1. 서 론

최근 도시 과밀화로 인해 한정된 부지 내에서 구조물을 인접 시공하는 사례가 증가하고 있으며, 기존 구조물과 근접 시공되는 신규 구조물 간 간섭 효과에 대한 고려가 중요해지고 있다. 특히 근접 시공 시 기존 구조물의 추가 침하 및 균열이 발생하는 경우가 많은데 아직까지 근접시공에 대한 명확한 설계 기준이나 근접시공 시 기존 기초구조물의 거동 메커니즘 등이 규명되지 않은 실정이다(Burland and Wroth, 1975).

얕은 기초는 상부 구조 하중을 지반에 직접 전달하는 기초 형식으로, 기초지반 상태가 양호한 경우 안정성, 시공성, 경제성이 우수하다. 얕은 기초 설계 시 주요 고려사항은 구조물 안정성 확보를 위한 지반 지지력(Bearing capacity, q_u) 산정과 침하량 예측이다. 특히 부정확한 지반 지지력 산정과 침하량 예측은 실제 구조물 시공 후 많은 문제를 야기할 수 있다. 또한 하부지반 지지력이 기존 이론식과 상이할 수 있어 이에 대한 검토가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 기존 구조물 하부지반 근처에 신규 구조물이 시공되는 경우 1) 기존 구조물의 크기, 2) 기존 구조물과 신규 구조물 간의 거리를 주요 변수로 고려한 모형실험을 실시하여 근접 시공 시 신규 구조물의 지지력(q_{u_new})과 기존 구조물의 침하(s_e)거동 평가에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 독립 구조물(Reference)의 지지력 q_u와 q_{u_new}를 비교하고, 기존 구조물과 신규 구조물 간 중심 사이의 거리(L)과 구조물의 크기(W)에 따른 신규 구조물의 q_{u_new}와 기존 구조물의 침하량 변화를 평가하였다. 분석한 결과는 L과 W 변화에 따른 q_{u_new}를 평가하는데 활용할 수 있다.

2. 이론적 배경: 인접기초의 간섭현상

지반의 기초 지지력(q_u)은 Prandtl(1920), Terzaghi(1925), Meyerhof(1951), Meyerhof(1963), DIN 4017(2006) 등의 제안식을 주로 이용하여 산정하고 있다. 하지만 구조물이 근접 시공되는 경우 간섭효과로 인해 앞서 언급한 제안식 결과들과 차이를 보인다. Terzaghi의 얕은기초 지지력 메커니즘에 따르면 독립된 얕은 기초 구조물의 파괴는 구조물 밑의 쐐기에 의해 지반의 수동 파괴면이 발생하고 그로 인한 지표의 융기 등의 변형이 발생하지만 근접 시공된 구조물 사이에서는 수동 파괴면의 변형이 다른 구조물 하중에 의해 억제되고 지반이 압축되어 지지력이 증가하게 된다(Ghosh and Kumar, 2009; Ghosh and Sharma, 2010; Stuart, 1962). 근접한 기존 구조물의 영향으로 인한 신규 구조물 하부에 완전한 파괴 메커니즘 형성에 제약이 발생하는 경우 새로 설치되는 기초 구조물의 지지력(q_{u_new})이 달라지게 된다.

Vesić Aleksandar(1973), Singh(1973), Verma and Saran(1988) 등의 연구에 따르면 기존 기초 구조물에 근접 하중이 작용할 때 기초 구조물 중심과 근접하중 간 거리에 따라 지지력 변화가 발생하는 것으로 알려져 있다. 근접한 원형 기초 구조물 사이에 발생하는 간섭효과에 대한 연구 또한 진행되었는데 Srinivasan and Ghosh(2013)에 따르면 기초 사이의 간격이 감소함에 따라 지지력이 증가하였고, Naderi and Hataf(2014)의 연구에서는 구조물 사이의 간격이 원형 기초 직경의 4배 이상부터는 간섭에 의한 영향이 없었다. Mahmoud(2021)는 기존 연구들을 통해 다양한 크기와 모양의 기초에 동일한 하중을 가할 때의 간섭효과를 실험과 유한요소 해석을 통해 확인하였다.

수치해석을 통하여 두 구조물 사이의 간섭효과에 대한 연구 또한 많이 진행 되고 있는데 Javid et al.(2015)은 Hoek-Brown 방법을 통한 해석을 통하여 efficiency factor가 구조물 사이의 간격(S)과 기초의 폭(B)의 비가 S/B = 0.5~1.0일 때 가장 크게 나타났으며, Ekbote and Nainegali(2019)는 FEM 해석을 통해 S/B = 1.5~1.6일 때 가장 큰 지지력이 나타났다. 현장 실험 및 대형 모형 실험 크기의 연구 또한 다양하게 진행 되었는데 Swain and Ghosh(2015)는 현장 스케일의 두 기초 구조물 사이의 영향을 계측하였고, Sereshkeh and Chenari(2017)는 근입 깊이를 증가하여 인접 구조물에 가해지는 영향을 줄일 수 있다고 하였다. 그리고 Fazeli Dehkordi et al.(2019)는 크기가 같은 원형 구조물의 근입 깊이와 거리의 비가 2~3배 일 때 가장 크게 나타났다. Reddy et al.(2012) 연구에 따르면 크기가 같은 근접 기초 구조물 간 중심 사이 거리(L)가 구조물의 크기(W)의 1.4-1.6배 일 때 가장 큰 q_{u_new}를 보이고, L/W 비가 3.5 이상일 때 두 기초 구조물 간 간섭 영향은 없이 단독 구조물의 지지력-침하 곡선과 유사함을 보였다.

3. 모형시험

본 연구에서는 사질토 지반에서 기존 구조물의 크기(W_e)과 기존-신규 구조물 중심 간 거리(L)를 주요 변수로 모형 토조시험을 이용해 구조물 간 간섭을 고려한 신규 구조물의 지지력(q_{u_new})과 기존 구조물의 침하량(s_e) 거동을 평가하기 위한 실험연구를 수행하였다.

3.1 모형지반

모형지반은 모형토조 내에 모래를 채워 조성하였다. 모형토조의 크기는 1800mm(width) × 300mm(depth) × 900mm(height)로 제작되었다(Figs. 1a & b). 모형지반은 주문진 자연사를 이용해 조성하였으며, 균질한 지반조건을 유지하기 위해 샌드 커튼(sand curtain) 방식으로 0.7m 높이에서 강사하여 조성하였다. 실험에 사용한 건조된 주문진 자연사의 입도분포(ASTM D2487-17e1), 최대·최소 건조단위중량(ASTM D4253-16e1), 비중(ASTM D792-20), 직접전단시험(ASTM D3080-04) 결과들은 Table 1에 정리되어 있다. 토조 내 지반은 점착력이 없는 모래로 상대밀도 D_r = 70.3%로 조성하였으며, 직사각형 기초의 국부전단파괴가 발생하며 하중 침하-곡선에서 경사가 직선으로 변하는 지점의 하중을 극한지지력으로 판단하였다(Holloway et al., 1975).

Fig. 1

Experimental setup

3.2 얕은 기초 구조물 모형

얕은 기초 구조물의 경우 L/W ≥ 3.5인 경우 근접에 따른 간섭효과가 없는 것으로 알려져 있어(Mahmoud, 2021; Reddy et al., 2012; Stuart, 1962), 이를 고려하여 기초 구조물 모형의 크기(W)과 기존 기초구조물-신규 기초구조물 중심 간 거리(L)을 설정하였다. 신규 기초구조물 모형은 크기(W_n) 150mm × 길이 300mm로 제작되었으며(Fig. 1c), 기존 기초구조물 모형의 크기(W_e) Table 2에 정리된 바와 같이 150mm(WE150), 100mm(WE100), 50mm(WE50) 세 가지 경우로 설정하였다(Fig. 1d). 기존 구조물의 길이(length)는 신규 구조물 모형과 마찬가지로 토조 폭에 맞춰 300mm로 일치시켜 2차원 평면 변형률(plane strain state) 조건을 만족하도록 하였다. 신규 구조물은 베이크라이트(bakelite)로 제작하여 충분한 강성을 확보하였으며, 변위 제어방식(displacement control method)을 통해 변위에 따른 기초구조물 하부의 지지력을 측정하였다. 기존 기초구조물은 구조물 모형 위에 추를 얹어 0.6kPa의 하중을 유지할 수 있도록 제작하였으며, 이는 선행 실험을 통해 지반이 파괴되지 않는 범위의 하중으로 선정하였다. 모형 기초구조물들은 토조 내 모형 지반 상부 위에 얹혀 근입 깊이를 무시하는 조건으로 실험을 진행하였다.

본 연구에서는 근접 기초구조물간 영향이 없는 범위(L/W > 3.0)까지 포함하여 기존-신규 기초 구조물 중심 간 거리를 150mm(L150), 225mm(L225), 300mm(L300), 450mm(L450), 600mm(L600) 총 5가지 경우를 고려하였다. 또한, 기존 기초구조물이 없는 독립 구조물의 지지력 및 침하량을 확인하기 위해 비교군(Reference)에 대한 고려도 추가하였다.

모형시험에서의 기초 구조물 간 배치는 Fig. 2에 도시되었으며, 근접 기초구조물의 크기, 중심간 거리, 작용 하중 등의 상세한 실험 조건들은 Table 2에 정리되어 있다.

Fig. 2

Schematic diagram of model test details. Dimensions and locations of new and existing foundation models

3.3 계측 및 시험 방법

모형시험기와 모형 기초구조물에 하중계(Loadcell)와 변위계(LVDT)를 설치하여(Figs. 1a & c) 구조물 하중에 의한 지지력과 거동을 파악하였다. 신규 구조물에 설치된 3개의 하중계(500DBBP)와 LVDT(CDP-50)를 통하여 신규 기초구조물의 침하에 따른 지지력 변화를 측정하였다. 실험 중 신규 기초구조물의 지지력 하중과 지표침하 데이터는 Data logger(TDS-302)와 데이터수집 장치(ASW-50B)를 이용하여 실시간으로 획득하였다.

강사를 통해 조성한 모형지반 표면에 기존 기초구조물과 LVDT를 각 case에 맞는 위치에 설치하여 기존 기초구조물의 침하량을 측정하였다. 신규 기초구조물은 유압잭을 이용해 모형지반 내로 압입하면서 신규 기초구조물이 받게 되는 지지력 하중, 침하량, 그리고 기존 기초구조물의 침하량을 동시에 측정하였으며, 실험은 신규 기초구조물의 침하량이 35mm 발생할 때까지 일정한 변위속도(1mm/min)로 제어하는 방식으로 실시하였다.

4. 결과 및 분석

4.1 신규 기초구조물의 지지력 거동

근접 기초구조물의 간섭에 의한 신규 기초구조물의 지지력(q_{u_new}) 변화는 Reference case를 기준으로 기존 기초구조물의 위치 상황별로 정리한 결과가 Fig. 3과 같다. 시험 결과, 침하-지지력 곡선의 형태는 뚜렷한 최대점을 보이지 않고, 압입 변위에 따라 하중이 완만하게 증가하는 국부전단파괴 형상을 보이고 있다. Reference를 비롯한 본 연구의 대부분 실험 조건들에서 압입 침하량이 17.75mm일 때 침하-지지력 곡선이 완만하게 수렴됨을 확인할 수 있었다. 따라서 신규 기초구조물의 압입 침하량이 17.75mm(s_e) 때의 신규 기초구조물의 지지력을 q_{u_new at Se}로 정의하여 비교하였다.

신규 기초구조물의 지지력(q_{u_new at Se})은 기존-신규 기초구조물 중심 간 거리 L이 증가함에 따라 증가하여 L/W_n = 1.5에서 최대값을 보인 후 감소하였다. 침하-지지력 곡선의 기울기는 L/W_n < 3 조건에서 간섭이 없는 Reference 보다 크게 나타났으나, L/W_n ≥ 3에서는 간섭이 없는 Reference와 간섭 효과가 있는 신규 기초구조물 모두 유사한 침하-지지력 거동을 보였다(Fig. 3).

Fig. 3

Ground settlement-bearing capacity curves of the new foundation models with different existing foundation width (W_e) cases

Fig. 4에서는 기존 기초구조물이 신규 기초구조물의 q_{u_new at Se}에 미치는 영향을 확인하기 위해 간섭이 없는 Reference의 q_u 값 대비 q_{u_new at Se}의 변화율을 도시하였다. 기존 기초구조물의 크기(W_e)에 따라 절대적인 증가량은 WE150 = 123%, WE100 = 118%, WE50 = 110%로 상이하였으나, L/W_n < 3이내의 경우에서는 간섭 효과로 인해 신규 기초구조물이 더 높은 지지력을 확보함을 확인하였으며, 이는 기존 연구들에서 제시하고 있는 범위(L/W < 3.5; Reddy et al.(2012))와 일치함을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 더 나아가 q_{u_new at Se}가 L/W_n < 1.5 구간에서 점차 증가하다 L/W_n = 1.5에서 최대치를 보이고, 그 후에는 완만하게 감소함을 확인할 수 있었다.

Fig. 4

Bearing capacity increment ratio of the new foundation model with L/W_n variation

Fig. 4에서는 같은 위치 조건(L/W_n < 3)에서 W_e가 증가함에 따라 q_{u_new at Se}도 증가하는 것으로 확인된다. W_e = 150mm, 100mm, 50mm 조건 모두 기존 기초구조물이 지표면에 가해지는 응력은 0.6kPa로 일정하지만 구속 면적이 클수록 근접 시공 시 간섭 영향이 커질 수 있음을 보여준다. Fig. 5는 기존-신규 기초구조물 간 거리(L)에 따라 신규 기초구조물의 지지력(q_{u_new at Se})이 Reference에 비해 얼마나 증가하는지 기존 기초기조물의 크기(W_e)에 따라 도시한 결과이다. Fig. 5에 의하면 L = 450mm, 600mm의 경우(기초구조물 간 거리가 큰 경우) q_{u_new at Se} 증가효과가 확인되지 않으나, L ≤ 300mm에서는 q_{u_new at Se}는 전반적으로 증가하고, 기존 기초구조물의 크기(W_e)가 클수록 간섭효과도 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 기존 기초구조물 크기(W_e)와 상관없이 L = 225mm, 즉 L/W_n = 1.5에서 q_{u_new at Se}가 최대가 됨이 확인된다.

Fig. 5

Bearing capacity increment ratios of the new foundation model affected by different existing foundation width (W_e) values

4.2 구조물의 침하

근접 시공 시 신규 구조물 하중으로 인해 기존 구조물이 영향범위 내에 존재하는 경우 간섭 효과로 인해 기존 구조물 하부에 추가 침하가 발생할 수 있는 우려가 있다. 본 연구에서는 신규 구조물 하중 증가에 따른 기존 구조물의 추가 침하량 발생 경향을 파악하기 위해 간섭이 없는 기초구조물의 순수 침하량(Reference)과 기존 기초구조물이 근접한 경우의 침하량을 비교하여 Fig. 6과 같이 정리하였다. Fig. 6에서 검정색 선들은 간섭효과가 없는 조건에서의 신규 기초구조물이 모형지반 내로 25mm 압입될 때 기초구조물 모형 하부와 주변 모형지반의 표면 침하 분포(LVDT로 계측)를 나타내고 있으며, 회색 선들은 기존 기초구조물 모형들이 근접한 경우의 표면 침하 분포를 비교하여 표시하고 있다. 즉, Fig. 6상의 검은색 선과 회색 선 간 차이가 많이 발생할수록 간섭효과로 인해 침하량이 많이 발생하여 기존 기초구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. W_e의 크기와 상관없이 L150(Fig. 6a), L225(Fig. 6b), L300(Fig. 6c) 경우에서는 기존 기초구조물 하부에 많은 침하량이 발생하여 기존 기초구조물의 안정성 검토가 필요하게 된다. 반면, L/W_n ≥ 3의 경우(Figs. 6d & e) 전체적인 침하량 분포는 Reference의 침하 분포와 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Surface subsidence distribution with different center-to-center distance (L) values between the existing and new foundation models

Bjerrum(1963)에 의하면 추가 침하 또는 부등침하가 발생하는 경우 구조물 안정성 유지를 위해 각변위(δ/L)가 1/500을 초과해서는 안 된다고 규정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 신규 기초구조물 압입에 따른 기존 기초구조물의 각변위(δ/W_e)를 기존 기초구조물 위에 설치된 두 개의 LVDT 사이 간격과 수직 변위차(δ)를 이용하여 계산하여 L/W_n에 따라 Fig. 7과 같이 정리하였다. 분석 결과, 앞서 확인된 기존-신규 기초구조물 간 지지력 간섭효과가 없는 L/W_n ≥ 3 조건에서는 기존 기초구조물의 침하 및 안정성에 문제가 없음을 확인할 수 있다. 하지만 L/W_n < 3에서 대부분의 결과는 δ/W_e의 값이 전도 또는 균열이 생길 수 있는 범위(δ/L > 0.002)에 있는 것으로 확인된다. 다만 L/W_n < 3 경우 중에서도 상대적으로 W_e 크기가 작은 WE50-L300 case (L/W_n =2)에서는 δ/W_e의 값이 1/500보다 작은(δ/W_e = 1/687) 경우도 있을 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7

Angular displacement (δ/W_e) of the existing foundation model affected by the adjacent new foundation model installation with L/W_n variation

4.3 고찰

모든 모형 실험에 대한 신규 기초구조물의 지지력(q_{u_new at Se})과 기존 기초구조물의 침하 및 각변위 결과는 Table 3에 정리되어 있다. 실험 결과 L/W_n < 3일 때 기존-신규 기초구조물 사이의 간섭효과가 존재하며 기초구조물이 간섭 없이 설치될 때 보다 높은 지지력(q_{u_new at Se})을 확보함을 확인하였다. 특히 q_{u_new at Se}가 가장 크게 발생하는 기존-신규 기초구조물 간 거리 조건은 L/W_n = 1.5 일때가 된다. 하지만 지지력과 달리 기존 기초구조물의 침하량은 L/W_n = 3인 경우 발생하기 시작하여 L/W_n ≤ 2 조건들에서는 매우 크게 발생함이 확인된다(Fig. 6). 그럼에도 불구하고 구조물 안정성 판단 기준인 각변위 관점에서 보면 L/W_n = 3일때, 또는 L/W_n ≤ 3 이지만 구조물의 크기가 작은 경우 근접시공이 허용될 수 있는 조건으로 평가된다. 이 결과가 실제 현장 규모에서도 적용 가능한지 확인하기 위하여 WE150-L300과 WE50-L300 두 조건에 대한 Plaxis-2D 해석을 수행하였다. 동일 거리(L = 300m)만큼 떨어져 있지만 기초구조물의 크기가 각각 150m, 50m로 다른 경우 WE150-L300의 경우 각 변위가 δ/W_e = 0.0103으로 불안정한 것으로 확인되었으며, WE50-L300인 경우에는 δ/W_e = 0.0017으로 실내 실험 결과와 마찬가지로 각변위가 허용한계 0.002 보다 낮아 안전함을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 실제 현장에서 근접시공이 불가피한 경우 기존-신규 기초구조물 간 거리(L/W_n)를 고려해 볼 때, L/W_n ≥ 3인 경우 침하량에 대한 우려뿐만 아니라 지지력 증가 효과도 미미하여 독립 기초구조물로 간주하여 설계가 할 수 있으며, 반대로 L/W_n < 3인 경우에는 지지력 증가 효과는 있지만 기존 구조물에 추가 침하량 발생 가능성이 있다. 하지만 기존 구조물의 크기가 신규 구조물의 크기보다 작은 경우 침하 각변위를 통하여 허용 가능한 침하 범위 내에서 적용할 수 있을 것으로 판단되며 이는 지반 조건 및 설계 정수들을 정확히 파악하고 고려한 침하 거동 예측이 선행되어야 할 것이다.

Fig. 8

Angular displacement (δ/W_e) of the existing foundation structure affected by the new adjacent foundation structure installation simulated by Plaxis 2D

5. 결 론

본 연구는 기존 구조물에 근접하여 신규 구조물을 설치할 때 기존 구조물의 간섭에 의한 지지력 변화를 실험적으로 확인하기 위해 수행하였다. 기존-신규 기초구조물 중심 간 거리(L)과 기존 기초구조물의 크기(W_e)를 변화하여 신규 기초구조물의 지지력(q_{u_new at Se})과 기존 기초구조물의 침하(S_e and δ/W_e) 대해 분석하였다. 모형시험의 결과를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.

(1) 신규 기초구조물의 지지력 q_{u_new at Se}는 L/W_n < 1.5에서 점점 증가하다가 L/W_n = 1.5에서 최댓값을 보인 후, 점차 감소하여 L/W_n ≥ 3에서는 더 이상 간섭효과가 없는 것이 확인되었다.

(2) 같은 L/W_n의 경우, W_e가 작아질수록 간섭에 대한 영향과 그로 인한 q_{u_new at Se} 또한 감소함이 확인되었다.

(3) 기존 기초구조물의 침하량 S_e는 간섭효과로 인해 L/W_n < 3에서 크게 발생하였고, L/W_n ≥ 3에서는 신규 기초구조물 시공으로 인한 영향이 거의 없음이 확인되었다.

(4) 특히 인접 구조물에 의한 침하와 그로 인한 부등침하를 영향을 확인한 결과 L/W_n ≥ 3인 경우 부등침하에 대한 우려가 없으나, L/W_n < 3에서 기존 기초구조물의 부등침하가 상부 구조물 안정성에 영향을 끼칠 수 있음이 확인되었다. 다만 기존 기초구조물의 크기가 상대적으로 작은 경우 2 < L/W_n < 3 조건에서도 기존 기초구조물의 부등침하가 허용 범위 내로 발생됨을 확인하였으나, 일반화를 위해서는 보다 많은 검토와 연구가 필요한 것으로 판단된다.

(5) 따라서 기존 기초구조물 주변에 신규 기초구조물을 설계 및 시공해야 하는 경우 L/W_n ≥ 3일 때는 기존 구조물의 안정성에 큰 우려가 없으나, 불가피하게 L/W_n < 3 조건에서 시공을 수행해야 하는 경우, 근접시공이 기존 구조물에 미치는 영향에 대한 면밀한 검토가 필요함이 본 연구의 실험결과 확인되었다.