1. 서 론
2. 방법론
3. 물성 시험
3.1 원지반 시료의 물성 특성
3.2 유기물 함량에 따른 비중 특성
3.3 유기물 함량에 따른 Atterberg 한계 특성
4. 유기물 함량에 따른 압밀 거동 분석
4.1 일차원 압밀 시험
4.2 장기 압밀 시험
5. 결 론
1. 서 론
최근 하천 유로 확장, 항만 수심 증대 등과 같은 수중 굴착 과정에서 발생한 준설토를 매립하여 대규모 항만 및 공항 인프라를 건설하는 사례가 증가하고 있다. 이와 같은 준설매립 점토지반은 퇴적 연대가 짧아 고결도가 낮고, 전반적으로 강도가 약한 특성을 가진다(Dredgeding and reclamation technology committee, 2006; Yoon and Kim, 2011). 따라서 장기적인 지반 침하가 발생할 가능성이 높다. 특히 자동화 부두 및 스마트항만의 기계식 설비가 지반 침하에 매우 민감하게 반응하고 있어, 침하량 관리가 중요하다.
현재 설계 및 시공 단계에서는 대부분 즉시침하와 일차 압밀 침하만을 고려하고 있으며, 시간이 경과함에 따라 발생하는 이차압축 침하는 충분히 반영되지 않고 있다. 2018년 부산항신항 웅동배후단지에서 발생한 지반 침하는 사회적으로 이슈가 되었다. 점토 내 유기물 함량은 시간이 경과함에 따라 분해되어 체적 감소를 유발하고(Minor et al., 2014; Nguyen et al., 2022), 장기 침하의 주요 원인으로 작용한다(Park et al., 2001; Oliveria et al., 2023). Mersi와 Castro(1987)는 유기질 점토의 이차압축지수(Cα)가 무기질 점토보다 높은 경향이 있음을 제시하였다. 즉, 유기질 점토의 Cα 값은 0.05±0.01로서, 무기질 점토(0.04±0.01)보다 크게 나타났다.
준설토에 포함된 유기물 함량은 발생 위치와 환경에 따라 다양하다. Maher와 Jafari(2012)는 뉴욕/뉴저지 항만 수로에서 채취한 점토의 유기물 함량이 0.5–5.3%임을 보고하였으며, Little(1995)은 같은 지역에서 5–15%의 고유기물 준설토가 발생했다고 언급하였다. 또한 로테르담 항만에서는 5–30%(Amar et al., 2021), 홍콩 퉁총 지역은 4.66%(Huang et al., 2025)의 함량이 보고된 바 있다. 국내에서도 강열감량법을 이용하여 유기물 함량을 확인한 결과 부산 신항만 내 퇴적토에서는 8–10%(Choi and Lee, 2011), 진해만 입구 해역의 표층 퇴적물에서는 4–8%(Hyeon et al., 2003), 진해 당동만 퇴적물에서는 13.3±0.47%(Yang and Shin, 2020)의 범위로 보고된 바 있다. 이처럼 유기물 함량은 지역 및 환경 조건에 따라 상이하게 나타나며, 동일한 유기물 함량이라도 준설 과정 및 환경 특성에 따라 압밀 거동이 달라질 수 있다. 특히 부산·경남 지역은 전국에서 두 번째로 많은 준설토가 발생하고 있으며, 준설토를 활용한 매립지도 다수 형성되어 있다(Lee et al., 2015). 이러한 지역적 특성을 고려할 때, 부산·경남 지역에서 준설매립 점토 지반을 대상으로 한 설계 및 시공 시 장기 압밀 침하를 더욱 면밀하게 검토할 필요가 있다. 따라서 유기물 함량에 따른 지반의 물리적 특성과 압밀 거동을 정확히 평가하고 분석하여, 장기적인 침하와 같은 지반공학적 문제를 예방하기 위한 철저한 관리 및 대책 마련이 필수적이다.
유기물이 지반 침하 특성에 미치는 영향을 규명한 선행연구를 살펴보면, Hamid와 Burkart(2010)는 자연 상태에서 채취한 시료를 이용하여 침하 거동을 분석하였다. 그러나 유기물 함량 범위가 3.2~3.8%로 제한적이다. Develioglu와 Pulat(2019)는 고온 소성을 통해 유기물을 단계적으로 제거하는 방법을 사용했으나, 유기물의 물리·화학적 성질이 변형되는 한계가 있다. Hamouche와 Zentar(2018)는 과산화수소 처리를 통한 유기물 제거와 외부 유기물(퇴비) 첨가를 병행했다. 그러나 첨가한 유기물 종류가 다르기 때문에 유기물 함량에 따른 지반공학적 특성을 명확히 비교하기 어렵다. 국내에서 유기물 함량이 지반 침하 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 미진하다. 특히 국내 부산·경남권 낙동강 하구-연안 환경의 준설매립 점토지반을 기반으로 다양한 유기물 함량에 따른 물성 및 압밀 특성을 체계적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다. 또한 선행연구는 자연 해성점토 또는 피트에 대한 장기 압밀·크리프 특성 보고가 주류를 이루나, 준설매립 과정을 거쳐 재구성된 점토층에서 유기물 함량을 계통적으로 통제하여 물성-압밀정수-허용 잔류침하의 시간적 초과 시점까지 일관되게 제시한 사례는 드물다.
본 연구는 이러한 공백을 메우기 위해, 국내 부산·경남권에 위치한 ○○항만의 매립 현장에서 채취한 준설매립 점토 시료를 이용하여, 유기물 함량이 지반의 물성 및 압밀 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 연구 대상지는 ○○항만 준설토 투기장으로, 유기물 함량별 시료를 제작하여 비중시험, 액성한계 및 소성한계 시험, 그리고 일차원 압밀 시험을 수행하였다. 이를 통해 유기물 함량 변화에 따른 지반의 장·단기 거동 특성을 규명하고, 스마트항만 등 정밀 침하 관리가 요구되는 기반시설의 설계 및 시공에 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 방법론
본 연구에서는 준설매립 점토지반의 유기물 함량 변화가 지반의 물성 및 압밀 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해, 다양한 유기물 함량 조건을 갖는 시료를 제작하고 실내 실험을 수행하였다. 전체적인 연구 흐름과 실험 절차는 Fig. 1과 같다. 시료 채취, 탈염(desalination) 및 전처리, 유기물 함량 조절, 물성 및 압밀 특성 시험, 결과 분석의 단계로 구성된다.
실험에 사용된 준설매립 점토는 경상남도에 위치한 ○○항만 준설토 투기장에서 채취하였다. 시료 제작 시 폐조개 등을 제거하기 위해 모든 시료는 40번 체(0.425mm)를 통과한 준설토를 사용하였다. Fig. 2는 시료의 탈염을 위한 과정을 나타낸다. 채취된 시료는 약 0.7%의 염분을 포함하고 있다. 준설토에 포함된 염분 영향을 배제하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 증류수를 이용한 탈염 과정을 수행하였다. Fig. 2(b)는 각 탈염 단계마다 염분 농도를 측정하는 것으로, 시료 내 염분 농도가 0.1% 미만으로 감소할 때까지 탈염 과정을 반복하였다. 탈염된 시료의 염분 함량이 0.1% 미만으로 측정될 경우 탈염이 완료된 것으로 간주하였다(Song et al., 2017). 탈염 과정에 따른 염분 농도 변화는 Fig. 3에 정량적으로 나타나 있다.
Fig. 4는 다양한 유기물 함량을 가지는 시료를 만드는 과정을 나타낸다. Fig. 4(a)와 같이 과산화수소를 이용하여 시료에 혼합된 초기 유기물을 제거하기 위한 산화 처리 과정을 수행하였다. 고온 소성과 달리, 과산화수소를 이용한 산화법은 태움에 의한 점토의 지반공학적 특성 변형을 방지하면서 유기물을 제거할 수 있기 때문에 현장성을 반영한 처리 방식으로 적합하다(Hamouche and Zentar, 2018). 예비 시험 결과를 바탕으로 시료와 과산화수소를 1:3.33 비율로 혼합하여 24시간 동안 교반을 지속하였다. 이와 같은 과정을 3회 반복한 후 강열감량 시험을 수행한 결과, 초기 7.2% 수준의 유기물 함량을 0.1% 미만까지 낮출 수 있었다.
염분과 유기물이 제거된 점토는 105°C에서 24시간 건조 후 균질하게 분쇄하여 기초 시료로 사용하였다. 이후, 대상지의 유기물 성상과 유사한 해조류 기반 유기물질을 사용하여 Fig. 4(b)와 같이 목표 유기물 함량(0%, 4%, 8%, 12%, 24%)에 맞추어 시료를 제작하였다. 본 연구에서 사용된 해조류 기반 유기물은 국내 연안산 건조 해조류 혼합 분말로, 증류수 세척, 탈염 과정을 거친 후 105℃에서 24시간 건조하고 #40(0.425mm) 체를 통과시켜 균질화하였으며(Satagata et al., 2008; Kifae et al., 2017), 강열감량법을 통한 유기물 중량 손실에 따른 기초 특성을 확인한 뒤 시료 제조에 사용하였다. 모든 시료에 동일한 유기물 종류를 사용함으로써 유기물 기원에 따른 영향을 배제하고, 함량 변화에 따른 지반 거동만을 분석할 수 있도록 하였다. 그리고 제작된 유기질토 시료는 압밀 시험을 위해 초기 함수비 500%의 슬러리 상태로 조성한 후, 상부 수층을 제거하고 직경 150mm, 높이 60mm의 원형 몰드에 충전하였다. 이후, 상부에 필터페이퍼와 다공석판을 설치하고, Fig. 4(c)와 같이 선행하중(5kPa 하중)을 24시간 동안 재하하였다.
본 연구에서 제안한 실험 방법은 준설매립 지반의 실제 조건을 최대한 반영하면서도, 유기물 함량 조절의 정밀도와 실험 간 일관성을 확보하는 데 중점을 두었다. 단, 동일한 기반 시료를 사용하더라도 유기물 함량 차이에 따라 초기 간극비와 같은 미세한 물성 차이가 발생할 수 있다.
3. 물성 시험
준설매립 점토지반은 일반적인 자연 지반과는 달리 연약한 상태로 형성되어 있다. 준설 및 매립 과정에서 유입되는 유기물의 종류 및 함량에 따라 지반 물성이 매우 다양하게 나타난다. 특히 준설 점토의 지반 물성은 매립지반 설계와 시공 단계에서 침하 및 압밀 거동을 예측하기 위한 필수적인 기초자료로 활용되고 있다. 준설매립 점토의 물리적 특성을 명확히 파악하지 못한 상태에서 공학적 설계를 수행할 경우 장기 침하 및 지지력 부족과 같은 안정성 문제로 이어질 수 있어, 준설매립 점토에 대한 철저한 물성 시험이 필수적이다.
본 연구에서는 ○○항만 준설매립 부지에서 채취한 원지반 시료 및 유기물 함량을 조절하여 제작한 시료를 대상으로 물성 시험을 수행하였다. 수행된 주요 물성 시험은 비중시험(specific gravity test), 액성한계시험(liquid limit test), 소성한계시험(plastic limit test), 입도분석(grain size analysis), 그리고 강열감량시험(loss on ignition, LOI)이다. 이와 같은 일련의 물성 시험을 통해 준설매립 점토의 유기물 함량 변화가 지반 물성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였으며, 이를 바탕으로 유기물 함량에 따른 준설매립 점토의 공학적 특성을 분석하였다.
3.1 원지반 시료의 물성 특성
본 연구에서 사용된 준설매립 점토의 주요 물성치는 Table 1에 요약되어 있으며, 모든 값은 평균값을 사용하여 입력하였다. 자연 함수비는 102.3%로 연약한 해성점토의 특성을 반영하는 높은 수분 함량을 보였다. 비중은 2.58로 일반적인 점토광물과 유사한 수준이다. 액성한계와 소성한계는 각각 49.1%와 27.0%로 측정되었으며, 이에 따른 소성지수는 22.1%로 산정되어 해당 점토가 비교적 저소성 범위에 속함을 나타낸다. 입도 분석 결과, #200 체 통과율은 98.2%로서 대부분이 세립토로 구성되어 있다. 강열감량 시험에서 유기물 함량이 7.2%로 확인되었다. 이와 같은 특성은 향후 수행될 유기물 함량 실험의 기준값으로 활용된다.
Table 1.
Physical properties of dredged-reclaimed clay
| Water content | Specific gravity | Loss of ignition | Liquid limit | Plastic limit | Plasticity index | USCS | No.200 Passing |
| 102.3% | 2.58 | 7.2% | 49.1% | 27.0% | 22.1% | CL | 98.2% |
3.2 유기물 함량에 따른 비중 특성
유기물 함량 변화가 준설토의 물성에 미치는 영향을 파악하기 위해, 다양한 유기물 함량 조건에서 비중(specific gravity)을 측정하였다. 비중은 간극비, 포화도, 함수비 등과 같이 주요 지반정수이다. 비중 시험은 ASTM D854에 따라 증류수를 사용한 피크노미터(pycnometer) 방식으로 수행되었으며, 유기물 함량별 건조 시료를 대상으로 측정하였다.
Fig. 5는 유기물 함량에 따른 비중 변화 경향을 나타낸다. 유기물은 일반적으로 밀도가 낮기 때문에 유기물 함량이 증가할수록 비중은 감소하는 경향을 보인다(Kang et al., 2017; Develioglu and Pulat, 2019; Gui et al., 2021). 유기물 함량이 0%일 때 비중은 2.59이었으며, 유기물 함량이 증가함에 따라 비중은 지속적으로 감소하였다. 이와 같은 경향은 유기물 입자 비중이 흙 시료의 비중보다 작기 때문에 전체 시료의 평균 비중을 감소시킨다. 이는 준설매립 지반의 유기물 함량 변화가 지반 물성에 유의미한 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다.
3.3 유기물 함량에 따른 Atterberg 한계 특성
Atterberg 한계 시험은 점토의 함수비 상태 변화에 따른 물성 경계를 정량화하는 대표적인 시험이다. 본 연구에서는 유기물 함량 변화가 액성한계(Liquid Limit, LL), 소성한계(Plastic Limit, PL), 및 소성지수(Plasticity Index, PI)에 미치는 영향을 분석하였다. ASTM D4318-17 기준에 따라 유기물 함량을 0%, 4%, 8%, 12%, 24%로 조절한 시료를 대상으로 Atterberg 한계 시험을 수행하였다.
Fig. 6은 유기물 함량에 따른 액성한계 시험 결과이다. 유기물 함량이 증가함에 따라 액성한계는 점진적으로 증가하는 경향을 보였다(Develioglu and Pulat, 2019; Gui et al., 2021). 이는 유기물이 물을 흡착·보유하는 친수성(hydrophile) 특성에 따라 유기물 함량이 증가함에 따라 점토가 액상으로 전이되는 함수비 임계점이 높아진 것으로 해석된다.
소성한계 또한 유기물 함량에 비례하여 증가하는 경향을 나타냈다(Fig. 7). 이러한 결과는 기존의 문헌 연구에서도 비슷한 경향을 보였다(Kang et al., 2017; Develioglu and Pulat, 2019; Gui et al., 2021). 유기물은 점토 입자 간의 결합력과 수분 보유 능력에 영향을 미치므로, 유기물 함량 증가는 점토의 소성 특성에 유의미한 변화를 발생시켰다.
액성한계와 소성한계 결과를 바탕으로 Casagrande(1932)가 제안한 소성도표(plasticity chart)에 도시하였다(Fig. 8). Casagrande 소성도표는 LL과 PI를 기준으로 흙을 CL, ML, OL, MH 등으로 분류할 수 있다. 특히 A-line은 무기질 점토와 실트를 구분하는 기준으로 활용된다. 도표 상에서 유기물 함량이 0%인 시료는 LL 38.51%, PI 22.5%로서 CL(무기질 점토) 영역에 위치한다. 유기물 함량이 증가함에 따라 LL은 뚜렷하게 증가한 반면 PI는 상대적으로 완만하게 감소하는 경향을 보였다. 유기물 함량이 12%를 초과하는 시점부터는 자료점이 A-line 하부로 이동하여 ML 또는 OL 영역에 위치하였다. 특히 24% 유기물 함량 조건에서는 LL이 58.02%에 달했지만 PI는 20% 미만으로 유지되어 고압축성 무기질 실트(MH) 또는 유기질 실트(OH)로 분류되었다. 이는 유기물이 흙 입자 사이에 흡착되며 정전기적 인력을 약화시키고, 동시에 소성지수의 증가를 제한함을 시사한다.
이러한 소성도표 상에서 이동은 유기물 함량이 증가할수록 점토의 소성 특성보다 압축성과 침하 특성이 상대적으로 더 크게 변화함을 나타내며, 특히 유기물 함량 12% 이상인 시료는 고압축성 거동을 보이므로 설계 시 보수적 접근이 필요하다. 또한 소성지수 변화보다 압축성 성향이 더 민감하게 반응하였다는 점은 장기 압밀 및 이차 침하 가능성을 고려한 기초설계에서 중요한 시사점을 제공한다.
4. 유기물 함량에 따른 압밀 거동 분석
준설매립 점토지반은 시공 초기 높은 함수비와 간극비를 가지며, 장기간에 걸쳐 유기물 분해와 점토 입자 간의 구조적 재배열(plastic rearrangement)에 의해 추가적인 압밀침하가 발생할 가능성이 크다. 특히 유기물 함량은 점토의 초기 물성뿐만 아니라 장기 압밀 거동 및 이차압축 특성에도 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 준설매립 점토지반의 설계 및 관리 단계에서 유기물 함량 변화에 따른 압밀특성을 정밀하게 평가하고 예측하는 것은 필수적이다.
본 연구에서는 ○○항만 준설매립 점토지반의 유기물 함량에 따른 압밀 거동을 분석하기 위해, 유기물 함량을 조절하여 제작한 점토 시료(2절 참조)를 사용하여 압밀시험을 수행하였다. 압밀시험은 일반적으로 현장에서 발생하는 실제 응력 조건을 모사하여 흙의 압축성과 장기적인 침하 특성을 평가하는 방법으로서, 대표적인 시험법으로 일차원 압밀시험이 활용된다.
본 연구에서 수행한 압밀시험은 ASTM D2435-11 규격에 따라 표준화된 방법을 준수하여 진행하였다. 압밀시험 과정은 단계적 하중을 24시간씩 재하하는 단기 압밀시험(일차원 압밀시험)과, 장기적인 하중 유지로 유기물의 분해 및 구조적 재배열 효과를 평가하는 장기 압밀시험으로 구성하였다. 압밀시험에서 최대 유효응력은 160kPa로 설정하였다. 이는 부산·경남 낙동강 하구 준설매립 점토층의 두께와 성토·운영 하중을 고려할 때 현장에서 지배적인 유효응력 상한 범위에 해당하며, 과도한 고응력 재하로 인한 비현장적 구조 붕괴를 피하면서 최종 단계에서 장기 정재하 구간을 확보하여 이차압축률의 직선 구간을 명확히 추출하기 위한 선택이다. 본 연구에서는 현장 응력환경을 대표하는 160kPa에서 모든 시료의 Cc·Cα를 일관 조건으로 산정하였다.
4.1 일차원 압밀 시험
유기물 함량이 준설매립 점토의 압밀 특성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해, 다양한 유기물 함량(0%, 4%, 8%, 12%, 24%) 조건에서 일차원 압밀 시험을 실시하였다. 실제 준설매립지반의 하중 조건을 고려하여 5kPa을 선행 재하하여 시료를 안정화한 후, 단계별 압밀 하중(10, 20, 40, 80, 160kPa)을 24시간 간격으로 순차적으로 재하하였다. 사용된 시험 장비는 Fig. 9에 도시하였다.
Fig. 10은 유기물 함량에 따른 간극비–유효응력 관계를 나타낸다. 유기물 함량이 증가할수록 압밀시료의 초기 간극비도 증가하였다. 간극비 감소량은 유기물 함량이 높을수록 커지는 경향을 보여준다. 즉, 유기물 함량이 증가함에 따라 간극비 변화 기울기가 증가하였다. 이는 초기 간극비가 크고 함수비가 높은 시료일수록 압밀 과정에서 간극수 배출량이 많고, 유기물의 작은 입자 강성이 구조적 변형에 취약하기 때문으로 해석된다. 본 연구 시료는 선행재하 5kPa로 안정화 후 단계 재하를 수행하였으므로, 전반적으로 정규압밀(NC) 거동을 보인다. 그럼에도 Fig. 10의 e-logσ' 곡선에서 약 20kPa 부근에 기울기 변화가 관찰되었다. 이는 해성 준설점토가 응집구조(floc structure, 유기물에 의한 결합)와 퇴적 과정에서 형성된 미세 구조를 일부 가지고 있어, σ' = 20kPa를 넘어서면서 구조 결합이 파괴되며 기울기가 커지는 것으로 판단된다.
압축지수는 간극비–압력 곡선의 기울기를 통해 산정되었으며, 구조 결합 파괴에 의한 영향을 배제하기 위해 40-160kPa를 표준으로 하여 결정하였다. 각 단계 일차압밀 종료(EOP) 간극비로 e-logσ' 자료점을 구성하고, 최소자승 직선회귀로 기울기를 산정하였다. 압축지수는 Fig. 11에 정리되어 있다. 유기물 함량이 증가할수록 압축지수는 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 선행연구에서도 유기물 함량이 증가할수록 압축지수 값은 증가하였다(Rabbee and Rafizul, 2012; Develioglu and Pulat, 2019; Hameedi et al., 2020). 이와 같은 경향은 유기물이 점토 입자 간 결합력을 약화시켜 침하량 증가에 기여하는 것으로 분석된다.
4.2 장기 압밀 시험
장기 압밀 시험은 유기물의 장기 분해 및 흙 구조의 소성적 재배열이 압밀 거동에 미치는 영향을 평가하기 위함이다. 장기 압밀 시험은 추가 재하 없이 최종 하중인 160kPa을 50일 동안 재하하였다. 압밀 시험은 압밀 침하량이 더 이상 큰 변화를 보이지 않고 안정화되는 시점까지 진행하였다. 장기 압밀 시험 종료 후 제하 과정을 통해 정확한 초기 간극비를 산정하여 압밀 정수 산출의 기초 자료로 활용하였다.
Fig. 12는 유기물 함량 별 시간에 따른 침하량 변화 관계를 도시한 것으로, 유기물 함량이 클수록 시간에 따른 침하량 크기가 커지는 경향을 보여준다. 이차압축지수(Cα)는 최종 재하 160kPa에서 일차압밀이 종료된 이후의 e-logt 직선부 기울기로 정의하였다. 먼저 t = tp 이후의 자료에서 명확한 직선 구간을 탐색하였다. 직선성(R2)이 충분하지 않을 경우 3tp에서 종료 시점까지 확대·이동하여 가장 긴 선형 구간을 재선정하여 이차압축지수를 계산하였다.
Fig. 13에 정리되어 있다. 유기물 함량이 증가할수록 이차압축지수가 뚜렷하게 증가하였다. 이는 기존 문헌 연구 결과와 비교하여 다소 높은 증가율을 보였다(McVay and Nugyen, 2004; Riedy, 2006; Hamid and Paul, 2010). 이는 ○○항만 준설매립토에서 장기 압밀 과정 중 발생하는 유기물의 미생물학적 분해 및 소성적 구조 재배열이 장기적인 압밀특성에 매우 큰 영향을 미침을 의미한다. 따라서 실제 준설매립 지반에서는 유기물 함량 증가에 따른 이차 압밀 침하의 영향이 기존 예측보다 클 수 있음을 명확하게 나타냈다.
유기물이 지반의 장기 거동에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해, 본 연구에서 산정된 이차압축지수(Cα) 및 간극비(e0)를 바탕으로 준설매립 점토층의 유기물 함량 및 점토 두께에 따른 이차압축 침하량을 예측하였다(Fig. 14). 점토층의 유기물 함량은 각각 0%, 4%, 8%, 12%, 24% 이고, 두께는 각각 10m, 20m, 30m, 40m이고, 성토 하중에 따른 일차 압밀은 약 1년 이내에 완료된다고 가정하였다.
국내 주요 기관에서 제시하는 도로 및 단지 부지의 허용 잔류 침하 기준을 Table 2에 정리하였다. 대부분의 기준에서 허용 잔류 침하량은 10cm 이내로 설정되어 있으며, 이는 침하 허용한계선(allowable settlement line)이다. Fig. 14에서 알 수 있듯이 점토 두께가 증가할수록, 유기물 함량이 증가할수록 이차압축 침하량이 증가한다는 것을 알 수 있다. 예를 들면 점토층 두께가 30m인 경우, 유기물 함량이 4%일 때 10-12년 내에 허용 잔류 침하량인 10cm를 초과하는 이차 압축이 발생하며, 8%, 12%, 24%일 때에는 각각 5-6년, 4-5년, 3년 내에 허용 잔류 침하량을 초과하는 침하량이 발생한다. ○○항만 준설매립 점토지반에서 측정된 유기물 함량인 7.2%를 기준으로 할 때, 점토층 두께가 20m 이상인 경우 이차압축 침하량이 약 15년 이내에 허용 침하량을 초과할 것으로 분석되었다. 특히, 30m 점토층에서는 약 6–8년 후, 40m 점토층에서는 약 3–5년 내에 10cm를 초과하는 침하가 발생할 것으로 예측되었다. 이는 유기물 함량이 증가할수록 압밀 특성에 미치는 영향이 상당히 커지며, 점토층 두께가 증가할수록 그 영향이 누적되어 설계 허용침하량을 초과할 수 있음을 의미한다.
Table 2.
Allowable residual settlement for roads and development sites
결과적으로, 준설매립지에서 유기물 함량은 장기 침하 예측에 있어 결정적인 변수로 작용하며, 유기물 함량이 높은 지반에 대해서는 보다 보수적인 설계 접근과 정밀한 장기 모니터링 계획을 수립할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구는 ○○항만에서 채취된 준설매립 점토를 대상으로 유기물 함량 증가가 지반의 물성과 압밀 거동에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 수행되었다. 현장 점토를 기반으로 유기물 함량을 0%, 4%, 8%, 12%, 24%로 단계적으로 조절하여 시료를 제작하고, 물성 시험(비중, 액성한계, 소성한계, 소성도 분석) 및 압밀 시험(일차 및 장기 압밀)을 통해 지반공학적 거동을 정량적으로 분석하였다. 유기물은 저비중 및 친수 특성으로 인해 지반의 전반적인 물성 및 장기 압밀 특성에 결정적인 영향을 미치며, 준설매립지반 설계 시 주요 고려 요소로 작용할 수 있음을 확인하였다. 결론은 아래와 같다.
(1) 물성 시험 결과, 유기물 함량이 증가할수록 입자 비중은 감소하고, 액성한계 및 소성한계는 뚜렷하게 증가하였다. 소성도표를 분석한 결과, 유기물 함량이 0–8%일 때는 무기질 저소성 점토(CL) 특성을 보였으나, 12%에서는 ML 또는 OL 영역으로, 24%에서는 MH 또는 OH 영역으로 분포가 이동하였다. 이는 유기물 함량이 증가함에 따라 흙의 소성과 압축성이 현저히 증가함을 의미한다.
(2) 압밀 시험 결과, 유기물 함량이 증가할수록 압축지수(Cc) 및 이차압축지수(Cα) 모두 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 특히 Cα의 경우 기존 문헌 결과보다 높은 증가폭을 보여, 유기물을 포함한 ○○항만 점토가 장기 압밀 침하에 매우 취약할 수 있음을 시사하였다. 이는 유기물 분해로 인해 점토 구조의 재배열과 간극 구조가 약화되고, 이로 인해 장기 압축 거동을 유발한 결과로 해석된다.
(3) 부산·경남 낙동강 하구의 준설매립 점토를 대상으로 유기물 함량을 실험적으로 통제하여 물성-압밀정수-시간기반 잔류침하를 단일 체계에서 정량화했다는 점에서 주로 자연 유기질토를 다룬 선행연구와 구별된다. 이러한 배경 차이는 결과에도 의미 있게 반영되었다. 유기물 함량 12% 전후에서 소성도표 분류가 A-line 하부로 전이되는 동시에 Cc-Cα의 증가율이 가속되는 재료계의 전이점이 포착되었는데, 이는 해양기원 유기물의 저밀도·친수성과 준설매립 과정에서 형성된 재침적 구조가 초기 간극비(e0) 상승 → Cc 증가 → 장기 크리프 기울기(Cα) 증대로 이어지는 연쇄 메커니즘을 강화했기 때문으로 해석된다.
(4) 유기물 함량 및 준설매립 점토층 두께에 따른 이차압축 침하량 산정 결과, 준설매립 점토의 장기 거동은 유기물 함량과 점토층 두께에 의해 크게 달라지는 것으로 확인하였다. 동일한 점토층 두께에서 유기물 함량이 증가할수록 침하-시간 직선의 기울기(이차압축률)가 증가하였으며, 동일한 유기물 함량에서 점토층 두께가 증가할수록 침하는 선형적으로 증가하였다. 이로 인해 유기물 함량이 증가할수록 허용 잔류침하를 초과하는 시점이 앞당겨지는 경향을 보였다. 또한 유기물 함량 증가에 따른 유기물의 소성적 재배열과 시간 의존적 분해가 크리프 거동을 증가시켜 이차압축을 증가시키는 것으로 해석된다. 따라서 설계 단계에서 침하량 산정 시 유기물 함량의 영향을 고려하고, 유기물 분해 효과를 고려한 이차압축 예측모델을 적용할 필요가 있다.
(5) 본 연구는 부산·경남 낙동강 하구의 단일 준설매립 점토에 동일 기원의 유기물(해조류 기반)을 첨가해 함량만을 통제한 결과로, 타 지역 지반이나 상이한 유기물 기원·성상에는 직접 일반화하기 어렵다. 또한 #40 체 통과 시편, 5kPa 선행하중 재하, 최대 160kPa 재하라는 시험 방법 특성이 반영된 Cα·Cc 값이므로, 실무 적용 시에는 현장 보정을 통해 검증·보완이 필요할 것으로 판단된다.
