1. 서 론
2. 성토지지말뚝과 지반아칭
3. 현장실험 시공
3.1 현장 개요
3.2 지반특성
3.3 성토지지말뚝
3.4 지하매설관 부설
3.5 계측기 설치
3.6 성토 계획
4. 실험결과
4.1 매설관 침하
4.2 측방변형
4.3 지하매설관 변형
5. 고 찰
5.1 침하와 측방변위
5.2 최대 일일 측방변위
5.3 보강 효과
6. 결 론
1. 서 론
해안연약지반을 매립하여 조성한 부지에 생명선(Life line)이라는 수도관, 하수관, 전기 통신관, 공동구 등의 지하구조물을 매설하고 그 주변에 도로 등의 구조물을 축조하기 위한 성토를 실시하는 경우가 많다. 이때, 급속성토를 시행하면 성토하중이 편재하중으로 작용하여 하부연약지반 속에 측방유동이나 활동파괴가 종종 발생하게 되어 지하매설물과 인접구조물의 안전을 위협하게 된다. 해안매립 연약지반 부지에 설치된 지하매설구조물에 가장 보편적으로 변형이 많이 발생되는 경우는 공동주택, 상가, 학교 등의 건축공사 시 지하 터파기로 발생한 토사를 건축공사 완료 후 되메우기용 토사로 사용하기 위하여 인접부지에 그대로 쌓아놓는 경우가 많다. 이러한 성토하중이 매립 연약지반에는 상재하중으로 작용하여 연약지반의 측방변형을 유발하게 된다. 연약지반의 측방유동으로 인한 지하매설관의 변형 및 파손 시에는 사회적으로 많은 불편을 초래하게 된다.
측방유동으로 인한 지하매설관의 거동에 대해서 그동안 지하매설관에 작용하게 되는 측방토압의 메커니즘을 정확히 규명해야 할 필요에 대해서 Vesic(1972)이 발표하였고, 실내 모형실험과 수치해석을 통하여 측방토압의 영향으로 지하매설관 변형에 관한 파괴모드와 메카니즘을 확인하기 위해 연약지반의 변형속도, 매설관의 직경, 매설관의 형상을 변화시키면서 측방변형지반 속 매설관에 작용하는 측방토압을 관찰하였다(Hong and Kim, 2010). 또한, Pettibone and Amster(1967), Shmulevich et al.(1985), Sargand and Hazen(1993), Potts and Zdravkovic(1999), Mohareb et al.(2001)의 지하매설관에 관한 연구결과가 있다. 그러나 측방변위로 인한 지하매설관 변형 억지연구에 대해서는 아직 부족한 현실로써 성토로 인한 지하매설관의 측방변형 억지대책에 관한 연구가 필요한 실정이다.
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(a) 2-D Ground Arching | (b) 3-D Ground Arching |
Fig. 1. Ground Arching of Embankment Pile System (Hong and Lee, 2002) | |
본 연구에서는 원지반 상단에 준설해사로 매립한 부지에 단지성토로 인한 측방유동에 의한 지하매설관의 변형거동연구를 위하여 매립이 진행 중인 해안연약지반에 실험시공을 시행하였다. 현장 실험시공을 통하여 측방변형지반 속 지하매설관에 작용하는 측방토압을 저감하기 위해서 억지공법으로 성토지지말뚝을 적용하여 성토에 따른 측방변위 억지에 대한 효과를 평가하기로 하였고 성토에 의한 연약지반의 측방유동으로 인해 발생하는 지하매설관의 거동 억지를 분석하였다.
2. 성토지지말뚝과 지반아칭
성토지지말뚝 시스템의 원리는 성토지반 속에 발생하는 지반아칭현상에 의하여 성토하중을 말뚝으로 전이시켜 직접 지지층에 전달함으로써 연약지반의 측방유동과 활동파괴 및 잔류파괴를 억제하는 것이다.
연약지반상 성토시공은 성토자체의 안정성과 함께 침하에 대한 안정성을 동시에 고려해야만 한다. 두 가지 조건 중 어느 한 가지라도 만족되지 못하면 구조물의 안정성을 보장할 수 없기 때문이다. 연약지반의 측방유동으로 인한 피해가 예상되는 국내 성토 건설 현장에 성토지지말뚝공법을 위해 수년간 연구가 진행되었다(Hong et al., 1999; 2000a; 2000b; Lee et al., 2001; Hong and Lee, 2002; 2003). 연약지반상의 성토에 있어 말뚝을 사용하는 것은 북유럽 및 동남아시아 지역에서는 보편화되어 있는 시공법이다(Gartung & Verspohl, 1996; Holmerg, 1978; Johnes et al., 1990; Reid ＆ Buchanan, 1984).
성토지지말뚝시스템의 원리는 성토지반 속에 발생하는 지반아칭현상에 의하여 성토하중을 말뚝으로 전이시켜 직접 지지층에 전달함으로써 연약지반의 측방유동과 활동파괴 및 잔류파괴를 억제시키는 것이다. Terzaghi (1943)가 지반아칭현상을 정의한 이후, 터널이나 사면 등 지반공학분야에서 지반아칭이론을 적용한 많은 이론들이 제안되어 왔다(Ito and Matsui, 1975; Matsui, et al., 1982). 성토지지말뚝시스템에서는 연약지반에 작용하는 연직응력이 성토압(
)보다 작을 때 및 말뚝캡에 작용하는 연직응력이 성토압보다 클 때 지반아칭현상이 발생되었다고 평가할 수 있다(여기서 
: 성토재 단위중량, 
: 성토고). 연약지반으로의 응력이 감소하고 말뚝으로의 응력이 증가하는 이유는 연약지반이 말뚝에 비해 상대적으로 강성이 작고, 압축성이 크기 때문으로 설명된다. 지반아칭의 정도를 가늠하는 정수로서 효율(Efficiency)과 응력감소비(Stress reduction ratio)를 사용하며, 각각 식으로 표현하면 식 (1) 및 식 (2)와 같다(Hewlett and Randolph, 1988; Horgan and Sarsby, 2002).
(1)
(2)
3. 현장실험 시공
3.1 현장 개요
실험시공 현장은 국내 서해안의 대표적인 연약지반 지대라 할 수 있는 경기도 안산･시화 지역의 해안매립 지반으로 시화방조제 시점과 인접한 곳이며 해안 연약지반인 원지반 상단에 약 1.5m 정도를 준설 해사를 이용하여 매립한 상태이다. 특히, 본 현장을 실험시공 부지로 선정한 사유는 인근지역에 본 연구의 목적이라 할 수 있는 건축공사 터파기시 발생하는 되메우기 토사를 인접부지에 무분별한 성토로 지하매설관의 측방유동 파괴가 많이 발생하여 연구대상 부지의 조성이 완료된 후 입주과정에서도 유사한 지하매설관의 파괴가 발생할 것이 예상되어 본 연구의 실험부지 대상으로 선정하였다.
3.2 지반특성
본 실험부지의 지층은 지표면 하부 1.5～5.0m 구간에서는 N치가 7 정도이고 하부로는 10m 까지는 N치가 2 정도의 연약한 점토로 나타났다. 점토층의 비배수전단강도 
는 약 0.14～0.25kgf/cm2이고 점착력은 0.18～0.25 kgf/cm2이며, 내부마찰각은 25°～30°이다. 또한, 이 지역의 해성 퇴적토의 경우 통일분류법상 CL이 약 75%, CH가 약 15% 정도가 되며, 액성지수는 0.2～5.2의 매우 연약한 점토이며, 활성도는 1.86로 활성점토로 구분할 수 있다.
3.3 성토지지말뚝
성토로 인한 측방유동 억지효과를 재현하기 위한 성토지지말뚝은 직경 100mm(t=2.3mm)의 강관을 사용하였다. 성토지지말뚝을 3 × 3열로 배치 관입하였고 말뚝 간격은 가로･세로 1.5m이며 말뚝 길이는 6～10m로 결정하였다. 말뚝 설치 후 Fig. 3처럼 캡콘크리트를 타설하였다.
3.4 지하매설관 부설
시험시공에 사용할 지하매설관은 오･우수관으로 가장 활용도가 높은 흄관(D=400mm)을 사용하였다. 매설관 부설 심도는 실험부지가 연약지반인 점을 감안하여 심도가 깊으면 별도의 흙막이벽체 설치가 필요하여 일반적인 오･우수관 부설심도의 가장 얕은 심도인 1.5m를 적용하였다. 매설관 부설연장은 5본(2.5m/본), 12.5m를 설계하였다. 5본을 설계한 이유는 매설관은 이음부에 응력이 집중하여 변형이 발생되는데 매설관 상단에 침하판을 설치하는 것을 고려하여 홀수로 설치하였고, 평면변형률 상태로 설치하는 성토체에 양질의 효과를 얻기 위해서는 매설관 길이가 길수록 유리하므로 5본으로 결정하였다. 또한, 매설관 부설 후 부등침하를 방지하고 실제 지하매설관의 설치조건과 동일하게 하기 위해 원지반 상단에 약 0.2m 두께로 40mm 이하 골재를 포설한 뒤 매설관을 부설하였고 되메우기를 한다.
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(a) Typical Section | (b) Plane |
Fig. 4. Non-Reinforcement Plan (Scale : None) | |
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(a) Typical Section | (b) Plane |
Fig. 5. Reinforcement Plan (Scale : None) | |
3.5 계측기 설치
터파기 토사를 되메우기 후 침하판을 설치한다. 침하판은 지하매설관 중간지점 상단에 설치하여 침하판의 융기 및 침하를 관찰하는 것으로 하였다. 지중경사계는 성토로 인한 지중변위를 판단하기 위하여 재하성토의 영향을 가장 크게 받는 성토체 사면 끝단과 측방유동으로 인한 매설관의 거동을 확인하기 위하여 지하매설관 후면에 설치한다.
3.6 성토 계획
성토는 총 3단계로 나누어 시행하였고, 3일간 매일 성토하는 것으로 계획하였다. 총 성토높이는 5m로 계획하였고 1단 성토는 2.0m, 2단 성토는 1.5m, 3단 성토는 1.5m로 성토하는 것으로 하였다. 성토체 폭은 하부는 15m로 상부는 8m로 결정하였다. 사면의 경사는 성토재료의 최소 안식각을 고려하여 1:0.7로 계획하였다.
4. 실험결과
매립된 해안연약지반에 성토로 인한 측방유동의 영향으로 성토 후 계측결과는 다음과 같다.
4.1 매설관 침하
침하판을 설치 후 지반이 안정화가 된 후 초기치를 설정하였다. 침하 측정은 성토 중에는 매일 시행하였고, 71일간에 걸쳐 총 10회의 계측을 시행하였다. 매설관의 누적침하량측정 결과를 깊이별로 살펴보면 Fig. 6과 같다. 초기의 침하관계를 자세히 확인하기 위하여 반대수축(semi- logarithmic)을 적용하여 정리하였다.
무보강 실험의 침하계측 결과는 성토 기간에는 매일 1mm 정도의 침하로 급격한 침하는 발생하지 않았고 총 127mm의 침하량이 발생되었고, 성토지지말뚝보강부위는 성토도중에는 아주 작은 값이지만 성토의 영향으로 지반이 융기되는 것으로 나타났고, 총침하량은 81mm가 발생되었다. 성토가 끝난후에 지속적으로 침하가 발생하는 경향을 보이고 있다.
4.2 측방변형
무보강실험의 경우 성토체 사면끝단에 설치한 경사계를 1번, 매설관 후면에 설치한 경사계를 2번으로 성토지지말뚝 보강 실험의 경우 사면끝단에 설치한 경사계를 3번, 매설관 후면에 설치한 경사계를 4번으로 구분하였다.
무보강 시험의 경사계에 대한 계측결과를 Fig. 7에 도시하였다. 성토체 사면끝단에 설치한 경사계(1번)의 경우 최대변위량은 184.23mm로 나타났다. 또한, 매설관 후면에 설치한 경사계(2번)의 경우 최대변위량은 69.6mm로 나타났다.
Fig. 8은 성토지지말뚝 보강 실험의 결과이다. 성토체 사면끝단 경우 88.04mm, 매설관 후면에 설치한 경사계의 최대 측방변형이 47.1mm로 나타났다. 최종적인 변위 방향은 하중 작용방향인 매설관측으로 나타났으나, 성토초기에는 하부지반(지표면 7.5～9.0m)에서는 성토체 방향으로 변위가 발생한 것으로 나타났다. 또한, 성토체 끝단에 설치한 경사계는 심도별로 변위를 받는 경향에 많은 차이가 있었으나 매설관 후면은 상대적으로 심도별 변위의 변화가 크지 않고 선형적으로 나타났다.
이 실험 결과로 무보강실험의 경우 성토체 끝단이 3m 이격한 지하매설관 끝단보다 약 2.6배의 정도 크게 변위가 발생한 것으로 나타났고, 성토지지말뚝 보강실험에서는 성토체 끝단의 측방거동보다 약 1.87배 변위가 발생하였다. 두 실험을 비교하면 무보강과 성토지지말뚝을 보강한 결과 성토체 끝단에서 성토지지말뚝 보강이 약 2.1배의 효과가 발생하였고, 지하매설관 끝단에서는 보강한 실험이 약 1.47배로 나타났다.
4.3 지하매설관 변형
성토 전후 측방유동으로 인한 지하매설관의 변형 상태를 관측하기 위해 지하매설관을 3차원 스캐닝한 결과는 Fig. 9와 같다. 성토전 지하매설관을 스캐닝후 침하와 수평변위 계측을 완료하고 지하매설관이 지장을 받지 않도록 굴착후 스캐닝하여 전후 결과를 Matching하여 분석하였다.
성토전후의 수직변위와 수평변위는 관을 중심에서 왼쪽으로 거동되면서 침하한 결과를 나타내고 있다. 변위발생량은 무보강의 경우 4.128～15.880mm를 거동하였으며, 성토지지말뚝 보강부위는 2.404～5.714mm를 거동된 상태로 매설관의 중간이 가장 변위가 적게 나타났다.
5. 고 찰
5.1 침하와 측방변위
Fig. 10은 침하에 따른 측방변위를 나타낸 것이다. 단계별 성토로 인하여 침하가 증가할수록 측방변위도 증가하는 추세이다. 성토체 끝단지점에서 무보강 실험 결과 δ=2.61S+16.23로 나타났고, 성토지지말뚝 보강 실험에서는 δ=1.07S+0.81로 확인되었다. 성토체 끝단에서 3m 이격한 지점에서는 무보강 실험이 δ=1.28S+1.89로 나타났고, 성토지지말뚝 보강실험은 δ=0.73S+1.34로 나타나 성토지지말뚝에 대한 효과가 있는 것으로 확인되었다.
5.2 최대 일일 측방변위
Fig. 11은 1일당 측방변위량을 나타낸 것이다. 1일당 측방변위량은 무보강이나 억지보강에 따른 보강여부나 성토체 끝단이나 3m 이격한 지점 모두 성토기간 변위량이 증가하는 추세이다. 1일 최대 수평변위는 최종 성토후 점차 감소하는 추세이다. Fig. 12는 1일당 측방변위를 심도별로 구분한 것이다. 성토지지말뚝 보강으로 보강된 지점의 수평변위는 심도에 비례하여 변위가 감소하는 추세이다.
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(a) Modeling | (b) Matching |
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(c) Non-Reinforcement | (d) Reinforcement |
Fig. 9. 3D Scanning of Buried Pipe | |
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(a) Non-Reinforcement | (b) Reinforcement |
Fig. 10. Settlement & Displacement | |
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(a) Non-Reinforcement | (b) Reinforcement |
Fig. 11. Displacement per Day | |
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(a) Clinometer(#1) | (b) Clinometer(#2) |
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(c) Clinometer(#3) | (d) Clinometer(#4) |
Fig. 12. Displacement Per Depth | |
5.3 보강 효과
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(a) Reinforcement Effect for Displacement | (b) Reinforcement Effect for Settlement |
Fig. 13. Reinforcement Effect | |
Fig. 13(a)는 무보강과 성토지지말뚝을 보강하였을 경우 변위에 대한 보강 효과를 나타낸 것이다. 심도에 따라 최소 1.74배에서 최대 4.65배 까지 평균 약 2배의 보강 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히, 하부지반에서 상대적으로 보강 효과가 있는 것으로 나타났다. Fig. 13(b)는 무보강과 성토지지말뚝을 보강하였을 경우 침하에 대한 보강 효과를 나타낸 것이다. 최소 1.0배에서 최대 1.7배 까지 평균 약 1.35배의 보강 효과가 있는 것으로 나타났다. 이로써 연약지반에 성토로 인한 지하매설관의 측방이동 방지를 위한 성토지지말뚝 보강의 효과는 침하보다 변위에 더 유리하다는 것을 알수 있다.
6. 결 론
측방유동 연약지반내에 설치된 지하매설관의 성토로 인한 거동과 이에 대한 억지대책으로 성토지지말뚝 적용으로 인한 억지효과를 분석하기 위하여 매립중인 해안연약지반에 지하매설관을 설치하고 침하판과 지중경사계를 이용하여 인접하여 실시된 성토 시행으로 인한 지하매설관의 거동과 억지효과에 대한 현장 실험시공에 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1)연약지반상의 지하매설관 침하경향은 성토도중에는 융기가 되었다가 침하가 발생하였으며 점차 수렴하는 결과를 나타났고, 성토하중은 지하매설물의 안전성에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
(2)지하매설관의 연직변위 결과 무보강에서는 총 127mm의 침하량이 발생되었고, 성토지지말뚝보강부위는 총침하량은 81mm가 발생되었다. 수평변위는 성토체 끝단에서 무보강의 경우 184.23mm로 나타났고, 성토지지말뚝 보강의 경우 88.04mm로 나타났다. 지하매설관 뒤에서는 무보강에서는 69.6mm로 성토지지말뚝 보강에서는 47.1mm로 나타나 성토지지말뚝 보강이 침하나 수평변위 모두 보강 효과가 있는 것으로 확인되었다.
(3)성토로 인한 지하매설관의 침하와 측방변위에 대한 억지대책으로 적용한 성토지지말뚝은 효과가 있는 것으로 분석되었고, 침하보다는 측방 변위에 더 효과적인 것으로 판단된다.
