Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. December 2019. 273-286
https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.4.273


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 월정교지 교각기초 상태 및 현황(복원 공사 전)

  •   2.1 월정교지 교각기초 발굴조사

  •   2.2 월정교 복원공사 전 현황

  • 3. 지반조사

  • 4. 교량기초 안정성 평가

  •   4.1 교각기초 지지력 및 침하량 검토

  •   4.2 3차원 유한요소해석에 의한 교량기초 안정성 검토

  •   4.3 대형 평판재하시험을 통한 지지력 평가

  • 5. 결 론

1. 서 론

통일신라시대 경덕왕 19년(서기 760년)에 건설된 것으로 알려진, 경주 월정교가 최근 새로이 중건되었다. 월정교는 춘양교(일정교)와 같이 신라 제 35대 경덕왕 19년에 축조된 것으로 “삼국사기”에 기록되어 있다. 그리고 고려 제 25대 충렬왕 6년(1280년)에 경주 부유수 노경론이 중수한 사실이 있다. 따라서 월정교는 760년에 조영되어 1280년 까지 최소 520년간 다리의 기능을 유지하였음을 알 수 있다(Nam, 2007). 그 후 조선시대에 편찬된 동경잡기에는 현재는 유지만 남아 있다고 하여 동경잡기가 쓰인 조선 현종 10년(1669년) 경에는 이미 교량의 기능을 상실하였음을 알 수 있다.

지리적으로 동서남에 산이 있는 분지지형인 경주는 자연적으로 외세의 침략에 대한 방어가 용이하고 수량이 풍부하여 신석기시대부터 사람들이 거주하여 왔다. 이곳에 도읍을 정한 신라는 월성을 왕성의 중심으로 삼고 월성을 바로 끼고 도는 남천의 서남단에 월정교를 세웠다. 월정교가 세워진 시기는 신라의 전제왕권이 정점에 이르렀던 경덕왕 19년이다. 따라서 월정교는 그 규모와 위치로 보아, 월성과 함께 신라 전제왕권의 권위를 과시하고 중앙의 통치라는 명제를 상징적으로 나타내려는 지배 의도하에 건설된 것으로 보인다.

최근 경주시는 신라천년 궁성인 월성과 왕경의 연결통로인 고대교량을 복원하여 찬란한 통일신라의 토목기술 재현의 단초를 제공하고, 새로운 관광자원을 개발하고자 하는 목적으로 월정교를 복원하였다. 월정교의 성공적인 복원을 위한 기본계획 및 타당성조사와 기본설계, 실시설계 등이 실시되었다(Jang, 2009). 2008년 4월 28일 기공식을 시작으로 복원공사가 착수되어, 2016년 3월에 누교공사를 완료하였고, 이후 문루 및 주변정비를 거쳐 2018년 9월에 최종 완료되었다.

기초(基礎)라는 용어가 언제부터 사용되었는지 정확하지는 않으나, 그 의미는 상부의 자중, 적재하중, 각종 외력을 받아 이것을 안전하게 지반에 전달하는 지중 구조물을 총칭하는 것이다. 우리나라의 고대 기초공법에 대한 문헌자료나 연구결과는 찾아보기가 쉽지 않을 정도로 극히 드문 실정이다. 또한 고대 기초공법의 공학적 특성 및 지지거동이 명확히 규명된 사례도 거의 없다. 월정교는 신라왕권의 최전성기의 권위를 상징하는 구조물중 하나로, 기록에 나타난 경주 남천의 여러 교량중에 유지가 가장 잘 남아있다. 4개의 교각기초는 일부 부등침하된 것을 제외하고는 거의 온전한 상태로 발견되었고, 일부 교각석도 잔존하고 있었다. 특히, 남측교대와 인접한 교각기초 사이에는 하상세굴을 방지하지 위한 세굴방지공이 발견되었다.

문화재의 복원은 잔존 유구 및 유물을 정비하고 학술적 고증을 거쳐 원래 모습에 가깝게 복원(또는 중건)하는 것이 바람직하며, 현존 유구의 훼손을 최대한 억제한 상태에서 즉, 원형을 가급적 유지한 상태에서 이루어져야 한다. 이는 향후 대상 문화재에 대해 새로운 역사적 사실이 밝혀지거나 더 나은 기술이 개발되었을 때를 대비하기 위함이다. 따라서 월정교의 복원에 있어서도 기존 유구의 훼손을 최소화하면서 안전하게 복원 시공을 할 수 있도록 하기 위한 적절한 기초 보강방안의 마련이 필요하다.

이에 본 연구에서는 월정교의 성공적인 복원을 위해 교각부의 기초지반 상태 및 지지특성을 확인하고, 기존 유구의 훼손을 최소화하면서 월정교를 안전하게 시공할 수 있는 교각 기초 설계, 시공 방안을 제시하고자 한다.

2. 월정교지 교각기초 상태 및 현황(복원 공사 전)

2.1 월정교지 교각기초 발굴조사

월정교는 기록에 나타나는 남천의 여러 교량 가운데 유지가 가장 잘 남아 있으며, 교량지는 월성 서남편 남천 하상에 위치한다. 월정교지는 일정교지와 함께 2004년 11월 27일 사적 제 457호로 지정되었으며, 행정구역상으로는 경주시 인왕동 245번지와 교동 48번지이고, 지도상으로는 동경 129°12′16′′ 북위 35°40′00′′에 교량 중심을 두고 있다.

월정교지는 1975년 처음으로 문화재관리국 경주사적관리사무소에서 교대 및 교각을 실측조사 한 이래로, 1980년대 중반까지 수차례에 걸친 석재조사 및 발굴조사가 실시되었다. 1970년대 및 80년대에 걸쳐 수행된 월정교지 조사결과(Gyeongju-si, 1986; NRICH, 1988; Nam, 2007)에 따르면, 월정교지는 판석과 장대석으로 축조된 4개의 교각기초 유구가 등간격으로 남아 있고, 남측 및 북측 교대는 석축이 일부 남아 있었다. 또한 교각기초 중 남측과 북측에 위치한 교각은 기초석 위에 한 단의 교각석이 남아있고, 하상 중앙부에 위치한 두 개는 기초석만 남아있었다. 교각 주위에는 교량에 사용되었던 것으로 보이는 여러 가지 석재가 하상에 넓은 범위로 흩어져 있었다(Fig. 1 참조). 월정교 각 교각의 중심간 거리는 12.55m로 세 경간이 모두 동일하였고, 교대와 교각사이는 11.46m로 남쪽과 북쪽의 두 경간이 같다. 따라서 남측교대와 북측교대간 거리는 총 60.75m이다.

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Fig. 1.

Remains of stone bridge Woljunggyo (National Research Institute of Cultural Heritage, 1988)

본 논문에서는 월정교지에서 발견된 4개의 교각 유구에 대해 편의상 가장 북쪽에 위치한 교각을 1호교각으로 명명하고, 다음 교각에 대해서는 2호교각, 3호교각, 그리고 가장 남쪽에 위치한 교각을 4호교각으로 명명하기로 한다. 또한, 경주시와 국립문화재연구소에서 발굴조사한 결과를 토대로, 월정교 잔존 유구의 현황을 정리하였다. Fig. 2는 발굴조사 당시의 4개 교각기초 유구의 상태를 보여 준다.

① 1호교각

가장 북쪽에 위치한 교각으로 북측교대와 1호교각의 중심부 간 거리는 11.46m이다.

교각기초는 하천의 상류측 및 하류측에 각각 가로×세로× 높이가 1.8~2m×1.8m~2m× 0.6~0.7m인 방형 석재 4매를 田자 모양으로 맞대어 놓고, 그 사이 5.5m 정도의 구간에는 0.6m×2m×0.6m 크기의 장대석을 남북 방향으로 놓아 확대기초 형식으로 조성되어 있다. 여러 개의 화강석으로 구성되어 있는 이 교각기초부의 크기는 길이 12.9m, 너비 약 3.9m로, 동서방향으로 놓인 장방형이다. 교각기초의 상・하류측 방형대석 앞에는 큼직한 자연석이 3~4개 가량 묻혀 있었는데, 이 자연석은 하상바닥의 세굴(洗掘)을 방지하기 위한 것으로 보인다.

교각기초석 상부에는 Fig. 2(a)에 나타나 있는 바와 같이 1단 교각석이 일부 남아있었다. 교각 첫 단은 장대석 등으로 길이 약 13.5m, 너비 약 2.8m 크기로 축조하였다. 축조상태를 자세히 살펴보면, 상류와 하류 끝에 1.2m× 1.2m×0.6m 크기의 방형석재를 물이 흐르는 방향에 마름모 형태로 놓아 교각에 작용하는 수압을 분산시킬 수 있도록 하였고, 그 사이에는 0.6m×0.65m×1.5~3m 크기의 장대석을 교각기초의 가장자리를 따라 잇대어 놓았다. 양변 가장자리를 따라 놓은 장대석 사이의 빈 공간에는 두 곳에 工자 모양으로 버팀석을 놓아 장대석이 안으로 쏠리지 않도록 하였고, 그 외 공간에는 크기가 일정치 않은 석재로 채워 넣었다.

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Fig. 2.

Remains of stone for foundation and pier

교각에 사용된 석재를 살펴보면, 마름모형의 석재와 장대석에는 원두은장으로 연결시켰던 은장 홈이 남아있다. 그러나 양변 가장자리에 놓인 장대석 사이에 모두 은장을 사용하지는 않았다. 다시 말해서 수압을 많이 받는 교각의 양쪽 단부에만 은장으로 이음 하여 보강하였다. 또한 장대석의 상면에도 직경과 깊이가 각각 100mm 크기인 원형 구멍이 일정한 간격 없이 5개소에 뚫려 있어서, 교각을 쌓아 올릴 때 상・하 석재 사이에는 철제 촉을 사용하여 보강하였음을 알 수 있다. 한편, 마름모형 석재의 상면 중앙에는 직경 약 400mm크기의 원형 홈이 약 60mm 깊이로 파여져 있는데, 이 원형 홈은 현재 남아있는 교각구조에서는 전혀 필요하지 않은 것이다. 따라서 이 홈은 현 선형교각으로 개축하기 이전 교각에 필요하여 판 것으로 이 구멍에 촉이 있는 석주를 세웠을 것으로 추측된다.

또한 상・하류에 각각 田자 모양으로 맞대어 놓은 8매의 방형대석을 보면 모두 가장자리 4변으로 약 400mm의 너비를 두고 내부를 1.2m×1.2m, 깊이 30~45mm로 파내었는데, 이것 역시 현존하는 교각의 축조와는 전혀 무관하다. 상・하류에 田자모양의 방형대석 사이에 놓은 장대석은 약 600mm 내외의 방형단면에 길이는 1.8~2m로 일정하지 않다. 이 장대석은 지면에 닿는 부분을 포함한 4면이 모두 가공되어 있고 그 중에는 마구리에 직경 300~330mm, 길이 45~50mm되는 촉이 있는 것도 있다. 이를 볼 때 이 장대석도 처음부터 이 교각의 기초에 사용된 석재가 아님을 알 수 있다.

② 2호교각

2호교각은 1호교각 남쪽 12.55m 지점에 길이 13.1m, 너비 3.9m 정도의 크기로 교각기초석만 남아 있고, 교각석은 모두 유실되어 한 단도 남아 있지 않다. 1호교각과 동일한 형태로, 한 변 약 1.8~2m되는 방형대석을 상・하류쪽에 각각 4매씩 田자 모양으로 맞대어 놓고, 그 사이에는 방형석재와 장대석을 놓아 교각기초부를 구성하고 있다. 교각기초 상하류측에 대형 자연석이 묻혀있는 것도 1호 교각과 동일하다. 또한 교각기초 양단에 위치한 8개의 방형대석 중 상류쪽의 남서편에 놓인 1개를 제외하고는 모두 가장자리에 약 400mm 너비의 턱을 두고 내부에 크기 1200mm×1200mm, 깊이 약 30mm로 파낸 것도 1호교각과 같다.

한편, 남아있는 기초석은 지반의 부분 유실과 침하로 원래의 위치에서 조금씩 이탈되어 있다. 기초부 침하양상을 살펴보면, 상・하류측에 위치한 방형대석보다 중앙부에 놓인 장대석의 침하량이 더 크다.

③ 3호교각

2호교각 남쪽에 12.55m 거리를 두고 있으며, 2호교각과 같이 기초지반석 부분만 남아 있다. 교각기초부는 길이 12.3m, 너비 3.7m 크기로, 다른 교각기초부에 비해 길이가 조금 짧다. 상・하류에 각각 4매의 방형대석과 그 사이에 놓인 장대석의 배치는 1호 및 2호 교각과 같다. 상류쪽의 방형대석은 한 변이 1.65~2m 크기이며, 그 중 북측에 놓인 2매는 가장가리에 턱이 없는 석재이고, 남측에 놓인 2매는 가장자리에 턱이 있는 석재로 보아 재활용되었음을 알 수 있다. 또한 북동편에 놓인 방형대석의 중앙에는 전술한 마름모형의 석재에서 볼 수 있는 직경 약 400mm, 깊이 30mm정도의 원형 홈이 파여 있다. 마름모형의 물가름돌은 유실되어 잔존하지 않으나, 방형대석의 가장자리 턱이 일부 따내져 있는 것으로 보아 물가름돌이 있었음을 추론할 수 있다.

3호교각은 상류가 하류쪽보다 약 300mm 침하되어 있고, 장대석이 놓인 부분은 남쪽보다 북쪽이 많이 침하(沈下) 되었다.

④ 4호교각

가장 남쪽에 위치한 교각으로 교각기초석 위에 교각석 첫째 단이 원형대로 남아 있다. 교각기초의 크기는 길이 12.4m, 너비 3.7m이다. 교각기초는 상・하류에 한 변이 1.8~2m 크기의 방형대석을 4매씩 田자 모양으로 맞대어 놓고 이 방형대석 사이에 장대석을 놓아 축조하였다. 방형대석에 마름모형의 돌을 놓기 위하여 가장자리의 턱진 부분을 따낸 것, 또 방형대석 사이에 4면을 모두 가공하고 마구리 한 면에 직경 320m, 길이 50mm 되는 촉이 있는 장대석을 재활용한 것 등을 보면, 전술한 1호, 2호 및 3호 교각기초와 크기와 모양 그리고 축조방법이 동일하다.

한 단만 남아 있는 교각은 1호교각에서 본 바와 같이 상・하류쪽 끝부분에 마름모형의 석재를 놓아 수압을 분산시킬 수 있도록 교각을 선(船)형으로 쌓았다. 양쪽 가장자리에는 장대석을 길이방향으로 잇대어 놓고 장대석이 안쪽으로 쏠리지 않도록 적당한 간격을 두고 4개의 工자 모양 버팀돌을 가로질러 놓고 나머지 공간은 큼직한 석재로 채웠다. 교각기초의 상・하류쪽 끝부분에는 교각보호석을 놓아 지반이 세굴 되지 않도록 하였다.

상류쪽에 놓인 마름모형의 석재는 높이 약 630mm, 한 변의 길이 약 1.8m로 상면은 인위적으로 다듬어서 면이 바르다. 가운데는 직경 100mm 크기의 구멍이 있는데 이 구멍에는 아직도 철촉이 부러진 채 박혀 있다. 이 철촉은 교각을 중첩하여 높이 쌓으면서 보강재로 사용한 것으로 판단된다.

하류쪽 끝 부분에 놓여있는 마름모형의 석재는 크기가 1.2×1.2×0.63m로 상면 중앙에 지름 400mm, 깊이 65mm로 원형홈이 파여 있다. 또한 그 좌우에는 은장홈이 있고 남쪽으로 약간 치우친 곳에 지름 100mm 정도의 철촉 구멍이 뚫려 있다. 이 교각의 기초지반석 위 첫째 단에는 이런 철촉 구멍이 남면에 2개, 북면에 2개, 상・하류쪽 마름모형 석재에 각각 1개씩 모두 6개가 있는데 간격이나 위치가 일정하지 않은 것으로 보아 교각축조 당시 그때그때 즉석에서 필요한 곳에 철촉으로 보강한 것으로 판단된다.

4개의 교각기초 중에서 가장 잘 남아 있는 4호교각 기초 중앙에 동서중심선을 잡고 이 선에 직각되게 남북중심선을 잡아 교각의 축을 측정해 본 결과 각 교각의 동서중심선은 4개의 교각이 대체로 평행하지만 남북 중심선은 일치되지 않음을 알 수 있다. 다시 말해서 4호교각 중심선을 기준으로 볼 때 3호교각 중심은 0.7m, 2호교각은 1.4m, 1호교각은 1.46m 만큼씩 서쪽으로 치우쳐 있다. 따라서 남북 기준선과는 2°가량 서쪽으로 치우쳐 있음을 알 수 있었다. 이것은 교각이 오랜 기간을 지나면서 이완된 것으로는 볼 수 없고 축조 당시부터 그렇게 계획된 것으로 판단된다.

⑤ 4호교각와 남측교대 사이 세굴방지공 유구

4호교각과 남측교대 사이에는 하상세굴을 방지하기 위한 보호공이 Fig. 3에 보인 바와 같이 남아 있다. 이 세굴방지공을 살펴보면, 목재를 이용하여 엎을장과 받을장으로 격자 틀을 만들고, 그 사이에 크고 작은 자연석을 채워서 상면을 대체로 바르게 맞추었다. 단면이 250~350mm 정도 되는 각재를 사용하여 짠 격자틀 주간은 24구간으로 구획하였고, 한 구간의 크기는 2.6m×2.7m 정도로 동서방향보다 남북방향이 조금 길다.

부식이 심하여 부재를 모두 확인하진 못하였으나, 동서로 놓인 부재를 정밀하게 조사한 결과 나뭇결이 일부 남아있어서 한 부재임을 확인하였고, 남북으로 놓은 목재는 물론, 동서로 놓은 목재도 같은 부재임을 확인하였다. 다시 말하면 남북방향의 부재를 받을장으로 놓고 동서 방향의 부재를 엎을 장으로 짜 맞추었음을 확인하였다. 격자유구의 목재상면과 4호교각 기초대석 상면의 높이가 비슷하고, 격자 유구 북쪽면이 4호교각 기초대석에 맞닿아 있어서 교각이 주(舟)형으로 중수된 후에 이 하상 세굴 방지를 위한 보호시설인 격자 유구가 설치된 것으로 판단된다.

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Fig. 3.

Protection for scouring (NRICH, 1988)

2.2 월정교 복원공사 전 현황

1980년대에 수행한 발굴조사 이후 남측 및 북측 교대를 복원하고, 발굴된 석재유구중 교각부 기초석 및 교각석을 제외한 나머지 석재를 교대부 위에 정리하여 놓아두었다(Fig. 4 참조).

Fig. 4는 2005년 10월 시작된 [월정교 복원 기본계획 수립 및 타당성 조사] 용역이 착수된 이후의 월정교지 현황을 보여 준다. 발굴조사 실시 후 대략 20년이 경과한 시점에서 월정교지는 1호교각을 제외한 3개의 교각기초유구가 퇴적토에 의해 덮여 있다.

Fig. 4(b)에 나타낸 수준측량 결과를 살펴보면, 2호~4호 교각은 교각기초석 상부면으로부터 0.8m~1.7m 정도의 두께로 토사가 퇴적되어 있다. 따라서 2호, 3호 및 4호 교각의 교각기초석은 현재 지표로부터 대략 1.5m~2.4m 정도의 깊이에 놓여 있는 것으로 유추할 수 있다.

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Fig. 4.

View of Woljunggyo site in 2007

3. 지반조사

월정교지의 지층분포 및 지반상태를 파악하기 위하여 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 현장조사 및 원위치시험을 실시하였다. 월정교 교대 및 교각하부의 지반분포 상태 및 각 지층의 지반공학적 특성을 파악하기 위해 시추조사 및 표준관입시험을 실시하였고, 지반강성 주상도를 평가하기 위해 표면파기법의 일종인 CapSASW시험(Joh et al., 2005)을 추가로 실시하였다. 지반조사 결과는 Table 1 및 Fig. 6에 정리하였다.

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Fig. 5.

Location of geotechnical site investigation

Table 1. SPT N-value

No. N-Value for accumulation layer Rock (%) SPT
(Numbers)
Sand layer Gravel layer TCR RQD
BH-1 16 30~50/16cm 94 16 5
BH-2 3~24 44~50/6cm 99 74 5
BH-3 20~22 26~50/14cm 93 5 7

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Fig. 6.

Shear wave velocity profile from CapSASW test

문헌자료 조사, 경험식 및 현장시험 결과를 이용하여 월정교지 지반층의 설계지반정수를 산정하였다. 설계지반정수는 산정 방법에 따라 값의 편차가 상당히 크게 나타나, 결국 기초 지지력 및 침하 특성 평가시 각 설계지반정수 범위값 중 어떤 값을 이용하는가에 따라 그 결과가 크게 달라질 수 있다. 본 연구에서는 월정교가 역사적인 중요 구조물임을 감안하여 안전측의 검토를 수행하기로 하고, Tabel 2에 나타낸 바와 같이, 안전측의 보수적인 지반정수값을 설계지반정수로 결정하였다.

Table 2. Design parameter for soil and rock

Soil layer Types of Soil Unit weight
(kN/m3)
Cohesion
(kPa)
Internal friction
angle (°)
Elastic modulus
(MPa)
Poisson’s ratio
Accumulation layer Sand 18 0.0 30 22.1 0.35
Gravel 20 0.0 40 50 0.40
Soft rock - 23 100.0 35 1,200 0.27

4. 교량기초 안정성 평가

4.1 교각기초 지지력 및 침하량 검토

앞에서 설명한 바와 같이 월정교 교각기초 중 일부에 부등침하가 발생한 상태이다. 2호교각의 기초석은 부분적인 지반유실로 원위치에서 일부 이탈되어 있고, 상・하류측에 위치한 석재보다 중앙부에 놓인 장대석의 침하량이 더 크다. 특히 3호교각의 경우에는 하류쪽에 비해 상류쪽이 300mm 정도 더 침하되어 있고, 장대석은 남쪽보다 북쪽이 더 많이 침하된 상태이다. 따라서 복원에 앞서 부등침하의 원인을 파악하는 것이 월정교의 안정적인 복원을 위해 대단히 중요하고, 부등침하의 원인이 기초지지력 부족에 기인할 경우에는 적적한 기초보강이 필요할 것이다.

가역성(可逆性)에 입각하여 현재 잔존하고 있는 기초 유구의 손상을 최소화하는 것이 금번 월정교복원에 있어서 가장 중요한 문제 중 하나이다. 따라서 현장 지반조사와 상부 구조설계 결과를 바탕으로 기초지반에 인위적인 보강을 하지 않은 상태에 대한 교량기초 안정해석을 수행하여, 기초 보강의 필요성을 평가하고자 한다.

교량기초의 지지력 및 침하 특성 평가는 이론적인 방법과 경험적인 방법으로 수행할 수 있다. 이때 실제 기초가 놓일 위치에서의 지반 및 지층 조건을 조사하여 기초의 안정성을 평가하는 것이 바람직하다. 그러나 본 월정교지의 경우 이미 교각기초가 놓여있는 상태이고 이 기초 유구가 퇴적토에 묻혀 있기 때문에, 기초석 하부의 지층 상태 및 지반 조건을 파악하는 것이 현실적으로 용이하지 않다. 또한 월정교지 발굴조사 결과를 살펴보면, 교각기초석 하부에 기초보강을 수행하였는지의 여부가 불분명하다. 따라서 본 연구에서는 교각과 교각 및 교각과 교대 사이의 중앙부 위치에서 수행한 지반조사 결과를 바탕으로 교각기초 하부의 지층상태를 추정하였다. 또한 안전측의 검토를 위해, 교각기초 하부에는 어떠한 지반보강도 하지 않은 것으로 가정하여 안정성 검토를 수행하였다.

월정교지 하상에서 Fig. 3에 보인 바와 같이 목재 격자 틀 내부에 자연석을 속채움한 세굴방지공 유구가 확인되었다. 따라서 금번 월정교 복원에 있어서도 교량 하상부에 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 세굴방지공을 시공하는 것으로 계획되었다. 참고로, 월정교 복원공사에 반영된 세굴방지공의 규모는 Kang et. al.(2008)의 수리모형실험 결과를 통해 결정되었다. Kang et. al.(2008)은 수리모형실험을 통해 월정교지에서 발굴된 규모로 세굴방지공 적용 시, 80년 빈도의 계획홍수에서 국부적인 세굴이 발생하는 것으로 분석하였다. 따라서, 세굴보호공의 안정성을 보강하기 위해 세굴영역이 국부세굴 실험에서 얻어진 세굴영역을 충분히 포괄할 수 있을 만큼 교각 전면부로 7m까지 확장하였다.

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Fig. 7.

Cross sectional view for restoration substructure of Woljunggyo

본 연구에서는 수리모형실험결과로부터 결정된 세굴방지공을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대해 교각기초의 지지력 및 침하 특성을 각각 평가하였다. 퇴적 모래층 및 자갈층, 암반층의 순서로 분포하고 있는 월정교지 지층에 대해, 교각과 교각 사이 및 교각과 교대 사이의 퇴적모래층을 쇄석으로 치환한 것으로 간주하여 세굴방지공을 모사하였다.

월정교 교각기초는 폭이 대략 3.7m~3.9m 정도이고 길이가 12.3m~13.1m 정도인 직접기초로 볼 수 있다. 이러한 기초가 안정하기 위해서는 지지력과 침하량 산정값이 허용치를 만족해야 한다. 따라서 본 연구에서는 직접기초로 지지된 교각기초에 대하여 지층조건, 작용 하중 및 기초 형상을 고려하여 4개 교각기초에 대한 지지력 평가 및 침하량 산정을 각각 수행하였다.

교각기초의 지지력을 평가하기 위해, 지반공학 분야에서 널리 이용되고 있는 Terzaghi 방법, Meyerhof 방법을 적용하여 허용지지력을 각각 산정하였으며, 침하량은 탄성이론인 Hooke법칙, Schmertmann공식 및 Harr공식을 이용하여 산정하였다.

또한 교각기초의 거동 특성 및 안정성을 평가하기 위해 유한요소해석(FEM해석)기법을 이용한 3차원 안정해석을 수행하였다. 수치해석 작업은 범용 프로그램인 MIDAS GTS를 이용하여 수행하였으며, 교각기초 사이에 세굴방지공을 시공한 경우와 시공하지 않은 경우로 나누어 3차원 지반안정해석을 실시하였다. 즉, 구조계산서에서 계산된 교각 및 교량의 하중을 기초에 적용하여 4개 교각기초 각각에 대한 3차원 지반안정해석을 수행하였다.

월정교 교각기초에 작용하는 하중은 KNUCH(2006)을 참조하여 아래와 같은 값을 사용하였다.

- 고정하중 : 126.0 tonf (=1,235 kN)

- 적재하중 : 46.0 tonf (=451 kN)

- 수 평 력 : 17.0 tonf (=167 kN)

- 석축하중 : 662.0 tonf (6,492 kN)

- 총 하 중 : 834.0 tonf (8,178 kN)

- 수평력은 석축구조물이므로 기초저판에 모멘트로 작용하지 않는 것으로 산정함.

월정교지 4개 교각기초에 대해 세굴방지공 설치여부에 따라 산정한 허용지지력을 Table 3에 정리하였다.

Terzaghi식 및 Meyerhof식에 의해 산정한 교각기초의 허용지지력을 비교해 보면, Table 3에서 알 수 있는 바와 같이 4개의 교각 모두 세굴방지공 설치 유무에 관계없이 Meyerhof식으로 산정한 허용지지력이 가장 작다. 따라서 안전측의 평가를 우선적으로 고려하면, Meyerhof식으로 산정한 허용지지력을 월정교 교각기초의 허용지지력으로 볼 수 있다. 이 허용지지력과 실제 교각기초에 부과될 작용하중을 비교해 보면, 세굴방지공을 설치하지 않은 경우에는 4개 교각기초 모두 작용하중이 허용지지력을 초과하는 것으로 나타나, 기초지지력에 대해 다소 불안정하다고 판정할 수 있다. 반면에 세굴방지공을 설치할 경우에는 교각기초가 충분한 지지력을 확보할 수 있는 것으로 평가되었다.

기초가 안정하기 위해서는 지지력에 대한 안정 이외에 침하량에 대해서도 안정을 확보하여야 한다. 침하량에 대한 안정을 확보하기 위해서는 최대침하량이 허용침하량 이내에 있어야 하며, 또한 부등침하에 대해서도 기준치 이내의 값을 가져야 한다.

Table 3. Allowable bearing capacity of foundation for pier of Woljunggyo

Classification Protection of
scouring
Allowable bearing capacity (kPa) Applied load
(kPa)
Judgement
Terzaghi Meyerhof
No. 1 Pier 157.15 149.45 118.24 O.K
× 106.99 103.32 118.24 N.G
No. 2 Pier 160.72 153.16 120.50 O.K
× 92.59 90.50 120.50 N.G
No. 3 Pier 157.66 150.32 131.84 O.K
× 131.46 126.22 131.84 N.G
No. 4 Pier 157.14 149.73 131.83 O.K
× 130.94 125.63 131.83 N.G

국내에서 직접기초의 허용침하량은 풍화암 지지층의 경우 25mm, 연암이나 경암 지지층의 경우 13mm로 규정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 월정교 교각기초의 허용침하량을 25mm로 규정하고, 이론침하량과 함께 Table 4에 나타내었다.

Table 4에서 알 수 있는 바와 같이 세굴방지공을 설치하면, 이론침하량이 다소 감소하게 된다. 또한 세 가지 방법으로 각각 산정한 이론침하량을 허용침하량과 비교해 보면, Hooke의 법칙과 Schmertmann의 방법을 산정한 이론침하량은 허용침하량 이내인 것으로 나타났으나, Harr의 제안식으로 산정한 이론침하량은 허용침하량을 0.6mm~3.1mm 초과하는 것으로 나타났다. 그러나 이론침하량이 비교적 크게 산정된 Hooke의 법칙과 Harr의 제안식은 기초 하부의 지반이 퇴적모래층으로 구성된 단일지반층인 것으로 가정하고 산정한 결과이기 때문에 침하량이 과다하게 산정된 것으로 판단된다. 즉, 월정교 교각기초 하부의 자갈층과 암반층을 고려하지 못하기 때문에 탄성침하량이 과다 산정된 것으로 볼 수 있다. 반면에 Schmertmann의 방법은 교각기초 하부의 다층지반을 고려할 수 있기 때문에, 본 현장과 같이 기초하부 지반이 다층으로 구성되어 있는 경우에는 이론침하량을 보다 합리적으로 산정할 수 있다.

결론적으로 Schmertmann의 방법으로 산정한 탄성침하량이 최대 10.6mm 이하인 것으로 나타나 허용침하량(25mm)을 만족한다. 따라서 월정교지 4개 교각기초 모두 침하에 대해 안정한 것으로 평가할 수 있다.

Table 4. Calculated settlement for pier foundation of Woljunggyo

Classification Theoretical settlement, mm Allowable settlement,
mm
No. Protection of scouring Hooke’ raw Schmertmann Harr
No. 1 Pier 19.1 9.4 25.6 25
× 20.3 10.3 27.1
No. 2 Pier 19.1 9.4 25.6
× 20.7 10.6 27.7
No. 3 Pier 20.4 10.1 27.3
× 21.0 10.5 28.1
No. 4 Pier 20.4 10.1 27.3
× 21.0 10.5 28.1

4.2 3차원 유한요소해석에 의한 교량기초 안정성 검토

월정교 교각기초의 역학적 거동을 평가하기 위하여 MIDAS GTS 프로그램을 사용한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과를 이용하여 교각기초의 침하량을 확인하고, 안정성 확보 여부를 검토하였다. Fig. 8은 유한요소해석 프로그램으로 수행한 3차원 해석모델이다.

3차원 유한요소해석을 위한 지반경계와 하부경계는 모두 3.0D(D는 기초크기) 이상의 범위로 모델링하여 주요 해석 영역이 경계조건에 의해 영향을 받는 것을 최소화 하였다. 지반에 대한 해석모델로는 Mohr-Coulomb 파괴기준을 이용하여 탄소성 해석을 수행하였다.

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Fig. 8.

Modeling for 3-D finite element analysis

수치해석은 크게 세 단계로 나누어 수행하였다. 초기단계 에서는 월정교지 지반 및 지층 특성과 해석 조건을 고려하여 복원공사 착수 전의 초기응력을 평가하였다. 다음으로, 석축형태로 시공되는 교각하중을 순차적으로 재하하면서 이로 인한 지반의 변위 발생 양상 및 지반 응력 상태를 파악하였다. 마지막으로, 2단계에서는 교량 상부구조로 인해 발생되는 하중 재하를 통하여 월정교 시공완료 이후의 지반 변형 및 응력을 평가하였다. 각 단계별 하중 조건은 Table 5와 같으며, 교대의 상부작용 하중은 2단계 하중 재하 시 적용하여 검토하였다.

Table 5. Loading condition

Classification No. 1 Pier No. 2 Pier No. 3 Pier No. 4 Pier Abutment
Stage 1 435 tf
(8.47 tf/m2)
435 tf
(8.63 tf/m2)
435 tf
(9.45 tf/m2)
435 tf
(9.45 tf/m2)
-
Stage 2 172 tf
(3.35 tf/m2)
172 tf
(3.42 tf/m2)
172 tf
(3.74 tf/m2)
172 tf
(3.74 tf/m2)
95 tf
(33.3 tf/m2)

교각기초가 안정하기 위해서는 유발되는 최대 침하량이 허용 침하량 보다 작아야 하고, 부등침하에 대해서도 기준치 이내의 값을 가져야 한다. Fig. 9는 수치해석 결과로부터 얻은 2단계 하중 재하 완료시 지반의 수직 변위 발생 양상을 나타내고 있다. 여기서, X방향은 교각기초의 폭 방향을 의미하고, Y방향 및 Z방향은 각각 교각기초의 길이방향과 중력을 의미한다.

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Fig. 9.

Vertical displacement distribution of ground according to loading stage

한편, 검토 대상 지반의 보다 자세한 수직변위 발생 양상을 검토하기 위해서 Fig. 10에 각각 교각 기초부의 수직변위 양상을 단계별로 정리하였다. 그림에서 알 수 있듯이 교각 복원 완료 직후(1단계)에는 각 교각기초의 최대 침하량이 약 1.4∼2mm의 범위에서 발생하고 있으며 월정교 전체 복원이 완료된 이후(2단계)에서는 약 2.0∼2.9mm의 범위로 침하량이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 4개의 교각기초 모두 최대 침하량이 허용 침하량(25mm)보다 작게 발생되고 있으며 따라서 허용 침하량 기준을 만족하는 것으로 평가할 수 있다.

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Fig. 10.

Deferential settlement of ground according to loading stage

한편, Table 6에는 교각기초 하부면으로부터 약 1.2m 깊이에서 하중단계별 지반의 지중응력 발생량을 정리하였다. 여기서, X방향은 교각기초의 폭 방향을 의미하고, Y방향 및 Z방향은 각각 교각기초의 길이방향과 중력방향을 의미한다. Table 6을 살펴보면, 하중단계가 진행됨에 따라서 지중응력이 증가하는 양상을 나타내고 있다. 또한, 중력방향(Z방향) 응력 증가량에 대한 수평방향(X 및 Y 방향) 응력 증가량의 비로 정의되는 수평방향응력계수(즉, 토압계수)가 0.51∼0.59의 범위를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 토압계수 값은 모래 및 자갈층의 일반적인 정지토압계수와 유사한 값이며, 이로부터 본 3차원 유한요소해석의 신뢰성을 판단할 수 있다.

Table 6. Stress in a ground at 1.2 m from bottom of the foundation stone

Classification Stress in a ground at 1.2m from bottom of the foundation stone
(tf/m2)
Early stage 1st loading stage 2nd loading stage
No. 1 Pier X direction 4.1 5.1 5.6
Y direction 3.7 4.7 5.2
Z direction 6.9 9.2 10.1
No. 2 Pier X direction 3.1 4.4 4.9
Y direction 2.9 4.3 4.8
Z direction 5.4 8.1 9.4
No. 3 Pier X direction 3.6 4.9 5.4
Y direction 3.5 4.8 5.2
Z direction 6.6 8.9 9.9
No. 4 Pier X direction 3.8 5 5.5
Y direction 3.5 4.7 5.1
Z direction 6.5 8.8 9.8

4.3 대형 평판재하시험을 통한 지지력 평가

월정교 교각 하부 기초지반의 상태평가와 이론해석을 통해, 기초지반의 부분적인 보강과 교각기초석의 정렬(整列) 작업만으로도 월정교 복원이 가능할 것으로 판단되었다. 그러나 월정교 복원의 중요성을 고려하여, 보다 정확한 기초지반 거동을 파악할 수 있는 정재하시험을 통해 최종적으로 기초의 안정을 평가하고자 한다.

기초지반의 부분적인 보강이란, 교각기초석 유구의 정렬 작업시 하부지반에 대해 일부 치환/다짐만으로도 기초의 성능을 발휘할 수 있는 정도의 지반보강을 의미한다. 현재까지의 조사 및 평가 결과에 의하면, 이러한 부분 보수/보강만으로도 지지력을 확보할 수 있을 것으로 판단되나, 이는 현재 잔존하고 있는 교각기초 유구 및 하부 지반 상태를 직접 확인하지 못한 상태에서의 평가 결과이다. 따라서 월정교 복원의 중요성을 감안할 때, 보다 신중하고 면밀한 검토 후 최종 결론을 도출하는 것이 바람직하다.

기초의 지지력을 결정할 때, 실제 크기의 기초 위에서 재하시험을 실시하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 방법이다. 그러나 이러한 재하시험은 대단히 큰 중량물이 요구될 뿐만 아니라, 재하시험 시간 및 비용이 대단히 많이 소요되는 단점이 있다. 월정교와 같은 직접기초에 대해서는 30cm 혹은 60cm 정도의 소규모 재하판을 사용하여 평판재하시험을 수행하는 것이 일반적이다. 그러나 소규모 재하판을 이용한 시험결과를 실제 규모의 기초크기에 대한 것으로 환산하여 지지력을 평가하는 방법보다 실제 크기의 기초 위에서 재하시험을 실시하는 것이 더욱 신뢰할만한 결과를 도출한다.

따라서 본 연구에서는 월정교 복원의 중요성과 실험평가의 효율성을 감안하여, 대형 평판재하시험을 수행하였다. 대형 평판재하시험 위치는 Fig. 11에 나타내었다. 현재 상당한 부등침하가 발생되어 있는 3호 교각기초 지대석 중 동측에 위치한 4개의 방형대석을 제거하고, 하부지반에 자갈을 포설 다짐한 후 대형 평판재하시험을 수행하였다.

일반적인 평판재하시험은 재하판의 직경이 30cm 혹은 60cm로 작기 때문에, 시험지반의 지층구성 상태나 지반의 토질특성이 불규칙한 경우에는 적절한 시험방법이 될 수 없고, 기초지반이 비교적 단순한 지층구조를 가지거나 비교적 균질한 지층을 가지는 지반에서 시험결과의 신뢰성이 높다. 본 현장의 경우 지반조사 결과 기초하부로부터 암반층까지의 두께가 6m 이내이고, 토층은 모래질 자갈로 비교적 균질한 지층을 보이므로, 3m×3m 크기의 평판을 이용한 현장재하시험은 신뢰성이 높은 결과를 도출할 것으로 기대된다.

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Fig. 11.

Location of the large scale plate loading test

대형 평판시험에 사용한 시험장치는 재하판, 유압 Jack, 반력장치 및 측정장치로 구성된다. 재하판은 월정교 교각기초 하부의 토층 분포를 고려하여 크기가 3m×3m×0.1m(면적 9m2)인 정사각형 형태의 재하판을 사용하였으며, 재하판의 강성을 높이기 위해 하부재하판 위에 상부재하판(두께 50mm) 2장을 겹쳐서 설치하였다. 유압잭은 하중을 재하하기 위한 것으로서, 시험 최대하중을 고려하여 용량을 결정한다. 본 실험에서는 설계하중의 2배 정도 인 405 tonf을 시험 최대하중으로 계획하였으며 이 시험하중을 안정적으로 재하하기 위해 500 tonf 용량의 유압 Jack 2대를 사용하였다. 반력장치는 현장 여건에 따라 결정하게 되는데, 본 실험에서는 하상에서 실험을 수행하고 문화재의 훼손을 최소화 하기 위하여 그라운드앵커를 이용한 반력장치를 사용하였다. 한편, 측정장치는 재하하중 측정용 로드셀, 침하량 측정용 다이얼게이지, 측정 데이터의 기록을 위한 데이터로거(Data Logger)로 구성되어 있다(Fig. 12 참조).

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Fig. 12.

Plate loading test in field목

평판재하시험에 의한 하중단계별 침하량은 Fig. 13에 정리하였다. 하중-침하량 관계곡선에서 2개의 접선이 교차한 지점의 하중을 항복하중이라 하며, 이 곡선의 최대 곡률점(하중의 증가 없이 침하량이 무한대로 되는 지점)에 해당하는 하중을 극한하중이라 한다. 본 재하시험에서는 설계하중의 2배 이상인 45.0tf/m2의 하중을 재하할 때까지 항복하중이 확인되지 않았다. 따라서 월정교 교각기초 지반의 항복하중은 45.0tf/m2을 초과하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 허용지지력은 적어도 22.5tf/m2이상인 것으로 판정할 수 있다.

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Fig. 13.

Results of plate loading test

5. 결 론

월정교 복원 공사시, 교각기초 및 교대 유구의 훼손을 최소화하면서 월정교를 안전하게 시공할 수 있도록 하기위해 교각기초의 안정성을 검토하였다. 일련의 현장 조사 및 실험을 수행하여 월정교지 지반특성을 파악하였고, 지반조사 결과를 바탕으로 교각기초의 안정성을 평가하였다. 연구결과 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 시추조사 및 원위치시험 결과 월정교지의 지층은 상부로부터 퇴적모래층(두께 2.0~2.8m), 퇴적자갈층(두께 3.0~5.0m), 연암층의 순서로 분포하고 있으며, 월정교 교각기초 저면은 N값이 25이상되는 퇴적층에 위치하는 것으로 확인되었다.

(2) 이론식 및 3차원 지반안정해석을 통해 교각기초의 안정성을 평가한 결과, 세굴방지공을 설치하면 월정교 교각기초가 지지력 및 침하에 대해 모두 안정한 것으로 평가되었다. 따라서 월정교 복원에 있어 교각기초에 대한 특별한 보강은 필요 없는 것으로 평가할 수 있다. 다만, 현재 일부 교각에 상당한 부등침하가 발생되어 있는 상태이므로, 침하된 일부 기초석을 이동시키고 자갈다짐을 통한 평탄화를 실시한 후 복원공사를 진행하는 것이 필요하다.

(3) 30cm 이상 부등침하된 형태에 있는 교각기초를 대상으로 3m×3m 크기의 평판을 이용한 현장재하시험을 수행한 결과, 설계하중의 두 배가 넘는 재하하중(45tf/m2)에 대해서도 항복하중이 나타나지 않았다. 따라서 기초 지반의 허용지지력은 22.5tf/m2이상으로 평가되어 설계허용지지력 15tf/m2을 만족한다.

(4) 지반조사, 이론 및 수치 해석, 현장재하시험 결과를 종합적으로 판단할 때 월정교의 붕괴는 기초의 지지력 부족에서 기인한 것은 아닌 것으로 판단된다. 월정교는 세굴보호공의 설치로 인해 520년 이상 장기간 기능을 유지할 수 있었으나, 결국은 장기간에 걸친 기초의 세굴에 의해 붕괴되었을 것으로 추정된다.

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