C.P.R공법을 활용한 지반보강 효과에 관한 연구

Abstract

Compaction Grouting Method is widely used for the reinforcement of foundation ground and soft ground. More specifically, thanks to its excellent effectiveness in the entire construction industry (e.g. the prevention of the subsidence of buildings, the reinforcement of the foundation ground for new port and the prevention of subsidence of soft ground), Compaction Grouting Method has been widely used both at home and abroad; yet it has been developed through field experiences rather than theoretically due to its complex engineering properties and ground conditions. Compaction Grouting Methods pumps the low liquidity mortar into the ground, reinforcing the soft ground and forming homogeneous hardened grout(i.e. multiple effect). However, since the grout is groundless, this method has the disadvantages of being vulnerable to shearing force, not being able to transfer the surface load to bearing layer due to the restricted formation of bulbs in the ground of heterogenous particle sizes and causing the surface lift and the displacement of peripheral structures due to the excessive injection rate ignoring soil conditions. To resolve these problems, a method of installing rebars or carbon-fiber rods in the grout has been developed with the aim to improve the shearing force and transfer the surface load to the bearing layers. This method is called C.P.R (Compaction grouting Compound Pile with Reinforcement) method and its excellent effectiveness as an alternative to compact but strong piles such as micro-pile, file, helical file and screw pile has been proved. The purpose of this study is analyze the bearing capacity of C.P.R pile with improved vertical force and shearing force through pumping low-liquidity mortar into the ground to compact and reinforce the peripheral ground and form cylindrical columnar structure and installing rebars as stiffening members at the same time. To achieve this purpose, the author formed the compaction grouting piles(D400 and D500) in the multi-layered ground and inserted SD300 rebar. To ensure the quality of test injection, the injection amount and pressure were monitored using CAMS (Compaction grouting real time automatic monitoring system). For for strength of CPR pile, the author applied ≥12.0 N / ㎟ conservatively, and formed 4 test piles and 10 reaction piles to use as reaction for load test piles. The test results showed that N value of standard penetration test increased 16% ∼ 63% after construction, indicating the compaction effect of peripheral ground increased the relative density. The behavior of injection material was analyzed using a strain meter. The phenomenon of the flow of injection material into the buried layers and sedimentary layers with low relative density was identified from stress variation values. For 4 test piles, compression load test was conducted. In this test, the suggested allowable material strength was 436 kN and 648kN for D400mm and D500mm respectively. However, the allowable bearing capacity based on DMX turned out to be 489kN(D22) and 522kN(D25) for D400m and 565kN(D22) and 591kN(D25) for D500mm. When BS was applied, the allowable bearing capacity was 366kN(D11) and 376kN(D25) for D400mm, and 482kN(D22) and 510kn(D25) for D500mm. The shape of test pile bulb for test specimen #4 was measured. The results showed that large bulbs were formed in the ground with relatively low N value, whereas small bulbs were formed in the ground with relatively higher V value or neat ground surface. When the measured cross sectional area was applied to the strain rate of axial load transfer test, in the case of C.P.R piles, the bulbs formed excessively in the soft ground bear the majority of the transferred load and the skin friction force sharpy increased due to the increase cross-sectional area of bulbs, resulting in loose load transfer in the next depths. Dynamic Load Test was also conducted to analyze the allowable bearing capacity. The results of CAPWAP analysis indicated 397.9 kN ∼ 510.3 kN which were lower than 433.5 kN ∼ 638.0 kN by Davisson's Method( 80%-91%). When this result was compared with the allowable bearing capacity from Compression Load Test, it was underestimated by 90kN and overestimated by 73kN, implying that this error was caused by the irregular cross section of C.P.R piles during Dynamic Load Test. The allowable bearing capacity obtained from Pull-out Load Test was analyzed. The results showed that in the case of the allowable bearing capacity based on 15% displacement, it was 250.3kN and 243.6kN for D400mm specimen and 346.7kN and 350kN for D500 specimen, implying that if the planned allowable bearing capacity is pullout capacity, it will be smaller than 300kN by 50kN for D400 and smaller than 450kN by 100kN for D500mm. The author analyzed the test results in this study; devised methods to increase the strength of injection materials and the stiffness of piles and applied these methods to 2 building foundations in conducting Dynamic Lead Test. As a result, the allowable bearing capacity of 824.2 kN ∼ 831.5 kN and 578.6 kN was derived from Site A and Site B respectively. These results indicated that it was smaller than the hydrostatic allowable bearing capacity prescribed in Architectural Structural Design Guidelines (95.9%∼97.7%). However, if it is divided into ‘end bearing capacity’ and ‘skin friction force’, the end bearing capacity is overrated (more than 200%) whereas the skin friction force is underrated (96%) or rated similarly. The bearing capacity of C.P.R piles was analyzed through applying a numerical analysis. The results showed in both Compression Test and Pull-out Test, the maximum displacement took place in the vicinity of the surface whereas the minimum tool place from the half-way point in the buried layer, which is the similar tendency to the results of Axial Load Transfer Test. Various test results for C.P.R piles test specimens were analyzed. The results showed that the load transfer did not take place until the end due to the properties of C.P.R piles whereas the bulbs were formed excessively in the relatively soft layers. Thus, considering the stability more compared to the conventional hydrostatic bearing capacity, the author suggests the hydrostatic equation for C.P.R piles as follows: , wherein the end bearing capacity constant is reduced to 5.0 and the skin friction force constant is increased to 0.36. However, considering the properties of C.P.R piles, there is the necessity of accumulating a wide range of data with varied ground properties values, injection material strength and quantity of reinforcement members. Ultimately, it is required to calculate the correlation function which fits the properties of the ground in Korea through aggregating a large amount of data.

|기초지반 보강 및 연약지반 보강공법으로 널리 사용되는 컴팩션그라우팅(Compaction Grouting)은 국내·외에서 건축물 침하 방지, 신설 항만 구조물 기초 지반 보강, 연약지반 침하방지 등 건설 전 분야에서 그 효용의 우수성 때문에 널리 사용되고 있다. 하지만 복잡한 공법특성과 지반 조건 등으로 이론적인 발전보다는 현장의 경험 사례를 통해 발전이 이루어 졌다. 컴팩션그라우팅은 저유동성 몰탈을 지반에 압송시켜 느슨한 지반을 압축 강화시키고 균질한 고결체를 형성시키는 복합적인 효과를 얻을 수 있는 공법이다. 하지만 이 공법은 주입재가 무근 형태라는 점에서 전단력에 취약하고, 입도가 불균질한 지반에서 구근이 제한적으로 형성되어 상재 하중을 지지층까지 전이시키지 못하며, 토질조건을 무시한 과도한 주입률로 인한 지표면 융기와 주변 구조물의 변위를 초래하는 단점들을 가지고 있다. 이러한 문제들을 근본적으로 해결하고자 전단력을 향상 시키고 복잡한 지층 구조에서도 상재 하중을 지지층 까지 전이 시킬 수 있는 방법으로 주입재에 철근이나 탄소섬유봉 등을 설치하는 방법이 연구 개발 되었다. 이것이 C.P.R 공법(Compaction grouting Compound Pile with Reinforcement)으로서 마이크로 파일, 헬리컬 파일, Screw파일 등 강소 말뚝 대용으로 그 품질의 우수성을 입증 받았다. 본 연구의 목적은 지중에 저유동성 모르타르를 압입하여 주변지반을 압밀 강화시켜 원주형의 기둥체를 형성함과 동시에 보강재인 철근을 설치하여 연직력과 전단력이 향상된 C.P.R 말뚝의 지지력 특성을 파악하기 위함이다. 이를 위하여 매립층과 퇴적층으로 이루어진 다층지반에 직경 D400과 D500 크기의 컴팩션그라우팅 말뚝을 형성 시킨 후 SD300 철근을 삽입하였다. 주입과정 중 주입량과 주입압력 은 CAMS(Compaction grouting real time automatic monitoring system)를 이용하여 실시간으로 모니터링하여 시험 주입에 대한 철저한 품질관리를 하였다. C.P.R 말뚝 재료의 강도는 보수적으로 적용하여 ≥12.0 N/㎟으로 계획하였고, 4공의 시험 말뚝과 재하시험시 반력으로 이용하기 위하여 반력 말뚝 10공을 형성시켰다. 시험 결과에 의하면 시공 전·후 표준관입시험 N값은 시공전보다 16 % ∼ 63 % 증가되어 주변지반 다짐효과로 인한 상대밀도가 증가된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 주입 중 변형률계를 이용하여 주입재의 거동을 파악한 결과 상대적으로 상대밀도가 낮은 매립층과 하부 퇴적층으로 주입재가 유동하는 현상을 응력 변화값으로부터 확인되었다. 4공의 시험말뚝에 대하여 실시한 압축재하시험에서 허용재료강도가 D400 mm의 경우 436 kN, D500 mm의 경우 648 kN으로 제시되었으나 전침하량기준 허용지지력은 D400 mm의 경우 489 kN (D22)과 522 kN (D25), D500 mm의 경우 565 kN (D22)과 591 kN (D25)으로 나타났다. 또한 영국 BS기준을 적용하면 허용지지력은 D400 mm의 경우 366 kN (D22)과 376 kN (D25), D500 mm의 경우 482 kN (D22)과 510 kN (D25)의 결과값으로 나타났다. 시험체 4번에 대한 시험말뚝 구근 형상을 실측한 결과, 상대적으로 N값이 작은 지반에서의 구근은 크게 형성되었고, 지표면 부근과 N값이 큰 지반에서는 구근 단면이 작게 형성되는 현상이 관찰되었다. 실측된 단면적을 축하중전이시험의 변형률을 적용해본 결과, C.P.R 말뚝은 연약한 지반에 과대하게 형성된 구근이 전이하중 대부분을 부담하고, 증가한 구근 단면적으로 인하여 주면마찰력이 큰 폭으로 증가하여 이후 심도에서 하중전이가 느슨하게 이루어지는 것으로 판단된다. 동재하시험으로 허용지지력을 파악한 결과, CAPWAP분석 결과에 따르면 허용지지력은 397.9 kN ∼ 510.3 kN으로 Davisson's 방법에 의한 허용지지력 433.5 kN ∼ 638.0 kN보다 80 % ∼ 91 % 낮게 형성되었다. 이를 압축재하시험의 허용지지력과 비교해보면 90 kN 과소 또는 73 kN 과대평가되었으며, 이는 C.P.R 말뚝의 불규칙한 단면 특성상 동재하시험시 발생하는 오차로 판단된다. 인발재하시험에 의한 허용지지력을 고찰한 결과, 15 % 변위기준 허용지지력에 따르면 D400 mm 시험체는 250.3 kN과 243.6 kN, D500 mm 시험체의 경우 346.7 kN과 350.3 kN으로 나타났다. 이는 계획된 허용지지력이 인발력 D400인 경우 300 kN보다 50 kN적게, 그리고 D500인 경우 450 kN 보다 100 kN 작게 나타남을 의미한다. 본 연구 목적을 위한 시험에서 획득된 자료들을 분석한 후 주입재의 강도 증대와 말뚝의 강성을 증대시키는 방법을 고안하여 두 곳의 건축구조물 기초 현장에 적용하여 동재하시험을 실시하였다. 그 결과 A현장에서는 824.2 kN ∼ 831.5 kN, B현장에서는 578.6 kN의 허용지지력 결과값이 도출되었다. 이 결과는 건축기초구조설계지침의 정역학적 허용지지력 값보다 95.9 % ∼ 97.7 % 적지만, 이를 선단지지력과 주면마찰력으로 나누어 보면 선단지지력은 200 %이상 과대평가, 주면마찰력은 96 %과소 또는 비슷하게 평가됨을 알 수 있다. 수치해석을 적용한 C.P.R 말뚝의 지지력 특성을 파악한 결과, 압축시험과 인발시험 모두 지표면 부근에서 최대 변위량, 매립층 중간지점부터는 최소 변위량이 발생된 것으로 나타났다. 이는 축하중전이시험의 결과와 비슷한 경향을 보였다. C.P.R 말뚝 시험체에 대한 다양한 시험의 결과값을 고찰한 결과, C.P.R 말뚝 특성상 선단까지 하중전이가 이루어 지지 않고 상대적으로 연약한 층에 과대하게 구근이 형성되는 특성을 보였다. 따라서 기존 정역학적 지지력보다 안전적인 측면을 고려하여 선단지지력상수를 5.0으로 감소, 주면마찰력 상수를 0.36으로 증대시킨 C.P.R 말뚝을 위한 정역학적 이론식 제시하고자 한다. 하지만 C.P.R 말뚝 특성을 고려해 볼 때, 향후 지반 물성값, 주입재의 강도, 보강재의 수량 등을 달리한 다양한 자료를 축적할 필요성이 있다. 궁극적으로 다량의 자료를 종합하여 국내 지반 특성에 적합한 말뚝 지지력 함수관계식을 산정해야 할 것으로 사료된다.