모래다짐 말뚝 공법

1.개요

모래다짐말뚝(Sand Compaction Pile, SCP)공법은 연약한 점성토층 및 느슨한 사질토층에 모두 적용할 수 있으며 연약지반에 모래말뚝을 다짐하여 연약지반의 다지기, 보강, 압밀배수를 통해 지반을 개량하는 공법으로 컴포져(Composer)공법이라고도 한다. 단일한 시공기계로 사질토지반과 점성토지반, 유기질지반, 사석지반 등 거의 모든 지반에 사용이 가능하다. 점성토 지반에서 SCP공법의 적용은 주로 교대의 측방 유동을 방지하기 위하여 사용되며, 최근 서해안 고속도로 등에서 교대의 측방 유동을 방지하기 위하여 많이 사용되고 있다. 점성토 지반에서 SCP공법은 표준관입시험의 N값이 10 이하인 경우에만 적용해야 그 효과가 있으며, N값이 10 이상인 경우는 진동에 의하여 주변 지반에 피해가 발생할 수 있다.

2.용어정의

o 교란효과(Smear effect) : 모래기둥 타입시 말뚝주위 지반이 교란되어 수평방향 투수계수가 원래보다 작아지는 현상을 Smear effect 라 한다. 점성토중에 말뚝을 박으면 말뚝주변의 흙은 크게 전단 변형을 일으켜 거의 교란상태가 된다. 이때 완전히 교란되는 거리는 말뚝지름의 1/2 까지이며 교란에 의해 압축이 생기는 범위는 말뚝지름의 1.5 배정도이다. Smear Zone은 물의 수평방향 흐름을 방해하는 막 형성→압밀 속도 저하시킴

3.시공특성

3.1 시공방법

SCP공법의 시공방법에는 크게 폭파다짐, 선단 다지기, 선단 진동다지기 방식 등이 있으며 이들에 대한 개요 및 특징은 아래 표와 같다.

<SCP공법의 시공방법>

종류	개 요
폭파((Blasting)공법	ㆍ지하에 매설된 폭발물의 폭파진동을 이용하는 공법으로 깊은 다짐의 경우, 신속하고 저렴한 지반개량방법이 된다. ㆍ시공순서 : Jetting,진동 또는 여타의 방법으로 파이프를 폭발물 매설 깊이까지 관입→매설물 장치→파이프 속을 흙으로 매움→ 폭발물을 폭파
바이브로 컴팩션 (Vibro-compaction)공법	ㆍ원주형 혹은 어뢰 모양의 진동막대를 지반내 일정한 깊이까지 타입한 후 막대를 지상으로 인발시키면서 다짐을 수행하는 방법으로 진동막대의 모양과 모래충진방법 등에 따라 Vibro-Prodes, Vibro-flotation, Vibro-Composer공법 등으로 나뉜다.
동다짐(Dynamic compaction) 공법	ㆍ개량하고자 하는 지반 위에 무거운 물체를 낙하시키는 작업을 반복하여 다짐효과를 얻는 방법으로 동압밀 (Dynamic Consolidation) 공법, 중량다짐(Heavy Tamping)공법 등으로 불리기도 한다.

3.2 시공관리

SCP공법의 시공관리는 시공 전, 시공 후로 나누어 실시하며, 시공 후에는 반드시 모래말뚝의 연직도 관리와 타설에 따른 지반 교란과 회복상황, 모래말뚝 지름과 말뚝강도 등의 조사를 시행해야 한다. 해상공사 및 육상공사에 따른 시공 전,중, 후의 시공관리 내용은 다음 표와 같다. 이 외에도 모래말뚝의 연직도 관리 및 지름의 조사, 타설에 따른 점토의 교란과 회복상황의 조사 등을 시행할 필요가 있다.

<SCP 시공에 따른 주요 시공관리>

시기	해상공사		육상공사
	관리항목	관리내용	관리항목	관리내용
시공전	ㆍ사용자료의 품질 ㆍ해저면 높이 ㆍ시공기계의 점검 ㆍ시공기계의 점검	ㆍ입도시험 등 ㆍ측량	ㆍ사용재료의 품질 ㆍ시공관리기계의 점검 ㆍ시공기계의 점검	ㆍ입도시험 등
시공중	ㆍ모래말뚝 길이, 투입모래량, 모래말뚝의 연속성 ㆍ타설위치 및 수준 ㆍ사용재료의 품질	ㆍ시공관리기계에 의해 시행 ㆍ줄자, 트랜싯, 광파거리 측정 ㆍ조위 및 수심 측정 ㆍ입도시험	ㆍ모래말뚝 길이 투입 모래량, 모래말뚝의 연속성 ㆍ타설위치 ㆍ사용재료의 품질	ㆍ시공관리계에 의해 시행 ㆍ줄자, 트랜싯 ㆍ입도시험
시공후	ㆍ모래말뚝의 강도와 연속성 ㆍ해저면 높이 ㆍ성토량	ㆍ표준관입시험 ㆍ측량	ㆍ모래말뚝의 강도와 연속성 ㆍ사질토 개량에 따른 모래말뚝 간의 강도	ㆍ표준관입시험 ㆍ정적관입시험

사질토 지반에서 SCP공법의 개량효과는 표준관입시험치로 나타낸다. 압밀경과시간 산정방법은 샌드드레인 공법과 동일하며, 지반상에 대구경 (보통지경 70㎝)말뚝을 촘촘히 타입하기 때문에 교란효과(smear effect), 즉 수평방향 투수성의 저하를 고려하여 압밀시간을 산정하기도 한다.

3.3 지반별 개량효과

(1) 사질토 지반 : 매립지 등의 비교적 느슨한 사질토 지반과 사석지반에서는 사질재료 의 진동압입에 의한 원지반 다지기에 의한 지지력 증가, 압축침하 방지, 액상화 방지, 전단저항 및 수평저항 증대 등을 목적으로 사용되고 있다.

(2) 점성토 지반 : 점성토와 유기질토 지반에서는 단기적으로 주변 점토보다 큰 전단강 도를 가진 다지기 모래말뚝을 촘촘히 조성해서 모래말뚝과 점토로 된 복합지반을 형성하므로 지반의 지지력과 전단저항을 증대시키고, 장기적으로 모래말뚝의 드레인 효과와 모래말뚝의 응력집중에 의한 압밀시간과 압밀침하량을 저감시킬 수 있다.

3.4 SPC 설치지반의 복합강도 정수 설정방법

▫치환율

: 사각형 배치의 경우

: S.C.P 직경 (통상 70㎝)

s : S.C.P 간격 (예: 200㎝)

▫응력 분담비

: 응력 분담비(보통 n=3)

: 모래 암쪽에 작용하는 응력

: 점성토에 작용하는 응력

▫응력 계수

: 점성토에 대한 응력 저감 계수 : 모래 말뚝에 대한 응력 집중 계수

▫강도정수 산정 : 복합 지반의 전단강도 산정식은 다음과 같다.

4.시공순서

(1) 모래말뚝 타설지점에 선단 슈를 달은 케이싱을 위치시킨다

(2) 바이브로해머의 진동으로 케이싱을 소정 깊이까지 관입시키다.(필요시 워터젯트 병용)

(3) 소정 깊이에 도달하면 상부 호퍼에서 케이싱 내로 모래를 투입하고 케이싱을 규정 높이로 인발하며 압축공기로 케이싱 내의 모래를 지중에 압출한다.

[케이싱 파이프 인발 및 재관입 기준]

지층 심도	케이싱 파이프 인발 높이	케이싱 파이프 재관입깊이	비 고
2m 이상	3.0m	2.0m	-
지표∼2m	1.5m	1.0m	심도 0.5m에서 관입 및 인발 1회 추가 실시

※ 케이싱 파이프의 인발 높이 및 재관입 깊이는 이 표를 기준으로 하되, 현장에서 시험시공을 통해 합리적인 대안이 마련되었을 경우에는 이를 대신 적용할 수 있음

<심도 2m 이상인 경우> <심도 2m 이하인 경우>

(4) 케이싱을 재관입하고 압출한 모래를 진동에 의해 다진다.

(5) 케이싱 파이프를 다시 규정 높이까지 인발하고 모래를 압출한다.

(6) 이상의 조작을 반복하면서 케이싱을 지상까지 인발하여 다져진 모래말뚝을 형성한다.

<샌드 컴팩션 파일 시공순서>

5. 시공시 유의사항

(1) 시험장비,시험항타,일반적인 시공기준은 샌드드레인 공법과 동일하게 적용한다.

(2) 심도 1m에서는 최종적으로 1m인발 및 재관입을 추가 1회 실시한다.

(3) 모래말뚝 직경이 설계대로 일정하게 유지되도록 해야 한다.

(4) SCP공법시공시 지반의 부피 팽창을 초래하여 상당량의 표층융기와 지반 변형이 발생할 수 있다.