고압분사주입공법(JSP 공법)
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1.서론 이반적으로 이용되고 있는 약액주입공법은 대상지반의 토층 구성 및 토질에 따라 그 효과가 좌우되고 있다.특히 복잡하게 퇴적된 다층 지반이나 �薦봤�이 많이 개재되어 있는 지반에서는 층 경계에 연하여 약액이 빠져나가는 경향이 있어 목적하는 지반의 토립자의 간극에 침투가 대단히 어렵고 또 기대하는 효과를 얻기위한 필요 주입량을 미리 산정하기가 곤란하다. 더우기 소기의 주요효과가 발휘되어 있는지를 확인하기가 어렵기 때문에 자칫하면 전혀 그 효과가 나타나지 않는 경우가 발생한다. 이와 같은 종래의 주입공법이 갖는 결점을 제거하고 확실한 효과를 기대하기 위한 여러가지의 유도주입공법이 연구되고 있으나 현재까지는 실제로 시공에 적합한 공법이 없었다. 그러나 여기에 기술하는 고압분사 주입공법은 초고압의 JET를 이용해서 지반을 절석 붕괴시킴과 동시에 간극에 그라우트재를 충진하는 일종의 유도주입공법이다. 이 공법이 보통의 주입공법과 현저히 다른 특징은 다음과 같다. - 토층 구성이나토질에 의한 영향을 받지 않으며 필요개소에 필요량의 경화재를 계획적으로 주입할 수 있다. - 보통의 주입공법으로는 주입이 곤란한 세립토 지반에도 적용이가능하다. - 토중에 인공적으로 만든 간극에 경화재를 충진하는 것이기 때문에 보통의 약액 주입공법처럼 인근의 건물이나 지하 매설물에 영향을 미치는 일이 거의 없다. 고압분사 주입공법의 기술적 기반으로서 고압하에서 분류유체의 거동이나 특성 또는 지반의 파쇄기구 등을 들 수 있다. 유체의 충격에너지에 의하여 고체의 변형을 주는 것은 잘 알려진 사실이다. 이것이 공학적으로 이용되어 소련에서는 채탄기술에 이용되고 있으며 금속 또는 플라스틱등의 절단, 그리고 최근에는 선박의 녹이나 패각류를 벗겨내은 기술에 응용되고 있다. 이와 같은 기술의 사용되는 고압분류수의 토출압력은 대단히 다양하지만 토사를 절삭하는 것은 200 ~600kgf/㎠ 암반절산에는 2.000 ~6.000kgf/㎠, 호박을 절사하는데는 20.000kgf/㎠이상의 압력이 필요하다. 이공법의 한 특징은 에너지 변화효율의 크기를 들 수 있겠다. 고압분류 유체의 밀도가 크고, 또 유량,노즐의 직경, 압력의 크기, 노즐의 이동속드 등을 변화시킴으로서 용이하게 흙의 파쇄조건을 변화시킬 수가 있다. 2.공법의 원리 고속분류 유체를 사용하여 지반을 굴삭하는 메카니즘에 대해서는 그 현상이 대단히 복잡하기 때문에 이론적인 해명이 아직까지완전하게 구명되지 있지는 않지만 아래에 기술하는 각 현상의 조합이라는 것을 알수 있다. (1)고속분류 유체의 충격력 워터메머의 작용에 의하여 발생하는 최대옹력과 워터제트 분류가 지반내에서 수적군이 되어 지반에 출돌할 때의 최대압력은 그 발생기구를 동일하다고 하면 그 에너지는 다음과 같다. 위의 식에서 알수 있는바와 같이 분류의 속도가 커지면 빈반에 작용하는 동압도 커져서 지반의 파괴강도에 도달할 때 토립자는 서로 떨어진다. (2)Cavitation 유체를 서서히 감압시키면 층류가 가속되어진 경우와 같이 난류를 일으켜서 유체중에 공기의 공동이 생기게 된다 이현상을 Cavitation이라 한다. 분류 유체가 지반과충돌할 때 토립자는 표면을 따라서 흐름이 생기는데 입경의차에의하여 압력차가 생겨서저압부에 cavitation에 의한 공동이 발생한다. 이것이 다시 압력이높은 곳에 이르게 되면 주위의유체는 공동을 파괴하려고 대단히 빠른 속도로 돌진하게 된다는데 이관성력에 의하여 지반이 파쇄된다. (3)Water Wedge 고속분류와 접촉하는 지반면은 옹력을 일으키고 그 옹력은 수압의 증가에 의하여 중대하지만 지반의 파괴강도까지 높이면 지반은 파괴된다. 또 지반중의 간극이 물로 충진되고 그 가운데에서는 수분류의 반력작용으로 유체역학적인 압력이 발생한다. 이 Wedge는 간극성상에 따라서 일정한 압력을 가진것이 형성된다. 이경우 노즐에서 지반까지의 거리가 작을수로 Wedge가 되는 조건은 양호하게 된다 이러한 관점에서 볼때 간극비가 큰 지반, 균열이 있는 지반 들은 수력파쇄에 적합하다고 하겠다. 3,공법의 특색 고압분사 주입공법의 원리상의 특색에 대하여 좀 더 구체적으로 논하기로 한다. 이미 고속분류에의한 파쇄기구의 개요에 대해서는 기술했으나 이것을 공법으로서 구체화시키려면 여러가지의 수법이 필요하다. 이론적으로 얻어진 젯분류는그 자체로는 바로 실용할 수 없다. 실제로 지반을 절삭하는 대부분의 경우는 지하수면 이하를 대상으로 하고 있으므로 수중분사의 경우 밖에 적용되지 않는다. 그러나 그림 3에서 나타난 바와 같이 수중분사에서 는 압력으로 분사하는 경우는 노즐로부터 30cm 거리에서 그 효과는 완전히 소멸된다.이것 때문에 노즐의 주위에 공기를 동시에 방사시킴으로서 유효사정을 연장시키는 방법을 개발해 냈다 이것은 분류유체가 공기를 빨아 들여서 지반중에 공기 공간을 구성하게 하여서 거의 공기분사와 같은 조건을 만들어 주게 된다. 그러나 이공기를 실용하는 데에는 적정한 분사속도가 필요하게 되며 그 속도는 음속의 ½ 이상이 되어야 한다. 절삭범위를 확대하기 위하여 사용한 공기는 절삭토를 지료면에 배출시키는 데도 이용할 수 있다는 장점이 있으며 또 이공법에 의하여 조성된 고결체끼리의밀착성은 대단히 양호하다. 일반적으로 직경 5~10 cm 정도의 Boring을 하는 것만으로도 유효경 0.8 ~ 1.2 m정도의 고결체를 얻을 수 있는 점은 이 공법을 광범위하게 응용할수 있다는 특징이라고 할 수 있겠다. 4.시공순서 1)Plant설치 2)지반개량이 필요한 위치에 JSP Jetting Machine의 설치 3)NJV, Diuble Rod, Double Swied등을 조립하여 물과 Air를 사용하여 저압으로 소요의 심도까지 굴진한 후 4)Cement Milk와 공기를이용하어 고압으로 분사하면서적정한시간동안 회전 5)회전이끝나면서 2.5cm상승 6)상기와같은 공저응로 소요의 심도까지분사 시공 완료 5.본공법의 적용범위 본 공법은 말뚝과 자주 비교되고 있는데 이경우에따라 말뚝 역할을하는 일이많고 또 그 형성과정에서 그렇게 보이기 때문이다. 그러나 본 공법을 개발한 당사자는 말뚝으로 개발한 것이 아니라 모든 시설공사에서 기초 및 가설물이 설치되는 지반의 안정을 추구하기 위하여 광범위하게 다뤄진 것이다. 1)지수 지수를 목적으로 하는 제반공사에 적용된다. 이 경우는 지반상태의여하를 막론하고전부 가능하다. 토류의 지수, 매설관하의 지수, 방조제, 저수지, 방수지 등의누수방지, 지하댐의건설, 특히 기존 탬등의 누수방지 및 보강등에 적합하다. 2)지반강화 이 경우는 우리의 특별한 관심사가 되는 사항이다. 시설물이대형화하고 가용지면이 점차 부족하게 됨에딸 매립지 또는 간석지등 연약지반도 이용하지 않으면 안되게 되었다. 따라서 이러한 연약지반의 지지력 보강 Heaving의 방지, 사면붕괴의 방지 및 사후대책, 개설 구조물의 보허및 언더프린팅 등 어떠한 경우에더 적용 가능하다. 3)현장조성항, 토류항 현장에서 말뚝을 지중에 조성해야 하는겅우와 토류등의 목적으로 사용할 수 있다.특히, 토류의 경우에는 지수효과를 얻을수 있기 때문에 Open Cut의 좌우 벽면의 안전처리에 적합하다. 4)선행지중보 연장이 긴 구조물을 시공할 때 지반이 연약하거나 지하매설물로 인한 장애가 있을 경우 선행하면서 기설물을 보호하고 지반을 개량하며 진행한다.