1. 서 론
2. 세립분이 포함된 성토체의 장기거동 특성
2.1 국내 성토 구조물의 침하 현황 및 원인 분석
2.2 흙의 내부 입자에 따른 구조적 특성
2.3 전환 세립분 함량(TFC) 및 지반 거동 전이 이론
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 개요
3.2 실험 재료의 기본 물성
3.3 실험 장비 및 절차
4. 실험 결과 및 분석
4.1 세립분 함량에 따른 Creep 거동 분석
4.2 세립분 함량에 따른 압축 특성
4.3 전환 세립분 함량(TFC) 구간 평가
5. 결 론
1. 서 론
최근 국내 도시계획 및 국토 공간 활용의 패러다임은 지상 공간의 과밀화와 교통 혼잡 문제를 해소하기 위해 고속도로 및 도시철도의 지하화를 추진하는 방향으로 급격히 전환되고 있다. 이러한 흐름에 따라 암거(Culvert)를 포함한 지중구조물은 지하 연계 공간 창출과 도시 방재 체계 고도화를 위한 핵심 인프라로서 그 활용성과 중요성이 확대되는 추세이다. 이러한 지중구조물은 구조체 자체의 강성뿐만 아니라 이를 둘러싼 성토 및 뒤채움 지반과 역학적으로 밀접하게 결합되어 거동하는 특성을 가진다. 따라서 지중 인프라의 안정성은 상부 하중을 지지하고 구조체로 전달하는 매개체인 성토재의 변형 제어 능력과 밀접한 연관이 있다. 그러나 이러한 인프라 확충 추세와는 대조적으로, 현재 운용되고 있는 시설물의 관리 실태는 구조적 노후화 문제에 직면해 있다. 특히, 고속도로 인프라에서 수적으로 가장 큰 비중을 차지하는 암거 구조물의 현황은 이러한 문제를 단적으로 보여준다. 실제로 국내 고속도로 지중구조물의 약 절반 이상(51.2%)이 공용 기간 20년을 경과하였으며, 향후 10년 이내에 노후 구조물의 비중이 급격히 증가할 것으로 예측된다(Oh and Kim, 2024). 이처럼 노후화된 시설물일수록 주변 성토 지반의 미세한 변형에도 구조적 손상이 가속화될 우려가 크다. 결과적으로 지반과 구조물의 일체화 거동을 고려할 때, 성토재의 장기적인 성능 확보는 지중 인프라의 생애주기 전반에 걸친 안정성 유지의 핵심 요소라 할 수 있다.
일반적인 사질토 기반의 성토 지반은 배수가 원활하여 압밀 속도가 빠르고 즉시 침하 이후의 시간 의존적 변형이 미미할 것으로 간주되어 왔다(Bong et al., 2012). 이러한 공학적 통념에 따라 현행 도로암거 구조설계기준(KDS 44 90 00, 2021)에서도 사질 성토재의 세립분 함량을 25% 이하로 규정하는 등 비교적 완화된 관리 기준을 제시하고 있다. 하지만 이러한 재료적 품질 기준을 충족함에도 불구하고, 실제 고성토 현장에서는 과도한 장기 변형으로 인해 포장층 균열이나 구조물 부등침하와 같은 문제가 끊임없이 보고되고 있다(Jeong, 2021; Lim, 2021; Kim et al., 2024). 이는 현행 설계 기준에서 허용하는 세립분 함량의 상한치가 고성토 구간의 높은 재하 하중 환경에서 장기적인 안정성을 보장하기에 다소 과도하게 설정되었을 가능성을 시사한다.
또한, 기존 침하 관련 연구들이 주로 점성토의 압밀 메커니즘에 편중되어 온 탓에, 성토재료 내 세립분 함량이 Creep 거동에 미치는 영향과 그 임계점에 대한 정밀 검토는 여전히 제한적인 수준에 머물러 있다(Lee et al., 2009; Park, 2018). 결과적으로 실제 고속도로 성토재를 대상으로 세립분 함량과 하중의 복합적인 상호작용 메커니즘을 정량적으로 확립한 연구는 여전히 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 국내 고속도로 성토 현장에서 사용되는 대표적인 사질토 재료를 대상으로, 세립분 함량이 장기 침하 거동에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고자 한다. 자체 제작한 대형 압축 실험기와 1차원 압축 시험을 통해 세립분 함량 변화에 따른 거동 전환점(Transitional Fines Content)을 분석하고, 이를 근거로 현행 세립분 함량 관리 기준의 문제점을 도출하고자 한다. 최종적으로 실험적 근거를 바탕으로 지중구조물의 장기 안정성을 확보하기 위한 세립분 함량 기준의 하향 조정 방안을 제안함으로써 성능 기반 설계의 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 세립분이 포함된 성토체의 장기거동 특성
2.1 국내 성토 구조물의 침하 현황 및 원인 분석
성토 지반의 총 침하량은 하부 원지반의 압밀(Su), 성토체 고유의 압축(Se), 그리고 반복되는 교통하중(Sv)의 합으로 정의된다(Fig. 1). 그러나 이전의 관행은 연약지반 개량 등을 통한 원지반의 압밀침하(Su) 제어에 집중해 왔으며, 사질토로 구성된 성토체 자체의 변형(Se)은 점성토에 비해 침하가 즉시 완료되는 비율이 높아 장기 안정성에 미치는 영향이 미미할 것으로 간주해 왔다(Park, 2018). 그러나 실제 계측 데이터는 이러한 통념과 상반된 결과를 보여준다. 한국도로공사에 따르면, 10m 이상의 고성토 구간에 설치된 암거에서 19cm를 상회하는 침하가 발생한 사례가 확인되었으며, 이는 과잉간극수압의 소산 이후에도 지속되는 성토재의 시간 의존적 변형(Creep)이 잔류침하의 핵심 원인임을 나타낸다(Korea Expressway Corporation, 2012).
이러한 성토체의 불확실성은 구조물의 손상으로 직결된다. 교량 변위에 관한 전수조사 결과(Korea Expressway Corporation, 2013), 변위 발생 원인의 61%가 성토체의 압축 및 수평 변형에 기인하는 것으로 나타났다. 이는 연약지반의 측방 유동(20%)보다 3배 이상 높은 수치로, 교대 안정성 확보를 위해서는 원지반보다 성토체 자체의 거동 관리가 더욱 시급함을 나타낸다(Table 1). 철도 인프라에서도 유사한 경향이 관찰되는데, 호남고속철도 구간의 분석 결과(Kim, 2021; Jeong, 2021)에 따르면 조사 지점의 약 81%에서 성토체 압축이 발생하였으며, 이 중 상당수(80%)는 성토체 고유의 변형이 전체 침하량의 절반 이상을 차지하는 주된 영향인자로 분석되었다(Fig. 2, Table 2).
Table 1.
Classification of causes for horizontal displacement of abutments (Korea Expressway Corporation, 2013)
| Category | Total |
Embankment Settlement |
Lateral Flow of Soft Ground |
Expansion Pressure of Concrete Pavement |
| Number of Abutments | 255 | 119 | 50 | 44 |
| Number of Bridges | 197 | 119 | 39 | 39 |
Table 2.
Occurrence status of embankment compression (Kim, 2021)
| Category | Number of Sites |
Average Embankment Height (m) |
Average Compression (mm) |
| Occurrence of Embankment Compression | 97(80.83%) | 7.95 | 27.28 |
| Occurrence ≥ 30 mm | 25(20.83%) | 10.58 | 62.8 |
국내 사례를 종합하면, 성토 구조물의 장기 침하는 단순한 지반 조건을 넘어 여러 인자가 복합적으로 작용한 결과로 나타났다. 주요 원인으로는 고성토에 따른 높은 재하 하중, 시공 시 다짐 품질의 저하, 그리고 사용 재료 내 과도한 세립분 함량이 지목된다. 특히 한국도로공사의 연구에서는 세립분 함량이 높거나 입도가 불량한 재료가 장기 압축 변형을 발생시켜 교대 변위와 포장 파손을 유발하는 핵심 영향인자임을 강조하고 있다. 따라서 이러한 영향 인자들이 지반의 시간 의존적 거동(Creep)에 미치는 역학적 메커니즘을 규명하는 것은 구조물 안정성 확보를 위해 필수적이다(Korea Expressway Corporation, 2013; 2015).
결과적으로, 현행 설계 기준에서 허용하는 ‘세립분 함량 25% 이하’라는 조건은 고성토 하중 조건에서의 장기 안정성을 완벽히 보장하기에 다소 완화된 기준일 가능성이 크다. 따라서 성토 구조물의 파손 방지와 공용 수명 연장을 위해서는 주요 영향 인자인 세립분 함량이 Creep 거동에 미치는 메커니즘을 명확히 규명하여 보다 엄격한 세립분 관리 기준의 도입이 필요하다.
2.2 흙의 내부 입자에 따른 구조적 특성
사질토와 세립분이 혼합된 재료의 역학적 거동, 특히 시간 의존적 변형인 Creep 특성은 내부 미세구조의 형태에 따라 달라진다. 이는 혼입된 세립분이 하중의 전달 경로와 입자 간 상호작용 방식을 변화시켜 Creep을 유발하는 주된 메커니즘을 바꾸기 때문이다.
세립분 함량이 낮은 초기 단계에서는 조립자 간의 직접적인 맞물림(Interlocking)에 의해 하중을 지지하는 골격 구조(Skeleton structure)가 형성된다. 이 시기에는 외부 응력이 주로 모래 입자 간의 접촉점을 통해 전이되므로, 장기 변형은 조립자의 미세한 재배열이나 접촉부 파쇄(Crushing)에 의해 지배된다. 이때 세립분은 조립자 사이의 간극 내에서 비활성 충전재(Filler) 역할에 머물러 지반 전체의 변형 거동에 미치는 영향은 제한적이다.
그러나 세립분 함량이 특정 임계 수준에 도달하여 내부 구조의 전이가 발생하는 시점부터는 하중 지지 체계에 근본적인 변화가 나타난다. 초기 단계에서 조립자 사이의 빈 공간을 채우던 세립분이 점차 증가함에 따라, 조립자 간의 직접적인 접촉을 물리적으로 방해하는 분리 효과(Separation effect)가 발생하게 된다. 이 과정에서 조립자들은 서로 견고하게 맞물리지 못하고 세립분 매트릭스 내에 고립되어 부유(Floating)하는 상태로 변모하게 된다.
이러한 내부 구조의 변화는 외부 하중을 지지하는 경로가 강성이 높은 조립자 골격에서 상대적으로 압축성이 큰 세립분 매트릭스로 완전히 이전됨을 의미한다. Monkul and Ozden(2007)의 연구에 따르면, 조립자 간의 접촉이 상실되는 시점부터 전체 흙의 압축 저항성이 급격히 저하되는 현상이 확인된다. 이는 하중의 주체가 된 세립분 매트릭스가 조립자에 비해 현저히 높은 점성 거동과 이차압축 특성을 가지고 있기 때문이다. 즉, 조립자 골격이 하중을 지지할 때는 입자 간의 강한 마찰력으로 인해 장기 변형이 억제되지만, 매트릭스가 하중을 지배하게 되면 세립자 사이의 미세한 재배열과 점성 유동(Viscous flow)이 활발해지게 된다. 결과적으로 하중 지지 구조가 고강성의 골격 구조에서 고압축성의 점성 구조로 전환됨에 따라, 시간 의존적인 Creep 변형률이 증폭되는 결과를 초래하게 된다. 이러한 구조적 전환은 지반의 장기적인 안정성을 급격히 저하시키는 원인이 된다.
이와 관련하여 Thevanayagam et al.(2002)의 연구에서는 혼합토의 내부 구조를 세립분 함량에 따라 골격 지배 구조에서 매트릭스 지배 구조로 이어지는 단계적 모델로 개념화하였다. 이 모델의 핵심은 전체 간극비(e)가 동일하더라도 세립분 함량에 따라 실제 응력이 전달되는 경로가 판이하게 달라진다는 점이다. 즉, 흙의 공학적 거동은 단순한 물리적 지표보다 내부 미세구조의 불연속성과 하중 전이 체계에 의해 결정된다. 이는 현행 설계 기준에서 일률적으로 적용하는 세립분 함량 상한치가 재료의 내부 구조적 전이 특성을 충분히 반영하지 못할 수 있음을 시사하며, 공학적으로 안전한 임계 함량에 대한 재검토의 필요성을 뒷받침한다(Fig. 3).
2.3 전환 세립분 함량(TFC) 및 지반 거동 전이 이론
모래와 세립분이 혼합된 지반의 역학적 특성을 규명하기 위해서는 단순한 입도 분류를 넘어, 내부 입자 간의 상호작용이 변화하는 경계점을 파악하는 것이 중요하다. 지반공학적 관점에서 이러한 임계 함량은 전환 세립분 함량(Transitional Fines Content, TFC)으로 정의되며, 이는 혼합토의 거동 주체가 조립자 골격에서 세립분 매트릭스로 변모하는 물리적 전환점을 의미한다(Fig. 4).
전통적인 흙 분류 체계는 입자 크기만을 기준으로 하여 혼합토의 하중 지지 메커니즘을 설명하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 Thevanayagam and Mohan(2000)은 거시적인 전체 간극비(e) 대신, 실제 하중을 지지하는 조립자 간의 접촉 상태를 정량화할 수 있는 등가 간극비(Equivalent void ratio) 개념을 제시하였다. 세립분 함량이 낮은 구간에서는 외부 하중이 주로 모래 입자 사이의 접촉점을 통해 전달되는데, 이때 조립자 사이의 공간을 세립분 체적을 포함한 간극으로 간주하는 입자 간 간극비(Intergranular void ratio, es)가 거동을 지배하는 핵심 지표가 된다. 세립분이 증가함에 따라 es는 점진적으로 상승하며, 이는 하중을 지지하는 조립자 골격이 점차 느슨해지고 있음을 정량적으로 나타낸다. 이러한 이론을 바탕으로 TFC는 입자 간 간극비(es)가 조립재 단독의 최대 간극비(emax,sand)와 일치하는 지점으로 정의된다.
여기서, Vv는 흙의 간극 체적, Vf는 세립분의 체적, Vs는 흙 입자의 체적을 나타내며, e는 혼합토의 간극비, G는 혼합토의 비중, Gs는 조립재의 비중, Gf는 세립분의 비중, FC는 세립분 함량을 나타낸다. 이와 같은 거동 전이점은 재료의 물성치를 활용한 이론적 임계 세립분 함량(FCcrit)으로도 산정이 가능하다. FCcrit는 조립재와 세립재가 혼합된 지반에서 하중 지지 체계가 전이되는 이론적 경계점을 정의하기 위해 도출되었다. 이 식은 조립자 골격이 가장 느슨한 상태(emax,sand)에 도달하고, 그 사이 간극을 세립자가 역시 가장 느슨한 상태(emax,fine)로 완전히 채웠을 때의 평형 조건을 가정한 것이다. 즉, 입자 간 간극비(es)가 조립재의 최대간극비(emax,sand)와 같아지는 지점에서 하중 지지 주체가 전환된다는 Thevanayagam et al.(2002)의 이론을 바탕으로, 혼합토의 구조적 경계를 산출하는 계산식으로 제시되었다. 다만, 이러한 이론적 산정식은 입자의 형상을 이상적인 구형으로 가정하거나 복잡한 입도 분포를 단순화하여 계산한다는 태생적 한계를 지닌다. 특히 Zuo and Baudet(2015)의 지적과 같이, 실제 자연 시료의 불규칙한 형상과 입도 분포는 이론적 예측치와의 오차를 유발하는 주요 요인이 된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 이론적 한계를 보완하고 공학적 신뢰성을 확보하기 위해, 계산에 의한 FCcrit 산정뿐만 아니라 실제 현장 시료를 활용한 실험적 거동 전환점(TFC) 분석을 병행하여 두 지표를 상호 보완적으로 검토하였다.
특히, 본 연구에서 주목하는 점은 현행 설계 기준인 세립분 함량 25%가 이러한 공학적 전이 구간 내에 위치하거나 혹은 이를 초과할 가능성이 있다는 것이다. 이는 기존 관리 기준이 사질 성토재의 구조적 안정성을 보장하기에 다소 위험한 경계선에 있음을 시사하며, TFC 및 FCcrit 분석을 통한 세립분 함량 기준의 하향 조정 필요성을 뒷받침하는 이론적 근거가 된다.
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 개요
본 연구는 세립분 함량과 재하 하중이 성토재의 장기 변형에 미치는 영향을 규명하기 위해 국내 고속도로 건설 현장 3개소에서 사용되고 있는 성토재료를 채취하여 공학적 신뢰성을 확보하였다(Fig. 5).
Table 3.
Index properties of mixed samples
또한, 각 시료의 기초적인 역학 특성을 파악하기 위해 KS 규격에 의거한 입도 분석, 비중 측정 및 다짐 시험을 선행하였다. 특히 본 연구의 핵심 목적인 세립분 함량의 순수한 영향력을 분리하여 평가하기 위해, 원시료에 포함된 자연 세립분을 #200체로 완전히 제거한 후 팽창성이 낮은 비소성 카올리나이트(Kaolinite)를 목표 함량별로 혼합하는 재구성(Reconstitution) 과정을 거쳤다. 이러한 방식은 세립분의 광물학적 불균질성을 통제함으로써, 함량 변화에 따른 지반 거동의 전이 특성을 보다 정밀하게 분석하기 위함이다.
이후 하중 단계별 시간 의존적 변형률을 정량화하기 위해 대형 압축 실험을 수행하였으며, 이와 병행하여 1차원 압축 실험을 통해 거동 주체가 전환되는 전환 세립분 함량(TFC) 및 이론적 임계점(FCcrit)을 분석함으로써 흙의 구조적 임계 상태를 평가하였다.
3.2 실험 재료의 기본 물성
세립분 혼입 비율에 따른 시료의 공학적 특성 변화를 분석한 결과, 비중과 다짐 성능에서 뚜렷한 상관관계가 확인되었다. 우선 비중(Specific Gravity)의 경우, 조립토보다 상대적으로 낮은 비중을 가진 카올리나이트의 함량이 증가함에 따라 혼합 시료의 전체 비중은 선형적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 최대건조단위중량(γd,max)은 세립분 함량이 약 10~15%에 이를 때까지 점진적으로 상승하다가, 해당 구간을 기점으로 급격히 저하되는 종형(Bell-shape)의 변화를 보였다.
이는 낮은 세립분 함량 조건에서는 미립자가 조립자 사이의 간극을 효율적으로 충전하여 전체적인 밀도를 높이는 충진 효과(Filling effect)가 발현되기 때문으로 판단된다. 반면, 함량이 임계치(15%)를 초과할 경우 과잉된 세립분이 조립자 사이를 이격시켜 골격 구조의 조밀도를 저하시키는 분리 현상이 발생하는 것으로 분석된다.
이러한 세립분 함량에 따른 다짐 특성(OMC, γd,max)의 변화는 동일한 에너지 조건에서 목표 다짐도를 균질하게 확보하는 데 어려움을 초래한다. 특히 세립분 함량이 높을수록 다짐 효율이 저하되어 목표 밀도 달성이 까다로워지는 특성이 있다. 본 연구에서는 이를 극복하고 실험의 정밀도를 확보하기 위해, 모든 혼합비에 대해 개별적인 다짐 시험을 선행 실시하여 각 시료 고유의 최대건조단위중량을 우선적으로 도출하였다(KS F 2312). 이후 공시체 성형 과정에서는 각 함량별로 산출된 목표 밀도(상대다짐도 90%)를 구현하기 위해, 층별 다짐 횟수를 조절하여 에너지를 가하는 방식을 채택하였다. 모든 시료는 성형 후 실제 측정된 밀도가 목표 상대다짐도(RC=90%±0.5%) 범위 내에 있도록 관리되었으며, 이러한 개별 다짐 제어 공정은 다짐도 편차에 의한 영향을 배제하고 ‘세립분 함량’이라는 단일 변수에 따른 거동 변화만을 객관적으로 평가하기 위한 절차로 수행되었다.
3.3 실험 장비 및 절차
3.3.1 대형 압축 실험
성토재의 시간 의존적 변형 거동을 정밀하게 정량화하기 위해 공기압 제어 시스템이 도입된 대형 압축 실험기를 자체 제작하여 실험에 활용하였다. 본 장치는 고하중 조건에서도 안정적인 압축력을 정밀하게 유지할 수 있도록 설계되었으며, 공시체 규격은 국내 성토 시공 시의 1층 다짐 두께(KS F 2312)를 반영하여 직경과 높이를 모두 200mm로 설정하였다. 또한, 투명 아크릴 셀을 적용하여 하중 재하에 따른 시료의 변형 과정을 시각적으로 모니터링할 수 있도록 하였다.
연직 하중은 컴프레셔와 레귤레이터를 통해 제어되며, 상부 압력계를 통해 실제 시료에 전달되는 응력을 실시간으로 검증하였다. 가압판의 O-ring 체결과 실리콘 그리스 밀봉을 통해 기밀성을 확보하였고, 셀 내벽에 윤활 그리스를 도포하여 시료와 벽면 간의 측벽 마찰 영향을 최소화하였다. 변위 측정은 가압판 중앙부에 설치된 LVDT(Linear Variable Differential Transducer)를 활용하여 데이터 로거에 실시간으로 기록되도록 시스템을 구축하였다.
실험 조건은 최적함수비 조건에서 현장 표준 다짐 기준인 상대다짐도 90%로 적용하였으며, 하중 조건은 현행 도로암거 구조설계기준(KDS 44 90 00 : 2021)의 최대 토피고 10m 조건을 기준으로 포장 하중과 차량 활하중을 포함한 최종 설계 응력 300kPa를 도출하여 적용하였다. 실험의 신뢰성을 높이기 위해 성토고 4m, 7m, 10m 지점에서 발생하는 응력 변화를 100, 200, 300kPa의 3단계 하중 단계로 구체화하여 순차적으로 재하함으로써 실제 시공 단계별 응력 전이 특성을 모사하였다. 시간 의존적 Creep 거동이 충분히 발현될 수 있도록 최소 10일 이상의 일정 하중 유지 기간을 거쳐 변형률을 분석하였다.
3.3.2 1차원 압축 실험
성토재 내부의 구조적 전이 특성을 분석하기 위해 KS F 2316 규격의 시험기를 사용하여 1차원 압축 실험을 수행하였다. 본 실험은 세립분 혼입 비율에 따른 지반의 역학적 상태 변화를 확인하고자 함량을 10%에서 30%까지 5% 간격으로 세분화하여 진행하였으며, 모든 공시체는 현장 표준인 상대다짐도 90% 조건으로 동일하게 조성하였다.
표준 압밀 링(ϕ=60mm, H=20mm) 내에 시료를 거치한 후 20kPa에서 최대 320kPa까지 단계적으로 하중을 재하하였으며, 각 하중 단계마다 48시간의 유지 시간을 두어 변형의 안정화를 유도하였다. 침하량 측정은 LVDT를 통해 계측되어 데이터 로거에 기록되었다. 특히 실험 결과로 얻어진 하중 단계별 간극비 변화를 활용하여 입자 간 간극비(es)를 산출하였으며, 이를 조립재 단독의 최대 간극비(emax,sand)와 대조함으로써 조립자 골격 구조가 지지력을 상실하는 전환 세립분 함량(TFC)을 실험적으로 도출하였다.
최종적으로 실험을 통해 확인된 TFC 구간을 재료 물성치 기반의 이론적 임계점(FCcrit)과 상호 검증함으로써, 현행 설계 기준인 25%가 지반의 구조적 붕괴가 시작되는 임계 구역에 해당함을 공학적으로 증명하고자 하였다.
4. 실험 결과 및 분석
4.1 세립분 함량에 따른 Creep 거동 분석
본 연구에서는 성토고 4m, 7m, 10m에 상응하는 100, 200, 300kPa의 단계별 하중 조건에서 세립분 함량 변화(0, 15, 25%)가 시료의 장기 변형 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 재하 하중과 세립분 함량은 총 변형률뿐만 아니라 Creep 변형률에 복합적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 총 변형률은 하중과 세립분 함량이 증가함에 따라 전반적으로 상승하는 경향을 보였으나, Creep 변형률은 이러한 영향 인자들에 훨씬 더 민감하게 반응하며 비선형적인 증가 양상을 나타냈다. Fig. 9, 10, 11, 12와 Table 4는 실험 종료 시점까지의 각 시료별 최종 Creep 변형률과 기울기, Creep 변형이 차지하는 비율에 대해 나타낸 것이다.
Table 4.
Creep compression test results by fine contents
우선 하중 증가에 따른 Creep 민감도를 분석한 결과, 세립분 함량이 높을수록 하중에 의한 변형 증폭 효과가 뚜렷해짐이 확인되었다. 시료 A의 경우, 세립분이 없는 조건(0%)에서 하중이 100kPa에서 300kPa로 증가할 때 Creep 변형률은 0.11%에서 0.36%로 약 0.25%p 증가하였으나, 세립분 함량 25% 조건에서는 동일한 하중 증가 범위에서 변형률이 0.23%에서 0.88%로 0.65%p 급증하였다. 이는 고세립분 조건에서 하중 증가에 따른 Creep 민감도가 FC=0% 시료 대비 약 2.6배 더 큼을 의미하며, 이러한 경향은 시료 B와 C에서도 유사하게 관찰되었다(Fig. 9, 10, 11).
동일한 세립분 함량 조건에서도 원재료의 입도 특성에 따라 Creep 저항성은 차이를 보였다. 최대 하중(300kPa) 및 고세립분(25%) 조건에서 시료 A, B, C의 Creep 변형률은 각각 0.88%, 0.72%, 0.99%로 나타났다. 입도 분포가 가장 양호하고(Cu=58.03) 굵은 입자의 비중이 높은 시료 B가 가장 안정적인 거동을 보인 반면, 입도 분포가 불량하고(Cu=10.64) 잔모래 비율(37.4%)이 높은 시료 C는 동일한 200kPa 하중 조건에서도 시료 A(0.52%)와 B(0.44%)보다 큰 0.57%의 변형률을 기록하며 가장 취약한 모습을 보였다. 이는 세립분 함량뿐만 아니라 원재료의 입도 구성이 흙의 골격 구조와 압축성을 결정짓는 변수이며, 현행 25% 기준을 만족하더라도 입도가 불량한 재료는 고응력 하에서 예상치 못한 장기 침하를 유발할 수 있음을 나타낸다.
총 변형률 중 Creep 변형이 차지하는 상대적 비중을 분석한 결과, 하중이 높고 세립분 함량이 많을수록 장기 변형의 기여도가 급격히 상승하는 양상을 보였다. 시료 C의 경우, 100kPa 하중 조건에서 세립분 0%와 25% 시료의 Creep 비중 차이는 11.0%p(14.0%→25.0%)였으나, 300kPa 조건에서는 그 차이가 13.4%p(29.4%→42.8%)로 더욱 벌어졌다. 특히 시료 C의 25% 세립분-300kPa 조건에서는 전체 변형의 약 43%가 시간 의존적으로 발생하였으며, 이는 고성토 환경에서 발생하는 침하의 절반 가까운 수치가 즉시 침하 이후의 잔류 침하로 나타날 수 있음을 경고하는 결과이다(Table 4).
시간 경과에 따른 변형률 곡선의 기울기 변화를 분석한 결과, 약 100,000초를 기점으로 변형 속도가 급격히 전환되는 구간이 식별되었다. 세립분이 포함된 재료는 고응력 조건에서 입자 간 접촉 구조의 재배열 및 마찰 저감 효과로 인해 초기 선형 구간 이후에도 변형이 지속적으로 증가하는 경향을 보였다.
한편, 불포화 상태의 성토체에서는 모관흡수력(Matric suction)에 의해 겉보기 점착력(Apparent cohesion)이 발현되며, 이는 전단강도 및 강성을 증가시켜 초기 변형에 대한 저항 요소로 작용한다(Lu and Likos, 2004). 그러나 세립분 함량이 증가함에 따라 조립토 입자 간 형성되던 골격 구조(skeleton structure)는 점차 붕괴되고, 세립분이 간극을 채우며 매트릭스 지배 구조(matrix-controlled structure)로 전이된다(Thevanayagam et al., 2002). 이 과정에서 조립자 간 직접 접촉(contact point)이 감소하고 하중 전달 경로가 변화함에 따라, 초기에는 골격을 통해 전달되던 유효응력이 세립분 매트릭스를 통해 분산 전달되는 양상이 나타난다.
이러한 구조적 변화는 간극 구조의 재배열과 함께 입자 간 구속 효과를 감소시키고 점성 거동(viscous behavior)을 지배적으로 유도하게 되며, 결과적으로 시간 의존적인 변형이 지속적으로 누적되는 조건을 형성한다. 이는 Fig. 12에서 확인된 바와 같이 세립분 함량이 증가할수록 동일 하중 조건에서도 시간에 따른 변형률 증가가 가속화되는 경향과 정합적으로 나타난다.
이와 같은 역학적 전이에 따른 변형 가속화 경향은 실험 결과에서도 확인되었으며, 특히 세립분 함량이 높은 조건에서 후기 Creep 구간의 지배성이 증가하는 것으로 나타났다. 구체적으로 B 재료와 C 재료에서 후기 Creep의 비중은 세립분 25% 조건에서 FC=0% 시료 대비 각각 2.7배 및 2.3배 증가하였다. 최종 시점에서의 Creep 기울기 편차 또한 세립분이 포함된 시료에서 3배 이상 크게 나타났으며, 이는 고세립분 재료에서 장기 거동의 시간 의존성이 더욱 뚜렷하게 나타남을 의미한다.
다만, 본 연구에서 수행된 Creep 실험은 각 하중 단계별로 약 10일 수준의 시간 범위 내에서 수행되었으므로, 절대적인 장기 침하 거동을 직접적으로 재현하는 데에는 한계가 있다. 그러나 본 연구에서는 시간에 따른 변형률을 로그 스케일로 해석함으로써 초기 및 후기 Creep 구간에서의 변형 특성과 거동 전이 양상을 효과적으로 분석하고자 하였다. 일반적으로 Creep 변형은 시간의 로그 함수 형태로 점진적으로 증가하는 특성을 가지므로, 단기 실험 결과를 통해서도 장기 거동의 상대적 경향성을 평가하는 것이 가능하다.
특히 세립분 함량 증가에 따른 구조적 전이 및 후기 Creep 구간에서의 변형 가속화 경향은 입자 간 접촉 구조 변화와 점성 거동 증가에 기인하는 것으로, 시간 규모가 확대되더라도 동일한 메커니즘 하에서 지속될 가능성이 있다. 따라서 본 연구 결과는 절대적인 장기 침하량의 예측보다는, 세립분 함량에 따른 상대적 Creep 민감도 및 장기 거동 취약성 평가를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
4.2 세립분 함량에 따른 압축 특성
카올리나이트를 혼입하여 재조성한 시료(A, B, C)의 1차원 압축 특성을 분석한 결과, 세립분 함량 변화에 따른 간극비(e)의 거동은 전형적인 ‘U자형’의 비선형 경향을 나타냈다. Fig. 13은 각 하중 단계에서 시료별 세립분 함량과 간극비 사이의 관계를 보여준다. 공시체 성형 직후 측정된 초기 간극비(ei)는 모든 시료에서 공통적으로 세립분 함량 10~15% 구간에서 최저치를 기록하며 지반의 조밀도가 극대화되는 양상을 보였다. 그러나 세립분 함량이 추가로 증가할 경우, 미립자가 조립자 사이를 이격시키는 현상으로 인해 간극비가 다시 반등하는 거동 전이가 확인되었다.
이러한 현상은 내부 입자 간의 상호작용 변화로 설명된다. 초기 단계(FC 10~15%)에서는 미세 입자가 조립자 사이의 공간을 효율적으로 채우는 충진 효과(Filling effect)가 지배하여 지반의 조밀도가 극대화된다. 그러나 세립분 함량이 특정 임계치를 초과하게 되면, 과잉된 미립자가 조립자 간의 접촉을 방해하고 골격을 이격시키는 분리 효과(Separation effect)가 발생하여 전체 간극 부피를 증가시키는 것으로 분석된다. 특히 고하중(320kPa) 상태로 갈수록 함량별 간극비 편차가 수렴하는 양상을 보였는데, 이는 높은 압력 하에서 입자 재배열이 활발해짐에 따라 초기 구조적 차이가 점진적으로 상쇄되기 때문으로 판단된다.
조립자 골격의 지지력을 평가하는 핵심 지표인 입자 간 간극비(es)는 전체 간극비(e)와 달리 세립분 함량 증가에 따라 일관된 우상향 곡선을 그렸다. 시료 A의 경우 320kPa 하중에서 세립분 10%일 때 0.401이었던 es 값이 30% 조건에서는 0.885까지 비약적으로 상승하였다. 이러한 경향은 세립분이 조립자 사이로 침투하여 하중 지지 주체를 조립자 골격에서 세립분 매트릭스로 전이시키고 있음을 정량적으로 보여준다.
본 연구에서는 1차원 압축 실험을 통해 획득한 하중 단계별 간극비(e) 및 입자 간 간극비(es)의 변화량을 기반으로 압축지수(Cc)와 조립재 압축지수(Cc-s)를 식 (3)과 식 (4)를 통해 산정하였으며, 세립분 함량에 따른 각 지수의 변화 추이는 Table 5와 같다.
Table 5.
Compression Index (Cc) and Granular Compression Index (Cc-s) by Fines Content
Table 5에서 확인할 수 있듯이, 지반의 전체적인 압축 저항성을 나타내는 Cc는 모든 시료에서 세립분 함량이 약 10~15%일 때 최저치를 기록하며 공학적으로 안정한 상태를 유지하였다. 특히 시료 B와 C 모두 약 15%를 기점으로 Cc 값이 다시 반등하는 양상을 보였는데, 이는 성토재의 장기 압축성을 최소화할 수 있는 최적의 세립분 범위가 10~15% 내외에서 형성됨을 실증적으로 입증하는 결과이다.
반면, 조립토 골격 자체의 역학적 거동을 투영하는 조립재 압축지수(Cc-s)는 세립분 함량이 증가함에 따라 전반적으로 상승하는 경향을 나타냈다. 이는 미립자가 조립자 간 접촉면에서 외부 하중 작용 시 입자의 미끄러짐 및 재배열을 촉진하는 매개체로 작용하여 변형을 가속화하기 때문으로 판단된다. 특히 입도 분포가 상대적으로 불량한 시료 C에서 15% 대비 30% 조건의 Cc-s 증가 폭이 가장 두드러지게 나타난 점은, 재료의 입도 특성이 취약할수록 고세립분 혼입에 따른 구조적 불안정성과 장기 변형 위험이 더욱 가중됨을 나타낸다.
4.3 전환 세립분 함량(TFC) 구간 평가
본 연구에서는 이러한 es의 변화 추이를 조립재 단독의 최대 간극비(emax,sand)와 비교하여 전환 세립분 함량(TFC)을 도출하는 근거로 삼았다. es가 조립토 고유의 한계 상태를 초과하는 구간은 지반의 공학적 안정성이 급격히 저하되는 시점이며, 이는 성토재의 적정 세립분 관리 기준을 재설정하는 데 있어 물리적인 임계치로 작용한다.
분석 결과, 시료별 TFC 구간은 A 재료 22.3~24.1%, B 재료 21.4~22.7%, C 재료 22.5~25.2% 범위에서 형성되는 것으로 나타났다(Fig. 14). 이는 국내 도로 설계 지침에서 허용하는 세립분 상한치인 25%가 실제로는 지반의 하중 지지 메커니즘이 조립자 골격에서 세립분 매트릭스로 전이되는 불안정 구간과 일치하고 있음을 시사한다. 특히 조립토 자체의 간극이 가장 넓은 시료 C에서 상대적으로 높은 TFC 구간이 도출된 점은, 성토 재료의 입도 특성에 따라 지반의 구조적 변이 시점이 유동적일 수 있음을 보여준다. 물성 기반의 이론적 임계 세립분 함량(FCcrit)을 산출하여 실험적 TFC 구간과 비교한 결과, 시료 A, B, C에서 각각 23.9%, 21.6%, 24.8%의 값을 보였다. 이러한 이론적 수치는 실험을 통해 도출된 전이 구간 내에 모두 포함되거나 상한치에 근접하여 위치함으로써 본 분석의 공학적 타당성을 입증하였다. 이는 이론적 모델이 실제 성토 현장 재료의 거동 전환을 합리적으로 예측할 수 있음을 의미하며, 결과적으로 현행 25% 기준이 이미 거동 전환이 완료되는 위험 임계점에 도달해 있다는 사실을 보여준다(Table 6).
Table 6.
Transition fines contents and critical fines contents
| Material | TFC (%) | FCcrit (%) |
| A | 22.3 - 24.1% | 23.9% |
| B | 21.4 - 22.7% | 21.6% |
| C | 22.5 - 25.2% | 24.8% |
지중구조물의 장기 안정성을 극대화할 수 있는 성능 기반의 적정 세립분 함량(FCotp) 구간을 도출하고자 최대건조단위중량(γd,max)과 압축지수(Cc, Cc-s)를 종합하여 비교하였다. 그 결과, 최적의 다짐 효율을 확보함과 동시에 외부 하중에 대한 저항성이 가장 우수한 FCotp 구간은 재료별로 약 10~20% 범위에 집중되는 것으로 확인되었다(Fig. 15).
구체적으로 시료 A와 B는 10~15% 수준에서 공학적 최적 상태를 보였으며, 시료 C는 입도 분포의 특성상 약 15~20% 구간에서 가장 안정한 거동을 나타냈다. 이러한 결과는 현행 25%라는 관리 기준이 지반의 안정성을 담보할 수 있는 최적 함량 구간(10~20%)을 크게 상회하고 있음을 의미한다. 즉, 현행 기준을 준수하더라도 지반은 이미 구조적 안정성이 취약한 부유 구조(Floating structure) 상태에 놓이게 되며, 이는 고성토 하중 하에서 심각한 Creep 변형을 야기하는 근본적인 원인이 된다.
본 연구를 통해 확인된 거동 전환 구간(약 21~25%) 및 최적 성능 구간(약 10~20%)은 조립 혼합토의 전환 또는 임계 세립분 함량을 약 20~30% 부근으로 정의한 선행 연구들(Kaothon et al., 2022; Marto et al., 2016; Kim, 2018)의 실험 결과와 높은 수준의 유사성을 보였다. 이는 해당 연구에서 사용된 규격화된 표준사뿐만 아니라 입도 분포가 복잡한 실제 고속도로 성토용 재료에서도 세립분 함량이 약 20%를 상회할 경우, 지반 안정성이 급격히 저하될 수 있음을 뒷받침하는 결과이다.
이와 관련하여 한국지반공학회(2020)에서도 세립분 함량이 성토체의 Creep 거동에 직접적인 영향을 미침을 지적하며, 성토체의 품질 확보를 위해 현행 25%의 기준치를 보다 엄격하게 강화해야 할 필요성을 제기한 바 있다. 이는 장기적인 안정성 확보를 위해 현행 규정의 적용성에 대한 재검토가 필요함을 나타낸다(Korean Geotechnical Society, 2020).
다만, 본 연구는 국내 고속도로 현장에서 채취한 3개 시료를 대상으로 수행되었으며, 세립분 재료로 비소성 카올리나이트를 적용한 재구성 시료를 활용하였다는 점에서 결과의 일반화에는 일정한 한계가 존재한다. 특히, 성토재의 입도 분포, 세립분의 광물학적 특성, 그리고 지역적 지질 조건은 지반의 구조적 전이 특성 및 장기 Creep 거동에 영향을 미치는 주요 인자로 작용할 수 있다. 예를 들어, 해성 퇴적층이 발달한 서해안 지역이나 풍화토 비율이 높은 남부 지역의 경우, 세립분의 성질 및 입도 특성이 상이하여 본 연구에서 도출된 TFC 및 최적 세립분 함량 범위와 차이를 보일 가능성이 있다.
그럼에도 불구하고, 세립분 함량 증가에 따라 조립자 골격 구조에서 세립분 매트릭스 지배 구조로 전이되는 거동 메커니즘은 기존 연구(Thevanayagam et al., 2002) 및 본 연구 결과에서 일관되게 확인되는 현상으로, 혼합토의 일반적인 역학적 특성으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제시한 결과는 세립분 함량에 따른 구조적 전이 및 Creep 취약성 평가의 정성적 경향을 설명하는 데 유효하며, 향후 다양한 지역 및 재료 조건을 반영한 추가 연구를 통해 정량적 기준의 범용성을 확장할 필요가 있다.
결론적으로, 본 연구에서 도출된 결과에 따르면 현행 설계 기준에서 명시하고 있는 ‘세립분 함량 25% 이하’ 규정은 고성토 하중 조건 및 본 연구에서 고려된 재료 특성 범위 내에서 지반의 거동 전이가 발생하는 임계 구간과 중첩될 가능성이 있는 것으로 나타났다. 이는 현행 기준이 장기 침하 안정성을 확보하는 데 있어 충분한 여유를 갖지 못할 수 있음을 시사한다.
따라서 본 연구에서 확인된 세립분 함량 증가에 따른 구조적 전이 및 Creep 취약성 증대 경향은, 현행 기준의 적용성에 대한 재검토 필요성을 제시하는 결과로 해석될 수 있다. 특히 고성토와 같은 고응력 조건에서는 세립분 함량이 지반의 장기 거동에 미치는 영향이 더욱 크게 나타날 수 있으므로, 다양한 재료 특성과 하중 조건을 고려한 추가적인 검증과 함께 성능 기반 관리 기준에 대한 논의가 이루어질 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구는 국내 고속도로 지중구조물의 장기 안정성 확보를 목적으로, 실제 성토 현장의 사질토 재료를 활용하여 각각의 성토 높이(4m, 7m, 10m) 조건에서 세립분 함량이 Creep 거동 및 구조적 전이에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 대형 및 1차원 압축 실험을 통해 현행 관리 기준의 공학적 타당성을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 재하 하중이 증가할수록 세립분 함량 변화에 따른 Creep 반응성이 더욱 민감하게 나타났다. 특히 10m 토피고를 모사한 300kPa의 하중 조건에서 세립분 함량의 증가는 지반의 시간 의존적 변형인 Creep 변형률을 비선형적으로 증폭시키는 핵심 원인으로 분석되었다. 또한 모든 시료에서 세립분 함량이 15%를 기점으로 25%에 도달할 때의 변형률 상승 폭이 이전 단계보다 크게 나타났으며, B 시료의 경우 약 5배 가량 증가하였다. 이는 고응력 하에서 미립자가 조립자 간의 마찰력을 저감시키는 윤활제(Lubricant) 역할을 수행하여 입자의 재배열을 물리적으로 가속화하기 때문이며, 고세립분 조건일수록 장기 거동의 불확실성이 심화됨을 보여준다.
(2) 입자 간 간극비(es)의 변화 추이를 통해 도출된 전환 세립분 함량(TFC) 구간은 약 21.4~25.2% 범위로 나타났으며, 이는 물성 기반의 이론적 임계치(FCcrit) 범위인 21.6~24.8%와 높은 수준의 일치성을 보였다. 이러한 분석 결과는 현행 설계 지침에서 허용하는 세립분 상한치인 25%가 지반의 하중 지지 메커니즘이 조립자 골격에서 세립분 매트릭스로 전이되어 구조적 안정성이 급격히 저하되는 물리적 임계점과 중첩되고 있음을 나타낸다.
(3) 최대건조단위중량(γd,max)과 압축지수(Cc, Cc-s)를 비교 분석하여 도출한 공학적 최적 세립분 함량(FCotp) 구간은 약 10~20% 범위에 집중되는 것으로 확인되었다. 이는 현행 25% 관리 기준이 지반의 안정성을 담보할 수 있는 최적 함량 구간을 크게 상회하고 있음을 의미한다. 또한, 세립분 함량 25%에 근접할수록 지반은 이미 하중 지지 능력이 취약한 부유 구조 상태로 진입하여 과도한 장기 변형이 나타날 수 있으며 이로 인한 구조물의 안정성이 저하될 수 있음을 확인하였다.
(4) 실제 고속도로 성토재를 대상으로 한 본 연구의 결과는 이상적인 표준사를 활용한 선행 연구들과 높은 상관성을 보였으며, 이는 입도 분포가 복잡한 실제 현장 재료에서도 세립분이 20%를 초과할 경우 공학적 안정성이 급격히 저하됨을 나타낸다. 따라서 지중구조물의 장기적인 공용 성능 확보를 위해서는 현행 ‘세립분 25% 이하’ 규정에 대해 실제 거동 전이 특성과 하중 조건을 반영한 관리 기준의 적용성 및 적정 수준에 대한 검토가 필요하다. 특히 세립분 함량 15~20% 범위와 관련된 성능 기반 관리 기준의 도입 가능성에 대해서는 추가적인 실험적·현장적 검증을 바탕으로 한 논의가 요구된다. 본 연구에서 도출된 실험적 근거는 향후 보다 합리적인 성토재 품질 기준을 수립하기 위한 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
