Journal of the Korean Geotechnical Society ISSN:1229-2427(Print) 2288-646X(Online) 한국지반공학회 논문집

흙막이 공법 중 하나인 Soil-cement wall(SCW) 공법은 시멘트 유액과 지반 토사를 혼합하여 벽체를 형성한 후 일정 간격으로 H형강과 같은 강재를 삽입하여 흙막이 벽체를 형성하는 공법으로, 공기단축, 높은 차수성 및 균일한 직경의 연속된 차수벽 형성의 장점을 가지고 있는 공법이다. 이러한 장점과 함께 굴착 최외단면에 심재가 삽입되어 휨파괴가 발생하지 않고 아치효과를 극대화 할 수 있는 Eccentrically Soil-cement wall(ESCW) 공법이 제안되었으며, 도해법 및 계산식에 따라 우수성이 연구되었다. 본 연구에서는 ESCW공법의 응력 산정에 필요한 최대편심량, 임계각도 및 굴착직경 산정식을 제시하여 응력 산정식을 확립하였고, 특정 사례를 통한 SCW 공법과의 응력 비교검토를 수행하였다. 간편법에 따른 SCW의 산정식과, 제안된 ESCW공법을 통해 특정 사이트 조건에 대한 응력을 비교 검토해본 결과, ESCW공법의 압축응력은 평균 17%, 전단응력은 평균 32%가 SCW보다 감소된 결과를 보였다. ESCW공법을 평가하기 위한 추가적인 방법으로 유한요소해석을 통한 SCW와 ESCW공법의 비교 검토를 수행하였고, 응력 검토 결과 ESCW의 경우가 SCW보다 10~30% 정도 저감된 것으로 평가되었으며, 변위의 경우 33~46% 정도 줄어든 것으로 평가되어 ESCW 공법이 토압 저항성과 안정성에 대해 더 효율적인 것을 확인하였다. 또한 현재로서는 SCW에 대한 한국형 수치모델의 확립이나 검증에 대한 연구가 전무하기 때문에 이에 대한 연구가 후속연구로 수행될 필요가 있는 것으로 사료된다.

대가야 시대에 축조된 고분의 안정성 평가를 위해서 터널 해석에 적용되는 수치해석 기법을 이용하여 연구를 수행하였다. 고령 고아리 벽화고분은 코벨 아치 구조로 축조되었으며 현실 석벽의 풍화로 인하여 배부름 현상 등 변위가 발생하고 있다. 우선 기존의 연구 결과와 비교를 통하여 아칭효과를 고려한 수치해석의 타당성을 검증한다. 3D 스캔 및 실측자료를 바탕으로 실제 고분과 유사하게 3차원 모델링을 수행하였다 그리고 검증된 해석 절차를 적용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 3차원 해석 결과를 통하여 취약 구간 검토 및 보강 방안을 합리적으로 수립하였고, 보강 단면에 대한 안정성 검토를 수행할 수 있었다.

드론 원격탐사를 통해 수집된 영상정보를 기반으로 산정한 지형요소를 이용하여 지표면의 평탄성을 분석하는 연구를 수행하였다. 다짐도가 서로 다른 3개의 시범지역을 대상으로 고도 기반의 고속 푸리에 변환(FFT)과 곡률 분석을 사용하여, 지표면의 평탄성을 정량적으로 평가하였으며, 다짐 횟수에 비례하여 평탄성이 개선되었다. 지표면이 평탄해질수록 곡률은 0에 수렴하므로 평탄성 평가의 기준이 분명하며 시범지역 사례에서 이를 통한 분석 방법은 지표면의 미세한 기복을 정확하게 표현하였다. 또한, 원격탐사 방법은 시공 중 공정을 중단하지 않고도 평탄성을 신속하게 분석하는 데 유용한 것으로 판단된다.

지속되는 기후변화로 인한 극한 강우로 동시다발적인 대형 산사태가 발생하고 있는 상황이며, 이는 막대한 인명피해 및 재산피해를 발생시키고 있다. 이러한 상황 속에 도심지 산지의 무분별한 개발행위와 병충해로 인해 증가하고 있는 벌목 지역들은 산사태 재해에 중요한 요인으로 작용하고 있다. 산사태 피해 예방을 위해서는 사전에 예측하여 피해 발생 규모를 감소시킬 필요성이 있기 때문에 본 연구에서는 실제 장마철 기간에 얕은 비탈면 붕괴가 발생한 자연사면의 벌목지역과 수풀지역에 무선센서네트워크기술(Wireless Sensor Network, WSN)를 적용하여 계측한 함수비를 통해 지반 내 물의 흐름을 파악하였다. 그 결과는 수풀지역의 함수비는 건조시기나 강우시에서도 유사하게 일정한 함수비를 유지하여 지반의 건조-습윤의 극심한 반복이 없었다. 그러나 벌목지역에서는 함수비의 극심한 변화로 지중내 물길 형성이 가능한 표층에 인장균열과 같은 지반의 벌어진 틈이 보여 비탈면의 불안전한 요인들에 영향을 끼치고 있음을 확인할 수 있었다.

지하안전관리계획 및 지하안전평가를 통한 선제적인 지반침하 위험 관리에도 불구하고 도심지 지반침하 사고와 공동 발생은 지속되고 있다. 도심 내 지반침하 위험 관리의 필요성이 대두됨에 따라 본 연구에서는 지반침하 발생 원인 및 유형에 따른 5개의 주요 지반침하 영향 인자를 가정하였다. AHP(Analytic Hierarchy Process) 기법을 통해 인자간 가중치를 산정하여 지반침하 위험도 분석모델을 개발하고, 이를 GIS(Geographic Information System) 기반의 30m × 30m 격자 단위 지도로 작성하였다. 모델의 분석 결과를 5개의 위험 등급으로 분류하고, 서울시 내 지반침하 및 공동 발생 이력과 비교하여 그 정확도를 평가하였다. 본 연구에서 개발한 모델은 지반침하 관측망을 구성하거나 공동 탐사 계획 수립을 위한 사전적 자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

대심도 연약지반에 선행재하 공법을 적용하는 경우 재하토 제거 시점을 예측하고 잔류침하량을 최소화하기 위해 연약지반의 침하거동을 정밀히 예측하는 것이 중요하다. 국내에서는 일반적으로 계측기반 침하예측 기법을 적용하고 있으나, 장기간 계측 결과가 필요하고 분석구간에 따라 예측이 달라지는 한계가 있다. 기존 침하예측 기법들의 한계를 보완하기 위해 가중 비선형 회귀 쌍곡선법과 여러 딥러닝 기반 최신 기법 및 모델들이 제시되었으나, 기법들 간의 비교·분석이 부족한 실정이다. 그러므로, 본 연구에서는 최근 제안된 딥러닝 모델들과 계측기반 침하예측 기법들의 정확도를 비교·분석하기 위해, 4개의 딥러닝 알고리즘(ANN, LSTM, GRU, Transformer)과 3개의 계측기반 침하예측 기법(쌍곡선법, Asaoka법, 가중 비선형 회귀 쌍곡선법)을 적용하여 학습 및 회귀 일수(60일-150일)에 따라 총 392개 조건에서 침하예측을 수행하였다. 분석 결과, 가중 비선형 회귀 쌍곡선법과 GRU 모델은 모든 조건에서 전반적으로 가장 높은 예측 정확도를 나타내었고 계측 데이터 사용 기간이 증가할수록 모든 기법의 예측 정확도가 향상되었다. 150일간의 데이터를 사용할 경우 모든 기법에서 3cm 이하의 오차를 달성하여 정확한 예측 결과를 제공하였다.

기후 변화와 안정적인 에너지 수급을 위해 차세대 원자력에 대한 관심이 높아지는 만큼, 필수 부산물인 고준위 방사성 폐기물의 심층 처분과 관련된 연구의 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 심층 처분 시스템의 장기적 관점에서, 지진 하중에 의한 안정성을 평가하기 위한 기초적인 연구를 수행하였다. 동적 조건에서 포화된 지반의 열-수리-역학 거동을 모사할 수 있는 지배방정식을 제시하고, 이를 유한요소법을 기반으로 한 1차원 전산 해석 모델을 구현하였다. 이를 바탕으로 동적 조건에서 수치해석을 수행하였고, 복합 거동을 모델링할 때 고려할 수 있는 열-수리-역학 메커니즘의 영향을 평가하였다. 특히, 재료의 압축성 및 관성력이 동적 거동에 미치는 영향과 수리-역학 연계 메커니즘의 열전달 효과를 평가하고, 심층 지반 환경에서 동적 열-수리-역학 연계 분석의 필요성을 분석하였다.

현장타설말뚝의 주면마찰력은 말뚝-지반 사이 굴착면 또는 말뚝 표면의 거칠기의 영향에 따라 결정된다. 이에, 공벽의 돌기 및 거칠기를 고려한 말뚝의 지지력 증대에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔으나, 현장 적용의 한계 등으로 인해 말뚝의 주면에 돌기를 인공적으로 형성하는 공법 개발과 그 효과에 대한 연구는 제한적으로 이루어져왔다. 본 연구에서는 현장타설말뚝의 지지층인 암반 근입부에 돌기를 형성하는 장비를 개발하고, 형성된 돌기의 형태를 바탕으로 3차원 수치해석을 통해 돌기 형성에 의한 지지력 증대효과를 검증하였다. 그 결과, 돌기 형성 효과로 인해 현장타설말뚝의 허용 지지력이 약 38~58% 증가하는 것을 확인하였으며, 지지력 증가분의 대부분이 주면마찰력의 증가분임을 확인하였다. 이를 통해, 현장타설말뚝의 지지력 증가를 위해, 주면부 돌기 형성이 매우 효과적임을 해석적으로 증명하였다.

본 연구는 아폴로 월진 실험 데이터를 활용하여 달에서 발생하는 얕은 월진의 특성을 분석하고, 달 기지 건설을 위한 내진설계에 필요한 지반운동 스펙트럼을 정형화하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 현대 지진학의 표준 데이터 형식으로 변환된 원시 월진 데이터를 활용하였으며, 신호대잡음비와 로지스틱 회귀분석 수준을 고려하여 고품질의 월진 파형을 선별하였다. 최종적으로 16회의 얕은 월진 이벤트에서 82건의 월진 파형을 확보하였다. 확보된 파형을 바탕으로 지반운동 스펙트럼을 도출하고, 보수적인 설계를 위한 수직 지반운동 스펙트럼을 제시하였다. 또한, 수직/수평 스펙트럴 비를 분석하여 수평 스펙트럼 형상의 결정 가능성을 모색하였다. 다만, 데이터 제한으로 인해 명확한 결론 도출에는 일부 한계가 존재하였다. 본 연구에서 확보한 월진 파형 데이터와 연구 결과는 달 환경에서의 내진설계에 유용한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 향후 달 현지 자원 활용 기술에 기초한 달 기지 건설에 일부 역할을 할 것으로 기대된다.

대심도 연약지반 현장에서는 잔류침하량을 최소화하고 구조물의 안정성을 확보하기 위해 최종침하량의 정확한 예측이 필수적이다. 국내에서는 설계단계에서 1차원 압밀이론을, 시공단계에서 계측 기반 예측기법(쌍곡선법 등)을 적용하고 있으나, 현장 특성을 충분히 반영하지 못하거나 장기간 계측이 필요하다는 한계가 있다. 본 연구에서는 최종성토고와 지반정보를 활용하여 앙상블 기반 딥러닝 모델(Random Forest, Gradient Boosting Machine, XGBoost, LightGBM)을 구축하고, 이를 통해 최종침하량 예측 정확도를 향상시키며 입력변수와의 상관관계를 분석하였다. 데이터베이스는 부산항 신항 내 6개 현장에서 숮비된 계측결과와 시추공 데이터를 기반으로 구축되었다. 최종침하량 예측 결과, Random Forest 모델이 평균 절대 오차 0.51m, 평균 절대 백분율 오차 8.38%로 가장 높은 예측 정확도를 보였다. 다른 모델들은 특정 데이터 분포 내에서 높은 성능을 보였으나, 분포를 벗어난 데이터에서는 예측 오차가 증가하는 경향을 보였다. SHAP(Shapley Additive Explanations) 분석 결과, 최종성토고, 소성지수, 압밀비, 점토층 두께, 자연 함수비의 순서로 최종침하량 예측에 기여도가 높은 것으로 나타났다.

토심은 모암의 풍화, 침식, 이동, 퇴적 과정에 의해 형성되며, 산사태 안정성 해석과 토사재해 규모 평가에 중요한 인자이다. 본 논문는 지형학적 속성을 기반으로 한 다중선형회귀 분석을 통하여 산악 지역의 토심 예측 모델을 제시하고자 한다. 다중회귀모델의 핵심 지표인 비집수면적은 원래 유출량 산정을 위해 개발된 수문학적 지표다. 토심 예측에서는 동일한 초기 유발량 대신, 경사에 따른 사면 붕괴로 인한 초기 유발량의 변화를 반영해야 한다. 비집수면적의 산정에서 흐름추적은 무한방향 흐름모델을 사용하고 지표면 함몰부 평탄화는 Priority-Flood 알고리즘을 활용하였다. 사면 경사를 반영한 초기 유발량 조정을 기반으로 개선된 상부사면 기여면적에 대한 방정식을 유도하였으며, 이를 통해 개선된 비집수면적을 산정하여 대규모 산악 지역에 적용 가능하도록 하였다. 서울특별시 우면산 일대와 동작구를 대상으로 한 분석 결과, 경사(θ), 지형습윤지수(TWI), 퇴적물 운반 지수(STI)가 토심 예측에 적합한 독립변수로 선정되었다. 다중선형 회귀모델로 도출한 토심 예측 방정식은 다중공선성 문제가 없으며 모델의 통계적 유의성을 확보한 것으로 나타났다. 그리고 잔차 분석 결과는 정규성과 등분산성 가정을 모두 만족하였다. 본 연구의 토심 예측 기법은 국내 다양한 지역에 적용해 전국적 토심 분포도를 작성하고, 산악 지역 사면 안정성 평가 등 실무적 문제 해결에 활용될 것으로 기대된다.

최근 기후 변화로 인해 강우 패턴과 강수량의 급격한 변화가 발생하면서, 산지에 설치된 태양광 발전시설의 안정성에 대한 위험이 증가하고 있다.　이에 따라, 태양광 발전시설이 설치된 지역의 안전을 확보하고 산사태 피해를 최소화하기 위해서는 신뢰성 있는 비탈면 안정성 평가와 효과적인 산사태 조기경보 시스템(Landslide Early Warning System, LEWS) 구축이 필수적이다. 본 연구에서는 기존 산사태 조기경보 시스템에 태양광 발전시설의 하중과 설계 특성을 적용하여, 이를 연구 대상 지역에 적용하였다. 이를 위해 연구 대상 지역에서 강우 자료를 수집하고, 현장 흙을 채취하여 실내 실험을 통해 물리적 및 수리적 특성을 분석하였다. 이 데이터들을 바탕으로 수치 해석 프로그램을 활용하여 해당 지역의 임계 연속 강우량(Critical Continuous Rainfall, CRcrit)을 산출하고, 태양광 발전시설이 비탈면 안정성에 미치는 영향을 평가하였다. 본 연구 결과는 산지에 설치된 태양광 발전시설의 비탈면 안정성 평가 및 산사태 조기경보 시스템의 개발 가능성을 실증하였으며, 향후 산지 인프라와 관련된 비탈면 안정성 확보 및 피해 최소화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

노상토의 역학적 특성은 도로의 구조적 안정성과 지지력을 결정하는 핵심 요소이며, 회복탄성계수와 영구변형은 중요한 포장 성능 지표로 여겨진다. 따라서, 본 연구에서는 원위치 강성분석기를 활용하여 노상토의 깊이별 변화를 특성화하고, 산정된 회복탄성계수 및 영구변위를 동적콘관입지수와 비교분석하였다. 원위치 강성분석기는 원추형 선단부와 관입 롯드, 그리고 해머의 낙하가이드로 구성되어 있으며, 고무 버퍼를 통해 운동에너지를 효율적으로 전달한다. 또한, 원위치 강성분석기에서는 선단부의 변형률계와 가속도계를 이용하여 동적 하중과 변위를 측정할 수 있다. 다양한 건조단위중량의 사질토 모형지반을 조성한 후, 원위치 강성분석기와 표준 동적콘관입기를 이용하여 관입실험을 수행하였다. 실험 결과, 건조단위중량과 관입 깊이가 증가할수록 회복탄성계수는 증가하는 반면 영구변위는 감소하는 경향을 보였다. 또한, 회복탄성계수와 영구변위 간에는 음의 상관관계가 확인되었다. 이를 통해, 원위치 강성분석기는 현장에서 노상토의 역학적 특성을 평가하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 벽체 기울기 계측 기기의 도입 및 유지 비용을 저감할 수 있는 대안으로, 아두이노 기반의 저비용 기울기 측정 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 내장된 IMU 센서를 통해 데이터를 측정하며, 노이즈와 오차를 줄이기 위해 이동평균, EWMA, 상보필터, 칼만필터를 적용하였다. 단일 필터만으로는 요구되는 수준의 정밀도를 확보하기 어려웠으나, 다중 필터링 조합을 통해 정밀도를 유의미하게 향상할 수 있었다. 정확도 검증 결과, 선정된 아두이노 보드 및 내장 IMU 센서, 또한 제한된 필터링 시스템의 조합으로부터, 벽체의 기울기 혹은 수평 변위를 높은 정확도로 계측할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 저비용 오픈소스 하드웨어 기반 계측 기기의 실무 현장 적용 가능성을 확인하였다.

본 연구는 복잡한 산지에서의 산사태 위험성을 정밀하게 평가하기 위해, 기존 1차원 무한사면 해석법의 한계를 보완하고 Shin(2023)의 3차원 한계평형 해석법을 적용하였다. DEM 데이터와 토심 예측식을 활용하여 토심 분포를 산정하고, 강우 침투 해석 및 정적·의사정적 조건에서의 사면 안정성을 순차적으로 분석하였다. 안정성 평가는 안전율(FS)과 임계유발체적을 고려한 안정성 지수(SI)를 사용하였으며, 주변 격자의 영향을 반영한 수정된 안정성 지수를 통해 산사태 가능 지역을 시각화하였다. 우면산 사례 분석 결과, 예측된 산사태 발생 위치가 실제와 대체로 일치하였고, 동작구 해석에서는 정적·의사정적 조건에서 주요 위험 지역이 유사하게 나타났다. 이 기법은 산사태 위험 평가와 예측에 유용한 도구임을 확인하였으나, 현장 조건과의 차이를 줄이기 위해 정밀한 현장 조사와 추가적인 해석이 필요하다.

잔탄검 바이이폴리머 수용액을 주입한 사질토의 결합력 증대효과는 건조도에 지배적인 영향을 받으므로, 바이오폴리머 처리토의 공학적 거동 예측을 위하여 건조도 평가가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 전자기적 물성 기반 건조도 평가를 위하여 잔탄검 바이오폴리머 처리토의 건조도와 비유전율의 상관관계를 수립하고자 하였다. 대상 시료의 비유전율 평가를 위하여 5전극 TDR probe가 설치된 TDR 셀을 제작하였으며, TDR 셀 내에 노건조된 주문진 표준사를 조성 및 중량농도 0.75%의 잔탄검 바이오폴리머 수용액을 주입하여 포화시켰다. 잔탄검 바이오폴리머 수용액 주입 시료의 건조과정 중 중량 기반 건조도 및 TDR 신호가 수집되었으며, 유도전자기파의 왕복전파시간을 바탕으로 비유전율이 평가되었다. 실험 결과, 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조도는 비유전율의 2차함수 형태로써 결정계수가 0.996에 해당하는 우수한 상관관계를 보였으며, 이는 비유전율이 잔탄검 바이오폴리머 처리토의 결합력 증대효과 예측을 위한 주요한 물성으로서 이용될 수 있음을 나타낸다. 또한, 본 연구의 결과는 향후 바이오폴리머 처리토의 현장 모니터링을 위한 지구물리탐사 기법의 참고 자료로서 활용될 수 있을 것이라 기대된다.