1. 서론
2. 현장실험
2.1 현장개요
2.2 공동복구 재료
2.3 실험방법 및 내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 평판재하시험 결과
3.2 복구재료에 따른 지지특성 비교･분석
4. 결론
1. 서론
최근 도심지에서 종종 발생하고 있는 지반함몰 현상은 주로 지하공간의 개발 및 활용에 따른 토사 유출 등에 의해 나타나고 있다. 특히, 지중에 시공된 하수관거의 노후화, 흙막이 및 터널 굴착공사 등에 의한 지반함몰 발생은 전체 발생건수 대비 95% 이상을 차지하는 것으로 보고된 바 있다(The Seoul Institute, 2016). 이와 같은 지반함몰은 지중에서 형성된 공동과 그 주변의 이완된 지반에 지속적인 외력이 작용함으로서 발생하게 된다. 즉, 지반함몰 유발하는 가장 큰 원인은 지중에서 발생한 공동이라 할 수 있다. 이에 기존 연구(Korea institute of geoscience and mineral resources, 2014)에 따르면, 2010년부터 2014년 상반기까지 서울시에서 발생한 전체 지반함몰 발생 사례 중, 하수관 손상에 의해 발생된 공동에 기인한 발생 사례가 약 85%인 것으로 분석된 바 있다.
한편, 지중의 공동에 기인한 지반함몰 피해를 사전에 방지하거나 또는 그 피해를 최소화하기 위해서는 지반함몰 발생원인 규명, 장기적인 유지관리와 함께, 지반함몰을 유발하는 원인자인 공동에 대한 복구대책 마련이 매우 중요하다. 공동의 복구 방법은 공동발생 지반의 개착여부에 따라 크게 비개착식과 개착식으로 구분할 수 있다. 비개착식 공동복구 방법은 그라우팅 공법이 대표적이며, 이는 공동탐사결과의 확인을 실시하는 확인천공을 이용하기 때문에, 교통통제 등과 같은 사회적 비용을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 그라우트 재료의 유동성에 따라 지반 내 간극까지 충진할 수 있는 성능을 보유하고 있다. 그러나 시멘트계 모르타르와 약액을 함께 사용하고 정량적인 요구량 주입이 어려우며, 종종 검증되지 않은 재료의 사용으로 환경적인 문제를 야기할 수 있는 것으로 보고된 바 있다(Yu et al., 2017). 반면에 개착식 공동복구 방법은 공동이 발생한 지반의 상부구조체(도로 포장층 등)를 개착한 후, 해당 공동에 토사를 포설․다짐하고 상부구조체를 재시공하는 방법이 대표적이라 할 수 있다. 이와 같은 방법은 공동 발생구간의 주변지역에 대한 통제가 요구되며, 공용성 확보까지 비개착식 복구방법에 비하여 장시간이 소요되기 때문에, 공사비용뿐만 아니라 사회적비용도 증가하게 되는 단점이 있다. 또한 개착으로 인해 주변지반의 교란 및 다짐불량 등에 의해 요구되는 강도확보에 문제가 발생할 소지가 있고, 공동복구에 활용된 토사의 재유실로 인한 공동의 재발생 가능성이 있다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이, 대부분의 공동발생 원인으로 지적되고 있는 하수관 손상이 발생하는 경우에는 하수관 교체를 위하여 개착이 반드시 요구된다. 즉, 개착을 통해 손상된 하수관을 교체한 후, 토사를 되메움하게 되는데, 당일굴착․당일복구라는 명목하에 시공부실이 종종 발생하고 있다. 또한 좁은 도로 및 주택밀집지역에서는 양질의 토사가 아닌 현장토를 그대로 되메움하여 문제가 재발되는 경우도 다수 있다.
앞서 기술된 내용을 바탕으로 공동이 지반함몰을 유발하는 주요인자라 평가할 수 있기 때문에, 최근에는 공동 탐사, 공동 발생 매커니즘, 공동 복구와 관련된 재료 및 복구된 공동의 유지관리 등에 관한 실험적/수치해석적 연구가 활발히 진행되고 있다. Han et al.(2017)은 공동의 긴급복구를 위해 개발된 팽창재료의 팽창 및 강도특성을 분석하였으며, Han et al.(2018)은 개별요소법을 이용하여 공동 채움재의 주입특성에 대한 연구를 수행한 바 있다. 또한 Kim et al.(2017a), Kim et al.(2017b) 및 You et al.(2017)은 실내실험과 수치해석을 바탕으로 공동과 주변지반의 이완영역에 대한 발생특성을 규명하였다. Lee et al.(2017)는 공동의 파괴를 유발하는 영향인자 분석을 위하여 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭과 추가로 공동의 높이를 바탕으로 상부에서 작용하는 하중조건에 따른 상관관계를 분석한 바 있다. 그리고 Lee et al.(2018)는 팽창재료를 이용한 지하공동의 비개착식 긴급복구 공법에 관한 연구를 실내실험과 수치해석을 통해 실시하였으며, Park et al.(2018a)은 공동의 긴급복구를 위한 포켓형 팽창재료의 거동특성을 평가하기 위하여 적용재료에 대한 휠트래킹 실험을 적용하였다. 이와 같이, 공동과 관련한 최근의 연구는 비개착식에 적용가능한 재료특성과 함께, 공동과 지반함몰 발생 메커니즘 규명을 위한 연구가 대다수라 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 복구하기 위하여, 지중매설물을 교체해야 하는 개착식 현장에 적용할 수 있는 다양한 복구재료에 대한 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 또한 실험결과를 이용하여 복구재료에 대한 지지력을 비교하였으며, 하중지지특성을 분석하였다.
2. 현장실험
2.1 현장개요
평판재하시험 기반의 현장실험은 인천에 위치한 유휴부지에서 실시되었으며, Fig. 1은 실험계획에 의거하여 각각의 복구재료 매설을 위한 실험부지의 전경을 나타낸 것이다. 또한 현장 지반의 공학적 특성을 파악하기 위한 실내시험 결과를 요약하면 Fig. 2 및 Table 1에 나타낸 바와 같다.
Table 1. Summary of soil properties
| Specific gravity | Atterberg limits | Compaction test | U.S.C.S. | ||
| LL | PI | γd(max) (kN/m3) | wopt (%) | ||
| 2.67 | 25.5 | 4.2 | 19.3 | 11 | SM |
흙 시료의 비중은 2.67로서, 4.2%의 소성지수를 갖는 실트질 또는 약간의 점토질이 포함된 흙으로 확인되었으며, 체분석과 비중계분석을 통한 흙의 종류는 통일분류법에 의해 실트질모래(SM)인 것으로 나타났다. 그리고 다짐시험 결과, 최대건조단위중량과 최적함수비는 각각 19.3kN/m3 및 11%인 것으로 파악되었다.
2.2 공동복구 재료
전술한 바와 같이, 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위한 복구재료에 2종류를 활용하였다. 먼저, 팽창매트는 폴리올과 MDI계 이소시아네이트로 구성되는 각각의 액제 기반의 팽창재료를 불투수성의 신장성 섬유로 제작된 매트에 주입된 후, 액제가 혼합․팽창을 통해 일정한 팽창성능과 강도를 확보하게 되는 재료이다. 팽창재료의 특성은 기존 연구(Park et al., 2018b)에서 규명된 바 있으며, 시트의 경우에는 상하로 팽창이 억제되고 전후좌우 방향으로 신장성의 필름을 적용하여 자유팽창이 가능하도록 유도하였다. 또한 육면체의 구조로 조적이 가능하여 공동 또는 시공이 요구되는 규모에 따라 다수의 팽창매트를 조적하는 방식으로 시공이 가능하도록 개발되었다(Fig. 3(a)). 그리고 콘크리트매트는 팽창성은 없지만 강도(인장강도, 휨강도)를 보유한 시멘트와 토목섬유 보강재로 구성되며, 휨강도와 상부 하중에 대한 저항력으로 도로가 갑작스럽게 함몰되는 현상을 방지할 수 있는 성능을 확보하도록 제작되었다(Fig. 3(b)).
2.3 실험방법 및 내용
개착식 공동복구를 위한 목적으로 개발된 팽창매트와 콘크리트매트로 보강되는 지반은 토사유실에 따른 공동발생이나, 과도한 상부하중이 재하되더라도 지반함몰의 재발생이 나타나지 않아야 하기 때문에, 이를 평가하기 위한 평판재하시험을 수행하였다. 평판재하시험은 KS F 2444 (2018)에 의거하여 실시하였으며, 현장실험 내용 및 과정을 Fig. 4, Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내었다.
Fig. 4와 같이, 평판재하시험에 적용하기 위한 팽창매트는 내부 팽창재료의 충분한 팽창성과 강도를 확보하기 위하여 팽창 후 4시간 동안 경화되도록 하였다. 그리고 콘크리트매트는 토목섬유 보강재 사이에 위치한 시멘트의 최소한의 강성 확보를 위하여 72시간동안 경화되도록 하였다. 평판재하시험의 종류는 각각의 복구재료와의 정량적 비교를 위하여 대조군이 형성되도록 복구재료 미적용 상태의 원지반 표면과 함께, 각 복구재료의 설치 위치(지표면 직하, G.L. -0.1m, G.L. -0.2m)에 따라 실시하였다(Fig. 5).
현장실험 과정을 요약하면, 외부에 노출된 대상현장의 표층 0.5m를 제거한 후, 10개소의 대상구역에 대하여 0.6m 깊이로 굴착을 실시하였다. 그리고 Fig. 5와 같이 지표면 직하 및 지표로부터 0.1m와 0.2m의 깊이에 각 시험종류에 따른 복구재료를 포설한 후, 토사를 되메움하여 동일한 다짐에너지를 적용하여 다짐을 실시함으로서 복구된 지반을 모사하였다. 이 때, 복구재료 미적용 구간의 경우에도 동일한 깊이로 굴착 후 다짐시공을 실시하여, 복구재료가 적용된 경우와 동일한 조건을 모사하여 평판재하시험을 실시하였다.
평판재하시험의 하중단계는 98kPa 이하 또는 시험 목표하중의 1/6이하로 6단계에 걸쳐 수행하였으며, 각 단계별 하중 증가 후 최소 15분 이상 하중을 유지하도록 하였다. 또한 지반침하의 측정은 정밀도 0.01mm의 변위계를 이용하여 하중 재하가 된 시점에서부터 하중이 일정하게 유지되는 15분까지 1, 2, 3, 5 10, 15분에 각각 침하량를 측정하였다. 그리고 15분간 침하량이 0.01mm이하가 되거나, 1분간의 침하량이 누적침하량의 1% 이하가 되면 침하의 진행이 정지된 것으로 판단하였다. 항복하중강도는 시험결과를 이용하여 P-S, LogP-LogS, S-logt의 곡선을 도시하여 산정하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 평판재하시험 결과
평판재하시험 결과를 이용한 허용지지력은 최대 시험하중강도와 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 안전율을 3으로 적용하였으며, 응력, 침하량, 시간과의 관계를 이용하는 경우에는 항복하중강도에 안전율 2를 반영하여 산정하였다.
3.1.1 원지반의 시험결과
Fig. 7은 복구재료가 적용된 지반의 지지력과 비교를 위한 원지반의 지지력시험 결과를 나타낸 것이다. 최대 시험하중강도는 339.5kPa이고, 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 325kPa로 확인되었으며, 이 때 허용지지력은 각각 113.2kPa, 108.3kPa로 나타났다. 항복하중강도는 P-S 곡선과 S-log t 곡선에 의한 하중강도 값으로 확인 할 수 있었으며, 각각 213kPa, 339.5kPa이고, 이 때 허용지지력은 106.5kPa, 169.8kPa으로 산정되었다. 따라서 허용지지력은 최소값으로 나타난 P-S 곡선에 의해 106.5kPa로 결정하였다.
3.1.2 복구재료가 적용된 지반의 시험결과
(1) 팽창매트로 복구된 지반의 경우
Fig. 8∼Fig. 10은 팽창매트가 적용된 지반에 대하여 매설 깊이에 따른 지지력시험 결과를 나타낸 것이다. 먼저, 팽창매트가 지표면 직하에 매설된 경우, 최대 시험하중강도는 424.4kPa로 나타났으며, 재하판 직경 10% 침하량에 부합하는 하중강도는 349kPa로서, 허용지지력은 각각 141.5kPa, 116.3kPa으로 산정되었다. 항복하중강도는 P-S 곡선에 의해 확인할 수 있었으며, 허용지지력이 100.5kPa로 산정되었다. 그리고 팽창매트가 지표로부터 0.1m에 매설된 경우, 최대 시험하중강도와 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 각각 503.9kPa 및 478kPa로 나타나 허용지지력은 각각 169.7kPa과 159.3kPa인 것을 알 수 있었다. P-S 곡선, Log P-Log S 곡선 및 S-Log t 곡선의 항복하중강도에 의한 허용지지력은 각각 190kPa, 162.5kPa, 212.2kPa인 것으로 확인되었다. 마지막으로, 지표로부터 0.2m 깊이에 팽창매트가 매설된 경우에는 Log P-Log S 곡선에 의한 허용지지력 137.5kPa이 최소값으로 나타났다.
(2) 콘크리트매트로 복구된 지반의 경우
Fig. 11 ~ Fig. 13은 콘크리트매트가 적용된 지반에 대하여 매설 깊이에 따른 지지력시험 결과를 나타낸 것으로 허용지지력의 산정은 앞선 팽창매트 적용의 경우와 동일하다. 그 결과, 콘크리트매트가 매설된 모든 깊이에 대한 허용지지력은 최대 시험하중강도에 의해 약 170kPa로 유사하게 나타났으며, 매설깊이(지표면 직하, G.L. -0.1m, G.L. -0.2m)에 따른 침하량은 각각 9.63mm, 4.68mm, 5.20mm인 것을 알 수 있었다. 이 때, 모든 시험에 있어서 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 확인할 수 없었다. 이와 같이 콘크리트매트로 복구된 지반의 허용지지력이 유사하게 나타난 원인은 콘크리트매설 후 다짐도가 좋고 적용된 복구재료의 강성이 크기 때문인 것으로 분석되었다.
3.2 복구재료에 따른 지지특성 비교･분석
Fig. 14는 평판재하시험 결과로부터 복구재료에 따라 발생된 응력과 침하량의 관계를 나타낸 것이다. 또한 Table 2는 시험결과를 통해 확인한 최대지지력 및 최대침하량을 바탕으로 시험결과에 부합할 수 있는 평가방법을 통해 산정된 허용지지력과 허용침하량을 나타낸 결과로서, 이를 비교가 용이하게 표현하면, Fig. 15에서 보는 바와 같다.
Table 2. Allowable bearing capacity of ground according to restoration materials
먼저, Fig. 14(a)에서 보는 바와 같이, 팽창매트가 지표면 직하에 매설된 경우, 동일한 응력조건에서의 침하량은 복구재료가 적용되지 않은 경우에 비하여 최대 약 4mm정도 작게 발생하였으며, 응력-침하곡선의 경향을 바탕으로 지지거동에는 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 그리고 팽창매트를 지표로부터 각각 0.1m, 0.2m 하부에 매설한 경우, 339kPa의 응력조건에서 침하량은 원지반 대비 약 30%∼34% 정도만 발생한 것으로 미루어, 지중에서 침하량이 감소된 만큼의 지지효과를 보유한 것으로 판단하였다. 그러나 0.1m와 0.2m 하부에 매설한 경우를 보면, 지지효과의 차이가 크지 않은 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 팽창매트의 지지효과를 확보하기 위해서는 매설깊이가 0.1m 이상이 되어야 할 것으로 판단되었다.
Fig. 14(b)와 같이, 콘크리트매트가 지표면으로부터 각각 0.1m, 0.2m 깊이에 매설된 경우, 339kPa의 동일한 응력조건에서 발생한 침하량은 원지반 대비 약 10%∼18%에 해당하는 것으로 분석되었으며, 응력-침하 거동 또한 유사한 것을 알 수 있었다. 그리고 침하량은 원지반을 제외하고 지표면 직하에 매설하였을 때에 가장 크게 나타났지만, 그 크기는 약 5mm 정도로서, 동일 조건에서 팽창매트로 보강된 경우와 비교해도 약 50% 정도의 침하량 감소효과를 보이는 것으로 판단되었다.
4. 결론
본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위하여 개발된 복구재료를 이용하여 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 이를 통해 복구재료에 대한 지지력 비교와 하중지지특성을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 응력-침하 관계로부터, 팽창매트를 지표로부터 각각 0.1m, 0.2m 하부에 매설한 경우에 원지반의 최대 응력조건에서의 지지효과는 약 66%∼70% 정도인 것으로 분석되었지만, 매설깊이에 따른 지지효과의 차이는 크지 않은 것으로 확인되었다.
(2) 콘크리트매트가 적용된 경우의 원지반 최대 응력조건에 대한 지지효과는 약 82%∼90%로 분석되었으며, 동일 조건에서 팽창매트로 보강된 경우에 비해서도 약 50% 정도의 지지효과를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
(3) 복구재료에 따른 허용지지력을 분석한 결과, 콘크리트매트가 매설된 경우가 원지반 대비 약 160% 이상의 허용지지력을 확보하는 것으로 분석되었다. 그리고 팽창매트를 매설한 경우에도 약 130%∼150% 정도의 허용지지력을 확보하는 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과로부터 지표에서 발생하는 사용하중에 대하여 큰 지지력을 확보하기 위해서는 콘크리트매트를 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 다만 요구되는 지지력의 크기를 고려하는 경우에는 팽창매트의 적용성도 확보된 것으로 사료된다.
본 연구에서는 제한적인 매설깊이에 따라 복구재료의 개별적인 지지특성을 분석하였다. 그러나 요구되는 개착식 복구상황에 따른 적용성 확대를 위해서는 팽창매트와 콘크리트매트를 복합적으로 매설하는 경우의 지지특성과 함께, 현장실험으로 구현하기 어려운 다양한 조건에 대하여 수치해석적 연구가 추가 수행될 필요가 있을 것으로 사료된다.
