1. 서 론
2. 국내 성토재료의 장기거동 특성
2.1 고속도로 지중구조물 침하 및 파손 현황 분석
2.2 조립재료의 Creep 메커니즘
2.3 사질토 지반의 장기 침하량 산정
3. 대형 압축실험기를 통한 장기거동 실험
3.1 실험 개요
3.2 지반 장기거동 실험
3.3 Creep 영향인자에 따른 장기거동 실험 결과
4. 실험 data를 이용한 장기 Creep 변형 예측
4.1 예측 방법 및 기준
4.2 예측 모델별 매개변수 분석
4.3 예측 모델 간 비교 및 적용성 평가
4.4 Creep 변형 예측 결과의 종합 분석
5. 결 론
1. 서 론
최근 고속도로 및 도시철도 지하화가 추진되면서 지중구조물과 같은 지하 인프라에 대한 관심과 활용이 점차 확대되고 있다. 그러나 일부 지중구조물의 경우 전체 개소 중 약 50% 이상이 설치된 지 20년 이상 경과된 노후 구조물로 분류되며, 이에 따른 안정성 문제가 제기되고 있다(Do et al., 2025). 또한, 상부 성토 및 뒤채움재의 지반 거동 특성에 따라 구조물 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 설계, 시공, 유지관리 단계에서 엄격하게 관리할 필요성이 있다(Kim et al., 2023; Im et al., 2009). 이러한 성토 및 뒤채움 지반은 외부 하중을 전달하고 지지하는 역할을 하며, 공용 이후에는 보수나 개량이 어려워 시공 단계에서 적절한 재료 선정을 통해 침하를 최소화하고 이를 예측하는 것이 필수적이다(Kim et al., 2025).
이러한 성토 및 뒤채움 재료로 널리 사용되는 사질토의 경우, 일반적으로 즉시 침하 이후 장기적인 Creep 침하는 미미한 것으로 간주되어 왔다(Bong et al., 2012). 그러나 국내 지중구조물 침하 현황 분석 결과(Korea Expressway Corporation, 2012 등), 이러한 일반적인 인식과 달리 실제 사질토 지반에서도 Creep 현상으로 인한 안정성 문제가 발생할 수 있으며, 주요 원인으로는 재하 하중, 사용 재료의 공학적 특성, 특히 세립분 함량 등이 지목되었다. 이는 현행 도로암거구조설계기준(KDS 44 90 00, 2021)에 따라 세립분 함량 25% 이하의 사질토 사용을 규정하고 있음에도 불구하고, 특정 조건 하에서는 Creep 침하가 발생함에 따라 추가적인 기준 수립 및 관리 평가의 필요성을 나타낸다. 실제로 최근 국내외 연구들(Jeong, 2021; Lim, 2021; Mei et al., 2021)에서는 기준을 만족하는 사질토일지라도 세립분 함량이 높거나 성토고가 큰 조건에서는 과잉간극수압 소산 이후에도 상당한 시간 의존적 침하(Creep)가 발생할 수 있음을 보고하였다. 이러한 연구 결과들은 단순히 현행 기준을 충족하는 것만으로는 장기 침하에 따른 안정성을 담보하기 어려울 수 있음을 나타내며, 침하 방지를 위한 보다 정밀한 접근의 필요성을 제기한다. 이에 따라, 다양한 하중 조건 및 세립분 함량 범위에 따른 사질토의 구체적인 침하 경향을 파악하고, 이를 바탕으로 실효성 있는 기준을 정립하기 위한 공학적 검토가 시급한 실정이다.
이에 본 연구에서는 이러한 문제의식을 바탕으로 고속도로 성토재료를 대상으로 대형 1D 압축실험을 수행하여, 주요 영향인자인 하중 조건과 세립분 함량 변화에 따른 사질토의 Creep 거동 특성을 정량적으로 분석하였다. 일정한 하중에서 즉시 침하 이후 Creep 현상이 확인되었고, 고하중 조건에서 세립분 함량 증가에 따라 Creep 변형률의 뚜렷한 증가 현상이 관찰되었다. 이를 통해, 현행 성토 및 뒤채움 재료 기준을 만족하는 경우에도 고성토와 같이 높은 하중이 작용하거나 기준 상한에 근접하는 세립분을 포함하는 지반에서는 기존의 경험적 예측 범위를 초과하는 Creep 변형이 발생할 수 있음을 확인하였다. 따라서 현행 기준의 적정성 및 적용 범위에 대한 재검토와 함께 실제 현장 조건을 고려한 보다 보수적인 설계 기준 도입의 필요성을 제기하고자 한다.
2. 국내 성토재료의 장기거동 특성
2.1 고속도로 지중구조물 침하 및 파손 현황 분석
성토 및 뒤채움 지반에서 발생하는 장기적인 침하는 상부 구조물의 성능 저하 및 손상을 유발하는 주요 요인 중 하나로 인식되고 있다. 이러한 침하는 단순한 즉시 침하 외에도 재료 자체의 시간 의존적인 변형 특성, 즉 Creep 현상에 의해 상당 부분 지배된다. Creep는 작용 하중의 크기, 재료 내 세립분 함량, 함수비 조건 등 다양한 영향 인자들의 복합적인 상호작용으로 인해 발생하는 입자 구조의 점진적인 변화 과정으로 이해할 수 있다(John et al., 2023). 이러한 시간 의존적 변형은 지반 자체의 침하뿐만 아니라, 이로 인해 인접 구조물에 예기치 않은 하중을 가하거나 과도한 변형을 유발하여 구조물의 사용성 저하 또는 심각한 경우 파손으로까지 이어질 수 있는 위험성을 내포하고 있다. 비록 국내외적으로 Creep 현상을 제어하기 위해 입도 조정이나 화학적 안정 처리와 같은 재료적 개선 방안, 또는 선행압밀이나 지반 개량 등의 침하억제공법이 연구 및 적용되고 있으나, 근본적으로는 국내에서 사용되는 다양한 성토 및 뒤채움 재료의 Creep 거동 특성에 대한 심층적인 이해가 선행되어야 한다. 특히 국내에서도 이러한 장기 침하와 관련된 다양한 사례가 보고되고 있으며, 이에 대한 명확한 원인 분석과 합리적인 대책 마련이 시급한 실정이다.
한국도로공사의 교량 접속부 불량 현황 분석 결과, 부등침하는 연약지반(54%) 뿐만 아니라 일반 성토 구간(46%)에서도 빈번하게 발생하는 문제로 확인되었다. 조사 대상 397개소 중 약 절반(49%)에서 뒤채움부 침하가 주요 원인으로 분석되었으며, 이는 성토 및 차량 하중, 부적절한 재료 사용 등이 복합적으로 작용한 결과이다. 특히 뒤채움부에서 발생하는 성토고 대비 0.2~0.5% 수준의 장기적인 압축 침하가 접속부 파손의 주요 원인 중 하나임을 지적하였다. 따라서 지반 장기거동에 따른 Creep을 고려한 적절한 대책 수립의 필요성이 제기되었다(Korea Expressway Corporation, 2012). 또한, 한국도로공사는 교대 뒤채움 침하를 노면 평탄성 문제의 주된 요인으로 제시하였으며, 배수 및 다짐 불량과 더불어 부적절한 성토재의 사용 등을 원인으로 평가하였다. 특히 성토재의 높은 세립분 함량은 주요한 문제점으로 언급되었는데, 이는 세립분과 같은 점성 재료가 포함될 경우 다짐이 양호하더라도 장기적인 압밀 침하가 발생할 수 있기 때문이다(Korea Expressway Corporation, 2015). 더욱이 구조물 인접부와 같이 다짐 관리가 상대적으로 어려운 구간에서는 높은 세립분 함량으로 인해 야기되는 장기 침하 문제가 더욱 심화될 수 있다. 이러한 조건에서 하중 및 잠재적인 다짐 불량이 결합되면 포장 하부 공동 발생 및 지지력 저하를 유발하여 구조물 손상 및 기능 저하로 이어질 가능성이 있다(Park et al., 2012. 이와 같이 성토부의 장기 변형은 공용 중인 국내 고속도로 지중구조물과 상부 지반 거동에 직접적인 영향을 미치는 문제로, 연약지반이 아닌 양호한 지반 조건에서도 발생하였다. 주요 원인은 상재 하중, 재료의 공학적 특성, 미세 입자의 비율 등이었으며, 시공 시 다짐 상태 또한 침하 거동에 영향을 미치는 것으로 확인되었다(Lim, 2021). 따라서 이처럼 다양한 요인들이 상호작용하며 발생하는 Creep 현상의 구조적 메커니즘을 명확히 이해하고, 이를 기반으로 뒤채움 및 성토 재료의 Creep 특성을 심층적으로 규명하며 정량적으로 평가하는 것이 필수적이다.
2.2 조립재료의 Creep 메커니즘
조립재료로 구성된 사질토 지반의 Creep 현상은 작용 하중의 크기와 세립분 함량, 밀도 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 그 변형 특성이 결정된다. 주요 Creep 메커니즘으로는 입자 분쇄(particle crushing)와 슬라이딩 및 입자 재배열(particle rearrangement and sliding)이 있으며, 각 메커니즘의 영향 정도는 하중 조건과 재료의 내부 구조 등에 의해 크게 달라진다(Park, 2015; Lv et al., 2017).
작용 응력의 크기는 입자 단위의 접촉 및 변형 거동에 영향을 미쳐, Creep를 유발하는 주요 메커니즘의 작용 정도를 변화시킨다. 낮은 응력 조건에서는 주로 입자 사이의 미세한 미끄러짐과 재배열을 통해 간극이 서서히 감소하며, 시간이 경과함에 따라 변형이 수렴하여 안정화되는 경향이 나타난다. 반면, 재하 하중이 크거나 구속 응력이 높은 조건에서는 입자 간 접촉점에서 응력 집중이 심화되어 입자 분쇄가 주요 메커니즘으로 작용하게 된다. 이처럼 높은 응력 하에서 발생하는 입자 분쇄는 비가역적인 변형을 유발할 뿐만 아니라, 재료의 기존 입도 분포와 내부 골격 구조를 변화시켜 장기적인 압축 특성 및 강도에까지 영향을 미치게 된다.
세립분 함량의 변화 역시 재료 내부의 응력 전달 경로와 입자 상호작용 방식에 영향을 주어, Creep 메커니즘의 우세 거동을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다. 세립분 함량이 낮은 조건에서는, 세립분이 간극의 일부를 채우더라도 조립 입자 간의 직접적인 접촉이 유지되는 골격 구조가 형성된다. 이러한 구조 하에서는 외부 하중 작용 시 주로 조립 입자 간의 재배열 및 미끄러짐이 Creep 변형을 유발하며, 특히 높은 응력 조건에서는 접촉부의 분쇄가 Creep 거동을 지배하게 된다. 그러나 세립분 함량이 점차 증가하여 조립 입자 간의 직접 접촉이 감소하고 세립분이 간극을 완전히 채워 조립 입자가 세립분 매트릭스 내에 분산된 형태의 부유 구조로 전환되면, 입자 분쇄의 영향은 상대적으로 줄어든다. 이러한 경우, 세립분 자체의 압축성 및 매트릭스 내 입자 이동 등이 Creep의 주요 원인으로 작용하게 된다.
이와 같이 세립분 함량은 Creep 거동 특성을 결정짓는 주요 인자로서, 함량 변화에 따라 지반의 변형 메커니즘이 달라지므로 이에 대한 이해가 필수적이다. 일반적으로 세립분 함량에 따라 Creep 거동이 변화하는 경계는 전이 세립분 함량(FCt)으로 정의되며, 이는 혼합재료의 입자간 간극비(es)가 조립재료의 최대 간극비(emax)를 초과하는 시점으로 나타낼 수 있다. Kaothon et al.(2022)은 국내 성토 재료 기준에서 세립분 함량을 25% 이하로 제한함에도 불구하고, 세립분이 침하에 미치는 영향에 대한 구체적인 역학적 근거가 미흡하다는 점을 언급하였다. 해당 연구에서는 실험을 통해 전이 세립분 함량(FCt)이 유효응력에 따라 약 21-26%의 범위에 존재하며, 최대 건조밀도(γdmax)가 가장 크고 압축지수(cc)가 최소가 되는 최적 세립분 함량(Fopt)이 약 15% 수준임을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 현행 기준치 내에서도 다양한 거동 특성이 나타날 수 있으며, 특정 조건에서는 기준보다 낮은 세립분 함량이 오히려 공학적으로 유리할 수 있음을 나타낸다. 또한 #200체 통과 세립분은 성토체의 장기적인 Creep 침하량과 직접적으로 연관되어 품질 및 안정성에 큰 영향을 미치므로, 현행 기준보다 엄격한 관리가 필요하다는 주장이 제기되고 있다(Korean Geotechnical Society, 2020). 결론적으로, 사질토 재료에서 작용 하중과 세립분 함량은 Creep의 핵심 영향인자이며, 이러한 재료 내부의 Creep 변형은 잔류침하의 증가로 이어진다.
2.3 사질토 지반의 장기 침하량 산정
일반적으로 점성토나 연약지반의 장기 거동 평가 시에는 시간 의존적 변형인 압밀 또는 Creep 침하가 주요 고려 대상이 된다. 반면, 사질토 지반은 투수성이 높아 압밀이 빠르게 완료되므로 Creep의 영향이 상대적으로 작다고 여겨져 왔으며, 이에 대한 고려나 연구가 점성토에 비해 상대적으로 미흡하였다(Bong et al., 2012). 그러나 특정 조건 하의 사질토에서도 무시할 수 없는 수준의 Creep 변형이 발생함을 확인하였고, 이러한 장기 변형을 신뢰성 있게 예측하는 것은 구조물의 안정적인 설계와 성능 확보를 위해 필수적이다. 이를 위해서는 지반의 장기 침하 예측 시 Creep 침하의 발생 시점을 명확히 구분하는 것이 중요하다. Creep 침하는 재하 직후 발생하는 탄성 변형 이후, 시간이 경과함에 따라 변형률-시간 관계가 특정 선형적 경향을 보이는 구간에서 나타난다. 따라서 하중 단계별 변형률-시간 그래프를 분석하면 해당 구간을 식별할 수 있다. Fig. 3과 같이 총 변형률과 시간 관계를 이중 로그 스케일로 표현하면, 선형 거동 구간을 통해 기준 변형률(탄성 변형)과 기준 시간(Creep 시점)을 추정할 수 있다(Park, 2015).
장기 침하량 산정을 위해 연구자들은 다양한 경험적 및 이론적 방법을 제시해왔다. 본 연구에서 적용성을 검토한 주요 Creep 변형 예측 방법들의 개요와 관련 수식은 Table 1에 정리하였다.이 중 사질토 지반의 장기 침하 예측에 자주 활용되는 방법들을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
Table 1.
Methods for estimating creep deformation
| Model |
Hyperbolic method |
Creep coefficient method |
Curve fitting method |
Secondary compression index method |
| Formula | , | |||
| Creep parameter | β | α | Acr, β | Cae |
경험적 방법 중 하나인 쌍곡선 법(hyperbolic method)은 현장 계측 결과를 바탕으로 침하의 평균 속도가 시간에 따라 쌍곡선 형태로 감소한다고 가정하여 장기 침하량을 예측한다. 이 방법은 주로 연약지반의 압밀 해석에 적용되며, 압밀 이론에 기반하므로 지반 조건 및 계측 정확도에 따라 오차가 발생할 수 있다. 일반적으로 성토 완료 후 초기 단계의 계측 데이터를 활용하여 장기 침하량을 추정한다.
Creep 계수(creep coefficient)를 이용한 방법은 탄성 침하 이후 발생하는 Creep 침하가 log 시간에 비례한다는 특성에 기반한다. Sower et al.(1965), Charles(2008), Jica(2015) 등에 의해 제안된 이 방식은 침하량-log 시간 관계의 기울기(α)를 Creep 계수로 정의하고, 이를 토대로 Creep 침하량을 예측한다.
Singh and Mitchell(1968)의 연구에 기반한 곡선적합법(curve fitting method)은 변형률 속도, 응력 수준, 시간 간의 상관관계를 수학적으로 분석하여 현상학적 Creep 모델을 제시하였다. 이 모델은 시간에 따른 Creep 거동이 지수 함수적으로 감소하는 감쇠 특성을 반영하며, 계측 데이터를 회귀 분석하여 Creep 파라미터(Acr, β)를 도출하고 장기 침하량을 예측하는 방식이다.
과잉간극수압이 소산되어 일차 압밀이 종료된 후에도 지속적으로 발생하는 이차압밀침하를 정량적으로 예측하기 위해 이차압축지수(secondary compression index, Cae)를 활용하는 방법이 있다. 이차압밀구간에서 간극비-log 시간 그래프의 선형적 기울기로 정의되는 (Cae)는 특히 연약지반의 장기 침하 해석에 주로 적용된다.
이러한 예측 방법들은 널리 활용되고 있으나, 사질토의 Creep 변형에 대한 예측 정확도는 추가적인 검증이 필요하다. 기존 연구에 따르면 사질토의 장기거동에 관한 이론 정립이 상대적으로 미흡하며, 점성토 이론을 응용하거나 경험적 접근에 의존하는 경향이 있다(Park, 2018). 또한 일부 조건에선 예측과 실제 거동 간 차이가 나타남을 확인하였다(Nam et al., 2007).
3. 대형 압축실험기를 통한 장기거동 실험
3.1 실험 개요
하중 조건과 세립분 함량 변화가 사질토의 Creep 거동에 미치는 영향을 실험적으로 평가하기 위해, 국내 OO고속도로 현장에서 사용되는 실제 성토재료를 이용하였다. 본 연구에서는 세립분 함량의 영향을 독립적으로 평가하기 위해 원시료에서 #200체 통과분(세립분)을 제거한 후, 비소성이며 팽창성이 매우 낮은 재료인 카올리나이트를 혼합하여 시료를 재조성하였다. 이는 현장 세립분의 불균질한 광물학적 특성과 팽창성으로 인한 복합적인 변형 거동을 배제하고, 세립분 함량이 Creep 거동에 미치는 영향을 분석하기 위함이다. 이렇게 목표 세립분 함량 0%(KC-0), 15%(KC-15), 25%(KC-25)를 갖도록 각각 재조성된 시료는 세립분 함량이 증가함에 따라 최적함수비(OMC)는 증가하고 최대건조밀도(γdmax)는 감소하는 경향을 보였으며, 시료의 기본 물성은 Table 2와 같다.
Table 2.
Index properties of mixed samples
| Material | Gs | Fc (%) | γdmax (g/cm3) | OMC (%) | e0,(Rc=90%) | USCS |
| KC-0 | 2.67 | 0 | 2.13 | 6.86 | 0.38 | SW |
| KC-15 | 2.64 | 15 | 2.12 | 8.12 | 0.37 | SM |
| KC-25 | 2.62 | 25 | 2.06 | 9.36 | 0.40 | SM |
3.2 지반 장기거동 실험
Creep 실험은 직경 200mm, 높이 200mm 크기의 아크릴 셀을 갖춘 대형 1D 압축실험기를 사용하였다. 각 시료는 현장 시공 관리 기준인 상대다짐도(Rc)를 기준으로 통제되었으며, 재료별 최적함수비(OMC) 조건에서 다짐 램머를 사용하여 5층으로 균일하게 다져 목표 상대다짐도 90%의 공시체를 성형하였다. 다만, 세립분 함량에 따라 재료의 최대건조단위중량이 변하므로 동일한 상대다짐도라도 시료별 실제 간극비는 상이하며, 이는 Table 2에 함께 제시하였다. 또한, 실험의 신뢰도를 높이기 위해 잠재적인 오차 요인을 통제하였다. 장기간의 실험 중 발생할 수 있는 시료의 증발을 억제하고 일정한 함수비 조건을 유지하고자 셀과 피스톤 접촉부를 실리콘 그리스로 밀봉하고 배수라인 끝을 물에 담가 공기와의 접촉을 차단하였다. 이와 함께 셀 내벽에는 윤활 그리스를 도포하여 시료와 아크릴 셀 간의 측벽마찰을 최소화 하였다.
실험에 적용된 하중은 도로암거구조설계기준(KDS 44 90 00, 2021)의 최대 토피고 10m를 기준으로 산정하고, 포장층 및 차량 활하중 등의 영향을 고려하여 최대 300kPa로 설정하였다. 구체적인 하중 단계는 예상 성토고 4m, 7m, 10m에 상응하는 100kPa, 200kPa, 300kPa로 설정하여 단계적으로 재하하였다. 각 하중 단계에서는 Creep 거동이 충분히 발현될 수 있도록 약 10일 이상 해당 하중을 일정하게 유지하였다. 하중은 공기압을 통해 제어되며, 셀 내부에 위치한 시료는 상·하부 배수장치를 통해 양면 배수 조건을 유지하도록 구성되었다. 시간에 따른 침하량은 LVDT와 Data logger를 이용하여 자동으로 계측하였다.
본 실험에서는 간극수압을 직접 계측하지 않았으나, 측정된 시간 의존적 변형이 1차 압밀 이후의 Creep 거동임을 이론적·실험적 근거를 통해 판단하였다. 본 연구에 사용된 사질토 계열의 재료는 투수성이 높아 양면 배수 조건 하에서 과잉간극수압 소산이 신속히 완료되는 특성을 가진다(Bong et al., 2012). 또한, 실험 전후 함수비 변화량이 모든 경우에서 1% 미만으로 측정되어 장기 변형이 다량의 간극수 배출을 수반하는 압밀 현상과는 상이한 메커니즘으로 발생했음을 확인하였다. 따라서 Park(2015)의 연구와 같이, 재하 초기(약 100초) 이후에 관찰되는 장기 변형은 순수 Creep 거동으로 간주하여 분석하였다.
3.3 Creep 영향인자에 따른 장기거동 실험 결과
대형 압축실험을 통해 측정된 시간-변형률 곡선을 바탕으로, 주요 영향인자에 따른 Creep 거동 특성을 분석하였다. Fig. 5는 실험 시작점부터의 누적 변형률을 각 하중 단계별로 나타낸 것이다. Park(2015)이 제시한 방법(Fig. 3)을 적용하여 총 변형률(εtotal)을 초기(탄성) 변형률(ε0)과 Creep 변형률(εc)로 구분하고, 각 영향 인자별 변형 특성을 평가하였다. 분석결과, 모든 실험 조건에서 Creep 변형은 재하 후 100초 이내에 빠르게 발현되었으며 총 변형률, 탄성 변형률, Creep 변형률 모두 재하 하중 증가에 따라 증가하였다. 그러나 Creep 거동에 대한 세립분 함량의 영향은 작용 하중 수준에 따라 다르게 나타났다.
초기 하중 단계인 100kPa에서는 세립분 함량에 따른 Creep 변형률(약 0.22-0.27%) 및 변형률 속도(시간-변형률 곡선의 기울기)의 뚜렷한 차이는 관찰되지 않아 낮은 응력 수준에서는 세립분 함량의 영향이 비교적 적은 것을 확인하였다(Fig. 5(a)). 반면, 하중이 200kPa 및 300kPa로 증가하면서 세립분 함량에 따른 차이가 명확하게 나타났다(Fig. 5(b),(c)). 세립분이 없는 모래 시료(KC-0)의 경우, 하중 증가 시 Creep 변형률은 소폭 증가하였지만 변형률 속도의 유의미한 변화는 나타나지 않았다. 이에 비해 세립분이 포함된 KC-15 및 KC-25 시료에서는 하중 증가 시 Creep 변형률 속도가 현저히 증가하였으며, 이러한 경향은 특히 세립분 함량이 가장 높은 KC-25 시료에서 가장 크게 나타났다.
이러한 거동 차이는 최종 하중 단계(300kPa)에서 Creep 변형과 총 변형률 대비 Creep 변형률의 비율을 통해 정량적으로 파악할 수 있다. KC-0 및 KC-15의 Creep 변형률은 각각 약 0.48%, 0.52%로 나타난 반면, 세립분 함량 25% 시료(KC-25)에서는 약 0.79%로 측정되어 약 1.5배 이상 높은 값을 보였다. 또한, KC-0와 KC-15 시료의 Creep 변형률 비율은 약 29~31%로 유사한 수준이었으나, KC-25 시료의 경우 약 40%로 1.3배 이상 높게 나타났다(Fig. 5(d)). 이는 세립분 함량이 15%에서 25%로 증가할 때 Creep 변형이 전체 변형에서 차지하는 상대적 비중이 급격히 증가함을 나타낸다. 이러한 결과는 앞서 논의된 이론적 배경, 즉 작용 하중의 크기와 세립분 함량이 Creep 변형을 지배하는 주요 메커니즘에 영향을 미친다는 점과 부합한다. 본 실험에서 관찰된 고하중 조건에서의 Creep 변형률 증가는 높은 응력 하에서 입자 재배열이 가속화되는 경향을 반영하는 것으로 볼 수 있다. 특히, 이러한 재배열 과정은 세립분 함량이 증가함에 따라 입자 간 마찰이 감소하고 이동을 원활하게 하는 일종의 윤활제 역할을 하여 더욱 촉진된 것으로 추정된다. 또한, 세립분 함량이 일정 수준 이상으로 증가하며 세립분 자체의 압축성이 주요 변형 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 따라서 하중과 세립분 함량이 조립재료의 Creep 변형에 복합적으로 작용함을 정량적으로 평가할 수 있다.
4. 실험 data를 이용한 장기 Creep 변형 예측
4.1 예측 방법 및 기준
장기거동 실험 결과를 토대로, 지반 침하 분석에 보편적으로 사용되는 예측 방법들의 적용성을 평가하고 영향인자가 예측 정확도에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구의 장기 침하 예측은 선행 연구(Jeong, 2021; Lim, 2021)와 같이 안정화 단계의 Creep 변형률 곡선을 외삽하는 방법을 사용하였으며, 예측 기간은 도로포장 구조 설계 지침에 명시된 콘크리트 포장의 대표 설계 수명인 20년을 기준으로 설정하였다. 이렇게 산정된 각 방법론별 Creep 매개변수와 20년 후의 예측 변형률은 Table 3에 종합하여 정리하였다. 또한, 이러한 예측 결과를 시간에 따라 도시한 것이 Fig. 6이며, 그래프의 붉은선 왼쪽 영역은 실제 실험 계측 구간을, 오른쪽 영역은 계측 데이터를 기반으로 예측한 장기 변형률을 의미한다. 함께 표시된 검은색 수평선은 기존 연구에서 제안된 사질토의 경험적 Creep 한계치인 1.1%를 나타낸다.
Table 3.
20-Year creep deformation by estimation methods
4.2 예측 모델별 매개변수 분석
쌍곡선 법을 적용한 결과, Creep 매개변수 β값은 약 1.18-4.58 범위로 산정되었으며 이는 세립분 함량 및 재하 하중 증가에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 최종 하중 단계 300kPa에서 예측된 Creep 변형률은 KC-0, KC-15, KC-25 시료에 대해 각각 0.49%, 0.55%, 0.85%로 분석되었다. 이는 실험 종료 시점 대비 미소한 추가 변형 가능성을 나타내지만, 다른 예측 방법들과 비교 시 상대적으로 낮은 최종 변형률을 예측하는 경향이 확인되었다. 이러한 특성은 쌍곡선 법이 주로 압밀 완료 후의 거동을 가정하는 경험적 모델이라는 점에 기인하는 것으로 판단된다(Table 3).
시간-변형률 관계의 Creep 구간 기울기에 기반한 Creep 계수(α) 및 수정이차압축지수(Cae)는 0.0003~0.0034 범위 내에서 유사한 경향성을 보였다(Table 3). 특히 세립분 함량과 재하 하중이 증가함에 따라 두 값 모두 증가하는 경향이 확인되었다. 다만, 하중 증가에 대한 계수 값의 증가율은 점진적으로 감소하는 양상을 나타냈다. 일례로, Creep 계수는 하중이 100kPa에서 200kPa로 증가할 경우 약 63~135%의 증가율을 보였으나, 200kPa에서 300kPa로 증가할 경우 약 32~80%로 증가율이 감소하였다. 이는 일정 응력 수준 이상에서는 입자 구조가 재배열되어 상대적으로 안정한 상태에 도달하면서, 추가적인 하중 증가의 효과가 점차 감소함을 나타낸다(Table 3).
곡선적합법의 경우, 회귀 분석을 통해 매개변수 Acr과 β를 도출하였다. Acr 값은 약 0.04-0.16 범위 내에서 분포하였으며, 하중이 증가하고 세립분 함량이 감소할수록 증가하는 경향을 나타냈다. β 값은 약 0.07-0.18의 범위로 산정되었고, 세립분 함량과 하중이 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 보였다(Table 3). 본 연구에서 관찰된 이러한 매개변수들의 변화 경향은 기존 연구 결과와도 유사한 양상을 보인다(Korea Expressway Corporation, 2013). 해당 선행 연구에서도 주문진 표준사의 Acr 값이 세립분을 포함한 풍화토보다 높게 나타났으며, β 값 역시 표준사(약 0.1)와 풍화토(약 0.2)에서 본 연구와 유사한 경향을 보였다. 이처럼 선행 연구와의 유사성은 본 실험을 통해 도출된 매개변수 값들이 타당하며 합리적인 범위 내에 있음을 나타낸다.
4.3 예측 모델 간 비교 및 적용성 평가
산정된 매개변수들을 이용한 장래 침하 예측치를 비교한 결과, 약 100일 경과 시점부터 각 예측 방법 간 편차가 발생하기 시작하였으며, 이 편차는 세립분 함량과 하중이 증가할수록 더욱 확대되는 경향을 보였다(Table 3, Fig. 6). 설계 수명 20년을 기준으로 예상 변형률의 차이를 분석하면 KC-0 시료는 방법 간 0.03-0.10% 범위의 차이를 보인 반면, KC-25 시료는 0.14-0.69%로 더욱 큰 편차를 나타냈다. 이는 세립분이 포함된 지반의 Creep 특성을 평가할 때 일반적인 사질토 파라미터를 적용할 경우 실제 변형을 과소평가할 수 있으며 세립분 함량의 영향을 간과할 수 없다는 기존의 지적(Korea Expressway Corporation, 2013)과 부합하는 결과이다. 이러한 경향은 실험 결과에서 확인되었듯이, 세립분 함량과 하중 조건에 따른 Creep 변형률 속도의 차이가 예측 방법 간 편차의 주요 원인으로 판단된다. 특히, 높은 세립분 함량과 고하중이 결합된 조건에서는 기존 예측 모델들의 신뢰도가 저하될 수 있으므로, 실제 적용 시 각 모델의 적용성에 대한 신중한 검토가 요구된다. 한편, Meyerhof(1951)와 Sower et al.(1965)의 연구에서는 잘 다져진 성토체에서도 전체 높이의 0.5~1.1% 수준의 Creep 침하가 발생 가능하다고 제시하였다. 그러나 본 연구의 장기 변형 예측 결과(Fig. 6)는 KC-15 시료(300kPa) 및 KC-25 시료(200kPa, 300kPa)에서 해당 범위를 초과하는 Creep 변형률이 발생할 수 있음을 확인하였다. 특히, KC-25 시료(300kPa)는 약 180일 만에 기존 연구에서 제시된 최대 기준치(1.1%)에 도달하는 것으로 예측되어, 일정 이상의 장기 변형이 비교적 단기간 내에 발생할 가능성을 나타낸다.
4.4 Creep 변형 예측 결과의 종합 분석
한편, KC-15의 조건은 현행 기준보다 안전측에 속함에도 불구하고, 고하중 상태에서는 상당한 Creep 변형이 발생하였다. 이러한 현상은 Creep 거동에 대한 영향인자의 상대적 중요성이 응력 수준에 따라 변화하기 때문으로 해석된다. Jeong(2021)의 연구에 따르면, 저응력 조건(약 100kPa)에서는 세립분 함량 15%와 25% 시료 간의 Creep 계수비가 약 1.4에 달했으나, 고응력 조건(약 200kPa)에서는 1.03으로 감소하였다. 이는 고응력 상태에서는 Creep 변형을 지배하는 메커니즘이 세립분 함량의 차이보다 재하 하중의 절대적인 크기에 더욱 민감하게 반응함을 나타낸다. 따라서 본 연구에서와 같이 고성토 조건을 모사한 높은 응력 수준에서는, 현행 기준을 만족하는 저세립분(15%) 재료일지라도 고세립분(25%) 조건에 준하는 장기 변형이 발생할 수 있음을 의미한다. 그러나 본 연구의 최고 응력 조건인 300kPa에서는 세립분 25% 시료의 Creep 변형이 15% 시료에 비해 여전히 뚜렷하게 크게 나타나는 경향이 관찰되었다. 이는 매우 높은 응력 수준에서는 하중의 지배적 영향과 더불어 세립분 증가에 따른 변형 가속화 효과가 복합적으로 작용함을 시사한다. 또한, Table 2에서 확인되듯이 동일한 상대다짐도(Rc=90%) 조건임에도 불구하고 세립분 함량에 따라 시료의 초기 간극비가 다르게 나타났는데, 이러한 초기 입자 구조 역시 변형량의 차이를 유발하는 추가적인 요인으로 작용했을 가능성이 있다. 이처럼 하중, 세립분 함량, 그리고 초기 간극비 간의 복합적인 상호작용을 명확히 규명하기 위해 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이상의 분석 결과를 종합하면, 특히 고성토를 모사한 높은 응력 조건에서는 세립분 함량이 증가함에 따라 기존의 경험적 예측 범위를 초과하는 Creep 변형이 발생할 수 있음을 보여준다. 다만, 본 연구의 장기 예측치는 방법론적 측면에서 다음과 같은 한계를 내포한다. 첫째, 단기간의 실험에서 관찰된 Creep 단계의 선형적 추세를 장기간에 걸쳐 외삽함에 따른 불확실성이다. 실제 지반에서는 입자 간 결합 증진과 같은 노화(Aging) 효과로 Creep 속도가 점차 감쇠할 수 있다. 둘째, 함수비 변화나 동결-융해와 같은 복합적인 현장 환경 변수를 통제된 실험실 조건에서 재현하지 못한 점이다. 그러나 이러한 정량적 예측의 한계에도 불구하고, 세립분 함량이 장기 변형을 가속시키는 지배적인 인자라는 경향성은 본 연구를 통해 명확히 규명되었다. 따라서 구조물의 장기 안정성을 확보하고 잔류 침하를 효과적으로 관리하기 위해, 현행 뒤채움 및 성토 재료 기준에서 허용하는 세립분 함량(25% 이하)의 적정성을 재검토하고, 실제 하중 조건과 재료 특성을 반영한 보다 보수적인 설계 기준 또는 평가 방안의 도입이 필요하다고 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 지중구조물 뒤채움 및 성토에 사용되는 사질토 재료의 Creep 거동 특성을 규명하기 위해, 주요 영향 인자인 하중 조건과 세립분 함량 변화에 따른 대형 1D 압축 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 또한, 실험 결과를 바탕으로 기존 장기 침하 예측 방법들의 적용성을 평가하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 국내 고속도로 구조물의 침하 및 파손 사례와 조립재료의 Creep 메커니즘 분석을 통해, 뒤채움 및 성토 지반의 시간 의존적 변형이 구조물의 장기 안정성에 영향을 미치는 주요 요인임을 확인하였으며, 특히 재료 내 세립분 함량과 하중 조건이 Creep 거동에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 파악하였다.
(2) 하중 및 세립분 함량에 따른 대형 압축실험 결과, 재하 하중의 증가는 모든 실험 조건에서 Creep 변형률을 증가시키는 요인으로 작용하였다. 세립분 함량의 영향은 작용 하중 수준에 따라 상이하게 나타났다. 저하중 조건(100kPa)에서는 세립분 함량(0~25%)에 따른 Creep 변형률 및 변형 속도의 차이가 뚜렷하지 않았으나, 고하중 조건(200kPa, 300kPa)에서는 세립분 함량이 증가할수록 Creep 변형이 촉진되어, 특히 고세립분(KC-25) 시료에서 Creep 변형률 및 변형 속도가 상대적으로 크게 평가되었다.
(3) 기존 장기 침하 예측 방법들을 실험 데이터에 적용하여 분석한 결과, 특히 높은 하중과 세립분 함량 조건에서 각 방법론이 가정한 Creep 거동 특성의 차이로 인해 예측 변형률 간의 편차가 크게 발생하였다. 이는 해당 조건에서 특정 예측 모델의 적용 시 주의가 필요함을 나타낸다. 또한, 장기 변형 예측 결과 실험 조건 중 높은 성토고를 모사한 고하중 및 고세립분 조건(KC-15 300kPa, KC-25 200kPa, 300kPa)에서는 Creep 변형률이 기존 문헌에서 제시된 사질토의 경험적 예측 범위(0.5~1.1%)를 초과하는 것으로 분석되었다.
(4) 연구 결과를 바탕으로, 현행 뒤채움 및 성토 재료 기준(세립분 함량 25% 이하)을 만족하는 경우에도 높은 성토고와 같은 특정 조건에서는 기준의 기본 전제와 달리 상당한 장기 침하가 발생할 가능성이 확인되었다. 이는 구조물의 장기 안정성 확보를 위해 실제 하중 및 재료 특성을 고려한 현행 기준의 적정성 검토와 더불어 보수적인 평가 방안 마련이 필요하다고 판단된다.
