1. 공법 개요
가. 개요
▪ 느슨한 모래 또는 점토로 구성된 연약한 지반에서 SCP공법은 모래 지반에서는 진동 및 치환에 의해 느슨한 모래를 조밀한 모래로 재배열 시켜주고 점토 지반에서는 지지력 증대와 SCP를 통한 배수 효과로 압밀 시간 단축 등 지반의 공학적 성질을 개선 시켜주는 방법입니다.
▪ 국내 해상 공사에서 연약층이 깊은 지역에서 시공 사례가 가장 많으며 특히, 부산 신항은 SCP 시공 지역이라 해도 과언이 아닙니다. 이와 같이, 많은 사례를 통한 노하우 축적에도 불구하고 최근 들어 모래 수급 문제와 모래 채취로 인한 환경 문제는 풀어야 할 과제로 남아있습니다.
나. 일반적인 특징
▪ 다짐과 보강 및 압밀배수를 기본원리로 하고 있어 거의 모든 지반에 적용 가능합니다.
▪ 다짐 모래말뚝의 응력분담과 배수효과로 인해 잔류침하 조기 완료와 압밀 침하량 저감효과를 기대할 수 있습니다.
▪ 많은 시공사례 통한 공법검증이 이루어졌습니다.
▪ 충격식의 경우 진동과 소음이 진동식에 비해 크므로 도심지 공사나 인근 위험구조물이 있는 경우에는 사용성이 불리합니다.
▪ 점성토 지반의 경우 N=10이상에서는 계획한 말뚝직경으로 확공하기가 어렵고 시공효율이 떨어져 공기지연의 요인이 됩니다.
다. 적용 분야
▪ 시멘트 계열의 개량 공법(기계교반, 분사교반, 약액주입 등)들은 기초보강 및 차수 등이 가능하나 다짐말뚝공법의 경우는 안벽, 방파제, 박스암거, 교대, 탱크, 관거, 옹벽 등의 구조물 기초보강을 위해 주로 사용되고 있으며 느슨한 사질 지반에서는 액상화 방지 목적으로도 사용됩니다.
2. SCP 공법 설계 개념
가. 설계흐름
나. 단면결정 방법
1) 결정 방법
▪ SCP 설계시 먼저 구조물 재하중의 응력분포범위를 포괄할 수 있는 범위 결정 후 그 범위 내에서 안전율을 만족시킬 수 있는 대표적인 개량율을 결정한 후 응력분담비 등이 산출되면 안정검토를 위한 설계정수가 결정되며 선정된 단면검토를 하게 됩니다.
▪ 설계단면 계획시 최근에는 융기토 처리방법과 표층부에서 구속압 감소로 인해 모래말뚝 형성이 어려운 점 등을 중점적으로 해결하기 위해 하부기초 단면 안을 선정하게 됩니다.
2) 개량단면 결정
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| 그림 1. 굴착형 |
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| 그림 2. 굴착배제형 |
▪ 위 단면들은 SCP 시공후 융기토 처리문제와 지표아래 1~2m지점에서 모래말뚝 확공이 어려움 점들을 해결하기 위한 단면형식들입니다.
▪ 안벽과 같이 항로 준설깊이가 깊고 하중이 큰 구조물이 놓이게 되는경우는 대부분 굴착형으로 시공되고 있습니다.
▪ 굴착형은 지표하 일정 깊이까지 SCP말뚝을 형성하고 융기된 원지반을 말뚝상단부까지 준설한 후 쇄석이나 모래를 포설하여 수평배수층 역할을 하게 만드는 형식입니다.
▪ 이 방법은 공정이 굴착배제형보다 복잡하고 모래말뚝과 원지반의 경계부까지 제거하는 과정에서 모래와 원지반 혼합이나 미굴착부 발생 등으로 인해 배수에 문제가 발생될 가능성이 있습니다. 그러나, 굴착배제형에 비하여 정량화된 단면검토가 가능한 이점이 있습니다.
▪ 굴착배제형의 경우 원지반 상부에 미리 수평배수층(쇄석, 모래)을 포설한후 SCP말뚝을 수평배수층까지 시공하므로 준설로 인한 원지반토와 혼입을 방지할 수 있습니다.
▪ 또한, 인근지역에 융기토를 처리할 투기장이 없는 경우 융기토 처리로 인한 비용절감 및 각종 문제점을 해결할 수 있습니다. 그러나, 설계 시 융기토 높이 추정이 어려워 원호활동이나 압밀침하 산정결과에 대한 신뢰성이 낮습니다.
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| 그림 3. 부상형 |
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| 그림 4. 착저형 |
▪ 일반적으로 남해지역과 같이 연약한 점성토층 아래에 사질토층이 존재하게 되는 경우 지지층인 사질토층까지 시공하는 착저형이 주로 사용되어야 하나, 서해지역과 같이 지층형성이 매우 복잡하고 양호한 강도(N치)를 갖는 점성토층이 사질토층 이전에 출현하게 되는 경우는 부상형으로 시공될 수 있습니다.
▪ 이처럼 부상형으로 시공되는 경우는 SCP시공능력과 관련이 있는데 SCP의 일반적인 시공가능 강도는 점성토의 경우 N=10이하로 지반 강도가 큰 경우 말뚝 개량체 확공이 어렵고 시공효율이 낮아지기 때문입니다.
다. 설계정수 결정
1) 개요
▪ SCP기초단면의 안정 검토시 검토항목은 원호활동과 압밀침하량으로 점성토와 모래의 중간적 성질을 갖는 복합지반으로 놓고 산정하게 됩니다.
▪ 따라서, 복합지반으로 산정하는 경우 변환된 C, Ф, γ 값을 사용하나, 이 과정은 개량율에 따른 응력분담비와 산정방식이 아직 명확히 마련된 기준들이 없어 설계자에 따라 차이가 발생될 수 있습니다.
▪ 모래말뚝의 내부마찰각 선정(항만 및 어항설계기준)
| 개량율 As(%) | As = 40 이하 | 40 ~ 70 | 70 이상 |
| 내부마찰각(Фs) | 30 | 30 | 30 ~ 35 |
모래말뚝개량체의 내부마찰각은 개량심도에 따른 구속압과 개량율에 따라 다르나 위에서 제시한 값들은 현장실측자료와 유사한 범위에 있습니다.
▪ 응력분담비(n) (항만 및 어항설계기준)
| 개량율 As(%) | As = 40 이하 | 40 ~ 70 | 70 이상 |
| 내부마찰각(Фs) | 30 | 30 | 1 |
| 응력분담비 개념도 | 산정방법 |
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σs= μs σ=nσ/{1+(n-1)as} σc= μc σ=nσ/{1+(n-1)as} 여기서, as = As/A, n = 응력분담비 μs = 응력집중계수 μc = 응력감소계수 |
응력분담비는 위에 제시한 값들과 차이가 있으며, 여러 현장조건에 따라 바뀔 수 있습니다.
그러나, 제시된 응력분담비는 하한값 범위이라 생각 됩니다.
이는 저치환율에서 안전측 설계를 유도할 수 있게 해줄 것으로 보입니다.
▪ 복합지반 설계정수
| 구분 | 산정방법 |
| 복합지반 전단강도 | C = (1-As)×(C0+ μcㆍΔC) Ф = tan-1(μ s·As·tanφp) |
| 복합지반 단위중량 | γt = As γt + (1-As) γc : 습윤단위중량 γs= As γs + (1-As) γc : 포화단위중량 |
저치환인 경우 위 복합지반 전단강도식을 이용하여 점착력과 내부마찰각을 각각 산정할 수 있으나, 고치환인(70%이상)경우 점착력 없이 내부마찰각 30의 일정한 사질토로 평가하는 경우도 있으나 준설 후 안정에 이상이 없다는 것이 입증된 것이어야 합니다. (항만 및 어항설계기준)
라. 안정성 검토 방법
▪ 다짐말뚝들의 거동은 일반적으로 모래와 점토가 혼합된 복합지반과 단일말뚝 자체를 검토하게 됩니다. 복합지반해석은 주로 모래다짐 말뚝 해석에 사용되는데 일본과 국내에서 주로 사용되고 있습니다.
▪ 단일말뚝에 의한 말뚝자체 거동특성 감안방법은 주로 유럽, 미국 등에서 SC(Stone Column)공법 설계시 적용하고 있으나 SCP해석에도 단일말뚝 파괴에 대한 검토를 하고 있습니다. 하지만, 여전히 단일말뚝 검토를 생략하는 경우도 많습니다. 복합지반의 안정 계산에는 Mohr-Coulomb의 전단강도식을 사용하게 됩니다.
1) 원호활동 해석기법
▪ 복합지반에서 사면활동 해석법으로는 가상지층 설정법과 평균전단강도법이 있는데 국내와 일본에서는 평균전단강도법이 보편화 되어 있습니다.
▪ 이는 평균전단강도법의 해석결과가 가상지층 설정법에 비해 보수적인 결과가 산출되며, 해석과정이 보다 간편하기 때문일 것입니다.
| 구분 | 평균전단강도법 | 가상지층설정법 |
| 개념도 |  |
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| 특징 | ▪ 말뚝과 원지반의 복합지반 거동해석임 ▪ 개량지반의 전단강도를 산정하기 위해 모래와 점토지반의 개량율에 비례하여 각각의 전단강도를 가중 평균 후 정수 산정 ▪ 전단강도 산정을 위해 응력분담비 결정이 해석에 큰 영향을 미침 |
▪ 모래다짐말뚝을 보강재로 고려하여 말뚝 각각의 개체를 위치별로 모델링후 해석 하는 방법 ▪ 2차원 해석시 말뚝체의 평면변형율 조건을 고려하기 위해 말뚝체를 등면적을 갖는 폭 W의 모래벽체로 치환하며 말뚝체가응력 분담되는 것을 고려하기 위한 가상지층을 제방과 원지반 사이에 설치 |
2) 복합지반에서 지지력 검토
▪ 일반적으로 SCP공법으로 개량된 지반의 지지력은 복합지반으로 놓고 해석하게 되며 해석방법으로는 하중분산법과 Bishop법에 의한 편심경사하중법을 사용하고 있습니다.
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| 그림 5. 편심경사하중법 | 그림 6. 하중분산법 |
3) 단일말뚝 파괴 형태
▪ SCP공법으로 시공된 말뚝의 지지력은 위에서 언급한 바와 같이 편심경사하중법과 하중분산법으로 검토하고 있으며 말뚝자체 파괴에 대한 검토방법으로는 SC(Stone Column)공법에서 사용된 벌징파괴(Bulging failure), 전단파괴(Shear failure), 관입파괴(Punching failure), 퍼짐(Spreading)검토가 있습니다.
가장 일반적인 파괴형태는 벌징파괴로 보며 SCP검토시 벌징파괴를 주로 검토하게 됩니다.
▪ 벌징파괴 검토식으로는 Vesic(1972)과 Hughes & Withers(1974), Brauns(1978), Hansbo(1994)등이 있습니다.
| 파괴 형태 | 벌징파괴(Bulging Failure) | 관입파괴(Punching Failure) |
| 개념도 |  |
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▪ 벌징(팽창)파괴 : 저개량율이면서 말뚝길이가 직경에 비해 긴 경우개량체 상부 선단부 약 2~3D(직경)에서 말뚝체가 팽창하면서 주저앉게 되는 파괴
▪ 관입파괴 : 말뚝길이가 짧으면서 강도가 약한 지반에 지지되어 있는 경우에 말뚝이 관입 되듯이 파괴
| 파괴 형태 | 전단파괴(Shear Failure) | 퍼짐(Lateral Spreading) |
| 개념도 |  |
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▪ 전단파괴 : 지지층이 단단하고 개량율이 높은 경우에 주로 발생
▪ 퍼짐 : 개량지반 상부에 하중재하시 편심하중에 의해 측방거동되면서 원호파괴 되는 것
4) 압밀 침하량 산정법
▪ SCP공법의 경우 SD(Sand Drain)공법과 비교했을 때 다짐 된 모래말뚝 특성에 의해 SD보다 응력이 크게 집중되므로 SD공법에 비해 침하량이 적습니다.
다짐 시 진동 등에 의해 주변 지반의 교란 정도는 SCP공법이 크므로 압밀 기간에서 차이가 발생됩니다.
▪ 압밀 진행에 따라 원지반의 강도는 증가하는데 SD에 비해 SCP의 강도 증가량이 작습니다.
이는 SCP개량체가 SD에 비하여 많은 응력을 분담하기 때문으로 원지반에 전달되는 하중 증가량이 적어지기 때문입니다.
▪ 압밀 침하량을 산정하기 위해 사용되는 방법은 Aboshi(1979)과 Barksade(1981)에 의해 제시된 평형법(근사법)과 priebe방법이 있으며, 일반적인 침하 산정법은 응력분담비에 의해 복합지반의 침하량을 산정하는 평형법 입니다.
▪ 평형법에 사용된 가정사항은 아래와 같습니다.
- 등가유효원주 개념이 전 지반에 적용
- 등가유효원주에 가해진 상재하중은 점토와 모래말뚝에 발생한 응력의 합과 같다
- 모래말뚝과 점토의 침하량은 같다
- 상재압에 의해 모래말뚝에 유발된 응력은 말뚝 전길이에 걸쳐 일정하거나 압축지층을 몇 개의 요소로 분할하였을 때 요소 내에서 일정하다
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| 그림 7. SCP 공법의 침하저감율 | 그림 8. 압밀계수의 수정계수 |
▪ 평형법의 압밀침하량 산정방법
복합지반의 침하량과 무처리지반의 침하량 비를 침하감소계수 β라고 하며 SCP개량지역의 압밀침하량은 원지반의 침하량 Sof에 침하감소계수 β를 곱하여 구하게 됩니다.
침하저감계수는 저치환 개량에서는 응력분담효과, 고치환 개량에서는 치환효과를 기대하며 아래와 같은 식을 사용하게 됩니다.
- 저치환개량의 경우 : β = 1/{1+(n-1)as}
- 고치환개량의 경우 : β = 1-as
저치환과 고치환 평가기준을 50%로 하는 문헌이 있으나 이에 대한 명확한 기준은 없습니다.
따라서 운영시점에서 천단고 산정을 이와 같은 근사적인 이론 식으로 구하는 것은 여러 가지 위험성을 내포하게 됩니다. 그러나 현재 설계 기술력의 한계라 어쩔 수 없다고 생각됩니다.
따라서, 필히 계측관리를 병행하여 구조물 안정과 침하관리를 하여야 합니다.
▪ 압밀경과시간
SCP공법은 대구경의 모래말뚝을 조밀하게 다짐하게 되므로 교란에 의한 원지반의 Cv값보다 낮아지게 됩니다.
또한, 치환율이 높을수록 침하저감계수는 작아져 침하 속도는 늦어지게 됩니다.
다짐에 의해 교란된 지반의 압밀속도 회복을 위해 1~3개월이 필요하다고 하나 틱소트로피에 의한 강도회복효과가 압밀속도 증가와 어떤 역학적 관계가 성립되는지 서로 생각해봐야 할 것입니다.
마. 확인조사계획 수립
▪ SCP개량 말뚝의 시공품질확인을 위해 시공전, 시공중, 시공후 확인 조사를 하게 됩니다.
▪ 품질관리 항목은 주로 모래다짐말뚝의 구근형태 및 지지층 착저상태, 강도확인, 다짐말뚝의 치환율 등이 있습니다.
▪ 일반적으로 실시하는 시험은 기본물성시험, 강도시험(삼축, 일축, 현장베인 등)이며 확인보링에 의해 SCP시공상태를 확인하게 됩니다.
3. 치환율 및 배치방식 검토
가. SCP 치환율 시공사례
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| 그림 9. SCP 공법 개량율 시공사례 |
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| 그림 10. 지역별 SCP 시공비율 |
위 그래프에서 보듯이 부산항과 부산신항 지역이 국내 연안지역의 주요 SCP시공 지역임을 알 수 있습니다.
또한 개량 비율은 71%가 전체 개량율의 약 60%를 차지하고 있습니다.
이와 같이 고치환율(71%)이 높은 이유는 SCP공법이 주로 안벽케이슨과 같은 중력식구조물에 적용되고 있으므로 구조물 안정성 확보와 침하문제를 해결하기 위해 고치환율을 적용하였기 때문이라 생각됩니다.
준설토 투기장의 경우는 제체형식이 일반적으로 사석경사식이므로 침하 순응범위가 중력식 케이슨 구조물에 비해 넓습니다. 따라서, 안벽보다 낮은 약 40%가 사용되어 오고 있습니다.
이 밖에도 15%~40%의 저치환 개량율로 적용되는 사례로는 육상구간과 서해지역과 같이 개량 대상지반의 강도가 어느 정도 발휘되는 연안지역이 대부분입니다.
저치환율 적용 시 문제는 고치환율에 비해 압밀특성이나 모래와 원지반의 응력분담비 등 해명되지 않은 불확실한 요소들로 인한 개량 후 지반의 안정에 대한 신뢰성 결여라 할 수 있겠습니다.
나. 배치 형태에 따른 치환 능력
▪ 배치형태
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| 정방형 배치 | 삼각형 배치 | 평행사변형 배치 |
| 그림 11. 배치형태 | ||
▪ 고치환 개량시 확공효율이 좋은 개량율 배치
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| 그림 12. 사각형 배치 | 그림 13. 평행사변형 배치 |
SCP 배치형태로는 배열이 단순하고 계산과 수량 산출이 간단하여 시공성이 양호한 정사각형 배열이 많이 사용되고 있으나 고치환 개량의 경우 워낙 치환 밀도가 높아 다짐에 의한 SCP개량체의 확공에 어려움을 겪고 있습니다.
따라서, 해상 지역에서 고치환율로 적용되는 일반적인 확공지름이 1.6m, 2.0m인 지역에서는 정사각형 배열보다 확공변위가 약 20% 더 큰 평행사변형 배치가 시공 효율이 높습니다.
그러나, 육상 지역이나 저치환 해상 공사에서는 확공에 의한 효율이 큰 문제가 없을 것이지만 40% 이상에서는 개인적으로 시공 효율을 높이기 위해 평행사변형 형식이 유리할 것으로 생각합니다.
육상 지역은 저치환율로 모래말뚝 지름이 60~80cm(약70cm)로 시공되고 있습니다.
해상 공사 점성토 지반 개량 시에는 100~200cm (160cm, 200cm)이며 해상 공사에서 모래 지반은 80~120cm가 일반적인 개량체 지름입니다.
4. 융기량 산정 방법
▪ 현재 SCP시공에 의해 발생되는 융기토 발생량을 추정하는 방법으로 경험식에 의한 추정식이 일반적으로 사용되고 있습니다.
▪ 아래는 경험식과 부산지역 시공사례 분석을 통해 각 이론식의 서해지역과 남해지역에서 적용 가능성을 추정한 결과를 정리한 것입니다.
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| 융기고(H) = μ·as·B·l/(B+Ltanθ) 여기서, μ(융기율) = 2.803 /ㅣ+ 0.356 ·as+0.112 |
L : 지표에서 모래말뚝 저면 까지 길이(m) l : 실제 타설길이(m) as : 개량율(%) B : 모래말뚝 개량폭(m) |
준설매립과 지반환경(지반공학회, 2004) - 추정식 1
| 개량율 범위 | 융기고 산정(L = 평균개량체 길이) |
| as < 0.4 | H=(0.3/0.7) ×(0.2+0.23 ×L) |
| 0.4 ≤ as＜0.6 | H=(0.5/0.7) ×(0.2+0.23 ×L) |
| 0.6 ≤ as | H=(0.2+0.23 ×L) |
신기술 신공법 품셈(2003) - 추정식 2
▪ 부산신항 SCP 시공현장 융기고 검토
| 현장명 |
개량율
(%) |
개량 두께
(m) |
융기고(m) | |||
| 추정식 1 | 추정식 2 | 실측 | ||||
| 북컨 준설토 투기장(2공구) | 71 | 16.3 | 2.17 | 3.94 | 4~5 | |
| 부산신항 민자부두 | 71 | 21.5 | 4.18 | 5.15 | 6~8 | |
| 33.5 | 4.72 | 7.91 | 8~10 | |||
| 부산 준설토 투기장 | 수변 | 40~65 | 47.5 | 2.08 | 4.77 | 4 |
| 조망B | 46.0 | 2.07 | 4.62 | 4.4 | ||
| 조망A | 29.5 | 1.86 | 2.99 | 3.5 | ||
| 생태 | 22.0 | 1.73 | 2.25 | 2.5 | ||
두 식을 실측값과 비교 검토한 결과 [추정식 2]가 실측값 에 근접하고 있음을 볼 수 있습니다. 그러나, 일반적으로 실무에서 사용하고 있는 방법은[ 추정식 1]로서 실측값과는 많은 차이를 보이고 있음을 알 수 있습니다.
부산신항의 경우 고소성의 점토지반이 매우 깊게 형성되어 있으므로 서해지역과 같이 실트질 성분이 우세하여 체적변화율이 적은 지역에 비해 융기고가 높습니다. 따라서, 위 경험 식들을 국내 전 지역에 동일하게 적용하기에는 문제가 있습니다.
따라서, 남해지역과 서해지역의 특성에 따라 추정식1과 추정식 2를 적정히 구분하거나 보정하여 사용하는 것이 바람직 할 것입니다.
5. SCP, GCP의 역학적 특성에 대한 시험비교
가. 시험개요
▪ 본 검토 결과는 대형토조시험에서 산출된 결과를 사용한 값으로 현장 시공 결과와 차이가 있을 수 있습니다.
▪ 시험에 사용된 재료는 욕지사와 쇄석(4.75mm통과, 4.75mm~ 6.7mm, 6.7mm~9.52mm)으로 저치환율은 35%, 고치환율은 72%로 시험했습니다.
▪ SCP재료인 욕지사와 GCP재료인 쇄석에 대하여 압밀시험과 지지력 시험을 실시하였으며 시험 결과에 따른 공법의 거동 특성에 대해 비교 정리했습니다.
나. 압밀특성
▪ 시험 검토내용은 침하저감계수, 간극비, 압밀도 90%에 도달되는 소요시간, 침하저감계수를 결정짓는 응력분담비 등입니다.
▪ 입경별 최종침하량
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| 그림 14. 치환율 35% |
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| 그림 15. 치환율 72% |
▪ 치환율 35%, 72% 모두 욕지사가 쇄석에 비하여 최종침하량이 작으며 해석 시 입경이 클수록 대체로 침하량이 커지고 있습니다. 이는 기본적으로 쇄석 입경이 커지면 지지력이 세립토가 조립토보다 클 것이라는 일반적인 생각들과 차이를 보이는 결과입니다.
▪ 이처럼 쇄석보강 말뚝의 지지력이 작은 이유는 재료입경이 커짐에 따라 공극이 크고 말뚝 시공 시 다짐에 의한 밀도 증가보다 압밀압력에 의한 하중이 훨씬 커짐에 따라 간극의 재배열성이 커지기 때문으로 판단됩니다.
또한 치환율이 높을수록 최종 침하량은 작아짐을 볼 수 있습니다.
▪ 입경별 응력분담비
응력분담비는 치환율이 50%이하의 저치환에서 뚜렷한 차이를 보이고 있으므로 고치환율 결과는 참고로 하여야 할 것입니다.
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| 그림 16. 욕지사 |
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| 그림 17. 4.75mm 통과 쇄석 |
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| 그림 18. 4.75mm ~ 6.7mm |
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| 그림 19. 6.7mm ~ 9.52mm |
▪ 응력분담비는 개량지반의 압밀침하량과 전단강도를 평가하는 가장 중요한 요소이나 이 값에 대한 명확한 값을 정의하기는 어려우며 개략적인 범위로 추정할 수 밖에 없는 것이 현실입니다.
▪ 위 시험결과에서 저치환율을 살펴봤을 때 욕지사는 5~7, 쇄석은 4.75mm 통과시료는 3.2~4.2, 4.75mm~6.7mm는 1.8~4.2, 6.7mm~9.52mm는 1.3~3.2의 범위로 입경이 커질수록 응력분담비는 작아지는 경향을 나타내고 있습니다.
이는 치환재료 입경이 커지면서 입자 사이의 공극이 커지게 되고 쇄석말뚝의 밀도가 더불어 낮아지는데 연관이 있습니다.
▪ 응력분담비는 또한 재하초기와 재하중, 재하후의 응력분담비가 달라지는 특성이 있음을 인지하여야 합니다.
▪ 치환율별 압밀도 90% 도달시간
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| 그림 20. 욕지사 |
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| 그림 21. 4.75mm 통과 쇄석 |
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| 그림 22. 4.75mm ~ 6.7mm |
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| 그림 23. 6.7mm ~ 9.52mm |
치환율이 약 35% 이내의 구간에서는 압밀압력에 따라 큰 차이를 보이면서 압밀도 90%에 도달되나 치환율이 높아질수록 압밀하중 크기에는 큰 영향 없이 치환율 증가에 따라 선형적으로 감소하는 것을 볼 수 있습니다.
▪ 다짐말뚝에서 Clogging 현상
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| 그림 24. SCP 보강지반 | 그림 25. GCP 보강지반 |
모래나 쇄석으로 다짐된 말뚝이 압밀 진행에 따라 점토입자는 조립토 내부로 끼어드는 Clogging 현상이 발생할 것으로 추정되나 위 그림에서 보듯이 점토입자는 조립토 표면 일부에만 Clogging 현상이 발생될 뿐 재료 내부로는 이동이 없습니다.
이는 사용재료인 모래, 쇄석에 대한 점토입자의 침투가능 유효 입경 차이와 배수재 인근 지역에서 과잉간극수가 빠르게 소산됨에 따른 과압밀 영역의 발달로 말뚝 주변이 단단히 뭉쳐지는 영향 때문이 아닐까 생각됩니다.
다. 극한지지력 비교
아래 결과는 SCP, GCP, DCM 의 극한지지력을 비교한 그래프입니다.
DCM 의 지지력은 일반 다짐말뚝에 비하여 월등히 높음을 볼 수 있습니다.
그러나 일반적으로 쇄석말뚝의 지지력이 모래다짐말뚝보다 더 크다고 생각되는데 위 그래프에서 보면 모래의 지지력이 쇄석말뚝보다 더 크며 쇄석말뚝은 입경이 작을수록 더 큼을 볼 수 있습니다.
이는 GCP 재료인 쇄석의 입경이 커질수록 밀도가 감소하는 경향과 상응하는 결과로서 쇄석간의 공극이 커서 지지력 시험시 하중에 의한 재배치로 변형성이 더 커지기 것과 같은 맥락에서 이해하면 되지 않을까 판단됩니다.
6. 평가
▪ SCP 공법은 연약층이 두터운 연안지역에서 국내 항만구조물의 기초공법으로서 가장 많은 시공실적을 갖고 있는 대표적인 공법으로 설계시 여러가지 고려사항들에 대해 다시 정리해 보겠습니다.
▪ SCP 공법은 모래를 다짐한 단단한 개량체를 연약층에 시공하여 해석하는 방법으로 단일말뚝개념보다 모래와 점토로 혼합된 복합지반으로 놓고 해석하게 됩니다.
▪ 해석시 전단강도 산정은 모래와 점토의 비율로 정해지며 이를 구분하는 가장 큰 기준은 모래말뚝과 연약층이 감당하게 되는 응력 분담비입니다.
▪ 그러나, 개량율 별로 제시된 응력분담비는 명확히 제시할 수 있는 값이 아니므로 이에 따른 각종 전단강도와 압밀시 근사법에 의한 침하량 산정에서 말 그대로 근사적인 결과들을 산출하고 있는 실정입니다.
▪ 또한, 말뚝이 지표부근에서 구속력이 작아짐에 따라 설계지름을 형성하기 어려워지므로 “굴착형”, “굴착배제형”등으로 구분하여 이를 해결하고 있는데 이 또한 SCP 말뚝체의 배수문제나 융기토 상승고 추정 등이 어려워 이에대한 해결방안을 명쾌하게 제시 못하고 있는게 현실입니다.
▪ 서해지역과 남해지역의 개량대상층 공학적 특성이 다르므로 이로 인해 지지층 선정과정이나 SCP 개량율 선택에서도 차이가 발생되고 있습니다.
▪ 평상시 기술자들이 알고 있던 GCP 가 SCP 보다 지지력이 클 것이라는 통념이 모형시험결과를 정리하면서 입자가 큰 경우 하중 재하가 진행됨에 따라 조립토 재배열로 작아짐을 알 수 있었습니다.
▪ 조립재 다짐말뚝 공법들이 다 유사하겠지만 여전히 해결될 문제들이 많습니다.
이와 같은 한계를 해결하기 위해 현장에서는 필히 계측이나 확인조사 등이 병행되어야 안전하고 적정한 공법시공이 가능
하리라 생각됩니다.
참고문헌
- 연약지반 편 (지반공학시리즈, 2005)
- 항만 및 어항 설계기준(2005)
- 준설매립과 지반환경(2004년 계속교육, 한국지반공학회)
- 울산 신항 남방파제 축조공사
- 부산신항 남컨 2-2차 축조공사
- 인천신항 진입도록 및 호안축조공사
- 점토지반 조건 및 쇄석말뚝 특성에 따른 응력분담비 산정
(한국지반공학회 논문집 2008.11)
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본 글은 [연약지반 계획설계]의 총 12개의 시리즈 중 여섯 번째 내용입니다.
✅ 1. 국내 해안지역에 분포하는 연약지반 특성
✅ 2. 현장조사 및 실내시험 적용기법
✅ 3. 항만구조물 하부기초처리 공법의 적용사례 및 특성
✅ 4. 서해, 남해 지역에서 강제치환공법의 침하 특성
✅ 5. 심층혼합처리공법인 DCM의 설계기법
6. 모래다짐말뚝공법(SCP)의 설계 기법 (현재 읽고 계신 글)
✅ 7. 준설매립토의 지역별 특성 및 준설토 성분에 따른 부지내 지반개량공법 차이
✅ 8. 표층처리공법의 최근 사용경향 및 특성
✅ 9. 항만부지 내 지반개량공법의 최근 사용경향 및 특성
✅ 10. 수평배수공 설계기법
✅ 11. 설계 시 자문지적사항 및 기타문제에 대한 대책
✅ 12. 항만구조물의 내진설계
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