저유동성 모르터 주입공법

왜 배우는가: 저유동성 모르타르 주입공법은 기존 구조물 아래 지반을 주입으로 압축·강화하면서도 지표면과 구조물의 융기를 막아야 하는 공법이라, 내진보강 공사의 기초 품질을 좌우한다. 주입압과 주입량을 어떻게 통제하느냐가 시공 품질의 핵심이어서 품질관리 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제127회 4교시 6번, 제123회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

저유동성 모르타르 주입공법은 저유동성 몰탈형 주입재를 지중에 압입하여 원기둥 형태의 균질한 고결체를 만들고, 이로써 주변 지반을 압축·강화하는 지반개량공법이다.

핵심 키워드

• 저유동성 모르타르 (Low-mobility mortar)
• 정압주입 (Controlled pressure grouting)
• 허용 주입압 (Allowable injection pressure)
• 주입률 (Grouting rate)
• 표준 목표체적 (Target grout volume)
• 간극률 감소량 (Reduction of void ratio)
• 지표면 융기 (Surface heave)
• 세립분 함량 (Fines content)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 흙 속에 묽지 않은 시멘트계 몰탈을 밀어 넣어 흙 사이를 채우고 덩어리를 만드는 공법이다. 주입재가 쉽게 흘러 퍼지지 않도록 유동성을 낮춘 것이 특징이다. 주입재가 퍼지는 범위를 좁혀 원기둥 모양으로 굳히므로, 주변 지반을 옆으로 밀어내지 않고 압축하는 방향으로 작용한다.

정식 정의는 다음과 같다. 저유동성 몰탈형 주입재를 지중에 압입하여 원기둥 형태의 균질한 고결체를 형성함으로써 주변 지반을 압축·강화시키는 공법이다. 여기서 주입재의 유동학적 특성, 즉 슬럼프와 컨시스턴시를 조절하는 것이 설계의 출발점이 된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

정압주입은 주입 압력을 일정 상한 이내로 유지하면서 주입량을 관리하는 방식이다. 주입 압력이 과도하면 지반이 파쇄되어 융기가 생기므로, 허용 주입압을 정해 두고 그 안에서 주입한다.

주입률은 단위 시간당 또는 단위 깊이당 주입재가 들어가는 양이다. 지반 특성에 따라 결정하며 획일적인 값을 쓰지 않는다.

세립분 함량은 0.08mm보다 작은 입자의 양이다. 세립분이 많으면 주입재의 유동성과 강도 발현이 함께 달라지므로 배합 단계에서 가장 먼저 조절한다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 시설물은 지반 위에 이미 하중이 걸려 있어, 보강 과정에서 지반을 흔들거나 크게 변형시키면 구조물이 손상된다. 주입공법은 이런 제약 아래서 지반을 강화할 수 있는 방법으로 쓰인다. 특히 내진보강에서는 기초 지반의 강도와 강성을 높여 지진 시 기초의 거동을 안정시키는 목적으로 적용된다.

기존 지반개량 방법인 치환이나 대규모 굴착은 공사 중 소음·진동과 지반 이완을 동반한다. 저유동성 모르타르 주입은 천공을 통해 주입하므로 현장 여건이 좁거나 구조물이 인접한 곳에서도 시공할 수 있다.

그러나 주입재가 과도하게 들어가면 지표면이 올라가고 인접 구조물에 균열이 생긴다. 따라서 주입압 상한과 목표체적을 미리 정해 두는 것이 필요하다. 이 점이 이 공법을 품질관리 문제로 다루는 이유다.

• 주입압 상한: 지표면이나 구조물의 융기를 일으키지 않는 수준으로 설정한다.
• 목표체적: 지반조사를 통해 주입공과 단계별로 미리 선정한다.
• 지반 목표: 간극률 감소량이나 상대밀도 증가량을 사전에 정한다.

이 세 가지가 설계와 시공을 잇는 기준이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

저유동성 모르타르 주입공법은 주입재, 주입공, 주입압, 주입량, 계측의 다섯 요소로 구성된다. 각 요소의 역할과 관리 항목은 다음 표와 같다.

표의 항목은 서로 독립적이지 않다. 세립분 조절이 주입재의 유동성을 바꾸고, 유동성은 허용 주입압과 주입 범위에 영향을 준다. 따라서 배합 단계에서 유동학적 특성을 먼저 통제해야 한다. 골재와 세립토의 입도 조성, 슬럼프와 컨시스턴시가 함께 관리 대상이 된다.

정압주입 개념이 이 공법의 기본 원리다. 주입재를 일정한 압력 범위 안에서 압입하여 공극을 채우고, 그 압력으로 주변 지반을 밀어내며 압축한다. 주입재가 굳으면 고결체가 되고, 고결체는 원기둥에 가까운 형상으로 형성된다. 고결체가 주변 지반의 간극률을 줄여 강도와 지지력을 높인다.

지표 융기를 막는 범위에서 주입압을 관리하는 것이 이 공법의 핵심 원리다.

주입량은 주입체적 기준으로 산정한다. 목표 간극률 감소량을 정해 체적을 구하는 단순화 식은 다음과 같다.

$\Delta V = \Delta n \cdot V_t$

ΔV는 주입체적(㎥), Δn은 목표 간극률 감소량(무차원), V_t는 개량 대상 지반의 체적(㎥)이다. 가상의 예로 V_t가 100㎥이고 Δn이 0.05이면 ΔV는 100 × 0.05 = 5㎥가 된다. 결과는 대상 체적의 5%이며, 단계별 주입량을 나누는 기준으로 쓴다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 지반조사로 지층구성과 세립분 양을 파악한다.
• 개량 목적에 따라 단계별 표준 목표체적을 정한다.
• 골재와 세립토의 입도를 고려해 주입재를 배합하고 슬럼프와 컨시스턴시를 확인한다.
• 주입공 배치와 주입순서를 정해 경제성과 주입효과를 함께 확보한다.
• 허용 주입압 이내에서 정압주입하고 주입압 상한을 넘기지 않는다.
• 지표면과 구조물의 변위를 계측하고, 융기가 나타나면 주입압을 낮춘다.
• 목표체적 또는 목표 간극률 감소량에 도달하면 주입을 끝낸다.

단계별 주입은 목표체적을 기준으로 반복된다. 한 단계의 계측 결과가 다음 단계의 주입압과 주입률을 정하는 근거가 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

저유동성 모르타르 주입공법의 설계와 시공 기준은 지반개량 설계·시공 기준의 주입공법 조항(3.2.5항)에 규정되어 있다. 이 기준은 건설기준 체계에 속하며, 법령 조문보다 현장 여건과 시험 결과를 기준으로 판단하도록 한다. 강도열화와 지반환경오염에 대한 대책은 같은 기준의 3.2.3(10)을 따른다.

표에서 세립분 기준은 유동학적 통제의 기준값이다. 0.08mm보다 작은 입자의 양을 조절하면 주입재의 흐름과 고결 후 강도가 함께 달라진다.

주입압 상한은 지표 융기의 한계와 직접 연결된다. 주입압을 높이면 지반 압축 효과는 커지지만, 상한을 넘으면 지표와 인접 구조물이 융기한다. 따라서 주입압은 현장마다 따로 설정한다.

국제 기준에서 압축형 그라우팅(Compaction Grouting)은 고압 주입 계열로 분류된다. 저압형 화학 그라우팅과 구분되는 점이므로, 답안에서는 주입압 관리를 강조하는 방향으로 쓴다. 고압분사공법을 함께 적용하는 경우에는 주변 지반의 변위를 억제할 센서 장착이 요구되므로 계측 항목과 연계해 서술한다.

0.08mm 미만 세립분과 주입압 상한은 시공 전에 확정해야 하는 핵심 기준이다. 두 값을 확정하지 않은 상태에서 주입을 시작하면 지표 융기나 주입재 분리가 발생할 수 있다.

6. 유형과 비교

저유동성 모르타르 주입공법은 주입재의 유동성, 주입 방식, 고결체 형태에 따라 여러 방식으로 나눌 수 있다. 같은 주입 계열이라도 고압분사공법과 비교하면 지반을 파쇄하는지, 주입재로 지반을 압축하는지에 따라 목적과 변위 거동이 달라진다. 답안에서는 두 공법을 나란히 비교해 저유동성 모르타르 주입이 왜 주변 지반의 변위를 통제하는 방향으로 설계되는지 보여 주는 것이 좋다.