서 론

연구의 배경

건설산업은 국가 기반시설 확충과 도시 발전의 핵심 산업으로 기능하여 왔으나 동시에 굴착 붕괴나 지반침하 및 흙막이 벽체의 파괴와 비탈면 활동 등 다양한 형태의 지질공학적 사고를 수반해 왔다. 최근 발생하는 사고는 단순한 시공상 과실이나 개별 기술자의 오류라기보다는 지반 특성의 공간적 불확실성과 설계 가정의 단순화 그리고 시공 단계의 응력 재분포와 계측 관리체계 미비에 의한 복합적으로 작용한 다양한 요인의 시스템 실패 형태로 나타나는 경향이 있다. 포렌식 엔지니어링은 사고 및 구조적 실패의 원인을 규명하고, 그 결과를 법적·행정적 판단에 활용하기 위한 공학적 분석 분야로 정의된다(Gu et al., 2026b, p. 126).

건설구조 포렌식 분야에서는 구조적 실패를 설계 시 기대된 성능과 실제 거동 간의 허용 불일치로 정의하고 있으며(Shinde and Meshram, 2020, p. 3305), 이는 극한한계상태뿐 아니라 사용한계상태까지 포함하는 개념으로 확장된다. 이러한 정의는 지반공학적 사고에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 지반-구조 시스템이 설계 시 가정한 안정성과 사용성 기준을 충족하지 못하는 상태를 실패로 규정할 수 있다.

또한 ｢The causes and costs of defects in construction: A study of seven building projects｣(Josephson and Hammarlund, 1999)는 결함 원인을 발주처(6%), 시공(45%), 설계(32%), 재료(17%)로 구분하였다.

그리고 근본 원인만을 파악하는 전략은 원인들간의 복잡한 상관관계와 그 메커니즘을 제대로 이해하지 못하여 설명력이 떨어진다는 문제점을 제기한다. 더욱 이러한 근본 원인들이 초기 발생과 어떤 관련이 있는지 시각화하기가 쉽지 않기 때문에 근본 원인을 파악하는 것이 항상 보장되는 것은 아니다(Aljassmi and Han, 2014).

국내 건설사고 조사체계는 행정기관 조사과 법원 감정 및 발주기관 자체 조사와 보험 손해평가 등이 병렬적으로 운영되며 공통 프로토콜이 정립되어 있지 않다. ｢건설사고 조사의 포렌식 표준화 체계에 관한 연구｣는 감정 기준의 부재와 절차의 비정형성이 재감정 반복과 분쟁 장기화의 원인이 될 수 있음을 지적하였다(Gu et al., 2026a). 특히 지반계측 자료의 체계적 분석과 역해석 절차가 제도적으로 명확히 규정되어 있지 않다는 점은 조사 결과의 재현성을 저하시키는 요인으로 작용한다.

한편, Li and Zhang (2023, p. 357)은 도시기반시설 공사에서 반복되는 사고를 분석하며 조사–시정–검증–피드백의 폐쇄형 위험관리 구조를 제안하였다. 이는 포렌식 분석을 사후 규명에서 사전 예방 체계로 확장할 수 있는 이론적 기반을 제공한다.

연구의 필요성 및 문제 제기

지반공학은 본질적으로 불균질하고 비등방적인 자연 지반을 대상으로 하며 동일 설계 조건에서도 지층 구성과 간극수압 분포 및 응력 이력과 시공 순서 등에 따라 거동이 크게 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 사고조사 과정에서 설계 시 가정한 전단강도 정수와 실제 거동의 차이를 정량적으로 재검증하는 절차는 명확히 체계화되어 있지 않다. 또한 건설 실패 조사 보고서에서 객관적 사실(Fact)과 전문적 의견(Opinion)의 모호한 구분은 조사 결과의 정당성을 저해하며, 법적 소송 과정에서 증거 능력의 구조적 취약성을 초래한다(Kardon, 2005). 따라서 다음과 같은 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 먼저 지질 및 지반공학적 실패를 다요인적 구조로 체계화할 수 있는가? 두 번째로 정량적 안정성 평가와 계측 기반 역해석을 통합한 조사 절차는 기존 방식 대비 재현성과 검증성을 향상시킬 수 있는가? 마지막으로 근본원인(Root Cause) 계층 분석을 도입함으로써 기술적 결함과 구조적 관리 요인을 명확히 구분할 수 있는가?의 문제이다.

연구 목적 및 범위

본 연구의 목적은 국제 포렌식 사례의 공통 기술 구조를 토대로 정량적 안정성 평가, 계측 기반 역해석 및 근본 원인 계층 분석을 통합한 지질공학 기반 표준화 모델을 제안하는 데 있다. 이를 통해 사고조사를 단순한 사후 기술 검토가 아니라 과학적 검증과 구조적 원인 분석이 결합된 통합적 포렌식 체계로 전환하고자 한다.

본 연구는 문헌 분석과 구조 비교를 중심으로 수행하여 향후 연구에서는 실증적 지질특성을 적용하는 과제가 남아 있다.

지질 및 지반공학적 실패의 분석

실패의 개념과 범위

지반공학적 실패는 전단파괴와 침하 및 지지력 상실이나 비탈면 활동 그리고 보일링이나 파이핑 등의 현상으로 나타난다. 그러나 이러한 현상은 단순한 극한상태 도달만을 의미하지 않으며 사용한계상태(Serviceability Limit State)의 초과 역시 실패 범주에 포함된다(Duncan and Wright, 2005).

앞서 기술한 건설구조 포렌식 연구에서는 구조적 실패를 설계 시 기대된 성능과 실제 거동 간의 허용할 수 없는 불일치로 정의하고 있으며(Leonards, 1982) 이는 극한한계상태(ULS)뿐 아니라 사용한계상태(SLS)까지 포함하는 개념으로 확장된다(Duncan and Wright, 2005). 지질공학적 관점에서 이를 적용할 때 첫째, 극한한계상태는 전단강도 상실 또는 지지력 파괴에 해당하며 둘째, 사용한계상태는 허용 침하량 초과와 과도한 수평변위 및 인장 균열 발생 등 구조적 기능 저하를 의미한다. 따라서 지질 및 지반공학적 실패는 지반-구조 시스템이 설계 시 가정한 안정성 및 사용성 기준을 충족하지 못하는 상태로 정의할 수 있다.

Fig. 1.

Mechanisms that reduce the shear strength and factor of safety.

전단강도와 안전율의 정량적 구조는 상기 Fig. 1과 같이 전단강도 정수와 응력 조건의 관계로부터 도출된다. 대표적인 Mohr–Coulomb 파괴기준은 다음 식 (1)과 같이 표현된다.

여기서, τf는 파괴 시 전단응력, c'는 유효 점착력, σ'는 유효 수직응력, ϕ'는 유효 내부마찰각이다. 안전율(Fs)은 일반적으로 다음 식 (2)와 같이 저항력과 활동력의 비로 정의된다.

여기서, ∑R은 전단저항력의 총합, ∑D는 활동력의 총합을 의미한다.

지반정수의 공간적 변동성과 간극수압 변화는 유효응력(σ'=σ-u)에 직접적인 영향을 미치며 이는 안전율 감소로 이어질 수 있다. 특히 지질학적 불연속면(단층·절리·층리)은 잠재적 전단면으로 작용하며 주향과 경사 방향이 사면 또는 굴착면과 일치할 경우 활동면 형성 가능성이 증가한다(Hoek and Brown, 1980; Bieniawski, 1989). 또한 암반등급(RMR, Q, GSI)과 풍화도는 무결암 시험값을 현장 암반 강도정수로 보정하고 정하는 과정에 직접적인 영향을 미친다(Hoek et al., 2002).

앞서 언급한 시스템 실패 가이드라인에 준하여 단순 계산 오류보다 관리 및 검증 체계의 부재가 구조적 실패의 근본 원인일 수 있음을 지적하였다. 이는 설계 시 가정된 전단강도 정수의 적정성 검증과 시공 단계에서의 응력 재분포 분석이 사고조사에 필수적임을 시사한다.

다요인적 실패(Multifactorial Failure) 모델

건설사고는 단일 원인이 아닌 복합 요인의 상호작용 결과로 발생한다. 기존 문헌의 실패 비율이 시사하는 바와 같이 사고가 관리체계의 실패와 연결된다고 분석하였다.

지반공학적 관점에서 다요인적 실패 구조의 원인으로는 Fig. 2와 같이 첫째, 지반조사의 불확실성으로서 이는 시추공 간격이 과소하거나 물리탐사 등의 부재로 연약층이 미확인될 경우 설계 입력 정수 자체가 왜곡될 수 있으며 지하수위 흐름 변화와 수리경사에 따른 침투압 증가 및 피압 및 자유 대수층 조건변화에 의한 간극수압 변화로 지반 유효응력의 직접적인 저하를 유발하며 지반구조물의 안전율 감소로 직결된다(Fetter, 2001). 둘째, 단순화된 설계 가정이다. 배면토압이 과소평가되거나 간극수압 변화 미반영 등 파괴기준의 부적절한 적용은 계산상 안전율(FoS)을 실제보다 과대평가하게 만드는 주된 원인이 된다(Duncan and Wright, 2005). 셋째, 계측관리 및 시공중 모니터링 부재로 비탈면이나 터널 등 변위와 지반 침하 분석을 수행하지 않은 계측관리 시스템의 부재한 상황이다. 마지막 넷째로 시공 단계의 변동성이다. 이는 굴착 순서의 임의 변경, 배수 처리 지연, 그리고 지보재 설치 지연은 지반의 자립시간(Stand-up time)을 초과시켜 불리한 응력 재분배를 유도하며, 이는 초기 설계 가정을 완전히 무력화하는 주된 원인이며(Bieniawski, 1989) 암반 내 구조적 이방성을 유발하는 파쇄대와 연약층 및 단층점토(Gouge)의 존재는 암반의 전단강도를 감소시키며 불리한 기하학적 방향성을 가질 경우에는 치명적인 활동면을 유도하는 원인이 된다(Bieniawski, 1989).

Fig. 2.

Multifactorial failure model.

지질 및 지반의 파괴 근본원인(Root Cause)

근본원인 분석은 사고의 원인을 단순히 수평적으로 나열하는 데 그치지 않는다. 현상적으로 드러난 기술적·물리적 직접 원인(Technical/Direct Cause)과 그 배후에 존재하는 절차적·조직적 근본 원인(Procedural/Root Cause)을 명확히 구분하는 계층적(Hierarchical) 분석 구조를 가진다(Carper, 1987). Fig. 3은 지반공학적 관점에서의 절리나 단층 및 불연속면과 지하수 흐름조건, 집중강우나 지진 등 자연적 요건, 인장균열의 확산과 전단강도 감소 등 다요인에 의한 파괴 메카니즘을 4단계로 정리하였다.

Fig. 3.

Multifactorial failure mechanisms from a geotechnical engineering perspective.

Stage 1은 외형적인 파괴가 발생한 상태는 아니지만 암반 내에 존재하는 단층과 절리나 층리 등 불연속면과 불안정한 지하수 흐름 및 RMR, GSI 결과가 취약한 암반이나 지진 등 내재적인 지오리스크 요인들이 잠재하고 있으며 Stage 2는 지반의 과도한 굴착이나 비탈면 절취로 하중 변화 및 집중 강우와 지진 등 지반 내 간극수압의 급격한 상승하는 외부적 요인으로 Stage 3과 같은 지반 내부가 역학적으로 무너지는 점진적 열화(Progressive Degradation) 과정의 단계로 진행한다. 이후 전단강도가 감소한 지반은 비탈면의 붕괴나 지반 침하 등 Stage 4의 파괴단계로 마감하게 된다.

역해석(Back Analysis)과 계측 기반 검증

지질 및 지반공학적 사고조사에서 역해석(Back Analysis)은 핵심적인 분석 도구로 활용된다. 현장에서 계측된 변위와 간극수압 및 지하수위 데이터를 활용하여 설계 시 가정한 지반정수를 재산정함으로써 사고 당시의 조건을 공학적으로 재현한다(Duncan and Wright, 2005).

특히 변위 및 간극수압의 시계열 분석은 지반 파괴 전 단계에서 나타나는 가속구간(acceleration phase)을 식별하는 데 유용하게 활용되며 이는 붕괴 촉발(Triggering) 시점을 판단하는 정량적 근거가 된다. 또한 지진대 위치 및 부지응답(site response)특성은 동적 간극수압의 급격한 상승을 유발하고 유효응력 감소를 통해 지반 구조물의 안정성 저하를 극대화하는 요인으로 작용한다(Kramer, 1996). 따라서 지반공학적 사고조사는 단편적인 정적 해석에 국한되어서는 안 되며 동적 거동과 수리적 조건을 연계한 통합적 고찰이 요구된다. 결국 역해석과 계측 기반 검증은 설계 단계의 안전율(FoS)과 파괴 당시의 실측 안전율을 비교함으로써 안정성 저하 경로를 정량적으로 추적하는 핵심 절차이다. 예를 들어 설계 예측 수평변위 대비 실측 변위가 비정상적으로 과다하게 발생한 경우에는 지반 내부마찰각의 열화나 간극수압의 급격한 상승 가능성을 정량적으로 제시한다. 구조포렌식(Forensic Engineering) 분야에서도 설계 도서상의 가정한 조건과 현장의 실제 구조적 거동 데이터를 상호 대조·검증하여 파괴 원인을 역산하는 절차를 원인 규명의 방법으로 접근하고 있다. 따라서 지반계측 자료인 변위나 지표침하 및 간극수압과 지하수위는 단순 참고자료가 아니라 설계 가정의 타당성을 검증하는 정량적 근거로 활용되어야 한다.

지질 및 지반공학 기반 사고조사 통합 모델

지질 및 지반 특화 통합 조사모델의 구조

본 연구에서 제안하는 통합 모델은 지질 및 지반공학적 불확실성을 정량적으로 구조화하고 이를 절차적 검증 체계와 연결하는 공학 기반 사고조사 프레임워크이다. 기존의 사고조사가 행정적 사실 확인 및 책임소재 판단에 국한되었다는 지적이 있다. 이를 극복하기 위해 본 프레임 워크 모델은 지반과 구조시스템(SSI)의 상호거동 재현과 정량적 검증을 핵심 축으로 설정한다.

구체적인 통합 모델은 학술적·실무적 연속성을 확보하기 위해 다음과 같은 3단계의 계층 구조로 구성된다.

첫째, 지질 및 지반 기초정보 계층이다. 단층과 절리 및 층리 등 불연속면 분포 특성과 주향, 경사를 포함한 구조지질 데이터 및 지하수위와 수리경사 그리고 피압·자유 대수층 조건 및 암반등급(RMR, Q-system, GSI), 풍화도 등 사고 발생 가능성을 지배하는 1차 제어 변수이다. 특히 파쇄대나 연약대 그리고 단층점토(gouge)의 이방성은 전단강도 저하 및 잠재적 활동면 형성에 직접적인 영향을 미치므로 단순한 정성적 자료를 넘어 정량적 해석을 위한 입력 매개변수(Input Parameter)로 체계화되어야 한다.

둘째, 정량적 안정성 평가 계층이다. Mohr–Coulomb 및 Hoek–Brown 파괴기준을 적용하여 열화된 전단강도 조건을 재산정하고 투수계수(K), 저류계수(S) 및 투수성과 이방성을 반영한 간극수압 변동과 이에 따른 유효응력 변화를 정밀 분석한다. 굴착면 및 비탈면 안정의 경우 한계상태를 고려한 잠재적 활동면 추정과 안전율(Factor of Safety, FoS)의 재산정은 필수적이다. 이 과정은 통상적인 설계 검토의 넘어 사고 당시의 지반과 수리 환경을 역추적하는 한계상태 재해석 단계를 의미한다.

셋째, 계측 ► 역해석 ► 원인구조 통합 계층이다. 현장에서 획득된 변위와 간극수압 및 균열의 시계열 데이터 분석을 통해 파괴를 유발한 직접적 트리거(Triggering) 조건을 규명하며 역해석(Back Analysis)을 통한 설계 단계에서 가정한 지반정수의 적정성을 재검증하게 된다. 최종적으로 이 결과는 근본원인분석 계층구조와 연계되어 기술적 직접 원인과 구조적, 절차적 근본 원인을 명확히 분리하는 원인 규명 체계로 이어진다. 이와 같은 3단계의 계층 구조는 지질 데이터 구축 ► 정량적 역해석 ► 계측 기반 검증 ► 실패 원인 구조화로 이어지는 일관된 공학적 흐름을 형성함으로써 지반 사고조사의 정량성과 객관성을 확보하는 통합적 분석 틀로 기능한다. Fig. 4는 상기 3단계 계층 구조를 유기적으로 연계한 통합적 사고조사 프레임워크의 모식도이다.

Fig. 4.

Simplified hierarchical integrated framework for geotechnical-structural failure root cause analysis.

절차적 검증과 법적 증거성 확보

본 연구에서 제안하는 통합 모델의 핵심 차별성은 공학적 분석을 절차적 검증 체계와 연결한다는 점에 있다. 지질 및 지반 사고조사의 신뢰성은 분석의 정교함과 재현 가능성과 증거 관리 체계에 의해 결정된다. 먼저 사고 초기 단계에서 현장 보존과 시료 채취는 체계적 관리 하에 수행되어야 하고 데이터의 정량적 추적 가능성 확보가 전제되어야 한다. 이는 국제 시험·검증 체계에서 요구하는 품질관리 원칙에 부합한다. 특히 국제표준화기구의 ISO/IEC 17025에서 요구하는 시험 절차의 문서화, 데이터 추적성 및 반복성 검증의 원칙을 지반 사고조사 절차에 적용하며 미국의 ANAB (ANSI National Accreditation Board) 및 영국의 UKAS (United Kingdom Accreditation Service) 역시 유사한 인증 체계를 통해 시험·분석기관의 전문성과 분석 결과의 객관성을 확보하고 있다. 이후 수치해석을 통한 정량 분석과정에서는 입력 정수의 근거, 민감도 분석, 불확실성 허용 오차 범위를 명시해야 한다. 지반정수의 공간적 변동성과 수리조건의 변화는 결과 값에 직접적인 영향을 미치므로 해석 결과는 단일값이 아니라 허용 오차 범위와 함께 제시되어야 한다. 또한 계측 자료는 단순 보고자료가 아니라 설계 예측치와 비교하여 오차 분석을 포함해야 한다. 예를 들어 벽체 변위 증가율이 특정 시점에서 급증하는 경우 해당 시점의 간극수압 변화와 굴착 단계의 응력 재분배를 침투-응력연계해석으로 유발요인의 메커니즘을 규명하여야 한다. 다음 Fig. 5는 ISO/IEC 17025 규격에 의거하여 지질 및 지반공학 사고조사 시 획득되는 계측 및 시험 데이터의 신뢰성을 확보하기 위한 맞춤형 측정 불확도 평가 절차를 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Tailored measurement uncertainty evaluation procedure based on ISO/IEC 17025 for geotechnical failure forensic investigation.

통합 모델의 공학적 함의와 제도적 적용 방향

지질 및 지반공학 기반 통합 모델은 사고조사를 단순 사후 분석이 아닌 검증 체계로 전환하는 독립적인 공학적 기반을 제공한다. 그러나 국내의 사고 조사는 여전히 행정기관 조사와 발주기관 자체조사 및 법원 감정과 보험 손해평가 등이 운영되며 공통 프로토콜이 규정되어 있지 않다. ｢건설사고 조사의 포렌식 표준화 체계에 관한 연구｣는 감정 기준의 부재와 조사 절차의 비정형성이 재감정 반복과 분쟁 장기화의 요인이 될 수 있음을 지적하였다(Gu et al., 2026a). 이를 해소하기 위한 이론적 기반으로는 첫째, 지반공학적 사고는 다요인적 실패(multifactorial failure)의 결과로 이해되어야 하고 지질 조건과 설계 조건과 가정 및 시공 단계의 변동성과 계측 체계 등 상호 작용하는 구조적 문제로 접근해야 한다. 이러한 인식은 단일 과실 중심의 조사 방식에서 벗어나 시스템 실패 분석으로 전환을 의미한다.

둘째, 정량적 안정성 평가와 근본원인(Root Cause) 구조의 결합은 책임 규명과 기술 개선을 동시에 가능하게 한다. 직접 원인이 단순한 전단강도 상실이나 비탈면 붕괴라도 근본 원인은 구조지질학적 정보의 누락이나 왜곡, 수리조건의 과소평가와 미적용과 관리체계 등 시스템 부재로 연결될 수 있다.

셋째, 통합 모델은 포렌식 조사기관의 제도적 필요성을 요구한다. 지질 및 지반 특성 분석은 고도의 전문성과 독립성이 요구되며 행정적 조사와 구별되어 법률적 언어로 기술되는 증거 중심의 전문 영역이기 때문이다.

이는 지질 구조 분석 ► 정량 안정성 재평가 ► 계측 기반 역해석 ► 근본원인(Root Cause) 구조화 ► 제도적 개선으로 이어지는 통합적 사고조사 체계를 제시하며 국내 건설사고 조사체계의 전환을 위한 구조적 대안이 될 수 있다.

다음 Fig. 6은 지질 정보 입력부터 정량 역해석과 근본 원인(Root Cause) 도출 및 제도적 표준화로 이어지는 유기적 순환 구조를 나타낸다. 이는 단계별 검증 루프를 통해 조사 결과의 객관성을 확보하고 국제 품질 인증 기준(ANAB/UKAS)에 부합하는 포렌식 조사 및 검증 체계이다.

Fig. 6.

Integrated accident investigation model from a geotechnical and geological perspective: Data-driven root cause analysis framework.

결 론

본 연구는 건설사고를 단일 기술적 오류가 아닌 지질과 지반공학적 불확실성 및 설계와 시공, 관리 요인이 결합된 다요인적 시스템 실패로 규정하여 정량적 안정성 재산정과 계층적 근본원인(Root Cause) 구조로 연결한 통합 사고조사 모델을 제시하였다.

지질 및 지반공학적 사고는 단층이나 절리 및 층리 등 불연속면의 구조와 주향, 경사의 방향성과 암반등급(RMR/Q/GSI), 수리조건인 지하수위와 수리경사 및 피압대수층과 투수성과 이방성 등 지질특성과 수리적 매개 요소가 전단강도 및 유효응력 변화에 직접적으로 영향을 미치는 특성이 있다. 따라서 사고조사는 Mohr–Coulomb 및 Hoek–Brown 파괴기준에 기반한 정량적 안정성 재산정, 활동면 추정 및 안전율(FoS) 분석을 포함하여야 한다.

또한 지반의 변위와 간극수압의 변동 및 균열의 시계열 분석과 역해석 절차는 설계 가정과 실제 거동 간의 편차를 재현하는 핵심 도구로 기능할 수 있다. 이러한 검증 구조는 사고의 직접 원인과 구조적 근본 원인을 구분하는 근본원인(Root Cause) 계층 체계와 결합될 때 비로소 과학적 설명력을 갖는다.

본 연구에서 제안한 통합 모델은 ① 지질 및 지반 기초정보 체계화, ② 정량적 안정성 재산정, ③ 계측 기반 역해석, ④ 근본원인(Root Cause) 구조화 및 절차적 검증의 일관된 흐름을 통해 사고재현 및 검증 가능한 공학적 절차로 전환하는 구조를 제시하였다.

이는 기존의 행정 중심 조사 방식에서 벗어나 국제 인증 체계를 수렴하는 포렌식 조사 체계로 전환할 필요성을 제시한다. 특히 ISO 등 국제 표준과 국내 관련법을 기반한 포렌식 조사의 검증 절차 및 관리 체계를 도입하여 기술적 사실과 법적 판단을 분리하고 조사 결과의 객관성과 증거성을 동시에 확보할 수 있도록 하여야 한다.

결론적으로 본 연구를 통해 지질 및 지반공학적 특성을 중심으로 한 통합 사고조사 모델은 국내 건설사고 조사체계의 과학적 정교화와 제도적 고도화를 위한 이론적 기반을 제공하고 향후 독립적이고 전문화된 건설 포렌식 조사체계 구축을 위한 구조적 토대로 활용될 것으로 기대한다.

또한 본 연구는 문헌 분석과 개념적 모델 제안에 국한되어 실증 검증에 한계가 있다. 향후 대표적인 지반사고 사례에 본 통합 모델을 적용·검증함으로써 모델의 완성도와 실무적 설득력을 높이고자 한다.