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

본 연구는 싱가포르 현장에서 시공된 바레트 말뚝 11개 사례를 대상으로, 양방향 말뚝재하시험 및 축하중전이시험 결과를 활용하여 수행되었다. 싱가포르 현장의 점토질모래(SC)층 및 풍화암(WR)층을 대상으로 단위주면마찰력(f)과 변위(z)를 각각 극한 단위주면마찰력(f_max) 및 말뚝 직경(D)으로 정규화하여 t–z 곡선을 도출하였으며, 분석 결과 모든 지층에서 z/D < 약 0.05 구간에서 주면마찰력이 급격히 증가한 후 점진적으로 포화되는 비선형 거동이 확인되었다. 또한 동일 지층 내에서도 데이터 분산이 존재함에 따라 평균 거동과 함께 포락선(envelope) 기반의 상·하한 경계 곡선을 제시하였다. 정규화된 t–z 곡선을 기반으로 로그함수 형태의 하중전이 함수를 도출한 결과, SC층(N < 100)에서 높은 상관성이 확인되었으며, N값과 f_max 간의 관계를 통해 지반 강도와 주면마찰력 간의 정량적 상관성을 제시하였다. 제안된 하중전이 함수는 역정규화 과정을 통해 실제 단위주면마찰력 및 변위로 환산이 가능하며, 지층별 분할 적용을 통해 말뚝의 하중–침하 해석에 활용될 수 있다. 본 연구는 계측 기반 데이터를 정규화하고 이를 함수 형태로 일반화함으로써 기존 경험적 설계 방법을 보완할 수 있는 실무 적용 가능한 하중전이 모델을 제시한 데 의의가 있다.

지진 시 발생하는 액상화는 과잉간극수압 상승에 따른 유효응력 감소로 지반의 전단강도가 상실되는 현상이며, 이는 상부 구조물의 침하와 지중 시설물의 부상 등 심각한 도시 재난을 야기한다. 2017년 포항 지진 이후 국내에서도 액상화 위험 예측의 중요성이 증대되고 있다. 하지만 기존 평가는 지하수위의 계절적 변동성을 간과하고 2차원 평면에 국한되어 심도별 위험 분포를 파악하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 실질적인 액상화 위험 관리를 위해서는 지하수위의 시계열적 변동성을 반영함과 동시에, 지하 공간의 위험을 입체적으로 규명할 수 있는 3차원적 평가 체계의 도입이 필수적이다. 이에 본 연구는 Kriging 및 EBK 3D 기법을 통해 도출된 1분기(건기) 및 3분기(우기) 지하수위 분포를 253개 시추공 데이터와 결합하여, 계절적 변동성을 고려한 2차원 액상화 가능성 지수(Liquefaction potential index, LPI) 지도와 3차원 안전율 복셀(Voxel) 모델을 구축하였다. 두 모델을 비교 분석한 결과, 지하수위가 상승하는 우기에 액상화 위험도가 공통적으로 증가하였다. 다만, 고위험군 증가율은 2차원 LPI(11.74%p)가 3차원 복셀 모델(3.51%p)보다 현저히 높았는데, 이는 2차원 모델이 보수적인 위험 지역 선별에는 효과적이나 실제 위험 범위는 과대평가할 수 있음을 시사한다. 결론적으로, 광역적 예비 평가에는 보수적인 2차원 모델이 효율적이나, 지중 구조물의 실질적 안정성을 규명하는 정밀 평가에는 3차원 복셀 모델의 도입이 필수적이다. 따라서 평가의 효율성과 신뢰도를 동시에 확보하기 위해 두 모델을 연계하는 상호 보완적 접근이 요구된다.

고준위 방사성 폐기물 처분장은 장기적으로 인간의 생활권 및 생태계로부터 완전한 격리가 요구되어, 이에 따라 처분 시스템의 장기 안정성이 주요 설계 요인으로 고려된다. 처분장 내 처분터널은 굴착 이후 안정성을 위해 숏크리트와 같은 지보재를 설치하며, 권장되지는 않으나 일부 구간에서 숏크리트가 사용될 수 있다. 권장되지 않는 이유는 숏크리트에 사용되는 시멘트계 재료가 강알칼리성 침출수를 발생시켜 뒤채움재의 성능 저하를 유발하기 때문이다. 이에 따라 해외 선행 연구에서는 침출수의 알칼리성 저감이 가능한 Low-pH 숏크리트가 개발 및 적용되고 있다. 그러나 국내에서는 Low-pH 숏크리트 침출수에 따른 뒤채움재의 성능 변화에 대한 연구가 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 해외 선행 연구 문헌을 바탕으로 Low-pH 숏크리트를 제작하였으며, 물리-화학적 특성을 평가하였다. 또한 Low-pH 숏크리트 침출수를 활용하여 뒤채움재의 상호작용을 평가하였다. 평가 결과, 뒤채움재의 팽윤압 및 수리전도도는 건조밀도에 지배적인 경향을 나타내며, 1.9 g/cm³ 건조밀도가 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 향후 고준위 방사성 폐기물 처분장 설계 시 기초 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

기후 변화로 산불의 빈도와 규모가 증가함에 따라, 산불 이후 사면 안정성 저하와 산사태 발생 위험이 중요한 문제로 부각되고 있다. 본 연구는 2023년 강릉 산불 피해 지역을 대상으로 다중 위성 자료와 GIS 기반 공간 분석을 통해 산불 이후 산사태 고위험지를 도출하였다. Sentinel-2 영상 기반 NDVI 분석을 통해 산불 피해 지역을 식별하고, 로지스틱 회귀모형을 적용하여 산불 이후 산사태 발생 확률을 평가하였다. 또한 산불 피해 지역을 대상으로 Sentinel-1 SAR 기반 D-InSAR 기법을 활용하여 산불 이후 단기 지표 변위를 분석하였다. 분석 결과, 산불 이후 산사태 발생 확률이 증가하였으며, 산불 피해 지역에서 비피해 지역보다 상대적으로 큰 지표 변위가 관측되었다. 최종적으로, 산사태 발생 확률과 지표 변위 정보를 활용한 다중 지표 기반 단계적 선별 체계는 산불 이후 산사태 고위험지를 공간적으로 식별하는 데 활용 가능함을 확인할 수 있었다.

본 연구는 기존 자립식 흙막이 공법의 구조적 한계를 보완하기 위한 연구로서 H-Pile을 2열로 배치하고 강연선에 프리스트레스를 도입한 것으로 배면지지 파일의 적정 근입장 및 수평간격을 산정하는데 목적이 있다. 이를 위해 본 연구에서는 모래의 상대밀도와 흙막이 벽체의 근입장, 배면지지 파일의 근입장을 달리하여 모형시험을 수행하였으며 동일한 조건으로 배면지지 파일의 수평간격을 달리하여 수치해석을 수행하였다. 연구 결과 흙막이 벽체의 안정성을 확보하기 위해서는 흙막이 벽체 근입장을 3.0m 이상 확보가 필요한 것으로 분석되었다. 특히 느슨한 모래지반에서는 흙막이 벽체와 배면지지 파일 근입장의 합을 9.0m 이상 확보하여야 안정성이 확보되는 것으로 분석되었다. 또한 배면지지 파일의 수평간격은 모든 상대밀도 조건에서 10.8m 이하를 적용하는 것이 안정성 측면에서 가장 효과적인 것으로 평가되었다.

본 연구에서는 마찰형 면진 시스템의 에너지 소산 능력은 유지하면서, 자기부상력을 활용하여 수직하중을 분담함으로써 마찰력을 능동적으로 제어할 수 있는 자기부상-마찰식 하이브리드 면진 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 말뚝 두부에 적용하여 지진 시 말뚝지지 구조물의 동적 응답 특성을 규명하고자 진동대 실험을 수행하였다. 먼저, 하이브리드 면진 시스템의 진동대 실험 결과, 제어 전압이 증가함에 따라 자기부상력이 수직 하중을 효과적으로 분담하여 접촉면의 마찰 저항을 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 이력 곡선이 평행사변형 형태로 변화하여 에너지 소산 능력이 유의미하게 향상됨을 확인하였다. 다음으로, 말뚝지지 구조물의 거동을 평가하기 위한 진동대 실험을 수행한 결과, 전압 제어를 통해 자기부상력을 발생시키는 경우 기존 마찰형 면진 시스템 대비 최대 17%의 추가적인 가속도 저감 효과를 확보할 수 있음을 입증하였다. 이는 본 하이브리드 면진 시스템이 고진동수 대역의 지진 하중 하에서 구조물의 안정성을 개선할 수 있음을 시사한다.

마이크로파일은 강봉과 그라우트 및 케이싱으로 구성된 소구경 현장타설말뚝을 말한다. 이 파일은 개발 당시 기존 구조물의 지지력 보강 또는 침하억제를 위한 목적으로 활용되었으나, 최근에는 신설 구조물기초 하부 지지 또는 상향력에 저항하기 위한 목적으로 활용되고 있다. 마이크로파일의 활용이 증가함에 따라 마이크로파일 또는 마이크로파일-기초에 관한 지지특성에 관한 연구가 주로 수행되었다. 그러나 복합재료로 구성된 마이크로파일의 일체화 거동과 말뚝강성의 평가에 관한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 국내 9 개소 현장에 설치된 마이크로파일을 대상으로 인장시험을 수행하였고, 시험결과를 종합적으로 분석하여 마이크로파일의 강성을 평가하였다. 연구결과, 복합재료로 구성된 마이크로파일의 인장변형 특성은 일체화 거동을 보이며, 현장시험을 고려한 마이크로파일의 탄성계수가 재료별 단면적과 탄성계수를 고려한 마이크로파일의 탄성계수보다 약 1.06~1.69 배 증가됨을 확인하였다.

최근 지반공학 분야에서는 지진 시 구조물 응답을 신속하게 예측하기 위한 딥러닝 기반 연구가 활발히 수행되고 있다. 특히 액상화 지반에서의 케이슨식 안벽과 같은 항만 구조물은 시간 의존적 비선형 거동을 보이기 때문에, 반복적인 수치해석을 대체할 수 있는 데이터 기반 예측 기법의 필요성이 증가하고 있다. 그러나 기존 연구는 주로 딥러닝 모델의 예측 정확도 향상에 초점을 두고 있으며, 학습 조건에 따라 예측 결과의 안정성과 신뢰성이 어떻게 변화하는지에 대한 체계적인 분석은 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 FLIP 수치해석을 통해 다양한 지반 조건(N치)과 지진동 세기(0.1~2.0 m/s²)에 따른 침하량 및 수평변위의 시계열 데이터를 구축하고, 이를 기반으로 딥러닝 모델의 학습 조건이 예측 성능 및 결과 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과 batch size 8~32 범위에서는 안정적인 예측 성능과 재현성이 확보된 반면, batch size 64 조건에서는 변동성이 증가하는 경향이 나타났다.

본 연구에서는 굴착에 따른 흙막이 벽체의 변형 예측을 위한 다중 해상도 ConvLSTM 프레임워크의 성능 향상을 위해 Gaussian noise 기반 데이터 증강 기법을 제안하였다. 기존 유한요소해석(PLAXIS 2D)을 이용하여 4,200개의 학습 데이터베이스를 구축하였으나, 해당 데이터는 수치해석 특성상 정형화되고 평활한(smooth) 변형 형상만을 나타내므로 실제 현장에서 관측되는 국부적이고 불규칙한 변형 특성을 반영하지 못하는 한계가 있었다. 이를 개선하기 위하여 다양한 공간 해상도와 진폭을 갖는 Gaussian noise를 수치해석 기반 변위 데이터에 주입하여 데이터베이스를 16,800개로 확장하였다. 학습된 모델은 국내 11개 굴착 현장에서 수집된 34개의 지중경사계 계측자료를 이용하여 검증하였다. 분석 결과, 제안된 데이터 증강 기법은 이상적인 해석 데이터에 대한 과적합을 방지하여 실제 현장의 다양한 불규칙 변형 형상에 대한 예측 정확도와 재현성을 유의미하게 개선하였으며, 예측 불확실성을 감소시키는 것으로 나타났다.

산불 이후 토석류는 식생 소실, 토양 표면 특성 변화, 지표유출 증가로 인해 단시간 강우 조건에서도 급격히 발생할 수 있다. 그러나 국내 고속도로 토석류 위험도 평가체계는 주로 지형 조건, 대책시설, 퇴적 및 도로 피해 가능성에 기반하고 있어 산불로 인한 토석류 발생가능성 증가를 명시적으로 반영하는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 미국 지질조사국(USGS)의 산불 후 토석류 발생확률 예측모델인 M1 모델을 국내 산불 피해 고속도로 인접 유역에 시범 적용하고, 국내 적용 가능성을 예비적으로 검토하였다. 입력자료로는 위성영상 기반 dNBR, 수치표고모델, 인근 AWS 강우자료, 토양침식인자를 활용하였다. 분석 결과, 대상 유역의 M1 기반 토석류 발생확률은 선정된 산불 후 강우 조건에서 80% 이상으로 산정되었으며, 기존 고속도로 토석류 위험도 평가 결과는 C등급으로 나타났다. 또한 USGS 토석류량 예측모델에 따른 추정 토석류량은 1,000 m³ 이하로 산정되어 중간 수준의 규모 등급에 해당하였다. 본 연구 결과는 M1 모델이 산불 이후 토석류 취약 유역의 신속한 선별을 위한 보조 지표로 활용될 수 있음을 시사한다. 다만 국내 지형, 강우, 토양 및 산불 피해 특성을 반영한 추가 검증과 지역화 보정이 필요하다.