그라우팅시 설계는?
1. 그라우팅의 종류
(1) 시험 그라우팅
① 대개의 경우 주입공의 설계는 이미 완성한 필댐의 실적이나 설계의 기준에 의해 정하는 것이 일반적이다. 그러나 대규모 또는 중요한 현장에서는 시공 전 계획을 수립하기 위해 반드시 시험(pilot) 그라우팅의 과정을 거쳐 결정해야 한다.
② 기초암반의 상태에 따라 주입재의 확산범위는 차이가 있으므로 시험구간을 정하여 시험주입한 후 수압시험(lugeon test) 등으로 주입효과를 판정하여 공 간격과 주입량을 결정한다.
③ 시험주입은 정해진 방법이 있는 것은 아니지만 중간내삽법, 정삼각형 중앙내삽법, 2열 정삼각형 중앙내삽법, 정사각형 중앙내삽법 등이 있다.
(2) 컨솔리데이션 그라우팅
① 필댐체와 접하는 암반이 이완되어 담수 후 침투류 발생과 필댐체의 하중에 기초변형이 일어날 우려가 있는 부분에는 암반의 변형성 개량과 지지력 증가효과가 있다. 특히 균열․파쇄대 등의 틈이 많은 부분과 단층구간에 대하여 중점적으로 설계한다.
(3) 커튼 그라우팅
① 필댐 기초에서 누수되는 물을 최대한 차단하여 양압력을 줄이고 파이핑 발생을 방지하기 위해서 기초 암반의 깊은 심도까지 커튼 그라우팅을 설계한다.
(4) 블랭킷 그라우팅
① 침투로 장을 길게 할 목적으로 커튼 그라우팅에 연접하여 설계한다.
② 풍화되거나 파쇄된 암석 또는 수평의 층상 암석층에서 커튼 그라우팅만으로는 지수․보강효과를 거둘 수 없을 때 함께 연접 설치한다.
2. 천공계획
(1) 천공기
① 회전식 시추기는 BX 구경으로 150 m 이상 천공 할 수 있는 능력이어야 하고 동력은 20 HP 이상, 회전수는 1,200 rpm 이상이어야 한다.
② 충격식 장비로 컨솔리데이션 주입공 또는 커튼 주입공을 천공토록 설계한 경우에는 설계심도를 무리 없이 천공할 수 있는 능력이어야 하며, 암분의 비산과 슬라임의 원활한 배제를 위해 습식으로 천공할 수 있는 구조이어야 한다.
③ 천공기는 작업장의 조건, 지질여건, 천공심도, 천공구경, 작업내용 등을 고려하여 선정한다. 롯드의 연결․절단이 신속하여야 하고 360°임의의 각도로 천공할 수 있어야 하며 이동이 자주식이어야 할 뿐 아니라 암실에 따라 빗트의 회전속도를 조정할 수 있어야 한다.
④ 안전사고가 발생이 적은 제품을 선정하고 천공의 편차발생을 줄일 수 있는 부대장치가 확보되어야 한다.
(2) 천공 구경
① 토사층의 천공구경은 BX, 암반층은 AX로 설계하나 암반층의 조사공과 검사공은 BX로 계획하는 것을 원칙으로 한다. 그러나 주입재의 침투상태를 확인코자 하는 경우는 NX 이상의 구경으로 설계한다.
② 천공장비의 성능, 스라임의 효과적인 배제, 주입직전의 옥내세척의 용이성, 패커사용 여부, 공내 붕락가능성, 암석 상태, 천공경사각, 천공심도 등을 고려하여 정한다.
③ 특히 검사공에서 절리, 균열 등에 주입된 주입재의 상태를 확인하고자 할 때는 최소 NX로 천공한다. 그러나 천공수의 압력 분사와 코어바렐의 진동으로 인해 주입재가 제거되어 확인이 어려울 때가 많다. 개보수나 성토과정에서 그라우팅을 할 때는 점토층은 BX구경 이상으로 하여야 하며, 자갈이나 호박돌이 많은 경우에는 케이싱타입 및 주입관 설치를 위해 최소 NX구경으로 하여야 하며 때로는 150 ㎜ 구경 이상으로 천공을 해야 할 때도 많다.
(3) 천공방향
① 커튼 그라우팅의 천공방향과 천공각도는 절리계의 방향과 경사 그리고 실제 가능한 시공성에 의해 정한다.
② 주입공은 절리를 직각으로 절단하는 방향이 바람직하다. 그러나 절리계가 여러 방향성을 가질 때 각각의 절리를 이상적으로 절단할 수가 없으므로 각 절리의 중요도, 투수성, 시공성을 감안한 절충방향을 택해야 한다.
③ 현장에서 단순한 절리계 일 때는 숙련된 기술자는 적정한 경사 방향과 경사도를 결정할 수 있으나 복잡한 절리계 일 때는 스테레오네트(stereo net) 또는 하반구등면적투영법으로 작성하여 이를 정한다.
④ 컨솔리데이션․블랭킷 그라우팅에서는 특별한 사유가 없는 한 수직천공을 한다. 수직공을 천공할 때는 적절한 보조장치를 이용하여 수직도를 유지해야 한다.
⑤ 절리의 경사가 30~60°범위일 때는 수직천공으로 쉽게 절단되어서 주입재 확산 효과가 좋으며, 수평절리나 수직절리보다 들림 현상도 거의 없다.
⑥ 수직절리가 발달된 곳에서는 경사천공으로 설계해야 한다.
3. 투수시험
(1) 시험방법
① 토사층에서는 변수 위시험법이나 패커투수시험법 적용을 원칙으로 하며, 암반층의 투수시험은 패커투수시험법이나 수압시험법으로 하며 하향식으로 싱글패커를 사용해야 한다. 시험구간(stage)은 지층이 변할 때마다 1회씩 함을 원칙으로 하고, 동일 지층에서 2~5m 범위(심도상) 마다 시험토록 한다.
(2) 펌프, 수량계, 압력계의 규격
① 펌프는 시험방법에 따라 다르나 기본조사․실시설계 조사공의 투수시험과 시험 그라우팅 때는 100~200L/min 이상의 송수능력이 있어야 하고 여러 단의 기어가 장착되거나 엔진의 속도조절로 송수량이 조절되어야 한다.
② 수량계는 흡입․배출구경이 25~40 ㎜이고 200L/min 이상을 측정할 수 있는 “디지털” 형태이어야 한다. 압력계는 눈금단위가 0.01 MPa인 것을 사용하고 오일을 충전한 안전장치(gauge saver)가 부착되어야 한다. 이때 수량계와 압력계는 나란히 배열되어야 하고 지면에서 1 m 정도 높게 설치한다.
(3) 시험압력과 시간
① 시험심도 m당 투수시험 압력은 토사층에서는 0.011 MPa, 암반층은 0.023 MPa를 기준으로 하나, 암반층은 변위가 일어나지 않는 한 조금 높게 적용한다.
② 수압시험은 낮은 압력→중간 압력→높은 압력→중간 압력→낮은 압력의 5단계로 하며, 시험시간은 압력단계별로 5~10분으로 한다.
③ 패커투수시험은 압력별로 안정이 이루어진 후 5분 간격으로 압력과 주수량이 3회 이상 같은 값이 될 때까지 한다.
(4) 변수위시험법
① 토사층의 경우 실시하는 시험법으로 시험 예정구간 윗부분까지 천공한 후 케이싱을 타입하고 시험구간만큼 더 파낸다. 케이싱 내의 물을 퍼내거나 주수한 후의 시간별 수위변화를 측정하여 투수계수를 산출하는데, 구경이 작은 케이싱을 사용하므로 공내의 물을 퍼내기가 어려워 대개 케이싱 정부까지 주수한 후 수위변화를 측정한다. 케이싱과 공벽사이의 공간은 그라우팅을 하여 이 사이로 물이 들어가지 않게 한다. 이 방법은 지층이 점토 또는 실트질 점토로 이루어진 구간에서 시험구간이 무너지지 않을 경우에 사용할 수 있다.
(5) 패커 투수시험법
① 균열성 암반의 투수성을 평가하기 위하여 일반적으로 널리 이용되고 있는 현장 투수시험방법으로서 시추공 내 일정한 길이의 주수구간에 압력수를 주입하고 주수량과 주수압의 관계를 이용하여 그 구간의 투수계수를 구하는 방법이다.
② 투수시험은 천공이 끝난 후 특정한 구간의 상하 2개소에 패커를 설치하여 주수 하는 더블패커(double packer) 방식이 있고 천공을 하는 과정에서 필요한 구간을 정하여 시험하는 싱글패커(single packer) 방식이 있다.
4. 수압시험
(1) 수압시험(lugeon test)
공내에 물을 넣어서 투수도를 구하는 방법으로 1 Lu는 10 bars의 압력에서 시험구간 1m당 1L/min의 주수량이 들어가는 조건의 투수도를 의미한다. 1 Lu는 그라우팅이 거의 되지 않을 정도로 수밀 하여 물이 새지 않을 정도의 지반상태이며, 10 Lu는 필댐 형식에 관련 없이 불균질 한 지층에서는 대개의 경우 그라우팅을 한다. 100 Lu는 절리가 심하게 발달되었을 뿐 아니라 절리의 틈이 개구상으로써 주입수가 다량 들어가는 지반상태이다.
(2) 시험방법
① 시험방법은 패커 투수시험 방법과 동일하며 시험구간은 5 m 정도로 하나, 낮은 필댐에서는 짧게 잡는 것이 투수성 지층 심도를 정확하게 파악할 수 있어 그라우팅계획이 과다해지지 않게 된다.
② 펌프는 패커투수시험에서 처럼 200L/min의 능력이 있는 것을 사용해야 하며 여러 단의 기어가 장착된 것이거나 엔진의 속도를 조절하여 회전수가 빨라질수록 펌프의 송수능력이 증가하는 것을 반드시 사용해야 한다.
(3) 적정시험압력
① 시험압력은 낮은 압력→중간 압력→높은 압력→중간 압력→낮은 압력의 5단계로 실시한다. 시험압력은 높은 압력을 적용하여도 암반에 변위나 파쇄가 발생하지 않는다면 최대 10 bars까지 올려 볼 수 있다.
② 경험법칙으로는 치밀한 암반에서는 최대 시험압력을 심도 m당 0.023 MPa이 적당하며 임질이 불량할 때는 더 적은 압력을 적용한다.
③ 지표면 또는 터파기면에 가까운 얕은 심도나 연암에 높은 압력으로 주수 하면 지반이 교란되므로 적은 압력을 적용하고 Lu값을 보정하여 산출한다.
④ 단계별 시험압력은 주입수가 정류(steady flow)된 상태에서의 압력을 의미하며, 실제 이처럼 안정이 될 때까지는 10분 정도 소요된다. 단계별 실제 시험시간은 5~10분으로 하는데 조사공의 경우에는 일반적으로 10분 정도가 바람직하다.
(4) Lu값과 그라우팅 시공범위 설계
① Kutzner(1996)는 암반에서 실시한 투수시험자료, 시공경험 및 시멘트 주입량으로부터 그라우팅 시공범위를 정하는 기준을 제안하였다. 즉 제안된 값의 Lu값보다 더 높은 투수성을 보일 때는 그라우팅을 시공하도록 설계한다.
② 대개 지반개선 목표 Lu값은 높은 필댐, 특별한 위험이 있다고 예상되는 경우 및 상부 터파기면을 포함한 표층부에는 낮은 값을 적용하고, 낮은 필댐과 심부 지수커튼에는 비교적 높은 값을 적용한다.
5. 주입장비
(1) 혼합기
① 혼합기는 동력 25 Hp 이상, 1,500 rpm 이상의 고속․고전단 믹서로써 주입재료가 완전히 분리될 수 있는 것을 현장 투입하도록 설계한다.
(2) 교반기
① 100 rpm 이상이어야 하며 1조의 용량이 200L이고 토출 관지름은 50 ㎜ 이상이어야 한다. 수직축에 2조의 페달이 장착되어야 하며 가장 아래쪽의 페달은 드럼의 바닥 가까이에 부착된 것이어야 한다. 또한 주입량을 측정할 수 있는 계심장치가 있어야 하며, 교반기는 뚜껑이 없어서 육안으로 주입속도를 관찰할 수 있는 구조이어야 한다.
(3) 주입펌프
① 펌프는 교반기에 담긴 주입재를 빨아서 주입배관을 통해 주입공까지 보내는 역할을 하는 것으로 종류가 다양하다. 이들은 밸브가 있는 것과 밸브가 없는 것 두 가지로 나누어진다. 밸브가 없는 주입펌프에는 나선형 로터(helical rotor) 펌프, 와권(centrifugal) 펌프가 있으며 밸브가 있는 것에는 피스톤(piston) 펌프, 다이어프럼(diaphragm) 펌프, 램(ram) 펌프 등이 있다.
② 주입도중 압력의 변동이 적은 피스톤 펌프, 나선형 로터 펌프, 다이어프램 펌프 등을 사용하고 배출압력 2.5 MPa 이상, 배출량 70L/min 이상, 배출 관지름 50 ㎜ 이상을 사용하도록 설계한다.
(4) 주입장착장치
① 주입량 조절시스템에는 주입재를 주입공 내로 들어가게 하는 주입량 조절밸브, 순환배관에서 주입공 내로 들어가지 않고 교반기로 되돌아가게 하는 리턴밸브, 그라우팅이 끝난 후 주입재 역출방지를 위한 역출방지밸브가 있다. 이외에도 주입공 내의 물과 빈배합의 주입재를 지표로 배제하는 브리더밸브와 교반기와 주입펌프 사이에서 양을 조절하는 밸브가 있으며 주입펌프에서 직관으로 주입재를 배출시키는 곳에도 밸브를 설치한다.
(5) 패커
① 패커에는 기계식(mechanical)과 팽창식(inflated) 두 가지가 있는데, 기계식은 부드러운 고무로 만든 슬리브(sleeve)가 팽창하여 공벽에 밀착될 수 있도록 고안된 장치인데 지표에서 나사를 조이면 고무가 길이방향으로 팽창하여 공벽에 부착된다. 팽창식은 조그마한 튜브로 공급되는 압축공기, 질소 또는 수압으로 인하여 고무가 팽창되도록 하는 장치이다.
6. 주입재료
(1) 주입재료로써 요구되는 기본성질
① 주입재료는 지반의 토립자 공극이나 암반의 절리 등에 침투성이 높아야 한다. 즉 주입재료의 입자가 작아야 한다.
② 그라우트중의 입자는 균등하게 분산하고 블리딩 현상이 적으며 유동성이 좋아야 한다.
③ 고강도가 발현되고 수밀성과 내구성이 좋아야 한다.
④ 주입재료에는 흙이나 지하수를 오염시키는 물질이 포함되지 않은 무공해라야 한다.
⑤ 경제성이 있어야 한다.
⑥ 주입대상지층의 물성과 유사해야 한다.
(2) 물
① 현탁액이나 약액에 들어가는 물은 주입재의 고결이나 최종 특성에 유해한 영향을 미치는 물질 즉 칼륨이나 나트륨염이 많이 용해되었거나, 강산․강알칼리 성분의 물은 사용하지 말아야 한다.
② 유기물질이 함유되지 않은 깨끗한 것을 사용해야 한다. 음용수나 생활용 수로 사용할 수 있는 정도이면 만족하며 특별한 주변여건으로 유해한 성분이 함유되었을 것으로 의심이 되면 수질시험 분석을 해야 한다.
③ 주입수로 사용되는 물의 온도는 10~37 ℃이어야 한다.
(3) 시멘트
① 포틀랜드 시멘트는 5가지 종류가 있으며 제1종은 보통포틀랜드 시멘트로 재료값이 싸서 그라우팅 재료로 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 내화학성이 떨어진다.
② 제2종은 중용열 포틀랜드 시멘트로 1종에 비해 수화열 발생 및 건조수축이 적다.
③ 제3종은 조강 포틀랜드 시멘트로 2주 정도에 강도가 발현되어야 하는 긴급한 그라우팅에 사용되며 다른 포틀랜드 시멘트에 비해 입경이 작기 때문에 미세한 공극의 주입재료로 사용하기도 한다.
④ 제4종은 저열 포틀랜드 시멘트로 제2종에 비해 수화열이 적고 제1종에 비해 강도실현이 늦으며, 그라우팅 재료로는 일반적으로 사용치 않으나 높은 수화열이 있어서는 안 되는 대용량의 그라우트주입에 사용된다.
⑤ 제5종은 내황산염 포틀랜드 시멘트로 황산염이 많은 토사나 지하수가 있을 때 사용하는 것으로 강력한 내황산염 그라우트 재료이다. 그러나 최근에는 내화학성 시멘트로 고로슬래그 시멘트나 플라이애시 시멘트 등 혼합시멘트가 일반적으로 더 많이 사용되는 경향이 있다.
⑥ 시멘트에 대한 더 자세한 사항은 KS L 5201 포틀랜드 시멘트를 참고한다.
(4) 초미립자 시멘트
① 주입재료의 입자가 작을수록 침투성이 좋아진다.
② 분말도 6,000 ㎠/g 이상인 콜로이드시멘트 또는 8,000 ㎠/g 이상인 건식 마이크로시멘트를 사용하거나, 습식분쇄장치에서 초미립 화한 습식시멘트를 사용할 때는 제품의 분말도를 포함한 물리적 특성 분석표를 제출하도록 시방서에 명기하여야 한다.
③ 마이크로 시멘트나 콜로이드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해서 장기강도 및 초기강도가 매우 우수하다. 따라서, 주입공사 시 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 주입성이 좋고 고강도가 발현된다.
(5) 벤토나이트
① 벤토나이트는 함수비 12 % 이하, 입도는 No. 200체(0.074 ㎜) 잔류량이 25 % 이하, 팽윤도(㎖/2g) 20 이상의 Na형-벤토나이트나 활성벤토나이트를 설계해야 한다.
② 벤토나이트 1 ㎏에 물 10L 비율로 첨가하여 고속믹서에서 수분 간 혼합한 후 10~24시간 동안 수화된 것을 사용하고, 사용량은 설계서에 정한 비율 이하로 사용하며 믹서에 투입하는 순서는 벤토나이트 슬러리를 넣고 다음에 물을 넣으며 나중에 시멘트를 넣는 것으로 공사 시방서에 명기해야 한다.
(6) 모래
① 모르타르용 모래입도는 No. 16체(1.19 ㎜)를 통과하여야 하며 No. 100체(0.149 ㎜)를 통과하는 세립질이 25 % 이하일 때는 주입재의 운반능력이 떨어지므로 세립질을 첨가해야 한다. 사용하려는 모래는 입도분석을 하여야 하며 결과에 따라 벤토나이트 등의 혼화제 사용여부를 검토해야 한다.
② 모래는 입도분석 결과에 따라 벤토나이트 등의 혼화제 사용 여부를 검토해야 한다. 혼화재 첨가 없이 모래：시멘트 = 2：1 정도의 모르타르 주입이 한계점이다. 더욱이 주입장에서부터 주입공까지의 거리가 100 m 이상으로 멀거나 주입장보다 높은 위치에 주입할 때는 주입배관이 막히는 등 시공상에 어려움이 대단히 많다.
(7) 주입재료의 선정
① 암반에 대한 주입재료는 보통 포틀랜드 시멘트로 설계하는 것을 원칙으로 한다. 주입성을 증대시키기 위해 벤토나이트를 소량 첨가할 수 있는데 시멘트 중량의 4 %를 초과해서는 안된다.
② 시험그라우팅 때 미세절리로 인하여 지반개선 효과가 개량 목표치 이하 일 경우에는 초미립자 시멘트 설계를 고려한다.
③ 암반의 강도 및 내구성을 향상하기 위해서는 포틀랜드 시멘트 현탁액을 주입하는 것이 가장 바람직하다.
보통 포틀랜드 시멘트의 최대입경은 100 ㎛, 국내산 마이크로 시멘트의 최대입경은 24 ㎛이므로 주입이 가능한 암반균열의 최저폭은 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우 300 ㎛, 마이크로 시멘트를 사용한 경우 70 ㎛ 수준이 된다.
④ 보통 포틀랜드 시멘트보다 더 세립질인 주입재료를 쓰거나 규산소다 등의 약액을 사용하여 지수해야 할 정도이면 그 암반은 대단히 양호한 상태이므로 그라우팅 처리가 필요 없을 수 있다.
⑤ 그러나 미세절리로 인하여 보통 포틀랜드 시멘트입자가 침투되지 않았다고 판단이 되면 다른 주입재 약액을 사용하는 것으로 검토되어야 할 것이다.
⑥ 이때 미세절리구간과 심도에만 초미립자 시멘트를 사용하거나, 설계주입량의 20~30 % 정도를 초미립자 시멘트를 반영하여 현장 주입과정에서 적절하게 사용토록 한다.
⑦ 벤토나이트 사용은 부배합에서는 2 %, 빈배합에서는 4 % 정도를 사용하는 것이 좋다.