동전기 고결기술을 이용한 연약지반 강도 증진 효과

Abstract

본 연구에서는 대상지반에 대한 기존 침투 그라우팅 공법의 적용한계(K=10^(-5)cm/s 이하)를 넘어서 실트질 점토로 구성된 저투수성 지반의 전단강도를 증진하기 위하여 동전기 고결기법을 이용하였다. 특히, 저투수성 지반의 전단강도를 증진시키기 위해 일련의 실내 동전기 셀(cell) 실험, 중형 토조실험(Semi-pilot Scale Test), 실제지반의 현장시험 시공을 통하여 총괄적인 고결기법의 실효성을 검증하고자 하였으며 EK-Cementation의 고결특성을 예측하고자 수치모델(EC-Pro)을 개발하여 실내실험 및 현장실험 결과와 비교하여 적용성을 ·검증하였다. 실내 동전기 셀(cell) 실험에서는 저투수성 지반의 전단강도를 증진하기 위하여 최적의 주입제로 규산나트륨을 선정하고 선정된 주입제에 대해 농도를 변화시켜 동전기 고결기법의 적용성을 파악하였으며, 처리기간과 전압경사에 따른 영향을 파악하기 위해 2일 간격(2, 4, 6, 8, 10일)으로 처리기간을 설정한 실험과 전압경사를 변화시킨 실험을 실시하였다. 또한 동전기 처리에 따른 균일한 전단강도 분포를 위해 전극교환기법을 적용하였으며, 염화칼슘 및 수산화알루미늄 등 2차 주입제를 첨가하여 전단강도의 추가 증진효과를 파악하고자 하였다. 중형토조 실험에서는 남해안에서 채취한 실제 해성점토의 전단강도 증진을 목적으로 철과 알루미늄 전극을 직접 삽입한 후 전극의 전기분해 의한 지반 고결화 효과를 유도하였다. 또한 알루미늄 전극의 전기분해로 인해 용탈된 알루미늄 이온의 이동 및 침전으로 인한 강도증진 효과와 인위적인 규산나트륨 주입에 따른 고결현상으로 인한 강도증진 효과를 파악하고, 동전기 제거 후 장기 고결화 기간 동안 추가적인 강도증진 효과를 알아보기 위하여 EK-Cementation 처리토의 장기 내구성 평가를 수행되었다. 마지막 실험단계로 EK-Cementation 기법의 현장 적용성을 파악하고자 저투수성 연약지반이 깊은 심도까지 균일하게 분포된 안산소재 농어촌연구원내 습지지역을 실험대상 지반으로 선정하고, EK-Cementation 실내실험에서 도출된 최적의 영향인자 및 2차원 EC-Pro의 수치모델에서 도출된 최적 전극배치 결과를 바탕으로 실제 현장지반에 EK-Cementation 시스템의 적합성 및 유효성을 검증하고자 현장시험시공을 실시하였다. 최종적으로 EK-Cementation 기법에 대한 실제 지반의 설계 process 단계에서 지원이 가능하도록 기존에 개발된 1차원 EK현상에 대한 수치모델(EC-Pro)을 바탕으로 중형토조 실내실험 결과와 검증을 실시한 후 실제지반의 효율적인 전극배치 적용을 위해 2차원으로 확장하여 EK현상에 관한 수치 해석적 연구를 시도하였다. 특히 다양한 전극배치 타입으로 설치된 지반의 2차원 EK-Cementation 기법의 주입제 이동특성에 대해 좀 더 정확한 예측을 가능하게 할 수 있는 수치모델 개발과 함께 전극배치와 간격에 따른 고결화의 영향성을 평가하고자 하였다. 또한 전기삼투(EO)현상에 기인한 함수비 저감에 따른 물리적 강도증가와 주입제 농도에 따른 화학적 강도증가가 동시에 고려된 복합강도 예측식을 유도하여 실제지반에서 EK-Cementation에 기인한 현장 실제강도를 예측가능하게 하였다.; In this study, "Electro-kinetic Cementation Technique" is utilized to increase in shear strength of low permeable ground composed of clayey soil less than the applicable limitation of traditional permeation grouting method(K=10^(-5)cm/s) in field ground. Particularly, an entire effectiveness of cementation technique would be inspected though a series of laboratory electro-kinetic cell tests, semi-pilot scale tests and field scale tests in order to increase in strength of that ground. a numerical analysis model(EC-Pro) was developed to predict the cementation properties of the EK-Cementation, then the application was proved though comparing laboratory tests with field tests. In the case of laboratory electro-kinetic cell test, the sodium silicate as an optimum injection material was selected to increase in strength that ground. For that injection material, its concentration was changed for configuration of applicability of the EK-cementation Technique. Both tests that treatment period is set up at intervals of two days (2, 4, 6, 8, 10 day) and voltage gradient is varied were conducted in order to acquire the effects depending on treatment period and voltage gradient. Furthermore, for the uniform shear strength following the treatment of the EK-stabilization, electrode reverse method was applied, and secondary injections such as calcium chloride and aluminium silicate were added so that the effects of additional shear strength improvement were acquired. In case of the semi-pilot scale test, for the shear strength improvement, electrodes of iron and aluminium were directly put in the marine clay from southern coast in the Korea Peninsula then ground cementation effect by the electrolysis of the electrodes was induced. Moreover, the effects that the movement of leached aluminium ion and strength improvements due to electrolysis of the aluminium electrode, sedimentation and cementation by intended sodium silicate injection respectively, were acquired. Also, long term durability of ground treated with EK-Cementation was estimated to find out additional strength improvement effect during long term of cementation after removing electro-kinetic. In the final experimental stage, the soft ground that low permeable soft ground uniformly ranges from surface to deep depth at Rural Research Institute in Ansan, Korea was selected to discover the applicability of the EK-Cementation technique in field ground. According to the optimum effect factors and the results of electrode arrangement from the EK-Cementation laboratory tests and numerical analysis model of EC-Pro respectively, field scale tests were conducted in field ground so as to verify the suitability and utility of the EK-Cementation. Finally, Based on the result of the numerical analysis model(EC-Pro) on 1-dimensional EK-situation that was developed for support at design process of field ground, the result of semi-pilot scale test was scrutinized then a numerical analysis study was attempted on electro-kinetic phenomenon with extension to 2-dimensional condition. Expressly, for the movement properties of injection material of the 2-dimensional EK-Cementation technique in the ground with various electrode arrangement, a numerical analysis model which is able to predict more accurate results would be developed and the effect of cementation depending on electrode arrangements and spaces would be estimated as well. In addition, a compound strength prediction expression constituted of both an increase in physical and chemical strength because of a decrease in water content attributed to electro-osmosis and the concentration of injection material was induced and the practice strength caused by EK-Cementation was able to be predicted in field ground.