Journal of the Korean Geosynthetics Society ISSN:2508-2876(Print) 2287-9528(Online) 한국지반신소재학회 논문집

근래에 국내에서는 신·재생에너지 기술의 도입이 증가함에 따라 산지에 태양광 발전시설이 확산되면서 사면 불안정과 토석류 발생에 대한 우려가 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 산지에 설치된 태양광 발전시설이 산사태 및 토석류 발생에 미치는 영향을 분석하였다. 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 기법과 수치 시뮬레이션 모델을 활용하여 사면 안정성과 강우 조건에 따른 토석류 거동을 조사하였다. 최근 산사태가 발생한 국내 4개 지역을 대상으로 사례 분석을 수행하였으며, 분석 결과, 태양광 발전시설 시공 시 자연사면과 인공사면 경계부에서 급경사지가 형성되어 집중호우 시 사면 붕괴 위험이 증가하는 것으로 나타났다. 강우 자료 분석 결과, 내적으로 불안정한 사면은 비교적 적은 강우량에도 산사태가 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한, 토석류 시뮬레이션 결과, 발생한 산사태가 토석류로 전이되어 유하하면서 인근 도로와 민가에 피해를 유발할 수 있었다. 이를 통하여 산지 태양광 발전시설의 설계 및 시공 시 사면 안정성 평가와 토석류 흐름 분석을 병행하여 재해 위험을 효과적으로 저감할 필요성이 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 도시 규모에 따른 대도시와 소도시의 도시 열섬효과를 분석하기 위하여 1970년부터 2022년까지 53년간 대도시와 소도시의 깊이별 토양온도와 대기 온도를 조사하고, 최소, 최대, 평균 온도 및 깊이 별 온도 증가율 등의 데이터베이스를 구축하였으며, 구축된 데이터베이스를 기반으로 대도시와 소도시의 도시 규모가 열섬현상에 미치는 영향을 파악하였다. 분석 결과, 도심지에서 대기뿐만 아니라 토양온도에서도 열섬현상을 확인할 수 있었으며, 토양온도의 단기 및 장기 변화는 대기 온도에 의하여 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 또한 대도시에서 겨울철과 여름철의 온도상승률이 모두 소도시 대비 크게 나타났으며, 여름보다 겨울에 그 상승률의 차이가 커서 대도시의 열섬현상이 소도시 대비 더욱 심화되고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

국내 설계에서는 심도별 비배수전단강도를 취득한 후 대표 단일 값을 설계에 사용하고 있어 과소 혹은 과대 설계되는 문제가 발생하고 있다. 이를 해결하기 위해 유럽에서는 통계적 분석을 활용하여 지반 심도별로 상한값과 하한값을 산정하여 설계에 적용하고 있다. 본 연구에서는 DNV-RP-C207에서 제시하는 통계적 분석 방법을 비배수전단강도에 적용하여 상한값과 하한값을 산정하였다. 지반 심도에 따른 비배수전단강도에 대하여 파이썬에서 제공하는 ruptures 라이브러리의 KernelCPD 알고리즘을 적용하여 구간을 나눈 후 변동계수를 계산하였으며 변동계수에 따라 평균값과 선형회귀분석을 적용하여 상한값을 산정하였다. 하한값은 하위 20%의 데이터에 대해 분위수 회귀를 적용하여 산정하였다. 통계적 분석을 적용한 상한값과 하한값의 결과는 데이터의 특성을 적절하게 반영하는 것으로 분석되며 목적에 따라 적절한 설계 변수를 제공할 것으로 판단된다.

보강토 옹벽은 뒤채움 흙의 자중으로 발생하는 정적인 주동토압뿐만 아니라 지진으로 인한 지진하중, 차량/철도 하중 또는 계절별 온도변화에 기인한 수축/팽창으로 인한 반복하중 등 다양한 형태의 하중에 노출되며 옹벽의 내적 안정성 확보를 위해서는 포설된 지오그리드의 인발저항이 확보되어야 한다. 이에 본 연구에서는 변위제어 혹은 하중제어 형태로 반복작용이 작용하는 모래지반에 포설된 지오그리드에 대한 인발하중 시험 결과를 제시하였다. 인발시험에서는 인발하중의 주파수 및 진폭, 그리고 반복 횟수 등을 변화시켜 다양한 반복하중 특성을 고려하였으며 이에 따른 최대 인발저항력 및 일발 강성도 등의 변화 경향을 분석하였다. 분석 결과 변위제어 반복하중 작용 시에는 진폭의 증가함에 따라 인발저항과 강성도가 현저히 감소하는 것으로 분석되었으며 감소 정도는 변위 진폭이 증가하면서 감소하는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 반복하중 작용 시 인발 강성도 변화 경향 분석에서도 고찰되었다. 한편, 하중제어로 작용한 반복하중 작용 시 일정한 시간 동안 주파수가 증가할수록 인발저항력과 누적 인발변위는 모두 감소하는 경향을 보였으며, 진폭이 증가할수록 인발저항력은 감소하고 누적 인발변위는 증가하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 흙 입자의 표면 특성이 사질토의 투수성에 미치는 영향을 평가하기 위한 모형실험을 수행하였다. 실험 결과, 세립토가 함유되지 않은 표준사 지반의 투수계수는 흙 입자 표면이 약간의 소수성 특성에도 투수계수의 변화에 매우 민감하게 작용하는 반면에, 세립토가 함유된 사질토의 경우에는 일정 수준 이상의 소수성 특성을 보유한 경우에 투수계수의 감소율이 크게 증가하는 것으로 평가되었다. 세립토의 함유 여부와 관계없이 흙 입자 표면의 접촉각이 증가할수록 투수계수는 감소하였지만, 표준사의 접촉각이 매우 크게 증가하는 경우에만 투수계수 감소율도 증가하였다. 그러나 세립토가 함유된 사질토는 높은 소수성 수준이 나타나야 접촉각 및 투수계수 감소율이 증가하는 것으로 평가되었다.

사각 제트 그라우팅 공법 중 수직진동 제트 그라우팅 공법(Vertical vibrating Jet Grout, 이하 VvJet 그라우팅) 은 지반절삭 및 주입과정에서 수직진동을 도입하여 기존 고압 그라우팅 공법의 문제점을 해결할 수 있어, 최근 주목 받고 있는 공법이다. 그러나 이를 이용한 안정적인 자립식 흙막이 벽체 형성과 관련된 연구는 아직 부족하다. 따라서 본 연구에서는 VvJet 그라우팅 공법의 물리적 특성 평가와 굴착 심도에 따른 최적 벽체 두께를 분석하였다. 이를 위해 현장 지반조사와 VvJet 그라우팅 공법을 이용해 벽체를 형성하는 현장 시험을 수행하였다. 또한 형성된 벽체에서 채취된 코어와 실제 시공현장을 고려한 공시체를 제작하여 양단자유단 공진시험, 일축압축시험을 통해 실제 시공 시 벽체의 강도 및 물리적 특성을 평가하였다. 이를 기반으로 수치해석을 진행하여 안정적인 굴착 심도별 최적 벽체 두께를 산정하였다.

최근 경제 성장과 도시화로 인해 폐기물 처리를 위한 환경기초시설의 지하화에 대한 요구가 증가하고 있다. 복잡하고 대규모인 복합플랜트와 같은 시설을 지하에 설치하기 위해서는 공간 활용 효율을 극대화하고, 다양한 지하 구조물의 안전을 고려한 설계 기술이 필요하다. 본 논문에서는 지하 공간의 구조적 안정성을 확보하기 위해 토압, 지하수, 시설물 하중, 지진 하중 등 다양한 영향을 종합적으로 분석하여, 가장 불리한 하중 조건에서 상부 구조와 슬러리월 일체화 방안에 대한 최적 부재 단면을 도출하고, 파이프랙 모듈 공법 적용 시 안정성을 검토하였다. 또한, 해석 결과를 활용한 BIM(Building Information Modeling) 기반 자동 설계 기술을 개발하여 지하 기초, 상부 구조, 지하 벽체, 기둥, 내벽 등을 3D 모델링으로 구현하였다. 다양한 하중 조건과 속성 정보들을 반영한 자동 배치 시뮬레이션을 통해 설계 오류 및 시간적 손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대한다.

최근 도심지에서 이루어지는 소규모 굴착 공사는 안전 관리의 사각지대에 놓여 있으며, 수동 계측의 한계, 계측 데이터 관리 부족, 구조 검토 미비 등으로 인해 사고 위험이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 10m 미만의 소규모 굴착 및 지하흙막이 공사를 대상으로 한 스마트 계측시스템을 설계하고 개발하였다. 스마트 계측시스템 개발 과정에서 데이터장치, 데이터로거, 클라우드 기반 스마트 계측 관리 시스템의 구조를 설계하고 구현하였으며, 이를 실내 실험, 공인 인증기관 평가 및 현장 실증 등을 통해 검증하였다. 특히, 정밀도 및 성능 평가와 함께 1:N 데이터 수집·전송 성능을 검증하여 실제 흙막이 가시설 현장에서의 적용성과 계측 정확도를 평가하였다. 평가 결과, 계측 오류는 0.07°이내로 유지되었으며, 데이터 전송률은 95% 이상을 기록하였다. 본 연구를 통해 소규모 지하굴착 공사 현장에서 실시간 데이터 기반 사고 예방 및 유지관리 체계 구축이 가능함을 확인하였으며, 이는 향후 다양한 SOC 시설물 건설 현장에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

터널은 도로, 철도, 지하 인프라 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며, 터널 안정성 확보는 경제적·사회적으로 매우 중요한 과제이다. 이러한 터널의 안정석 확보를 위해서는 암반에 대한 이해가 필수적이며 이를 위해 기존에는 현장 지질조사와 광물학적·지구화학적 분석 등을 통해 암석을 분류해왔으나, 이는 시간·비용 측면에서 비효율적이고 경험적 판단에 의존하기 쉬운 한계가 있었다. 최근 빅데이터와 인공지능(AI) 기술, 특히 딥러닝(Deep learning)의 급속한 발전으로 인해, 대규모 암석 이미지를 통해 복잡한 패턴을 자동으로 학습하고 분류할 수 있는 가능성이 열리고 있다. 본 연구에서는 딥러닝을 활용한 암반 분류 프레임워크를 제안하고, 화성암·퇴적암·변성암을 비롯하여 여러 세분류 암석(예: 대리암, 사암, 편암 등)에 대해 다양한 딥러닝 모델을 적용·비교·평가하였다. 연구 결과, 대분류(3분류) 단계에서는 ResNet, EfficientNet, MobileNet 등에서 90% 이상의 높은 정확도를 달성하였으나, 18개 이상의 세분류로 확대할 경우 전반적으로 정확도가 급격히 떨어지는 현상이 관찰되었다. 이는 암석의 조직과 광물 조합이 매우 복잡하고, 클래스 간 경계가 모호해지는 점이 주요 원인으로 분석된다. 본 연구를 통해, 딥러닝 기반 암석 분류가 터널 안정성 모니터링 및 유지관리 분야에서 높은 잠재력을 지님을 확인하였으나, 세분화된 암석 분류 정확도를 높이기 위해서는 추가 데이터가 요구됨을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 모래-점토 혼합토의 전환 세립분 함유율을 제시하기 위해 다양한 세립분 함유율과 상대밀도를 조정하여 실내 시험 및 비배수 삼축압축시험을 수행하였다. 건조퇴적법을 활용하여 상대밀도를 조정하였으며, 모래와 점토의 비율을 0~100%로 조정하며 다양한 혼합비율로 공시체를 제조하였고, 시험 결과를 통해 간극비 및 골격 간극비와 전단강도 및 최대 축차응력을 비교·분석하였다. 연구 결과 세립분 함유율이 증가할수록 전단강도가 감소하는 것을 확인하였으며, 세립분 함유율 20% 이상에서 간극비와 골격 간극비, 전단강도 모두 점토와 유사한 거동을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 현재 사질토와 점성토의 토질분류 기준을 획일적으로 적용하는 것은 적절하지 않은 것으로 판단되며, 향후 혼합토에 대한 다양한 연구가 지속되어 전환 세립분 함유율을 포함한 합리적인 흙 분류 기준 마련이 필요할 것으로 판단된다.

지진은 해양 구조물 안정성에 큰 영향을 미치는 요인으로, 액상화는 포화된 사질토 지반에서 발생하여 구조물의 침하, 기울어짐, 붕괴 등과 같은 피해를 발생시킨다. 2017년 포항지진으로 인해 국내 최초로 액상화 현상이 발생하였으며, 영일만항에서 케이슨의 침하(약 10cm), 배후지 침하(10~20cm), 수평변위(15cm 이하) 등의 피해가 발생하였다. 또한 지진 응답해석의 경우 주로 비배수조건으로 수행하지만, 과잉간극수압 소산 후 추가 변위를 반영하지 못하는 한계를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 배수조건을 고려한 해석이 필요하다. 이에 따라 본 연구는 배수조건시 과잉간극수압 소산에 따른 액상화 피해에 대해 규명하며, 지반개량으로 인한 피해 저감 방법에 대해 연구를 수행하였다. 결과적으로 케이슨 하부의 모래지반에 개량을 통해 케이슨 방파제의 안정성을 확보하였다.

본 연구에서는 측압계수와 편토압이 터널 거동에 미치는 영향을 분석하고 안정성 확보를 위한 대책방안을 마련하기 위해 GTS NX 수치해석을 활용하여 다양한 지형 조건에서 측압계수 변화에 따른 터널 및 지보재의 거동을 분석하였다. 연구 결과, 측압계수가 증가할수록 터널의 내공 변위와 전단 변위가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 측압계수 2.0에서 변위가 가장 크게 나타났다. 또한, 지형 경사가 증가할수록 터널 변위가 커졌으나, 경사 30°이상에서는 증가율이 감소하는 경향을 보였다. 록볼트의 축력 분석 결과, 더 큰 토압을 받는 터널측이 적은 토압을 받는 터널측보다 높은 응력을 받는 비대칭적 거동을 나타냈으며, 최대 축력은 경사 30°이상에서 좌측과 우측 상단부 록볼트에서 발생하였다. 본 연구를 통해 측압계수 및 편토압 변화가 터널 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였으며, 향후 실제 시공 현장의 계측 데이터를 활용한 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.