1. 서 론
2. 지반함몰 모형시험 개요
2.1 시험 장비
2.2 시험 시료
2.3 디지털 이미지 해석
2.4 시험 방법 및 조건
3. 모형시험 결과
3.1 세립분 함량에 따른 거동 평가
3.2 세립분 함량이 지하 공동 형성 및 지반함몰 발현에 미치는 영향
4. 결 론
1. 서 론
일반적으로 지반함몰은 (1) (환경적 요인으로 인한) 자연적 지반함몰과 (2) (공사 등의 요인으로 인한) 인위적 지반함몰의 두 가지 유형으로 구분된다. 자연적 지반함몰은 지하에 물에 용해되기 쉬운 지층(석회암 지대)이 위치하는 경우에 발생하는 반면, 인위적 지반함몰은 물에 용해되기 쉬운 지층이 위치하지 않은 지반에서 하수관 손상, 과도한 굴착, 또는 지하수 하강과 같은 인간 활동에 의해 발생한다. 지반함몰의 발달 과정은 (1) 자연적 또는 인위적 요인으로 인해 지반 내부 공동 형성, (2) 강우 시 지하수위 상승, (3) 강우 종료 후 지하수위 하강에 따른 공동 주변의 흙 유실로 인한 공동 확장, (4) 지하수위 상승 및 하강의 반복 과정을 통한 지반함몰 발생 순으로 이루어진다(Brinkmann et al., 2008; Caramanna et al., 2008; Kuwano et al., 2010a; Martinotti et al., 2017; Rogers, 1986).
우리나라의 경우는 상부 지층 대부분이 화강풍화토로 구성되어 있으며, 석회암 지층은 거의 존재하지 않기 때문에 자연적 지반함몰보다는 인위적 지반함몰이 주로 발생하게 된다. 특히 도심지에서 발생하는 인위적 지반함몰의 경우는 부주의한 굴착 외의 다른 요인보다는 주로 하수관 손상에 의해 발생하는 것으로 나타난다(Kuwano et al., 2010a; Guarino et al., 2012; Yokota et al., 2012; Bae et al., 2016). Bae et al.(2016)에 따르면 서울시에서는 2010년부터 2015년까지 총 4062건(연간 677건)의 지반함몰이 발생하였으며, 2013년까지 증가추세를 보인 이후에 감소추세로 나타났다. 이 중 2707건(전체 대비 81.4%)이 하수관 손상으로 인해 발생한 것으로 확인되었다. 이에 따라, 우리나라와 같이 자연적 지반함몰보다 인위적 지반함몰이 주로 발생하는 지층 조건을 가지고 있는 경우 하수관 손상으로 인한 지반함몰 현상에 대한 연구 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
인위적 지반함몰 현상에 영향을 미치는 요인을 평가하기 위하여 다양한 연구자들이 실험적 기법을 통해 인위적 지반함몰 발생 과정에 대한 분석을 수행하였다(Mukunoki et al., 2009, 2012; Kuwano et al., 2010a, 2010b; Guo et al., 2013; Sato et al., 2015; Indiketiya et al., 2017; Tang et al., 2017). 각 연구자들은 지반의 입도 분포 및 세립분 함량, 상대 밀도, 하수관의 매립 심도, 지하수위 조건 등을 영향 인자로 평가한 바 있으며, 여러 영향 인자 중에서도 지반의 강성이나 강도 등의 역학적 지표보다 투수성 및 물리적 특성 등과 관련 있는 입도분포 및 세립분 함량을 주요 요인으로 평가한 바 있다(Kuwano et al., 2010a).
Kuwano et al.(2010a; 2010b), Mukunoki et al.(2012), Guo et al.(2013)과 Tang et al.(2017)은 굵은 모래(Coarse sand), 중간 모래(Medium sand), 가는 모래(Fine sand)로 구성된 지반 조건에서의 공동 및 지반함몰 발달 과정에 대해 확인하였으며, 입경이 작을수록 공동 및 지반함몰 형성이 지연된다는 사실을 확인하였다. 특히, Kuwano et al.(2010a; 2010b)은 모래의 세립분 함량을 0, 10, 20%로 조절하여 지반함몰 발생에 세립분 함량이 미치는 영향을 확인하여, 세립분 함량이 높아질수록 공동 및 지반함몰 형성에 대한 저항성이 증가함을 확인하였다.
이와 같이 지반의 입도 분포 및 세립분 함량이 지반함몰에 미치는 영향은 다양한 연구자들에 의해 제시되었으나, 실제의 하수관 매립지반 조건 및 강우 조건을 고려하지 않았다는 한계점을 보인다. 소형토조에 입도가 나쁜 모래를 이용하여 지반을 조성하였기 때문에 실제 하수관 되메움토로 주로 사용되는 풍화토에서 발생하는 지반함몰 현상과 다른 거동을 보이게 되며, 실제 강우 조건을 고려하지 않은 임의의 지하수위 조건을 적용하였다는 점에서 실제 현장과 다른 거동을 나타냈을 것이라 예상된다.
본 연구에서는 실제 하수관 매립지반 조건 및 강우 조건을 적용한 지반함몰 모사 모형시험을 통해 세립분 함량이 지반함몰 발달에 미치는 영향을 평가했다. 모형지반은 국내 하수관 되메움 시 주로 사용되는 풍화토를 이용하여 조성하였으며, 풍화토에서 세립분을 따로 추출한 후에 다시 섞는 방법을 통해 세립분 함량을 총 세 가지(7.5, 15, 25%)로 다르게 조절하였다. 국내 호우 경보 기준 시에 가장 크게 발생 가능한 시간당 강우강도 50mm/hr를 모사하기 위해서 하수관 손상부로부터 70cm 상부에서 물을 유입 및 유출시키며 지반함몰 모사 모형시험을 수행했다. 모형시험 중에는 지하수위의 변화, 토사 유출량을 측정하였으며, 지표면에 3개의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 설치하여 지표면 변위를 지속적으로 측정하였다. 또한, 투명한 아크릴로 제작된 모형토조의 전면판을 통해 촬영된 디지털 이미지를 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법으로 분석하여, 시험 중 지반의 내부 변위를 정량적으로 분석했다.
2. 지반함몰 모형시험 개요
2.1 시험 장비
Kwak et al.(2019)은 하수관 손상으로 인한 지반함몰을 모사할 수 있는 모형시험기를 제작하였으며, 제작된 모형시험기의 모식도는 Fig. 1과 같다. 서울시의 하수관 데이터를 토대로 너비 140cm(서울시 평균 하수관 간격 120cm), 높이 100cm(서울시 평균 하수관 매립심도 90cm)의 모형토조를 제작하였으며, 토조 하부에는 Mukunoki et al.(2012)의 연구 결과를 토대로 너비 2cm, 깊이 10cm 크기로 하수관 손상부를 모사하였다. 모형 토조의 전면부로부터 10cm 깊이에 격판의 설치 및 제거가 가능하도록 하여, 격판이 설치된 경우에는 조성되는 지반의 깊이와 하수관 손상부의 깊이가 10cm로 동일한 평면변형률 조건을 만족할 수 있도록 하였다(Kwak et al., 2019; 2020). 모형토조의 전면부는 투명한 아크릴 판을 부착하여 모형시험 중 지반 내 공동 및 지반함몰 발달과정을 지속적으로 관찰할 수 있도록 하였다. 하수관 손상부로부터 지반으로의 물 유입을 모사하기 위해 외부 수조는 모형토조 하부와 연결되어 있으며(공급 밸브를 통해 물의 공급을 조절 가능), 지하수의 유출을 모사할 수 있도록 하부에 배수밸브 또한 설치하였다. 이 때, 외부 수조의 높이는 National Disaster Management Institute of Korea(2014)가 제시한 강우 강도와 하수관 내부 수두 조건의 상관관계를 통해 강우강도 50mm/hr를 모사할 수 있도록 손상부로부터 70cm 상부에 위치하였으며, 정수두 조건을 유지하기 위해 위어(weir)를 설치하였다. 이 때 강우강도 50mm/hr는 국내 호우 경보 기준 시에 가장 크게 발생 가능한 시간당 강우강도를 나타낸다(Environmental Prediction Research Institute, 2017).
2.2 시험 시료
Table 1은 Ministry of Environment of Korea(2010)의 하수관거 표준시방서에서 제시하고 있는 국내 하수관 매립토 기준 및 Japan Road Association(1990)에서 제시하고 있는 일본 하수관 매립토 기준을 나타낸다. 우리나라 하수관 되메움에 사용되는 흙의 재료 특성은 최대 입경 100mm 이하, 4번체 통과량 25∼100%, 200번체 통과량(세립분 함량) 15% 이하(일본의 경우 25% 이하)이며, 소성지수는 10 이하인 양질토를 만족해야 한다. 또한 시공 조건으로는 관 주위의 경우 최적함수비 조건을 따르면서 최대건조단위중량 대비 90% 이상으로 다짐을 수행하도록 한다.
Table 1.
Requirements for the backfill materials used in the burial of a sewer pipe
| Description | Ministry of Environment of Korea (2010) | Japan Road Association (1990) |
| Maximum particle size | 100 mm | 100 mm |
| #4 sieve passing | 25∼100% | 25∼100% |
| #200 sieve passing | ≤ 15% | ≤ 25% |
| Plasticity index | ≤ 10 | ≤ 10 |
| Compaction ratio | ≥ 90% of maximum dry unit weight | ≥ 90% of maximum dry unit weight |
| Water contents | Optimum water content | Optimum water content |
본 연구에서는 화강풍화토가 널리 분포되어 있는 서울시의 지반을 모사하기 위해 관악산 지역에서 화강풍화토(이하 관악산 풍화토)를 채취하였으며, 국내 하수관 매립토 기준의 200번체 통과량을 만족할 수 있도록 세립분 함량을 7.5%, 15%로 조절하였다. 추가적으로, 국내 시방 기준은 만족하지 못하지만 일본 기준을 만족하는 세립분 함량 25%의 풍화토도 시험 시료로 사용하였다. 모형 시험 중에 큰 자갈이 하수관 손상부를 막음으로써 발생 가능한 특이 현상을 최대한 배제하기 위하여 4번체를 통과하지 못하는 자갈은 모두 제거하였다(4번체 통과량 100%). 세립분 함량을 인위적으로 조절한 관악산 풍화토의 입도분포는 Fig. 2와 같이 일반적으로 국내 현장에서 주로 사용된 매립토의 범위 내에 존재함을 확인하였다(Kwon, 1998; Park and Lee, 1999; Lee and Lee, 2009). 세립분 함량을 조정한 관악산 풍화토를 이용하여 시공 조건을 만족하는 다짐도 92%(최대 건조단위 중량 대비)와 최적함수비로 모형지반을 조성하였으며, 이때 모형지반의 높이는 서울시 하수관 평균 매립 심도인 90cm로 설정하였다. Table 2는 모형시험에 사용된 세립분 함량 7.5, 15, 25%의 관악산 풍화토 기본 물성치를 나타낸다.
Fig. 2
Grain distribution of the adjusted Gwanak soil and the soil used in previous researches with the requirements for backfill materials in South Korea (Ministry of Environment of Korea, 2010) and Japan (Japan Road Association, 1990)
Table 2.
Properties of the adjusted Gwanak soil
2.3 디지털 이미지 해석
본 연구에서는 디지털 이미지를 이용한 해석 기법 중 지반 공학 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법(Adrian, 1991)을 적용하여 시료의 위치별 변위를 측정하였다. PIV 기법은 변형 전 이미지의 픽셀 집합과 변형 후 이미지의 픽셀 집합에 대해 교차 상관(Cross-correlation)을 수행하여 상관성이 가장 높은 지점을 찾으며, 상관성이 가장 높은 픽셀 집합의 위치를 통하여 시료 각 위치에서의 상대적 변위를 산정하게 된다(White et al., 2003). 본 연구에서는 상용 프로그램인 GeoPIV(White and Take, 2002)를 통해 시료 내부에서 발생하는 변위 벡터를 확인하였다.
PIV 기법을 적용하는 경우, 픽셀 집합 크기가 커질수록 픽셀 집합의 유일성이 증가하기 때문에 일반적으로 높은 정확도의 해석 결과를 얻을 수 있다. 하지만 다양한 위치에서의 변위를 산정하기 위해서는 적절한 픽셀 집합의 크기를 설정할 필요가 있기 때문에 GeoPIV 프로그램의 정확도 검증을 수행하였으며, 그 결과로부터 픽셀 집합의 크기를 100 by 100 pixels로 설정하였다(Kwak et al., 2019). Fig. 3은 분석에 사용된 픽셀 집합들의 위치를 나타내며, 총 2,600(65 by 40)개의 위치에 대해 PIV 기법을 적용하여 변위 벡터를 확인하였다.
2.4 시험 방법 및 조건
하수관 손상으로 인한 지반함몰 현상을 모사하는 모형시험의 한 실험 싸이클은 강우 시를 모사하는 하수 유입 단계(지하수위 상승)와 강우 종료 이후를 모사하는 지하수 배수 단계(지하수위 하강)로 구성된다. 모형토조 내부에 지반을 조성 완료한 후, 하수 유입 단계에서는 공급 밸브를 통해 외부 수조로부터 토조 내부로 물을 유입하여 지하수위가 70cm(외부수조의 위어 상부와 동일 위치)까지 도달하도록 한다. 이후 지하수위를 안정화시킨 후에, 지하수 배수 단계에서는 공급 밸브를 닫고 배수 밸브를 열어 하부 하수관 손상부를 통해 물과 함께 토사가 유출될 수 있도록 한다. 모형시험은 총 두 실험 싸이클로 반복하여 진행하였으며, 시험 중에는 Fig. 1과 같이 토조 중앙부로부터 0, 30, 60cm에 위치한 지표면 3개의 지점에 LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)를 설치하여 지표 변위를 측정하였다. 또한, 모형시험 중에 아크릴로 제작된 모형토조 전면판을 통해 지반 내부의 디지털 이미지를 2초 간격으로 지속적으로 촬영하였으며, 취득된 디지털 이미지를 디지털 이미지 해석 기법 중 하나인 PIV 기법(Adrian, 1991; Alshibli and Akbas, 2007; Kim et al., 2017; Kwak et al., 2019)을 적용하여 분석하였다. Table 3은 본 연구에서 수행한 세 가지 모형시험의 조건을 나타낸다. 시험결과의 재현성 확인을 위해 세립분 함량 7.5%와 15%에 대해서는 각각 2번 씩 반복시험을 수행했다. 다만, 지하 공동 형성 과정 및 지반함몰 발생 유무에서 큰 차이를 보이지 않아, 본 논문에서는 배토량 측정 결과를 제외하고는 각 조건별로 하나의 결과만을 제시하였다.
3. 모형시험 결과
3.1 세립분 함량에 따른 거동 평가
3.1.1 첫 번째 하수 유입 - 지하수 배수 과정
T1과 T2는 각각 국내 하수관 되메움토의 세립분 함량 기준의 평균 및 상한선인 7.5%와 15%로 설정한 시료를 통해 지반을 조성하여 지반함몰 현상을 모사한 실험이다. 반면, T3은 국내 하수관 되메움토의 세립분 함량 기준은 만족하지 않지만, 일본 기준의 세립분 함량 상한 기준인 25%로 설정한 시료를 이용하여 모형시험을 수행하였다. Fig. 4, 5, 6은 각각 T1, T2, T3의 지하수 배수 단계에서 촬영된 디지털 이미지와 PIV 기법을 통해 산정된 지반의 변위벡터를 함께 나타낸 것이다. 각 그림의 지반 변위벡터 해석 구간은 (a) 0-30초, (b) 30-60초, (c) 60-90초, (d) 90-120초이다.
T1, T2, T3에서 모두 첫 번째 하수 유입 단계에서는 LVDT로 측정한 지표면 변위 및 PIV 기법을 통해 분석한 내부 지반 변위가 모두 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과를 통해 세 가지 실험에서 모두 첫 번째 하수 유입 단계에서는 지하수위가 지반에 유입되는 동안 지반 저항력(지반 강도 관련 인자들의 영향)이 견인력(지하수의 상향 침투로 인한 상향 이동 및 자중으로 인한 하향 이동 관련 인자들의 영향)보다 크다는 확인할 수 있었다.
지하수 배수 단계에서도 LVDT로 측정한 지표면 변위는 세립분 함량 7.5, 15, 25%에서 모두 0으로 나타났다. 그러나, PIV 기법을 통해 분석된 지반 내부의 변위는 T1과 T2에서 Fig. 4, 5와 같이 큰 변위가 발생하는 반면에, T3에서는 Fig. 6과 같이 내부 변위가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
Kwak et al.(2019)은 T1에 대해서 지하수 배수 단계에서 하수관 손상부를 통하여 작용하던 수압이 사라지며 하수관 손상부를 통하여 지하수가 빠른 속도로 유출되는데, 이 때 지하수위 아래 지반은 포화상태가 되어, 표면장력에 의한 겉보기 점착력을 상실하게 되어 조성된 지반 내부의 흙이 지하수와 함께 유실된다고 명시하였다. T2 역시 유사한 과정을 통해 지반 내부에 공동이 형성되었지만, 상대적으로 큰 세립분 함량으로 인해 겉보기 점착력 상실에 의한 영향을 적게 받아 T1에 비해 작은 공동이 하수관 손상부 주변에 형성되었다. 이에 반해, 세립분 함량이 25%인 T3은 다른 조건들에 비해 지반 내부의 투수성은 작고, 점착력이 크게 작용하게 되며, 이로 인해 T1, T2와 다르게 하수관 손상부 상부의 작은 영역에서 흙이 유실된 이후에는 공동이 더 이상 확장하지 않는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 통해, 첫 번째 하수 유입-지하수 배수 단계에서는 세립분 함량이 증가할수록 흙을 유실시키기 위한 지하수의 견인력 대비 지반의 저항성이 커지며, 공동 발달에 대한 저항성도 증가하는 경향이 확인되었다.
3.1.2 두번째 하수 유입 - 지하수 배수 과정
두 번째 하수 유입 및 지하수 배수 과정이 진행되는 동안 지반 내부에서 침식 작용이 발생하였기 때문에, 입자의 이동을 관측하는 PIV 기법은 적용하지 못하였다. 이와 같은 이유로, 두 번째 단계에서는 지표면에서의 LVDT 측정값과 함께 정성적인 지반 내부 거동 결과만 분석하였다. Fig. 7과 Fig. 8은 각각 T1의 하수 유입 및 지하수 배수 단계에서 촬영된 디지털 이미지를 나타내며, Fig. 9와 10은 각각 T2의 하수 유입 및 지하수 배수 단계에서 촬영된 디지털 이미지를 나타낸다.
T1의 경우, 두 번째 하수 유입 단계에서 모형지반 지표면에서 지반의 변위가 관측되지 않았으나(LVDT 측정 결과), 지반 내부에서는 지하수위가 상승함에 따라 공동 주변의 토사가 점차적으로 침식되는 경향이 나타났다. Fig. 7과 같이, 지하수위가 상승함에 따라 점차적으로 침식되는 영역이 횡방향으로 확대되는 경향이 나타났으며(Fig. 7b, 7c), 최종적으로는 목표 지하수위인 70cm 위치에서 역삼각형 형태로 공동이 발달하는 경향을 확인하였다.
T1의 두 번째 지하수 배수 단계의 경우, 역삼각형 형태의 공동 영역 내부에서 강도를 상실한 흙 입자들이 지하수와 함께 하수관 손상부를 통해 유출되었다(Fig. 8). 물 유입 과정에서 침식이 발생한 영역(역삼각형 영역) 내부의 흙 입자들이 모두 하수관 손상부를 통해 빠져나갔으며, 공동 상부 지반은 불포화 강도로 여전히 지지되는 현상이 확인되었다(지표면 침하 미발생).
T2의 두 번째 하수 유입 단계는 T1과 유사하게 지반 내부에서 침식이 발생함에 따라 공동이 횡방향으로 확장되기 시작하며, 최종적으로 역삼각형 형태의 공동이 형성되는 경향이 확인되었다. 그러나, T1에 비해 각 단계별 현상이 지연되어 나타났는데, 이는 세립분 함량이 높기 때문에 투수성이 낮아 물의 유입이 더 늦어진다는 점 때문으로 확인되었다. 약 960초가 지난 후에 지하수위가 안정되었으며, 이 때부터 공동 상부 지반에서 침하가 발생하는 경향이 확인되었다(LVDT 관측 결과). 960초 이후로 지표면에서 지속적으로 침하가 발생됨에 따라, 약 1800초 부근에 지표면 중심부에서 약 17mm까지 침하가 발생하다가 더 이상 자중을 버티지 못하고 상부 지반이 함몰되었다(Fig. 9d).
T2의 지하수 배수 단계에서는, 지하수 유입 단계에서 침식이 발생한 영역 내부의 흙들이 지하수 배출과 함께 하수관 손상부로 빠져나가는 현상이 발생하였다. 그러나, 과도한 양의 흙이 한번에 하수관 손상부를 향해 이동함에 따라 하수관 손상부 부근에서 클로깅(clogging) 현상이 나타나, 이로 인해 지하수 배출 시간 역시 T1에 비해 상당히 길게 확인되었다.
Fig. 11 및 12에서 확인할 수 있듯이, T3의 경우 지하수 유입 및 배수 단계에서 모두 특별한 거동이 확인되지 않았다. 지표면에 설치된 LVDT 및 지반 내부 변형을 관측하는 PIV 모두 어떠한 변위도 나타나지 않았으며, 공동 역시 첫 번째 단계에서 형성된 공동에서 더 이상 확장되지 않고 그대로 유지되는 경향이 확인되었다.
3.2 세립분 함량이 지하 공동 형성 및 지반함몰 발현에 미치는 영향
Fig. 13은 각 실험별로 첫 번째 지하수 배출 단계에서의 시간에 따른 공동 크기를 도시하였다. 공동 크기는 30초, 60초, 90초, 120초 및 최종 단계에서 각각 촬영된 이미지에 대해서 상용 소프트웨어인 Image J를 적용하여 정량적으로 측정하였다. T1(세립분 함량 7.5%)의 경우는 지하수가 배출됨에 따라 30초, 60초, 90초, 120초에서 각각 467cm2, 874cm2, 1286cm2, 1461cm2 크기로 공동이 발달하였으며, 최종적으로 1482cm2의 공동이 형성되었다. 이에 반해 T2는 30초, 60초, 90초, 120초에서 각각 98cm2, 378cm2, 536cm2, 784cm2 크기로 공동이 발달하였으며, 최종적으로 820cm2 크기의 공동이 형성되었다. T3의 경우는 초기 30초 부근에서 60cm2 크기로 공동이 발달한 후에 더 이상 확장되지 않는 경향이 나타났다. 이러한 결과를 통해, 첫 번째 지하수 유입-배수 단계에서는 세립분 함량이 높을수록 지반 내 공동 형성에 대한 저항성이 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
Table 4는 각 싸이클의 각 단계가 끝난 후, 하수관 손상부를 통해 배출된 토사의 무게와 세립분 함량을 나타낸다. 모든 시험 조건에서, 첫 번째 싸이클에 비해 두 번째 싸이클에서 배토량이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 첫 번째 하수 유입-배수 단계에서는 하수관 손상부 주변의 지반이 침식되어 공동이 형성되지만, 두 번째 하수 유입-배수 단계에서는 공동 주변의 토사가 점차 침식되어 역삼각형 형태로 공동이 크게 형성되기 때문이다. 이는 하수관이 손상되고 강우에 따른 지하수위의 상승과 하강이 반복됨에 따라 지하 공동 형성 및 지반함몰 발현 위험성이 기하급수적으로 증가할 수 있음을 보여주는 결과로, 하수관 주변의 작은 공동이라 할지라도 선제적인 대응이 필요함을 시사한다.
Table 4.
Summary of model test cases
두 번째 하수 유입-배수 단계에서도 첫 번째 단계와 유사하게 배토량의 경향성은 세립분 함량이 증가할수록 작아지는 것으로 확인되어, 지하수 유입-배수가 반복되더라도 세립분 함량이 높은 흙에서 지하 공동 형성에 대한 저항성이 크다는 사실을 확인할 수 있었다. 다만, 본 연구에서는 T1에 비해 배토량이 작았음에도 불구하고 T2에서만 지반함몰이 발생되는 현상을 확인하였고, 이는 재현성 확인을 위해 수행된 T1-2와 T2-2에서도 동일하게 나타났다. 이와 같은 시험 결과는 물의 침투에 의해서 큰 흙 입자 사이를 작은 흙 입자들이 이동하는 서퓨전(suffusion) 현상에 기인했을 것으로 판단된다(Skempton and Brogan, 1994; Taylor, 2016; Douglas et al., 2019). 모형시험 시 배토된 흙의 세립분 함량 증가율(모형시험에 활용된 흙의 세립분 함량과 배토된 흙의 세립분 함량의 차이)은 T1과 T3의 경우 1.5%p 이하로 거의 유사한 반면, Test 2는 7.0%p 이상의 큰 차이를 보였다(Table 4 참고). 이를 통해 T1과 T3에서는 서퓨전 현상의 영향이 미미한 반면에, T2에서는 서퓨전 현상이 발현되어 상부지반 아래 공동 주변 흙에 구조적 변화를 일으켰음을 예상할 수 있다. T2에서 모형지반으로 물이 유입-배수될 때, 지하수위 아래 지반에서 물의 하향 침투가 발생하며 세립분이 유출되는 서퓨전 현상이 발생한 것이다. 분급 차이가 큰 흙(gap-graded soil)을 대상으로 수행된 연구 결과에 따르면 세립분 함량에 따라 서퓨전 저항성이 달라지며, 세립분과 조립분의 비율이 20-35% 사이일 때(본 연구의 T3에 해당) 서퓨전에 대한 저항성이 좋았다(Skempton and Brogan, 1994; Shire et al., 2014; Taylor, 2016). 상술한 연구에 따르면 T1과 T2는 서퓨전 저항성이 낮은데, 상대적으로 세립분 함량이 높은 T2에서 그 영향이 지대하게 나타난 것으로 판단된다.
또한 Lin and Akihiro(2014)가 분급 차이가 큰 흙(gap-graded soil)을 대상으로 수행된 연구 결과에 따르면, 지반시료가 동일하게 조성되더라도 서퓨전 현상이 발현되는 경우 발현되지 않은 경우보다 지반 강도가 더 작게 나타난 바 있다. 본 연구에서도 T2의 상부지반 아래 공동 주변 흙에서 발생된 서퓨전 현상이 지반의 강도(상부지반을 지지하는 능력) 저하 및 지표면 붕괴에 영향을 주었을 것으로 생각된다. 다만, 본 연구에서 사용된 시료는 입도분포가 좋은 흙(well graded soil)으로, 서퓨전 현상에 대한 연구가 다수 수행된 바 있는 분급 차이가 큰 흙(gap-graded soil)과 다른 거동을 보일 수 있다. 상기 분석 결과를 보다 일반적인 상황에 적용하기 위해서는, 입도분포가 좋은 흙에서 세립분 함량이 서퓨전 현상 발현에 미치는 영향과 이에 따른 지반 강도 변화에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내 현장에서의 지반 조건 및 강우 조건 등을 고려하여 손상된 하수관에 의해 지반함몰이 발생하는 과정을 모형시험을 통해 파악하였다. 국내 호우 경보 기준 시에 가장 크게 발생 가능한 시간당 강우강도 50mm/hr를 모사하였고, 국내 및 일본 시방 기준을 토대로 지반을 조성한 뒤 서로 다른 세 가지 세립분 함량에 대한 영향을 평가하였다: (1) 세립분 함량 7.5%, (2) 세립분 함량 15%, (3) 세립분 함량 25%. 모형시험 중에는 지표면에 LVDT를 설치하여 침하를 확인하였으며, 추가적으로 PIV 기법을 적용함으로써 지반 내부의 변위를 연속적으로 측정, 분석하였다. 세 가지 모형시험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 첫 번째 하수 유입-배수 단계에서는 하수관 손상부 주변의 지반이 유실되어 타원형의 공동이 형성되었다. 두 번째 하수 유입-배수 단계에서는 공동 주변의 토사가 점차 침식되어 역삼각형 형태로 공동이 형성되었으며, 첫 번째 단계에 비해 배토량이 크게 증가하는 것으로 타났다. 이는 하수관이 손상되고 강우에 따른 지하수위의 상승과 하강이 반복됨에 따라 지하 공동 형성 및 지반함몰 발현 위험성이 기하급수적으로 증가할 수 있음을 보여주는 결과로, 하수관 주변의 작은 공동이라 할지라도 선제적인 대응이 필요함을 시사한다.
(2) 첫 번째 및 두 번째 하수 유입-배수 단계에서 모두 세립분 함량이 증가할수록 지반 내부의 공동 발달에 대한 저항성이 더 큰 것을 확인하였다. 특히 세립분 함량이 25%인 경우에는 공동이 매우 작게 발생하였으며, 더 이상 확장되지 않는 경향을 나타냈다.
(3) 두 번째 하수 유입-배수 단계에서 세립분 함량 7.5%와 25%의 경우 지반함몰이 발생하지 않은 반면, 세립분 함량 15%의 경우 지표면이 붕괴되는 지반함몰 현상이 확인되었다. 이는 모형시험 시 배토된 흙의 세립분 함량 증가율(모형시험에 활용된 흙의 세립분 함량과 배토된 흙의 세립분 함량의 차이)을 통해 서퓨전(suffusion) 현상에 기인한 것으로 분석되어, 세립분 함량이 서퓨전 현상 발현에 미치는 영향과 이에 따른 지반 강도 변화에 대한 추가연구가 필요함을 확인했다.
본 논문에서는 하수관 매립토로 사용되는 화강풍화토의 세립분 함량이 하수관 손상으로 유발되는 지하 공동 형성 및 지반함몰의 발생에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 이상의 결과는 국내 하수관 되메움토 시방 기준을 개선하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구와 같이 입도분포가 좋은 흙에 대해서 동일하게 세립분 함량을 설정한 서퓨전(suffusion) 실험을 진행한 뒤, 서퓨전 발생 전후의 강도정수 변화를 평가하는 실험을 추가적으로 수행하여 본 연구 결과와 함께 활용한다면, 물리적 혹은 수치적 모델링을 통한 지반함몰 저항성 평가가 가능할 것으로 생각된다.
