1. 서 론
2. 항만구조물의 상부구조 형식과 거동특성
2.1 상부구조 형식
2.2 상부구조 형식별 거동특성
3. 소일-시멘트 파일 지반개량 공법
3.1 공법의 원리 및 특징
3.2 지반개량 형식
4. 말뚝식 지반개량 안정검토 및 원심모형실험
4.1 안정검토 조건
4.2 설계조건 및 제원가정
4.3 안정검토 방법
4.4 원심모형실험
5. 안정검토 결과분석 및 고찰
5.1 구조형식별 최소치환율 지배인자
5.2 안정검토 조건별 최소치환율 상관성
5.2 치환율과 수평변위 상관성
5.3 원호활동 안전율과 수평변위 상관성
5.4 항만구조물의 말뚝식 지반개량 적용성 분석
6. 결 론
1. 서 론
연약지반 위에 접안시설이나 호안 등 항만구조물을 축조하기 위해 성토 및 배면매립 등을 실시할 경우 발생하는 지반의 측방유동과 융기 현상, 원호활동을 방지하기 위해 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량 적용사례가 증가하고 있다.
P.W.R.C.(2004)와 C.D.I.T.(2008) 등 일본 CDM 매뉴얼에는 말뚝식 지반개량을 설계할 때 원호활동을 비롯하여 개량체 허용압축강도, 지지층에서의 지지력과 활동, 상부구조물의 수평변위와 침하 등을 검토하여 모든 조건에서 안정한 치환율 등 개량제원을 결정하도록 제안되어 있으나, 국내에는 설계법이 정립되어 있지 않은 까닭에 개량체 설계기준강도는 2～6MPa 정도로 크게 적용하고 치환율은 10～30% 미만으로 작게 설계하는 사례가 많이 확인되고 있다.
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(a) Rubble mound type | (b) Gravity type |
Fig. 1. Primary superstructure type of harbor structures | |
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(a) Rubble mound type | (b) Gravity type |
Fig. 2. External force condition of harbor structures | |
그런데, 편심하중이 크게 작용하는 항만구조물에 이처럼 작은 치환율의 말뚝식 지반개량이 시공될 경우에는 미개량된 연약지반과 개량체 변위로 인해 상부구조물에 피해가 발생할 가능성이 커지므로 유의해야 한다.
한편, 소일-시멘트 파일공법과 관련된 국내의 기존 연구는 Hong et al.(1997), Kim(1995), Kim(2007) 등 대부분 소일-시멘트 파일의 역학적 특성 평가와 강도증진을 위한 첨가재에 대한 것이었으며, 최근 들어 국내의 Jo (2012), Oh(2007), Han(2007), Kim et al.(2003), Kim(2000) 등과 국외의 Rampello, S. et al.(2003), Han, J. et al.(2005), Navin, M. P. et al.(2005), Masaki Kitazume and Kenji Maruyama(2006, 2007) 등의 연구자들에 의해 심층혼합처리공법의 현장 개량효과나 거동 등 구조물의 안정성에 대해 수치해석 방법으로 접근하는 연구가 수행되어 왔다.
따라서 국내에 설계법이 정립되어 있지 않은 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량 설계단계에서 반드시 수행해야 하는 안정검토 항목을 제시하고, 기초지반의 비배수전단강도와 상부구조물에 의한 작용하중, 설계에 적용하고자 하는 소일-시멘트 파일의 설계기준강도를 조합하여 말뚝식 지반개량의 적용성을 평가할 수 있는 상관도 등 설계에 유용한 자료를 제시하기 위해 본 연구를 수행하였다.
2. 항만구조물의 상부구조 형식과 거동특성
2.1 상부구조 형식
본 연구는 호안시설과 계류시설 등 구조물 배면에 매립이 필요한 항만시설을 대상으로 하였으며, 대표적인 상부구조 형식에는 변위에 대한 순응성이 뛰어나 주로 호안시설에 많이 사용하는 Fig. 1(a)의 사석경사제식 구조물과 무근 콘크리트블록이나 철근콘크리트 케이슨에 사석이나 토사를 속채움 하여 계류시설에 많이 사용하는 Fig. 1(b)의 중력식 구조물이 있다.
2.2 상부구조 형식별 거동특성
사석경사제식 구조물은 Fig. 2(a)와 같이 매립하중, 잔류수압, 상재하중 등이 제체에 외력으로 작용하며, 이들 외력과 함께 제체 자중이 기초지반에 하중으로 작용하며 변위에 대한 순응성이 뛰어나 기초지반에 편심하중이 크게 작용하지 않고, 제체와 매립토가 하나의 구조물처럼 거동하므로 전체적인 안정성을 검토하여야 한다.
반면 중력식 구조물은 Fig. 2(b)와 같이 매립하중, 잔류수압, 상재하중 등 외력에 대한 구조물 전체적인 안정성과 함께 상부구조물의 자체안정성 확보가 선행되어야 한다. 따라서 배면에 작용하는 토압과 수압에 대한 활동, 전도 및 기초사석의 지지력 확보가 우선되어야 한다.
3. 소일-시멘트 파일 지반개량 공법
3.1 공법의 원리 및 특징
소일-시멘트 파일 지반개량공법은 시멘트 또는 석회계를 주재료로 한 괴상(怪狀), 분말상(粉末狀) 또는 현탁액상(懸濁液狀)의 주입재를 원위치 지반에 투입, 혼합하여 연약점성토 지반을 주상(柱狀), 괴상(怪狀) 또는 전면적으로 개량하는 것이다.
시멘트나 석회를 흙과 혼합하면 생석회의 소화에 의한 흡수, 팽창작용, 소석회나 시멘트의 함수비 저하작용, 칼슘의 염기치환 작용, 포졸란 반응, 탄산화작용, 시멘트의 자경작용 등 화학적 작용에 의해 흙이 강화되며, 특히 포졸란 반응에 의한 효과가 가장 크다.
그리고 소일-시멘트 파일 지반개량공법의 개량효과는 양질재료로 다짐말뚝을 형성하는 방법에 비해서 훨씬 크며, 조기에 높은 개량강도를 얻을 수 있으나, 연약지반의 종류에 따라 개량 정도의 차이가 크다는 단점이 있고 변위저감효과가 크고 인접구조물에 대한 지장이 적은 특징이 있다.
3.2 지반개량 형식
소일-시멘트 파일을 이용한 지반개량 형식에는 개량체의 배열방식에 따라 Table 1과 같이 블록식, 벽식, 말뚝식 등으로 크게 분류되고 블록식과 벽식 개량형식의 복합형태인 격자식 개량 등이 있으며, 연약한 해성점성토 지반 상에 설치되고 편심하중이 크게 작용하는 항만구조물의 특성상 블록식과 벽식 개량형식이 주로 적용되고 있다.
4. 말뚝식 지반개량 안정검토 및 원심모형실험
4.1 안정검토 조건
본 연구는 큰 조위차로 인해 점토와 실트, 모래가 호층으로 퇴적되어 있어 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량의 적용성이 양호한 중부 서해안 지역의 자연조건을 선정하였다.
그리고 단면조건과 개량체 제원도 기존 적용사례가 많은 일반적인 조건으로 계획하는 등 Table 2의 안정검토 조건 조합을 통해 총 90개 단면에 대해 안정성을 검토하였으며, 검토단면은 Fig. 3과 같다. 특히, 중력식 구조물의 경우에는 구조물 해측 저면에 편심력이 크게 작용하므로 기초사석을 경계로 해측과 육측을 구분하여 소요치환율을 산정하였다.
4.2 설계조건 및 제원가정
설계조건은 구조물의 목적과 기능, 중요도, 하중조건, 시공조건(주변상황도 포함), 토질조건에 대해 충분히 고려하여야 하며, 허용수평변위나 허용침하량 등의 조건도 설정하여 지반개량의 목적에 적합한 개량사양을 결정하여야 한다.
일반적으로 개량체는 Fig. 4와 같이 사각형 또는 마름모꼴로 배치한다.
= 10, 20, 30 kPa
= 10, 15, 20 m
= 2,000 mm
= 1, 2, 3, 4, 5 MPa
치환율 
는 다음 식 (1)로 산정하였다.
(1)
여기서, 
: 치환율(%)
: 개량체 1본 단면적
, 
: 개량체의 배치간격
4.3 안정검토 방법
(1) 개량체의 허용압축강도
강성말뚝 개념을 이용한 개량체의 허용압축강도는 기초지반의 비배수전단강도와 무관하게 개량지반 상부의 모든 하중을 개량체가 부담한다고 가정하고 검토한다. 따라서 개량체 1본에 작용하는 하중은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 개량대상면적의 점선으로 둘러싸인 부분 즉, 개량체 1본이 부담해야 하는 면적(
)과 Fig. 5에 정의된 작용하중(
)을 곱하여 산정하고, 다음 식 (2)를 이용하여 안전율(
=1.2)을 만족하는 소요치환율을 결정하였다.
)
(2)
여기서, 
: 개량체의 설계기준강도
: 치환율(%)
: 작용하중
: 안전율
(2) 원호활동 검토
원호활동에 대한 안정성은 Fig. 6과 같이 항만 및 어항설계 기준(2005)에 제시된 한계평형개념의 원호활동 검토 방법인 Bishop의 간편법을 적용하였고, 해석에 사용한 프로그램은 국내 항만설계에서 상용하고 있는 프로그램인 COSTANA-K V.10.3을 이용하였으며, 부지이용시 기준안전율 
= 1.3 이상을 만족하는 소요치환율을 산정하였다.
그리고 원호활동 안전율에 가장 큰 영향을 미치는 개량지반의 강도정수는 다음 식 (3)을 이용하여 산정한 평균전단강도를 적용하였다.
(3)
여기서, 
: 개량후의 평균전단강도
: 개량체의 전단강도(=
/2)
: 치환율
:개량체 파괴변형에 대응하는 기초지반 파괴강도 저감율
: 원지반의 점착력(=
/2)
(3) 지지층에서의 활동
토압론에 의한 지지층에서의 활동안정 검토는 Fig. 7과 같이 개량지반과 개량폭 내측 경계에서 가상의 연직면 상부의 성토하중을 하나의 블록으로 가정하여 계산하였으며, 다음 식 (4)를 사용하여 부지이용시 기준안전율 
= 1.2 이상을 만족하는 소요치환율을 산정하였다.
(4)
여기서, 
: 활동 안전율
: 활동 저항력
지지층이 모래지반인 경우 = 
{
or 
}
지지층이 점토지반인 경우 = 
{
or 
}
: 수동토압
: 개량지반위 성토체에 작용하는 주동토압
: 개량지반에 작용하는 주동토압
: 마찰계수(=
)
: 지지층의 내부마찰각
: 개량지반에 작용하는 성토하중
: 개량지반의 중량
: 개량폭
: 개량지반의 평균전단강도
: 지지층의 점착력
(4) 압밀침하량의 검토
개량지반의 압밀침하량 검토는 Fig. 8과 같이 무처리 부분의 침하량(
) 및 치환율(
)과 개량체와 무개량토에 작용하는 응력의 비인 응력분담비(
)를 고려한 다음 식 (5)～식 (7)을 이용한다.
(5)
(6)
(7)
여기서, 
: 개량지반의 침하량
: 침하저감계수
|
Fig. 6. Stability analysis by simplified Bishop’s method of slices |
|
Fig. 7. Analysis of sliding stability at the base |
: 무개량 지반의 침하량
: 무개량토에 작용하는 응력
: 증가응력(=
)
: 응력분담비(=
)
: 개량체에 작용하는 응력
: 치환율
: 원지반의 체적압축계수
: 개량체의 체적압축계수
: 개량층의 두께
(5) 수평변위의 검토
상부구조물의 특성상 수평변위의 억제가 필요할 경우에는 편심하중이나 상재하중에 의한 수평변위를 추정하고, 허용 값(제체 축조완료 후 수평변위, 사석경사제식 20cm, 중력식 10cm 적용) 이하가 되도록 개량사양을 결정할 필요가 있다.
본 연구에서는 설계검토항목 중 상부구조물의 수평변위 검토를 위해 유한요소해석법(FEM)을 이용한 수치해석을 수행하였으며, 수치해석 프로그램은 국내･외에서 현재 많이 사용하고 있는 상용 프로그램인 PLAXIS 8.3을 사용하였다.
수치해석을 수행하기 위해서는 지반과 개량체를 모델링하고 각 재료에 따라 경계조건을 부여하여야 한다. 본 연구의 수치해석에 적용한 경계조건은 Fig. 9와 같으며, 개량체와 기초지반 거동이 최대한 실제 지중에서의 거동과 유사하도록 모델링 하였다.
그리고 개량체 두부와 선단부는 일반적으로 기초사석과 지지층에 0.5～2m 정도 근입되게 시공하므로 개량체가 기초사석 및 지지층과 함께 거동하도록 인터페이스 기능을 부여하지 않았다.
수치해석은 1단계 초기응력상태 기초지반 조성, 2단계 말뚝식 지반개량, 3단계 상부구조물 축조, 4단계 배면매립, 5단계 상재하중 재하 순으로 시공단계별로 수행하였고 유한요소망 자동생성기능을 이용하여 삼각형 요소로 모델링하였으며, 유한요소 모델링 형상을 Fig. 10에 나타내었다.
한편, 4단계 배면매립 단계에서는 배면매립 하중에 의한 매립부 하부지반의 강도증가(평균압밀도 50%, 강도증가율 0.3 적용)와 축조완료 후 매립부지의 잔류수위 상승(DL.(±)0.0m → DL.(+)4.5m)을 고려하였다.
소일-시멘트 파일을 이용하여 말뚝식으로 지반개량 된 항만구조물의 수평변위 검토를 위해 수치해석에 사용한 적용모델과 지반과 재료의 물성값은 다음 Table 3과 같다.
한편, 해석결과에 가장 큰 영향을 미치는 점토층의 사용모델은 소일-시멘트 파일을 치환율에 따른 체적감소를 고려할 수 있는 Solid 요소를 이용하여 모델링하였으며, Kitazume 등(2006)의 연구에 의하면 소일-시멘트 파일의 모델링은 개량에 따른 면적비(improvement area ratio)를 고려할 수 있도록 개량체를 탄성벽체(elastic wall)로 모델링하였고, 이 기법은 ‘심층혼합처리공법의 FEM 모델링에 자주 사용되는 방법이다(Han et al., 2005; Navin et al., 2005)’라고 기술하고 있다.
그리고 변형계수 값들은 항만 및 어항 설계기준(2005)과 지반조사결과의 해석과 이용(한국지반공학회, 2003) 등 각종 문헌과 항만구조물 설계적용 사례에서 합리적이라고 판단되는 값들을 적용하였으며, 적용근거를 Table 4에 나타내었다.
(kPa)
=10 m
= 0.30
=15 m
=20 m
/6
(kN/m2)
=12~15 (kgf/cm2)
=40
=40
=12
=350~1,000
=40또한, 원지반 점성토의 물리･역학적 특성과 수위조건은 인천과 평택 등 중부 서해안의 특성 값을 적용하였으며, 배면매립 완료시점에서 매립부 하부점토의 평균압밀도 U=50% 조건으로 매립하중에 의한 강도증가를 고려하였다.
그리고 배면매립부지의 수위조건은 배면매립 후 DL. (±)0.0m에서 잔류수위 조건인 DL.(+)4.5m로 높아지는 것으로 고려하였다.
4.4 원심모형실험
본 연구에서는 소일-시멘트 파일을 이용하여 말뚝식으로 개량된 항만구조물의 수평변위 검토를 이차원 수치해석(FEM)으로 검토하여도 무방한지에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 원심모형실험을 실시하였다.
구조형식의 특성상 편심하중이 크게 발생되어 말뚝식 지반개량의 적용성이 떨어지는 중력식 구조물은 제외하고 변위에 대한 순응성이 뛰어나 상대적으로 말뚝식 지반개량의 적용성이 뛰어난 사석경사제식 단면에 대해서만 모형실험을 수행하였다.
한편, 모형실험은 현장의 지반조건 및 구조물 제원에 근거한 상사성과 모형토조의 제원을 감안하여 현장조건을 1/4로 축소시킨 다음 중력수준 50g에 대한 상사법칙을 적용하여 1/200로 축소한 모형으로 수행하였다.
(1) 원심모형실험 장치
본 연구에 사용한 원심모형실험기의 개요도와 전경 등을 Fig. 11에 나타내었다. 원심모형실험기의 용량은 20g･ton이며, 시험 가능한 모형토조의 크기는 500 × 500 × 600mm이고, 원심모형기의 중심축으로부터 힌지까지의 거리가 1m, 스윙 바스켓(Swing Basket)의 저면까지 거리는 1.35m이다. 슬립 링(Slip Ring)은 총 40개의 채널이고 컨디셔너의 구동 및 비디오 카메라의 전원을 공급하는 슬립 링을 분리 설치하였으며, 2개의 유압식 슬립 링은 원심모형실험기의 하단에 설치하였다. 또한 8mm 비디오 카메라와 35mm SLR 카메라는 원심모형실험기의 중심 축 좌우에 설치되었다. 이외 주요 제원을 Table 5에 나타내었다.
(2) 원심모형실험 단면
본 연구에서는 원심모형실험에서 현장의 지반조건 및 구조물 제원에 근거한 상사성과 모형토조의 제원을 감안하여 현장조건을 1/4로 축소시킨 다음 중력수준 50g에 대한 상사법칙을 적용하여 실험을 수행하였다.
현장 단면의 지층은 상부 점토층 10.0m, 퇴적모래층 15.0m, 하부 기반암층으로 분포되어 있다.
또한 본 단면에서 적용된 DCM 개량공법의 치환율은 35% 조건과 55% 조건을 적용하였다.
현장조건을 고려하여 원심모형실험 단면은 Fig. 12에서 보는 바와 같이 50g의 중력수준에 대한 상사성과 시험기의 규모 한계상 단면을 1/4로 축소하여 모형을 1/200로 제작하였다. 모형단면에서의 개량체도 상사성 및 치환율을 고려하여 제작하였다. 지층조성은 상부 점토층 5.0cm, 퇴적모래층 7.5cm, 하부 기반암층 5.0cm로 조성하였다.
(3) 모형 개량체 제작
점토층의 DCM공법 적용을 모사하기 위하여 점토와 시멘트를 이용하여 위치에 따른 치환율 조건 및 상사성을 고려하여 개량체를 제작하였다.
개량체의 배합강도 조건을 모사하기 위하여 Fig. 13과 같이 일축압축시험을 별도로 수행하였으며, 시험결과에 따라 점토-시멘트 혼합비 50% 조건에서 설계 배합강도인 2.0MPa과 가장 유사한 값을 얻을 수 있었다. 따라서 50% 혼합비 조건으로 상사성을 고려하여 Fig. 14와 같은 직경 2cm의 말뚝모형 개량체를 제작하였다.
(4) 원심모형실험 수행
현장 점토층에 대하여 상사성을 고려하여 1/200으로 축소하여 실험단면을 결정하였고, 이에 따라 기반암층 5.0cm, 하부모래층 7.5cm, 점토층 5.0cm로 조성하였다.
점토층을 조성하기 위하여 Fig. 15와 같이 상부에서 공기압으로 튜브를 팽창시켜 하중을 가할 수 있는 강제압밀토조를 사용하여 현장조건의 비배수전단강도를 모사하였다. 강제압밀토조에 충분히 교반된 점토를 조성한 후, 포화, 5, 10, 15, 20kN/m2의 단계로 하중을 재하하였다.
강제압밀 완료 후 다음 Fig. 16과 같은 순서로 원심모형실험을 수행하였다.
(5) 원심모형실험 결과
① 치환율 35% 조건
35% 치환율 조건에 대하여 배면매립과 하중재하 등 2단계에 걸쳐서 수평변위를 측정하였으며, 이에 대한 결과는 Fig. 17과 같다.
배면 매립시 사석경사제의 수평변위는 Fig. 17(a)와 같이 42분(2,500초) 중력가속 후 약 2.51mm로 나타났으며, 이후 서서히 변위가 수렴하는 경향을 보이고 있다. 실험결과에 대한 상사성을 고려할 때 현장조건에서는 72일 경과시 약 125.5mm(12.5cm)의 변위가 발생될 것으로 예측되었다. 그리고 매립지 상부에 하중을 적용하여 중력 가속한 결과, Fig. 17(b)와 같이 약 22분(1,300초) 경과시 약 1.1mm의 수평변위가 사석경사제에서 발생한 것으로 나타났고, 시간경과에 따라 변위는 수렴하는 경향을 보이고 있다. 상사성을 고려할 때 현장조건에서는 37일 경과시 약 55mm(5.5cm)의 변위가 발생될 것으로 예측되었다.
따라서 개량률 35% 조건에 대한 사석경사제의 수평변위를 분석한 결과, 배면 매립과 하중 재하에 따른 경사제의 총 수평변위는 약 110일 경과 시 총 18.0cm가 발생할 것으로 예측되었으며, 이 결과는 Fig. 18과 같이 원심모형실험 조건으로 수행한 수치해석에서 산정된 제체 축조완료 후 배면매립과 하중재하 단계에서의 수평변위 19.9cm와 유사한 것으로 나타났다.
(2) 치환율 55% 조건
55% 치환율 조건에 대하여 사석경사제 조성, 배면매립, 하중재하 등 총 3단계에 걸쳐 수평변위를 측정하여 그 결과를 분석하였다.
사석경사제 조성 후, 배면 매립단계에서는 Fig. 19(a)에서와 같이 중력가속 후 약 25분(1,500초)부터 서서히 수렴하는 경향을 보이고 있으며, 최종적으로 약 0.81mm의 수평변위가 발생되는 것으로 나타났다. 배면 매립에 따라 하중이 사석경사제에 직접적으로 작용하게 되면서 수평변위가 크게 발생되는 것을 볼 수 있고, 실험결과에 대한 상사성을 고려할 때 현장조건에서는 약 78일 경과시 약 40.5mm(4.05cm)의 변위가 발생될 것으로 예측되었다.
치환율 35% 조건과 동일하게 매립지 상부에 하중을 적용하여 중력 가속한 결과, Fig. 19(b)와 같이 약 15분(900초) 경과시 약 0.26mm의 수평변위가 사석경사제에서 발생한 것으로 나타났고, 시간경과에 따라 변위는 수렴하는 경향을 보이고 있으며, 실험결과에 대한 상사성을 고려할 때 현장조건에서는 26일 경과시 약 13mm(1.3cm)의 변위가 발생될 것으로 예측되었다.
따라서 개량률 55% 조건에 대한 사석경사제의 수평변위를 분석한 결과, 사석경사제 배면매립 및 하중재하에 따른 경사제의 총 수평변위는 약 104일 경과 시 총 5.3cm가 발생될 것으로 예측되었으며, 이 결과는 Fig. 20과 같이 원심모형실험 조건으로 수행한 수치해석에서 산정된 제체 축조완료 후 배면매립과 하중재하 단계에서의 수평변위 6.7cm와 유사한 것으로 나타났다.
(3) 모형실험 결과분석
상기의 치환율 35%와 55% 조건의 원심모형실험과 모형실험 단면에 대한 수치해석 결과에서 나타난 바와 같이 원심모형실험에서 예측된 수평변위는 이차원 수치해석(FEM)을 통해 산정한 수평변위의 80%와 90%로 나타났으며, 이 결과는 기존 항만구조물 설계과정에서 수행된 원심모형실험과 수치해석 결과의 변위비율인 85～90%와 유사한 결과인 점을 감안 할 때 이차원 수치해석(FEM)을 이용하여 소일-시멘트 파일을 이용하여 말뚝식으로 개량된 항만구조물의 수평변위를 검토하는 것은 신뢰성이 있는 것으로 나타났다.
5. 안정검토 결과분석 및 고찰
5.1 구조형식별 최소치환율 지배인자
(1) 사석경사제식 구조물
사석경사제식 항만구조물에서 각종 검토항목별 소요치환율 비교를 통해 총 45개 조건별 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량의 최소치환율 지배인자 분석결과, Fig. 21과 같이 작용하중인 제체고 
=10m, 기초지반 비배수전단강도 
=30kPa 조건 즉, 전단강도가 큰 기초지반에 상대적으로 작은 하중이 작용하는 경우에는 개량체 설계기준강도 
=1～4MPa인 4개 조건에서 개량체의 허용압축강도가 최소치환율을 지배하고 
=5MPa인 1개 조건에서 잔류침하량이 최소치환율을 지배하며, 나머지 40개 조건에서는 수평변위가 최소치환율을 지배하는 것으로 나타났다. 한편, Fig. 21～Fig. 23에서 기호 A～E는 안정검토 항목으로서 A : 개량체의 허용압축강도, B : 원호활동, C : 지지층에서의 활동, D : 허용수평변위, E : 허용잔류침하량 검토를 의미한다.
(2) 중력식 구조물
중력식 항만구조물에서 총 45개 조건별 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량의 최소치환율 지배인자 분석결과, Fig. 22와 같이 45개 모든 조건에서 수평변위가 최소치환율을 지배하는 것으로 나타났다.
(3) 안정검토 항목 최소치환율 지배인자
총 90개 검토조건의 안정검토 항목별 최소치환율 지배인자를 분석한 결과, Fig. 23과 같이 사석경사제식 구조물의 경우에는 수평변위-개량체 허용압축강도-침하량-활동-원호활동 순으로 소요치환율이 크게 산정되었으며, 중력식 구조물(해측)의 경우에는 수평변위-침하량-개량체 허용압축강도-활동-원호활동 순으로 소요치환율이 크게 산정되었다.
따라서 안정검토 항목 중에서는 말뚝식 지반개량의 최소치환율 지배인자는 상부구조물의 수평변위로 확인되었으므로 말뚝식 지반개량 설계시에는 반드시 수평변위 검토를 수행해야 하는 것으로 나타났으며, 원호활동에 안정한 소요치환율은 안정검토 항목별 소요치환율 중에서 가장 작은 것으로 확인되었으므로 원호활동에 대한 안정성만을 검토하여 말뚝식으로 지반개량한 구조물의 안정성을 평가하는 것은 매우 위험한 것으로 판단된다.
5.2 안정검토 조건별 최소치환율 상관성
(1) 사석경사제식 구조물의 최소치환율 상관성 분석
사석경사제식 항만구조물에서 작용하중(제체고, 
)=10, 15, 20m 조건에서 기초지반 비배수전단강도(
)-개량체 설계기준강도(
)-최소치환율(
) 관계를 Fig. 24에 나타내었다.
Fig. 24에서 보는 바와 같이 기초지반 비배수전단강도 
=10kPa에서는 최소치환율이 모두 100%(85% 이상)로 동일하여 상관성을 찾을 수 없는 것으로 나타났고, 기초지반 비배수전단강도 
=20, 30kPa에서는 
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사이에 개량체 설계기준강도(
)가 증가함에 따라 최소치환율이 감소하며 설계기준강도(
)가 3MPa 이상이 되면 최소치환율이 더 이상 감소하지 않고 일정해지는 경향을 나타냈다.
따라서 개량체의 응력분담에 따른 개량효과와 경제성을 고려할 때 기초지반과 개량체의 강성비(n)가 최대 50～75이하이고 개량체 강도가 2∼3MPa인 소일-시멘트 파일 공법이 항만구조물의 말뚝식 지반개량에는 가장 적합함을 알 수 있다.
한편, Fig. 25는 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량의 적용성이 있는 것으로 나타난 사석경사제식 항만구조물의 기초지반 비배수전단강도 
=20kPa과 
=30kPa 조건에서 
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의 상관도를 도출하여 제시한 것이다.
(2) 중력식 구조물의 최소치환율 상관성 분석
중력식 항만구조물에서 해측과 육측 기초의 작용하중(제체고, 
)=10, 15, 20m 조건에서 기초지반 비배수전단강도(
)-개량체 설계기준강도(
)-최소치환율(
) 관계를 Fig. 26에 나타내었다.
해측 기초의 경우에는 Fig. 26에서 보는 바와 같이 작용하중이 10m(200kN/m2)이고 기초지반 비배수전단강도 
=10kPa 조건과 작용하중이 15m(250kN/m2)와 20m (300kN/m2)인 모든 조건에서 작용하중과 개량체 설계기준강도 
에 관계없이 최소치환율 
=85～100%(85% 이상)로 결정되었으며, 작용하중이 10m(200kN/m2)이고 기초지반 비배수전단강도 
=20kPa과 
=30kPa 조건에서는 작용하중이 증가함에 따라 최소치환율이 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 다음 Fig. 26에서 보는 바와 같이 중력식 항만구조물에서는 전체적으로 
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사이에 상관성은 찾을 수가 없었다.
5.2 치환율과 수평변위 상관성
본 절에서는 치환율(
)과 수평변위(
)와의 상관성 분석을 통해 사석경사제식 항만구조물의 말뚝식 지반개량 설계단계에서 허용수평변위를 만족하는 치환율을 예측하는데 참고할 수 있도록 조위차 9m, 배면잔류수위 4.5m, 개량심도 10m, 기초지반 비배수전단강도가 
=20, 30kPa이고 작용하중 200kN/m2(
=10m), 250kN/m2(
=15m), 300kN/m2(
=20m) 조건에서 치환율과 수평변위 상관도를 Fig. 27과 같이 제안하였다.
치환율과 수평변위 상관성 분석결과, 말뚝식으로 지반개량한 사석경사제식 항만구조물은 치환율이 커짐에 따라 수평변위가 감소하는 경향을 나타내고 있으나, 작용하중이 커질수록 치환율 증가에 따른 수평변위 감소경향은 현저히 작아지므로 작용하중이 300kN/m2이상일 경우에는 말뚝식 지반개량이 부적합한 것으로 판단된다.
그리고 허용수평변위 기준이 20cm일 경우 기초지반 비배수전단강도가 
=20kPa이면 작용하중에 따라 20～60%이상의 치환율이 필요하며, 기초지반 비배수전단강도가 
=30kPa이면 작용하중에 따라 5～25%이상의 치환율이 필요한 것으로 나타났다. 하지만, 기초지반 비배수전단강도가 
=30kPa로 크고 작용하중이 200kN/m2으로 작은 조건에서는 말뚝식 지반개량 최소치환율을 개량체 압축강도와 원호활동 등이 지배하므로 실제로는 약 10%이상의 치환율이 필요할 것으로 판단된다.
5.3 원호활동 안전율과 수평변위 상관성
본 절에서는 원호활동 안전율(
)과 이차원 수치해석(FEM)에 의한 수평변위(
)와의 상관성 분석을 통해 사석경사제식 항만구조물에서 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량 설계의 수치해석 이전단계에서 수평변위를 예측하는데 참고할 수 있도록 조위차 9m, 배면잔류수위 4.5m, 개량심도 10m, 기초지반 비배수전단강도가 
=30kPa이고 작용하중 200kN/m2(
=10m), 개량체 설계기준강도 
=2～5MPa 조건과 작용하중 300kN/m2(
=20m), 개량체 설계기준강도 
=2MPa 조건에서 원호활동 안전율과 이차원 수치해석에 의한 수평변위 상관도를 Fig. 28과 같이 제안하였다.
Fig. 28의 원호활동 안전율과 수치해석에 의한 수평변위 상관성 분석결과, 사석경사제식 항만구조물의 허용수평변위에 따른 원호활동 최소안전율은 허용수평변위가 20cm일 때 작용하중 200kN/m2의 경우 
=1.5이상, 작용하중 300kN/m2의 경우 
=2.8이상 필요하고, 허용수평변위가 10cm일 때 작용하중 200kN/m2의 경우 
=2.3이상, 작용하중 300kN/m2의 경우 
=3.3이상 필요한 것으로 나타났다.
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Fig. 29. Suitable of pile type ground improvement by undrained shear strength su |
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Fig. 30. Suitable of pile type ground improvement by stiffness ratio n |
따라서 수평변위를 만족하는 원호활동 최소안전율이 기준안전율(
=1.3)을 크게 초과하고 있으므로 변위에 민감한 구조물의 말뚝식 지반개량 설계에서는 원호활동에 대한 안정성 검토만으로 구조적 안정성을 평가하는 것은 매우 위험한 것으로 판단된다.
5.4 항만구조물의 말뚝식 지반개량 적용성 분석
본 절에서는 최소치환율 분석 결과를 이용하여 구조물의 안정성과 경제성에서 말뚝식과 벽식･격자식 지반개량의 경계가 되는 평균치환율인 사석경사제식 40%와 중력식 45%를 기준으로 하여 안정검토 조건별로 말뚝식 지반개량에 적합한 기초지반 비배수전단강도를 산정하였다.
그리고 작용하중에 대한 정규화를 통해 작용하중-기초지반 비배수전단강도-개량체 설계기준강도의 상관성을 분석하여 Fig. 29와 같이 기초지반 연경도에 따른 말뚝식 지반개량 적용성 평가 상관도를 제시하였다.
분석결과, 사석경사제식 구조물은 기초지반이 연약함(
=15kPa)이상일 때, 중력식 구조물은 기초지반이 중간정도 단단함(
=35kPa)이상일 때 말뚝식 지반개량이 적합한 것으로 나타났다.
또한 기초지반 비배수전단강도(
)와 개량체 전단강
도(
)의 강성비(
)와 개량체 설계기준강도
의 상관성을 분석하여 Fig. 30과 같이 강성비에 따른 말뚝식 지반개량 적용성 평가 상관도를 제시하였으며, 분석결과 개량체 설계기준강도가 1MPa∼5MPa로 증가함에 따라 사석경사제식 항만구조물은 강성비 
=40～250이하, 중력식 항만구조물에서는 강성비 
=27～149이하일 때 말뚝식 지반개량이 적합한 것으로 나타났다. 따라서 기초지반이 강해지고 기초지반과 개량체의 강성비가 작아질수록 말뚝식 지반개량의 적용성이 향상됨을 알 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 항만구조물 기초지반에 소일-시멘트 파일을 이용한 말뚝식 지반개량을 적용한 경우에 대해 안정검토를 수행하였고, 2차원 유한요소해석을 이용한 수평변위 검토를 포함한 모든 항목에서 안정한 단면별 최소치환율을 결정하였으며, 원심모형실험을 통해 수치해석 결과의 신뢰성을 검증하였다.
그리고 치환율 결정 요인과 최소치환율의 상관성분석을 통해 소일-시멘트 파일을 이용한 항만구조물의 말뚝식 지반개량 설계에 유용할 것으로 판단되는 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
(1)기초지반이 매우 연약(
=15kPa이하)한 경우에는 상부구조 형식에 관계없이 최소치환율이 85% 이상 필요한 것으로 나타나 말뚝식 지반개량이 부적합함을 알 수 있었다.
(2)중력식 항만구조물에서는 기초지반이 중간정도 단단함(
=30kPa)이하인 경우에 최소치환율이 평균 42～85% 이상 필요한 것으로 나타나 말뚝식 지반개량의 적용성이 떨어짐을 알 수 있었다.
(3)기초지반이 중간정도 단단(
=20～30kPa)한 경우에 개량체 강도가 3MPa이상이면 최소치환율이 일정해지는 경향을 나타내었다. 따라서 항만구조물의 말뚝식 지반개량에 가장 적합한 소일-시멘트 파일공법은 강성비가 50～75이하이고 개량체 강도가 2∼3MPa인 공법임을 확인하였다.
(4)기초지반이 연약내지 중간정도 단단함(
=15∼30kPa)이상이고 강성비가 40～250이하인 조건에서 말뚝식 지반개량이 적합한 것으로 나타났다. 따라서 기초지반이 강하고 강성비가 작아질수록 말뚝식 지반개량의 적용성이 향상됨을 알 수 있었다.
(5)말뚝식 지반개량 안정검토 항목별 소요치환율 산정결과, 사석경사제식 구조물에서는 수평변위 > 개량체 압축강도 > 잔류침하 > 활동 > 원호활동 순으로, 중력식 구조물에서는 수평변위 > 잔류침하 > 개량체 압축강도 > 활동 > 원호활동 순으로 소요치환율이 감소함을 확인하였다.
(6)말뚝식 지반개량 안정검토 항목 중에서 최소치환율 지배인자는 상부구조형식에 관계없이 허용수평변위로 확인되었다. 따라서 항만구조물에 말뚝식 지반개량을 설계할 때는 수평변위 검토를 반드시 수행하여야 한다.
본 연구와 관련된 향후 연구과제로는 본 연구가 9m 이상의 큰 조위차를 갖는 중부 서해안 지역조건에서 수행되었으므로 조위차 및 지반특성이 상이한 조건과 개량체 직경 및 개량심도 등 세장비 변화에 따른 말뚝식 지반개량 적용성 연구 등이 필요하며, 나아가 말뚝식 지반개량이 적용된 현장 실측자료 분석을 통해 본 연구결과의 설계적용성이 확인되기를 기대한다.
