서 론
국내에서는 철도·도로·항만 등 국가 기간시설의 확충과 함께 연약지반 위에 다양한 구조물이 건설되고 있으며, 이에 따른 지반 안정성 확보의 중요성이 꾸준히 증가하고 있다. 연약 점성토 및 느슨한 사질토 지반은 침하 및 측방변형이 쉽게 발생하여 구조물의 성능을 저하시킬 수 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 기초보강공법의 적용이 필수적이다(Kim, 2018). 특히 모래다짐말뚝(SCP)의 자재 수급 문제와 비용 증가로 인해, 쇄석을 활용한 쇄석다짐말뚝(Gravel Compaction Pile, GCP)의 적용성이 확대되고 있다.
그러나 기존 GCP 공법은 시공 과정 중 교란으로 인해 강도가 감소하거나, 공극막힘(clogging) 및 팽창(bulging) 파괴가 발생하는 등 다양한 한계가 보고되어 왔다(Choi et al., 2022; Kwon, 2024). 이러한 문제를 보완하기 위한 대안으로 지오그리드로 말뚝체를 구속하는 지오그리드 보강 쇄석다짐말뚝(Geogrid Reinforced Gravel Compaction Pile, GRGCP) 공법이 제안되었다. 지오그리드는 말뚝 주변의 측방 팽창을 억제하고 하중 재분배를 개선하여 복합지반의 지지력을 향상시키는 것으로 알려져 있다(Kempfert et al., 1997; Murugesan and Rajagopal, 2006). 또한 Liu et al. (2007)은 GRGCP가 원지반보다 최대 14배 이상의 하중을 지지하며, 수평변위-침하비가 0.2 수준으로 감소하여 성토 구조물의 안정성 향상에 효과적임을 보고하였다.
국외 연구에서는 실물 규모 시험 및 장기간 현장 계측을 통해 GRGCP의 지지력 향상 및 변형 저감 효과가 검증되어 왔다(Xing et al., 2014; Cao et al., 2016). 반면 국내 연구는 실내모형실험과 수치해석을 결합하여 GCP 및 GRGCP의 파괴 메커니즘을 분석하는 방향으로 발전해왔으며(Park et al., 2006; Yoo et al., 2007; Kim, 2022), 최근에는 고강도 지오그리드의 적용성 검토에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나 고강도 지오그리드의 강성 차이가 복합지반의 응력전달, 측방변형, 변위 패턴에 미치는 영향을 정량적으로 분석한 수치해석 연구는 아직 충분히 축적되어 있지 않다.
기존 연구에서는 주로 실험적 접근을 통해 GRGCP의 성능을 규명해왔으나, 실험 환경에서는 지반 비선형성, 경계조건, 응력경로 변화 등 복합적인 거동을 모두 반영하는 데 한계가 존재한다. 반면 수치해석은 지반-말뚝-보강재 간 상호작용을 정밀하게 분석할 수 있어, GRGCP의 구속 효과 및 응력분담 메커니즘을 이론적으로 규명할 수 있는 중요한 도구가 될 수 있다(Wang et al., 2019). 이러한 배경에서 GRGCP의 설계 인자(보강 길이, 간격, 치환율 등)에 대한 체계적인 수치해석 기반 자료가 요구되고 있다.
따라서 본 연구에서는 연약 사질토(SP) 및 점성토(ML) 지반을 대상으로 GCP와 GRGCP를 적용한 복합지반을 유한요소해석(FEM) 기법으로 모델링하고, 단말뚝 및 군말뚝 조건에서의 수직변위, 수평변위, 응력분담비 등을 정량적으로 분석하였다. 특히 실험에서 확인된 거동 경향성과의 정합성을 검토하여 모델의 신뢰성을 확보하고, 이를 기반으로 실규모 조건에서의 GRGCP의 거동 특성을 평가하였다. 본 연구 결과는 GRGCP 설계 시 적정 보강 길이, 간격, 강화 정도 등을 결정하는 데 활용될 수 있는 실질적 근거자료를 제공하는 것을 목표로 한다.
수치해석 및 조건
지반조성 시료
본 연구의 대상지역은 전라남도 ○○시에 위치한 고가교 하부의 연약지반 개량공사 구간이다. 해당 구간에 분포하는 연약지반에 대해 시추조사 및 실내실험을 수행하여 지반의 물리적·역학적 특성을 파악하고, 이를 기반으로 토질정수를 산정하였다. 연약지반 개량에는 GCP 공법이 적용되었으며, 본 연구에서는 검증된 GRGCP 공법에 대한 수치해석을 통해 현장 조건에서 성토하중 작용 시 GCP 대비 변위 특성을 비교·평가하고자 하였다. 또한 향후 GRGCP 보강 시 치환율과 배치간격 등 주요 설계 인자의 변화가 연약지반 거동에 미치는 영향을 분석하여 실제 현장 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
Fig. 1은 연구대상지역의 위치도를 나타낸 것이다.
설계지반 정수
본 연구 대상 지역에 대해 수행된 시추조사, 현장시험 및 실내시험 결과를 비교·분석하여 연약층의 특성을 상세히 규명하고, 이에 기초한 합리적인 설계지반정수를 산정하였다. 연약지반의 물성시험, 역학시험 및 현장시험 결과를 구역별로 분석하였으며, 기초지반에 적용한 설계정수는 Table 1에 제시하였다. 본 연구에 사용된 지반 물성은 전라남도 OOO 현장의 시추 주상도 및 표준관입시험(SPT) 결과를 기본으로 하였으며, 실내 시험을 통해 도출된 단위중량 및 점착력 등을 적용하여 해석 모델의 현장 재현성을 확보하였다.
Table 1.
Results of design parameter evaluation for the foundation ground
경계조건
Fig. 2a는 본 연구에서 적용한 수치해석의 대표 횡단면을 나타내며, GCP와 GRGCP의 현장 적용성을 비교하기 위해 동일 조건에서 모델링을 수행하였다. Fig. 2b는 해석에 사용된 경계조건으로, 하부 및 측면을 구속하고 자중과 성토하중을 단계적으로 재하하여 변위를 분석하였다.
GTS-NX는 2차원 단면에서 재료 물성 부여가 가능하며 면속성과 선속성 조건을 모두 지원한다. GCP 모델은 각 지층 및 쇄석의 물성을 반영하였고, GRGCP 모델은 말뚝 외곽에 지오그리드 물성을 추가하여 보강 효과를 구현하였다. 또한 보강 구간은 해석 조건에 따라 전 구간(H), 2/H 구간, 또는 말뚝 직경 2–3D 범위로 구분하여 적용하였다. 지반과 지오그리드 사이의 불연속면 거동을 모사하기 위해 인터페이스 요소를 적용하였으며, 강성계수는 주변 지반의 강성을 고려하여 설정하였다. 이는 말뚝 시공 및 하중 재하시 발생하는 지반-보강재 간의 상대 변위를 적절히 반영하기 위함이다.
수치해석 결과
수치해석 결과에서는 GCP 및 GRGCP 보강에 따른 수직 및 수평변위에 대한 결과를 분석하고, GRGCP보강시 보강길이 및 말뚝간격에 따른 거동특성을 분석하고자 하였다. 지지력에 대한 거동을 직관적으로 확인할 수 있는 수직변위에 대한 해석단면을 수록하였으며, 수평변위에 대한 해석단면은 그래프를 통한 결과도출로 나타내었다.
보강방법에 따른 분석
Fig. 3과 Fig. 4는 각각 GCP 및 GRGCP 공법 적용 시 시공 단계별로 발생한 수직변위를 나타낸 것이다. Fig. 3a에서 GCP 시공으로 인한 초기 수직변위는 0.55 cm로 나타났으며, Fig. 3b의 1단계 성토(H1 = 5.0 m)에서는 9.50 cm, Fig. 3c의 2단계 추가 성토(H2 = 3.3 m)에서는 16.74 cm로 증가하였다. 수직변위는 대부분 성토부 중앙에서 집중되는 경향을 보였다.
Fig. 4a에서 GRGCP 시공으로 인한 초기 수직변위는 0.26 cm로 나타났으며, Fig. 4b의 1단계 성토(H1 = 5.0 m)에서는 7.78 cm, Fig. 4c의 2단계 성토(H2 = 3.3 m)에서는 11.69 cm가 발생하였다. GRGCP 역시 수직변위는 성토 중심부에서 주로 발생하는 것으로 확인되었다.
GCP와 GRGCP 모두 성토하중에 의해 성토부 중앙에서 수직변위가 집중되는 유사한 거동을 보였다. 수평변위는 두 공법 모두 보강단면 주변에서 크게 나타났으며, 이는 시공 시 장비 이동 및 안정성 확보가 필요함을 의미한다. 또한 성토하중 재하시 지표면 및 성토 경사면에서 수평변위가 크게 발생하므로, 기준에 따른 성토속도와 성토높이를 적절히 조절하는 것이 중요하다.
수치해석 결과, GRGCP는 GCP 대비 수직변위가 단계별로 약 18–53% 감소하였으며, 수평변위는 약 26–55% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 GRGCP가 GCP보다 변위 억제 효과가 우수함을 의미하며, Xing et al. (2014)의 현장시험에서 보고된 약 25%의 수평변위 감소와도 일치한다. 따라서 GRGCP 적용 시 간격, 치환율 등의 설계 인자를 최적화함으로써 보다 경제적이고 안정적인 시공이 가능할 것으로 판단된다.
Table 2는 시공단계별 공법의 변위분석결과를 나타낸 것이다.
1차 성토(H1) 시보다 2차 성토(H2) 단계에서 변위 증가율이 변하는 것은 하중 재하에 따른 지반의 비선형적 강성 변화와 지오그리드의 인장 응력 활성화 단계 차이에 기인한다. 초기 성토 시에는 지반의 즉시 침하가 지배적이나, 하중이 누적될수록 지오그리드의 구속력이 극대화되면서 변위 억제 효율이 달라지는 특징을 보인다.
Table 2.
Displacement analysis of construction stages by reinforcement method
보강길이에 따른 분석
본 현장 사례 분석 결과, GRGCP 적용 시 성토 단계에서 수직변위는 약 18.10–30.16%, 수평변위는 26.61–33.02% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 성토 과정에서의 변위 저감을 통해 사면 붕괴 위험을 완화하고, 성토 시공 속도의 향상을 기대할 수 있음을 의미한다. 한편, GCP는 선행연구에서 지적된 바와 같이 직경의 약 2–3D 구간에서 벌징파괴가 발생하는 경향이 있어, 본 연구에서는 고강도 지오그리드의 보강 길이를 달리하여 GRGCP의 경제성을 검토하였다. 이를 위해 전체 말뚝 길이(18 m)의 50% 구간(9 m)과 2–3D 보강구간(약 2.1 m)을 비교하여 보강 효과를 분석하였다.
수직변위와 수평변위 분석 결과, GRGCP 전체 구간 보강에 비해 50% 보강구간 및 말뚝직경의 2–3D 보강구간에서는 변위가 다소 증가하는 경향을 보였다. 그러나 경제성 측면에서 볼 때, 말뚝 직경의 2–3D 깊이까지만 보강하더라도 전체 보강 대비 안정성 저하는 크지 않은 것으로 판단되었다. 이는 선행연구에서 보고된 GCP의 벌징파괴가 주로 2–3D 범위에서 발생한다는 결과와 일치하며, 해당 구간을 보강하는 것이 변위 제어에 가장 효율적임을 시사한다.
수치해석 결과 GRGCP에서 수평변위 감소율(최대 55%)이 수직변위 감소율(최대 53%)보다 높게 나타났는데, 이는 고강도 지오그리드의 인장 강성이 말뚝체의 측방 유동(Bulging)을 물리적으로 직접 구속하기 때문이다. 특히 GCP의 벌징 파괴가 주로 상부 2–3D 구간에서 발생한다는 점을 고려할 때, 이 핵심 구간에 보강을 집중하는 것이 전체 구간 보강 대비 경제적이면서도 효과적인 변위 억제 성능을 발휘하는 것으로 분석된다.
Fig. 5는 GRGCP보강 길이에 따른 수평변위 및 수직변위의 변화 양상을 나타낸 것이고, Table 3은 GCP 대비 GRGCP 2–3D 보강구간의 변위 감쇄율을 제시한 것이다.
Table 3.
Displacement analysis according to the reinforcement length of high-strength geogrids
말뚝간격에 따른 분석
본 현장 사례 연구에서는 GCP를 2.0 m × 2.0 m 사각배열로 시공하였으며, GRGCP는 말뚝 직경의 2–3D 구간을 보강하는 조건으로 2.5 m × 2.5 m와 3.0 m × 3.0 m의 간격을 적용하여 변위 특성을 비교하였다. 수직변위 분석 결과, 3.0 m 보강 간격 대비 2.0 m 간격 적용 시 수직변위는 약 21.49–29.62%, 수평변위는 약 19.40–20.40% 감소하는 것으로 나타났다.
한편, GCP의 단계별 수직변위(0.55 cm, 9.50 cm, 16.74 cm) 및 수평변위(0.131 cm, 3.968 cm, 6.885 cm)는 GRGCP 3.0 m 보강 조건과 유사한 수준을 보였으며, 이를 통해 GRGCP 보강 간격은 최대 3.0 m까지 적용 가능할 것으로 판단된다. 또한 GCP 대비 GRGCP의 2–3D 보강 구간에서 변위 감쇄율은 단계별로 약 6.2–10.9% 감소하는 경향을 확인하였다.
Fig. 6은 GRGCP보강 간격에 따른 수평변위 및 수직변위의 변화 양상을 나타낸 것이고, Table 4는 GCP 대비 GRGCP 보강 간격에 따른 변위 감쇄율을 정리한 것이다.
Table 4.
Displacement analysis according to GRGCP reinforcement spacing
응력분담비 분석 결과
본 연구에서는 지반의 강도 변화가 GCP 및 GRGCP 복합지반의 하중 전이 메커니즘에 미치는 영향을 규명하기 위해 응력분담비(Stress Sharing Ratio, SSR)를 분석하였다. Fig. 7은 응력분담비 모식도를 나타낸 것이고, 일축압축강도 변화에 따른 응력분담비 분석 결과는 Table 5와 같다.
분석 결과, 모든 강도 조건에서 GRGCP의 응력분담비가 GCP 대비 높게 나타났으며, 일축압축강도가 20–100 kPa로 증가함에 따라 GRGCP 적용 시 GCP 대비 약 1.19–1.42배의 응력분담비 개선 효과를 확인하였다. 특히 지반이 연약할수록 응력분담비의 증가 폭이 뚜렷하게 나타났는데, 이는 고강도 지오그리드에 의한 구속 효과가 저강도 지반에서 더욱 지배적으로 작용하기 때문으로 판단된다. 고강도 지오그리드는 쇄석 입자의 측방 이탈 및 말뚝의 팽창(Bulging) 변형을 물리적으로 직접 구속하여 말뚝체의 강성을 증대시킨다. 이러한 구속압의 증가는 상부 하중을 연약지반 대신 강성이 높은 말뚝체로 집중시키는 하중 전이 효과를 극대화하며, 결과적으로 연약지반이 부담하는 응력을 경감시켜 복합지반 전체의 안정성을 향상시키는 핵심 기제로 작용한다.
결 론
본 연구에서는 연약지반 개량에 널리 사용되는 쇄석다짐말뚝(GCP)과 고강도 지오그리드 보강 쇄석다짐말뚝(GRGCP)을 대상으로 수치해석을 수행하여 보강 방식, 보강 길이, 말뚝 간격 변화에 따른 변위 특성을 정량적으로 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
(1) GRGCP는 GCP 대비 성토 단계에서 수직변위를 약 18.10–30.16%, 수평변위를 약 26.61–33.02% 감소시키는 것으로 나타났다. 이는 고강도 지오그리드의 구속효과가 말뚝 주변의 측방 팽창 억제와 복합지반 강성 증가에 효과적임을 의미한다.
(2) 수평변위 분석 결과, GRGCP는 GCP 대비 수평변위가 수직변위보다 더 크게 감소하는 경향을 보였다. 이는 지오그리드의 인장구속력에 의해 말뚝 상부의 측방 변형이 직접 제어된 결과이다. 특히 벌징 파괴가 집중되는 상부 2–3D 구간 보강만으로도 유의미한 변위 억제 효과를 확인하였으며, 이는 향후 경제적인 설계 인자 결정의 근거가 될 수 있다.
(3) 3.0 m 간격 대비 2.0 m 간격 적용 시 수직변위는 21.49–29.62%, 수평변위는 19.40–20.40%로 감소하는 경향을 확인하였다. 또한 GRGCP 3.0 m 간격 시 변위는 GCP 시공결과와 유사한 수준을 보여, 현장 조건에서는 최대 3.0 m 간격까지 적용 가능함을 확인하였다.
(4) 응력분담비 분석 결과, 고강도 지오그리드 보강은 GCP 대비 말뚝 상부에 집중되는 응력을 효율적으로 증가시켜 응력분담비를 개선하는 것으로 나타났다. 이는 지반 강도에 상관없이 연약지반의 하중 부담을 경감시키는 핵심 기제로 작용하며, 특히 초연약 지반에서 변위 억제와 지지력 향상을 위한 효과적인 보강 방안임을 확인하였다.
본 연구는 2차원 해석을 통해 GRGCP의 기초적인 보강 효율을 확인하였으나, 실제 현장의 복잡한 3차원 응력 상태와 군말뚝의 입체적 상호작용을 완벽히 모사하는 데는 한계가 있다. 따라서 향후에는 3차원 수치해석 및 실규모 현장 계측 데이터와의 비교를 통해 거동 지배 인자를 더욱 정밀하게 규명하는 후속 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
