서 론

최근 산업화와 도시 인프라 확충으로 인해 철도, 도로, 항만 등 대규모 기반시설의 건설이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 국내의 지형적 특성상 연약한 해안 및 내륙 퇴적지반이 넓게 분포하고 있어, 이러한 지역에서의 성토 및 구조물 시공 시 과도한 침하와 전단 변형이 빈번히 발생한다. 이에 따라 연약지반의 안정성을 확보하기 위한 지반개량 및 기초보강공법의 적용은 필수적이다(Kim, 2018).

기존에 널리 사용되어 온 모래다짐말뚝(sand compaction pile, SCP) 공법은 공사기간의 장기화, 환경문제, 재료비 상승 등으로 인해 그 적용성이 점차 감소하고 있다. 이를 대체하기 위해 비교적 시공이 간편하고 자재 수급이 용이한 쇄석다짐말뚝(gravel compaction pile, GCP) 공법이 도입되었으며, 국내에서도 활용이 증가하고 있다. GCP는 연약지반 내 과잉간극수압의 소산을 유도하여 압밀을 촉진하고, 일정 구간을 쇄석으로 치환함으로써 복합지반을 형성하여 지지력을 향상시키는 공법이다. 그러나 점성토 지반에서의 시공 교란, 간극 막힘(clogging), 선단부 팽창(bulging) 등으로 인한 강도 저하 및 내부 파괴가 보고되고 있으며(Choi et al., 2022; Kwon, 2024), 이러한 문제는 현장 적용의 불확실성을 높이는 요인으로 지적되고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 제안된 지오그리드 보강 쇄석다짐말뚝(geogrid reinforced gravel compaction pile, GRGCP) 공법은 쇄석기둥 외주부를 고강도 지오그리드로 감싸 횡방향 변형을 억제하고, 지오그리드의 인장 구속력을 통해 지반의 강도와 안정성을 향상시키는 기술이다(Murugesan and Rajagopal, 2006). 선행연구에 따르면 GRGCP는 변위 저감, 지지력 증가, 구조적 안정성 향상 등에서 효과가 확인되었으나(Xing et al., 2014; Wang et al., 2019), 대부분의 연구는 수치해석 중심으로 수행되어 실제 지반 조건을 반영한 실내모형시험 결과는 제한적이다.

따라서 본 연구에서는 느슨한 사질토(SP) 및 점성토(ML) 지반을 대상으로 GCP와 GRGCP 공법을 적용한 실내모형시험을 수행하였다. 실험을 통해 말뚝의 수직·수평 변위, 하중–침하 관계, 파괴 형상 등을 비교·분석함으로써 GRGCP의 구속 효과 및 지지력 증진 메커니즘을 규명하고자 하였다. 또한, 실험 결과는 향후 유한요소 수치해석의 검증 자료로 활용될 수 있도록 정량적 데이터를 제시하는 것을 목표로 한다.

GRGCP 공법

지반개량공법은 지반의 보강, 고결, 다짐, 압밀배수, 치환 등의 원리를 기반으로 적용된다. 이 중 GCP 공법은 압밀배수, 보강 및 다짐을 주요 원리로 하며, 연약지반의 일부를 안정된 재료로 치환하여 복합지반을 형성하는 기초 보강공법이다. Fig. 1은 GCP 공법과 GRGCP 공법의 개념도를 제시하고 있다.

GCP 공법은 과잉간극수압의 소산을 유도하여 점토지반의 압밀을 촉진하고, 수평배수재를 통해 상재하중이 지반에 분산되도록 하는 방식이다. 상부 하중은 지지층까지 직접 전달되지 않고 말뚝체와 주변 지반이 하중을 공동으로 분담함으로써 복합지반 거동을 나타낸다. 또한, 재하 과정에서 GCP가 팽창하며 주변 지반에 수평응력과 전단저항이 발생하여 지지력이 증가하게 된다.

한편, GRGCP 공법은 GCP의 외주부를 고강도 지오그리드로 감싸 횡방향 팽창(bulging) 파괴를 억제함으로써 구조적 안정성을 향상시키기 위해 개발된 보강공법이다. 지오그리드의 구속 효과는 GCP의 횡변형을 감소시키고, 지반의 강도와 지지력을 동시에 증진시키는 역할을 수행한다.

Fig. 1.

Type of GCP method.

실내시험

지반조성 시료

본 연구에서 사용된 실내모형시험 시료는 단일지반을 기준으로 사질토인 주문진표준사(SP, 빈입도 모래)와 점성토(ML, 저소성 실트)로 구분하여 시험을 수행하였다.

Table 1은 실내시험에 사용한 시료의 물리적 특성을 나타낸 것이고, Fig. 2는 입도분포 및 다짐시험 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Results of laboratory test.

시험재료 및 장비

고강도 지오그리드

고강도 지오그리드는 합성 고분자 재질로 만들어진 인장부재를 격자형태로 구성한 평면구조로서 연약지반 보강, 성토사면 보강, 옹벽 등 다양한 토목현장에 사용된다. Table 2는 시험에 사용된 고강도 지오그리드의 물리적 특성을 나타낸 것이고, Fig. 3은 고강도 지오그리드의 형상 및 외관규격을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Geometry and dimensions of high-strength geogrid.

일축압축시험 장비

시험에 사용된 장비는 GEOTM사의 일축압축시험 장비로, 상·하판 구조와 상부 로드셀을 갖추고 있으며 최대 300 kN까지 구현 가능하다. 상판(직경 170 mm)과 하판(직경 300 mm)으로 구성되며, 하중·변위 제어가 가능하고, PC 입력에 따라 유압모터로 하단판이 상승한다. 출력데이터는 로드셀을 통해 전송되어 변위-하중, 시간-하중, 시간-변위 관계를 도출할 수 있다.

본 연구에서는 모형 말뚝의 하중-침하 관계 분석에 초점을 맞추었으며, 1 mm/min의 속도로 변위제어 방식을 고려하여 시험을 수행하였다. 편심 방지를 위해 수평을 유지하며, 하중은 300 kN 로드셀로 측정하였고, 수직변위는 자동변위 측정값, 수평변위는 변위계를 부착하여 측정하였다.

Fig. 4는 시험에 사용된 기기와 모식도를 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Schematic diagram of uniaxial compression test equipqment.

시험방법

시험케이스

시험 수행에 앞서 시험 조건을 고려하여 상사법칙을 적용하였으며, 일반적인 쇄석다짐말뚝의 직경을 기준으로 약 1/4 규모로 축소 제작하였다. 이에 따라 쇄석 입도 또한 동일한 비율을 반영하여 최대 25 mm 크기의 쇄석을 사용하였다. 본 실내모형시험은 GCP 공법과 GRGCP 공법의 거동 특성을 비교·분석하기 위한 것으로, 지반은 SP와 ML 조건으로 조성하였다. 지반은 느슨한 상태를 구현하기 위해 상대밀도 40%로 조성하였으며, 쇄석다짐말뚝은 단일말뚝과 군말뚝 조건으로 구분하여 설치하였다.

따라서, Table 3에 정리된 바와 같이 지반 조건(SP, ML) 2종, 말뚝 배치(단말뚝, 군말뚝) 2종, 보강 유형(무보강, 지오그리드 보강) 2종의 조합으로 총 8가지 실내모형시험을 수행하였다.

Fig. 5는 GCP의 간격 및 직경을 나타낸 것이다. 본 연구에서 적용한 GCP의 직경과 규격은 상사법칙을 적용하여 실제 규모의 1/4 스케일로 축소하였으며, 그 세부 제원은 Table 4에 제시하였다. 실내모형시험에서는 축소된 말뚝 직경과 계측 센서의 크기를 고려하여 사각 배열로 배치하였다. 일반적으로 군말뚝의 배치는 현장 조건에 따라 달라지므로 현장지반에 대한 검토가 필요하지만, 본 연구에서는 모형토조의 크기를 고려하여 말뚝 중심 간격을 실제 1.0 m 조건의 1/4에 해당하도록 설정하였다.

Fig. 5.

Arrangement and spacing of gravel compaction pile.

실내모형지반 조성

현장 시공 조건과 유사한 실내모형시험 환경을 구현하기 위해, 단말뚝 GCP 공법의 경우 중심부에 직경 130 mm의 셀로판지를 설치하여 쇄석 충전 공간을 확보하였다. 이후 말뚝 주변부에 시험용 시료를 포설한 뒤, 변위계 설치를 위해 셀로판지의 일부를 사각형 형태로 절개하여 변위계를 부착하고 연약지반을 조성하였다. 지반 조성이 완료된 후 중심부의 셀로판지를 제거하여 쇄석다짐말뚝을 형성하였으며, 그 위에서 압축시험을 수행하였다.

Fig. 6은 GCP 및 GRGCP 공법의 실내모형시험 조성 과정을 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Preparation of model ground based on GCP and GRGCP for laboratory model tests.

실내시험 결과

일축압축시험 결과

하중–침하 거동을 평가하기 위해 일축압축시험을 실시하였으며, 아크릴 토조의 손상을 방지하기 위해 하중 재하 속도를 1 mm/min으로 설정하여 약 10분간 하중을 가하였다. 특히 SP 지반의 단말뚝 시험에서는 변형에 따른 영향을 최소화하기 위해 고무 재질의 토조를 사용하였다. 각 조건별 하중 및 침하량 분석 결과는 Table 5에 제시하였다.

단말뚝 조건에서 ML 지반의 경우, GCP와 GRGCP 공법에서 각각 1,453.3 kN 및 1,857.1 kN의 하중 재하시 침하량 10.0 mm가 발생하였으며, 동일 침하량 기준으로 GRGCP의 지지력이 GCP보다 약 1.28배 높게 나타났다. SP 지반에서는 3,234.9 kN 및 6,412.1 kN의 하중에서 10.0 mm의 침하가 발생하였으며, GRGCP가 GCP 대비 약 1.98배의 하중 증가를 보였다.

군말뚝 배치의 경우, ML 지반에서 각각 3,625.0 kN과 6,406.2 kN, SP 지반에서 9,166.9 kN과 11,069.1 kN의 하중 재하시 10.0 mm의 침하가 관찰되었다. 정량적으로 GRGCP는 GCP에 비해 ML 지반에서 약 1.77배, SP 지반에서 약 1.21배의 높은 하중 지지력을 나타냈다.

Fig. 7은 지반 조건에 따른 GCP 및 GRGCP 공법 적용 시의 하중–변위 관계를 나타낸 그래프이다. 단말뚝과 군말뚝 모두 최대 변위 10 mm까지의 거동을 분석하였으며, 전반적으로 SP 시료에 비해 ML 시료에서 하중 강도가 낮게 나타났다. 이는 고정된 토조 내에서 사질토(SP)의 구속 효과로 인해 상대적으로 높은 하중 강도가 발현된 것으로 판단된다. 또한, GRGCP 공법에서는 고강도 지오그리드의 구속 효과에 의해 GCP 대비 하중 지지력이 증가하는 경향을 보였다.

일축압축강도 분석 결과, GRGCP는 GCP에 비해 약 1.20–1.98배 높은 하중 지지력을 나타냈으며, 단말뚝에 비해 군말뚝 조건에서는 약 1.73–3.45배의 하중 증가가 관찰되었다.

Fig. 7.

Load-displacement curve.

수평 변위 분석 결과

Fig. 8은 단말뚝과 군말뚝의 하중재하에 따른 수평변위 결과를 나타낸 것이다. 수직하중 재하시 말뚝의 수평 변형 거동을 분석하기 위해 변위계를 설치하여 하중에 따른 변위를 계측하였으며, 변위계 1번과 3번은 말뚝 상단부(재하 지점으로부터 약 5 cm 아래)에, 2번과 4번은 말뚝 하단부(선단으로부터 약 5 cm 위)에 부착 하여 각 위치에서의 수평 변위를 측정하였다. 변위의 단위는 µm이다. 시험 초기에는 변위계를 지오그리드에 직접 부착하였으나, 데이터의 불균일성이 관찰되었다. 이후 지오그리드 표면에 셀로판지를 덧대어 변위계를 고정함으로써 안정적인 계측이 가능하도록 보완하였다.

Fig. 8.

Horizontal displacement curves of single and group piles.

수직하중 재하시 말뚝의 수평 변형 거동을 분석하기 위해 변위계를 설치하여 하중에 따른 변위를 계측하였다. 변위계 1번과 3번은 말뚝 상단부(재하 지점으로부터 약 5 cm 아래)에, 2번과 4번은 말뚝 하단부(선단으로부터 약 5 cm 위)에 부착하여 각 위치에서의 수평 변위를 측정하였다. 변위의 단위는 µm이다.

시험 초기에는 변위계를 지오그리드에 직접 부착하였으나, 데이터의 불균일성이 관찰되었다. 이후 지오그리드 표면에 셀로판지를 덧대어 변위계를 고정함으로써 안정적인 계측이 가능하도록 보완하였다.

단말뚝 조건에서, ML 지반의 GCP는 상부 0.878–1.080 mm, 하부 0.378–0.878 mm의 수평 변위를 보였으며, GRGCP는 상부 0.285–0.390 mm, 하부 0.217–0.331 mm로 변위가 감소하였다. SP 지반에서는 GCP가 상부 0.992–1.212 mm, 하부 0.443–0.632 mm를 나타냈고, GRGCP는 상부 0.149–0.331 mm, 하부 0.028–0.041 mm로 변위가 크게 줄어드는 경향을 보였다.

군말뚝 조건에서는, ML 지반의 GCP가 상부 1.775–1.970 mm, 하부 0.071–0.150 mm의 변위를 보였으며, GRGCP는 상부 0.706–0.788 mm, 하부 0.443–0.682 mm로 상대적으로 안정된 거동을 나타냈다. SP 지반에서는 GCP가 상부 0.386–0.605 mm, 하부 0.041–0.119 mm를, GRGCP는 상부 0.650–1.126 mm, 하부 0.240–0.386 mm의 수평 변위를 기록하였다.

Table 6은 각 조건별 수평변위 측정 결과를 정리한 것이다.

수평 변형량 종합결과

전반적으로 GRGCP 공법에서 수평 변위가 감소하는 경향을 보였다. 이는 수직하중 재하시 고강도 지오그리드가 구속 역할을 수행하여 수직변위가 억제됨에 따라, 이에 연동된 수평변위 또한 감소한 것으로 판단된다. 또한, 상부에 비해 하부 변위 증가율이 크게 나타난 것은 일축압축시험 장비의 하중 가압 특성에 기인한 것으로, 하중이 하부에서 상부 방향으로 전달되면서 하부에서 변형이 집중된 결과로 해석된다.

한편, 단말뚝에 비해 군말뚝에서 상대적으로 큰 수평변위가 관찰되었다. 이는 단말뚝 시험이 개별 말뚝에 하중을 재하한 반면, 군말뚝 시험에서는 말뚝군 전체 단면에 하중이 분포되어 상부 하중 증가에 따라 수평 변위가 확대된 결과로 판단된다.

일축압축시험 결과 파괴형상 분석

GCP의 변형 거동을 분석하기 위해 시험 종료 후 쇄석기둥 상단부 주변의 지반을 제거하여 파괴 형상을 관찰하였다.

먼저 ML 지반에서의 파괴 형상은 Fig. 9에 제시하였다. 단말뚝(a, b)과 군말뚝(c, d) 모두에서 지오그리드로 보강되지 않은 GCP의 경우, 뚜렷한 파괴 형상을 확인하기 어려웠다. 반면, GRGCP에서는 명확한 파괴 형태가 관찰되지 않았으며, 이는 지오그리드 망의 구속력에 의해 횡방향 변형이 억제된 결과로 판단된다.

Fig. 9.

Failure modes of GCP and GRGCP in ML soil.

다음으로 SP 지반의 파괴 형상은 Fig. 10에 나타내었다. SP 지반 시험에서는 변형 거동을 보다 명확히 관찰하기 위해 기존의 아크릴 토조 대신 신축성이 있는 고무 토조를 사용하였다. 지오그리드로 보강되지 않은 GCP는 변형 형태를 확인하기 위해 비닐을 이용해 일정한 구속력을 부여하였으나, 변형 형상을 육안으로 명확히 구분하기는 어려웠다. GRGCP의 경우 역시 뚜렷한 파괴 형상이 나타나지 않았으며, 이는 ML 지반과 동일하게 지오그리드의 구속 효과로 인해 횡방향 변형이 억제된 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Failure modes of GCP and GRGCP in SP soil.

결 론

본 연구에서는 GCP 및 고강도 지오그리드로 보강된 GRGCP 공법을 적용하여 연약지반의 지지력과 변형 특성을 실내모형시험을 통해 비교·분석하였다. 시험을 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 일축압축시험 결과, GRGCP는 GCP에 비해 약 1.20–1.98배 높은 하중 지지력을 나타냈으며, 군말뚝의 경우 단말뚝 대비 약 1.73–3.45배 큰 하중을 지지하였다. 이는 GCP에서 발생하는 팽창(bulging) 파괴를 고강도 지오그리드가 효과적으로 억제한 결과로 판단된다.

(2) 수평변위 분석 결과, GRGCP는 GCP에 비해 수평변위가 전반적으로 감소하였다. 이는 고강도 지오그리드의 인장 구속력에 의해 수직변위와 횡방향 변형이 동시에 억제된 결과로 판단된다. 또한 군말뚝의 경우 단면 전체에 하중이 분포되어 단말뚝보다 상대적으로 큰 수평변위가 발생하였다.

(3) 이상의 결과를 종합하면, GRGCP 공법은 연약지반의 지지력 향상뿐만 아니라 횡방향 변형에 대한 저항성을 동시에 확보할 수 있는 효과적인 공법으로 평가된다. 따라서 GRGCP는 향후 연약지반 개량 및 기초설계 시 적용 가능한 실질적 보강 대안으로 활용될 수 있다.