쇄석기둥공법(Stone Column Method)

 

● 쇄석기둥공법(Stone Column Method) 
 

1. 개요

 

현재 세계적으로 모래를 대신해서 자갈이나 쇄석을 이용하는 공법인 쇄석기둥공 법이 해상 연약지반 공사현장에서 그 사용빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 이에 대한 연구가 국내에는 매우 드문 상태이므로 관련 기반연구를 수행하여 시급히 실 용화하도록 기반연구가 필요하다. 쇄석기둥공법은 현재 해외에서는 일반적으로 압 밀의 가속화에 의해 제방과 같은 구조물의 전단강도를 증가시키는 용도로 사용되어 지고 있다. 이에 대한 국내 기술개발의 연구방법으로 외국의 사례 및 연구, 시공 사례를 분석한 후, 이를 통한 설계기술의 실용화를 위해서 국내에서의 여건분석과 이에 대한 적용성을 검증하여 이를 추진하여야 한다.

통상 지반개량을 목적으로 선행재하공법, 준설공법, 치환공법 등 기존의 다양한 설계방법이 사용되어 왔다. 하지만 환경적 제한과 건설 후 유지비용 때문에 이러 한 문제를 대처하는 새로운 지반개량방법이 추구되게 되었다. 쇄석기둥공법은 경 험을 토대로 그 가치가 증명된 기록을 갖는 지반개량공법 중의 한 방법으로 연약한 점토·실트 그리고 또 느슨한 실트질 모래의 개량에 대해 이상적으로 시공되었다. 이러한 개념은 1830년 프랑스에서 고유 흙의 개량을 위해 처음으로 사용되기 시작 하여 1950년 이후부터 현장 개량을 위해 유럽에서 널리 이용되기 시작하였다. 미 국에서는 1976년 이래 사용이 증가하고 있는 추세이다.

쇄석기둥공법의 적용은 축제, 암거, 교량과 같은 형식의 구조물의 지지에 영향을 주고 사면을 안정화시키는데 이용할 수 있다. 보강된 지반 구조물을 지지하기 위 한 쇄석기둥공법은 구조물과 혼합된 형태의 결과로 상당히 경제적일 것이다. 그러 나 각각의 명확한 적용성에 있어서 쇄석기둥공법은 각 방법의 이점과 한계 모두를 고려하는 다른 설계법과 주의 깊게 비교하여야 할 것이다. 지금까지 쇄석기둥의 시공은 정확한 과학보다 경험적으로 조성된 상태이다. 그러므로, 주의 깊은 현장 통제와 경험 있는 기술자가 요구된다.

 

2. 쇄석기둥공법의 특징

 

쇄석기둥공법은 쇄석이나 자갈과 같은 조립재로 채워진 기둥으로 연약 점토지반 을 약 10∼35%의 치환을 하고 있다. 치환방법인 진동치환(vibro-replacement)공법 은 얕은기초의 침하량 감소 및 지지력 강화효과가 있고, 지진시 액상화 가능성을 약화시키는 진동다짐(vibro-compaction)의 기술과 비슷하며 점토, 실트 및 복합지층 에서 사용된다. 여기서, 쇄석기둥의 특징을 알아보면 다음과 같다.

① 지반 자체의 강도, 밀도 등을 향상시킨다.

② 높은 간극 수압의 작용을 억제해주는 배수 환경을 제공한다.

③ 진동과 변위로 인한 그 피해를 줄인다.

④ 쇄석기둥 주위 지반의 측방 응력을 증가시킨다.

⑤ 깊은 층의 지반에는 응력의 전이가 안되므로 대규모 하중재하 시에는 적합하 지 않다.

쇄석기둥의 형성은 연직 배수제의 역할로 기초나 지진하중에 의한 간극 수압을 소산시키며, 연약지반의 지지력의 향상, 보강토에 세워진 기초의 침하 감소, 압밀효 과의 증진, 기초 크기의 축소유도, 사면의 안정을 유도하는 등 많은 장점이 있다. 특히 진동치환(vibro-replacement)공법은 교각근처 지반의 안정화나 얕은 기초의 시 공, 액상화 경감에 적절한 공법이다. 이러한 다양한 장점으로 쇄석기둥공법은 현재 사용이 늘고 있는 추세이다.

 

3. 적용 토층

 

진동다짐공법은 사질지반에서만 적용이 가능하지만 진동치환공법에 의한 쇄석기 둥공법은 압밀된 점토지반, 얇은 이탄층, 포화된 실트, 미세입자가 15%이상 함유된 느슨한 실트질 모래, 충적토와 하구 지역의 지반의 개량에 사용되어지고, 7kN/m2 정도의 낮은 비배수 전단강도에서는 활용이 가능하나, 14kN/m2 보다 적은 비배수 전단강도의 지반에서는 낮은 방사형 지지로 사용되어지지 않는다. 두꺼운 층의 이 탄 지반이나 고유기성 실트 또는 점토지반의 개량에는 비효율적이라고 알려져 있 다. 표. 1은 지반형태에 따른 쇄석기둥공법의 적용성을 나타냈고 그림. 1은 진동다 짐공법과 비교하여 쇄석기둥공법의 적용가능한 토층의 범위를 나타냈다.

 

표 1. 지반 형태에 따른 적용성

지반 형태	진동다짐공법	진동치환공법
모래	대단히 양호	대단히 양호
실트질 모래	양호한 편	대단히 양호
실트	불충분	양호
점토	비 적용	양호한 편
Mine spoils(폐광)	양호	양호
Dumped fill	채움재의 자연상태로 결정	양호
Garbage(쓰레기)	비 적용	비 적용

 

 

 

그림 1. 진동다짐공법과 비교한 쇄석기둥공법의 적용토층 범위

 

 

쇄석기둥의 과도한 침하와 안정성의 문제를 막기 위해 쇄석기둥 직경에 대한 이 탄토층 두께의 비는 통상 2보다 작아야하고 일반적으로 1보다 작아야만 한다. 이 탄토가 느슨한 유기질 재료와 만나게 되면 가능한 한 빨리 시추공 밖으로 뽑아야 한다. 그러나 이 과정에서 이탄토층에서 시추공 직경을 크게 만들게 된다. 이탄토 층에서는 직경 100mm을 사용하는데 큰 쇄석의 사용 목적은 이탄토 속으로 쇄석의 과다 관입을 예방하고 약한 이탄토 층을 보강하기 위해서이다.

 

4. 쇄석기둥공법 시공장비

 

쇄석기둥의 시공을 위한 장비는 진동기(vibrator), 확장 튜브(extension tube), 지지 장비 또는 크레인(crane)으로 구성되어있다. 먼저 진동기는 vibroflot 또는 probe 등 으로 다양하게 불리어지고 있다. Steuerman에 의해 처음 개발된 진동기는 길이가 2.0∼4.5m이고 직경이 대략 360∼460mm이고 무게는 2∼4ton인 원통 케이싱의 모양 을 하고 있다. 이 원통 내에는 수리력 또는 전기력으로 2800∼3200rpm의 진동수로 작동하는 모터가 있고 이 모터가 하부의 측방 진동과 다짐 힘을 제공하는 회전 편 심하중(eccentric weight)의 작동에 힘을 공급한다. 측방 힘은 대략 12∼28 ton으로 변화한다. 이때 발생하는 원심력으로 진동기의 끝단은 최대 4.0cm로 움직이게 된 다. 일반적으로 2800∼3200rpm의 진동수로 관입과 다짐에 이용된다. 지금까지의 시공 경험을 토대로 높은 진동수가 다짐에 더 효과적이라는 것을 나타냈고 진동수 는 지금까지 4000rpm보다 높이 사용되어 왔다. 그러나 기계의 수명면에서 진동수 는 높은 스피드에서 모터 베어링의 과도한 마모를 일으키므로 3200rpm으로 제한되 었다. 진동기의 측면에 위치한 Fin(지느러미 모양의 돌출 부분)은 진동기의 회전을 방지하며 작은 직경 진동격리기는 진동기와 확장튜브 사이에 위치하고 있다.

 

 

그림 3. vibrator 단면

 

그림 4. 현장 시공 장면

 

확장 튜브는 진동기보다 작은 직경으로 이루어져 있고 진동기에 붙어있다. 전기 배선 및 유압 튜브는 확장튜브의 최상단에 연결되어 있다. 확장튜브의 수는 다짐 이 요구되는 깊이로 결정되며 확장 튜브가 연결된 진동기는 크레인 또는 이동성 기 계의 한 부분에 지지되어 있다. 무거운 확장 튜브는 (1) 프로브의 지중삽입을 위해 필요한 연직 아래 방향으로의 삽입을 제공하고, (2) 최소한의 길이 10m를 제공하는 두 가지 목적이 있다. 비록 전체 길이는 확장튜브의 추가로 쉽게 연장할 수 있지 만 10m의 길이가 가장 적당한 것으로 알려져 있다.

길이가 10m인 프로브는 크레인의 팔에 의해 지지되고 12m의 rig을 갖은 40ton 크레인으로 쉽게 조작 할 수 있다. 프로브의 관입은 진동, 물 분사(water jetting), 및 사하중에 의해 이루어진다.

 

 

출처 : http://blog.daum.net/xhwoddl9374/13609102