1. 서 론

국내에서 수행중인 그라우팅은 주로 지반 개량을 목적으로 수행되고 있으며, 대부분 지표면 하부 얕은 심도에서 수행되고 있다. 이에 일반적으로 그라우트가 주입되는 지반은 지하수위 상부에 위치하여 지하수의 영향을 받지 않거나, 지하수위 아래에서 주입되는 경우에도 그 깊이가 깊지 않아 수압의 영향이 매우 미약하다. 최근 대심도 굴착이나 항만 안벽 증심공법 등에 대한 관심이 높아지면서, 수심이 깊은 곳에서의 그라우팅에 대한 필요성이 점차 높아지고 있다(An, 2007; Yang et al., 2013). 수압이 작용하지 않는 지하수위 상부에서 시공되는 기존의 그라우팅과는 달리 지하수위 아래에서 대심도 조건 또는 해저 조건에서 그라우팅을 수행하는 경우, 높은 정수압을 받게 되므로 이로 인한 그라우팅 효율 저하나 주입압력 등을 추가적으로 고려해야 한다. 또한 깊은 심도에서 이루어지는 특성상 상재압의 영향도 상대적으로 크게 나타나므로 다양한 영향인자를 고려하여 설계 및 시공이 수행되어야 한다. 그러나, 이와 같이 정수압을 받는 조건에서 그라우팅 공법을 적용하기 위한 합리적인 설계 방법이나 그 영향에 대한 연구는 아직까지 부족한 실정이다.

Kim et al.(2014)이 고수압 조건에서의 최신 그라우팅 시공관리 기술에 대한 동향을 분석한 결과, 그라우팅 분야에서 고수압 조건의 그라우팅은 가장 어려운 분야에 속하며 최근 북유럽국가(스웨덴, 핀란드, 노르웨이 등)에서 그라우팅 기술연구가 활발히 진행되고 있는 것으로 조사되었다. 국내에서는 You and Kim(2010)가 해저터널에서의 그라우팅 안정성에 대한 수치해석적인 연구를 수행한 사례 이외에 수압이 고려된 그라우팅 관련 시공이나 실험적인 연구는 전무한 실정이다. 특히 수중에 거치하는 케이슨 하부의 사석 마운드를 재시공 없이 개량하기 위해서는 그라우팅 공법 외에 적절한 대안이 없는 상황에서, 높은 정수압을 받는 지반의 그라우팅 공법 적용을 위한 연구의 필요성이 매우 높다.

본 연구에서는 정수압이 고려된 그라우팅 성능 분석을 위하여 지반 내 상재압과 수압 조절이 가능한 기존 로우셀(Rowe cell)을 개량하여 그라우팅의 주입압을 조절하면서 그라우팅 액 주입이 가능하도록 그라우팅 모사장비를 개발하고 실험적 연구를 수행하였다. 입경이 다른 두 가지 사질토를 이용하여 상대밀도를 변화시켜가면서 시료를 준비하였고, 개발된 장비를 활용하여 주입압, 상재압, 수압 조건 등을 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 각 실험 전후의 변위, 유출 유량, 주입량을 측정하여 시료의 체적감소에 따른 그라우팅 주입량과 유출유량의 관계를 도출하여 비교하였다. 또한, 포화상태와 건조상태 시료의 구근크기를 비교하고, 주입압과 유효주입압에 따른 구근크기를 비교하여 정수압상태에서 주입압에 따른 그라우팅의 효율을 확인하였다.

2. 시험장비

정수압을 고려한 그라우팅의 주입성능을 평가하기 위해서는 그라우트 재의 주입압, 지반의 유효응력, 수압 등을 조절할 수 있어야 한다. 이에 본 연구에서는 단계별 하중재하만 가능한 표준압밀시험과 달리 상부에 연속하중을 가하여 상재압을 조절할 수 있고, 배수조건을 조절 가능하도록 Manchester 대학의 Rowe 교수가 개발한 로우셀을 기반으로 시험장비를 제작하였다. 제작 시 로우셀 내부로 그라우트 재의 주입이 가능하도록 로우셀 상판에 주입봉을 설치하였으며, 셀의 높이를 13.5 cm로 상향 제작하여 그라우팅 주입영역을 확보하였다. 이와 같이 제작된 개량형 로우셀은 다음 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Improved rowe cell

또한, 그라우팅의 주입성능을 평가하기 위해서는 그라우트 재의 주입량과 주입으로 인해 시료에서 유출되는 유량, 시료의 변위 등을 계측할 수 있어야 한다. 이를 위하여 그라우트 재의 주입압과 주입양의 조절 및 측정이 가능하도록 압력조절장치와 연결된 그라우팅 주입 용기를 제작하였으며, 모형지반 내의 수압 조절과 그라우트 주입으로 인한 지반내 간극수 유출유량을 측정할 수 있도록 수압제어장치도 제작하였다.

제작된 시험 장비의 전체 구성과 시험을 위하여 연결된 형태는 Fig. 2와 같다. 이 때, 주입압은 압력조절 장치와 조절밸브를 부착한 그라우팅 주입액 용기를 연결하고 이를 개량형 로우셀 상판의 주입봉과 연결함으로써 일정한 압력으로 그라우팅 용액이 주입되도록 하였다. 상재압은 개량형 로우셀 상부의 다이아프램에 공기압을 주입하여 팽창시킴으로써 지반구속압을 모사할 수 있도록 하였다. 수압은 그라우팅 용액의 역류 방지용 외부 물통을 제작하고 수압조절 밸브를 부착하여 조절이 가능하도록 하였다. 주입압, 상재압, 수압은 컴프레서를 이용한 압력제어장치를 사용하였으며, 최대 1,000 kPa의 사용범위를 고려했을 때, 지반심도 56m, 수심 100m까지 모사가 가능한 것으로 나타났다.

Fig. 2.

Test equipment and set up

3. 시험조건 및 방법

3.1 시료선정 및 기본 물성

수심이 깊은 항만 안벽에서 그라우팅을 하는 경우에는 수중 안벽 하부 약 10mm 이상의 입경을 가진 쇄석에 그라우팅을 주입한다. 본 연구는 실내 축소 모형시험이므로, 쇄석과 같은 조립재료를 모사하기 위하여 사질토를 이용하였다. 입자크기 영향을 고려하기 위하여 입경이 다른 주문진 표준사와 굵은 모래 두 가지 재료를 선정하여 사용하였다. 각 시료의 기본물성 실험결과는 Table 1과 같다. 체가름 시험결과 입경이 작은 주문진 표준사의 입경은 0.297～0.59mm로 일반적인 쇄석에 비해 약 1/34 크기인 것으로 나타났으며, 입경이 큰 굵은 모래의 경우 약 1/8 크기인 것으로 나타났다.

또한, 상대밀도에 따른 투수시험결과 입경이 작은 주문진 표준사의 경우 투수성의 변화가 크지 않으나, 입경이 큰 굵은 모래의 경우에는 상대밀도가 증가할수록 투수성이 급격하게 감소하는 것으로 나타났으며, 상대밀도가 약 80% 이상일 경우에는 두 시료의 투수성이 비슷해지는 것으로 나타났다(Fig. 3). 이러한 결과를 참고하여 개량된 로우셀을 사용한 그라우팅 실험에서는 시료의 상대밀도를 50%와 80%로 변화시켜가며 실험을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 

Table 1. Basic properties of soil sample

Fig. 3.

Permeability of specimen according to relative density

3.2 시험 순서 및 방법

정수압을 고려한 그라우팅 주입성능 평가 실험은 시료의 포화, 상재압 및 수압 가압, 그라우팅 주입, 시료절단 및 구근확인 총 4단계로 수행하였다. 개량된 로우셀 내부에 시료를 성형하고 20kPa의 수압으로 셀 하부에서 상부로 물을 통과시켜 셀 내부 시료를 포화시킨 이후에 정해진 상재압과 수압을 가하고, 이 후 그라우트를 압력주입하였다. 그라우트 재는 일반적으로 건설현장에서 사용되는 포틀랜트 1종 보통 시멘트를 사용하였다. 실험 전, 후에 시료의 연직변위, 그라우트 주입량, 유출유량을 측정하였다. 실험 종료 후에는 셀을 탈거한 후 시료를 2등분하여 시료 내부에 형성된 구근의 크기를 측정하였다.

Fig. 4.

Measurement of the area of grouting bulb

실험적 연구 시에는 실험 시작 이전에 실험계획을 적절히 수립하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 상재압, 수압, 주입압을 다음 Table 2와 같이 변화를 주어 실험을 수행하였다. 로우셀 내에서 조성 가능한 최저 및 최고 상대밀도 값인 50%와 80%에 대하여 실험을 수행하였으며, 2가지 종류의 시료에 대하여 각 18회씩 총 36회의 실험을 수행하였다. 그라우팅 주입 시험에서는 주입시간과 물시멘트비가 중요하다. 일반적으로 주입시간은 길어질수록 주입량이 증가하나, 셀의 크기에 맞게 적정한 구근크기를 모사할 수 있는 주입시간을 선정해야한다. 또한, 물시멘트비의 경우 시멘트의 비율이 증가할수록 그라우트의 밀도와 점성이 증가하면서 주입효율이 떨어지기 때문에 적정한 비율을 선정해야한다. 이에 본 실험 이전에 주문진 표준사를 이용하여 상대밀도 50%, 주입압 150kPa, 수압 80kPa, 상재압 120kPa의 실험 조건으로 실험을 수행하여 주입시간과 물시멘트비에 따른 구근변화를 확인하였다. 그 결과, 주입시간 증가에 따라 구근의 크기도 커지지만, 주입시간이 8초 이상이 되면 구근의 크기가 셀 높이에 거의 근접하면서 구근의 크기가 더 이상 증가하지 않고 주입효율은 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 또한 물과 시멘트 비율을 1:0.5 (W/C=2)에서 1:2.5(W/C=0.4)로 변화시켜가며 실험한 결과, 물시멘트비(Water/Cement, W/C)가 클 때는 구근의 색이 희미하여 크기 확인이 어렵지만 물시멘트비가 감소함에 따라 구근의 형상이 뚜렷해지면서 크기도 증가한다. 그러나, 물시멘트비가 0.67 이하가 되면 그라우트의 밀도와 점성이 증가하여 주입효율이 감소하면서 구근의 크기가 오히려 감소하며, 물시멘트비가 0.4가 되면 그라우트의 주입이 이루어지지 않는 것으로 나타났다(Fig. 6). 이러한 결과를 고려하여, 실험을 위한 적정 주입시간은 5초, 물시멘트비는 0.67로 결정하였다. 

Table 2. Test condition

Fig. 5.

Effect of injection time

Fig. 6.

Effect of W/C ratio

4. 실험결과 및 분석

4.1 포화조건에 따른 주입효율

수중에서 수행되는 그라우팅과 지하수면 위의 지중에서 수행되는 그라우팅의 차이를 확인하기 위하여 포화상태와 건조상태에서 예비 실험을 실시하였다. 건조된 시료와 포화된 시료에서 수압을 가하지 않은(수압 0kPa) 2가지 조건에서 각각 실험을 실시하였다. 이 때 포화 조건에서는 로우셀의 배수밸브를 열어 그라우트 주입에 따라 시료내부의 물이 자유롭게 배출될 수 있도록 하였다. 실험 후, 건조된 시료와 포화된 시료에서의 구근 크기를 비교한 결과, 수압이 0kPa임에도 불구하고 수중에서 그라우트가 주입되는 경우에는 건조한 시료의 경우에 비하여 구근 크기가 약 73% 정도 감소하여 그라우팅 효율이 급격히 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 7). 이는 수중주입에서 육상주입보다 주입효율이 감소한다는 것을 의미하며, 만약 수압이 증가한다면 그 차이는 더 증가할 것으로 판단된다. 따라서, 수중주입에서는 육상에서 수행되는 일반적인 그라우팅 공법과 달리 수중조건으로 인한 그라우팅 효율 감소를 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Effect of saturation of specimen

4.2 그라우팅 주입에 따른 유출유량

그라우트 주입량과 그로 인한 유출유량을 비교하여 Fig. 8에 도시하였다. 주입량과 유출유량을 부피로 비교하였을 때 절대값으로는 유출유량이 조금 더 작게 나타났으나 이는 그라우트 주입 초기에 발생하는 오차(주입관 길이 영향, 시료내부의 잔류 공기 등)로 보이며, 주입량 증가에 따른 유출량 증가 비율(기울기)을 확인했을 때는 유출 유량과 그라우트 주입량의 증가량이 유사하며 선형적 관계를 보여준다(Fig. 8(a)). 이는 그라우트가 입자 사이로 침투하여 간극수를 밀어내면서 간극수의 유출이 발생된다는 것을 의미하며 침투그라우팅의 메커니즘을 나타낸다. 또한 입경이 작은 주문진 표준사와 굵은 모래를 비교하면, 입경이 작은 주문진 표준사에서는 동일한 주입시간 및 주입압력 조건에서 주입량이 더 작은 것으로 나타났으며, 굵은 모래에서의 주입량 대비 28.6%로 나타났다.

Fig. 8.

Comparison of injected grout and drained water

주입량과 유출량을 중량으로 비교한 결과에서는 그라우트의 비중이 물보다 크므로 주입된 그라우트의 중량이 유출된 물의 중량보다 더 컸으며, 그 기울기는 주문진 표준사 0.35, 굵은 모래 0.73으로 나타났다(Fig. 8(b)). 이 기울기의 값은 물과 그라우트(물시멘트비 0.67) 비중의 비율 1:1.69(기울기 0.6)와 비교하여 주문진 표준사에서는 주입량 대비 더 작은 유량이 유출되고 있으며, 굵은 모래에서는 주입량과 유사하거나 약간 더 큰 유량이 유출되는 것으로 나타났다. 굵은 모래에서 주입량보다 더 큰 유출이 발생하는 것은 그라우트 주입에 따라 시료가 압축된다는 것을 의미한다.

4.3 그라우트 주입에 따른 시료의 부피변화

그라우트 주입 및 간극수 유출에 따른 시료의 부피변화를 상대밀도에 따라서 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 도시하였다. Fig. 9에서 가로축의 부피변화가 양(+)의 값일 때 시료의 압축을 나타내며, 따라서 모든 실험에서 그라우팅을 실시함에 따라 시료가 압축되는 결과를 나타내고 있다. 이는 그라우트가 시료의 간극으로 침투하면서 다짐효과를 발휘하기 때문인 것으로 보인다. 굵은 모래의 경우에는 주입된 그라우트와 유출된 유량이 증가할수록 시료의 부피도 비례하여 감소하는 것으로 나타났다. 반면에 입경이 작은 주문진 표준사에서는 그 상관관계를 확인하기 어려웠으며, 상대밀도 역시 그라우트 주입에 따른 시료의 부피변화와는 큰 상관성이 없는 것으로 나타났다. 이 때 시료의 부피감소는 굵은 모래에서 조금 더 큰 것으로 나타났으며, 굵은 모래에서 약 11.0cm³, 주문진 표준사에서 약 9.9cm³의 부피감소를 보여주고 있다. 또한 이러한 결과는 Fig. 8(b)에서 굵은 모래의 경우 주입량보다 약간 더 큰 유량이 유출된 결과와도 일치한다. 즉, 그라우트 주입에 따라 시료가 압축되면서 주입량보다 큰 유출량이 나타난다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Volume change of specimen by grouting

이와 같이 시료의 체적감소와 그라우팅 주입량 및 유출 유량을 비교해본 결과, 시료의 입경이 크고 간극 사이즈가 클수록 침투로 인한 다짐효과가 증대되는 것으로 나타났다.

4.4 주입압에 따른 구근크기 비교

모든 실험에서 주입압에 따라 그라우트 주입 후 형성된 구근의 크기를 도시하면 Fig. 10과 같다. 이 때, 시료에 작용한 수압과 상재압을 각각 WP와 LP로 표시하였으며, 단위는 kPa이다. 각 실험에서 시료에 작용하고 있는 유효응력은 상재압에서 수압을 뺀 값이므로 왼쪽부터 수압과 상재압이 각각 0, 40kPa인 경우의 유효응력은 40kPa이고, 수압과 상재압이 80, 120kPa인 경우의 유효응력은 40kPa, 수압과 상재압이 150, 200kPa인 경우의 유효응력은 50kPa로 모든 실험에서 유효응력조건은 유사하다. 또한 수압을 받고 있는 지반에서 실제 그라우트의 주입이 이루어지기 위해서는 지반에 작용하고 있는 수압보다 큰 주입압이 작용해야 하므로, Fig. 10에서 수압이 0, 80, 150kPa인 3가지 경우의 유효주입압도 20∼80kPa로 거의 동일한 수준에서 변화하고 있다.

Fig. 10.

Effect of injection pressure on the volume of grout bulb

분석결과, 굵은 모래에서는 주입압 증가에 따라 구근크기가 증가하지만 그 증가율은 수압이 0kPa에서 150 kPa로 증가함에 따라 점차 감소하는 것으로 나타난다. 따라서 주입압 증가에 따른 구근크기 증가 효율은 동일한 유효응력을 받고 있는 지반이라도 수압이 증가할수록 감소한다. 하지만 주문진 표준사에서는 주입압에 따른 구근의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 입경이 작은 시료에서는 주입압을 증가시켜도 그에 따른 주입효율 증가효과가 거의 없다는 것을 의미한다.

4.5 유효주입압에 따른 주입효율

앞절에서 설명한 바와 같이 주입압이 커도 수압이 그 이상으로 크면 그라우트는 지반내에 주입될 수 없다. 따라서 실제 주입을 유발하게 되는 순수 주입압은 주입압과 수압의 차이로 나타낼 수 있다. 이 때, 주입압과 수압의 차를 유효주입압으로 정의하고 전체시험에 대하여 유효주입압과 구근의 크기를 상대밀도에 따라 Fig. 11에 도시하였다.

Fig. 11.

Comparison of grout bulb size by effective injection pressure

그림에서 굵은 모래는 유효주입압 증가에 따라 구근의 크기도 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 상대밀도가 50%에서 80%로 증가는 경우에는 유효주입압 증가에 따른 구근의 크기 증가량이 줄어든다. 즉, 상대밀도 증가에 따라 주입효율이 감소하는 것으로 나타났다. 반면에 주문진 표준사는 유효주입압이 증가해도 구근의 부피 증가가 크지 않으며, 상대밀도 80%인 경우에는 오히려 유효주입압을 증가시켜도 구근 부피가 감소하는 것으로 나타나, 유효주입압이 그라우팅의 주입효율에 미치는 영향이 매우 적은 것으로 나타났다.

동일한 실험결과를 주문진 표준사와 굵은 모래로 나누어 각각 수압에 따라 도시하였으며, 그 결과는 Fig. 12와 같다. 그림에서 확인할 수 있는 것과 같이 유사한 유효주입압 범위에서 주문진 표준사는 수압에 따른 구근의 부피 변화 경향성을 확인하기가 어려워 수압의 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 반면에 굵은 모래에서는 수압이 증가함에 따라 회귀선의 기울기가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이 때 상대밀도가 50%인 굵은 모래는 수압이 0kPa에서 150kPa까지 증가함에 따라 그래프에서 회귀선의 기울기가 13.97에서 5.65까지 60%가량 감소하였고, 상대밀도가 80%인 굵은 모래는 수압 0kPa에서 80kPa까지는 기울기가 미소하게 증가하기도 하지만 150kPa까지 증가함에 따라 기울기가 7.56에서 2.21로 70%까지 감소하는 것으로 나타났다. 상대밀도와 수압 변화에 따른 회귀선의 기울기는 Table 3에 정리한 것과 같다. 따라서, 정수압을 받는 굵은 모래에서는 동일한 유효주입압으로 그라우팅을 실시한다고 하여도 수압(수심) 증가에 따라서 주입효율이 감소한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 12.

Comparison of grout bulb size by effective injection pressure (Effect of water pressure and relative density)

Table 3. Gradient of regression line

5. 결 론

본 연구에서는 정수압을 고려한 그라우팅의 성능을 분석하기 위하여 정수압을 고려할 수 있는 실험장비를 개발하였으며, 개발된 장비를 이용하여 주입압, 상재압, 수압, 상대밀도를 고려한 실험적 연구를 수행하였다. 그라우트 주입에 따른 시료의 연직변위, 주입량, 유출유량, 구근크기를 측정하고, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1)포화조건과 건조조건에서 그라우트 주입에 따른 구근크기를 비교한 결과, 포화조건에서 그라우트가 주입되는 경우에는 건조한 시료의 경우에 비하여 구근 크기가 감소하며 그라우팅 효율이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 수중주입에서는 육상에서 수행되는 일반적인 그라우팅 공법과 달리 수중조건으로 인한 그라우팅 효율 감소를 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.

(2)그라우트 주입량과 유출유량을 비교한 결과, 그라우트 주입량과 유출유량의 증가량이 유사하며 선형적 관계를 나타낸다. 이는 그라우트가 입자 사이로 침투하여 간극수를 밀어내면서 간극수의 유출이 발생된다는 것을 의미하며 침투그라우팅의 메커니즘을 나타낸다. 또한 입경이 작은 주문진 표준사와 굵은 모래를 비교하면, 입경이 작은 주문진 표준사에서는 동일한 주입시간 및 주입압력 조건에서 주입량도 더 작은 것으로 나타났으며, 굵은 모래에서의 주입량 대비 28.6%정도로 나타났다.

(3)그라우트 주입에 따른 시료의 부피변화를 비교한 결과, 모든 실험에서 그라우팅을 실시함에 따라 시료가 압축되는 결과를 보여주며, 이는 그라우트가 시료의 간극으로 침투하면서 다짐효과를 발휘하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 굵은 모래의 경우에는 주입된 그라우트와 유출된 유량이 증가할수록 시료의 부피도 비례하여 감소하는 것으로 나타났다. 반면에 입경이 작은 주문진 표준사에서는 그 상관관계를 확인하기 어려웠으며, 상대밀도 역시 시료의 부피변화와는 큰 상관성이 없는 것으로 나타났다.

(4)주입압에 따른 구근의 크기를 비교하면, 굵은 모래에서는 주입압 증가에 따라 구근의 크기가 증가하지만 그 증가율은 수압이 증가함에 따라 점차 감소하였다. 반면, 주문진 표준사에서는 주입압에 따른 구근의 크기 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 즉, 입경이 큰 지반에서는 주입압 증가에 따라 주입효율이 증가하고 그 증가 효율은 수압 증가에 따라 감소하지만, 입경이 작은 지반에서는 주입압을 증가시켜도 그에 따른 주입효율 증가 효과가 거의 없다는 것을 확인할 수 있다.

(5)굵은 모래는 유효주입압 증가에 따라 구근의 크기도 선형적으로 증가하지만 상대밀도가 증가하면 주입효율이 감소하는 것으로 나타났다. 반면에 주문진 표준사는 유효주입압이 증가해도 구근의 부피 증가가 크지 않으며, 유효주입압이 그라우팅의 주입효율에 미치는 영향이 매우 적은 것으로 나타났다.

(6)본 연구는 이상적인 조건의 실내 축소모형실험 결과이므로 실제 현장적용성 및 정수압에 따른 주입효율을 정량적으로 제시하기에는 한계가 있다. 그러나 정수압을 받는 조건에서 그라우팅 공법을 적용하기 위한 합리적인 설계 방법이나 그 영향에 대한 연구가 아직까지 부족한 실정임을 감안하였을 때 정수압 조건의 그라우팅 메커니즘에 대한 기초 연구로서의 의미가 있다고 판단된다. 추후 대형 실험이나 현장실험이 추가적으로 수행될 수 있다면, 실제 정수압 하에서 그라우팅 설계에 적용가능한 설계법 및 정수압에 따른 주입 효율 고려방법의 제안이 가능할 것으로 판단된다.