지반 개량장치를 도시하는 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연약지반 개량 장치는 서로 다른 종류의 유체를 이송 및 분사하는 로드(100)로 구성된다.

상기 로드(100)는 소정의 길이를 갖는 원주(圓柱)형상으로, 상단에는 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고강도의 몰탈이 공급되는 복수의 주입구(112, 122, 132, 142)가 형성되고, 내부에는 상기 각 주입구(112, 122, 132, 142)와 각각 연통되며 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고강도 몰탈이 이송되는 유로(114, 124, 134, 144)가 형성된다.

또한, 상기 로드(100)의 외주면에는 상기 압축공기, 절삭수 및 경화재 유로(114, 124, 134)와 연통하여 그들로부터 이송된 각 유체를 외부로 분사하기 위한 토출구(116, 126, 136)가 형성되고, 로드(100)의 하부 종단면에는 상기 고강도의 주입재 유로(144)와 연통하여 그로부터 이송된 고강도의 몰탈을 외부로 가압주입하는 토출구(146)가 형성된다.

상기 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)는 상호 연통하여 구성되며, 상기 로드(100)의 길이방향으로 적소에 외향으로 개구된 형태로 형성된다. 또한 상기 경화제 토출구(136)는 로드(100)의 하단 외주면에 외향을 개구된 형태로 형성된다.

또한, 상기 로드(100)의 하단 외주(外周)면에는 지반을 천공하기 위한 절삭비트(150)가 마련된다. 이러한 구성의 상기 로드(100)는 회전하며 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고강도 몰탈을 분사 및 토출하게 된다.

이렇게 형성된 상기 로드(100)는 그 내부에서 이송되는 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고강도의 몰탈이 서로 혼합되지 아니하도록 4중관으로 형성된다. 또한, 상기 압축공기, 절삭수 및 경화재 토출구(116, 126, 136)는 복수로 구비되고 상기 로드(100)의 외주(外周)면을 따라 등간격으로 이격 형성된다.

이때, 상기 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)는 수평방향에서 약 5°정도 상향으로 압축공기 및 절삭수를 분사할 수 있는 형상으로 형성되고, 상기 경화재 토출구(136)는 수평방향으로 경화재를 분사할 수 있는 형상으로 형성되며 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)로부터 적어도 0.5m이상 이격되는 위치에 형성된다. 이와 같이 상기 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)을 소정 각도로 형성하 고, 상기 경화재 토출구(136)과 소정 거리 이격시킨 이유는, 그들 사이에 압력점이대(Z)를 형성되도록 하여 경화재가 슬라임과 혼합하는 것을 방지하기 위함이다(도 3 참조).

이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)에서 분사되는 압축공기 및 절삭수는 경화재 토출구(136)에서 분사되는 경화재와 일정 지점이후부터 혼합된 상태가 된다. 그런데 이와 같이 압축공기 및 절삭수와 경화재가 혼합되면, 외부로 배출되는 압축공기 및 절삭수를 따라 경화재가 함께 배출되므로 경화재 사용이 늘어나게 된다. 또한, 압축공기 및 절삭수에는 그들에 의해 굴착된 토사분도 함께 혼합되는데, 이렇게 혼합된 혼합물(슬라임)은 별도의 장비에 의해 외부로 배출되어 폐기된다. 하지만, 혼합된 상태로 폐기할 경우 환경을 오염시키게 되므로 슬라임으로부터 수분을 제거하여 고형화된 토사분만을 폐기하는 것이 일반적이다.

그런데 상술한 바와 같이 슬라임에 경화재가 포함될 경우 경화재를 먼저 제거한 후 토사분을 고형화하여야 하므로 이를 위해서는 많은 시간, 장비 및 인력이 소요되는 등의 문제가 발생된다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)를 수평방향에서 약 5°정도 상향으로 분사되도록 형성하고 경화재 토출구(136)와는 적어도 0.5m 이상의 이격거리를 유지해야만 한다. 이렇게 할 경우 도 3에 도시된 바와 같이 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)와 경화재 토출구(136) 사이에 압력점이대(Z)가 형성되어 슬라임에 경화재가 혼합하는 것을 방지한다.

이와 같은 구성 및 형상으로 이루어진 본 발명에 의한 연약지반 개량장치는 다중관(4중관)으로 형성되어 압축공기, 절삭수, 경화재 및 몰탈의 동시 주입이 가능하므로 작업생산성을 현저히 향상되고, 지중에 칼럼을 견고하며 균일하게 시공할 수 있다. 또한, 압축공기 및 절삭수 토출구(116, 126)과 경화재 토출구(136) 사이에 압력점이대(Z)가 형성되어 슬라임에 경화재가 혼합되지 아니하고, 그에 따라 외부로 배출된 슬라임의 고형화 작업이 용이해진다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 의한 연약지반 개량과정을 도시하는 공정도로, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연약지반 개량장치를 이용한 연약지반 개량방법을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 도 2에 도시된 바와 같이 상술한 연약지반 개량장치의 로드(100)를 이용하여 연약지반을 계획된 심도까지 천공한다. 이때, 지반의 천공작업은 상기 로드(100)의 하단에 마련된 절삭비트(150)에 의해 이루어지고, 사용자의 필요에 따라 다양한 방향으로 천공 가능하다.

천공이 완료되면 도 3과 같이 본 발명에 의한 로드(100)를 통해 압축공기, 절삭수 및 경화재를 회전 분사하여 지반을 굴착함과 동시에 슬라임을 외부로 배출한다. 이때, 외부로 배출되는 슬라임은 상술한 바와 같이 경화재가 혼합되지 아니한 것으로 토사분의 고형화 작업이 용이하다.

상술한 과정을 거쳐 지중에 일정 높이 이상의 공간이 형성되면, 도 4에 도시된 바와 같이 상하부 토출구을 통해 경화재가 연약지반 및 소규모공동에 충진되고, 로드의 하단에 형성된 토출구(도 1의 146)에서 고점도 고강도 몰탈을 압력토출하여 지중에 원주(圓柱)형 고결체를 형성한다. 이때, 유속이 빠른 지층이나 대규모 공동에서는 슬럼프(slump) 수치가 5 내지 8인 몰탈(Mortar)을 주입재로 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 몰탈의 물배합비는 65~70%인 것이 좋다. 이와 같이 고점도 고강도의 몰탈을 사용하면 고점도 고강도 고결체의 생성이 용이하다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연약지반 개량장치의 구성 및 이를 이용한 연약지반 개량방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의한 연약지반 개량장치 및 이를 이용한 연약지반 개량방법은, 압축공기 및 절삭수 토출구과 경화재 토출구 사이에 압력점이대가 형성되어 슬라임에 경화재가 혼합되지 아니하고, 그에 따라 외부로 배출된 슬라임의 분리작업이 매우 용이하다.

또한, 다중관으로 형성되어 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고점도 고강도 몰탈의 동시 주입이 가능하므로 작업생산성을 현저히 향상시키고, 지중의 그라우팅을 견고하며 균일하게 시공할 수 있다.

뿐만 아니라, 낮은 슬럼프 수치의 모르타르를 주입재로 사용하여 유속이 빠른 지층이나 대규모 공동에도 사용이 가능하다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 연약지반 개량장치에 있어서,

   압축공기, 절삭수, 경화재 및 고점도 고강도 몰탈 주입구가 상단에 형성되고, 상기 압축공기, 절삭수 및 경화재 주입구와 연통하는 압축공기, 절삭수 및 경화재 토출구가 측면에 형성되며, 상기 고점도 고강도 몰탈 주입구와 연통하는 고점도 고강도 몰탈 토출구가 하부 종단 중앙에 형성되는 로드를 포함하되, 상기 주입구와 토출구 사이는 압축공기, 절삭수, 경화재 및 고점도 고강도 몰탈이 서로 혼합되지 아니하고 이송 가능하도록 4중관으로 형성되고,

   상기 압축공기 및 절삭수 토출구는 수평방향에서 약 5°정도 상향으로 압축공기 및 절삭수를 분사할 수 있도록 형성되고, 상기 경화재 토출구는 경화재를 수평방향으로 분사할 수 있도록 형성되며,

   상기 경화재 토출구가 상기 압축공기 및 절삭수 토출구로부터 하향으로 소정 거리 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 연약지반 개량방법에 있어서,

   제 2 항에 따른 연약지반 개량장치를 이용하여 계획된 심도까지 지반을 수직으로 천공하는 단계와;

   압축공기, 절삭수 및 경화재를 회전 분사하여 지반을 굴착하거나 연약지반 및 소규모 공동을 충진하며 슬라임을 외부로 배출하는 단계와;

   로드 하단부에 마련된 토출구를 통해 고점도 고강도 몰탈을 압력토출하여 지중에 원주(圓柱)형 고결체를 형성하는 단계;

   로 이루어지되, 상기 몰탈은 물배합비가 65~70%이고 그 슬럼프 수치는 5 내지 8인 것을 특징으로 하는 연약지반 개량방법.

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