1. JSP공법이란?
JSP(Jumbo Special Pattern) 공법은 연약지반 개량공법으로서 초고압(P=200kg/cm2 이상)의 Jet류를 이용하여 경화제(Cement) 주재를 수중에 현탁 시킨 상태의 Slurry를 절삭파괴와 파괴토, 사력 및 경화제의 혼합요건을 동시에 행하면서 Rod를 회전 인양함으로서 토 입자와 경화제의 긴밀한 혼합 고결체를 형성하여 연약지반을 개량하는 고압분사 주입공법이다.
2. JSP공법의 장점
1) 어떠한 조건과 어떠한 지반에도 확실한 개량이 된다. 보통의 고압분류로 절삭 가능한 지반이라면 연약지반은 물론 다져진 모래층, 자갈층, 연암층등 어떤 지층이건 응용된다.
2) 다양한 방법으로 응용된다. 수직, 경사, 어느방향으로도 시공되며 원주 고결체의 배치, 배열 방식에 따라 목적에 맞도록 다양한 형태로 응용된다.
3) 지반 개량범위가 확실하다. 초고압 분류수로서 강제 파쇄된 부분에만 경화제가 혼합됨으로 절삭범위(직경 0.8~1.5m)만을 확실하게 개량한다.
4) 미소음, 미진동이며 지하매설물의 손상등의 공해를 제거 시공 중의 소음이나 진동 등이 거의 없으므로 도시 내에서도 전혀 물의 없이 시공가능하며, 시공범위내에 강관 등 기존 매설물이 있다 해도 분출수는 광물등에 대해 파괴작용이 없으므로 이를 다치지 않고 포괄하는 상태로 안전하게 시공된다.
5) 비 좁은 장소에서도 시공이 가능하다. 소형 장치만으로 구성되어 있으므로 비좁은 시가지에서도 시공가능하다.
6) 지반조건에 따른 시공조절이 용이하다. 고속 Jet압, 공기공합량, Rod 회전수 및 Nozzle인양속도등이 기계조작으로 쉽게 조절됨으로 지반조건에 따른 시공조절이 용이하다.
7) 개량후의 지반강도, 투수계수가 특출하다. 지반개량후의 지반강도(압축강도)는 점성토에서 qu=20~40kg/cm2, 사질토에 qu=40~150kg/cm2 이며, 투수계수는 K=10-5~10-7 cm2/sec로서 유사공법과 비교할 때 강도 및 지수에 있어 효과가 특출하다.
8) 경제적인 개량공법이다. 임의의 심도, 범위에만 확실하게 시공되며 보다 광범위하게 신속히 개량되어, 유해성이 없고 장치도 소형으로 모든 면에서 경제성이 뛰어나다.
3. JSP 적용범위
| 고결체형 및 용도 | 적용효과 | 적용분야 | |
| 단일원주 (Single Column) |
1. 현장조성 및 지지말뚝 (Bearing Pile) 2. 현장조성 마찰말뚝 (Friction Pile) 3. 앵커 블럭 (Anchor Block) |
1. 기초지반의 지지력 증대 2. 기존구조물 지하, 매설물의 방호 3.횡토압 구조물에 걸리는 토압 경감 4. 굴착측벽, 주벽의 선행 흙막이,물막이 5. 지중우수방지 6. 지중침수방지 7. Piping 방지 8. Boiling 방지 9. 지중 연약지반(단층대, 파쇄대 등) 주입강화 10. 부등침하방지 |
1. 건축물 기초 및 지하외벽 2. 교량, 탑, 안테나기초 3. 도로, 철도기초 4. 댐,저수지,제방,방조제 5. 지하저장탱크, 정수장, 수영장 외 6. 지하철 공사 7. Shield 공사 8. 광산갱내의 연약개소 9. 시추공사중 공내 붕괴 10. 중량물 설치구간 11. 중량하물 취급소 기초 12. 항만,해안 외 |
| 연속벽 (Continuous Wall) |
1. 지하 방호벽 (Protective Wall) 2. 지하 방수벽 (Cut-off Wall) 3. 지하 지지벽 (Bearing Wall) |
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| 연속반체 (Continuous Block) |
1. 선단 지중보 (Preceding undergroud beam) 2. 개량 지반 (Improved ground work) |
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| 기타 제반 주입 공사 (Other Grouting) |
|||
4. JSP의 원리
1) 고압 분류수의 구조
- 공기 중으로 분사되는 고압 분류수는 Nozzle출구의 Potentile이 일정하게 추진되는 초기 영역과 교란상태가 충분히 발생한 주요 영역 및 불연속류로 되는 미기영역으로 구분되나, JSP의 해석에 중요한 변이 영역도 유의해야 한다.
- 이 가운데 흙의 절삭파괴에 유효한 영역은 주요영역까지이며, 미기영역에서도 절삭파괴는 가능하나 그 효율은 떨어진다. 일반적으로 nozzle 출구로부터 미기영역까지의 거리는 nozzle구경의 300~500배이다. 수중 분사일 경우는 분류가 물방울로 되지 않으므로, 미기영역에서 일지라고 분사는 연속류로 된다.
2) 분사선상의 유압
- JSP중심선상의 동압 및 속도가 흙의 파괴 및 혼합 교반현상에 미치는 영향은 크다. 수중분사시, 감쇼율은 보다 크다.. 이 감소율은 다소 줄이자면, Nozzle의 모양이나 다듬질의 개량, nozzle에 이르기까지의 관내 유동 상태의 변이를 행하면 되나,, 여기에는 한계가 있다. 그리하여 더욱 감소율을 줄이려면, 공기 중에서와 같은 수분류의 조건, 즉 지중에의 공기층을 확보하기 위해, nozzle출구 가까이에서 공기를 방출시키면,, 물의 분류가 그 공기를 끌어들여서, 동압감소는 줄어들며, 따라서 수분류도 먼 곳까지 이르게 된다. 이와 같이 고압분류에다 공기를 이용함으로써,, 절삭 능력은 크게 향상되는 것이다.
3) 고압분류에 의한 지반의 파괴구조
- 고압부류에 의한 지반의 파괴란, 물의 분류가 갖는 동적 에너지를 이용하여 지반을 파괴하는 공법, 즉 액체로서 고체를 파괴코자 하는 시도로서, 그 굴착기구도 복잡하고, 그 굴착효과는 지반의 물리적, 역학적 성질에 따라 현저하게 다르므로, 현재까지 이 굴착기구가 이론적으로 설명되고 있지 않다. 그렇기는 하나 수력에 의한 굴착요인에 대하여 제창되고 있는 주요 사항을 도시하면 다음과 같다.
- 이들, 요인은 단독으로 활용하는 것이 아니고, 분사 압력이 대체적인 분류수의 유량 및 nozzle로부터 지반면까지의 거리에 의하여, 복합적 또는 상승적으로 파괴작용을 것이라 생각된다.
※ 물방울의 마찰력 : 고압분류를 공기중에 분사했을 때의 미기 영역에서의 물방울의 마찰력이 여기에 해당한다.
---------------------------------물방울의 마찰력은,
-------------------------------상기식의 유속(v)은,
(Q : 유량, A : nozzle 단면적)이므로, (1) 식에 (2)식을 대입하면)
-------------------------------이 된다.
- 여기에서, γ․C․A를 일정하게 하면, 파괴력(P)은 유량에 비례한다.
즉, 큰 파괴력을 얻기 위해서는 유량(Q)를 늘리면 되고, 유량증가를 위해서는 분류의 압력을 높일 필요가 있다. 그러나 이 물방울은 공기 중에서만 생기는 것이며, 수중 또는 이수중에서는 생기지 않는다. 가령, 공기의 작용으로 발생했다 하더라도 극히 작으며 요인으로서는 문제가 되지 않는다.
※ 물쐐기 작용 : 분류와 접촉하는 지반면에는 응력이 생기고 그 응력은 동수압의 증가에 의하여 증대되며, 지반의 파괴 강도에 까지 높이면 지반은 파괴된다. 또, 지반 중의 간극이 물로 지지되어, 그 가운데에 수분류의 반력작용으로 액체역학적인 응력「물쐐기」가 발생한다. 이 쇄기는 지반의 간극, 성상에 따라, 일정한 응력을 갖는 것이 형성된다. 이때, nozzle로부터 지반가지의 거리가 짧을수록, 쐐기가 이루어지는 조건은 양호하게 된다. 이러한 관점에서 볼 때, 간극비가 큰 지반, 균열이 있는 지반등은 수력파괴에 적당하다고 한다.
※ 분류의 맥동각력하 : 금속판에 분출수를 접촉 시켰을 때, 분류의 접촉압력이 그 재료의 1/10~1/15로 되면 파괴가 시작된다. 이와 같이, 현저하게 낮은 압력으로 파괴가 일어나는 것으로 보아도, 굴착대상물과 수분류의 사이에는 특수한 상호작용이 있음이 엿보인다. 즉, 분류에 의하여 해가 가해진 시료는 잔류분의 체적은 그의 파괴과정에서 큰 역할을 하는 것으로 생각된다.
※ 케비테이션 현상 : 물에 응력을 가해도 밀도가 아주 조금 증가할 뿐 별로 변화는 없다. 이에 대하여 응력을 서서히 줄이면 하나의 한계에 달하여, 액체는 등질성을 신수할 수 없고, 기체와 액체의 혼합체로 된다. 이와 같이 유동하는 액체 중에 나타나는 공동현상을 Cavitation이라 한다. 이 공동은 기체가 응력이 높은 부분에 도달되면 사라져 버린다. 이 공동괴감의 시간은 1/100 ~ 1/1000초로서 극히 짧다.
지금 분류수가 지반에 부딪치면, 토립자 표면에 따라 흐름이 일어난다. 그렇게 되면, 입경의 차이에 따라 응력이 낮아진 부분이 생기며, 이러한 장소에 다수의 기포가 발생한다. 그것이 다시금 응력이 높은곳으로 들어갈 때, 주위의 물은 이를 무너뜨리고져 대단히 빠른 속도로 유동한다.
그 관성력에 의하여 시료는 파괴된다. 그렇지만 Cavitation에 의한 파괴는 대략 서서히 일어나서 다량의 에너지를 소비한다. 그 위에 수중분사시에는 이러한 현상이 일어나지 않으며 공기의 사용에 의하여 많은 효과가 생각되나, 토질의 경우는 다음식을 구할 수가 있다.
P' = JSP에 혼입된 기포가 파열할 때의 압력
P = 200 ~ 500kg/cm2, 사용압력
K = 0.163 ~ 0.164, 실험상수
r = 0.3mm, 혼입공기포위 경, 고속도 카메라에 의한 실험치
r0 = 1
그리하여, 사용압력 P=200kg/cm2 일 때는 (Koken PG-60TV 사용시)
또, 사용압력 P=240kg/cm2 또는 1450kg/cm2의 공기가 파괴할 때의 에너지가 Cavitation에 가상된다. 이러한 현상에 바탕을 두어 적극적이 파괴기구를 설명할 수가 있다.
이상을 요약하면 분류수에 의한 굴착기구는 분류수가 지반에 접하는 면의 동압이 중요한 요소임을 알 수 있다. 또한, 분류의 유출속도가 늘면, 지반면에 작용하는 동압도 증대되나 이 때문에 지반 내의 응력도 증대되며, 물쐐기 효과와 아울러 굴착효율도 증대됨을 알 수 있다.
5. JSP공법의 시공 계통도
1. 시멘트 Silo
2. 계량기
3. 그라우트 믹서 : 혼합용량 800ℓ×2, 동력 7.5 KW
4. 수중 Pump : 구구 d 500mm, 양정 30m, 동력 3.7 KW
5. 물탱크 : 용량 6m3
6. Agitator(교반기) : 교반용량 800ℓ, 2.2 KW
7. 흡입 Hose : Φ=50mm
8. 초고압펌프 : 광연 PG-75sv, 최대압력 240kg/cm2, 최대토출량 90ℓ/min, 동력 45KW, 중량 3,200kg
9. 초고압 펌프 조작반
10. 고압 Hose : Φ=19mm, 파괴압력 700kg/cm2, 상용압력 200kg/cm2, 상용토출량 60ℓ/min
11. Compressor : 상용압력 7kg/cm2, 토출풍량 4.5m3/min
12. Air Hose : Φ=19mm
13. Double Swivel
14. 시추기 : 회전수 3~80 rpm, 동력 9.7KW, 300m급, J.S.P. 용 개량형
15. Double Rod : Φ=40.5mm ~ BW
16. NJV : JSP용 특수 Nozzle 구경 3mm
17. J.S.P. 에 의한 토양개량범위 : 0.8~1.5m
6. JSP 표준시공배치
1) JSP 유효지반 개량경(R)
- 표준시공개량(Pump 토출압력 200kg/cm2, Pump 토출량 60 l/min, nozzle 구경 3mm, 양관 Pitch 2.5cm, 풍량 1.0 m3/min) 하에서의 유효개량경은 다음과 같다.
2) 지층별 제원
3) 작업시간
7. 시공 순서도
1. 시추개시 : 지반조건에 따른 Rod회전속도, Spindle Stroke, 소정의 방향, 계획 심도를 천공한다. (Φ76mm, BX)
2. 시추완료 : 계획 심도까지 천공이 완료되면, J.S.P. 시공상태로시공상태로 Rod 회전을 바꾸어 맞춘다.
3. J.S.P. 개시개시 : Air jet를 시동하고, 천공 주입수를 시멘트 밀크 주입으로 바꾸면서 J.S.P.J.S.P. 를 시공한다.
4. J.S.P. 시공 중시공중 : Rod를 서서히 회전과 동시 인양하면서 J.S.P.J.S.P. 시공을 한다.
5. J.S.P. 시공완료시공완료 : 소정의 위치에 까지 J.S.P. 시공이 완료되면, 장소를 옮긴다.
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