1. 서 론
1.1 원형강관 가물막이 공법 연구사례
2. 석션 펌프 시스템
3. 적용 현장 및 지반 조사
4. 직경 5m급 원형강관 제작
5. 원형강관 가물막이 현장실험
5.1 현장 준비
5.2 계측기 설치
5.3 시공 프로세스
6. 실험 결과 및 고찰
6.1 관입에 따른 석션압
6.2 관입에 따른 구조부재의 변형 및 수직도
6.3 원형강관 내부 육안 확인
7. 결 론
1. 서 론
해상교량, 해양항만 시설물, 부유식 구조물 등 해상(또는 수상) 구조물 수요가 증가됨에 따라 해상건설을 위한 대규모 가시설이 요구되고 있다. 가물막이(cofferdam)는 하천 바닥이나 해저면에 접근하여 토목구조물을 시공할 수 있도록 외부로부터 물을 차단하는 구조물이다. 가물막이는 임시구조물로 분류되지만 파괴 시 인명 및 장비 피해로 막대한 경제적 손실을 발생시키기 때문에 영구구조물에 준하는 안정성이 확보되어야 한다. 종래에는 박스(box) 식, 케이슨(caisson) 식, 시트파일(sheet pile) 식, 셀(cell) 식 등이 널리 활용되고 있으나 이러한 공법은 설치 및 해체에 많은 비용과 시간이 필요하며 전체 공사비를 증가시키는 원인이 된다. 시트파일 공법의 경우, 해상공사에서 가장 보편적으로 사용되고 있으나 지반 관입에 의한 시트파일 손상과 개별 부재 연결 작업의 어려움으로 내적 및 외적 안정성 확보에 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 경제적이고 안전한 원형강관 가물막이 공법이 제안되었다(KAIA, 2015). 원형강관 가물막이 공법은 1) 석션압을 이용하여 신속한 설치가 가능하고, 2) 여러 개의 원형강관 세그먼트(segment)로 분절될 수 있어 각 부재의 무게를 최소화 할 수 있고, 3) 원형의 단일 부재로 이루어져 구조적으로 안정적이며, 4) 가물막이 사용 후 석션압을 역으로 작용시켜 해체가 용이한 장점이 있다(Fig. 1).
Fig. 1.
Conceptual diagram for large-diameter steel cofferdam method (modified after Vicent et al., 2017)
원형강관 가물막이 시공을 위해서는 우선 원형강관의 최하단 세그먼트(또는 단일 원형강관)를 해저면에 안착 시킨 후 차례로 분절된 세그먼트(segment)형 원형강관을 적층 배치한다. 이후 원형강관 최상단을 상판(top lid)으로 밀폐 시킨 후 석션 펌프(suction pump)로 내부의 물과 공기를 외부로 배출시키면서 발생하는 압력차(differential pressure)를 이용해 원형강관을 지반에 관입시킨다. 이후, 설치가 완료된 원형강관 가물막이의 상판을 제거하고 강관 내부의 물을 제거하여 가물막이로 활용한다. 석션압을 이용한 원형강관 가물막이는 해상기초로 널리 활용되고 있는 버켓 기초(bucket foundation)와 설치방법은 유사하나 구조체 상부가 설치 전 과정에서 수면위에 노출되어 있어 강관내부에 물과 공기가 동시에 존재한다는 점이 구별된다.
본 연구에서는 원형강관 가물막이 공법을 검증하기 위해 2개의 세그먼트로 구성된 직경 5m인 원형강관과 상판을 제작하고, 실트질 모래지반으로 이루어진 새만금 지역에서 현장 실증실험을 실시하였다. 실험 중 깊이별 석션압, 연결부 누수유무, 구조체 변형과 수직도를 관측하였으며 관입 후 내부의 물을 배수하여 가물막이로써의 기능을 확인하였다. 본 연구를 통해 원형강관 가물막이 공법의 시공프로세스를 검증하였으며, 향후 대구경 원형강관 가물막이 설계 및 시공 시 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
1.1 원형강관 가물막이 공법 연구사례
최근 들어 널리 활용되고 있는 석션 설치 공법(suction installation method)은 주로 깊은 수심에 버켓 기초를 시공할 때 적용되어 왔다. 설치 방법은 상부가 밀폐된 대구경 강관말뚝(또는 사각말뚝)을 해저면에 안착시킨 후, 석션 펌프를 이용해 버켓기초 내부에 갇혀 있는 물을 외부로 배출시키면서 발생하는 내외부 압력차(differential pressure)로 기초를 설치하는 공법이다. 따라서, 수심이 깊을수록 수심에 의한 압력차가 커져 손쉽게 기초를 시공 할 수 있다(Cotter, 2010; Erbrich and Tjelta, 1999; Houlsby and Byrne, 2005; Iskander et al., 2002; Larsen et al., 2013; Tjelta et al., 1986; Tran and Randolph, 2008). 하지만, 원형강관 가물막이는 구조체 일부가 수면 밖에 노출(공기중에 노출)되어 있어 내부의 공기와 물을 동시에 배출시켜야 할 뿐만 아니라, 구조체 외부에 수압이 작용하지 않으므로 고효율·고용량의 석션 펌프가 요구된다. 또한, 석션 설치 시 세그먼트 간에 완전한 밀폐가 이루어지지 않을 경우 펌프의 효율 저하와 운용 중 누수발생의 위험이 존재한다.
원형강관 가물막이 공법을 검증하기 위해 다양한 연구가 수행된 바 있다. Kim(2019)과 Kim et al.(2019)은 석션 설치 중 원형강관 가물막이 구조체에 작용하는 하중 특성 및 구조 안정성을 검토하였으며, 외부 환경하중에서 원형강관 가물막이의 안정성을 확보 할 수 있는 이중강관 가물막이 구조단면을 제시하였다. Vicent et al.(2017)은 원형강관 가물막이 시공 시 근입깊이, 강관 직경, 내외부 수위차를 달리하여 흐름해석을 수행하고 가물막이로 침투되는 유량을 산정하였으며, 후속 연구인 Vicent et al.(2018)에서 가물막이 내외부 수위차(water level)에 따른 유출동수경사(exit hydraulic gradient) 산정방법을 제안하였다.
Park et al.(2019)는 실내 모형실험을 수행하여 석션 설치 중 가물막이 상부에 연결된 여러개의 리프팅 케이블의 길이를 조절할 경우 정밀한 수직도 제어가 가능함을 검증하였다. 또한, Song et al.(2018)과 Yu et al.(2019)은 선박 충돌 등 응급 상황에서의 원형강관 가물막이 구조안정성을 평가하기 위해 모형 구조물에 가속도계를 설치하고 수위와 연결부 체결 조건에 따라 주파수 변화를 분석하여 구조물 변화를 관측하였다. 이와 같이 원형강관 가물막이 공법에 대한 요소기술 연구는 다수 수행되었으나 현재까지 현장에 적용된 사례가 없어 공법 및 시공 프로세스의 검증이 필요한 실정이다.
2. 석션 펌프 시스템
대형 원형강관 가물막이 시공을 위해 고용량의 이젝터(ejector)를 탑재한 석션 펌프 시스템을 구축하였다. 이젝터는 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용한 펌프의 일종으로 고압의 유체가 지닌 압력에너지를 이용해 유체를 흡입하고 이송하는 기계장치이다. 펌프에서 유입되는 고압의 유체는 축소 노즐(converging nozzle)과 확대 노즐(diverging nozzle)을 통해 이젝터의 토출구(outlet)로 분사된다. 이 때, 유체가 좁은 통로를 흐를 때 속도가 빨라지고 압력이 낮아지는 원리로 인해 이젝터의 유입구(inlet)로 높은 압력과 유속으로 유체를 흡입한다. 이젝터형 펌프는 흡입을 위해 임펠러(impeller)와 같은 회전체가 존재하지 않아 토사나 부유물에 의한 파손이 없고, 기체와 액체를 진공압력(vacuum pressure) 저하 없이 배출이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 200kW급의 전기식 모터를 적용한 이젝터형 석션 펌프를 제작하였다(Fig. 2). 펌프는 직경 20m급의 대구경 원형강관 가물막이 설치가 가능하도록 내경이 8inch(203.2mm)인 흡입구와 10inch(254mm)인 토출구로 구성된 이젝터를 탑재하였으며, 토사 등 이물질이 포함된 유체조건에서도 흡입량 350m3/hr 이상(토출량 600m3/hr 이상)이 가능하도록 설계되었다. 또한 이젝터에 별도의 전기밸브를 설치하여 작업자가 흡입구의 유량 및 석션압을 조절 할 수 있도록 하였다. 이외에도 작업의 편의를 위해 이젝터 유입구에 5inch(127mm) 배관 2개로 이루어진 분배관을 설치하여 소구경의 원형강관 가물막이 시공도 가능하도록 하였다. 각 배관에는 볼밸브(ball valve)를 설치하여 개별 제어가 가능하며, 배관 끝단에 캠록 커플링(cam-lock coupling)을 설치하여 석션 호스(suction hose)와의 연결을 용이하도록 하였다.
석션 호스는 1)석션 펌프에서 작용하는 높은 진공압에도 찌그러짐 등 단면적 변화가 적고, 2)가벼우며, 3)내마모성이 우수한 PVC 재질의 티라인(T-line) 호스로 선정하였다. 석션 호스 제작 전 양단이 캠록 커플링으로 구성된 1m 길이의 5inch(127mm) 티라인 호스를 제작하고 진공 챔버(chamber)에서 내압실험을 실시하였다. 진공 챔버의 창문을 통해 육안으로 확인한 결과, 호스 내부에 최대 -100kPa(≈1atm)의 진공과 호스 외부에 수심 30m에 해당하는 최대 +300kPa의 압력이 동시에 작용하더라도 호스의 단면변화가 미미한 것을 확인하였다. 석션 호스는 운반의 용이성을 고려하여 각각 10m, 15m 길이로 제작하였으며 양단에 암수 형태의 캠록 커플링을 부착하여 연장길이를 조절할 수 있도록 하였다.
3. 적용 현장 및 지반 조사
직경 5m급 원형강관 가물막이 현장실증 실험은 새만금 OO건설현장 인근에서 수행되었다. 본 현장은 수심이 얕고 하부지반이 주로 퇴적된 모래 또는 점토로 이루어져 원형강관 가물막이 시공조건에 적합하였다. 하지만, 새만금 현장의 경우 대형 바지선 및 해상 크레인 투입이 불가능하여 새만금 해안에 인접한 육상에 수심 4m인 인공 호수를 조성하고 실험을 실시하였다.
현장실험을 수행하기 위해 목표위치에서 시추를 통한 지층조사, 표준관입실험(standard penetration test; SPT), 콘 관입실험(cone penetration test; CPT), 현장투수시험이 각각 1회씩 수행되었다. 그 결과, 현장지반은 주로 실트질 모래로 구성되어 있으며, 상대밀도가 느슨∼보통조밀인 지반으로 확인되었다. 특히, 원지반 지표면으로부터 9m 깊이부터 N치와 콘 선단저항치가 급격하게 증가하는 것으로 확인되었다(Fig. 3). Table 1은 현장지반조사를 통해 산정한 지반물성을 나타낸다.
Table 1.
Geotechnical properties of the site estimated from the in-situ tests
4. 직경 5m급 원형강관 제작
원형강관 가물막이 현장실증을 위해 내경이 5m, 총 길이가 9.5m인 원형강관 가물막이를 설계 및 제작하였다(Fig. 4). 지반에 관입되는 원형강관 가물막이의 목표 관입심도를 굴착지반의 지표면으로부터 5m 깊이로 정하고, 가물막이 최상단까지 높이가 굴착지반 지표면으로부터 4.5m 되도록 하여 시공 후에도 원형강관 상부가 수면위로 노출될 수 있도록 계획하였다. 이 때, Vicent et al.(2018)이 제안한 파이핑(piping) 안전율 상관관계를 이용하여 원형강관 가물막이가 굴착지반에 5m 관입 되었을 때 파이핑 안전율(factor of safety)이 2이상 확보되는 것을 확인하였다.
원형강관 가물막이는 시공성을 고려하여 하부강관과 상부강관으로 분리될 수 있는 분절형으로 계획하였다. 하부강관과 상부강관은 각각 6.5m, 3m 길이로 설정하였으며, 각 강관의 이음부는 플랜지(flange)와 볼트(bolt)로 체결될 수 있도록 하였다. 또한 원형강관 상단을 밀폐하는 상판(top lid)을 별도로 설계하였으며, 상부강관에 볼트로 체결될 수 있도록 하였다.
원형강관 가물막이 시공 중 강관 내부에 작용하는 석션압에 대한 강관 구조체의 안정성 확보를 위해 구조해석이 수행되었다. 구조해석을 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS ver.6.14가 사용되었다. 해석을 위해 SM 490 강재로 이루어진 원형강관을 모델링하고 자중과 강관 내부에 석션압 100kPa이 작용할 때 원형강관 가물막이에서 발생하는 최대응력과 플랜지 접합부에 작용하는 전단력을 검토하였다. 원형강관 두께는 상하부 강관 모두 25mm로 설정하였다. 상판은 전체 중량을 최소화하면서 석션압에 의한 처짐을 최소화 할 수 있도록 두께가 30mm인 원형 판 상단부에 방사형 보강재와 환형 보강재를 배치하였다. 방사형 보강재는 주보강재를 45°, 보조 방사보강재를 22.5° 간격으로 배치하였으며 최대직경의 1/3지점과 최대직경 지점에 환형 보강재를 배치하였다. 방사형 보강재 두께는 10mm로 설정하였으며, 내외부 환형보강재는 각각 20mm와 15mm로 설정하였다. 상하부 강관 및 상판 연결부는 석션압 작용 시 볼트 설치 지점에 수직 및 수평력이 작용할 수 있도록 구속조건(tie)으로 해석을 수행하였다. 해석 결과, 상판 및 상하부 모듈에서 최대응력이 강구조 허용응력설계법 KDS 14 30 05(MOLIT, 2016)에서 규정하는 허용응력을 초과하지 않았으며, 상판의 최대 처짐량이 5mm 이하임을 확인하였다. 상세한 해석방법 및 절차는 Kim(2019)와 Kim et al.(2019)에서 확인할 수 있다.
원형강관 가물막이 설치 및 운용을 위해 원형강관 가물막이 모듈의 연결부에서 누수가 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 연결부에서 발생하는 누수는 석션압을 가하여 설치되는 원형강관의 관입효율을 저하시킬 뿐만 아니라 운용중 가물막이 내부를 침수시킬 가능성이 있다. 연결부 누수방지를 위해 규격품인 플랜지에 적용되는 볼트의 최대 설치간격을 만족시키도록 원주방향으로 100mm 간격으로 160개소에 배치하였다(ASME, 2010). 볼트는 가시설에 주로 이용되는 M22규격의 고장력 볼트를 사용하였다. 또한, 각 플랜지의 볼팅 체결부 내측에 원주방향으로 폭 20m, 깊이 10mm인 홈을 내고 직경 18mm의 오링(O-ring)을 설치하도록 하였다.
구조검토를 통해 기본 설계된 제원을 토대로 원형강관을 제작하였다(Fig. 5). 이 때, 하부강관은 큰 단면적으로 인해 육상운반이 불가능하므로 각각 3.5m와 3m 길이로 분리 제작하여 현장으로 운반한 뒤 현장용접으로 접합하여 제작하였다. 하부강관과 상부강관을 신속하게 연결하기 위하여 강관 내부에 수직방향으로 4방향에 암수형태의 키(key)를 설치하여 강관 연결 시 가이드 역할을 하도록 하였다. 또한, 상부강관과 하부강관 상단에 난간을 포함한 작업발판과 안전 고리를 설치하여 원형강관이 해저면에 안착된 이후에도 작업자가 작업발판에서 안전하게 연결부를 체결할 수 있도록 하였다. 구조체 인양을 위해 상하부강관 상부 외측에 90° 간격으로 러그(lug)를 설치하고 와이어를 이용하여 4접점으로 인양할 수 있도록 하였다. 또한, 제작 완료된 원형강관을 표면코팅 처리하여 부식이 되는 것을 방지하였다.
제작된 상부 및 하부강관과 석션 상판은 각각 대형 트레일러를 이용하여 현장으로 운반되었다. 제작된 원형강관 가물막이의 실측중량은 상부강관 13ton, 하부강관 22ton과 상판 8ton으로 확인되었으며, 각 제원은 Table 2와 같다.
5. 원형강관 가물막이 현장실험
5.1 현장 준비
원형강관 가물막이를 이용한 현장실험을 수행하기 위해 새만금 내측 육상부에 인공호수를 조성하였다. 수심이 4m인 인공호수를 조성하기 위해 전체 폭이 30m(해저면 폭 12m)이고, 원지반 지표면으로부터 5m 깊이인 정사각형 인공 호수를 터파기를 통해 조성하였다(Fig. 6a). 이 때 인공수조 바닥면으로부터 1:1.5의 경사로 법면을 조성하여 육상크레인 운용에 의한 사면 붕괴를 방지하였다. 토공작업은 1.6m3 용량의 롱붐(long boom) 백호와 덤프트럭 3대를 활용하여 실시하였으며, 작업 중 발생하는 침투수는 최대 흡입량이 150m3/hr(흡입구 구경 150mm)인 양수기로 물을 외부로 배출시켜 건조조건에서 토공작업을 실시하였다. 또한 크레인이 배치될 위치 전면에 톤마대 100여개를 쌓아 발생 가능한 지반 변형과 크레인 전도를 최소화 하였다(Fig. 6b).
실험에 필요한 장비와 직경 5m급 원형강관 가물막이를 현장에 배치하기 위해 조성된 인공호수의 인접한 곳에 20m × 20m 면적의 작업장을 조성하였다. 작업장은 10ton급의 롤러(roller)와 도져(dozer)로 지반 보강 및 평탄화 작업을 실시하였으며, 이후 15cm 두께로 잡석을 포설하여 지반보강 및 장비 이동에 따른 지반 변형을 최소화 하였다. 원형강관 가물막이 인양을 위해 250ton급 크롤러 크레인(crawler crane)이 활용되었으며 인양 중 지반 파괴를 최소화하기 위해 무한궤도 하부에 가로 2m, 세로 6m, 두께 30mm의 철판을 배치하였다.
5.2 계측기 설치
원형강관 가물막이 실험체 제작 후 구조체에 다양한 센서를 부착하여 시공 중 원형강관 가물막이의 거동을 관측하였다. 석션 펌프를 이용해 원형강관을 설치할 때 강관 내부에 작용하는 석션압을 확인하기 위해 원형강관 벽체 내외부에 길이방향으로 총 4개의 간극수압계를 설치하였다. 또한, 수위계를 굴착지반 지표면에 위치시켜 원형강관 설치 중 해수면 수위변화를 확인하였다. 석션 설치 중 석션압에 의해 발생하는 구조체 변형을 확인하기 위해 상하부강관 연결부 근처에 축방향과 횡방향으로 총 4개의 변형률계를 부착하였다. 원형강관의 관입 깊이 및 관입 속도를 확인하기 위해 인공호수에 인접한 육상에 광파기를 설치하고 원형강관에 설치된 타겟(target)을 통해 가물막이의 관입깊이를 실시간 계측하였다. 또한, 상판 중앙에 2축 경사계를 설치하여 관입중 기울기를 관측하였다. 원형강관에 설치된 센서는 데이터로거를 통해 10Hz 측정 빈도로 계측하였다.
5.3 시공 프로세스
인공호수와 작업장에 실험 장비를 배치 한 후 현장실험을 수행하였으며 실험과정은 다음과 같다.
① 크레인으로 하부 원형강관을 인양하여 시공위치에 자침(self-weight penetration)시킨다. 이 때, 관입초기 수직도 제어가 중요하므로 시공위치를 옮기거나 원형강관에 연결된 크레인의 와이어를 상승 하강시켜 가능한 원형강관의 수직도를 확보하도록 조정하였다. 이 후 원형강관이 자중관입 될 수 있도록 크레인 와이어의 긴장력을 완화시키고 관입이 완료될 때 까지 대기한다.
② 해저면에 안착된 하부강관 상단에 상부강관을 적층 배치한다. 이 때, 원형강관 상하부에 설치된 가이드 키(key)를 이용하여 상부 원형강관 하강 시 플랜지의 볼트 체결용 홀(hole)이 정확히 일치하도록 한다. 이후, 상하부 강관을 공압 임팩터(pneumatic impactor)를 이용하여 볼팅 체결한다. 플랜지 간 접합이 확실히 되었는지 육안 확인 후 토크렌치(torque wrench)를 활용하여 설치된 볼트의 장력이 일정하도록 한다.
③ 상하부 원형강관 결합과 동일한 방법으로 상부 상판을 강관 상부에 덮어 원형강관 내부를 밀폐시킨다.
④ 석션 상판 상단에 설치된 호스 연결부를 통해 석션 펌프 2대와 원형강관을 연결한다. 이 후 1대의 석션 펌프로 물을 주입하여 강관 내부를 빠른 시간 내에 물로 채우는 한편 다른 1대의 석션 펌프로 원형강관 내부에 석션압을 작용시킨다. 가물막이 내부에 물이 가득 채워진 이후에는 물을 주입하는 석션 펌프의 가동을 멈추고, 다른 1대의 펌프로 원형강관 내부의 물을 외부로 배출시켜 원형강관을 설치한다. 이 때, 석션 펌프의 배출 유량을 조절하여 석션압 크기와 이에 따른 관입속도를 조절한 뒤, 목표 관입깊이에 도달했을 때 석션 펌프 작동을 중단한다. 원형강관 관입 중에는 원형강관의 경사도를 실시간으로 확인하면서 설치하며, 경사도가 커질 경우, 크레인 와이어의 장력을 조절하거나 와이어와 원형강관 사이에 유압실린더를 설치하여 개별 유압실린더의 장력을 조절하면서 구조물의 수직도를 조절한다.
⑤ 석션 설치가 종료되면 상부 상판을 제거하고 양수기를 이용하여 강관 내부의 물을 외부로 배출하여 강관 내부를 건조조건으로 만든다.
⑥ 시공이 완료되면 상판을 다시 체결한 후 석션 펌프를 이용해 원형강관을 인발한다. 원형강관이 굴착지반 지표면 부근까지 인발되면 석션 상판부터 순차적으로 해체하고 실험을 종료한다.
Fig. 7은 원형강관 가물막이 시공프로세스를 보여준다.
현장실험은 총 2회 수행되었다. Case 1의 경우, 하부강관 자침 후 상판을 체결하고 석션 설치하였으며, 관입 중 원형강관에 연결된 크레인 와이어의 인양하중으로만 수직도를 조절하였다. 반면 Case 2의 경우, 하부 원형강관 자침 후 상부강관 및 상판을 차례로 연결하여 전체 가물막이가 시공될 수 있도록 하였다. 이 때, 가물막이의 수직도를 조절하기 위해 최대하중 25ton, 최대 450mm 스트로크(stroke)의 양방향 유압실린더를 원형강관에 설치된 러그와 크레인 와이어 사이에 설치하고, 시공 중 각 유압실린더의 길이를 조절하여 원형강관의 수직도를 제어하였다(Park et al., 2020). 유압실린더를 활용할 경우 시공 중 가물막이에 연결된 인양와이어의 재배치 없이 원형강관 가물막이의 수직도를 효과적으로 조절할 수 있는 장점이 있다(Park et al., 2019).
6. 실험 결과 및 고찰
6.1 관입에 따른 석션압
석션 설치공법은 구조물 내외부에 압력차를 발생시켜 구조물을 지반에 관입시키는 방법으로 수심이 깊어 질수록 높은 관입력을 구조물에 작용시킬 수 있다. 하지만, 수심이 낮거나 구조물이 수면 밖으로 노출되어 있을 경우 구조물에 작용시킬 수 있는 관입력에 한계가 있다. 특히, 수면위로 노출된 구조물에서는 공동현상(cavitation)이 발생하여 펌프 효율을 저하시킬 수 있기 때문에 주의가 요구된다. 본 연구에서는 대용량의 이젝터형 석션 펌프를 활용하여 구조물이 수면 위로 노출된 저수심 조건에서 원형강관 가물막이를 설치하였다.
Fig. 8은 관입깊이에 따른 석션압과 관입속도를 나타낸다. 여기서, 석션압은 원형강관 내외부에서 계측된 값의 차를 통해 산정하였다. 이 때, 관입초기에는 원형강관 내부 벽체에 설치된 간극수압계가 해수면보다 높은 곳에 위치하므로 위치수두(potential head)를 고려하여 석션압을 보정하였다. Case 1의 경우, 굴착지반 지표면으로부터 약 1m 깊이까지 자중 관입되었으며, Case 2에서는 1.5m깊이까지 자침되었다. 이는 Case 1이 Case 2에 비해 중량이 작았기 때문이다. 구조물의 중량은 자침량을 증가시킬 뿐만 아니라 석션압을 저감시키는 효과가 있다(Tran and Randolph, 2008). 특히, 초기 자침량이 작을 경우, 석션 설치 시 관입 초기에 과도한 석션압이 지반에 작용하여 파이핑 파괴(piping failure)가 발생할 수 있으므로 충분한 자침량을 확보하는 것이 중요하다.
원형강관 설치 중 발생하는 석션압은 모든 실험조건에서 깊이에 따라 증가하였다. 이는 원형강관이 지반에 관입되기 위해 필요로 하는 하중이 깊이에 따라 증가하는 것을 의미하며, 관입깊이가 깊어질수록 원형강관에 작용하는 저항력(선단저항력과 주면마찰력)이 커지기 때문이다. 또한, Case 1과 Case 2에서 관입초기를 제외하고 석션압이 유사한 것을 확인 할 수 있다. Tran and Randolph(2008)은 동일지반에서 자중이 석션압에 미치는 영향을 실험을 통해 확인하고 자중이 석션압을 저감시키는데 효과가 크지 않음을 확인한 바 있다. 본 연구에서도 두 조건의 중량차(13ton)가 석션압에 미치는 영향이 미미함을 확인하였다. 관입속도는 관입 깊이가 깊어짐에 따라 감소하였으며 지반의 관입저항력 증가에 기인한 것으로 판단된다.
Houlsby and Byrne(2005)은 모래지반에 설치되는 석션 버켓 기초(bucket foundation)를 설치하기 위한 석션압 산정방법을 식 (1)과 같이 제안하였다.
여기서, V' = 석션버켓의 유효 중량
| $$Z_o=\frac{D_o\left\{\left[1+(2f_oz/D_o)\right]^2-1\right\}}{4{(K\tan\delta)}_o}\\Z_i=\frac{D_i\left\{1-\left[1-(2f_iz/D_i)\right]^2\right\}}{4{(K\tan\delta)}_i}$$ | (1) |
fi, fo = 버켓 관입깊이에 따른 버켓 내외부로부터의 수직응력 증가 영역비(아래첨자 i, o는 각각 inside와 outside를 의미)
z = 스커트 관입깊이
s = 석션압
Di, Do = 버켓 내부 및 외부 직경
Dc = 버켓의 평균 직경(=(Di+Do)/2)
t = 버켓 선단부 두께
γ' = 흙의 유효단위중량
δ = 버켓 벽체와 지반사이 활동 마찰각
Nq, Nγ = 지지력 계수
K = 토압계수
a = 과잉간극수압 비(p/s, p는 버켓 선단에서의 석션압)
kf = 버켓 내외부 지반의 투수계수비(≈ki/ko)
또한, Houlsby and Byrne(2005)은 모래지반의 한계 동수경사(critical hydraulic gradients)를 식 (2)와 같이 제안하였다.
| $$\frac{p_{crit}}{\gamma'D_c}=\frac z{D_c}\left(1+\frac{a_1k_f}{1-a_1}\right)$$ | (2) |
여기서, pcrit = 한계석션압
본 실험에 사용된 원형강관의 제원과 현장지반조사자료로 획득한 지반 물성을 이용하여 예측된 석션압을 Fig. 8에 함께 도시하였다. 이때, 지반깊이 0m~3m 구간에서는 Ktan(δ) = 0.6으로 가정하였으며, 3m 이하 구간에서는 Ktan(δ) = 0.85를 적용하였다. 또한, 가물막이 관입깊이 전 구간에서 kf = 3, fi, fo = 1로 가정하였다. 그 결과, 원형강관 관입깊이에 따라 계측된 석션압이 이론해와 전반적으로 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한, 식 (1)을 통해 도출된 원형강관 가물막이의 자침량은 각각 1.2m(Case 1), 1.6m(Case 2)로 예측되었으며 실측된 자침량 1m(Case 1)와 1.5m(Case 2)와 대체적으로 일치하는 경향을 보였다. 특히, 높은 투수계수 비(kf)를 적용했을 때 실험결과와 잘 일치하는 것은 모래지반에서 강관 내부에 석션압이 작용할 때 지반에서 발생하는 상향의 침투수류(upward seepage)가 원형강관내부에 위치한 지반을 느슨하게 만들기 때문인 것으로 판단된다. 상향의 침투수류는 지반의 유효응력을 감소시켜 원형강관 관입에 저항하는 힘을 낮추므로 원형강관을 효과적으로 설치 할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 하지만 과도한 침투수류는 지반을 융기(교란)시켜 원지반을 느슨하게 하고, 원형강관이 목표 깊이까지 설치되는 것을 방해함으로 지반에 과도한 석션압이 작용하지 않도록 시공 중 주의가 요구된다(Senpere and Auvergne, 1982; Tjelta, 1995; Kim et al., 2018). 원형강관이 4m 깊이에 관입되는 시점부터는 석션압이 Houlsby and Byrne(2005)이 제안한 한계동수경사에 도달하는 것이 확인 되었다. 이는 현장 지반조사에서 확인된 단단한 지층의 영향으로 원형강관을 관입시키는데 필요한 석션압이 한계값에 도달하는 것을 의미한다. 하지만, 한계 동수경사에 도달했음에도 원형강관이 목표심도인 굴착지반 지표면으로부터 5m 깊이까지 뚜렷한 지반파괴 없이 성공적으로 설치되었다. 이는 한계 동수경사에 도달한 지반이 파이핑 파괴가 발생함과 동시에 원형강관이 연속적으로 관입되는 메커니즘에 기인하는 것으로 판단된다(Iskander et al., 2002).
Fig. 9는 하부 원형강관의 위치별 석션압과 원형강관 상단에서 계측된 석션압 간의 비인 과잉간극수압비(a=p/s)를 나타낸다. 가로축은 벽체에 부착된 간극수압계가 지반에 관입되는 시점부터의 관입깊이(h)를 원형강관의 직경(D)로 정규화 한 값이다. 그 결과, a값은 벽체에 부착된 간극수압계가 지반에 관입되는 시점(h/D = 0)부터 점진적으로 작아지는 것을 확인하였다. 이는 원형강관 상부에 작용하는 석션압이 지반에 관입되면서 배수거리가 점진적으로 길어지고 침투(seepage)에 의해 수두손실이 발생하기 때문이다. Houlsby and Byrne(2005)는 지반에 관입된 버켓 기초 선단부 관입깊이(z)를 기준으로 깊이에 따른 과잉 간극수압비(a)의 변화를 투수계수비(kf)의 함수로 제시하였으며, 하부 원형강관 벽체에 부착된 간극수압계로 계측한 실험결과가 kf = 3∼4일 때 과잉 간극수압비와 유사한 결과를 보이는 것을 확인하였다. 이는 원형강관 설치 시 작용하는 석션압에 의해 지반이 느슨해졌기 때문인 것으로 판단된다.
6.2 관입에 따른 구조부재의 변형 및 수직도
Fig. 10은 원형강관 설치 중 벽체에서 발생하는 변형률과 수직도를 보여준다. 실험 결과, 모든 실험에 대해 지반에 관입되는 깊이가 깊어짐에 따라 수직 및 수평 변형률이 선형적으로 증가하였다(Figs. 10a and 10c). 이는 변형률이 원형강관 관입 중 발생하는 석션압과 관련이 있음을 의미한다. Case 1에서는 하부강관 상단에 원주방향으로 설치된 수평 변형률계에서 최대 +212.8㎛/m의 변형이 발생하였으며, 관입방향으로 설치된 수직 변형률도 최대 +176.5㎛/m이 발생하였다. 원형강관 내부에서 발생하는 석션압이 상판의 처짐을 유발시키며 이로 인해 연결부 인근에서 큰 수직 및 수평변형률이 발생한 것으로 판단된다. Case 2에서는 최대 수평과 수직 변형률이 각각 +210.4㎛/m, +53.1㎛/m로 확인되었다. Case 2에서 계측된 변형률은 전체적으로 Case 1에 비해 작았다. 이는 상판이 상부강관의 상단에 결합되어 있어 설치 중 상판 처짐이 하부강관에 미치는 영향이 작았기 때문인 것으로 판단된다. 원형강관 벽체에 부착된 변형률계 방향이 최대 주응력 방향이고 강재의 탄성계수를 E = 205kN/mm2로 가정할 경우, 석션압에 의해 발생하는 최대 응력은 43.6MPa 이며, 이는 도로교설계기준 KDS 24 14 30(MOLIT, 2016)에서 규정하는 허용인장응력인 190MPa을 초과하지 않으므로 시공 중 안정성이 확보되는 것을 확인하였다.
관입깊이에 따른 수직도는 초기 자침 시 경사도에 크게 영향을 받았다. Figs. 10b and 10d는 원형강관 설치 중 관입깊이에 따른 경사도를 나타낸다. 관입초기 수직도 제어를 하지 않을 경우 x축과 y축(Fig. 6a 그림 참조)으로 경사도가 급격히 커졌다. 하지만 수직도를 제어하면서 경사도가 점차 낮아지는 것을 확인하였다. Case 1의 경우, 원형강관 자침 후 석션펌프를 이용해 설치하면서 관입깊이 2.2m지점에서 x축으로 -3.56°, y축으로 +5.86°로 기울었다. 이후, 원형강관 상부에 90°간격으로 연결된 4개의 배치 간격을 조절하며 수직도를 제어하였으며 관입 완료시 x축과 y축으로 각각 -3.06°, +4.75°만큼 회복되는 것을 확인하였다. Case 2에서는 관입깊이 1.85m지점에서 x축으로 +0.75°, y축으로 +8.25°로 기울었다. 하지만, 인양용 크레인의 개별 와이어에 설치된 유압 실린더를 이용하여 수직도를 제어한 결과, 관입 종료시점에서 x축과 y축으로 각각 +0.14°, +5.81°까지 회복되는 것을 확인하였다. 이를 통해 원형강관과 연결된 와이어의 위치를 이동시켜 수직도를 수동으로 제어하는 방식보다 개별 실린더를 이용해 원형강관의 수직도를 제어하는 것이 상대적으로 큰 보정효과가 있는 것으로 확인되었다. 특히, 크레인의 와이어만을 이용하여 수직도를 보정할 경우, 전체 원형강관을 인발하거나 원형강관에 90°간격으로 설치된 와이어를 작업자가 해체 후 원형강관이 기울어진 방향에 와이어를 옮겨야 하는 번거로움이 있었다. 반면 와이어 선단에 설치된 실린더를 이용하여 와이어의 길이를 개별적으로 조절할 경우, 와이어 재배치나 원형강관 인발 없이 수직도를 효과적으로 제어할 수 있는 것으로 확인되었다. 한편, 현장에서 수행된 두 실험(Case 1, Case 2)에서 관입초기 크게 기울어진 원인은 조성된 인공호수의 해저면이 평평하지 않았기 때문으로 판단되며, 설치 완료 시점에서도 기울기가 완전히 회복되지 않은 원인은 수직도 제어 시 반력대 역할을 하는 크레인 용량의 한계 때문이다. 따라서, 인양하중이 큰 크레인을 활용할 경우, 좀 더 효과적으로 원형강관의 수직도를 제어 할 수 있을 것으로 판단된다. Table 3은 관입초기 대비 최종 관입된 원형강관 가물막이의 수직도를 나타낸다.
Table 3.
Variation of tilting during installation of cofferdam
| No. | Axis* |
Tilting after self-weight penetration (°) |
Tilting after suction installation (°) |
Difference (°) |
| Case 1 |
x y |
0.72 6.70 |
-3.06 4.75 |
-3.78 1.95 |
| Case 2 |
x y |
0.76 8.25 |
0.14 5.81 |
0.62 2.44 |
6.3 원형강관 내부 육안 확인
Case 2 실험조건에서 원형강관 가물막이를 설치한 후 상판을 제거하고 양수기로 내부의 물을 외부로 배출하여 내부지반을 육안으로 확인하였다(Fig. 11). 확인결과, 연결부에서 누수가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 하지만, 해저면이 깊이 팬 지역을 중심으로 국부적인 지반 파이핑(piping)이 발생하는 것을 확인하였다. 석션 설치 중 석션압이 급격하게 감소하는 것과 같은 뚜렷한 파이핑 현상이 관측되지 않았으므로 시공 후 원형강관 내부의 물을 배수하면서 발생한 것으로 판단되며, 토공작업을 통해 인공호수를 조성하면서 해저면이 평평하게 조성되지 않아 지층 두께가 얇은 위치를 중심으로 파이핑이 발생한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 현장여건 상 지반차수 기술이 적용되지 않아 지반파괴를 막을 수는 없었으나 향후 지반 차수기술을 적용할 경우 가물막이로써의 성능을 충분히 발휘 할 것으로 판단된다.
7. 결 론
본 연구에서는 원형강관 가물막이 공법을 검증하기 위해 직경이 5m인 원형강관 가물막이를 제작하고, 새만금 내측 육상부에 인공호수를 조성한 후 현장 실증실험을 실시하였다. 실험 중 원형 강관에 작용하는 석션압, 연결부 누수유무, 수직도, 구조체에 작용하는 변형률을 관측하였으며, 계측결과를 통해 원형강관 가물막이의 거동을 평가하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 공기와 물을 동시에 배출하여 가물막이 내부에 소요 석션압을 작용시킬 수 있는 고용량의 이젝터형 석션 펌프와 고내압 호스를 제작하고 현장 적용하였다. 제작 된 장비를 이용하여 원형강관 가물막이 상부가 수면위로 노출된 조건에서도 석션압을 이용해 목표 관입 심도인 굴착면 지표면으로 부터 5m 깊이까지 설치되는 것을 확인하였다.
(2) 원형강관 가물막이는 직경 5m, 길이 9.5m로 운반의 용이성과 시공성을 고려하여 하부강관, 상부강관과 상판으로 분할 제작하였다. 각 부재는 플랜지로 볼트접합이 될 수 있도록 하였다. 현장 실험결과 구조안정성이 확보되는 것을 확인하였으며 연결부에서 누수가 발생하지 않았다.
(3) 하부강관만을 설치한 조건(Case 1)과 상하부강관을 설치한 조건(Case 2)에서 자침량이 각각 1m와 1.5m로 확인되었으며, 이는 Houlsby and Byrne(2005)에서 예측한 결과값과 대체적으로 일치하는 것을 확인하였다.
(4) 원형강관 가물막이 설치 중 계측된 석션압은 관입깊이에 따라 증가하였다. 또한, 투수계수비(kf)가 3∼4일 때 Houlsby and Byrne(2005)로 예측된 석션압이 계측된 결과와 잘 일치하였다. 이는 석션 설치 중 내부지반이 상향의 침투수류로 인해 느슨해졌기 때문이며, 석션 설치 시 과도한 지반변형이 발생하지 않도록 주의가 요구된다.
(5) 원형강관과 크레인 와이어 사이에 유압실린더를 설치하여 와이어의 길이를 유압실린더로 조절할 경우 원형강관 가물막이의 수직도를 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
(6) 시공 완료 후 내부의 물을 제거하여 해저면을 육안으로 확인하였다. 해저면이 깊게 패인 지점을 중심으로 국부적인 지반 파이핑 현상이 발생되었으며, 지반 차수기술 적용이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 원형강관 상단이 해수면 위에 위치하는 저수심 조건에서도 석션압을 이용해 원형강관 가물막이가 목표심도까지 설치될 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 대수심 위주로 적용되던 석션 설치 공법이 저수심 조건에서도 적용될 수 있음을 확인하였다. 또한, 원형강관 가물막이 공법의 시공프로세스를 현장실험을 통해 실증하였으며, 본 연구결과가 향후 대형 원형강관 가물막이 현장 적용 시 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.
