1. 서 론

국내에서 시공되는 대부분의 연약지반 처리현장에서는 프리로딩(Pre-loading)공법과 연직배수공법이 주로 적용되고 있다. 연직배수공법과 함께 과잉간극수의 원활한 배수를 위해 쇄석이나 양질의 모래를 이용하여 수평배수층을 시공하게 된다. 또한, 수평배수층의 상･하에는 토목섬유를 설치하고 있다. 수평배수층에 설치되는 토목섬유의 목적은 연약지반의 장비주행성 확보와 상부 성토재의 혼재로 인한 배수층의 폐색 등을 방지하여 장기간의 통수능력을 확보하기 위함이다.

특히, 쇄석으로 형성된 수평배수층에는 장비주행성 확보를 위한 PET매트와 성토재와의 혼재를 방지하기 위한 PP매트를 설치하고 있다. 이들 쇄석배수층을 경계로 서로 다른 세 가지 재료(점성토, 쇄석, 토사)간의 역학적, 수리학적 거동들로 인해 쇄석배수층의 소요 성능(지지력, 통수능)을 장기간 구현하는 데 많은 문제점이 발생되고 있다.

연약지반과 쇄석배수층이 접한 경계면에서는 상부 하중 재하로 인해 쇄석이 연약지반에 관입되며 과도한 소성변형을 유발하게 되고 건설장비의 과도한 주행으로 인해 최악의 경우 연약지반의 관입파괴가 발생된다. 또한, 쇄석배수층과 성토재가 접한 경계면에서는 흙의 입도분포, 배수재의 특성 그리고 지하수의 흐름과 우수 침투에 따라 입자의 유동이 여러 가지 형태로 나타난다. 양입도 지반에 타설된 배수재에 한 방향 지하수 흐름이 작용하면 지하수의 흐름과 함께 미세입자는 배수재를 통해 유실되는 정상이동이 발생된다. 흙의 입경보다 배수층의 입경이 상대적으로 클 경우, 많은 양의 입자가 유실되면서 큰 간극이 발생되고 유수의 흐름을 난류로 바뀌는 내적침식(Internal erosion) 현상이 발생되고, 흙이 빈입도를 갖는 경우에는 배수재의 간극 크기보다 작은 세립토는 배수재를 통하여 유실되고, 조립토는 배수재에 잔류하는 형태로 Soil suffusion이 발생된다. 또한 철도나 임시도로 등과 같이 동적 하중을 받는 지역에 타설된 배수재의 경우에는 펌핑(Pumping)작용에 의해 세립토가 상부로 이동되는 파이핑(Piping) 현상이 발생할 수도 있다(John, 1987).

국내에서는 수평배수공법에 적용되는 토목섬유에 대한 연구사례는 많지 않으며, Jung 등(2006)은 쇄석배수층의 공학적 특성, 맨드렐 관입저항, 하중에 의한 토목섬유 손상 여부, 통수능 시험 등 실내 및 현장시험을 실시하여 수평배수층으로 쇄석 Mat의 적용성을 연구하였다. 또한 Kim 등(2001)와 Lee 등(2008)는 순환골재나 상부 성토재를 배수층으로 활용할 경우에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구의 목적은 쇄석배수층에 설치된 토목섬유의 효율성을 실험을 통해 검증하고자 하였다. 쇄석배수층의 장비주행성 확보를 목적으로 설치된 PET매트의 효율성을 검증하기 위해, PET매트의 설치 유무에 따른 지지력을 실험을 수행하였다. 성토재의 침투로 인한 쇄석배수층 폐색 방지를 목적으로 설치된 PP매트의 효율성을 검증하기 위해, 하중재하와 강우 침투 등 여러 현장조건을 모형실험에서 재현하여 PP매트 설치 유무에 따른 혼재량을 측정하였다. 또한, 통수능 실험을 수행하여, PP매트가 설치된 쇄석배수층과 PP매트가 설치되지 않아 폐색된 쇄석배수층의 통수능 변화량을 판단하였다.

2. 실험용 토조 및 점성토층 재현

실내시험을 위해 Fig. 1과 같이 제작한 모형토조는, 현장 조건 재현을 위해 점성토 토조(L=80cm, B=40cm, H=30cm), 쇄석 토조(L=80cm, B=40cm, H=60cm), 성토재 토조(L=80cm, B=40cm, H=30cm)를 별도로 제작하였다. 또한, 누수가 발생하기 않도록 모형토조 내부에 방수테이프를 설치하였다.

Table 1은 실험에 사용된 점성토의 실내실험결과를 나타낸 것이다. 깊이별로 비슷한 공학적 특징 및 강도를 나타내며, 세 구간의 점성토 모두 통일분류법상 CL로 분류된다. 실내실험을 위한 점성토는 약 4.0m 지점에서 채취하였다.

Fig. 2는 점성토층의 압밀상태 재현과정을 나타낸 것이다. 현장에서 채취한 점성토를 액성한계 2배의 함수비에 맞춰 재성형한 후 24시간 방치하였다. 그 후 점성토를 토조에 Fig. 2(a)와 같이 약 50cm 높이까지 충진하였다. 하중재하시 배수층 형성을 위해 Fig. 2(b)～(c)와 같이 점성토층 상부면에 부직포를 설치하였다. 재하하중은 Table 1의 현장 점성토의 선행압밀하중(82.3～106.0kPa)을 고려하여 100kPa으로 재하하여 압밀상태를 재현하였다.

Fig. 3은 점성토층의 압밀상태 재현을 위한 하중 재하에 따른 시간-침하량 곡선을 나타낸 것이다. 시간-침하량 곡선은 즉시침하와 압밀침하가 발생하는 전형적인 시간-침하량 곡선의 형태임을 알 수 있다.

3. PET매트의 지지력 실험

3.1 실험방법

PET매트 설치유무에 따른 쇄석배수층의 거동을 알아보기 위해 PET매트의 지지력 실험을 수행하였다. 모형실험토조 제작 시 Table 2에 보인바와 같은 연약지반에 사용되는 장비접지압을 고려하여 제작하였으며, 최대 600kPa까지 하중재하가 가능하도록 제작하였다. 점성토층 상부에 PET매트의 유무에 따라 쇄석을 10cm 포설한 후 하중(0～600kPa)을 증가시켜 가며 재하판의 침하량과 주변의 융기량을 LVDT로 측정하였다.

3.2 실험결과

3.2.1 PET 매트 설치

점성토층 상부에 PET매트를 설치한 후 상재하중을 100kPa, 200kPa, 400kPa, 600kPa의 4단계로 재하시켜 가며 침하량 및 주변 지반의 융기량를 측정하였다. 배수층에 사용된 쇄석은 일반적으로 현장에서 가장 많이 사용되는 25mm 쇄석을 이용하였다.

Fig. 4는 PET매트 설치시 하중재하에 따른 쇄석 및 점성토층 변화를 나타낸 것이다. Fig. 4(a)는 하중 재하 전 모습이며 Fig. 4(b) 100kPa 재하 시이며 Fig. 4(c)는 600kPa 재하 시이다. 최종하중 600kPa 재하 시, 재하부분의 쇄석층은 침하되고 주변의 비재하부분은 융기되는 것을 볼 수 있었다(Fig. 4(c)). 또한, 재하시험 후 쇄석층을 제거하고 PET매트의 상태를 확인한 결과, 손상된 부분 없이 상태가 양호하여 쇄석이 점토에 직접 관입되지 않았다.

3.2.2 PET매트 미설치

PET매트 미설치시 상재하중을 100kPa, 200kPa, 300kPa, 400kPa, 500kPa, 600kPa의 6단계로 재하시켜가며 침하량 및 주변 지반의 융기량을 측정하였다.

Fig. 5는 PET매트 미설치시 하중재하에 따른 쇄석 및 점성토층 변화를 나타낸 것으로 Fig. 5(c)와 같이 상재하중 300kPa 재하시부터 쇄석이 점성토층에 관입되는 것을 알 수 있다. 이 후 하중 증가에 따라 관입량이 증가되었으며 Fig. 5(e)와 같이 상재하중 500kPa부터는 점성토층의 융기가 발생되었다.

3.2.3 실험결과 비교

Table 3은 PET매트의 설치 유무에 따른 재하시험의 침하량을 나타낸 것이다. 덤프트럭을 제외한 연약지반에서 사용되는 건설장비(대형도저)의 접지압보다 큰 100kPa 재하 시, 침하량은 PET매트 설치 시에 5.06mm, PET매트 미설치 시 12.14mm로 나타났다. 600kPa 재하시, PET매트 설치 시에 29.19mm, PET매트 미설치 시에 119.58mm로 나타났다.

Fig. 6은 PET매트의 설치 유무에 따른 재하시험의 하중-침하량 곡선을 나타낸 것이다. PET매트 설치 시, 하중-침하량 곡선은 직선형태로 나타나고 600kPa 재하 시까지 항복점이 나타나지 않았다. PET매트 미설치 시, PET매트 설치 시와 달리 하중에 따라 침하량이 항복점을 보이며 급격하게 증가되었다. 하중-침하량 곡선에서 항복지지력은 378.1kPa로 나타났다.

4. PP매트의 폐색 및 통수능 실험

쇄석배수층이과 성토재로 폐색되는 것을 억제하기 위해 설치되는 PP매트의 효능을 검증하기 위해 재료분리 검증실험을 수행하였다. 실험조건은 1) 하중재하에 의한 폐색, 2) 강우 침투에 의한 폐색, 3) 점착력이 없는 흙의 폐색 등의 세 가지 조건으로 실험을 수행하였다.

4.1 하중재하에 의한 폐색

Fig. 7은 PP매트 미설치 시 하중재하로 인한 쇄석배수층과 성토층의 폐색 실험 과정을 나타낸 것이다. Fig. 7(a)와 같이 쇄석배수층 50cm를 설치한 후 Fig. 7(b)와 같이 성토층을 40cm 설치하였으며, Fig. 7(c)와 같이 소형재하판(40cm×40cm)을 이용하여 하중재하에 따른 성토층의 폐색 정도를 측정하였다.

Fig. 8(a)는 수평배수층과 성토층이 설치된 토조 전경을 보여주며 Fig. 8(b)는 수평배수층과 성토층의 경계단면을 보여준다. 실험결과, 최종하중 600kPa 재하 시까지 두 층의 폐색영역이 거의 발생되지 않았으며, 이는 40cm의 성토층이 충분한 지지력을 발휘하여 상부 집중하중을 견딜 수 있으므로, 성토층이 쇄석층에 관입되지 않았다는 것을 의미한다.

이는 쇄석배수층과 성토층의 층분리를 위한 PP매트를 설치하지 않더라도 하중 재하만으로는 두 층의 폐색되기 어려운 것을 의미한다.

4.2 강우 침투에 의한 폐색

Fig. 9는 강우 침투에 의한 쇄석배수층과 성토층의 폐색 실험과정을 나타낸 것이다. 강우 침투는 최악의 조건을 재현하기 위해 상부에 물이 저류되도록 하였으며 물조리개를 이용하여 세굴이 발생되지 않토록 실험을 수행하였다.

Fig. 10은 강우 침투에 의한 성토층 침하 및 토사 폐색과정을 나타낸 것이다. 강우 침투에 의해 토사층이 약 1cm정도 침하되었으며 Fig. 10(b)와 같이 강우 침투에 의해 토사가 침투되었다. 이 후 시간이 경과됨에 따라 Fig. 10(c)와 같이 성토층의 침하와 토사 폐색이 동시에 발생되었다. 하지만 성토재에 포함된 세립질 토사의 점착력으로 인해 강우 침투만으로는 쇄석배수층을 통수능을 감소시킬 만큼의 폐색은 발생되지 않았다.

4.3 점착력이 없는 성토재에 의한 폐색

성토재에 포함된 세립분의 점착력으로 인해 쇄석배수층이 폐색되지 않았다. 성토재의 점착력에 의한 폐색 정도를 판단하기 위해 점착력이 없는 주문진 표준사를 성토재로 사용하여 실험을 수행하였다.

Fig. 11과 Table 4는 성토재와 주문진 표준사의 체분석과 비중 시험 결과를 나타낸 것이다. 이를 살펴보면 성토재의 경우, 양질의 토사로 세립분 함유량이 3.5%이며 통일분류법상 SW로 나타났고 주문진 표준사의 경우 세립분 함유량이 0%이며 통입분류법상 SP로 나타났다.

Fig. 12는 주문진 표준사 포설에 의한 폐색 실험 과정을 나타낸 것이다. Fig. 12(a)와 같이 토조 내 쇄석배수층을 50cm 설치한 후 상부에서 건조된 표준사를 포설하였다. Fig. 12(b)와 같이 포설 후 1분 경과시 주문진 표준사의 대부분이 쇄석배수층으로 폐색되었다. Fig. 12(c)와 같이 5분 경과 후 쇄석배수층 전체가 주문진 표준사로 폐색되었다.

점착력이 없는 주문진 표준사를 성토재로 이용한 실험 결과, 성토재에 점착력이 없을 경우 하중재하 및 강우 등의 외부영향이 없이도 쉽게 쇄석배수층으로 폐색되는 것을 알 수 있었다.

4.4 쇄석배수층의 통수능 실험

4.4.1 실험방법

PP매트의 미설치 시 점착력이 없는 주문진 표준사를 성토재로 사용할 경우, 쇄석배수층이 폐색되는 것을 알 수 있었다. 본 절에서는 쇄석배수층의 폐색으로 인한 통수능 감소량을 측정하였다. Fig. 13(a)와 같이 쇄석배수층 상부에 PP매트를 설치하여 폐색되지 않은 조건과 Fig. 13(b)와 같이 PP매트를 설치하지 않아 주문진 표준사로 폐색된 조건에서 통수능 실험을 수행하였다.

먼저 PP매트의 설치로 인해 성토재가 폐색되지 않은 상태에서 통수능 실험을 수행하였다. 먼저 실험토조에 점성토층과 쇄석배수층을 형성하였다. Fig. 14(a)와 같이 수평배수층에 유입되는 물은 유량계를 이용하여 측정하고 Fig. 14(b)와 같이 유출되는 물의 무게를 저울을 이용하여 측정하였다. 쇄석배수층의 유입량과 유출량, 누적유입량과 누적유출량을 측정하고 Fig. 14(c)와 같이 내부의 수위변화를 측정하였다.

Fig. 15는 PP매트를 설치하지 않아 점착력이 없는 주문진 표준사에 의해 폐색되었을 경우, 통수능 실험 과정을 나타낸 것이다. 초기 건조된 주문진 표준사의 영향을 줄이기 위해 수위를 20cm까지 상승시켜 모관흡수력에 의한 불포화영역을 재현한 후 물을 배수시켜 Fig. 15(a)와 같이 표준사로 폐색된 수평배수층을 불포화상태로 만들었다. 주문진 표준사로 폐색된 쇄석배수층의 유입량과 유출량, 누적유입량과 누적유출량을 측정하고 내부의 수위변화를 측정하였다.

4.4.2 실험결과 비교

Fig. 16과 Fig. 17은 PP매트 설치로 인해 폐색되지 않은 쇄석배수층과 PP매트 설치하지 않아 주문진 표준사로 폐색된 쇄석배수층의 통수능 실험 결과이다. 통수능 실험에서 측정된 유입량과 유출량, 누적유입량과 누적유출량, 내부 수위변화를 나타내었다.

Fig. 16과 같이 PP매트 설치로 인해 쇄석배수층이 폐색되지 않았을 경우, 쇄석배수층에 약 8l/min의 유량을 유입시키면 약 30초만에 좌측 8.5cm, 우측 9.0cm의 일정 수위가 형성되었으며 누적유입량은 3분간 총 45l이며, 누적유출량은 6분간 총 45l로 나타났다.

Fig. 17과 같이 PP매트 설치하지 않아 주문진 표준사로 폐색되었을 경우, 불포화상태 재현으로 인해 좌･우측의 초기 수위가 8cm, 13cm로 나타났다. 이 후 물을 유입하였을 때 성토재의 흡입력에 의해 물이 흡수되었으며 13분 경과 후부터 수위 변화가 발생되어 유입량이 최종 2.42l/min에서 Fig. 17(b)와 같이 좌측 19.0cm, 우측 23.5cm의 일정 수위를 형성하였다. 폐색된 주문진 표준사의 흡수로 인해 누적유입량과 유출량은 동일하지 않았다.

4.4.3 투수계수 산정

통수능 실험 결과를 이용하여 투수계수를 산정하였으며, Fig. 18과 같이 쇄석배수층의 내부 수위와 동수경사를 나타내었다.

투수계수는 정수위 투수시험의 원리를 이용하여 산정하였으며 다음 식 (1)을 이용하였다.

 (1)

여기서, 는 시료의 단면적(), 은 시료의 두께(), 는 시료 상하면의 사이의 수두차, 는 시험에 소요된 시간, 는 시간 동안의 유량이다.

쇄석배수층이 폐색되기 전에 단면적은 40cm × 8.75 cm이며, 시료의 두께는 80cm, 시료 상하면의 수두차는 1.33cm, 시험에 소요된 시간은 5min, 시간 동안의 유량은 30,000cm3이다. 이를 식 (1)에 대입하여 투수계수를 산정하면 다음 식 (2)와 같다.

 (2)

주문진 표준사로 폐색된 후의 단면적은 40cm × 21.22 cm이며, 시료의 두께는 80cm, 시료 상하면의 수두차는 12cm, 시험에 소요된 시간은 10min, 시간 동안의 유량은 24,180cm3이다. 이를 식 (1)에 대입하여 투수계수를 산정하면 다음 식 (3)와 같다.

                 (3)

실험 결과를 이용하여 PP매트 설치로 인해 폐색되기 전과 PP매트 미설치로 인해 주문진 표준사로 폐색된 후에 각 조건에서의 투수계수를 산정한 결과, 폐색 전에는 17.58cm/sec 폐색 후에는 0.3165cm/sec로 나타났다. 쇄석배수층이 폐색되면, 다음 식 (4)와 같이 투수계수가 약 98.2%정도 감소되는 것으로 나타났다.

 (4)

5. 결 론

본 연구의 목적은 쇄석배수층에 설치된 토목섬유의 효율성을 실험을 통해 검증하고자 하였다. 이를 위해 쇄석배수층의 장비주행성 확보을 위한 PET매트의 지지력 실험과 성토재와의 폐색을 방지하기 위한 PP매트의 폐색 및 통수능 실험을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)PET매트 설치 시 재하실험 결과, 100～600kPa 재하 시까지 침하량은 29.19mm로 나타났으며, 쇄석이 점성토층에 직접 관입되지 않았고 PET매트의 상태도 양호하였다. 하중-침하량 곡선에서도 항복점이 발생되지 않았다.

(2)PET매트 미설치 시 재하실험 결과, 300kPa 재하 시부터 침하량은 33.52mm로 나타났고, 600kPa 재하시 최종 119.58mm까지 침하되었다. 쇄석이 점성토층에 직접 관입되었으며, 하중-침하량 곡선에서 항복지지력은 378.1kPa으로 나타났다.

(3)PP매트 설치로 인해 쇄석배수층이 폐색되지 않았을 경우, 투수계수는 17.58cm/sec로 산정되었으며, PP매트가 설치되지 않아 쇄석배수층이 폐색되었을 경우에는 투수계수가 0.3165cm/sec로 나타났다. PP매트를 설치하지 않아 점착력이 없는 성토재로 폐색될 경우, 통수능은 약 98.2%정도 감소되는 것으로 나타났다. 따라서, 성토재와 쇄석배수층 간의 층분리를 위해 설치되는 PP매트가 없을 경우, 성토재의 점착력이 없는 사질토라면 상당한 통수능 감소가 유발될 수 있음을 알 수 있다.