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현재 세계적으로 모래를 대신해서 자갈이나 쇄석을 이용하는 공법인 쇄석기둥공법이 해상 연약지반 공사현장에서 그 사용빈도가 증가하는 추세이다. 쇄석기둥공법은 현재 해외에서는 일반적으로 압밀의 가속화에 의해 제방과 같은 구조물의 전단강도를 증가시키는 용도로 사용되어 지고 있다.

통상 지반개량을 목적으로 선행재하공법, 준설공법, 치환공법 등 기존의 다양한 설계방법이 사용되어 왔다. 하지만 환경적 제한과 건설 후 유지비용 때문에 이러 한 문제를 대처하는 새로운 지반개량방법이 추구되게 되었다. 쇄석기둥공법은 경험을 토대로 그 가치가 증명된 기록을 갖는 지반개량공법 중의 한 방법으로 연약한 점토·실트 그리고 또 느슨한 실트질 모래의 개량에 대해 이상적으로 시공되었다. 이러한 개념은 1830년 프랑스에서 고유 흙의 개량을 위해 처음으로 사용되기 시작 하여 1950년 이후부터 현장 개량을 위해 유럽에서 널리 이용되기 시작하였다. 미국에서는 1976년 이래 사용이 증가하고 있는 추세이다.

쇄석기둥공법의 적용은 축제, 암거, 교량과 같은 형식의 구조물의 지지에 영향을 주고 사면을 안정화 시키는데 이용할 수 있다. 보강된 지반 구조물을 지지하기 위 한 쇄석기둥공법은 구조물과 혼합된 형태의 결과로 상당히 경제적일 것이다.

그러나 각각의 명확한 적용성에 있어서 쇄석기둥공법은 각 방법의 이점과 한계 모두를 고려하는 다른 설계법과 주의 깊게 비교하여야 할 것이다. 지금까지 쇄석기둥의 시공은 정확한 과학보다 경험적으로 조성된 상태이다.
 
 
 
쇄석기둥공법은 쇄석이나 자갈과 같은 조립재로 채워진 기둥으로 연약 점토지반을 약 10∼35%의 치환을 하고 있다. 치환방법인 진동치환(vibro-replacement)공법 은 얕은 기초의 침하량 감소 및 지지력 강화효과가 있고, 지진 시 액상화 가능성을 약화시키는 진동다짐(vibro-compaction)의 기술과 비슷하며 점토, 실트 및 복합지층 에서 사용된다. 여기서, 쇄석기둥의 특징을 알아보면 다음과 같다.
 
1. 지반 자체의 강도, 밀도 등을 향상시킨다.
2. 높은 간극 수압의 작용을 억제해주는 배수 환경을 제공한다.
3. 진동과 변위로 인한 그 피해를 줄인다.
4. 쇄석기둥 주위 지반의 측방 응력을 증가시킨다.
5. 깊은 층의 지반에는 응력의 전이가 안 되므로 대규모 하중재하 시에는 적합하지 않다.
 
쇄석기둥의 형성은 연직 배수제의 역할로 기초나 지진하중에 의한 간극 수압을 소산시키며, 연약지반의 지지력의 향상, 보강토에 세워진 기초의 침하 감소, 압밀효과의 증진, 기초 크기의 축소유도, 사면의 안정을 유도하는 등 많은 장점이 있다. 특히 진동치환(vibro-replacement)공법은 교각근처 지반의 안정화나 얕은 기초의 시공, 액상화 경감에 적절한 공법이다. 이러한 다양한 장점으로 쇄석기둥공법은 현재 사용이 늘고 있는 추세이다.
 
 
지반형태 진동다짐공법 진동치환공법
모래 대단히 양호 대단히 양호
실트질 모래 양호한 편 대단히 양호
실트 불충분 양호
점토 비적용 양호한 편
Mine spoils(폐광) 양호 양호
Dumped fill 채움재의 자연상태로 결정 양호
Garbage(쓰레기) 비적용 비적용
 
 
우선 진동다짐공법은 진동기를 이용하여 진동과 물의 공급, 그리고 그진동기를 땔 때, 조립토의 주입에 의한 다짐으로 점성이 없는 조립토의 강도를 증대시키는 방법이다.
무게가 무거운 진동기를 느슨한 조립토속으로 관입하고 지반속에서 다져진 쇄석기둥을 생성하면서 하강하는 것이다. 미세입자에서의 관입과 다짐은 일반적으로 물분사(water jetting)에 의해 수행한다. 여기서 방출구(outlet)는 몸체를 따라 진동기의 선단과 여러 지점에 연결된다. 이 기계는 진동기와 필요한 제어를 실시하는 동안 동력원이 설치된 크레인에 매달려 있다.
진동기의 관입에 의한 균등한 다짐상태는 지반밀도의 증가로 자연 상태 흙에 발생되는 부등침하의 큰 감소를 진동기의 삽입에 의해 얻을 수 있을 것이다. 영국식 방법은 벽돌 조각, 깨진 콘크리트, 목재, 말뚝, 포장된 재료, 흙, 낡은 집의 제거로 산출된 다양한 재료 등으로 구성되는 다양한 채움 재료가 다짐으로 이용된다.
요구하는 깊이까지 도달하였을 때, 진동기 내에서 진동 기계의 회전 조작이 실행되고 분사방향은 아래로 하여 흙 입자를 나르기 위해 역회전한다. 진동기는 주위의 흙을 다지고 모래는 지표면에 나타난 콘 모양의 함몰부에 채우기 위해 넣어진다. 진동기는 0.25m단계로 지중에 내려간다. 각 단계에선 진동이 적용되고 지표면에 조립재를 메운다. 진동기는 추가로 2~3m 더 내려가고 그 과정에서 치환될 전체면적이 다져진 흙의 원주에 의한 면적과 겹쳐질 때까지 반복된다.
일반적으로 다짐이 이루어질 때 기초의 재하면적을 덮을 장비가 필요하다. 진동다짐기는 자체 무게와 진동을 혼합한 작동으로 지중으로 관입되고 물분사가 보조적으로 수행된다. 이 때 기계가 천천히 들어감으로써 다짐이 이루어지게 된다. 새 채움재가 기계 주위에 삽입되는 이 단계에서 진동다짐기를 위.아래로 움직이며 삽입한다. 여기서 채움 재료는 바닥에서부터 채워지게 된다. 진동기는 모래의 다짐을 위해 선단을 통한 재료의 이동을 위해 장비의 물분사를 통해 더 안정적으로 관입될 수 있다.
 
 
 

쇄석기둥의 주된 시공공법인 진동치환공법은 점성이 없는 지반을 개량하는 공법의 하나이며 사용되는 장비는 진동다짐공법과 유사하다. 이 공법은 물분사(water jetting)를 하느냐, 하지 않느냐에 따라 습윤공법(wet process; vibro-replacement)과 건조공법(dry process; vibro-displacement)으로 나눌 수 있다.

가) 습윤공법(wet process; vibro-replacement)
진동치환공법에서 시추공은 요구하는 깊이까지 분사중인 진동다짐기가 내려가면서 지반에 형성된다. 물은 바닥에서 내뿜어지고 진동장비의 측면을 따라 진동기의 관입과 가압수로 공내에 존재하는 느슨한 흙을 배토하게 한다. 또한 분사후 공내에 흐르는 물은 시추공의 안정과 공벽의 흙을 씻는데 중요하다. 비어져 있던 시추공은 쇄석으로 가득 채워지고 진동다짐기의 바닥 근처에 위치한 진동기를 전기적으로 또는 수리학적 작동에 의해 쇄석은 0.3~1.2m로 증가되고 조밀화 되어진다. 습윤공법은 일반적으로 시추공의 안정이 의심스러울 때 행하여진다. 그러므로 지하수위가 높고 매우 연약한 흙이 놓여진 현장에 적합하다.

나) 건조공법(dry process; vibro-displacement)
습윤공법 공정과 건조공법 공정의 주된차이는 vibro-displacement에서 시추공을 처음 형성하는 동안에 물분사를 하지 않는 것이다. 그러므로 건조공법에서 적용 가능한 흙은 상대적으로 낮은 지하수위가 존재하고 비배수 전단강도가 40~60kN/㎡를 초과하는 현장에 적합하다.