서 론

기업도시 등 대규모 택지 조성 사업은 계획 단계부터 방대한 양의 성토재 확보가 요구되며, 이 과정에서 다양한 현실적 제약이 복합적으로 작용된다. 우선 인근 토취장의 가용 자원이 한정되어 있어 원거리 토취장에 의존할 수밖에 없는 경우가 많고, 이로 인한 장거리 운반은 전체 토공 비용을 급격히 증가시키는 주요 원인이 된다. 이에 외부에서 반입되는 토사는 높은 세립분 및 점토질 함유 등 불리한 지반 특성을 지니는 경우가 많아 성토재로서의 품질 기준을 충족하기 어렵다. 특히 기업도시와 같은 해안 간척지의 경우 원지반 자체가 연약하여, 그 상부에 세립분이 과다한 불량 토사를 대량으로 성토할 경우 압밀침하가 가중되고 장비 주행성이 저하되는 등 장기적인 지반 안정성 측면에서 치명적인 문제를 야기할 수 있다. 실제로 토공 비용 중 운반비가 차지하는 비율은 전체의 약 70% 이상에 달하는 것으로 알려져 있어, 운반 거리와 노선의 최적화는 사업의 경제성을 좌우하는 핵심 변수로 작용한다. 따라서 대규모 택지 조성 사업에서 흙쌓기 구간의 장기 안정성을 확보하는 동시에 운반비를 포함한 전체 토공 비용을 합리적으로 관리하는 것은 사업 성패를 결정짓는 핵심 과제라 할 수 있다.

대규모 부지 조성을 위한 성토재 관련 선행연구는 크게 산업부산물 및 순환자원의 성토재 활용, 불량한 지반 조건의 개량, 그리고 토취장 선정과 운반계획의 최적화에 집중되어 왔다. 제강슬래그를 비롯한 철강산업 부산물은 물리·화학적 특성과 재활용 가능성이 검토되었으며, 천연 토사를 대체하거나 보완할 수 있는 건설재료로서의 활용 가능성이 제시되었다(Das et al., 2007; Yildirim and Prezzi, 2011). 국내에서도 중량토를 활용한 안벽 배면지반의 거동 분석, 순환자원 재활용 재료를 적용한 성토하부 연약지반 개량, 그리고 순환자원 기반 지반안정재로 개량한 혼합토의 도로 노체 적용성 등에 관한 연구가 수행되어, 산업부산물 및 재활용 재료의 지반공학적 적용 가능성이 검토되었다(Song, 2024; Kim, 2025; Lim, 2025). 한편, 대규모 토공사의 경제성을 확보하기 위해 토공량, 운반거리 및 장비 운용조건을 고려한 토공 최적화 모델이 개발되었으며(Hare et al., 2011), 복수의 토취장 및 사토장 후보지를 대상으로 운반거리, 공급 가능량과 비용조건을 종합하여 경제적인 토공계획을 수립하는 연구도 제시되었다(Lee et al., 2017).

그러나 이러한 연구들은 특정 재료의 단위 성능 검증이나 일반적인 운반비 최적화 모델 제시에 그치는 경우가 많다. 즉, 특정 사업 지역의 복수 토취장을 대상으로 재료의 공학적 특성과 운반비를 연계하여 우선순위를 도출하고, 이에 더해 천연 토사의 한계를 보완하기 위한 산업부산물 대체재의 적용 가능성을 경제성 관점에서 융합하여 평가한 종합적인 연구 사례는 상대적으로 부족한 실정이다. 이러한 연구 공백은 특정 사업 여건에 맞춘 맞춤형 성토재 조달 계획 수립이 체계적으로 이루어지지 않고 있음을 시사하며, 본 연구의 학술적·실무적 필요성을 뒷받침한다.

본 연구에서는 기업도시 ○○지구 택지 조성을 위한 대규모 성토재 확보 과정에서 공학적 적절성과 경제적 타당성을 종합적으로 평가하여 최적의 외부토 반입 방안을 도출하는 데 그 목적이 있다. 첫째 해남-영암군 일원의 주요 토취장 후보지 7개소를 대상으로 표층부 현장 시료채취 후 토질시험을 수행하였으며, 각 토취장별 흙의 물리·역학적 특성을 분석하였다. 둘째 함께 토취장별 운반 거리와 단가를 기반으로 한 운반비 중심의 경제성 분석을 수행하여 토취장 간 우선순위를 산정하고, 사업의 비용 효율성을 극대화할 수 있는 조달 전략을 제시하고자 하였다. 셋째 세립분이 과다한 반입 토사의 배수 불량 문제를 근본적으로 보완하기 위한 방안으로, 조립질 특성과 우수한 배수능력을 지닌 산업부산물 기반 대체 성토재(고로슬래그 및 제강슬래그 등)의 지반공학적 적용 가능성과 경제성을 분석하였다. 이를 통해 지반의 장기적 안정성과 사업의 경제성을 동시에 충족하는 합리적인 토공 계획 수립을 위한 실질적인 기초자료를 제공하고자 한다.

연구대상지 검토 및 시료채취

연구대상지 개요 및 지반 특성

본 연구대상지역인 기업도시 ○○지구는 전라남도 해남군 산이면 상공리 일원에 위치하며, 영산강 하류에 접한 전형적인 해안 간척지 지형이다. 간척사업을 통해 조성된 평탄지로 표고는 약 2.0–15.0 m 범위이며, 동측 구릉지에서 서측 해안으로 완만하게 경사지는 특성을 지닌다. 수계의 경우 대상지 북측으로 영산강이, 인접하여 영암호와 금호호가 위치하고 있어 지표수는 간척지 내부 배수로를 거쳐 서류하여 외해로 방류된다. 지질의 경우 주로 간척지 퇴적층과 충적층으로 피복되어 있으며, 그 하부에 화강암류 및 유문암류의 기반암이 분포한다.

기존 시추조사 자료에 따르면 상부로부터 두께 약 1.5 m 내외의 매립토층이 형성되어 있고, 그 하부 심도 5.0–11.0 m 구간에 연약한 세립질 퇴적토층이 발달해 있다. 이러한 상부 연약층과 하부 지지층의 분포 형태는 대규모 부지 성토 시 발생할 수 있는 압밀침하 및 지지력 저하 문제를 초래할 수 있다.

Fig. 1은 본 연구대상지와 대상지 주변 토취장의 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Location map of project site and potential borrow pits.

외부 성토재 토취장 검토

대규모 택지 조성에 필요한 막대한 양의 주 성토재를 확보하기 위하여 사업대상지와 인접한 전라남도 영암- 해남군 일대의 총 7개 토취장 후보지(Site 1–7)를 선정하여 현장조사를 실시하였다. 각 후보지는 부지까지의 도로 접근성, 운반 거리, 추정 매장량 등을 종합적으로 고려하여 선정되었다. 선정된 7개 토취장은 공통적으로 완만한 구릉성 산지 형태를 띠며, 기반암의 풍화가 진행된 지표면 층서를 가진다. 영암군 일원의 Site 1, 2, 3 토취장은 유달산응회암과 흑운모화강암을 기반으로 하여 응회암 풍화에 기인한 실트질 점토가 우세하게 분포한다. 반면 Site 4, 5 토취장은 화강반암과 중립질 흑운모 화강암이 발달하여 사질 내지 실트질 점토가 주로 형성되어 있다. 해남군 일원의 Site 6, 7 토취장은 동시기 반암 지대에 속하며 산재된 석영과 장석류 반정의 풍화로 인해 세립질 사질토가 형성되는 특성을 보이며 부분적으로 사면퇴적층이 혼재되어 있다.

실내시험 및 결과

시험 개요

본 장에서는 토취장 후보지 7개소에 대하여 표토를 채취하고, 채취한 시료에 대한 실내실험을 수행하고자 하였다. 시료의 물리적 특성을 파악하기 위하여 비중실험을 포함한 기본 물리·역학적 시험을 수행하였다. 모든 토취장 후보지 시료에 대하여 비중 시험을 수행하고, 통일 분류법상 흙의 분류를 위한 입도분포시험(체가름시험), 성토재로써의 적절성을 위한 다짐시험, 흙의 강도정수인 점착력(c)과 내부마찰각(𝜙)를 확인하기 위한 직접전단시험을 수행하였다.

Fig. 2는 실내실험 전경을 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Laboratory testing procedures and apparatus. (a)–(c) particle size distribution test, (d)–(f) compaction test, (g)–(i) direct shear test.

실험 결과

본 연구에서는 기업도시 성토재로서의 적합성을 판단하고 운반 거리별 경제성 검토를 위한 기초 지반 정수를 확보하고자 대포적 물리·역학적 특성 시험(입도분포, 다짐, 직접전단시험)을 수행하였다. Fig. 3은 토취장 후보지의 채취시료에 대한 실험 결과를 그래프화 한 것이고, Table 1은 실내실험 결괏값을 정리한 것이다.

Fig. 3.

Laboratory test results. (a) particle size distribution curve, (b) compaction test, (c) direct shear test.

연구의 특성상 광범위한 후보지로부터 단기간에 개략적인 지반 특성을 파악하여 경제성 모델에 반영해야 하므로, 각 후보지의 표층부에서 대표 시료 1개씩을 채취하여 실험을 수행하였다. 이는 상세 설계 단계 이전에 다수의 후보지를 신속하게 비교·평가하기 위한 사전 검토 단계의 일환이다.

입도분포시험결과(Fig. 3a), 토취장 후보지 내 시료는 모두 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)상 소성이 작은 점토(silty clay, CL)로 분류되었으며, #200 (0.075 mm) 통과량이 최소 27.0%에서 최대 66.0%까지 분포하는 양상을 확인하였다. 다짐시험 결과(Fig. 3b), 대상 시료들의 최대건조단위중량은 1.53–1.76 g/cm³ 범위로 분포하였으며, 최적함수비(optimum moisture content, OMC)는 17.30–23.00% 범위로 확인되어 실트질 점토의 전형적인 다짐 특성을 나타냈다. 또한, 흙의 전단강도 정수를 산출하기 위한 직접전단시험 결과, 일반적인 사질토 대비 다소 낮거나 유사한 수준의 강도를 가지는 것으로 확인되었다. Fig. 3c와 Table 1에서 알 수 있듯이, 점착력은 최소 10.51 kPa–최대 26.27 kPa 범위로 확인되었으며, 내부마찰각은 31.48–33.69° 범위로 산출되었다.

해당 연구는 기업도시 외부 토사 반입 및 운반 거리에 따른 초기 경제성 모델을 수립하기 위한 사전 검토 단계로서, 예산과 기간의 제약상 시추 조사를 통한 심도별 지반조사를 수행하지 않고 표층부에서의 시료 채취를 통한 개략적인 실내실험을 수행하였다.

그러나 실제 대규모 성토공사가 진행되는 간척지 지반의 특성상, 심도에 따른 지층의 변화, 지반의 교란 여부, 그리고 지하수위에 따른 함수 상태는 흙의 선단강도 및 침하 특성에 지대한 영향을 미친다. 본 연구에서 활용된 데이터는 표층부 시료의 단일 반복시험 결과에 의존하고 있으므로, 대규모 성토체의 3차원적 거동과 층별 지반 특성을 완벽히 대변하기에는 데이터의 대표성과 신뢰성 측면에서 한계점이 존재한다.

본 실험 결과는 광역적 후보지 노선 선정을 위한 초기 매개변수 및 성토재로서의 개략적인 물리·역학적 경향성을 파악하는 데 유효한 기초자료로 활용될 수 있다. 향후 실제 설계 및 시공 단계에서는 이러한 한계점을 보완하기 위해 시추조사 기반의 층별 지반 특성 분석이 수반되어야 하며, 불교란 시료를 활용한 충분한 수의 반복시험 및 현장시험 결과와 연계하여 함수 상태 및 응력에 따른 지반공학적 거동을 보다 정량적으로 검증하고 보완하는 연구가 수행될 필요가 있다.

토취장 선정을 위한 비용 검토

비용 산정 개요

대규모 성토공사의 원활한 수행을 위해서는 공학적 적합성뿐만 아니라 객관적인 비용 산정에 기반한 최적 토취원 선정이 필수적이다. 본 연구에서는 정밀한 물량 산출을 위해 추정 매장량에 지형적 제약 및 시공 여건을 반영한 가채율(Rr, 0.9), 토량변화율(Fv, 1.3), 실수율(Er, 0.9)을 일괄 적용하여 실제 가용 토취량을 산정하였다. 비용은 ‘상반기 건설공사 표준시장단가’를 적용해 벌개제근 및 표토제거, 흙깎기, 덤프트럭 운반, 적재·적하 비용으로 세분화하였으며, 특히 핵심이 되는 운반비의 정확한 산출을 위해 지형 및 교통망을 고려한 최적의 운반 노선을 사전 분석하였다.

Fig. 4는 토취장 후보지의 운반 노선 및 운반 거리를 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Proposed haul routes and transport distances for potential borrow pits.

토취량에 따른 토취장 비용산정

여기서 Vb는 토취량, Qest는 추정매장량, Rr은 가채율, Dr은 부존율, Fv은 토량 변화율, Er은 실수율, Qrec는 가채매장량이며, 비용 산정은 객관성 확보를 위해 ‘상반기 건설공사 표준시장단가(MOLIT, 2025)’를 일괄 적용하였다. 산정된 토취량을 바탕으로, 표층부 임목 및 초목을 처리하는 벌개제근 및 표토제거 비용, 자연 상태의 토사를 굴착하는 흙깎기 비용(보통토사 기준), 15톤 덤프트럭을 이용한 운반 비용, 그리고 굴삭기를 활용한 적재 및 적하 비용을 세부 공종별로 구분하여 각 토취원의 총 소요 비용을 산출하였다. 토취량은 추정매장량에 가채율과 부존율을 곱하여 가채매장량을 구한 후 가채매장량에 증적률과 실수율을 곱하여 산정하며, 관련 식은 아래 식 (1)과 같다.

요약된 가용 토취량 및 운반 거리 산정 결과에 따르면, Site 4와 Site 6이 가장 풍부한 물량을 확보할 수 있는 반면, 운반 거리는 Site 1 (9.6 km)이 가장 근접하여 물류비용 절감에 유리하고 Site 5 (25.2 km)와 Site 4 (20.5 km)는 가장 불리한 것으로 나타났다.

Table 2는 토취장 후보지들의 추정 토취량 및 거리를 나타낸 것이다.

총비용에서 흙 운반비가 차지하는 비중이 50% 이상을 차지하는 것으로 확인되었다. 특히 사업대상지와 가장 가까운 Site 1은 운반비 비중이 59.08%인 반면, 거리가 먼 Site 4와 Site 5는 각각 77.82%, 80.31%까지 급증하여, 장거리 수송 시 운반비 할증이 경제성 저하의 핵심 원인임이 정량적으로 규명되었다.

Fig. 5는 토취장 후보지별 소요 비용 구성비 및 운반거리를 그래프화 한 것이고, Table 3은 총 비용에 대한 공정 별 비용 비율을 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Comparison of cost composite ratios and haul distances by borrow pit.

토취장 별 소요 비용에 따른 우선순위 검토

분석 결과, Site 1이 총비용 208.72억 원 및 단위 비용 10,985원으로 가장 우수한 경제성을 지닌 것으로 확인되었다. Site 3과 Site 2가 각각 2순위, 3순위 대안으로 분석되어, 최적 대안인 Site 1을 보조하여 대규모 토공량을 안정적으로 확보할 수 있는 유효한 성토재 공급원임이 확인되었다. Site 6과 Site 7은 각각 4순위와 5순위로 평가되었다.

Site 1이 단위 단가 10,985원으로 가장 우수한 1순위 공급원으로 확인되었다. 이어 Site 3과 Site 2가 후순위 대안으로 분석되었다. 반면 총비용 부담이 가장 큰 Site 4와 Site 5는 타 후보지 대비 단위 단가가 20,000원을 크게 상회하여 대규모 성토재 주 공급원으로서의 타당성이 현저히 떨어지므로, 합리적인 토공 계획 수립을 위해 조달 우선순위를 후순위로 조정하는 방안이 타당하다.

Fig. 6은 토취장 후보지별 총비용 및 단위비용을 비교한걸 그래프화 한 것이고, Table 4는 Fig. 6을 기반으로 검토 우선순위를 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Comparison of total cost and unit cost by borrow pit.

대체재 분석

개요

기업도시 택지조성에 필요한 대량의 성토재를 안정적으로 확보하기 위한 방안으로, 외부 토취장 반입의 대안인 산업부산물 기반 대체재의 적용성을 검토하였다. 앞서 검토된 토취장의 성토재는 공학적 특성 및 경제성 측면에서 일정 수준의 적합성을 보이나, 지역 내 채취 가능 물량의 한계, 장거리 운반에 따른 물류비용 급증, 그리고 산림 훼손과 같은 법·제도적 환경 규제를 고려할 때 지속적이고 경제적인 공급원을 추가로 확보할 필요성이 존재한다. 이에 따라 대규모 산업시설에서 연속적으로 발생하여 안정적 공급이 가능한 고로슬래그 미분말, 제강슬래그, 페로니켈 슬래그, 플라이애시를 대상으로 성토재로서의 활용 가능성을 분석하였다.

대체재의 공학적 특성 및 적용 타당성

본 사업대상지 인근 토취장에서 조달 가능한 천연 토사는 대부분 세립분 함량이 높은 실트질 점토로, 20%를 상회하는 높은 최적함수비를 지니고 있어 단독으로 대량 성토할 경우 시공성 저하 및 지지력 부족 문제가 우려된다. 이를 근본적으로 보완하기 위하여 공학적 성능이 입증된 주요 산업부산물 기반 대체재의 특성, 현장 적용 사례, 그리고 시중 단가를 종합적으로 검토하였다.

대표적인 대체재인 고로슬래그 미분말과 제강슬래그는 제철 공정에서 발생하는 부산물이다. 고로슬래그 미분말은 비중이 낮고 입도가 균일하며, 치환재로 혼합 시 장기 강도 및 내구성 향상 효과가 확인되어 도로 기층·보조기층 및 산업단지 성토재로 폭넓게 활용되고 있으며, 일반 시중가 기준 톤당 55,000원 미만의 비교적 저렴한 단가로 조달이 가능하다. 반면 제강슬래그는 높은 강도와 내마모성을 지녀 탁월한 하중지지 성능을 발휘하며, 배수성이 우수하여 항만 신설 및 해안 매립재에 주로 적용된다. 제강슬래그 저가형의 경우 톤당 10,000–50,000원 수준으로 경제성이 뛰어나나, 매립형 등 고비용 처리 시 350,000–380,000원까지 단가가 상승할 수 있으며, 특히 자유석회 등 팽창성분의 영향을 제어하기 위해 안정화 처리 및 엄격한 품질 규격 확인이 필요할 것으로 사료된다.

니켈 정련 과정의 부산물인 페로니켈 슬래그는 입도분포가 양호하고 비중 및 내부마찰각이 높아 사질토 계열의 성토재로 탁월한 성능을 보인다. 대규모 해안 매립지 및 산업단지 조성공사에서 지지력 확보와 장기 침하 저감을 위한 성토재로 성공적으로 적용된 사례가 많으며, 특히 무상 제공되는 경우가 다수 존재하여 대규모 토공사에 경제적으로 매우 적합한 재료로 평가된다. 한편, 석탄 화력발전 과정에서 포집되는 플라이애시는 토사와 혼합 시 미세 입자가 토립자 사이의 공극을 채워 다짐 밀도와 효율을 극대화하는 채움재 역할을 수행한다. 낮은 비중을 이용한 경량 성토재로 활용되어 연약지반의 하중 및 침하를 저감시키는 데 유리하게 작용하며, 주로 단독이 아닌 혼합토 형태로 적극 적용되므로 현장 배합 설계에 따라 별도의 단가 산정이 요구된다.

Table 5는 대체재별 단위 비용 비교를 나타낸 것이다.

결 론

본 연구는 대규모 택지 조성이 예정된 기업도시 ○○지구를 대상으로, 외부 성토재 확보를 위한 인근 7개 토취장 후보지의 공학적 적합성과 경제적 타당성을 종합적으로 평가하였다. 현장조사, 실내 토질시험 및 운반 경로 기반의 경제성 분석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 토취장 후보지 시료에 대한 실내 토질시험 결과, 대상 토사들은 공통적으로 세립분 함량이 높은 실트질 점토로 확인되었다. 비록 직접전단시험에서 세립질 흙 대비 내부마찰각이 다소 높게 측정되었으나, 다짐시험 결과 대부분 최적함수비가 20%를 상회할 정도로 높게 형성되었다. 이러한 높은 세립분 함량과 과다한 최적함수비는 해당 토사들을 대규모 흙쌓기의 단독 주성토재로 대량 활용할 경우, 우기 시 함수비 조절의 어려움으로 인한 장비 주행성 저하 및 성토 비탈면의 장기 전단 안정성 저하를 유발할 수 있음을 시사한다.

(2) 세부 공종별 토공 비용을 산정한 결과, 전체 소요 비용 중 흙 운반비가 차지하는 비중이 최대 80%에 육박하여, 장거리 수송에 따른 물류비용이 사업의 경제성을 좌우하는 핵심 변수임이 정량적으로 확인되었다. 단위 체적(1 m³)당 소요 비용을 기준으로 우선순위를 평가한 결과, 사업대상지와의 거리가 9.6 km로 가장 짧은 Site 1이 10,985원/m³으로 가장 우수한 경제성을 지닌 최우선 공급원으로 선정되었다. 반면, 운반 거리가 20 km를 초과하는 Site 4와 Site 5는 과도한 운반비 할증으로 인해 경제적 타당성이 상대적으로 낮게 평가되므로, 주 성토재 조달 계획 수립 시 그 우선순위를 후순위로 조정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.

(3) 경제성 1순위인 Site 1은 실내시험 결과에서도 전체 후보지 중 최적함수비가 가장 낮아(17.30%) 현장 다짐 및 함수비 관리 측면에서 가장 유리한 조건을 갖추고 있다. 따라서 대규모 성토재 조달 시 Site 1을 주 공급원으로 우선 지정하고, 부족분은 차순위 대안인 Site 3과 Site 2를 통해 분산 확보하는 맞춤형 반입 계획을 수립해야 한다는 결론을 도출하였다.

(4) 앞서 규명된 바와 같이, 가장 경제적인 토취장의 흙을 반입하더라도 실트질 점토가 가지는 공학적 한계는 여전히 존재한다. 이를 근본적으로 해결하고 사업의 경제성을 극대화하기 위하여, 입도가 크고 마찰 저항이 우수한 제강슬래그나 고로슬래그 등의 ‘산업부산물 대체 성토재’를 반입 토사와 복합적으로 혼합하여 시공하는 방안을 적극적으로 도입할 필요가 있다. 이는 지반의 지지력과 다짐 효율을 대폭 개선할 뿐만 아니라, 순환자원 재활용을 통한 친환경적 부지 조성이라는 측면에서도 매우 타당한 공학적 대안이 될 것이다.

이와 같은 연구 결과를 종합하면, 본 연구는 대규모 택지 조성을 위한 외부 성토재 조달 과정에서 단순한 단가 비교를 넘어, 토취장별 토사의 물리·역학적 특성과 운반 거리 및 비용을 종합적으로 고려하여 성토재 조달 우선순위를 제시하였다는 점에서 실무적 의의가 있다. 특히 경제성 분석을 기반으로 한 토취장별 우선순위와 분산 반입 방안을 제시하고, 세립분 함량이 높은 천연 토사의 공학적 한계를 보완하기 위한 산업부산물 혼합 적용 가능성을 검토함으로써 향후 대규모 토공계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

향후 실제 설계 및 시공 단계에서는 본 연구에서 도출된 실내시험 및 경제성 분석 결과를 기초로 현장시험과 시험시공을 수행하고, 토사와 산업부산물의 혼합비에 따른 다짐특성, 강도 및 장기 거동을 추가적으로 검증할 필요가 있다. 또한 실제 운반 및 시공 조건을 반영한 경제성 분석을 병행함으로써 대상 현장에 적합한 최적의 성토재 조달 및 적용 방안을 구체화할 필요가 있다.