1. 서 론
2. 초소형 콘 관입시험기 개발
2.1 일반적 콘관입시험기의 특징
2.2 모형실험시 이완영역측정의 문제점
2.3 소형콘의 크기효과
3. 실험조건 및 방법
3.1 사용시료
3.2 실험절차 및 조건
4. 실험결과 및 고찰
4.1 층다짐변화에 따른 관입저항특성
4.2 공동 주변지반의 이완영역선정 적용 예
5. 결 론
1. 서 론
최근 도심지에서 발생하는 지반함몰은 많은 물적, 인명적 피해를 발생시킨다. 이에 따른 지반함몰 예방 및 보강하기 위한 연구가 지속적으로 진행되어져 왔다. 지반함몰은 대체로 지하시설물의 파손이 발생하여 지하수의 영향에 의해 흙이 유실되어 빈 공간인 공동이 조성되고 원지반 상태와 비교하여 지지력의 감소가 발생하는 이완영역이 발생된다. 이러한 이완영역이 점차 지표부로 확장 되어지면서 공동이 발달하여 지반함몰이 발생한다. 따라서 상·하수관거의 파손을 모사한 실내모형실험을 통해 지반함몰 메커니즘을 규명하고 지반의 종류와 조건에 따른 공동의 형상을 관측한 실험이 진행되어오고 있으며, 공동주변부에 발생하는 이완영역범위를 추정하기 위한 연구가 진행되었다(Sato and Kuwano, 2009, Kuwano et al., 2010, Kim et al., 2017).
이에 따라, 지반 공동주변에 발생하는 이완영역의 범위를 추정하기 위해 실내실험에서 적용 가능하고 CPT(Cone Penetration Test)와 유사한 실험방법을 갖는 지반 조사장비인 이완영역탐지기를 개발하였다.
일반적으로 현장에서 적용되는 CPT는 콘의 직경이 3.57cm, 단면적이 10cm2이며, 선단각은 60°의 콘을 사용하여 지반에 연속적으로 관입하여 신속한 지반조사가 가능한 시험방법이다. 지반 내 발생 된 지반 공동을 모사한 실내모형실험은 시험기의 크기를 고려하면 기존의 CPT 및 관련 장비들을 적용하기에는 어려움이 있다. 즉, 지반상태의 지지력 측정 시 주변 지반의 교란 및 붕괴가 발생하게 되어 정확한 이완영역의 범위를 추정하기에 어려움이 있다.
따라서, 본 연구에서는 실내모형실험에 적합하도록 직경 0.3cm(단면적0.071cm2) 초소형콘을 제작하여 개발된 이완영역탐지기에 적용하였으며, 모형실험을 위해 층 다짐 된 실내모형지반의 지지력 측정을 통해 공동 주변에서의 이완영역범위를 산정하고자 하였다. 이를 위해 층별로 일정한 다짐조건의 모형지반을 조성하고 제작된 초소형 관입시험기를 활용하여 관입 실험을 수행하였다. 또한, 초소형콘의 지지력 변화에 따른 지반저항특성을 분석하여 이완영역을 측정하고자 한다.
2. 초소형 콘 관입시험기 개발
2.1 일반적 콘관입시험기의 특징
콘관입시험은 원추모양의 콘 프로브(cone probe)를 지반에 일정한 속도로 관입하면서 발생하는 저항력을 측정하여 지반의 공학적 성질을 추정하는 원위치시험의 일종이다(Yoon et al., 2004). 일반적으로 표준콘은 직경 3.51cm 콘이 사용되며, 원지반의 특성을 연속적으로 조사할 수 있는 장점이 있지만 표준콘을 사용하여 실제 지반에 적용 시 콘의 지중 관입이 가능한 대형장비가 요구된다. 또한, 콘의 직경이 커짐에 따라 주변 지반의 변형에 더 넓은 면적이 영향을 미치게 되어, 교란이 발생하며 측정지점에서의 정확한 지지력 측정이 감소하게 된다(Powell and Quarterman, 1988). 또한, 실내모형실험과 같이 현장상태를 소형 축적화한 경우 콘의 영향 범위가 더욱 크게 발생하므로 실내모형실험에 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서 콘 관입 시 지반의 교란을 최소화하기 위해 소형콘관입 장비들이 적용되고 있으며 국내 및 국외에서의 현장 적용사례가 증가하고 있다. Yoon et al.(2013)는 표준콘보다 20% 소형화된 연속관입형 소형콘(Miniture Cone)관입시험 장비를 제작하여 연약지반 및 중간정도의 조밀한 모래지반까지 조사가 가능하도록 하였다. Kim, J. H. et al.(2013)는 직경 1cm의 원심모형실험용 소형콘을 개발하여 원심가속상태의 지반물성을 평가하기 위한 연구를 수행하였다. Lee, J. S. et al.(2008)은 외경5mm로 크기의 주면마찰력을 분리하여 정확한 선단저항력을 측정 가능한 콘 개발 및 적용성 검증에 관한 연구를 수행하였다.
콘관입시험에서의 계측결과에 영향을 줄 수 있는 대표적인 영향요소로는 콘팁의 형상, 크기 및 콘 관입속도로 제시될 수 있다. 콘팁 형상의 경우 ASTM D5778(2012) 표준콘은 콘팁의 면적과 롯드 부분의 크기가 일정한 형태의 콘이 적용되며, 이러한 콘은 콘선단부의 저항력과 롯드 부분의 주면마찰력 및 간극수압을 측정함으로써 지지력을 산정할 수 있다.
표준콘을 실내모형실험에 적용 시 주변 지반의 교란 및 붕괴가 발생할 수 있다. 또한, 콘 직경이 클수록 콘 관입 시 콘선단부로부터 측정되는 지지력이 주변 지반을 평균화하여 측정되며 콘팁의 직경이 작아질수록 국부적인 변동에 민감하게 반응되기 때문에 측정할 수 있는 층이 더욱 얇아질 수 있다(Schmertmann, 1978). 따라서, 본 연구에서는 실내모형실험의 적용을 위해 표준콘의 0.7%인 초소형콘을 제작하였으며, 느슨한 지반에서의 관입 시 휨이 발생하지 않도록 적당한 강성을 갖도록 제작하였다. 한편, 롯드의 주면마찰력을 최소화하고, 정확한 콘팁의 선단저항을 비교하기 위해 콘팁의 직경과 롯드의 크기를 다양하게 검토하였다.
2.2 모형실험시 이완영역측정의 문제점
Fig. 2은 지층별 동일한 두께로 층 다짐 된 모형지반에서 지중 매설관로의 파손을 모사한 트랩도어를 확장함으로서 토조 하부로 흙의 유실되어 조성된 공동 주변 지반에서의 이완영역측정 결과이다. 그러나, 이완영역은 범위를 파악하기 어려우므로 앞 절에서 제시된 초소형콘을 이완영역탐지기를 활용하여 공동 주변의 이완영역을 탐지하기 위한 실험을 지속적으로 진행하였다.
Fig. 3는 층다짐 된 실내모형실험결과 초소형 콘에 의한 공동주변부 임의지반의 이완영역을 측정한 관입저항치를 나타낸 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 관입 깊이가 증가함에 따라 일정 깊이까지 증가 후 감소하는 경향이 나타난다. 그러나 그림과 같이 관입이 이루어지면서 관입저항치값이 다짐 된 층간에서 증감의 변동이 심하여 보다 정확한 이완영역이 발생하는 지점을 측정함에 있어 어려움이 발생한다. 이러한 원인은 소형콘을 사용함에 따라 지지력 변화가 예민하게 측정이 되며, 실내 다짐 시 층다짐에 의해 지층의 다짐특성이 다르게 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 층 다짐으로 조성된 모형지반에서의 불규칙한 증감 및 변화형태의 관입저항결과에 대한 분석이 필요하다.
2.3 소형콘의 크기효과
본 연구에서 적용된 소형콘은 기존의 사용되는 표준콘보다 작은 직경 0.3cm의 콘을 사용하였다. Lima and Tumay (1991)는 콘 크기에 따른 크기효과로 소형콘(단면적 1.27 cm2)이 표준콘(10cm2)보다 약 15%가량 큰 선단저항값을 갖는다고 보고하였다. Yoon et al.(2013)은 소형콘(2cm2)이 표준콘(10cm2)과 비교해서 약 10% 가량 큰 선단저항값을 갖는 것으로 보고하였다.
따라서, 모형실험에서 지반의 조건 및 시험조건에 따라 값의 차이가 나타나며, 대체적으로 소형콘의 경우 실내시험에 적용된 사례에 따르면 소형콘을 사용하는 경우 표준콘과 비교하였을 때 선단저항치는 약 10∼15%가량 과대평가하는 것으로 나타났다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 실내모형실험을 위한 지층을 구성하는 경우 일정한 다짐을 위한 층상 다짐특성 때문에 초소형콘을 적용 시 콘 저항에 따른 영향을 미치게 되므로 이에 따른 분석이 필요하다. 콘 크기에 따른 저항특성을 나타내면 Fig. 4와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 관입 저항은 직경 1.0cm콘 보다 큰 경우 콘저항치의 변화는 적지만 공동이 발생 된 이후 공동 주변 지반의 관입저항을 이용한 지반의 이완영역을 조사하기에는 한계가 많다. 즉, 이미 공동이 발생 된 지반의 이완영역을 범위를 파악하기 위한 콘관입시험을 시행하는 경우 직경이 큰 콘을 사용하는 경우 공동주변부의 추가적인 붕괴로 인한 공동이 확장되므로 실질적인 파악이 어렵기 때문이다.
Fig. 4는 일정한 다짐정도로 층 다짐한 지반에 콘 직경의 크기를 달리하였으며, 동일한 관입속도 3.5mm/sec로 관입실험을 수행한 결과이다. 직경이 작은 콘일수록 관입저항이 크게 관측되며 직경 1cm 이하의 콘 관입시험 관입저항치가 크게 발생하였으며, 직경이 커질수록 점차 수렴하였다. 즉, 약 1cm보다 작은 콘을 사용하는 경우 이완영역에 영향을 덜 미치지만 관입저항력에 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 초소형의 콘을 적용하기 위해서 콘 관입 시 발생하는 관입저항치의 특성을 파악할 필요가 있으며, 본 연구에서는 콘관입저항특성과 층다짐특성을 고려하여 공동 주변지반의 이완영역을 파악하고자 한다.
이를 위해 지반 내 설치되는 상․하수관거의 뒷채움재의 특성에 부합하는 세립분과 조립질의 토사를 교반하여 층상구조를 조성하였다. 즉, 층 다짐에 따라 콘 관입 시 관입저항값의 크기가 영향을 받게 되므로, 이완영역의 범위를 추정하기 위해서는 모형지반의 표층에서부터 바닥까지의 지지력의 변화를 관측함으로써 지지력이 감소하는 지점을 통해 이완영역의 범위를 추정할 수 있다.
Fig. 5은 다짐도가 다른 동일한 모형지반에서 3.5mm/sec의 일정한 관입속도로 관입실험을 수행한 결과이며, 지반 내의 지층별 지지력 변화를 측정하기 위해 서로 다른 조건의 지반상태로 5cm씩 상대밀도 50%, 75%, 25%로 조성된 모형지반이다.
그림에서 보는 바와 같이 직경 0.3cm의 초소형 콘을 사용하였을 때 상부로부터 느슨해지는 지반의 경계면에서 관입저항이 감소하며 다짐이 조밀해지는 지반 경계면에서는 관입저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 직경 1cm의 기존 소형콘을 사용하였을 때는 관입저항이 감소가 나타나지 않고 다짐정도에 따라 변화 정도는 거의 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 지층별 다짐한 지반에서 이미 공동이 발생하였거나 이완된 지층에서 지반 다짐정도가 달라지는 것을 고려하는 경우 이완영역의 범위를 보다 정확하게 파악하기 위해서 지반상태에 따라 지지력 변화를 측정이 가능한 직경 0.3cm의 콘이 적합한 것으로 판단된다.
3. 실험조건 및 방법
3.1 사용시료
지중내 발생하는 공동주변부의 이완영역을 보다 정확하게 측정하기 위해 Fig. 2에서 조성한 동일한 시료인 관거의 뒷채움과 유사하게 조립질 토사에 세립분을 교반하여 형성하였으며 물리적 성질은 Table 1과 같다. 조립질의 토사는 되메우기 재료의 조건을 부합하는 양질의 토사와 유사한 빈입도의 주문진 표준사를 사용하였다. 더불어 세립분 토사는 하수관거 토사의 되메움 기준인 #200체 통과분, 입경 75µm이하를 충족하는 황토 세립분을 사용하였으며, 서로 다른 지반상태의 모형지반을 Fig. 6과 같이 조성하여 관입 실험을 수행하였으며, 이때 지반의 상대밀도는 25%, 50%, 75%를 적용하였다.
Table 1. Physical properties (Kim, 2017)
3.2 실험절차 및 조건
Fig. 6은 서로 다른 상태의 지반조건을 모사하기 위해 제작한 아크릴 모형토조이며, 토조의 제원은 15×15×15cm(L×W×H)이다. 지반조건은 다짐도를 느슨, 중간 및 조밀에 해당하는 지반상태를 만들기 위해 분리하여 각각 5cm씩 해당 조건의 지반을 조성한 후 층상구조로 3층으로 재결합하여 모형지반을 조성하였다. 관입 지점으로부터 주변 교란을 최소화하기 위해 그림 6(b)와 같이 영향범위에 들지 않도록 충분한 거리를 두어 관입 실험을 진행하였다.
콘 관입속도는 선행연구결과를 토대로 약 7mm/sec보다 작은 관입 속도에서 영향이 미비하였으며, 이에 따라 영향이 적은 범위인 3.5mm/sec의 관입속도로 깊이 140mm까지 관입하였다(Kim et al., 2019). 또한, 실험조건을 Table 2에서와 같이 지층별로 서로 다른 조건의 층다짐 후 층 다짐 조건의 배열에 따라 10가지 경우를 고려하였다.
Table 2. Experimental conditions
| Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | Case 6 | Case 7 | |
|
Dr (Relative density) | L | M | D | L | M | D | D |
| L | M | D | D | D | L | M | |
| L | M | D | L | L | D | D |
4. 실험결과 및 고찰
4.1 층다짐변화에 따른 관입저항특성
본 장에서는 지중내 공동 주변에서 발생한 이완영역범위를 산정하기 위해 제한된 지반 조건하에 층 다짐 된 모형지반에서의 관입저항을 측정하여 이완영역의 범위를 추정하였다. 이를 위해 모형지반 조성 시 각층 별로 다른 다짐 정도가 되는 지반을 Table 2와 같이 조성하고 초소형콘을 적용하여 관입실험을 수행하였다. 관입 시 측정되는 결과는 정확성을 위해 매 3회 이상 수행하였다.
Fig. 7은 지층별 다짐 상태에 따른 관입 실험결과를 정리한 것으로 다짐 차이가 큰 경우에 대한 결과 값을 나타낸 것이다. 그림 7(a)는 같은 조건으로 3층 다짐을 한 경우에 지반의 다짐이 클수록 관입 깊이에 따라 관입저항력의 증가가 큰 것을 알 수 있다.
그림 7(b)는 상부지반에서 하부지반으로 갈수록 다짐이 증가 후 감소하는 경우로 다짐상태가 증가하는 경우는 관입저항이 크게 증가하지는 않지만, 조밀한 지반이 느슨한 지반으로 바뀌는 경우는 관입저항이 크게 감소할 수 있다. 그림 7(c)는 다짐상태가 조밀에서 느슨해졌다가 다시 조밀한 상태로 변화는 지반상태의 실험결과를 도시화한 것이다. 다짐정도의 차이가 큰 경우는 관입저항치의 변화를 명확히 구분 가능하며, 다짐정도의 차이가 적은 경우는 변화가 미비한 것을 확인할 수 있다. 또한, 층다짐으로 조성된 지반에서 다짐정도가 감소 후 다짐정도가 큰 지반으로 관입 시 콘이 경계면에 도달하기 전에 저항치 변화가 크게 나타났음을 확인할 수 있다.
각 실험 Case에서의 관입저항치는 층상이 변화하는 경우 거의 일정한 관입저항치를 나타내며 깊이가 증가할수록 관입저항치가 유사한 증가량을 갖는다. 또한, 다짐정도가 중간 이하인 경우 깊이가 깊어질수록 관입 초기에는 비례하여 관입저항치가 증가하지만 관입깊이가 깊어지면 관입저항치의 증가는 거의 없는 상태로 일정한 값을 나타내고 있다. 즉, 지반의 다짐정도에 따라 관입저항치의 영향이 다르게 나타나며, 다짐정도가 큰 지반에서 다짐정도가 적은 지반에 관입되는 경우는 관입저항치의 변화가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 다짐정도가 일정한 지반에서 관입깊이가 증가함에 따라 관입저항력이 증가하지만 다짐정도가 급격히 감소하는 지반에서 관입저항력이 급격히 감소가 발생하므로 관입저항력이 관입 깊이가 증가함에 따라 최대 관입저항치에서 지속적으로 감소가 발생하는 경우를 이완영역이 나타나는 것으로 판단 가능하다.
4.2 공동 주변지반의 이완영역선정 적용 예
Kim et al.(2017)은 지반함몰을 모사한 지중내 공동확장에 따른 이완영역을 확인하기 위한 실험을 진행하였으며, 공동주변부에서 발생하는 이완영역, 파괴영역 및 공동으로 구분한 바 있다. 그러나 이완영역은 육안으로는 측정 불가능하며, 정확한 범위를 추정하기에 어려움이 있다. 또한, 공동 복구를 위한 비개착식 공법을 수행하기 위해 공동 상부에 천공 시 공동 상부에서 추가 붕괴가 발생하는 파괴영역에 대해서 범위를 추정하기 어렵다. 따라서, 정확한 이완영역 및 파괴영역을 구분하기 위하여 앞 절에서 제시된 이완영역탐지기에 의한 방법에 따라 공동이 발생 된 실험조건에 대해 관입실험 결과를 적용하여 범위를 추정한 결과 Fig. 8과 같다.
그림에서 보는 바와 같이 공동 주변 지반에서 발생하는 이완영역을 측정하기 위해 약 5cm 간격(지점 A, B, C, D, E)으로 관입실험을 수행하였고 이완영역은 관입저항값의 최대치를 보인 지점(a, b, c, d, e)을 연결하여 나타내었으며 그림의 점선과 같다. 따라서, Kim(2017)이 제시한 이완영역의 범위와 유사하게 본 연구에서 이완영역탐지기를 사용하여 측정하여 나타낸 점선과 같이 오차범위 내에서 이완영역의 범위를 정확하게 관찰할 수 있었다.
또한, 파괴영역을 추정하기 위해 이완영역이 발생한 관입저항의 최대치에서 관입 깊이가 깊어짐에 따라 감소하는 관입저항력의 감소율을 나타내어 최대가 되는 90%에서의 범위를 파괴영역으로 제시하였으며, Fig. 9에서 보는 바와 같다. 공동 상부에서 외력에 의해 발생한 파괴영역을 조사한 것과 거의 유사한 범위로 표시됨을 알 수 있었다. 따라서, 이완영역탐지기를 통해 층다짐으로 조성된 실내모형실험시 지반 공동 발생에 따른 이완영역의 추가 발생한 파괴영역을 판정할 수 있었다.
5. 결 론
본 연구에서 공동주변부에서 발생하는 이완영역범위를 파악하고자 실내모형실험에서 조성된 층상의 다짐특성에 따른 모형실험을 수행하였으며, 이를 위해 이완영역탐지기를 활용하였다. 기존 이완영역 측정 시 문제점을 파악하고, 실험에 적용하기 위한 초소형 콘을 선정하였다. 또한, 지층별 다짐특성에 따른 모형실험을 수행하여 지반저항특성에 대한 분석을 통해 공동주변부에 발생하는 이완영역 및 파괴영역이 범위를 파악하였으며, 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 실내모형실험에서 이완영역탐지기의 초소형콘을 적용하기 위해 콘의 크기효과에 관한 실험을 수행하였으며, 초소형콘은 이완이 발생 된 지반 주변 상태에 큰 영향을 미치지 않으며, 관입저항력에는 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한, 비교실험을 통해 실내모형지반내 이완영역탐지기 초소형콘의 적합성을 알 수 있었다.
(2) 지반의 다짐정도에 따른 관입실험결과 관입 깊이가 증가할수록 관입저항력치가 증가하였다. 또한, 초소형콘을 적용하였을 때 상부지반과 하부지반과의 다짐정도의 차이가 큰 경우 관입저항치의 변화가 명확한 구분이 가능하였으며, 다짐 차이가 적은 지반의 경우 변화가 미비한 것을 확인할 수 있었다.
(3) 층다짐으로 조성된 지반으로 실내모형실험을 수행하는 경우 다짐정도, 다짐층간의 관입저항치의 차이 및 콘 크기의 영향을 토대로 관입저항치가 최대치에서 급격한 감소가 발생하는 지점을 이완영역으로서 판단할 수 있었으며, 이완영역탐지기를 사용하여 관입저항특성을 고려하는 경우 이완영역의 감소율 산정을 통해 공동 상부 외력에 의한 추가적인 파괴영역이 발생 되는 경우 파괴영역의 범위를 산정할 수 있었다.
