The Journal of Engineering Geology ISSN:1226-5268(Print) 2287-7169(Online) 지질공학

대규모 택지 조성 사업인 기업도시 개발을 위해서는 방대한 양의 외부 성토재 확보가 필수적이나, 인근 토취장의 가용 자원 한계와 원거리 운반에 따른 물류비용 증가, 반입 토사의 불리한 지반 특성 등이 주요 제약 조건으로 작용한다. 본 연구는 기업도시 구성지구 인근 7개 토취장 후보지(Site 1–7)를 대상으로 현장조사, 실내 토질시험 및 운반 경로 기반의 경제성 분석을 수행하여 최적의 외부토 반입 방안을 도출하고자 하였다. 실내실험 결과, 연구대상지의 토사들은 세립분 함유량이 높은 실트질 점토(silty clay, CL)로 구성되어 있으며, 20%이상의 최적함수비(optimum moisture content, OMC)와 높은 내부마찰각을 확인하였으며, 이는 성토재로의 활용시 다짐 및 안정성 확보에 대한 문제가 야기될 것으로 사료된다. 경제성 분석 결과, 전체 소요 비용 중 흙운반비가 최대 80%에 육박하여 운반 거리가 사업성을 좌우하는 핵심 변수임이 정량적으로 규명되었다. 운반 거리가 9.6 km로 가장 짧은 Site 1이 10,985원/m³의 우수한 경제성을 보였으며, 운반 거리가 20.0 km를 초과하는 Site 4와 Site 5는 Site 1 대비 1.86–2.07배 이상 과도한 운반비 할증 발생되는 것으로 확인하였다. 따라서 각 토취장별 운반비용에 대한 우선수위를 선정하였고, 필요시 천연 토사의 공학적 한계를 극복하기 위해 제강슬래그 등 산업부산물 대체재를 혼합하는 공법의 도입이 필요할 것으로 사료된다.

우리나라는 국토의 약 70%가 산악지형으로 도로 개설 시 많은 비탈면이 형성되며, 해빙기, 집중강우기에 사면재해가 빈번하게 발생한다. SAR (synthetic aperture radar) 위성은 주야간, 기상조건에 관계없이 반복 관측이 가능하여 광역 사면 모니터링 수단으로 주목받고 있으나, 측면 관측(side-looking) 방식의 태생적 특성으로 전향단축, 중첩, 음영과 같은 기하학적 왜곡이 발생한다. 본 연구는 국내 일반국도 비탈면 30,543개소를 대상으로 한반도를 통과하는 Sentinel-1 4개 궤도(ascending 127, 54, descending 134, 61)의 가시성을 정량적으로 평가하였다. 도로 중심선과 상·하행 정보를 결합하여 각 비탈면의 경사방향을 자동 산출하고, Sentinel-1 영상에서 추출한 local incidence angle 및 look-vector orientation과 결합하여 위성 관측 방향에서의 상대 기울기를 계산한 뒤 왜곡 유형을 분류하였다. 분석 결과, 좌표 오류 등을 제외한 26,598개 비탈면 중 79.7%가 4개 궤도 중 최소 하나에서 관측 가능한 것으로 평가되었으며, 관측이 어려운 비탈면은 강원·경북·전북의 산악지역에 집중되었다. 비탈면 경사가 가시성을 결정하는 핵심 변수로, 50° 이하 비탈면은 98% 이상이 관측 가능한 반면 60–70° 구간은 약 50%, 70° 이상은 약 70%가 관측이 불가능하였다. 본 연구 결과는 국내 도로 비탈면에 대한 SAR 기반 광역 모니터링의 사전 적용 가능성 판단을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.

국립경국대학교 부지 내 코어시료(심도 31.3–478.8 m)를 대상으로 선캄브리아기 화강편마암의 단열충전 광물에 대한 암석기재학적 연구를 수행하였다. 편광현미경, 후방산란전자 이미지, 그리고 X-선 회절분석을 통해 단열충전 광물의 종류 및 공생순서를 보고한다. 주요 충전 광물은 방해석이며, 석영, 황철석, 적철석, 녹니석 및 녹염석이 국지적으로 수반된다. 176.3 m 구간의 방해석맥은 두께 1.1 cm로 가장 두껍게 발달하며, EDS 선분석을 통해 맥 중앙부로 갈수록 Mg 함량이 증가하는 조성 누대가 확인되었다. X-선 회절패턴에 대한 리트벨트(Rietveld) 반정량 분석 결과, 176.3 m 구간의 단층대는 탄산염광물(방해석 + 능철석, 81%), 석영(13%) 및 인회석(6%)으로 구성되는 한편, 466.7 m 구간은 적철석(58%), 스멕타이트(10%) 및 녹니석(7%)을 포함하는 저온 열수 변질 조합을 보인다. 절단 관계 분석 결과는 방해석(초기) → 석영(중기, 국지적) → 황철석(후기, 환원성) → 적철석(최후기, 산화성)의 공생 순서를 시사한다. 한편, 94.0 m 구간의 결정질 석회암 내 단사휘석은 쥐라기 안동화강암 관입에 의한 탄산염 암석의 스카른(skarn) 작용의 결과로 해석된다. 본 연구 결과는 안동 지역이 다단계의 지구조-열수 사건을 겪었음을 지시하며, 단열을 통한 지하수의 이동과 단열 내 침전광물의 진화과정을 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 경주시 토함산을 횡단하는 쌍굴 도로터널에서 2016년 이후 지속적으로 관측된 터널 바닥부 융기의 발생 메커니즘과 단층대 영향을 규명하였다. 이를 위해 장기 계측자료, 노면 고도 측량, 굴진면 및 시추코어 관찰, 탄성파 토모그래피와 XRD를 포함한 토질시험 결과를 종합적으로 분석하였다. 분석 결과, 바닥부 융기 구간은 신생대 신진기 퇴적분지의 경계단층인 외동단층과 터널이 교차하는 구간으로 확인되었으며, 지반은 점토질 단층핵(ZD), 단층손상대(ZC), 풍화암반(ZB), 양호한 절리암반(ZA)의 지질 단위로 구분되었다. 단층핵에서는 일라이트, 카올리나이트, 녹니석이 확인되었으나, 팽창성 점토광물은 검출되지 않았다. 이는 장기적인 터널 바닥부 융기가 점토광물의 팽창보다는 지반의 압착 거동에 의해 지배됨을 시사한다. 세 가지 압착성 지반 평가법을 비교한 결과, 단층핵은 모든 평가법에서 심한 압착성 지반 이상의 취약한 지반으로 평가되었으며, Hoek-Marinos 방법이 실제 바닥부 융기의 공간적 분포와 변형 규모를 가장 잘 재현하였다. 또한 바닥부 융기 구간은 시간 경과에 따라 단층핵과 단층손상대에서 인접 풍화암반까지 확장되었으나, 양호한 절리암반이 출현하는 구간에서 융기 전파가 제한되는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 단층대 범위를 넘어 시간 경과에 따라 변형이 확산되는 영역을 설명하기 위하여 새로운 지질공학적 개념인 단층영향구간(fault influence zone, FIZ)을 제안하였다. 이에 따라 공용 중인 터널의 보강 범위는 단층대 뿐 아니라 장기 변형의 영향을 받는 주변 단층영향구간까지 포함하도록 설계되어야 한다.

연안지역에 방조제를 축조하여 조성한 농업용 담수호는 해양 기원 퇴적물이 장기간 담수화 과정을 거치는 독특한 환경으로, 내륙 저수지와는 구별되는 퇴적물 평가 접근이 요구된다. 이 연구에서는 기반암인 중생대 백악기 진동층 흑색 셰일이 As·Cr·Ni의 잠재적 자연 공급원인 경남 고성군 마동호 준설토를 대상으로 중금속 오염도를 평가하였다. 표층 38개와 12개 정점의 주상 48개 등 총 86개 시료의 8개 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg)을 토양오염우려기준(SCCS), 활용 가능한 준설물질 기준(BUDM), 미국 NOAA 퇴적물 질 기준(SQGs)의 세 기준계에 교차 적용하였다. 모든 중금속은 전 정점에서 SCCS와 BUDM 기준 이내였으나, NOAA TEL에 대해서는 As·Cu·Ni가 각각 100%, 92%, 98%의 정점에서 초과하였고 PEL을 초과한 항목은 없었다. 이러한 불일치는 지구화학적 지수로 규명되었다. 농집지수(I_geo)에서 Cd만 농집(평균 1.09)되었고 As·Cr·Ni는 지역 배경농도 수준 또는 그 이하였으며, 평균 PEL 지수(0.23–0.35)와 평균 PEC 지수(0.22–0.29)는 전 정점에서 낮은(< 0.5) 생태위해도를 나타내었다. 잠재생태위해지수는 Cd과 Hg가 전체의 77%를 차지하였고, 주성분 분석은 인위기원 Cu·Ni·Zn 인자와 자연기원 As·Cd 인자를 분리하였다. 원소비(배경비의 1.03배인 Ni/Cr)와 Cd의 심부 농집 및 As·Cr·Ni의 수직 균질성 또한 진동층 흑색 셰일 기원과 부합하였다. 이 결과는 As·Cu·Ni의 TEL 초과가 인위적 오염이 아니라 자연기원에 의한 위양성임을 보여주며, 준설토의 육상 매립 및 재활용 타당성을 지지하고, 지질학적으로 특수한 지역의 준설토 평가 시 지역 배경농도의 도입이 필요함을 시사한다.

2023년 경북 예천군 벌방리에서 발생한 토석류를 대상으로 무인항공기(unmanned aerial vehicle, UAV) 관측자료와 random walk model (RWM)을 이용하여 토석류 이동범위의 공간적 재현성을 정량적으로 평가하였다. UAV 및 현장조사를 통해 확인된 5개의 실제 토석류 발생지점을 RWM의 방출위치으로 적용하여 발생위치에 따른 불확실성을 최소화하였다. 10 m 격자를 기준으로 10³과 10⁴ Random Walk 사례를 비교하여 계산 안정성을 검토하였으며, 이동성 매개변수 𝛺와 정규화 영향빈도(normalized impact frequency, NIF) 임계값에 대한 민감도 분석을 수행하였다. UAV 관측범위와 모의범위의 공간적 일치도는 Precision, Recall, F1-score 및 intersection over union (IoU)을 이용하여 평가하였으며, 종방향 도달특성은 축방향 도달범위를 이용하여 비교하였다. Random Walk 수를 10³에서 10⁴으로 증가시켰을 때 IoU와 F1-score의 변화는 매우 작았으나 계산시간은 약 8.5배 증가하였다. 시험된 매개변수 범위에서는 𝛺 = 9°, NIF = 0.125 조건에서 가장 높은 공간적 일치도가 나타났다. 이 조건에서 UAV 관측범위와 RWM 모의범위의 면적은 각각 0.0931 km²와 0.1321 km²였으며, Precision = 0.440, Recall = 0.624, F1-score = 0.516 및 IoU = 0.348로 산정되었다. 모의면적은 관측면적보다 약 41.9% 크게 나타나 공간적으로 과대모의하는 경향을 보였다. 반면 관측 및 모의 축방향 도달범위는 각각 1,738.3 m와 1,779.4 m로, 모의결과는 관측값을 약 2.37% 과대하여 재현하였다. 이러한 결과는 RWM이 토석류의 세부적인 2차원 영향범위보다 전체적인 이동방향과 종방향 도달범위를 상대적으로 잘 재현함을 보여준다. 본 연구에서 도출된 매개변수는 보편적인 최적값이 아니라 벌방리 사건에 대한 사건별 보정(event-specific calibration) 결과이며, 제안된 UAV 기반 평가절차는 RWM의 토석류 이동범위 재현성을 정량적으로 평가하고 향후 다중사건 보정 및 독립검증을 수행하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

본 연구는 경상북도 전역을 대상으로 강우 시나리오에 따른 산사태 위험도의 공간적 변화와 인구노출 특성을 정량적으로 분석하고, 분석결과를 통합적으로 조회·비교할 수 있는 WebGIS를 구축하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 물리기반 산사태 해석모형인 TRIGRS (Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability)를 적용하여 12–72시간의 지속시간과 50–300 mm의 누적강우량으로 구성된 6개 강우 시나리오별 안전율(factor of safety, FS)을 산정하였다. 또한 경상북도 내 산사태 인명피해 우려지역 467개소를 대상으로 각 지점 중심의 0.5, 1, 2 및 4 km² 정사각형 분석영역을 설정하고, FS < 1.3 영역과 100 m 센서스 인구격자를 공간적으로 중첩하여 잠재적 인구노출을 분석하였다. 분석영역 규모와 강우 시나리오에 따른 차이는 Friedman 검정, Wilcoxon 부호순위검정 및 Spearman 순위상관분석을 이용하여 평가하였다. 분석 결과, 경상북도 전역의 FS < 1.3 면적비율은 12 h / 50 mm 조건에서 2.29%였으며, 36 h / 150 mm에서 9.19%, 48 h / 200 mm에서 15.34%로 증가하였다. 특히 24 h / 100 mm에서 36 h / 150 mm 및 36 h / 150 mm에서 48 h / 200 mm로 변화하는 구간에서 위험영역의 확대가 두드러졌다. 반면 48 h / 200 mm 이후에는 일부 격자의 FS 값에 제한적인 변화가 존재하였으나, FS < 1.3 기준의 위험영역 분류에는 추가적인 변화가 나타나지 않았다. 산사태 인명피해 우려지역의 위험 포착률은 분석영역이 확대됨에 따라 증가하였으며, 48 h / 200 mm 조건에서 0.5 km²의 87.6%에서 4 km²의 98.9%로 증가하였다. 같은 조건에서 FS < 1.3 면적비율에 대한 분석영역 크기의 효과는 매우 작았으나(Kendall’s W = 0.012), 인구노출에 대한 효과는 상대적으로 크게 나타났다(W = 0.492). 또한 4 km² 분석영역에서 위험영역과 인구가 동시에 존재하는 지점의 비율은 12 h / 50 mm의 22.5%에서 48 h / 200 mm의 68.7%로 증가하였다. FS < 1.3 면적비율과 추정 노출인구 사이에는 유의한 양의 상관관계가 나타났으나(ρ = 0.323, p < 0.001), 그 관계는 강하지 않아 물리적 위험도와 인구노출을 함께 고려할 필요성이 확인되었다. 산사태 위험지역과 인구분포를 공간적으로 결합하여 노출특성을 평가하는 접근은 위험도만으로 파악하기 어려운 잠재적 인적 노출을 정량화하는 데 유용하다. 마지막으로 강우 시나리오별 TRIGRS 결과와 산사태 인명피해 우려지역 및 인구노출 정보를 통합하여 대화형으로 조회·비교할 수 있는 WebGIS를 구축하였다. 본 연구는 강우조건 변화에 따른 물리적 산사태 위험과 인구노출의 공간적 관계를 광역지역에서 정량화하고, 분석영역 규모에 따른 민감도를 함께 제시하였다는 데 의의가 있다. 연구결과는 산사태 위험지역의 공간적 특성을 파악하고 인구노출을 고려한 방재관리 대상지역의 우선순위를 검토하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 다만 산정된 노출인구는 실제 피해인구가 아닌 공간적 중첩에 기반한 잠재적 노출인구이며, 향후 실제 산사태 발생자료를 활용한 검증과 고해상도 인구·건축물 및 취약성 자료와의 결합이 필요하다.

본 연구에서는 쇄석다짐말뚝(GCP)으로 보강된 연약지반의 내진 성능 및 동적 거동 특성을 평가하기 위해 수치해석적 검증을 수행하였다. 상사법칙(1/40)을 적용한 1 g 진동대 실내모형실험의 가속도 응답 결과를 바탕으로 1차원 지반응답해석 프로그램인 DEEPSOIL을 활용하여 지반-지진파 응답 특성을 검증하였다. 이후 2차원 유한요소해석 프로그램(MIDAS GTS NX)을 이용하여 실제 현장 규모의 연약지반에 대해 단주기, 장주기, 국내 관측 지진파(경주, 포항) 및 인공지진파를 적용한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 1차원 지반응답해석 결과, 실내모형실험 대비 스펙트럼 가속도에서 5.76–29.90%의 차이를 보였으나 주파수 대역별 가속도 증폭 경향성은 매우 유사하게 나타났다. 2차원 시간이력해석 결과, 쇄석다짐말뚝으로 보강된 지반은 대부분의 실관측 지진파에서 최대지반가속도(PGA)가 지표 최상부 기준 12.82–49.81% 감소하여 뚜렷한 진동 저감 및 지반 보강 효과를 확인하였다. 반면 고주파수 및 대진폭 성분이 우세한 인공지진파의 경우 보강 후 지표 가속도가 약 2.37% 소폭 증가하여 입력지진파의 주파수 특성에 따라 보강 효율이 달라질 수 있음을 규명하였다. 따라서 연약지반 내 쇄석다짐말뚝 설계 시 입력지진파의 주파수 대역과 부지 고유 특성을 종합적으로 고려한 동적 해석이 수반되어야 함을 제시하였다.

본 연구에서는 심층처분시설의 부지특성화를 위한 수리지질 개념모델(hydrogeological conceptual model, HCM)의 구축 및 검증 방법론을 체계적으로 검토하고, 향후 국내 부지조사에 적용할 수 있는 단계적 프레임워크를 제안하였다. 제안된 프레임워크는 합의 모델 접근법과 다중 모델 접근법, 4단계 개념모델 검증 절차, HCD–HRD–HSD 영역 개념화 및 균열 결정질 암반의 이산균열망(discrete fracture network, DFN) 기반 특성화를 포함한다. 태백 Testbed 부지는 보정 및 검증이 완료된 부지모델이 아니라, 제안된 방법론을 향후 적용하기 위한 사례 부지로 고려하였다. 선행연구 검토 결과, 단열대의 수리특성과 관련된 불확실성은 결정질 암반의 수리지질 모델링에서 주요한 불확실성 요인으로 나타났다. 따라서 향후 부지조사에서는 수리지질 인자 측정과 이산균열망 모델링에 필요한 자료 확보를 포함하여 개별 단열 및 단열대의 수리특성 규명을 우선적으로 수행할 필요가 있다. 본 연구에서 제안한 프레임워크는 향후 부지별 조사자료가 추가로 확보됨에 따라 HCM의 단계적 구축과 보정, 불확실성 평가 및 검증을 수행하기 위한 방법론적 기반을 제공한다.