서 론
카르스트 구조의 공학적 특성화 요소와 절차
광역 지질 및 주요 카르스트 구조 분포
교량 기초 지반의 카르스트 특성
설계 단계 정밀 물리 탐사
시공 중 기초 굴착면의 카르스트 특성
카르스트 지반의 공학적 분류 및 구역 분할
교량 부지의 공학적 카르스트 분류
교량 기초부 카르스트 지반의 구역 분할
결 론
서 론
석회암 등 용해성 암석으로 구성된 암반은 용식 작용(karstification)에 의해 돌리네(doline), 석회 공동(limestone cavity), 첨봉형 기반암선(pinnacled rockhead) 등 다양한 카르스트 구조(karst features)가 발달한다. 카르스트 구조는 특유의 예측하기 어려운 불균질성으로 인하여 터널, 댐, 교량 등 각종 사회 기반 시설의 안정성에 위협이 되거나 지반 침하 및 함몰, 지하수의 오염 확산 등 지질 재해의 원인으로 작용하기도 한다(Culshaw and Waltham, 1987; Beck, 1996; Waltham et al., 2005; Gutiérres et al., 2014). 국내에서도 이러한 카르스트 재해가 지속적으로 보고되고 있으며, 고생대 석회암 분포 지역 등 용해성 암석 분포 지역에서 카르스트 구조 발달 특성의 규명과 재해 방지 대책에 관련된 연구가 다각적으로 수행되었다(Im et al., 1998; Yoon et al., 1999; Kihm et al., 2005; Kim et al., 2006, 2010; Park et al., 2006, 2013; Han et al., 2007; Hong et al., 2008; Lee et al., 2011; Song et al., 2015).
특히 카르스트 지역의 교량 기초는 기초 지반 내의 석회 공동 및 첨봉형 기반암선 등의 문제로 지질공학 및 지반공학의 주요한 관심 대상 중 하나이다(Statham and Baker, 1986). Fookes and Hawkins (1988) 이후 기초 지반으로서 카르스트 지반을 공학적으로 분류하고, 이에 대한 특성화 방법 및 절차와 기초 지반 보강 등에 지침이 될 수 있는 일반적 권고 사항 등 대응 체계를 제시하고자 하는 연구가 수행되어 졌다(Waltham, 1989, 1994; Waltham and Fookes, 2003; Waltham and Lu, 2007). 다만, 제시된 공학적 카르스트 분류(engineering classification of karst)는 카르스트의 성숙 과정에서 형성될 수 있는 다양한 카르스트 구조의 형태적 집합체로서 카르스트 지반을 분류하고 있어 사실상 교량 등 구조물 단위 이상 규모의 지반에 대한 공학적 분류안으로 유의미하다. 그러나 카르스트 지반은 특유의 불균질성으로 인하여 수 십 m-수 km 규모의 교량 구조물 단위를 하나의 지반 특성으로 동일시 하기는 어려우며, 수 m 단위에서도 지반의 상태가 급변할 수 있으므로 교량의 교각 및 교대 등 개별 기초 단위로 카르스트 지반의 특성 구역을 상세히 분할할 필요가 있다.
이 논문은 대표적인 카르스트 지대인 단양의 교량 부지를 사례로 하여 카르스트 지대에 건설되는 교량의 기초 지반을 지질공학적으로 특성화하고, 그 결과에 기반하여 개별 기초 지반 단위로 지반공학적 구역 분할(geotechnical zoning) 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이러한 카르스트 지반의 상세한 구역 분할을 위해서는 단계적으로 진행되는 부지 조사 과정에서 석회 공동 등 카르스트 구조의 특성화 요소를 명확히 정의하여야 한다. 이를 위하여 선행 연구에서 다양하게 제시된 카르스트 구조의 특성화 요소들을 종합적으로 검토하여 카르스트 지대 교량 부지를 위한 지질공학적 특성화 요소를 선정하였다. 이에 근거하여 사례 교량 기초 지반의 석회 공동 시스템 등 주요 카르스트 구조를 특성화하였으며, 그 결과를 교량 기초의 설계 및 시공에 활용할 수 있도록 기초 단위로 카르스트 지반 구역을 분할하는 방안을 제안하였다. 이 카르스트 지반 구역 분할(karst ground zoning, KGZ) 시스템은 기존 공학적 카르스트 분류안 및 국내외 사례를 분석한 결과에 기초하여 교량 기초 지반 단위의 지반공학적 구역 분할 기준과 각 구역 등급에 해당하는 기초 보강 관련 권고 사항을 제공하고 있으며, 이를 대상 사례에 적용하여 실효성을 검토하였다.
카르스트 구조의 공학적 특성화 요소와 절차
석회암 등 용해성 암석이 분포하고 있는 지역에서 용식 과정에 의해 카르스트 구조가 생성, 발전, 소멸되고, 지하수위의 저하에 따라 다시 생성되는 과정을 반복하며, 그 과정에서 Fig. 1a와 같은 다양한 카르스트 구조들이 형성된다(Goodman, 1993). 석회암의 용식 작용은 주 구성 광물인 방해석(CaCO3)이 대기 중 또는 토양 내의 이산화탄소(CO2)가 빗물 등에 용해되어 형성된 탄산(H2CO3)에 의해 용해되어 진행된다. 그 과정에서 대표적인 카르스트 함몰(sinkhole) 지형인 돌리네(doline)와 지하수의 주 유동 통로로서 생성 당시의 지하수위를 반영하는 석회 동굴(karst cave)등 석회 공동 시스템이 형성될 수 있다. 석회 공동 및 용식 균열(karstic fissure)을 포함한 석회 공동 시스템의 형성과 확장은 일반적으로 가용성 광물의 함량이 높은 용해성 암석의 분포 구간, 특히 비용해성 또는 난용해성 암석과의 경계 위치, 단층 및 절리 등 투수성 또는 불투수성 단열 구조의 발달 상태 그리고 지하수위의 변화 등에 의해 제어되는 것으로 알려져 있다(Gillieson, 1996; Yoon et al., 1999). 카르스트 지반에서 기반암선의 불규칙한 변화 없이 완만한 함몰 지형만 형성되어 있다면 이에 대한 공학적 대책의 수립 및 관리가 용이하겠지만, 일반적으로 카르스트 지반은 기반암 내부에 형성되어 노출되지 않는 석회 공동이나 첨봉형 기반암선을 형성하는 용식 균열 등 예측하기 어려운 불균질적 특이성을 가지고 있어 지질 재해를 유발하는 위험 요소가 된다.
Fig. 1.
Karst features and engineering geological characterization factors. a) characteristics of karst features (modified from Goodman, 1993), b) overview of the bridge site.
특히 교량 기초의 안정성을 심각하게 저해할 수 있는 기초 지반 내 공동이나, 기초 저면의 불규칙한 기반암선은 공학적 특성화의 주요 대상이 된다. Waltham (1989)은 석회 공동 및 용식 균열의 심도 등 위치, 폭과 높이 등 크기와 형상, 주변 암반의 강도 등을 석회 공동 시스템의 주요 특성화 요소로 지목하였으며, 사례 분석을 통하여 석회 공동의 폭과 공동 상부 암반의 두께(roof thickness)가 기초의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석하였다. Waltham and Fookes (2003)와 Waltham and Lu (2007)는 이에 더하여 공동 주변 암반의 강도 및 등급(Q 또는 RMR)의 영향을 추가로 검토하였다. Im et al. (1998)은 교량 기초의 폭에 대하여 석회 공동의 심도와 규모, 기초 중심으로부터의 이격 거리가 기초 침하량에 영향을 미치는 것으로 분석하였다. Waltham and Fookes (2003)는 카르스트 지반의 첨봉(pinnacle)과 관련된 기반암선의 기복을 고려하였으며, 이는 특히 말뚝(pile)의 설계와 시공에 주요한 정보를 제공한다. 또한 공동 충전물의 존재 유무 및 상태와 공동 간의 연결성은 그라우팅 등 기초 지반의 개량 성능에 큰 영향을 미친다.
이 논문에서는 선행 연구를 종합 검토하여 카르스트 지반의 공학적 특성화 요소를 선정하였다. 선정된 카르스트 지반의 특성화 요소는 Fig. 1a와 같이 석회 공동의 심도 등 위치(location), 공동의 폭과 높이 등 규모(size), 공동 충전물(in-filling material) 및 공동 간 연결성(connectivity), 용식 균열의 폭과 심도 등 기반암선의 기복(rockhead relief) 등 카르스트 구조의 특성과 공동 주변 암반(host rock)의 상태 및 상부 기반암의 두께이다.
Fig. 1b는 기초 굴착 중에 촬영된 사례 교량 부지의 전경으로 교량은 서북서 방향의 연장을 가진다. 교량 양단과 중앙부에서는 상대적으로 높은 기반암선으로 능선부를 형성하고, 동측부와 서측부에서는 낮은 기반암선을 보이며 계곡부를 형성한다. 동측부 기초 지반에서는 중소 규모의 석회 공동 발달이 확인되며, 서측부 기초 지반에서는 깊은 토사층으로 덮인 싱크홀과 첨봉형 기반암선이 특징적으로 나타나고 있다. 이러한 지반 특성은 교량 기초 지반의 계곡부가 돌리네의 일부일 가능성을 지시하며, 교량 기초 지반의 동측부와 서측부에서 카르스트 구조의 양상이 다른 양상을 나타내는 것으로 보아 서로 구분되는 돌리네일 수 있다.
Waltham (1994)은 하부 공동의 붕괴에 의해 급격한 지반 함몰이 발생한 함몰형 싱크홀(collapse sinkhole), 점진적인 용식 과정에 의해 발생한 용해형 싱크홀(solution sinkhole), 용해성 지반 상부의 토사가 공동 내로 유입되어 발생하는 침하형 싱크홀(subsidence sinkhole), 공동 붕괴 이후 토사층으로 덮인 매몰형 싱크홀(buried sinkhole) 등 4개의 유형으로 돌리네 지반을 구분하였다. Waltham and Fookes (2003)는 이중 함몰형 싱크홀을 붕락된 지층의 종류에 따라 2개로 세분하고, 침하형 싱크홀 역시 상부 토사의 종류에 따라 2개로 세분하여 총 6개의 유형으로 돌리네 지반을 다시 구분하였으며, Waltham and Lu (2007)는 Fig. 2와 같이 싱크홀을 돌리네로 명칭을 변경하여 6개의 돌리네 유형으로 구분하였다. 돌리네의 유형은 이와 관련된 카르스트 특징을 종합적으로 인식하고 대응하는 데 중요한 역할을 하며, 카르스트 숙성도에 따른 공학적 분류에 중요한 지시자로 활용된다. 이 연구에서는 개별 카르스트 구조의 특성을 종합하여 Waltham and Lu (2007)의 정의에 따라 돌리네를 구분하였다.
Table 1은 Yoon et al. (1999)에 의해 카르스트 지대의 교량 부지에 적용할 수 있는 부지 조사 절차와 방법으로 제시된 것이다. 지질학적인 불확실성이 커 예측하기 어려운 카르스트 지반은 계획, 기본 설계 단계에서 전반적인 카르스트 지반의 특성을 충분히 이해하고, 이를 기초로 주요 구조물에 대한 정밀 조사를 수행하는 것이 효과적이다. 특히 교량 기초 지반에서는 설계 시 예측하거나 특정하지 못했던 공동 등의 출현에 대한 경계를 항상 유지하여야 하며, 시공 중 추가 조사를 통하여 실재하는 카르스트 지반을 최종적으로 특성화하는 것이 중요하다.
Table 1.
Site investigation process for a bridge site in karst terrain (modified from Yoon et al., 1999)
광역 지질 및 주요 카르스트 구조 분포
사례 교량 부지는 국내의 대표적인 카르스트 지역인 충청북도 단양군에 위치하며, 고생대 석회암 지층으로 주로 구성된 조선 누층군의 소위 ‘대석회암 통’이 분포하고 있다(Fig. 3). 단양 지역 동측에 분포하는 선캠브리아 변성암의 상부에 하부 고생대의 조선누층군이 부정합으로 놓이며, 조선누층군은 하부로부터 비용해성 쇄설성 퇴적암인 장산층과 묘봉층과 용해성 석회암 및 백운암이 우세한 풍촌층, 화절층, 동점층, 두무골층, 막골층으로 구성된다. 조선누층군의 상부에는 주로 비용해성 쇄설성 퇴적암으로 구성된 만항층 등 상부 고생대의 평안누층군이 부정합으로 놓이며, 중생대 쇄설성 퇴적암이 이를 부정합으로 덮고 있다. Kim and Koh (1992)에 따르면 단양 지역 서측에서는 영월형 조선누층군이 북북동 주향에 서경사하는 각동 드러스트 단층에 의해 중생대 퇴적암을 충상하고 있으며, 각동 드러스트 단층의 동측 하반에서는 이와 평행한 수 조의 드러스트 단층이 발달하여 하부 고생대의 막골층을 상부 고생대의 만항층의 상위에 놓이게 한다. 또한 단양 지역의 남측에서는 서북서 방향의 좌수향 주향이동단층의 성격을 보이는 죽령 단층대가 발달하여 상기한 모든 지층 경계를 절단한다.
Fig. 3.
Geological map (modified from Kim and Koh, 1992) and major karst occurrences of the study area. OFB, Ogcheon folded belt; 1, alluvium; 2, Mesozoic granite; 3, Mesozoic clastic sedimentary rocks; 4, upper Paleozoic Pyeongan supergroup, 5: Yeongweol sequence of lower Paleozoic Choseon supergroup; 6 (Great limestone series)&7 (Yangdeok series), Duwibong sequence of lower Paleozoic Choseon supergroup; 8, Precambrian basement; 9, fault; 10, road; 11, limestone cave; 12, doline.
Fig. 3에서 단양 지역의 석회 동굴 및 돌리네 등 주요 카르스트 구조들은 풍촌층과 막골층 내의 괴상(massive) 석회암 또는 백운암에 주로 발달하고 있으며, 비용해성 또는 난용해성 암석과 정합, 부정합 또는 단층 경계를 이루는 인접부에 위치한다. 이 외에 화절층 등 엽상(laminated) 또는 셰일과 호층을 이루는 석회질 지층에서도 소규모의 석회 공동 또는 표면의 차별 용식 구조를 보이는 소위 ‘충식상 구조’ 등이 발달하나 구조물의 안정성에 큰 영향을 미칠 정도의 규모를 보이지는 않아 용해성 암석의 두께가 석회 공동의 규모에 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
연구 지역에서 대규모 카르스트 구조의 발달을 제어하는 또 다른 중요한 요인은 대규모 지질 구조의 발달 상태로서 주요 카르스트 구조들은 드러스트 단층 상반의 용해성 암석 및 주향이동단층 주변의 용해성 암석에 집중되어 있다. 이는 주요 단층 등이 용해성 암석이 비용해성 또는 난용해성 암석과 직접적으로 접촉하게 하는 동시에 단층 주변의 단열 구조의 발달로 이차 공극에 의한 지하수와의 접촉 면적을 확대시키기 때문인 것으로 파악된다.
사례 교량 부지는 죽령 단층대의 남측에 위치한다. 교량 부지에는 오오도비스기 막골층의 석회암 지층이 북동 방향의 주향을 가지고 서경사로 분포한다. 이 석회암층은 북동 주향으로 서경사하는 드러스트 단층에 의해 교량 동측의 석탄기 만항층 상위로 충상하여 비용해성 암석과 경계를 이룬다. 이 드러스트 단층과 그 상반의 막골층은 죽령 단층대에 의해 좌수향의 변위를 보이며 북쪽으로 연장되고, 막골층의 북쪽 연장부에는 다수의 주요 카르스트 구조가 발달한다. 따라서 사례 교량 부지는 비용해성 암석과 경계를 이루는 용해성 암석의 분포, 인접하여 발달하는 주요 단층의 존재, 해당 지층 연장부의 주요 카르스트 구조 발달 등을 고려하였을 때, 교량 안정성에 위협이 될 수 있는 수준의 카르스트 지반이 형성될 수 있는 조건을 가지고 있다.
교량 기초 지반의 카르스트 특성
사례 교량은 약 180 m 연장(Station 1 km 440–1 km 620)의 도로 교량으로, 도로의 계획고는 고도 200 m이다. 우측 도로에서 두 개의 교대(RA1-2)과 4개의 교각(RP1-4), 좌측 도로에서 두개의 교대(LA1-2)과 3개의 교각(LP1-3)로 구성되어 있으며, 교각의 기초는 고도 180–190 m, 교대의 기초는 고도 195 m 부근에 설치되는 것으로 설계되었다(Fig. 4).
설계 단계 정밀 물리 탐사
카르스트 지반에서는 Table 1과 같이 각 조사 단계에서 다양한 물리 탐사가 활용된다(Kim et al., 2006; Park et al., 2006). 일반적으로 교량 기초 저면을 기준으로 기초 폭의 2배 이상의 심도 구간에서 기초 접지 압력의 10% 수준으로 응력이 감소하여 분포하는 것으로 알려져 있다. 또한 Im et al. (1998)과 Chun and Park (2005)의 석회 공동 위치 및 크기에 대한 교량 기초 안정성 연구에 따르면 기초 폭의 2–3배 이상의 심도에서는 공동의 영향을 받지 않는 것으로 분석되어 카르스트 지반에서는 기초 폭의 2–3배에 해당하는 심도까지 지반 상태를 파악하는 것이 필요하다.
Yoon et al. (1999)은 사례 교량의 기본 설계 중 개략 조사(preliminary survey) 단계에서 수행한 전기비저항탐사와 GPR 탐사 등 지표물리탐사 결과를 보고하였다. Fig. 4의 RA1과 RA2 교대 기초 중심을 연결하는 종측선 상의 전기비저항 탐사 결과, RP1, RP3, RP4 교각 기초 하부에서 공동 또는 연약대가 분포하는 것으로 분석되었으며, RP2 기초 지반은 비교적 양호한 지반 상태로 평가되었다. 특히 RP4 주변에는 고각의 저비저항대가 확인되어 전반적으로 불량한 지반 상태일 것으로 평가되었으며, RP3 기초 하부에서는 GPR 탐사에서도 공동에 의한 반사신호가 확인되었다.
개략 탐사 결과를 바탕으로 실시 설계 중 정밀 조사의 일환으로 토모그래피 탐사가 수행되었다. 정량적으로 탄성학적 정보를 제공할 수 있는 탄성파 토모그래피 탐사가 실시되었으며, 기초 하부에 공동의 존재가 우려되는 RP3 교각 기초 지반을 대상으로 Fig. 4의 B1, B2, B3, B4 공을 이용하여 탐사되었다. Fig. 5는 두 공 사이의 토모그래피 탐사 단면을 연결한 탐사 결과와 이를 3차원 분석한 토모그램이다. 국내의 고생대 석회암은 신선한 암반의 경우 5,000 m/sec 이상의 탄성파 속도를 보이는 것으로 알려져 있다. 여기서는 탄성파 속도를 기준으로 속도층을 VL1 (<2,800 m/sec), VL2 (2,800–4,100 m/sec), VL3 (>4,100 m/sec)으로 구분하여 도시하였으며, 각 속도층의 경계는 불규칙한 심도 변화를 보인다. 토모그램에서 VL1층은 풍화가 상당히 진행되었거나 공동 또는 그 영향을 받은 구간, VL2 층은 불연속면 또는 일부에 용식 균열이 발달하는 암반, VL3층은 신선한 석회암 암반으로 분류할 수 있다.
Fig. 5의 토모그램에서 확인되는 B1 시추공의 고도 175 m 하부 공동은 전기비저항탐사 및 GPR탐사 결과에서 추정된 공동 위치와 일치한다. 이 공동은 3차원 토모그램에서 상부의 저속도층 VL1과 연결되어 고도 175 m 인근에서 형성되고 확장되어 B1 시추공을 포함하는 사분면에서 고립된 공동의 형태로 발달하고 있다. 공동의 하부 영향 범위는 고도 165 m에 이르는 것으로 보인다. B2 시추공의 고도 167 m 하부에서 공동과 관련된 것으로 보이는 상대적 저속도층을 보이고 있으나, 이로부터 공동의 형상이나 규모를 추정하기는 어렵다.
Fig. 5.
Seismic tomogram of the foundation ground for pier RP3 in Fig. 3. B1, B2, B3, and B4, boreholes at footing corners; VL1, VL2, and VL3, P-wave velocity layers; VL1 (<2.8 km/sec), VL2 (2.8–4.1 km/sec), VL3 (>4.1 km/sec).
시공 중 기초 굴착면의 카르스트 특성
교량 기초 굴착 중 노출된 기초 지반에 대해 시공 중 정밀 지질 조사가 수행되었다. Yoon et al. (1999)에 따르면 노출된 기초 지반과 인접 사면에 분포하는 오오도비스기 막골층은 담회색의 괴상 석회암과 셰일이 협재된 담회색-암회색의 엽상 석회암으로 구성된다. 막골층 석회암의 주향은 북동-동북동 방향의 변화를 보이며, 경사 역시 40–60°로 동경사 하여 완만한 습곡 구조를 형성한다. 막골층의 석회암은 그 동측에서 북동 방향의 서경사하는 드러스트 단층에 의해 석탄기 만항층의 사암층을 충상하여 접하고 있다.
Fig. 6의 상세 지질 종단면도는 기초 굴착부의 상세 맵핑 결과를 종합하여 도시한 것으로 기초 지반의 석회암층은 동측의 하부 석회암대, 중앙부의 중부 석회암대, 서측의 상부 석회암대로 세분될 수 있다. 두꺼운 괴상의 석회암으로 구성된 하부 석회암대는 RA1, LA1 교대 기초부와 RP1 교각 기초부에 분포한다. 그 상위에는 엽상 석회암과 괴상 석회암이 비교적 얇은 두께로 반복하며 교호하는 중부 석회암대가 LP1, RP2, LP2, RP3 교각 기초부에 분포한다.
하부 석회암대와 정합적 관계를 가지는 중부 석회암대는 LP2와 RP2 교각 기초부에 걸쳐 발달하는 북동 방향의 서경사하는 소규모 드러스트 단층에 의해 반복된다. 중부 석회암대 상부에는 비교적 두꺼운 괴상의 석회암 내에 일부 엽상 석회암이 협재하는 상부 석회암대가 LP3, RP4 교각 기초부와 LA2, RA2 교대 기초부에 분포한다.
교량 기초부 전반에서 단층 및 고각의 절리 등 단열 주변에 용식 균열이 확장되어 발달하고 있으며, 이와 연결되는 괴상 석회암 내에 중소 규모의 석회 공동이 발달하고 있다. 기초 지반에서 관찰되는 석회 공동 및 첨봉 등 다양한 카르스트 구조의 위치 역시 Fig. 6에 도시되었다.
Fig. 6.
Detailed geological section with karst features for engineering classification and zoning of the bridge site. F&H, Fookes and Hawkins (1988); W&F, Waltham and Fookes (2003).
하부 석회암대와 중부 석회암대에는 중소 규모의 석회 공동들이 단열 구조 간의 교차부 또는 단열 구조와 엽상 석회암과 인접한 괴상 석회암이 교차하는 구간에서 층리 방향으로 확장되는 형태로 고립되어 형성되어 있거나, 용식 균열로 상호 간에 연결되어 형성되어 있다. 이들 공동은 RP1과 LP1 기초부에서 직접 확인되며, RP1의 소규모 공동은 전기비저항 탐사 결과와 일치한다. RP3 기초 하부의 석회 공동은 노출된 기초 지반에서 확인되지 않았으며, Fig. 5의 탄성파 토모그래피 탐사 결과를 반영하여 도시하였다. 반면 서측의 상부 석회암대에서는 동측의 하부 및 중부 석회암대와는 전혀 다른 양상의 카르스트 구조들이 확인된다. LP3 및 RP4 기초부 주변에서는 북서 방향의 고각 경사 단열대를 따라 용식 균열이 지표 하 30 m 이상의 심부, 기초 하부 20 m 심부까지 확장되어 발달하고 있으며, 이에 의해 극심한 첨봉형 기반암선과 깊은 토사층으로 채워진 싱크홀이 형성되어 있다.
교량 기초 지반에서 관찰되는 카르스트 구조들은 비교적 높은 지대를 형성하는 RP3 부근의 교량 중앙부를 기준으로 동측부와 서측부에서 서로 대비되는 특징을 가지고 있다. 교량의 동측부 지반에서는 확장된 용식 균열과 이와 연결된 중소 규모의 석회 공동이 분포하며, 이들 카르스트 구조는 공동 충전물로 채워진 형태로 분포하고 있다. 반면 교량의 서측부 지반에서는 깊은 용식 균열과 뚜렷한 첨봉으로 기반암선 기복이 10 m 이상으로 급격한 변화를 보이고 있으며, 붕락된 암괴의 혼합물로 채워져 있다. Fig. 7은 개별 카르스트 구조들의 사진이다.
Fig. 7a는 하부 석회암대가 분포하는 교량 동측부 RA1 기초 인근에서 관찰된 첨봉형 기반암선으로서 첨봉의 높이는 2 m 이상을 보인다. 주변암은 신선한 괴상의 석회암이며, 그 사이의 용식 균열에는 적갈색의 풍화잔류토가 충전되어 있다. Fig.7b는 하부 석회암층과 중부 석회암층의 경계부인 RP1 기초부에 형성된 폭 약 2 m, 높이 약 4 m의 중규모 석회 공동이다. 이 석회 공동은 엽상 석회암 하부의 괴상 석회암 내에 층리 방향과 평행하게 형성되어 있으며, 그 내부는 다양한 공동 충전물로 채워져 있다. 하부 공동 충전물은 Fig. 7c와 같이 완전 풍화된 석회암 암편을 포함한 점토 및 모래가 퇴적된 층상 퇴적물이며, 공동 벽면을 따라 형성된 적갈색 및 흑갈색의 풍화잔류토가 벽면에서 탈락한 암괴와 함께 이 하부 공동 퇴적물을 덮고 있다. 그 상부에는 외부에서 유입된 사암 등 비용해성 암석의 자갈 섞인 토사층이 분급이 불량한 상태로 충전되어 있다. 이러한 공동 충전물의 변화상은 이 석회 공동이 용해형 돌리네에서 형성되어, 작은 규모의 붕락을 거쳐 침하형 돌리네로 성장하고 있는 것을 반영하고 있다.
Fig. 7d는 중부 석회암대가 분포하는 교량 동측부 LP1 기초부 인근에서 관찰되는 폭 약 3 m, 높이 약 2 m의 석회공동으로 용식 균열에 의해 지표와 직접 연결되어 있으며, 엽상 석회암 사이의 괴상 석회암 내에 발달해 있다. 공동 충전물은 Fig. 7b와 유사하게 석회암 풍화편을 포함한 퇴적물과 외부에서 유입된 자갈과 모래 및 벽면의 풍화잔류물로 구성되어 있으며, 이 중 외부 유입 퇴적물이 많은 부분을 차지한다. 이 석회 공동의 하부에는 수평의 용식 균열에 의한 연결 통로가 Fig. 7e와 같이 형성되어 있으며, 이 통로는 Fig. 7d와 동일한 유형의 충전물로 채워져 있다.
Fig. 7f는 상부 석회암대가 분포하는 교량 서측부 LP3 기초부 인근에서 관찰되는 카르스트 구조로서 깊은 용식 균열과 첨봉, 그리고 중심부의 토사층으로 채워진 싱크홀이 확인된다. 고각의 단열대를 따라 확장된 용식 균열은 폭 1–2 m, 심도 20 m 이상으로 심부로 연장된다. 첨봉과 첨봉 사이는 붕락된 석회암괴와 비용해성 암석의 자갈을 포함한 혼합물로 채워져 있으며, Fig.7g와 같이 매달린 첨봉(overhanging pinnacle)도 관찰된다. Fig. 7h는 RP4 기초부 인근 하부에서 관찰되는 석회 공동 붕락대로서 수십 cm 이상의 비교적 큰 석회암괴가 혼합된 토사로 형성되어 있다. 이러한 특징들은 교량 기초 지반 동측의 계곡부가 함몰형 돌리네 또는 그 일부인 것을 지시한다.
Fig. 7i는 LA2 교대 기초 인근에서 관찰되는 상부 석회암대 내에서 층리와 평행하게 발달한 소규모 석회 공동으로 수십 cm의 폭과 약 1 m의 높이로 형성되어 있으며, 황갈색의 층리가 잘 발달한 공동 퇴적물로 채워져 있다. 이 석회 공동은 LP3와 RP4 기초부 주변의 함몰형 돌리네 발달 이전에 존재하였던 용해형 돌리네의 흔적으로 보이며, 함몰 과정에서 분리되어 고립되어 잔존한 소규모 석회 공동으로 판단된다.
석회 공동 등 카르스트 구조의 충전물은 기초 보강 공법의 선정에 중요한 요소일 뿐 아니라, 돌리네 단위에서 카르스트 구조의 형성 과정을 반영하고 있어 돌리네 유형의 파악과 카르스트 숙성도에 따른 공학적 분류에 중요한 정보를 제공한다. Table 2는 사례 교량 부지에서 확인된 공동 충전물의 유형을 5개로 구분하고 이와 관련된 돌리네 유형을 정리한 것이다.
Table 2.
Classification of cavity infill in this study (modified from Yoon et al., 1999)
| Type | Cavity fill material | Dominant distribution | Remarks |
| Type 0 | void air and void water in limestone cavities and open fissures |
groundwater conduit or limestone dissolution passage | - |
| Type I |
reddish-brown or partially dark gray residual soil, commonly known as “Terra Rossa” with weathered limestone fragments |
around rock heads or along cavity walls | Fig. 7a, b, and e solution doline |
| Type II |
layered reddish brown or dark brown sediment includes clay, sand, and completely weathered limestone fragments |
small localized cavity or cavity bottom infill | Fig. 7b, c, and i solution doline |
| Type III |
poorly or well graded mixture of reddish brown clay, sand, and rounded to sub-angular gravel of insoluble rock |
enlarged fissure or surface-connected cavity | Fig. 7b, d, and e subsidence doline |
| Type IV |
debris consisting of a poorly graded mixture of reddish brown clay, sand, and gravel, with limestone breccia or collapsed limestone blocks |
collapsed cavity and associated sinkhole | Fig. 7f, g, and h collapse doline |
Type 0 충전물의 공동은 지하수위 상부에서 공기로, 지하수위 하부에서는 지하수로 채워진 빈 공동으로 과거 또는 현재의 주요 지하수 유동 통로를 지시하며, 사례 교량 구간에는 확인되지 않는다. Type I 충전물은 석회암의 풍화잔류물로 구성된 충전물로서 Fig. 7a와 같이 첨봉 사이를 채우거나 Fig. 7b and e와 같이 공동의 벽면에 분포한다. Type II 충전물은 용식 과정에서 형성된 석회암 풍화물이 공동 내에 퇴적된 층상의 충전물로서 Fig. 7b, c, and i와 같이 고립된 공동을 충전하고 있거나 공동의 하부 충전물을 구성한다. Type III 충전물은 석회암 등 용해성 암석 기원의 물질 뿐 아니라 비용해성 암석 기원의 물질이 혼합된 퇴적물로서 Fig. 7b, d, and e와 같이 지표와 연결된 용식 균열 또는 공동에서 확인된다. Type IV 충전물은 석회 공동의 붕괴와 관련된 석회암괴나 각력이 포함된 분급이 불량한 혼합물이며, Fig. 7f, g, and h와 같이 붕락된 공동 및 그 상부의 싱크홀을 채우고 있다.
Type I과 Type II의 충전물은 용해형 돌리네의 형성 과정에서 외부의 비용해성 암석 기원의 물질 유입 없이 용식 과정에 의해 형성된 충전물로 판단된다. Type III 충전물은 석회암 상부의 지표로부터 유입된 토사 및 자갈이 포함되어 있어 침하형 돌리네의 형성과 관련된 충전물이다. Type IV 충전물은 함몰형 돌리네 형성의 직접적인 산물이다.
Fig. 6에서 기초 지반에서 관찰되는 충전물의 유형을 상세 지질 종단면도에 도시하고 기초 지반의 돌리네 유형을 구분하였다. 기초 지반 전반에서 용해형 돌리네의 형성을 지시하는 Type II 공동 퇴적물이 관찰되며, 교량의 동측 계곡부에서는 Type II 충전물 상위에 침하형 돌리네를 지시하는 Type III의 충전물이 퇴적되었다. 이는 동측 계곡부가 용해성 돌리네에서 침하형 돌리네로 성장한 돌리네 지형 또는 그 일부임을 지시한다. 반면 교량의 서측 계곡부에서는 Type IV의 충전물이 첨봉 사이와 싱크홀을 채우고 있어, 침하형 돌리네가 형성된 이후 이 구간의 하부 공동이 붕괴되며 함몰형 돌리네가 형성된 것으로 판단된다. 따라서 RA1, LA1, RP1, LP1, RP2, LP2, RP3의 기초 지반은 용해형 및 침하형 돌리네 지반으로, LP3, RP4 기초 지반은 함몰형 돌리네 지반으로 구분할 수 있다. LA2 및 RA2의 기초 지반은 함몰 돌리네의 주변부 또는 함몰의 영향을 받지 않은 전기의 용해형 돌리네 구간으로 구분된다.
카르스트 지반의 공학적 분류 및 구역 분할
교량 부지의 공학적 카르스트 분류
Fookes and Hawkins (1988)는 결정질 석회암 지역에서 공동과 첨봉 등 카르스트 구조의 형성 단계와 형태에 따라 카르스트 지반을 5개 등급으로 구분하고, 각 등급에 해당하는 부지 조사 시 유의 사항과 기초 보강 방안을 제시하였다. Waltham and Fookes (2003)는 이를 계승하여 Fig. 8과 같이 카르스트의 성숙도에 따라 구분된 5개 등급에 대한 대표적인 카르스트 구조의 형태학적 조합을 제시하였다. 또한 카르스트 지반에 대한 정량적 이해를 위하여 단위 면적당 연간 신규 싱크홀의 발생률 NSH과 기반암 및 용식 균열과 공동의 상태에 대한 식별 기준을 제시하였다. 이 외 Waltham (1989)과 Yoon et al. (1999)은 공동 및 이와 연결된 용식 균열의 규모와 상태에 따라 지반을 분류하였다.
Fig. 8.
Typical ground conditions in the engineering classification of karst (after Waltham and Fookes, 2003).
교량 기초 지반에서 확인되는 카르스트 구조의 특성에 따라 Fookes and Hawkins (1988), Yoon et al. (1999), Waltham and Fookes (2003)의 기준으로 카르스트 지반을 분류하여 Fig. 6에 도시하였다. Fookes and Hawkins (1988)의 분류안에 따르면 교량 기초 지반은 지하수위 상부에 돌리네의 발달이 있는 Class IV (doline karst) 지반에 해당한다. Yoon et al. (1999)의 분류 기준으로는 교량 동측부 지반은 용식 균열의 확장과 이와 연결된 소규모 공동이 발달하여 있는 홈과 공동 시스템(slot & cavity system)에 해당하며, 교량 서측부의 지반은 확장된 용식 균열로 첨봉이 발달하고, 공동은 서로 연결되며, 싱크홀과 연장성이 좋은 동굴이 형성된 싱크홀과 동굴 시스템(sinkhole & cave system)으로 구분될 수 있다. Waltham and Fookes (2003)의 공학적 카르스트 분류에 따르면 다양한 돌리네가 복합적으로 나타나는 사례 교량의 지반은 Class kIV (complex karst)에 해당한다.
또한 교량 부지를 동측부 및 서측부로 분리된 2개의 돌리네 지반으로 구분하여 Waltham and Fookes (2003)에서 제시한 개별 카르스트 구조의 식별 기준으로 각각의 돌리네 지반을 분류하였다. 교량 동측부의 용해형 또는 침하형 돌리네 구간은 기반암의 기복이 5 m 이내이고, 대부분의 균열이 이차 확장되어 있으며, 5 m 이내의 공동이 복층으로 발달하고 있으므로 Class kIII (mature karst) 지반으로 분류할 수 있다. 반면, 교량 서측부의 함몰형 돌리네 구간은 기반암선 기복이 5–20 m이며, 주요 균열부를 따라 광범위한 용식이 이루어져 있어 첨봉이 다수 발달하고 있고, 하부에 5 m 이상의 붕락된 공동이 존재할 가능성이 크므로 Class kIV 지반으로 분류할 수 있다.
Waltham and Fookes (2003)는 각 등급에서 실무적으로 활용할 수 있는 기초 대응 지침을 제시하고 있다. 이에 따르면 Class kIII 지반은 래프트(raft) 기초 또는 지중보(ground beam)을 설치하거나 기반암까지 항타 말뚝(driven pile)을 시공하고, 배수(drainage)를 철저히 관리할 것을 권장하고 있다. 또한 Class kIV 지반에 대해서는 첨봉의 불규칙한 형상과 심한 기반암선 기복을 고려하여 항타 말뚝보다는 기반암까지 천공하여 말뚝(bored pile)을 시공하거나 암반 상부에 캡 그라우팅(cap grouting)을 시행하고, 지하수 배수와 취수 관리를 철저히 할 것을 제안하였다.
교량 기초부 카르스트 지반의 구역 분할
카르스트 구조의 특성과 성숙도를 기준으로 공학적으로 카르스트 지반을 분류하는 것은 해당 부지의 카르스트 특성을 전반적으로 이해하는 데 매우 유의미하다. 그러나, 불균질성이 큰 카르스트 지반의 특성 상 교량 부지 전체가 유사한 지반 상태를 보일 가능성보다는 오히려 개별 기초 하부의 지반 특성이 서로 상이할 가능성이 크다. 특히 교량의 경우, 기초 단위의 침하량 차이에 의해 부등 침하의 가능성이 존재하므로 각 기초부의 절대적인 침하 방지 대책이 필요하다. 여기서는 기초의 설계 및 시공에 적용할 수 있도록 교량의 개별 기초 지반을 공학적으로 구분할 수 있는 카르스트 지반의 구역 분할(KGZ) 기준을 제시하고 이를 사례 교량 기초 지반에 적용하였다.
Table 3의 카르스트 지반 구역 등급은 선행 연구자들의 공학적 카르스트 분류 등급에 대응할 수 있도록 하되, 그 평가 기준은 Waltham and Fookes (2003)의 식별 기준을 참조하여 개별 기초 지반에서 평가할 수 있도록 단순화하고 정량화하였다. 이 기준에서는 기반암 기복과 공동의 규모에 따라 교량 기초 하부 카르스트 지반을 5개 등급(KGZ I-V)의 공학적 지반 구역으로 구분할 수 있다. 기반암의 기복은 풋팅 기초 저면을 기준으로 측정한 기반암선으로 결정하였으며, 공동의 규모는 기초 폭의 3배 이내 기반암 두께를 가지는 공동에 한하여 그 높이와 폭을 결정하도록 하였다. 이러한 카르스트 지반 구역 분할은 기초 지반 노출면 상세 조사를 포함한 시공 중 조사에서 최종적으로 확정된다.
각 지반 구역 등급의 기초 보강 권고 사항은 Fookes and Hawkins (1988)와 Waltham and Fookes (2003)의 공학적 카르스트 분류안의 권고 사항을 참조하되 국내외 사례들(Im et al., 1998; Kim et al., 2010; Lee et al., 2011; Park et al., 2013; Gutiérres et al., 2014)을 종합 검토하여 기술하였다. 기초 지반에 위협적 조건을 형성하지 않거나 대응이 용이한 KGZ I과 KGZ II 기초 지반에 대해서는 균열이나 공동을 그라우트재 또는 충전재로 채우거나, 불규칙한 기반암선으로 인해 부분적으로 불량한 기초 지반을 덴탈 콘크리트를 타설하여 치환하도록 하였다. 기초 안정성에 위협적인 카르스트 구조가 형성된 KGZ III-V 지반에는 Waltham and Fookes (2003)에서 제시된 방법 이외에 국내에서 활발히 사용되고 있는 마이크로파일 공법 및 그라우팅 공법 등으로 지반을 보강하도록 하였다.
Table 3.
Criteria for karst ground zoning (KGZ) beneath bridge foundations in this study. F&H, Fookes and Hawkins (1988); W&F, Waltham and Fookes (2003)
| Engineering classification of karst | Karst ground zoning | |||||
| F&H (1988) | Yoon et al. (1999) | W&F (2003) | Zone | Rock head relief1) | Cavity size2) | Foundation Techniques3),4) for Consideration |
|
Limestone surface I | Slot & cavity |
Juvenile karst kI | KGZ I |
Minor fissures | - |
Conventional approach, or infilling of open fissures |
|
Minor karst II |
Youthful karst kII | KGZ II | v1.5 m | <3 m |
Concrete replacement for weak footing subsoil, or Infilling and grouting of cavities and fissures | |
| Karst III |
Sinkhole & cave |
Mature karst kIII | KGZ III | <5.0 m | <5.0 m |
Driven piles or micro piles into the rock head, or Infilling and grouting of cavities and fissures |
|
Doline karst IV |
Complex karst kIV | KGZ IV | 5.0–20.0 m | >5.0 m |
Bored piles or micro piles into the rock head, or Infilling and grouting of cavities and fissures | |
|
Major doline karst V |
Extreme karst kV | KGZ V | >20.0 m | >15.0 m |
Deep bored piles into the rock head, or Infilling and grouting of cavities and fissures | |
1)The relief is determined based on the rock head profile, which is measured from the footing bottom.
2)The width and height of cavities, where the roof thickness is within three times the bridge footing width (B), are measured.
카르스트 지반의 지반 개량과 기초 보강을 위하여 물유리계 약액주입공법, MSG 공법, 우레탄, 고압분사주입공법, 심층혼합처리공법, 저유동성 몰탈주입공법 등 다양한 그라우팅 공법이 국내외에서 검토되거나 적용되어 왔다. 그라우팅 공법은 공동 등 카르스트 구조의 규모나 심도 외에 충전물의 종류나 연결성 등이 면밀히 검토되어 결정되어 져야 한다. 또한 말뚝 기초 공법을 도입하는 경우에는 지지층의 심도나 첨봉의 형상 등이 충분히 검토되어야 한다.
사례 교량 부지에서 제안한 카르스트 지반 구역 분할 기준을 적용한 결과, 각 교대 및 교량 기초 지반은 KGZ I에서 KGZ IV에 이르는 다양한 지반 조건으로 구분되었으며, Fig. 6에 분할된 카르스트 지반 구역을 도시하였다. RA1 기초 지반은 KGZ I 지반, LA1, LP1, RP 1, LP2, LA2, RA2 기초 지반은 KGZ II 지반으로 평가되어 비교적 양호한 카르스트 지반으로 분석되었다. 반면 RP1와 RP3 기초 지반은 KGZ III, LP3와 RP4 기초 지반은 KGZ IV 지반으로 불량한 카르스트 지반에 해당한다. 특히 KGZ IV 등급으로 불량한 지반 상태를 보이는 LP3와 RP4 기초 지반에서는 기초 하부의 카르스트 구조 특성을 고려하여 대구경 현장 타설 말뚝 및 강관 말뚝 등을 기반암 내에 천공하여 설치하는 공법과 마이크로 파일 및 고압 분사 그라우팅 공법으로 지반을 보강하는 공법이 검토되었다. 그 결과, 이 구간에는 삼중관 고압 분사 주입공법과 저유동 차수 그라우팅 공법을 병행하여 기초 지반을 보강하는 방안이 채택되었다.
이와 같이 제안된 카르스트 지반 구역 분할은 교량 구조물 규모의 공학적 카르스트 분류와 달리 교량의 개별 교대 및 교각 기초 지반에 대한 구체적인 평가와 대응을 가능하게 하여 카르스트 지대의 교량 안정성 확보에 효과적으로 기여할 수 있다. 다만 이러한 교량 기초 단위로 지반 구역을 분할하는 과정의 실효성 이외에 제안된 지반 구역 등급 기준 및 각각의 구역 등급에 대한 기초 보강 권고 사항에 대해서는 지속적인 검증이 필요하며, 실제 보강 공법의 선정 및 적용 시에는 역학적 또는 수리적 안정성 평가와 시공 후 성능 평가를 위한 모니터링 등이 추가되어야 한다.
결 론
국내 대표적인 카르스트 지역인 단양군에 위치하고 있는 사례 교량 부지는 하부 고생대 막골층의 괴상 석회암과 엽상 석회암이 분포한다. 이 석회암 지층은 비용해성 암석인 상부 고생대의 만항층 사암을 북동 주향의 서경사하는 드러스트 단층에 의해 충상하여 접하고 있다. 교량 부지에서 괴상 석회암과 이를 교차하는 단열 구조 주변으로 다양한 카르스트 구조가 다수 형성되어 있으며, 이러한 카르스트 지반 특성은 공학적 지질 종단면도로 도시되었다.
국내외 사례를 종합하여 카르스트 구조의 특성화 요소를 석회 공동의 심도 등 위치, 공동의 폭과 높이 등 규모, 공동 충전물 및 공동 간 연결성, 용식 균열의 폭과 심도 등 기반암선의 기복 등 카르스트 구조의 특성과 공동 주변 암반의 상태 및 상부 기반암의 두께로 선정하였다. 계획-설계-시공 단계에 걸친 부지 조사 과정을 통하여 교량 부지의 카르스트 지반을 특성화한 결과, 교량 부지 동측의 계곡부는 용해형 돌리네로 형성되어 침하형 돌리네로 성장한 카르스트 지반으로, 교량 서측의 계곡부는 침하형 돌리네가 형성된 이후 하부 석회 공동의 붕괴와 함께 형성된 함몰형 카르스트 지반으로 평가되었다. 특히 이 연구에서 분석된 공동 충전물의 유형은 돌리네 지반을 구분하여 평가하는 데 중요한 역할을 하였을 뿐 아니라, 기초 지반의 보강 방안 검토 과정에서도 중요한 요소로 사용되었다.
Waltham and Fookes (2003)의 공학적 카르스트 분류는 카르스트의 숙성 단계를 기준으로 그 과정에서 발달하는 다양한 카르스트 구조의 형태적 조합으로 카르스트 지반을 분류한다. 이에 따르면 사례 교량 부지는 전반적으로 Class kIV의 지반으로 분류되며, 개별 돌리네 구간으로 구분하여 적용할 경우, 교량 부지 서측의 침하형 돌리네 지반은 Class kIII, 동측의 함몰형 돌리네 지반은 Class kIV로 구분될 수 있다.
그러나 카르스트 지반의 극심한 불균질성과 교량 구조물의 특성을 고려하면 개별 교대 및 교각 기초의 안정성을 확보하기 위해서는 기초 단위로 카르스트 지반을 평가하는 것이 바람직하다. 이 연구에서는 기초 지반 하부의 기반암 기복과 공동의 규모 등 카르스트 구조의 특성 기준으로 기초 단위의 카르스트 지반을 구역 분할하는 KGZ 시스템을 제안하고 이를 사례 교량 부지에 적용하였다. 그 결과, 교량 기초 단위로 카르스트 지반을 상세히 구분하여 불량한 기초 지반을 특정할 수 있었으며, 보강 대책 등을 효과적으로 검토할 수 있어 카르스트 지대의 교량 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 등급 별 기초 보강 권고 사항은 보강 공법 선정의 참고 자료로서 구체적인 보강 공법의 적용 시에는 상세한 안정성 평가와 시공 후 성능 평가 모니터링 등이 추가적으로 수행되어야 한다.
