연약지반 처리공법(Sand Drain공법)

1. 기본원리
  점토층의 압밀소요시간은 배수거리의 제곱에 비례하므로 배수거리를 감소시키면 압밀시간은 현저히 단축된다. 이와 같은 원리를 이용하여 두꺼운 점토층내에 투수성이 좋은 모래기둥을 연직방향으로 조성하여 배수거리를 단축시킴으로써 압밀을 급속히 진행시키는 공법을 Sand Drain 공법이라 한다.
  Sand Drain에서 과잉간극수압은 연직 및 방사선 방향으로 소산되므로 기본 미분방정식은 연직 방향과 방사선 방향의 압밀을 합친 것으로 고려한다.

2. Sand Drain의 설계

(1) Drain의 간격 및 직경

○ Sand Drain의 간격, = 2.0~3.5m가 효과적이다.

○ Sand Drain의 직경, = 30~50cm(보통 40cm)로 한다.

(2) Drain의 유효경( )

유효경(effective diameter)이란 하나의 Sand Drain이 분담하는 범위를 등면적으로 환산한 원의 직경을 말하며 Drain의 배치상태에 따라 다음과 같다.

(3) 압밀도(Degree of consolidation)

① 수평방향 배수에 의한 평균 압밀도

◎ 스미어(smear) 영향이 없는 경우

Barron은 스미어 영향이 없고 균등침하가 일어날 경우(등변형률 조건) 다음과 같이 해석하였다.

◎ 스미어(smear) 영향을 고려한 경우

※ Smear effect(스미어 영향) : Sand drain을 설치할 때 보통 맨드렐(mandrel) 속에 모래를 넣고 땅속에 관입하는데, 이때 맨드렐에 바로 인접한 주변의 점토는 교란된다. 이렇게 교란된 영역을 Smear zone(스미어 존)이라하고 이것이 형성되면 투수계수가 현저히 감소하므로 압밀을 지연시킨다. 이러한 현상을 Smear effect(스미어 영향)이라 한다.

 

Barron은 smear zone에서 과잉간극수압이 영인 경계와 과잉간극수압이 시간에 따라 변하는 또 하나의 경계가 있다고 가정하고 다음과 같이 해석을 확장하였다.

② 연직방향 배수에 의한 평균압밀도

Terzaghi는 압밀도( )와 시간계수( )에 관한 근사식을 다음과 같이 제안하였다.

③ 수평 및 연직방향 배수를 동시에 고려한 평균압밀도

여기서, : 두방향을 모두 고려한 평균압밀도

: 연직방향 배수를 고려한 평균압밀도

: 수평방향 배수를 고려한 평균압밀도

 

(4) 시간별 침하량 계산

전 침하량에 대한 시간별 압밀도를 계산하여 시간별 침하량을 계산한다.

 

(5) Preloading 공법 적용여부 검토

○ 연약지반 처리기간은 이후의 잔류침하량이 허용침하량 보다 클 경우는 Preloading(선재하)공법 적용을 검토한다.

○ Preloading에 의한 침하량은 잔류침하량-허용침하량 보다 크도록 한다.

 

3. Sand Drain 공법의 특징

(1) 설계시 고려사항

○ 일반적으로 Sand drain의 압밀을 지배하는 것은 수평방향의 배수에 의한 것이므로 drain 간격이 길이의 1/2이하인 경우 연직방향의 배수는 무시해도 무방하다.

○ 수평방향 압밀계수( )는 압밀시험(Rowe cell 시험 등)에 의해 구할 수도 있으나, 통상 로 해도 무방하다.(일반적으로 이므로)

○ Smear 영향에 의한 교란대는 타입장비에 따라 불명확한 것이므로 통상 고려하지 않으나, 수평압밀계수 를 압밀시험으로부터 구한 에 몇배로 할 것인가를 경험적으로 결정하여 처리한다.

○ 성토하중에 의한 활동저항에 모래기중의 전단저항은 고려하지 않는다.

○ Sand drain의 모래는 투수성이 좋고 입도가 양호한 유동성 모래를 사용하며, Terzaghi의 제안에 의하면 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다.

-. 모래의 가 점토층 의 4배 이상

-. 모래의 가 점토층 의 4배 이하

 

(2) 공법적용시 문제점

○ 점토층 중간에 Sand seam이 있는 경우 Sand drain의 배수효과가 저하된다.

○ 측방유동 또는 활동에 의하여 모래말뚝이 절단되는 경우 배수효과가 저하된다.

○ 양질의 모래를 손쉽게 구할 수 있는 곳에서 적용가능하다.

○ 이탄토(Peat)의 경우 높은 함수비에 관계없이 침하촉진에 별 효과가 없다.

○ 모래의 충진밀도를 지나치게 높이면 모래기둥에 응력이 집중되어 침하가 경감되므로 주변지반의 압밀이라는 공법 본래의 목적을 벗어나게 되므로 주의하여야 한다.

 

※ Sand seam(샌드심) : 오랜 시간에 걸쳐 퇴적된 점토층은 퇴적시의 수위의 변동과 같은 환경병화 때문에 그 중간에 얇은 모래 또는 실트층이 존재할 수 있는데 이것을 Sand seam이라하며, 점토층의 압밀에 큰 영향을 끼친다. 특히 Sand drain에 의한 압밀효과를 현저히 감소시킨다.

 

4. Sand Drain 공법의 장․단점

(1) 장점

○ 타 연직배수공법에 비해 투수성이 좋다.

○ 장기간 사용하여도 배수효과가 양호하게 유지된다.

○ 비교적 견고한 지층에도 설치가 가능하다.

 

(2) 단점

○ 모래기둥의 설치시 지중의 자연배수층을 절단시킬 우려가 있다.

○ 장비가 대형이므로 초연약지반에서 사용이 불가능하여 지지력 보강이 필요하다.

○ 기둥의 단면이 커서 모래가 많이 투입되며 타 공법에 비해 공사비가 비싸다.

○ 타입과정에서 지반을 교란시키는 정도가 크다.