EPS 블록의 기본개요

1. 개요

최근 우리나라는 경제 성장에 따른 산업시설의 확충 및 개발 사업에 수반되는 택지 및 산업시설용 부지개발, 기존도로 확장과 신설도로 건설 등의 ‘효율적인 국토 이용 관리계획’이 수립되고 있다.

이에 따라 대부분 연약지층으로 구성되어 있는 서·남해안 지역을 중심으로 개발 사업이 활발히 진행되고 있으며 이 지역의 연약지반을 대상으로 하는 각종 토목공사에서는 토목 구조물의 기능과 안정성을 만족하고 주변지반에 미치는 영향을 고려한 설계, 시공 및 유지관리가 중요한 과제로 대두되고 있다.

따라서 이 같은 필요에 의해 대규모 지반개량과 구조물의 안정성 확보 또는 침하방지를 위한 기초처리 방법이 개발되고 있다. 이러한 기초처리 방법으로 개발된 경량성토공법(Light Fill 또는 Lightweight Fill 공법)인 EPS공법은 대형 발포폴리스티렌(Expanded Poly - Styrene)블록을 도로, 토지 조성 등의 토목공사에 성토재료 및 뒤채움 재료로 사용하는 공법으로 재료의 초경량성, 내압축성 등의 특징을 효과적으로 이용하는 공법이다.

EPS 블록은, 단위중량이 흙의 1/100 정도밖에 되지 않는 초경량성의 재료특성을 가진 토목용 자재이므로 이를 이용하여 성토를 하면 원 지반의 안정성이나 침하대책으로 효과적이다. 또한, EPS 블록은 내압축성, 내수성, 자립성, 시공성 등도 우수하며, 흙 무게의 1/100 정도로 가벼우면서도 적당한 강도를 가지고 있을 뿐 아니라 난연성, 내화학성이 뛰어난 제품이다.

2. EPS 공법의 역사

1972년 노르웨이의 수도 오슬로 부근 Flom교 설치도로 개수공사시 도로침하 대책으로 사용된 것이 최초이다. 노르웨이 국립도로연구소 NRRL(Norwegian Road Research Laboratory)은 이 분야의 연구를 진행하여 EPS 특성을 이용하여 도로포장에 적용하는 공법을 개발하였다.

그 후 EPS 공법기술은 많은 공사 실적을 거두었으며, 스웨덴의 국립토질연구소(SGI)와 프랑스의 국립토목연구소(LCPC) 및 미국, 캐나다 등지에서 EPS의 활용에 대한 연구가 진행되었다.

일본에서도 1985년 연약지반상의 교대 뒤채움 및 도로공사를 시작으로 1986년 EPS 토목공법개발기구의 발족이후 1989년부터 급격한 증가추세를 보여 1992년말 까지 35만㎥라는 대용량의 EPS를 시공하여 이 공법의 원조격인 노르웨이를 능가했다.

우리나라에서도 그동안 도로공사, 도로연구소 등 연구소를 중심으로 EPS에 대한 해외 시공사례나 문헌 연구를 수행해 왔으며, 1993년 10월 서해안 건설사업소 관내 서창 J/C Ramp-A2교 교대 뒤채움 부위에 처음으로 시험 시공이 실시된 이후 본격적인 EPS 공법의 실용화 시대가 열리게 되었다.

3. EPS 공법의 특징

EPS는 폴리스틸렌 중합체에 발포제를 첨가한 고분자 물질로서, 스팀으로 팽창시켜 블록 형태로 만들었기에 초경량성, 내압축성, 자립성, 내구성, 시공성 및 경제성 등이 뛰어나다.

(1) 경량성

EPS는 경량 성토 재료로서 단위 중량이 일반 토사의 약 1/100 정도이고 기존의 경량성토 재료의 약 1/10 ~ 1/50 정도이다. 따라서 성토 시 하중의 증가를 크게 절감시킬 수 있으며, 기존의 지반을 일부 치환할 경우는 하중의 증가를 고려하지 않아도 될 정도이다. 이와 같은 경량성 때문에 하중 증가의 억제뿐만 아니라 운반이 쉬우며 급속시공 등에 유리하다.

(2) 내압축성

EPS의 강도는 재료의 밀도에 따라 변화하지만 성토재료로서 충분한 강도를 지니고 있어 도로용 성토재 및 일반 성토재로 사용이 가능하다.

(3) 자립성

EPS 블록을 그대로 연직을 쌓아올리는 경우에 자립성이 확보되고 하중의 재하 시에도 측방으로의 변형이 극히 작다. 따라서 교대나 옹벽의 뒤채움 재료로 사용하는 경우 구조물의 배면에 작용하는 토압을 크게 줄일 수 있다. 특히, 배면의 토사성토를 안정구배로 할 경우에는 측방향 토압이 거의 발생하지 않아 기존의 흙막이 구조물(옹벽, 교대 등)을 방호벽 정도의 개념으로 줄여 설계하는 것이 가능하다.

(4) 내수성

EPS는 물과 결합하지 않는 소수성의 재료로서 극히 소량의 물(5 ~ 6%)만 흡수하는 것으로 알려져 있으며 일정 한계를 넘어서면 더 이상 흡수하지 않는다. 물의 흡수에 따른 재료 특성의 변화는 없다.

(5) 시공성

EPS 블록을 쌓는 데는 인력으로 시공이 가능하여 대형장비가 필요하지 않으므로 대형장비가 진입할 수 없는 협소한 장소에서의 시공에서도 큰 효과를 볼 수 있다.

(6) 경제성

연약지반의 성토공사에서 별도의 지반개량공법이 불필요하며 완성 후에도 침하가 일어나지 않기 때문에 유지관리비가 적게 들며, 개량범위 및 공기도 줄일 수 있어 경제적이다.

4. 적용 가능분야

EPS 공법의 적용 가능분야는 표-1과 같다.

제 목 : 표-1 EPS 공법의 적용 가능분야

5. 재료특성

EPS 부재의 재료특성은 표-2와 같다.

제 목 : 표-2 EPS 부재의 재료특성

※ 품질관리 시험방법 : KSM 3808규정

※ EPS 블록 크기 : 1,800 x 900 x 600

6. 공사 순서도

(1) EPS 공사 순서도는 그림-1과 같다.

제 목 : 그림-1 EPS 공사순서

(2) 또한 연약지반상의 성토와 급경사지의 성토는 그림-2, 3과 같다.

- 연약지반상의 성토(하중 경감 공법으로서의 적용)

1. 기초지반 굴착

· 기초지반 굴착

· 굴착면 정리

2. EPS 블록설치

· 기초면 모래부설

· EPS 블록 쌓기(연결핀 사용)

3. 피복토 작업 및 콘크리트 상판 타설

· 기초지반 되 메우기

· 콘크리트 상판 타설

· 피복토 작업

4. 사면보호 및 포장

· 사면보호 작업

· 포장시공

제 목 : 그림-2 EPS를 이용한 연약지반상의 성토

- 급경사지의 성토(토압 저감 공법으로서의 적용)

1. 기초 하부면 굴착

· 사면굴착 및 절취

· 굴착면 수정

2. 기초처리

· 하부콘크리트 블록설치

· 되 메우기

· 수평앵커 설치

3. EPS 블록시공

· EPS 블록 쌓기 및 연결핀으로 일체화

· 중간 상판 콘크리트 타설

· 수평 앵커 설치

4. 벽체보호 및 포장

· 벽체보호시설 설치

· 상판타설

· 포장시공

제 목 : 그림-3 EPS를 이용한 급경사지의 성토

(3) 이해를 돕기 위하여 「부산항 제 7부두 확장구역 기능시설 축조공사」시의 사진을 작업 순서대로 배치하였다.

기초지반 굴착

기초지반 굴착완성 후 EPS 블록 쌓기

EPS 블록 쌓기 완료

EPS 블록을 쌓은 후 연결핀으로 고정한 상태

철망을 깐 후 콘크리트 타설

콘크리트타설 후 다지기

포장시공 완료

제 목 : 사진-1 EPS 시공순서(부산 제 7부두 확장구역 기능시설 축조공사)

제 목 : 사진-2 교대경사면 EPS 설치상황

제 목 : 사진-3 EPS 설치상황

7. EPS 공법의 설계 기본원리

경량성토(Light Fill 또는 Lightweight Fill) 공법의 설계 기본이론은 성토 하중이 가볍다는 점만 제외하고 일반적인 성토공법의 경우와 거의 동일한 방법으로서 침하, 안정 및 변형에 대한 검토를 시행한다. 단, EPS 블록을 이용하는 경우는 초경량 자재이므로 지하수위에 대한 부력 검토가 필요하다.

7.1 치환 깊이 결정

연약지반에서의 침하 및 변형 방지를 목적으로 한 EPS 공법은 지반내의 응력 변화가 발생하지 않아야 하므로(즉, 증가응력 Δσ = 0) EPS에 의한 치환 깊이 D_f는 아래와 같이 산정한다.

Δσ = P₁ - P₀ = 0

γ_t1 · h₁ + γ_t2 · (h₂ + D_f) + W_L = γ_t · D_f -> D_f 산정

단, 증가응력(Δσ)이 발생 시는 증가응력에 의한 압밀침하 및 지반변형의 검토가 필요하다.

제 목 : 그림-4 치환 깊이 결정

7.2 부력에 대한 검토

부력에 대한 안전율이 설계안전율을 만족하지 않는 경우에는 아래와 같이 보강대책을 별도로 시행하여 안전율이 설계 안전율를 만족하도록 계획해야 한다.

- 굴착 깊이 감소(치환 EPS층의 두께 감소)

- 성토 하중 증가(상부 EPS층의 두께 감소)

- 배수공(지하수위 저하)

제 목 : 그림-5 부력에 대한 검토

7.3 구조물 전체 안전검토

기초 지반을 포함한 성토구조물 전체의 활동파괴에 대한 검토가 필요하다. 활동파괴에 대한검토는 원호파괴해석 및 복합 활동파괴 해석 등에 대해서 실시한다.

단, EPS는 하중으로서 고려한다.

제 목 : 그림-6 지반의 안정검토

7.4 EPS 부재의 응력 검토

EPS 부재의 장기적인 안정성을 확보하기 위해서는 작용하중(사하중 및 활하중)에 의해 EPS에 발생되는 작용응력 보다 큰 허용응력을 갖는 EPS 부재를 사용하여야 한다.(표-2 참고)

σ_Z = σ_Z1 + σ_Z2

σ_Z1 = ∑ γ_ti · h_i

σ_Z2 = P(1 + i) / (B + 2Z tanθ)(L + 2Z tanθ)

여기서,

σ_Z1 : 사하중

σ_Z2 : 활하중

γ_ti : 각포장층의 단위중량

h_i : 각포장층의 두께

P : 차량바퀴 하중

i : 충격계수

Z : 포장층의 두께

B, L : 차량바퀴의 폭과 길이

θ : 하중 분사각도

8. EPS 공법 적용 예

8.1 하중 경감 공법으로서의 적용 예 

제 목 : 그림-7 연약지반상의 EPS공법 설계 순서

제 목 : 그림-8 활동방지 대책으로서의 EPS공법 설계

8.2 토압 저감 공법으로서의 적용 예 

제 목 : 그림-9 경사지에서의 EPS공법 설계 순서 [출처] EPS 블록의 기본개요|작성자 하우시스