1. 서 론
2. 원심모형 소형콘관입시험 모델링
2.1 원심모형시험 장비 및 상사조건
2.2 소형콘관입시험 장치
2.3 모형지반 조성
2.4 지반 세굴 및 되메움 조성
3. 소형콘관입시험 결과 및 분석
3.1 상대밀도에 따른 선단저항 특성
3.2 사질토 입경에 따른 선단저항 특성
3.3 포화 조건에 따른 선단저항 특성
3.4 세굴 및 되메움 조건에 따른 선단저항 특성
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적인 탄소중립 정책과 재생에너지 보급 확대에 따라 해상풍력발전의 개발 규모는 지속적으로 증가하고 있다. Global Wind Energy Council에 따르면 전 세계 해상풍력 누적 설비용량은 2024년 말 기준 약 83.2 GW에 도달하였으며, 2025년부터 2034년까지 약 350 GW가 추가되어 2034년에는 누적 441 GW 수준으로 확대될 것으로 전망된다(GWEC, 2025). 국내에서도 해상풍력 보급 확대가 주요 에너지 정책 과제로 제시되고 있다. 기후에너지환경부는 2025년 기준 약 0.35 GW 수준인 국내 해상풍력 상업운전 규모를 기반으로 2030년 누적 10.5 GW 보급·착공, 2035년 누적 25 GW 이상 보급을 목표로 하는 해상풍력 인프라 확충 및 보급 계획을 발표하였다(MCEE, 2025).
이와 같은 해상풍력발전의 확대는 해상기초 및 해양 구조물의 안정성 평가와 직접적으로 연관되며, 이를 위해 해저지반의 강도 및 변형 특성을 신뢰성 있게 평가하는 것이 중요하다. 특히 지반에서 콘관입시험(Cone Penetration Test, CPT)은 깊이에 따른 콘 선단저항을 연속적으로 측정할 수 있어 지반의 상대밀도, 응력상태 및 강도 특성을 평가하는 대표적인 현장시험으로 활용된다. 그러나 해양 환경에서의 CPT는 전용 조사선, 해상 작업 장비, 기상 및 해상 조건, 조사 위치 간격 등의 제약으로 인해 충분한 공간 해상도의 자료를 확보하기 어렵고, 동일 조건에서 반복적인 변수 연구를 수행하는 데에도 한계가 있다. Bolton et al.(1999)은 CPT가 현장 지반특성 평가에 널리 사용되는 시험법이며, 원심모형시험에서의 소형콘관입시험(Mini-CPT)가 다양한 현장 시험조건에 따른 선단저항 특성 분석에 활용될 수 있음을 제시하였다.
콘 선단저항은 지반의 상대밀도뿐만 아니라 관입 깊이에 따라 증가하는 구속압 및 유효응력 상태의 영향을 크게 받는다. 따라서 1 g 조건의 단순 축소모형시험만으로는 실제 해저지반의 응력 상태를 합리적으로 재현하기 어렵다(Cho et al., 2014). 원심모형시험은 축소모형에 원심가속도를 부여하여 원형 지반과 유사한 깊이별 응력 상태를 구현할 수 있는 실험기법으로, 해양 지반구조물의 거동 및 지반조사 기법을 모사하는 데 유용하다.
원심모형시험 중 Mini-CPT를 수행하면 동일한 원심가속도 및 지반 조성 조건에서 깊이별 선단저항 분포를 연속적으로 평가할 수 있으며, 현장조사에서 분리하기 어려운 주요 영향인자를 실험적으로 비교할 수 있다(Bałachowski, 2007; Arshad et al., 2014). Kim et al.(2016)은 7, 10, 13 mm 직경의 60° 소형 콘을 개발하고, in-flight 로봇을 이용하여 원심가속도 상태에서 반복 관입시험을 수행함으로써 입경, g-level, 경계조건 및 관입속도가 Mini-CPT 선단저항에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 동일 모형지반 내 여러 위치에서 관입시험을 수행할 수 있어, 원심모형시험 조건에서 반복성 있는 선단저항 자료를 확보할 수 있음을 보였다.
이에 본 연구에서는 KAIST 지오센트리퓨지센터 장비의 원심모형 70 g 환경에서 동일 제원의 소형콘관입장치를 이용해 Mini-CPT를 수행하여 사질토 지반의 선단저항 특성을 분석하였다. 주요 변수는 상대밀도, 사질토 입경, 포화 여부 및 세굴 후 되메움 조건으로 설정하였다. 특히 되메움 조건은 해상기초 주변에서 세굴 후 세굴부 복원 및 기초 주변 지반의 지지성능 회복을 위해 동일 계열 사질토가 국부적으로 재충전되며 형성될 수 있는 조밀도 및 포화상태 변화가 Mini-CPT 선단저항 프로파일에 미치는 영향을 평가하기 위한 조건으로 설정하였다.
2. 원심모형 소형콘관입시험 모델링
2.1 원심모형시험 장비 및 상사조건
원심모형시험은 축소 제작한 지반 모형에 원심가속도를 부여하여 원형 지반의 자중응력 상태를 모형 내에서 재현하는 물리모형시험 기법이다. 모형의 길이 축척을 1/N로 설정하고 N배의 중력가속도를 부여하면, 동일한 단위중량 조건에서 모형지반의 응력상태는 원형 지반과 상사적으로 재현될 수 있다. 본 연구에서는 N = 70을 적용하였으며 주요 상사조건은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Scaling relationships for centrifuge test (Schofield, 1981; Kutter, 1995)
| Parameter | Model/Prototype | Units |
| Acceleration | N | g |
| Length | 1/N | m |
| Mass | 1/N3 | kg |
| Stress | 1 | N/m2 |
| Strain | 1 | - |
| Time | 1/N | s |
| Flexural rigidity | 1/N4 | N·m2 |
본 연구의 원심모형시험은 한국과학기술원(KAIST) 지오센트리퓨지센터의 빔형 원심모형시험기를 이용하여 수행하였다. 해당 장비는 회전반경 5.0 m의 beam-type centrifuge로, 최대 100 g의 원심가속도와 2,400 kg의 탑재하중 조건에서 운용 가능하며, 최대 용량은 240 g-ton이다. 또한 원심모형 바스켓 상부에 장착된 4자유도 In-flight robot을 이용하면 원심가속도 상태에서 관입 위치를 제어할 수 있어, 동일 모형지반 내 여러 위치에서 반복적인 관입시험을 수행할 수 있다.
2.2 소형콘관입시험 장치
본 연구에서는 원심모형시험 중 사질토 지반의 깊이별 선단저항을 평가하기 위해 Kim et al.(2013a)과 동일한 제원의 소형콘관입장치를 사용하였다. Mini-CPT는 축소모형 지반 내에서 콘을 일정한 속도로 관입시키며 선단부에 작용하는 저항을 연속적으로 측정하는 시험기법으로, 원심가속도 상태에서 모형지반의 조성 상태와 관입저항 특성을 평가하는 데 활용된다. Lee(1990)는 원심모형시험 조건에서 사질토 지반을 대상으로 다양한 직경의 콘관입시험을 수행하여 응력수준, 입경, 경계조건 및 관입속도가 콘 선단저항에 미치는 영향을 검토한 바 있으며, 본 연구에서는 이러한 선행연구를 참고하여 Mini-CPT 시험 조건과 결과 해석 기준을 설정하였다.
소형 콘의 직경(B)는 10 mm이고, 콘 선단각은 현장 표준 CPT와 동일한 60°로 설정하였다. 콘 선단부 후방에는 선단하중 측정을 위한 로드셀이 설치되어 있다. 해당 로드셀은 스트레인 게이지 기반으로 구성되며, 굽힘 변형 및 온도 영향을 보정하기 위해 브리지 회로를 적용하고 방수 및 토립자 유입 방지를 위한 처리로 보호 구조를 갖는다. 본 연구에서는 관입 중 측정된 선단하중(Qc)를 콘 선단 단면적(Ac)로 나누어 콘 선단저항(qc)를 산정하였다.
시험 중 토조 벽면에 의한 경계효과를 최소화하기 위해 콘 관입 위치는 토조 벽면으로부터 콘 직경의 7배 이상 이격되도록 설정하였다. 여기서 S/B는 콘 관입 위치와 가장 가까운 토조 벽면 사이의 거리 S를 콘 직경 B로 나눈 값이다. Kim et al.(2016)은 원심모형 Mini-CPT에서 S/B = 7~37.5 범위의 관입시험을 수행한 결과, S/B ≥ 7 조건에서는 토조 벽면에 의한 선단저항 변화가 크지 않음을 보고하였다. 이에 본 연구에서도 S/B ≥ 7을 기준으로 관입 위치를 설정하여 경계효과를 통제하였다. 또한 관입속도는 1.2 mm/s로 일정하게 유지하였다. Kim et al.(2016)은 사질토 지반에서 1–20 mm/s 범위의 관입속도에 대해 뚜렷한 속도효과가 나타나지 않았으며, 이를 배수조건이 유지된 결과로 해석하였다. 따라서 본 연구에서는 해당 범위 내의 관입속도인 1.2 mm/s를 적용하여 관입속도에 따른 선단저항 변화를 최소화하고, 사질토 내 배수조건이 유지될 수 있도록 하였다.
2.3 모형지반 조성
모형지반 조성의 경우 사질토 지반 조건에 따른 Mini-CPT 선단저항 특성을 비교하기 위해 표준 규사 7호사(No. 7)와 8호사(No. 8)를 사용하였다.
사용된 시료의 기본 물성은 실내시험을 통해 산정하였으며, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 규사 7호사는 SP, 규사 8호사는 SP-SM으로 분류되며, 두 시료는 입경 및 세립분 함량 차이에 따른 선단저항 특성을 비교하기 위한 재료로 사용하였으며 두 시료의 입도분포곡선은 Fig. 3과 같다.
Table 2.
Laboratory test results of silica sand No. 7 and No. 8
지반은 낙사장치를 이용한 건조 낙사법으로 조성하였다. 낙사법은 사질토 지반을 균질하게 조성하기 위해 널리 사용되는 방법으로, 본 연구에서는 낙사 높이, 노즐 폭 및 호퍼 이동속도를 조절하여 목표 상대밀도에 대응하는 모형지반을 조성하였다(Kim et al., 2025). 시험에 앞서 낙사 높이와(hp) 노즐의 분사 직경(wnozzle)따른 낙사율(ws)을 사전에 검정하였으며, 그 결과를 바탕으로 각 시험 조건의 상대밀도를 조절하였다. 낙사장치의 개요와 낙사 조건 검정 결과는 Fig. 4에 나타내었다.
포화조건의 모형지반은 건조 낙사로 조성된 지반에 일정 유량으로 지반 상부로부터 물을 공급하여 조성하였다. 이때 유입수에 의한 지반 표면의 국부 교란을 최소화하고 물이 지반 상부에 균등하게 분산될 수 있도록 지오텍스타일(Geotextile)을 부분적으로 포설하였다. 이후 약 2–3일 동안 충분한 침윤시간을 확보하여 모형지반의 포화를 유도하였다. 국내 원심모형시험 선행연구에서도 조성된 모형지반의 상부 또는 표면으로부터 물을 천천히 공급하여 포화조건을 조성한 사례가 보고된 바 있다(Kim et al., 2013a; Kim et al., 2013b). 다만 본 연구에서는 CO2 치환, 간극수압계 또는 별도의 포화도 측정법을 이용한 완전포화 검증은 수행되지 않았다.
원심모형 Mini-CPT 시험 프로그램은 Table 3과 같이 총 6개의 조건으로 구성되었다.
Table 3.
Mini-CPT test program for centrifuge model testing
| Test ID | Soil Type | Relative Density, Dr (%) | Soil Condition |
| T1 | SP | 73.21 | Dry |
| T2 | SP | 36.38 | Dry |
| T3 | SP-SM | 34.83 | Dry |
| T4 | SP | 56.69 | Saturated |
| T5-1 | SP | 40.11 | Saturated |
| T5-2 (Backfill) | SP | 40.11 (70.0) | Saturated |
상대밀도, 입경, 포화 여부 및 세굴 후 되메움 조건을 주요 변수로 설정하였다. T1과 T2는 규사 7호사를 이용한 건조 지반, T4와 T5-1은 포화 지반으로 각각 상대적으로 조밀한 지반과 느슨한 지반을 조성하여 상대밀도 변화가 선단저항에 미치는 영향 평가를 위해 설정하였다. T3는 규사 8호사를 이용한 건조 지반 조건으로, T2와 유사한 상대밀도에서 입경 및 세립분 함량 차이에 따른 영향을 검토하기 위해 설정하였다. T5-1은 규사 7호사를 이용한 느슨한 포화 지반 조건으로, 건조 조건인 T2와 비교하여 포화 여부에 따른 선단저항 변화 경향을 평가하였다. T5-2는 세굴 후 되메움 조건을 모사한 시험으로, 느슨한 포화 원지반 내에 동일한 규사 7호사를 이용한 조밀한 되메움부를 형성하였다. 이를 위해 T5-1과 동일한 느슨한 포화 지반 조건을 원지반으로 설정하고, 세굴 형상에 해당하는 상부 영역을 제거한 뒤 건조 규사 7호사를 상대밀도 약 70%로 재충전하였다. 되메움부는 원형 환산 기준 상부 약 4.75 m 구간에 해당하며, 하부에는 기존 느슨한 포화 원지반이 연속되도록 조성하였다. 이를 통해 T5-1과 T5-2를 비교하고, 국부적으로 세굴된 사질토 지반의 되메움이 선단저항에 미치는 영향을 분석하였다.
2.4 지반 세굴 및 되메움 조성
본 연구에서는 트라이포드 버켓 해상기초(Tripod bucket foundation) 주변에서 발생할 수 있는 국부 세굴 및 세굴 후 재충전 조건을 모사하기 위해 되메움 영역을 조성하였다(Fig. 5).
세굴 형상은 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 원추형 금속 스텐실(Stencil)을 이용하여 구현하였으며, 세굴면의 경사각은 사질토의 내부마찰각()의 약 2/3 수준으로 설정하였다. 이러한 경사각 조건을 반영하여, 버켓 직경(DT = 114 mm)을 기준으로 세굴 깊이는 약 0.6 DT에 해당하는 67.8 mm, 세굴 폭은 83.7 mm가 되도록 세굴 영역을 형성하였다. 세굴 모사는 기초 중심축을 기준으로 스텐실을 360° 회전시키며 주변 지반을 제거하는 방식으로 수행하였다. 이때 한 번에 최종 세굴 형상을 조성할 경우 지반 표면 및 주변부에 과도한 교란이 발생할 수 있으므로, 본 연구에서는 크기가 다른 3단계의 스텐실을 제작하여 세굴 영역을 점진적으로 확대하였다. 각 단계에서는 스텐실을 이용해 지정된 영역의 지반을 제거한 후, 다음 크기의 스텐실을 적용하여 최종 세굴 형상에 도달하도록 하였다. 이를 통해 세굴 형상 조성 과정에서 발생할 수 있는 원지반 교란을 최소화하고, 기초 주변부의 국부 세굴 조건을 반복성 있게 모사하고자 하였다.
되메움 조건은 세굴에 의해 비워진 공간에 건조한 규사 7호사를 재충전하여 같이 조성하였다(Fig. 7). 되메움부는 상대밀도 70%의 상태로 조성하였으며, 이는 본 연구의 조밀 건조 지반 조건인 T1과 동일한 지반 상태에 해당한다. 반면 되메움부 하부의 원지반은 T5-1과 동일한 느슨한 포화 규사 7호사 조건으로 유지하였다. 따라서 T5-2 조건은 느슨한 포화 원지반 내에 조밀한 불포화 되메움부가 국부적으로 형성된 상태를 모사한다. 즉, 원형 심도 기준으로 상부 약 4.75 m 구간은 조밀한 되메움 영역에 해당하며, 그 하부는 기존 원지반인 느슨한 포화 지반으로 연속된다. 이에 따라 T5-1과 T5-2의 결과를 비교하여, 세굴 후 되메움 영역이 선단저항에 미치는 영향을 평가하였다.
3. 소형콘관입시험 결과 및 분석
3.1 상대밀도에 따른 선단저항 특성
상대밀도가 선단저항에 미치는 영향을 분석하기 위해 동일한 규사 7호사(SP)로 조성된 건조 지반 조건인 T1(Dr = 73%)과 T2의(Dr = 36%) 결과와 포화 지반 조건인 T4(Dr = 57%)과 T5-1(Dr = 40%)의 결과를 비교하였다. Fig. 8(a)는 T1과 T2 의 원형 환산 심도에 따른 선단저항 분포를 나타낸다. 두 조건 모두 관입 깊이가 증가함에 따라 선단저항이 증가하는 경향을 보였으나, 전 심도에서 조밀한 지반인 T1의 선단저항이 느슨한 지반인 T2보다 크게 나타났다. 특히 원형 환산 심도 약 7 m 기준으로 T1의 선단저항은 약 5.5 MPa, T2의 선단저항은 약 2.5 MPa로 나타나, 상대밀도 증가에 따라 관입저항이 뚜렷하게 증가함을 확인하였다. 이는 동일한 사질토 및 건조 조건에서 지반의 조밀도가 증가할수록 콘 관입 시 발생하는 전단저항과 구속효과가 커지기 때문으로 판단된다.
Fig. 8(b)는 포화상태에서의 두 조건 T4(Dr = 57%)와 T5-1(Dr = 40%)의 원형 심도에 따른 선단저항 분포를 나타낸다. 건조 조건과 마찬가지로 두 조건 모두 관입 깊이 증가에 따라 선단저항이 증가하였으며, 전 심도에서 조밀한 지반인 T4의 선단저항이 T5-1보다 크게 측정되었다. 원형 환산 심도 약 10 m에서 T4는 약 5.2 MPa, T5-1은 약 2.5 MPa로 차이를 보였다.
두 결과 상대밀도가 높은 경우 선단 저항이 크게, 낮은 조건에서의 선단저항이 전반적으로 작게 나타났으며, 이는 포화 상태에서의 관입 시 발생하는 과잉간극수압으로 인한 유효구속압 감소 등에 기인하는 것으로 알려져 있다(Baldi et al., 1986). 결과적으로 상대밀도의 증가에 따른 선단저항 증가 경향은 건조 및 포화 지반 조건 모두에서 일관되게 관찰되었다.
3.2 사질토 입경에 따른 선단저항 특성
사질토 입경이 콘의 선단저항에 미치는 영향을 검토하기 위해 유사한 상대밀도의 건조 상태 느슨한 지반으로 조성된 T2와 T3 결과를 비교하였다. T2는 규사 7호사로 조성된 SP 지반이며 평균입경 d50 = 0.21 mm, 상대밀도 Dr = 36.38%의 조건이다. T3는 규사 8호사로 조성된 SP-SM 지반이며 평균입경 d50 = 0.15 mm, 상대밀도 Dr = 34.83%의 조건이다.
Fig. 9(a)은 T2와 T3의 원형 심도에 따른 선단저항 분포를 나타낸다. 두 시료는 평균입경과 세립분 함량에 차이가 있음에도 불구하고, 선단저항 프로파일은 심도 전반에서 유사한 경향을 보였다. 특히 동일 심도에서 두 조건의 qc 차이는 상대밀도 또는 포화 여부에 따른 차이에 비해 작게 나타났으며, 본 연구에서 고려한 입경 범위에서는 입경 차이가 선단저항을 지배적으로 변화시키지 않은 것으로 판단된다. 이는 원심모형 소형콘관입시험에서 콘 직경과 입자 크기의 비인 B/d50는 선단저항 해석에 영향을 줄 수 있는 주요 인자로 알려져 있으며, 이러한 입자 크기 효과는 기존의 여러 연구자들에 의해 검토된 바 있다(Bolton et al., 1999; Gui et al., 1998; Bałachowski, 2007; Kim et al., 2016). 특히 Kim et al.(2016)은 사질토 원심모형 Mini-CPT에서 B/d50가 충분히 확보될 경우 입자 크기 효과가 제한적이며, 표준 규사(Silica Sand) 조건의 경우 B/d50 = 47.2 이상에서 입경 차이에 따른 선단저항 변화가 크지 않다고 보고하였다.
본 연구에서 사용한 콘 직경은 B = 10 mm이므로, 규사 7호사와 8호사의 B/d50은 각각 약 47.6 및 66.7이다. 두 조건 모두 Kim et al.(2016)에서 제시한 B/d50 = 47.2 이상의 범위를 가지며, 이에 따라 T2와 T3의 선단저항 프로파일이 오차 범위 내에서 유사하게 나타난 것으로 해석된다. 따라서 본 연구 조건에서는 평균입경 차이보다 지반의 상대밀도 및 포화상태와 같은 지반 상태 변화가 Mini-CPT 선단저항에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
3.3 포화 조건에 따른 선단저항 특성
포화 여부가 Mini-CPT 선단저항에 미치는 영향을 검토하기 위해 규사 7호사로 조성된 느슨한 지반 조건인 T2(Dr = 36.38%)와 T5-1(Dr = 40.11%)의 결과를 비교하였다. T2는 건조 지반 조건이며, T5-1은 포화 지반 조건이다. Fig. 9(b)는 T2와 T5-1의 원형 심도에 따른 선단저항 qc 분포를 나타낸다. 두 조건 모두 관입 깊이가 증가함에 따라 선단저항이 증가하는 경향을 보였으나, 포화 조건인 T5-1의 선단저항은 건조 조건인 T2에 비해 전반적으로 낮게 나타났다. 특히 중간 심도 이후 두 조건의 차이가 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 원형 환산 심도 약 8 m 부근에서 T2의 선단저항은 약 3.3 MPa, T5-1의 선단저항은 약 2.2 MPa 수준으로 확인된다.
Jamiolkowski et al.(1985)는 선단저항이 연직 유효응력의 제곱근에 비례하는 경향을 나타냄을 확인하였다. 규사 7호사의 물성치를 기준으로, 건조 조건 대비 포화 조건의 유효단위중량비는 대략 0.6 수준이며, 기존 연구에서 제시된 선단저항이 유효응력제곱근에 비례한다는(qc ∝ ) 경향을 고려하면 선단저항비는 대략 0.7 – 0.8 수준으로 예상된다. 본 연구에서 제시한 느슨한 사질토 조건에서 관찰된 2.2/3.3 ≈ 0.67로 산정되어 본 연구의 T2-T5-1 비교에서 나타난 선단저항비도 이 범위와 대체로 부합한다.
한편, 포화 지반에서 콘 관입 시 콘 선단부 주변에 과잉간극수압이 발생할 경우 국부적인 유효응력 감소가 추가적으로 발생할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 관입 중 간극수압을 직접 측정하지 않았으며, 앞서 Kim et al.(2016)의 원심모형 Mini-CPT 연구에서는 사질토 지반에서 1–20 mm/s 범위의 관입속도에 대해 뚜렷한 속도효과가 나타나지 않아 배수 조건이 유지된 것으로 해석된 바 있다. 따라서 본 연구의 포화 조건에서 관찰된 선단저항 감소는 주로 포화에 따른 유효응력 감소로 해석하는 것이 타당하며, 종합하면 사질토의 콘 선단저항은 상대밀도뿐만 아니라 연직 및 수평 유효응력 상태에 의해 복합적으로 지배되는 것으로 판단할 수 있다.
3.4 세굴 및 되메움 조건에 따른 선단저항 특성
세굴 후 되메움 조건이 Mini-CPT 선단저항에 미치는 영향을 분석하기 위해 T5-1과 T5-2의 결과를 비교하였다. T5-1은 규사 7호사로 조성된 느슨한 포화 원지반 조건이며, T5-2는 동일한 원지반 내에 세굴 형상을 형성한 후 건조 규사 7호사를 상대밀도 약 70%의 조밀한 상태로 되메움한 조건이다. Fig. 10은 T5-1, T5-2 및 조밀 건조 기준 지반인 T1의 선단저항을 비교한 결과이다. T5-2의 상부 약 4.75 m 구간은 세굴 후 조밀한 규사 7호사로 재충전된 되메움 영역에 해당한다. 이 구간에서 T5-2의 선단저항은 T5-1에 비해 뚜렷하게 증가하였다. 예를 들어 원형 심도 약 4 m에서 T5-1의 선단저항은 약 1.8 MPa인 반면, T5-2의 선단저항은 약 3.2 MPa로 나타났다. 이는 세굴 공간에 조밀한 건조 사질토가 재충전되면서 상부 지반의 관입저항이 증가한 결과로 판단된다. 또한 관입 초기부터 약 3.5 m 부근까지 T5-2의 선단저항은 조밀 건조 지반인 T1과 유사한 수준을 보였으며, 이는 되메움부의 지반 상태가 선단저항 응답을 지배한 구간으로 해석된다.
그러나 관입 깊이가 증가함에 따라 T5-2의 선단저항은 T1과 같은 조밀 지반 응답에서 점차 이탈하여 감소하였고, 약 8.7 m 심도 부근에서는 T5-1의 포화 원지반 선단저항 수준으로 수렴하였다. 즉, T5-2의 선단저항 프로파일은 상부 되메움 구간, 되메움부와 원지반 사이의 전이구간, 그리고 하부 원지반 응답으로 수렴하는 구간으로 구분될 수 있다.
이와 같은 전이거동은 Fig. 11과 같이 콘 선단저항이 콘 주변 및 선단 전방에 형성되는 유한한 변형영역의 영향을 함께 받기 때문에 발생한다. Tehrani et al.(2018)은 층상 사질토(Dense Over Loose, DOL & Loose Over Dense, LOD)에서 콘 관입시험을 수행하여, 층 경계가 콘 선단저항뿐 아니라 콘 주변의 변위 및 변형장에도 영향을 미친다는 점을 제시하였다. 특히 콘이 계면에 도달하기 전부터 하부층의 영향을 감지하는 구간과, 계면을 통과한 후에도 상부층의 영향이 잔존하는 구간이 형성될 수 있음을 보였다. 선행 연구에서 LOD의 경우, 정규화된 깊이(Hs/dc)의 감지구간이 2.8, 3.0, 잔존구간이 3.8, 3.9로 나타난 바 있다.
Fig. 11
Transition zone from loose over dense layered sand cone penetration test (modified after Tehrani et al., 2018)
본 연구에서 관찰된 전이구간을 Fig. 10(b)와 같이 콘 직경으로 정규화하면, 되메움부와 원지반의 경계면을 기준으로 상부 약 1.8 B, 하부 약 5.7 B 범위에서 선단저항이 변화하는 것으로 나타났다. 앞서 Tehrani et al.(2018)에 비해 본 연구의 상부의 전이구간은 해당 선행연구에서 제시된 전이구간보다 짧게 나타났으며, 하부의 전이구간은 길게 나타났다. 이는 본 시험의 되메움 조건이 상부층 전체를 균질하게 조성한 층상지반이 아니라 세굴부에 한정된 국부 되메움 조건이기 때문으로 판단된다.
또한 T5-2에서는 하부 원지반이 포화 상태로 조성되어 있으며, 상부 되메움부는 건조 규사로 재충전되었다. 따라서 되메움부 하단에서는 포화 원지반으로부터의 간극수가 이동 또는 부분 포화 상태가 형성되었을 가능성이 있다. 이러한 조건은 되메움부 전체가 균질한 조밀 건조 지반으로 유지되는 경우에 비해 선단저항의 감소가 더 이른 깊이에서 시작되도록 작용할 수 있다. 다만 본 연구에서는 되메움부 내부의 포화도 분포나 관입 중 변형장을 직접 계측하지 않았으므로, 전이구간 길이의 차이를 특정 원인 하나로 정량적으로 분리하기는 어렵다. 따라서 본 결과는 국부 되메움부의 조밀도, 포화상태 및 원지반과의 계면효과가 복합적으로 반영된 선단저항 응답으로 해석하는 것이 적절하다.
결과적으로 세굴 후 되메움 조건에서는 상부 조밀 되메움부에서 선단저항이 크게 증가하였으나, 그 영향은 되메움부 하부까지 무한히 지속되지 않고 원지반 응답으로 점진적으로 수렴하였다. 이는 Mini-CPT가 단일 사질토 지반 내에서도 세굴 및 재충전 이력에 의해 발생한 국부적인 조밀도 및 포화상태 변화를 민감하게 반영할 수 있음을 보여준다. 특히 본 연구의 되메움 조건은 동일 사질토 지반 내 국부 되메움 영역과 원지반 사이의 상태 변화에 따른 선단저항 전이거동으로 해석할 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 70 g 원심모형 환경에서 소형콘관입시험을 수행하여 사질토 지반의 선단저항 특성을 분석하였다. 시험 변수는 상대밀도, 사질토 입경, 포화 여부 및 세굴 후 되메움 조건으로 구성하였으며, 규사 7호사(d50 = 0.21 mm) 및 8호사(d50 = 0.15 mm)를 이용한 단일 사질토 지반 조건에서 각 변수에 따른 변화를 비교하였다. 특히 되메움 조건은 세굴 후 동일 계열 사질토가 국부적으로 재충전되며 형성되는 조밀도 및 포화상태 변화 조건으로 설정하였다. 본 연구로부터 도출한 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 동일한 규사 7호사 건조 및 포화 지반 조건에서 상대밀도가 증가할수록 깊이별 소형콘 선단저항은 전반적으로 크게 나타났다. 건조 조건에서는 조밀한 지반이 느슨한 지반보다 전 심도에서 큰 선단저항을 보였으며, 원형 심도 약 7 m 기준으로 조밀한 지반은 약 5.5 MPa, 느슨한 지반은 약 2.5 MPa의 선단저항을 나타냈다. 포화 조건에서도 상대적으로 조밀한 지반이 느슨한 지반보다 큰 선단저항을 보였으며, 원형 심도 약 10 m에서 조밀한 지반은 약 5.2 MPa, 느슨한 지반은 약 2.5 MPa로 나타났다. 이는 동일한 재료 조건에서 지반의 조밀도 차이가 콘 관입저항 발현에 영향을 미치며, 이러한 경향이 건조 및 포화 조건 모두에서 확인되었음을 보여준다.
(2) 평균입경이 다른 규사 7호사와 8호사를 유사한 느슨한 건조 지반 조건에서 비교한 결과, 두 조건의 선단저항은 심도 전반에서 큰 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서 사용한 10 mm 콘 기준으로 규사 7호사와 8호사의 B/d50은 각각 약 47.6 및 66.7로, 선행 연구에서 제시된 입자 크기 효과가 제한적인 범위에 해당한다. 따라서 본 연구 조건에서는 평균입경 차이가 선단저항을 지배적으로 변화시키지 않았으며, 상대밀도 및 포화상태와 같은 지반 상태 변화가 선단저항에 더 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
(3) 포화 여부의 영향은 느슨한 규사 7호사 조건인 건조 조건과 포화 조건을 비교하여 평가하였다. 두 조건 모두 관입 깊이가 증가함에 따라 선단저항이 증가하였으나, 포화 조건은 건조 조건에 비해 전반적으로 낮은 선단저항을 보였다. 원형 심도 약 8 m에서 건조 조건의 선단저항은 약 3.3 MPa, 포화 조건의 선단저항은 약 2.2 MPa로 나타났다. 두 지반의 상대밀도가 유사함에도 선단저항이 차이가 나는 점을 고려하면, 포화에 따른 유효응력 감소가 선단저항 저하에 반영된 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 포화도 및 관입 중 과잉간극수압을 직접 계측하지 않았으므로, 포화에 따른 선단저항 감소는 정량적 감소율보다는 건조 및 포화 조건 간의 전반적인 응답 차이로 해석하는 것이 적절하다.
(4) 세굴 후 되메움 조건을 모사한 조건에서는 상부 되메움 영역에서 원지반 조건보다 큰 선단저항이 나타났다. 원형 심도 약 4 m에서 원지반 조건의 선단저항은 약 1.8 MPa인 반면, 세굴 후 되메움 영역에서는 약 3.2 MPa로 증가하였으며, 약 3.5 m 부근까지는 조밀 건조 지반과 유사한 수준의 선단저항을 보였다. 이후 관입 깊이가 증가함에 따라 세굴 후 되메움 영역의 선단저항은 상부 조밀 되메움부의 응답에서 점차 이탈하여, 약 8.7 m 부근에서 하부 원지반의 선단저항 수준으로 수렴하였다. 되메움부와 원지반 사이에는 경계면을 기준으로 상부 약 1.8B, 하부 약 5.7B의 전이구간이 형성되었으며, 이는 콘 선단저항이 선단 위치의 국부 지반 상태뿐 아니라 콘 주변 및 선단 전방에 형성되는 변형영역의 영향을 함께 반영하기 때문으로 판단된다. 따라서 본 연구의 되메움 조건에서 관찰된 선단저항 증가는 단일 사질토 지반 내 세굴 및 재충전 이력에 의해 국부적으로 형성된 조밀도와 포화상태 변화의 영향으로 해석된다.
