□ 연구목적

 

본 연구의 목적은 기존에 설치된 주택을 경제적으로 내진성능을 보수하기 위해 택지 지반에 마이크로버블수(MB수)를 주입하여 지반을 불포화화함으로써 액상화 대책을 도모하는 공법의 확립, 보급을 목표로 하며, MB수의 실제 지반에의 주입방법 유효성과 지반 내의 잔류공기(불포화화)의 지속성을 검증하는 것이다.

 

본 연구에서는 실제 지반에 MB수 주입을 수행하고, 지반 내의 불포화화의 상태를 계측함과 동시에 시간 경과에 따른 포화도의 변화를 일정기간 정기적으로 계측하는 것으로 MB수 주입공법의 유효성과 지속성을 검증한다.

 

□ 연구내용

 

본 연구는 지반의 불포화화 공법에 대하여 실제 지반에 마이크로버블수를 이용하여 주입을 수행하여 불포화화의 상태를 계측함과 동시에 시간경과에 따른 포화도의 변화를 일정시간 정기적으로 계측함으로써 마이크로 버블 주입공법의 유효성과 지반 내 공기잔류의 지속성을 검증한다.

 

□ 연구개요

 

실제 지반실험은 목적별 실험을 다음의 3가지 경우로 나누어 수행한다. 각 경우의 목적과 방법은 다음과 같다.

 

(A) 마이크로버블수 주입에 의한 실제 지반의 포화도 변화의 실측

2중관 버블패커 주입법(이중관법)에 의한 MB수 주입 시의 지반 내 침투성 확인 및 주입 후의 내구성 조사를 주목적으로 한다.

 

실험은 이중 주입관을 중심으로 주입침투 범위에 TDR 토양수 분계 및 비저항 전기탐사를

설치하고, MB수 주입 시의 포화도를 계측하며, 거리와 심도 방향의 포화도 변화를 조사한다. 또한, 근방에서의 보어 홀 카메라(bore hole camera)에 의해 지반 내부를 촬영하여, 지반 내 기포의 모습을 관측한다.

 

(B) 저층주택의 지반을 상정한 불포화화 시행

폭 6m의 저층주택으로 가정하여 주택 지반의 포화도를 저하시키는 것을 목표로 한다. 실험은 기존 설치된 주택의 지반에서 포화도를 저하시키는 것이 목적이기 때문에 주택 대지부분으로부터 주입하지 않고, 주택 측면 부분에 이중관을 경사로 삽입하여 주입한다. 또한, 실용화를 위해 쉽게 시공이 가능한 MINI-RAM Sounding을 이용하여 주택 측면부에 주입한다. 주택부지 내에 설치한 TDR 토양 수분계 및 비저항 전기탐사에 의해 주택 하부의 포화도 변화 조사와 주입방법에 의한 시공성 등도 조사한다.

 

(C) 불포화상태의 지속성 실측

상기(A), (B)의 MB수 주입된 시험지반에 대하여 주입 후의 포화도를 계측하고, 지반 내 공기의 잔류상태를 확인하는 것을 목적으로 한다. (A), (B)에서 사용한 포화도 계측기를 이용하여, 가능한 한 장기적으로 계측한다.

 

 

(그림) 계측 개요도

 

  

□ 연구사이트의 토질조건 검토

 

시험지반은 나까가와 저지대의 남동쪽, 시모우사 대지와 접해 있으면서 남쪽으로 흐르는 에도가와의 하천변에 위치하는 N값 20 이하의 충적층이다. 지반구성은 지표면에서 GL -1.3m까지는 에도가와로부터 채취한 모래질이 주성분인 매립토로 그 이하는 N값 1~2의 실트질의 가는 모래층이 0.95m, 모래질의 실트층이 0.9m 존재한다. 이번에 MB수 주입의 대상이 되는 모래질 지반층은 GL. -3.15m에서 GL. -5.9m까지 층 두께 2.75m의 가는 입자가 적은 실트질의 모래지반으로 평균 입경이 약 0.18mm인 지반이다. 또한 N값은 얕은 부분에서는 10 이하이었지만, 심도가 깊을수록 20 정도로 크게 된다. 주입 대상층 밑의 GL. -5.9m 정도의 지반은 점성이 높은 N값 0의 모래가 섞인 실트층이 된다.

 

또한, 건축기초구조지침(2001년 개정)에 기초하여 산출한 대상층의 FL값을 보면, MB수 주입 대상층은 손상한계 시가 1.0 정도, 종국한계에서는 0.7~0.8 정도이다. 또한, 지표면 수평 가속도값은 손상한계 200Gal, 종국한계 350Gal로 하고, 미세입자가 35% 이상의 층은 대상 외로 하였다.

 

한편, 침수시험 계측 결과를 보면, k=9×10^-5(cm/s)로 모래질 토양으로서는 낮은 측정치를 나타내었다. 또한, 광범위하게 MINI-RAM Sounding 시험과 비저항 전기탐사를 수행한 결과를 보면, MINI-RAM 시험에 의한 N값의 결과와 표준 관입시험 결과는 같게 나타났으며, 각 조사지점에서도 거의 값에 변화가 나타나지 않았다. 또한, 비저항 전기탐사 결과에서도 지층이 비교적 수평으로 나타났기 때문에 시험 지반은 수평성층이라고 판단되었다.

 

시험기간 중 지반 내에 설치한 간극수압에서 구한 지하수위와 국토교통성 홈페이지에 게재되어 있는 나가레야마(流山)에서의 하천수위 변화를 보면, 보링 조사에서의 지하수 수위와 나가레야마의 하천수위는 약 0.4m 지하수위가 높고, 지반 내에 설치된 수압계(PWP1~PWP4)의 환산 지하수위에서도 나가레야마의 하천수위보다 약 2m 지하수위가 높게 되었다.

 

이것에 의해 시험기간 중 지하수가 주입대상 모래층까지 내려가지 않았다고 판단된다. 또한, 나가레야마의 1989년부터 2010년까지의 수위결과를 정리한 것을 보면, 나가레야마에서의 하천수위가 주입대상 모래층까지 내려간 흔적은 없고, 실제로 산고(三郷)의 지하수위는 하천수위보다 높아 주입 대상층이 과거에 불포화화 된 경우는 없다고 말할 수 있다.

 

□ 마이크로버블수의 주입방법 검토

 

이중관 주입법은 액상화 대책 등에 이용되는 약액 주입공법의 일종이다. 이 방법은 주입내관(주입 로드)과 체크밸브가 있는 주입외관(φ40 염화비닐관)의 이중관으로 이루어져 있으며, 주입수 체크밸브의 깊이로 주입로드의 주입구 상하에 부착한 팩커를 부풀림으로써 소정의 깊이까지 주입이 가능하다. 또한, 외관은 seal grouting을 수행함으로써 주입 시 관 주변의 주입수 분출을 방지한다. 이중관 주입법은 1개소당 6L/분 정도의 유량으로 안정되게 주입할 수 있다. 경사주입에서도 시공과 주입이 가능하다는 것이 확인되었다.

 

MB수 주입에서는 주입 시의 송수배관 내 기포의 정체를 방지하기 위한 마이크로버블 발생장치(MBG)에 의해 압력하에서 생성된 고농도 공기 용존수를 지반주입 전에 MB를 발생시킴으로써 MB발생 노즐을 주입로드 끝에 설치하였다.

 

한편, 이중관 주입공법과 비교하여 쉽게 주입할 수 있는 사운딩 콘을 이용하는 방법으로서 MINI-RAM로드 주입공법을 실시하였다. MINI-RAM로드 주입법은 주입 초기단계에서 약간의 누출이 발생하였으나, 주입속도 8L/분 정도로 이중관 주입과 같은 유량으로 주입할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 지하수를 양수하여 이용함으로써 마이크로버블수를 생성 및 주입하는 것이 확인되었다.

 

  

(그림) 실험 전경

 

  

□ 주입 시의 지반 포화도 계측

 

포화도는 주입 초기에 증가하는 결과가 계측되었으나, 계속 주입함에 따라 감소하였다. 삽입식 TDR(Time Domain Reflectometry)로 계측된 주입 대상층의 최종적인 평균 포화도는 E1에서 0.5m 떨어져(TDR1) 85% 정도, 1.5m 떨어져(TDR2) 90% 정도, 4.0m 떨어져(TDR3) 95% 정도가 되었다. 또한 TDR1에서는 주입 깊이 부근의 가는 모래층에서 70% 정도까지 저하되고, 상층의 실트(silt)층에서 약간 포화도가 크게 되었으며, 표층 가까이의 가는 모래층에서 70% 정도까지 저하되었다. 또한, TDR2에서는 주입층의 상부에서 포화도가 크게 되어 윗쪽으로 퍼져 확산된 것으로 예상된다.

 

보어 홀 카메라는 연직이중관 주입 E1에서 500mm 떨어진 장소에 있으나, 지반 내를 MB수가 지반 중의 틈을 빠져 나와, 수 밀리미터에서 30밀리미터 정도의 기포를 생성하고, 기포가 지반 중에 정체하고 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 어느 정도 기포가 생성되면 공기의 부력이 높아지고, 공기길이 만들어져 위쪽으로 부상하는 현상도 보였다.

 

심도방향에서는 대상 모래층의 위쪽 GL-3.35m 부근에서 큰 기포도 관측되었다. 이것은 실트층이 두껑이 되어 기포가 대류하는 것으로 생각된다. 또한, 주입 깊이 GL-4.35m보다 낮은 위치에서도 기포가 확인되었으며 관측공 전체에서도 기포가 관측되었다. 이것은 전체적으로 MB수가 널리 영향을 미치는 것으로 생각되지만, 관측공의 주변을 관측을 위해 봉인재료로 봉인하지 않고, 규사로 막아 놓았기 때문에 관측공 자체가 공기길이 되어 있는 것도 고려되었다.

 

주입직후에는 이동하는 기포도 많으나, 주입 후 발생한 기포도 확인되었다. 주입 후의 사후관측에서는 기포의 변화는 거의 없으며, 지반 중의 포화도도 안정된 것으로 생각된다.

 

주입 시의 지반 포화도는 마이크로버블수 주입 개시 직후부터 저하하기 시작하여 주입개소에서 수평으로 0.5m 떨어진 곳에서는 주입량 3m³ 정도로 저하된다는 것을 알게 되었다. 또한, 1.5m 떨어지더라도 주입량 3m³ 정도, 4.0m 떨어지면 5m³ 정도의 포화도 결과가 나타났다. 주입대상 모래층에서 포화도의 평균치는 주입장소로부터 0.5m 떨어지면 85%, 1.5m 떨어지면 90%, 4.0m 떨어지면 95%가 되었다. 포화도의 저하거동에서 주입장소로부터 떨어지면 침투방향이 위로 되는 것이 관측되었다. 따라서, 이번 실제 지반 실험 지반 조건에서는 목표 포화도를 90%로 하면 주입범위는 수평방향으로 1.5m 정도로 1개소당 3m³ 정도의 주입으로 불포화 개량이 가능하다고 생각된다.

 

□ 지반 포화도의 정기적 계측 실시

 

사후 계측은 계측오차와 기상조건에 의한 영향을 피하여 자료를 취득하기 때문에 보다 세밀한 간격으로 계측할 필요가 있으며, MB수 주입 후 1일 후, 2일 후, 7일 후, 14일 후, 20일 후, 40일 후, 60일 후, 100일 후, 120일 후, 140일 후 합계 11회 수행되었다.

 

지반의 포화도는 마이크로버블수에 포함된 용존공기가 석출함으로써 주입 후 2주간 정도까지 저하되는 것이 관측되었다. 장기적 지속성에 관해서는 어느 정도의 불포화도를 확보하면 주입정지 직후 수 퍼센트 저하되나, 그 후는 거의 보합상태가 되는 경향이 관측되었다.

 

이번 실험사이트가 하천부지이며, 지하수(복류수)를 고려해야 하고, 폭우에 의해 2번의 관수(冠水)가 있었다는 것 등 불포화 상태의 내구성에는 엄격한 조건이었으나, 150일 정도까지 불포화상태가 거의 유지되었다는 것이 확인되었다.

 

□ 본 연구의 결과를 다음과 같이 정리하였다.  

 

(1) N값 10 정도까지 가정한 택지 지반에 이중관 주입법 및 MINI-RAM 주입법에 의해 마이크로버블수를 주입할 수 있다는 것이 확인되었다.

(2) 주입범위는 목표 포화도를 90%로 하면 주입량 3m³이며, 수평방향에는 1.5m 정도였다.

(3) 잔류공기의 내구성에 대해서는 주입으로부터 150일까지의 기간에는 불포화 상태가 유지된다는 것이 확인되었다.

 

앞으로의 과제로서는 공법의 실용화를 위해 보다 저비용의 주입방법과 마이크로버블수 주입량과 포화도 저하의 관계를 정량적으로 평가하는 방법, 불포화도를 관리하는 방법을 검토할 필요가 있다.

 

▣ 원문제목 : 宅地地盤液状化対策のためのマイクロバブル水注入工法 による地盤内注入空気の持続性計測    

      

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 목적

2. 실험계획

3. 실험 사이트의 토질조건 검토

4. 마이크로버블수의 주입방법 검토

5. 주입시 지반 포화도 계측

6. 지반 포화도 정기적 계측 실시

7. 마무리