서 론

연구의 배경 및 목적

토목공학에서 과거 오랜 기간 동안 지반의 안정성을 중요한 토픽으로 다루어 왔다. 오래전부터 견고하지 못한 지반 위에 구조물을 축조하는 경우 안정성을 위해 많은 이론들을 연구하고 적용해왔다. 이런 노력으로 견실한 지반뿐만이 아니라 연약한 지반에서도 구조물을 설치할 수 있는 여건을 만들 수 있게 많은 발전을 해왔다. 하지만 현대에서도 연약지반 상의 구조물 건설은 많은 문제를 야기한다.

우리나라에서도 빠른 경제성장과 더불어 공업용지나 주거용지의 수요가 점점 증가되고 있으나 양호한 용지 확보가 어려워 국토의 효율적이고 균형적 발전을 위해서 최근 지반이 연약한 지역까지 새로운 공간개발이 진행되고 있다. 하지만 연약지반은 지반의 공학적 성질이 복잡한 특성을 가지고 있으며, 지반의 강도가 작고 특히 심도가 깊을 때 변형이 크므로 관리 기술이 필요하고 제반대책들이 강구되어야 한다.

연약지반 개량공법은 치환, 진공, 고화주입공법 등 다양하지만 압밀이론에 의한 배수공법을 이용하여 단기간에 지반의 유효응력을 증가시키는 수직배수재 공법은 효율성과 경제성을 모두 가지고 있으므로 현대에서 많이 사용되고 있다. 우리나라 연약지반은 낙동강 하류 퇴적지반과 조수간만의 차가 큰 서해안 등이 대표적이지만 최근에는 해상준설을 통한 준설연약지반도 상당하다. 우리나라에서 개발된 대표적인 연약지반 지역은 서해안 인천공항, 새만금, 김포한강 신도시, 시화 택지지구, 광양항, 율촌산단, 목포 남악신도시 등이 대표적이라고 할 수 있다.

그런데 이런 열악한 연약지반 환경에서 개발되는 공업용지, 주거용지 지역은 고심도 연약지반 개량 후 이용의 편의성을 위하여 제반 도로건설이 필수이다. 통상적인 연직배수공법 연약지반 상의 도로를 건설할 때는 도로 계획고를 고려하여 노체층까지 90% 다짐하여 설계성토계획고까지 시공하고 노상층은 침하완료 후 시공하는 것이 일반적이다. 하지만 연약지반처리 완료시를 앞당기기 위하여 시공되는 여성토를 제거한 후에 노상층을 시공하기 때문에 공사비용, 시간, 현장관리 등의 문제점을 가지고 있는 것이 현실이다.

그래서 노상층을 연약지반 개량전에 선시공하여 여성고에 포함시키고 정확한 침하량 예측하여 압밀 완료 후 선시공 된 노상층의 다짐도가 유지된다면 연약지반 상의 도로 건설 시 경제성과 품질관리 등 많은 부분에서 유리할 것으로 예상된다. 뿐만 아니라, 절성토 사업시 발생하는 공사비용과 노상부의 절취, 운반 성토 ‧ 다짐 등에서 소요되는 공사기간이 단출될 것으로 판단된다.

이번 연구에서는 목포 ○○지역 약 18~20 m 고심도 연약지반 지역에서 수직배수재 압밀처리 전 일정구간 시험구간을 선정하였다. 노상을 사전에 시공하고 압밀대기 기간 동안 계측 및 압밀분석 등을 정밀하게 시행한 후 다시 절토하여 노상층 다짐도 유지유무를 확인하여 현장 적용가능성을 검토하고자 한다.

노상의 역할 및 압밀관리 이론

노상의 역할

본 연구에서 수직배수공법의 연약지반처리를 위해 설계 침하량의 정량적인 침하관리를 하였다. 통상적으로 침하관리를 위해서는 성토 중의 침하량 측정을 통하여 장래침하량 및 침하종료시점, 선행하중 제거시기를 결정한다.

압밀에 대한 연구는 여러 연구자들을 통해 연구가 진행되었는데, 국내의 경우 Kim and Leroueil(2001)은 압밀과정에서 점토의 점소성 거동에 관한 연구 및 과압밀 준설매립지반의 장기압밀침하에 대하여 연구하였다. 또한 Lee et al.(2001)은 배수 및 비배수 상태에서의 전단거동에 대한 특성, 고유기질토의 반복압밀 특성에 대해 기술하였다.

국외의 경우 Gajo and Wood(2001)는 소성모델을 근거로 한 새로운 이방모델을 제안하였으며, Puzrin and Burland(2000)는 비등방 소성모델을 제안하였다. 연약지반의 경우 많은 변형을 나타내는 특성을 가지고 있으므로 이를 고려한 대변형 해석을 위한 모델이 Jeremic et al.(2001)에 의하여 제안되었다. Zhu et al.(2001)은 배수재가 설치된 연약지반의 압밀거동 해석을 위해 유한요소법에 대한 연구를 수행하였으며, Navarro and Alonso(2001)는 2차압밀에 대하여 연구하였다.

Hoshino는 Terzaghi et al.(1967)의 압밀이론에 근거하고 쌍곡선법과 유사한 장기침하량을 예측하는 방법을 제안하였으며, Asaoka는 실제 시공 시 발생되는 침하곡선으로부터 침하량과 침하속도를 예측하는 방법을 제안하였다.

이번 연구에서 실측치를 이용한 침하관리는 쌍곡선법, Hoshino법($\sqrt{t}$법), Asaoka법, Terzaghi의 curve fitting법을 이용하였다.

첫 번째로 쌍곡선법은 침하의 평균속도 침하의 평균속도가 쌍곡선적으로 감소한다는 가정하에 초기의 실측침하량에 의해 장래의 침하량을 예측하는 방법으로서 쌓기 종료 후 실측침하량을 기초로 시간(t)과 t/(St-So)를 Plot하고 이 점들 중 후반부의 직선부분을 연결하는 직선을 결정하여 침하량을 계산한다.

Fig. 1은 쌍곡선법에 대한 설명이다.

Fig. 1.

Hyperbolic method.

두 번째 Hoshino법($\sqrt{t}$법)은 첫 번째 쌍곡선법과 유사하나 유동변형을 포함한 전침하량은 시간의 평방근에 비례한다는 가정으로부터 장래의 침하량을 예측하는 방법으로서 쌓기 종료후 실측침하량을 기초로 시간(t)과 t/(St-So)²를 Plot하고 이 점들 중 후반부의 직선부분을 연결하여 미지수 A, K에 의해 침하량을 계산하는 방법이다.

Fig. 2는 Hoshino법을 나타내었다.

Fig. 2.

Hoshino method ($\sqrt{t}$method).

세 번째 Asaoka법은 1차원 압밀방정식에 의거 하중이 일정할 때의 침하량을 나타내는 간편식으로서 실측침하-시간곡선에서 동일 간격의 시간(Δt)에 대응하는 침하량 S₁, S₂, ..., Si를 구하여 (S₁, S₂), (S₂, S₃) ..., (Si-1, Si)를 Plot하고 그 점들을 연결하는 직선을 구하여 침하량을 계산한다.

Fig. 3은 Asaoka법을 그래프로 나타내었다.

Fig. 3.

Asaoka method.

Fig. 4는 terzaghi의 curve fitting법은 Terzaghi 압밀이론을 적용하여 성토하중과 선행압밀하중의 관계를 고려한 압축지수, 재압축 지수, 압밀계수 등을 시행착오법으로 조정하여 계측에 따른 시간~침하 거동에 부합하도록 Cc, Cr, Cv 등을 선정하고, 성토 하중 및 성토량에 대한 최종침하를 산정하는 방법이다.

Fig. 4.

Curve fitting method.

실내시험 및 실외시험

현장 시험계획

이번 연구의 주목적인 침하전후의 노상다짐도 변화를 확인하기 위하여 Fig. 5와 같이 시험위치를 ○○택지조성공사 부지 내 임의지점의 길이 40 m 폭 30 m인 1,200 m² 면적의 직사각형 부지를 시험구역으로 선택하였다. 연약지반 심도는 약 18~20 m 구간으로 원지반 연약지반에 수직배수재(plastic drain board)를 1.6 m 정사각형 간격으로 지지층까지 타입하였다. Fig. 6과 같이 원지반에 침하판을 3개소 설치하고 수평배수층(sand mat)을 50 cm포설하였다. 그리고 배수를 위해 집수정을 설치하여 퇴적연약층의 간극수를 제거하여 압밀을 촉진시켰다. 그 이후 노체층을 시공하고 해당구역의 설계침하량 1.74 m를 고려하여 노상층을 1.2 m 형성하였다. Fig. 7과 같이 노상층은 도로공사 시방규정에 따라 20 cm씩 총 6단을 층다짐으로 시행하고 침하대기기간 12개월을 압밀시켰다. 이 때 노상층의 다짐확인은 모래치환에 의한 다짐도 현장시험을 실시한다. 노상재료는 반입전 D다짐시험(KS F 2312)에 따른 최대건조밀도와 최적함수비 등을 사전에 구한다.

Fig. 5.

Test location.

Fig. 6.

Test and measuring instrument location.

Fig. 7.

Field compaction test.

압밀침하대기기간 12개월 경과 후 압밀침하분석결과에 따라서 침하완료시기를 결정하여 침하량에 따른 노상층을 절토하여 모래치환에 의한 다짐도 현장시험으로 다짐도를 재확인하다.

노상재료 시험

노상재료는 반입 전 노상재료의 적절성 및 현장시험을 위해 Fig. 8과 같이 실내 D다짐시험(KS F 2312)을 시행하였다.

Fig. 8.

Compaction test.

노상체 현장밀도 시험

시험성토구간에서 수평배수층포설 후 설계침하량이 반영된 노체완료지점에서부터 노상체를 다짐두께 200 mm로 적정다짐장비와 살수차를 사용하여 축조하였다. 이때 다짐도는 실내다짐시험의 최대건조밀도의 95% 이상으로 관리하며 층다짐을 한다.

현장시험방법은 모래치환을 이용한 다짐측정법(KS F 2311)으로 시험방법은 Figs. 9, 10과 같다. 먼저 실내시험실에서 콘 속의 표준사 무게, 표준사 단위중량, 현장흙용기무게를 측정한다. 현장에서는 밀도측정기에 표준사를 담고 무게를 측정한다. 시험장소의 표면을 수평하게 고르고 밑판을 고정시키고 규정 시험구멍 최소체적 이상을 시험삽을 이용하여 파낸다. 파낸 흙은 용기에 담아서 무게를 측정한다. 그리고 파낸 구멍에 콘을 뒤집어서 고정시키고 밸브를 열어 표준사를 구멍에 채운다. 표준사가 다 채워지면 밸브를 다시 잠그고 남은 모래와 측정기의 무게를 다시 측정한다. 파낸 흙을 급속함수량측정기를 이용하여 현장흙의 함수비를 측정한다.

Fig. 9.

Test method for density of soil in place by the sand cone method.

Fig. 10.

Field compaction test during sub-layer construction.

침하완료 후 침하량을 계산하여 당초 노상마지막층을 예측하여 굴삭기로 조심스럽게 굴착한다. Fig. 11과 같이 지반고를 측량기로 측정하면서 노상체 축조의 역순으로 현장다짐도를 확인한다.

Fig. 11.

Field compaction test after settlement completion.

시험결과

노상체 축조과정 현장밀도 시험

현장들밀도 시험전 시험실에서 측정한 깔데기속의 모래무게는 1,156 g이고 용기무게는 376 g, 시험용 표준사의 단위중량은 1.390 t/m³으로 측정되었다. 각 층별 현장밀도 및 함수비는 아래 Table 1의 결과값을 보였다.

Table 1. Each layer field compaction during subgrade construction

시험층 6층에서 총 18회의 현장밀도 시험에서 노상기준인 95% 이상의 값이 나왔다.

압밀완료에 따른 분석

시험성토구간에서 시행된 압밀분석은 2017년 9월부터 2019년 3월까지 반영하였고 침하판 3개소에서 측정된 침하계측값을 통하여 쌍곡선법, Hoshino법($\sqrt{t}$법), Asaoka법, terzaghi의 curve fitting법 4가지 방법으로 압밀완료시기 및 최종침하량을 산정하였다.

Fig. 12와 같이 S1-3구간 발생침하량은 178.5 cm이고, 쌍곡선법 182 cm, Hoshino법 183.3 cm, Asaoka법 182.39 cm, curve fitting법 183 cm로 분석되었다. Fig. 13과 같이 S1-4구간 발생침하량은 200.7 cm이고, 쌍곡선법 202.5 cm, Hoshino법 202.8 cm, Asaoka법 203.59 cm, curve fitting법 203 cm로 분석되었다. Fig. 14와 같이 S1-5구간 발생침하량은 173.0 cm이고, 쌍곡선법 179.3 cm, Hoshino법 177.3 cm, Asaoka법 179.1 cm, curve fitting법 178 cm로 분석되었다.

Fig. 12.

S1-03 settlement analysis results.

Fig. 13.

S1-04 settlement analysis results.

Fig. 14.

S1-05 settlement analysis results.

압밀완료 후 노상층 현장밀도 재측정

현장들밀도 시험전 시험실에서 측정한 깔데기속의 모래무게는 1,156 g이고 용기무게는 465 g, 시험용 표준사의 단위중량은 1.390 t/m³으로 측정되었다. 각 층별 현장밀도 및 함수비는 아래 Table 2의 결과값을 보였다.

Table 2. Each layer field compactness after settlement completion

Fig. 15와 같이 시험층 6층에서 총 16회의 현장밀도 시험에서 노상기준인 95% 이상의 값을 구할 수 있었지만 노상1층에서는 S1-03, S1-04에서 각각 89.6%, 89.3%로서 95% 미만의 결과값이 도출되었다.

Fig. 15.

Compactness change results.

결 론

대단위 연약지반 조성지역에서 도로를 건설할 때 노체층까지 다짐시공 후 압밀처리기간완료에 따른 여성토 제거하고 노상층을 시공하므로 공사비용, 시간, 현장관리 등의 문제점을 개선하고자 하였다. 노상층을 연약지반 개량 전에 선시공하여 여성고에 포함시키고 압밀침하 완료 후 선시공된 노상층의 다짐도 유지유무를 현장시험을 통하여 확인하였다.

(1) 목포 ○○지역에서 연약지반 층후 18~20 m의 시험구간에서 수직배수재(plastic drain board)를 통한 배수압밀공법을 시행하고, 설계침하량 1.74 m 구간에 예상침하량을 충분히 고려하여 노상층 1.2 m (총 6층)을 사전에 여성고에 포함시킨 결과, 노상층 형성 시 다짐도 95~98.7%로 노상기준에 부합되는 시험값을 확인하였다.

(2) 시험성토구간에서 시행된 압밀을 쌍곡선법, Hoshino법($\sqrt{t}$법), Asaoka법, terzaghi의 curve fitting법으로 분석한 결과 S1-3구간 평균 182.67 cm, S1-4구간 평균 202.97 cm, S1-5구간 평균 178.4 cm로 평가되었다. 압밀완료 후 여성토 절토 후 노상체 다짐도 유지를 현장시험으로 확인한 결과 최종층인 6층과 5층은 다짐도가 소폭 상승하였지만, 최하단층인 1층에서는 다짐도가 국부적으로 소폭하락한 것으로 나타났다.

(3) 최하단층 다짐도 하락 이유는 시험성토 구간이나 도로구간은 한정된 폭(약 30 m)에서 시행된 압밀침하구간으로 침하형태가 등분포침하가 아닌 중앙에 많은 침하량을 보이는 부등침하형태(약 20 cm 이상 부등침하)를 보였다. 이로 인하여 노상 하부층(1~2층)은 인장으로 인한 다짐층의 느슨함(loosen)이 발생하여 다짐도가 소폭 감소한 것으로 판단된다. 추후 최하단층 다짐도 감소에 따른 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

(4) 1층을 제외한 나머지 노상층의 다짐도는 일정하게 유지된 것으로 나타났으므로 추후 하부층 제외를 고려한 노상층을 축조한다면 연약지반상 도로 건설시 경제성 및 시공성을 확보하는데 상당히 유리할 것으로 판단된다. 연구를 위한 연약지반 처리 현장 공사비용 분석결과 약 450,000 m³ 절성토 사업에서 총 95억 중 25억의 공사비 절감효과가 있는 것으로 추정되며 이것은 26%가량의 경제적 절감효과가 발생한다. 또한 노상부 절취, 운반, 성토 ‧ 다짐 등의 소요되는 공사기간을 3~5개월까지 단출할 수 있을거라 판단된다.

추가적인 연구를 통해 대략적인 침하량을 예측하여 노상층의 다짐 두께를 확대(1.4~1.6 m)하여 적용한다면 연약지반 설계기법에 대한 적용성이 극대화 될 수 있을 것으로 기대된다.