1. 서 론
2. 연약지반 현장 간이평가 방법
2.1 현장 베인전단시험
2.2 DCP(Dynamic cone penetration) 시험
2.3 TDR(Time domain reflectometry) 시험
3. 연약지반 주행성 평가 모델
3.1 수치해석 모델 구축
3.2 매개변수해석
4. 연약지반 개량공법 산정 도구
4.1 지반상태 평가
4.2 연약지반 판정
4.3 개량공법 검토
4.4 개량공법 선정
5. 결 론
1. 서 론
가설도로(Temporary road)는 공사 현장에서 장비·자재의 이동과 작업면 접근성을 확보하기 위해 설치되는 임시 통행로로서, 굴삭기·덤프트럭 등 건설장비뿐 아니라 자재 운반 차량 등 통행 차량의 안전한 이동을 지원하는 기반 시설이다. 가설도로가 계획·시공되는 구간은 비포장도로, 하천 주변 충적지, 해안·매립지 등 다양한 지형·지반 환경을 포함할 수 있으며, 이들 구간에는 점토·실트 등 세립질토, 유기질토(이탄 등), 느슨한 모래층과 같이 강도 및 강성이 부족한 연약지반이 분포하는 경우가 많다. 연약지반은 일반적으로 지하수위가 높고 배수 조건이 불리하여 하중 작용 시 전단파괴 또는 과도한 변형·침하 문제가 발생하기 쉬우며, 동일 지층이라도 대상 하중의 종류와 규모에 따라 거동이 달라질 수 있으므로 지반–하중의 상대적 관계에서 주행성(Trafficability) 문제가 결정된다.
연약지반 구간에서의 주행성 문제는 주로 노면의 과도 침하, 국부 루팅(Rutting), 펀칭(Punching) 또는 전단파괴 형태로 나타나며, 이는 장비 진입 제한, 작업성 저하, 안전사고 위험 증가로 직결될 수 있다. 특히 연약지반은 전단강도 부족뿐 아니라 변형계수가 작아 같은 하중에서 변형이 크게 발생하는 특성이 있어, 가설도로 설계 시 단순한 지지력 만족 여부만으로는 현장 기능성을 충분히 담보하기 어렵다. 따라서 가설도로의 주행성 확보를 위해서는 (1) 차량·장비가 지반에 작용하는 접지압과 지반의 허용지지력 관계를 통해 파괴 위험을 검토하는 안정성 관점, (2) 통행 기능을 유지할 수 있는 수준으로 침하 및 변형을 제한하는 변형(침하) 관리 관점을 함께 고려하는 설계·의사결정 체계가 필요하다. 비포장도로 및 임시도로에서 토목섬유 보강 설계 개념을 제시한 연구는 이러한 접근의 공학적 기반을 제공한다(Giroud and Noiray, 1981; Giroud and Han, 2004).
실무에서 연약지반의 평가 및 개량공법 선정은 정밀 지반조사(SPT, CPTu 등)와 상세 설계를 통해 수행되는 것이 이상적이다. 그러나 가설도로는 설치·변경이 잦고 공정 및 동선 제약이 큰 경우가 많아, 정밀조사 및 복잡한 검토 절차를 적용하기 어려운 상황이 빈번하다. 그 결과 현장에서는 경험에 의존한 보수적 설계(과도한 보강) 또는 과소 설계(주행 실패)로 이어질 가능성이 존재하며, 이는 공정 지연, 장비 고립, 추가 보수 비용, 안전 위험으로 연결될 수 있다. 이에 따라 최근에는 연약지반 상부의 노상 안정화에 지오그리드(Geogrid), 지오텍스타일(Geotextile)을 적용하고, 설계 방법을 보정하거나 현장 검증을 수행한 연구들이 보고되고 있다(Cuelho and Perkins, 2017).
현장 적용성 관점에서 가설도로 설계에 유의미한 입력변수는 지반 강도, 연약층 두께, 함수 조건으로 요약될 수 있으며, 이를 신속히 확보하기 위한 간이 시험의 활용이 확대되고 있다. 동적콘관입시험(DCP/DCPT)은 노상강도 지표(California bearing ratio(CBR) 등) 추정에 활용되어 왔으며, 현장 계측 지표와 설계 지표 간 상관관계를 제시한 연구를 통해 현장 적용 가능성이 보고된 바 있다(George et al., 2009). 또한 국내에서도 동적 콘 관입시험의 현장 적용성을 평가하기 위해 현장 지지력시험 결과를 비교한 연구(Kim et al., 2006), 실내 및 현장실험을 통해 DCPT 기반 노상토 다짐관리 기준을 검토한 연구(Choi, 2008), 소형 낙하 중량 편향계(Falling weight deflectometer(FWD))를 이용하여 동적변형계수와 현장 CBR의 상관관계를 분석한 연구(Kang et al., 2008) 등이 보고되었다.
한편, 연약지반 상부의 하중 분산 및 지반 보강을 위해 지오셀, 지오텍스타일, 샌드매트(Sand mat), 투수성 포장층 등 다양한 공법이 적용되고 있으며, 국내에서도 이들 공법의 지지력 및 보강 효과를 실험적으로 검토한 연구가 보고되었다(Shin et al., 2009; Lee et al., 2012; Ju et al., 2007). 예를 들어 다공성 지오셀의 보강 효과를 실내·현장 시험으로 확인한 연구(Shin et al., 2009), 지오셀을 적용한 포장 구조의 지지력 거동을 현장시험으로 평가한 연구(Lee et al., 2012), 토목섬유와 샌드매트로 보강한 지반의 지지력 특성을 검토한 연구(Ju et al., 2007) 등은 가설도로용 개량공법 선택 시 참고할 수 있는 기술적 기반을 제공한다. 다만 기존 연구들은 특정 공법의 거동 또는 개별 시험 결과에 대한 해석에 집중되어, 현장에서 실제로 필요한 간이평가 기반 개량공법 산정을 위한 통합 의사결정 흐름을 제공하는 체계는 상대적으로 부족한 실정이다.
본 연구는 가설도로 주행성 확보를 위한 연약지반 개량공법 산정 도구를 개발하고, 현장 적용 관점에서의 활용성을 제시하는 것을 목적으로 한다. 제안하는 개량공법 산정 도구는 (1) 현장 간이평가를 통해 비배수전단강도, 연약지반 두께, 함수율 등 핵심 입력변수를 정량화하고, (2) 장비/차량의 접지압 및 허용 기준을 고려하여, (3) 연약지반 개량공법을 설계할 수 있도록 엑셀 기반으로 개발되었다. 새롭게 개발한 개량공법 산정 도구는 가설도로 계획·시공 단계에서 신속하게 의사결정을 지원함으로써, 현장 적용성 및 실용성을 향상하는 데 기여할 것으로 기대된다.
2. 연약지반 현장 간이평가 방법
가설도로 주행성 확보를 위한 개량공법 산정 도구는 현장에서 신속하게 확보할 수 있는 입력변수를 기반으로, 지반의 안전성(허용지지력) 판단과 기능성(허용침하)을 함께 검토하여 개량공법의 적용 필요성과 수준을 결정하는 것을 목표로 한다. 이에 본 연구에서는 연약지반의 강도, 두께 및 수분 상태를 최소 입력정보로 설정하고, 이를 현장 간이평가를 통해 확보한 후 개량공법 산정 도구의 핵심 입력자료로 활용하였다.
본 연구에서 핵심 입력변수로 선정한 항목은 비배수전단강도, 연약층 두께 및 함수율이다. 비배수전단강도는 연약 점성토의 단기 지지력 및 허용지지력 산정에 직접 활용되는 대표 강도지표이며, 장비 또는 차량의 접지압에 대한 지반의 안정성 판단에 필요한 입력값이다. 연약층 두께는 표층 보강공법의 적용성, 침하 영향 범위 및 개량공법의 설계 수준을 결정하는 주요 기하학적 변수이다. 함수율은 강도 및 변형 특성의 변동 가능성을 간접적으로 반영하는 보조 지표로서, 포화 또는 고함수 상태에서의 주행성 저하 가능성을 판단하는 데 활용될 수 있다. 따라서 상기 세 변수는 현장 간이평가로 신속히 획득 가능하면서도 개량공법 산정 도구의 안정성 및 기능성 판정에 직접 연결되는 최소 입력 조합으로 설정하였다.
비배수전단강도는 현장 베인전단시험을 통해 산정하였다. 현장 베인전단시험은 시료 채취 없이 원위치에서 연약 점성토의 비배수전단강도를 직접 평가할 수 있어 신속한 현장 강도평가에 적합하며, 보정계수 적용과 관련한 유효응력 기반의 해석 및 상관관계 연구도 축적되어 있다(Morris and Williams, 1994). 연약층 두께는 DCP(Dynamic cone penetration) 시험 결과를 활용하여 추정하였다. DCP 시험은 관입저항의 변화를 통해 층상 변화를 간접적으로 파악할 수 있으며, 노상강도 지표와의 상관관계에 대한 현장 적용성이 보고된 바 있다(George et al., 2009). 함수율은 TDR(Time domain reflectometry) 시험을 통해 산정하였다. TDR 시험은 유전율–함수율 관계를 이용해 체적함수율을 산정하는 대표적인 비파괴 계측법으로, 다양한 토양에 대한 경험식 및 현장 적용 시 고려사항이 체계적으로 정리되어 있다(Topp et al., 1980; Robinson et al., 2003).
2.1 현장 베인전단시험
현장 베인전단시험은 연약 점성토 지반에 베인(vane)을 관입한 후, 베인을 회전시켜 파괴 시 토크를 계측함으로써 비배수전단강도를 산정하는 원위치 시험이다(Fig. 1). 본 시험은 시료 채취 및 운반·성형 과정에서 발생할 수 있는 교란 영향을 최소화할 수 있어 연약 점성토의 신속 강도 평가에 널리 활용되고 있다. 다만, 베인 회전에 따른 전단률(회전속도) 영향, 지반의 이방성 및 민감도, 간극수압 반응 등에 의해 측정 강도가 달라질 수 있으므로, 측정 조건을 표준화하고 필요시 보정 개념을 검토하는 것이 바람직하다(Morris and Williams, 1994). 또한 회전속도의 변화가 강도에 미치는 영향은 실험적으로 보고된 바 있으며, 특정 점토(유기질 항만 점토)의 경우 전단률 증가에 따라 측정 강도가 유의하게 변동할 수 있음이 제시되었다(Schlue et al., 2010).
현장 베인전단시험의 평가 순서 및 방법은 다음과 같다. 베인 날개를 지표면에 수직하게 삽입하되, 베인 날개 직경의 10배 깊이까지 삽입한 후, 베인을 0.1~0.2°/초의 일정한 속도로 천천히 회전시킨다. 지반이 파괴될 때의 최대 토크값을 기록하며, 필요시 지반 재정착 후 재회전하여 잔류 강도를 평가할 수 있다. 측정된 베인 날개 직경 및 최대 토크값을 이용한 비배수전단강도 산정식을 식 (1)에 나타내었다.
여기서, : 비배수전단강도()
: 최대 토크값()
: 베인 날개 직경()
2.2 DCP(Dynamic cone penetration) 시험
본 연구에서는 TRL 형식 DCP를 적용하였으며, 장비는 8kg 해머(낙하높이 575mm)와 60° 콘(직경 20mm)으로 구성된다(Jones, 2004). 해머 타격에 따라 콘이 지반에 관입되고, 이때 타격 1회당 관입량(DCP index; mm/blow)을 계측하여 지반의 상대적 강도 및 노상 성능을 평가한다. 관입률은 지반 강도가 낮을수록 증가하는 경향을 보이며, 이를 도로공학에서 널리 쓰이는 강도 지표인 CBR과 연계하려는 연구가 지속적으로 수행되어 왔다. George et al.(2009)은 PFWD–DCP–CBR 간 상관을 제시하여 현장 노상 평가에서 DCP의 적용 가능성을 보고하였다. 또한 Gabr et al.(2000)은 DCP 관입률 기반으로 포장층/노상 상태 평가를 시도하여 현장 성능평가 측면에서 DCP 자료 활용의 방향을 제안하였다.
본 연구에서 DCP 시험 결과는 두 가지 목적에 활용된다. 첫째, 관입률 변화의 변곡점(층상 변화 지점)을 이용하여 연약층 두께를 추정하고, 이를 개량공법 산정 도구의 공법 적용성 판단 및 설계 변수 산정에 직접 입력한다. 둘째, DCP 기반 CBR 환산값은 절대 설계값으로 사용하기보다는, 현장 강도 상태를 보조적으로 점검하고 입력값의 합리성을 확인하는 참고 지표로 활용한다. 이는 DCP–CBR 상관이 토질 종류 및 함수상태 등에 따라 달라질 수 있다는 점이 문헌에서 지속적으로 지적되어 왔기 때문이다(George et al., 2009). 최근에는 IoT 기반 DCPT 장비를 현장 다짐관리에 적용하여 관입지수의 기록과 저장을 자동화하고, 기존 시험 대비 인력 및 시험기간을 절감할 수 있는 현장 적용성이 보고된 바 있다(Kim et al., 2022). 이러한 결과는 DCP 시험이 지반 강도와 층상 변화를 신속하게 파악하는 현장 간이평가 수단으로 활용될 수 있음을 보여준다.
2.3 TDR(Time domain reflectometry) 시험
TDR 시험은 탐침(probe)을 통해 전자기 펄스를 지반에 전달한 후 반사파의 도달 시간을 측정하여 지반의 겉보기 유전율을 산정하고, 이를 체적함수율로 환산하는 방법이다. 물의 유전율이 토립자 및 공기보다 현저히 크기 때문에 유전율과 체적함수율과의 관계를 활용할 수 있다. 대표적으로 Topp et al.(1980)은 다양한 토양을 대상으로 유전율과 체적함수율의 경험식을 제시하여 TDR 기반 함수율 산정의 기초를 제공하였다. 이후 Robinson et al.(2003)은 TDR을 이용한 유전율 및 전기전도도 측정의 발전과 해석 이슈를 종합적으로 정리하며, 현장 적용 시 토질 특성(입도·밀도), 염분(전기전도도), 온도 등에 따른 보정 필요성을 논의하였다. 본 연구에서 함수율은 연약지반의 강도·두께를 대체하는 주 입력값이라기보다, 포화/배수 상태에 따른 지반 상태 변동 가능성을 점검하기 위한 보조 입력변수로 고려하였다. 본 연구에서는 IMKO사의 휴대형 계측기(HD2)와 토양 수분 프로브(TRIME-PICO)를 조합하였으며, TDR 측정 장비를 Fig. 2에 나타내었다.
3. 연약지반 주행성 평가 모델
3.1 수치해석 모델 구축
본 연구에서는 가설도로 주행성 확보를 위한 연약지반 개량공법 산정 도구의 매칭기준 정립 및 성능 비교를 위해 3차원 수치해석 모델을 구축하였다. 수치해석은 3차원 모델링이 가능하고 단계별 시나리오 구현이 용이한 FLAC3D 프로그램 기반으로 수행하였다. 지반의 응력-변형 거동은 Mohr-Coulomb(MC) 탄소성 모델을 적용하였다. MC 모델은 지반 재료의 파괴 포락선과 항복규준을 기반으로 탄성변형과 소성변형을 함께 고려할 수 있으며, 특히 모래 지반에 연관유동법칙(Associated flow rule)을 적용하면 전단변형 시 다일러턴시(Dilatancy)가 과대평가될 수 있어 일반적으로 비연관유동법칙 적용이 권장된다.
해석 모델은 YZ 평면 대칭 경계조건을 설정하여 반단면만 모델링하였다. 또한 외부 경계조건이 해석 결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해 X, Y, Z축 방향 길이를 각각 10m로 충분히 크게 설정하였다(Fig. 3). 지층은 지표면으로부터 연약점토-모래-풍화토 순으로 구성하였으며, 기본 지층 심도는 연약점토 0~3m, 모래 3~5m, 풍화토 5~10m로 설정하였다.
수치해석에 적용된 지반정수는 문헌조사 결과를 바탕으로 기초 구조물 설계에 주로 적용되는 범위에서 입력하였으며, 지층별 물성치를 Table 1에 정리하였다.
Table 1
Input soil properties
주행로 폭은 총 4m로 가정하였으며, 대칭축으로부터 2m 위치에 압력 하중을 재하하여 장비의 궤도/타이어가 상재되는 조건을 모사하였다. 하중은 차선하중(DL)을 고려하였고, 하중조건은 최대 접지압 조건으로 49.44tonf/m2를 적용하였다. 개량공법 적용 폭은 총 6m로 가정하여, 하중 재하부 주변의 하중 분산 효과가 반영되도록 설정하였다. 가설도로 주행성 확보를 위한 개량공법은 지오백, 지오셀, 비치매트, 천층고화 공법을 고려하였다.
지오백 공법은 지오텍스타일 또는 고강도 포대 형태의 모듈 내부에 쇄석 등 입상재를 충진하여 상자형 보강체를 형성하고 이를 지표면에 연속 설치함으로써, 연약지반 상부에 하중 분산 및 보강층을 구성하는 표층 보강형 공법이다. 이 공법은 하중 작용 시 집중하중을 면하중 형태로 확산시키는 하중 분산 효과와 외피가 채움재의 횡방향 변형을 구속하여 내부 마찰력과 강성을 증대시키는 구속 효과를 통해 침하 및 펀칭 파괴를 억제한다. 지오셀 공법은 HDPE 등 고분자 재질의 3차원 벌집 구조체를 지반 상부에 설치하고 셀 내부를 쇄석·모래 등으로 충진하여 구속 효과를 발현시키는 공법으로, 상부에 강성이 큰 보강층을 형성하여 연약지반의 지지력과 강성을 향상시킨다. 비치매트 공법은 해안·모래사장 등 연약한 지표면에 강성이 있는 매트/패널을 연속 전개하여 임시 주행면을 확보하는 방식으로, 매트 전면으로 하중을 분산시켜 국부 접지압을 저감시키는 특징을 가진다. 천층고화 공법은 연약지반에 시멘트·석회·산업부산물계 고화재 등을 혼합하여 강도·강성·내구성을 인위적으로 향상시키는 재료 개량형 공법으로, 수화·포졸란 반응에 의해 고결체를 형성하고 고화층이 강성 지반판 역할을 수행하여 국부 침하 및 펀칭 파괴를 억제한다. 고화재를 이용한 연약지반 개량은 대상 토질과 안정재 혼합조건에 따라 강도 발현 특성이 달라질 수 있으며, 실내 배합시험과 현장 시험시공을 통한 적용성 검토가 필요하다(Seo et al., 2020). 연약지반 개량공법의 성능 평가를 위하여 공법별 적용 물성치를 Table 2에 정리하였다.
Table 2
Input parameters for soft ground improvement methods
수치해석은 시공단계 해석기법을 적용하여, 초기화, 개량공법 적용, 하중 재하의 3단계로 구성하였으며, 2개 이상의 개량공법을 복합 적용하는 경우에는 개량공법 적용 단계를 하단에 적용되는 개량공법부터 순차 적용하는 방법으로 수치해석 시나리오를 적용하였다.
3.2 매개변수해석
구축된 3차원 수치해석 모델을 이용하여, 연약지반 조건 및 개량공법 종류에 따른 지표면 최대침하량 변화를 정량적으로 비교·분석하기 위하여 매개변수해석을 수행하였다. 매개변수해석의 주요 변수는 연약지반의 변형계수와 연약층 두께로 설정하였다. 국내 연약지반의 대표 물성 범위를 고려하여 변형계수는 3MPa부터 3MPa 간격으로 15MPa까지 총 5개 case를 설정하였고, 3MPa 미만의 초연약지반은 매개변수 범위에서 제외하였다. 연약층 두께는 가설도로 적용 및 공법 적용성을 고려하여 최대 3m로 설정하였으며, 0.5m 간격의 총 6개 case를 적용하였다. 따라서 개량공법 1종에 대해 총 30개 case를 구성하였다.
본 연구에서는 5개 개량공법 조합(지오백 1단, 지오백 2단, 지오셀 1단, 지오백 1단과 비치매트 복합 적용, 천층고화)을 적용하여 총 150개 case의 매개변수해석을 수행하였다. 또한, 본 연구에서는 공법별 주행 가능 여부를 판정하기 위한 기준으로 지표면 최대침하량 100mm를 적용하였다. 100mm 기준은 연약지반 도로 설계에서 사용되는 허용잔류침하량 기준을 참고하여 설정한 값으로, 가설도로에서 차량 및 장비의 단기통행 기능을 유지할 수 있는지를 판단하기 위한 관리기준으로 준용하였다. 다만, 일반적인 허용잔류침하량은 교통개방 또는 사용개시 이후 장기적으로 발생하는 잔류침하를 의미하는 반면, 본 연구의 수치해석 결과는 하중 재하 조건에서의 지표면 최대침하량을 대상으로 한다. 따라서 본 연구에서는 100mm를 영구 포장도로의 장기 잔류침하 기준과 동일한 의미로 적용하기 보다는, 가설도로 주행성 확보 여부를 판정하기 위한 기능성 기준으로 활용하였다. 이에 따라 지표면 최대침하량이 100mm 이하인 경우를 주행 가능, 100mm를 초과하는 경우를 주행 불가로 판단하였다.
지오백 1단을 적용한 결과, 변형계수 15MPa 조건에서만 연약층 두께 1.5m까지 허용침하량 기준 이내로 지표면 최대침하량이 산정되었으며, 그 외 조건에서는 기준을 초과하는 것으로 분석되었다(Table 3). 연약층 두께 1.0m에서 변형계수가 3MPa에서 15MPa로 증가할 경우 최대침하량은 211.5mm에서 96.3mm로 감소하였으며, 연약층이 얕고 변형계수가 비교적 큰 경미한 연약지반에서 제한적으로 적용 가능한 것으로 분석되었다.
Table 3
Maximum surface settlement for a single-layer geobag installation
지오백 2단을 적용한 결과, 지오백 1단 대비 침하 저감 효과가 크게 향상되었다. 분석 결과, 변형계수 9MPa 조건까지는 연약층 두께 3.0m까지 허용침하량 기준을 만족하는 것으로 분석되었으며, 변형계수 3MPa 조건에서는 연약층 두께 0.5m까지 허용침하량 기준을 만족하였다(Table 4). 이는 지오백 2단 설치 시 심한 수준의 연약지반까지 적용 가능한 것으로 평가된다.
Table 4
Maximum surface settlement for a double-layer geobag installation
지오백 1단 설치 후 상부에 비치매트를 추가 설치하는 복합 적용 조건에서, 변형계수 12MPa 조건까지는 모든 연약층 두께 조건에서 허용침하량 기준을 만족하는 것으로 분석되었다. 반면 변형계수 6MPa 조건은 연약층 두께 0.5m, 변형계수 9MPa 조건은 두께 1.5m까지 허용침하량 기준 이내로 최대침하량이 산정되었다(Table 5). 따라서 복합 적용은 지오백 1단과 지오백 2단 사이의 중간 수준 성능으로 평가되며, 지오백 1단 설치 후 부등침하로 인한 주행성 확보가 제한되는 경우 비치매트 설치를 통해 주행성을 향상시키고자 하는 경우에 적합한 것으로 분석되었다.
Table 5
Maximum surface settlement for a combined application of a single-layer geobag and a beach mat
지오셀 1단의 경우, 변형계수 15MPa 조건에서 연약층 두께 2.5m까지 허용침하량 기준 이내로 최대침하량이 산정되었고, 변형계수 12MPa 조건은 연약층 두께 0.5m까지 기준을 만족하는 것으로 분석되었다(Table 6). 연약층 두께 1.0m에서 변형계수가 3MPa에서 15MPa로 증가할 경우 최대침하량은 210.2mm에서 92.3mm로 감소하였으며, 지오백 1단과 유사하게 경미한 연약지반에서 제한적으로 적용 가능한 공법으로 평가되었다.
Table 6
Maximum surface settlement for a single-layer geocell installation
고화재 적용 결과, 변형계수 9MPa 조건까지는 연약층 두께 3.0m를 포함한 모든 조건에서 허용침하량 기준을 만족하는 것으로 분석되었으며, 변형계수 6MPa 조건은 연약층 두께 2.5m, 변형계수 3MPa 조건은 연약층 두께 1.5m까지 허용침하량 기준 이내로 최대침하량이 산정되었다(Table 7). 고화재는 다른 개량공법에 비하여 시공 기간이 다소 길다는 단점이 있지만, 심한 수준의 연약지반까지 적용 가능한 공법으로 평가되었다.
Table 7
Maximum surface settlement for a soil stabilizer installation
Case별 결과를 종합하면, 연약지반 변형계수가 증가할수록 최대침하량이 감소하고, 연약층 두께가 증가할수록 최대침하량이 증가하였다. 대표적으로 연약층 두께 1.0 m에서 지오백 1단 조건의 최대침하량은 변형계수 3MPa에서 15MPa로 증가함에 따라 최대침하량이 211.5mm에서 96.3mm로 약 54.5%만큼 감소하였으며(Fig. 4), 변형계수 9MPa 조건에서 연약층 두께가 0.5m에서 3.0m로 증가하면서 최대침하량은 113.1mm에서 153.2mm로 약 35.5%만큼 증가하였다.
또한 최대침하량에 대한 변형계수의 영향은 거듭제곱식, 연약층 두께의 영향은 선형식으로 근사 가능하였으며, 연약층 두께와 더불어 개량공법 두께 역시 성능에 주요한 영향을 미치는 것으로 평가되었다(Fig. 5). 이러한 결과는 연약지반에서 표층 개량 두께와 지오그리드 보강이 지표면 침하 저감에 유의한 영향을 미친다고 보고한 Ham and Lee(2018)의 실험 결과와도 유사한 경향을 나타낸다.
공법별 결과를 비교하면, 지오백 1단과 지오셀 1단은 비교적 얕은 연약층 또는 변형계수가 큰 조건에서 제한적으로 적용 가능한 표층 보강형 공법으로 평가되었다. 지오백 1단과 비치매트를 복합 적용한 경우에는 지오백 1단보다 침하 저감 효과가 향상되어 중간 수준의 연약지반 조건에서 대안 공법으로 활용 가능하였다. 반면 지오백 2단과 천층고화는 보강층 또는 개량층 두께가 50cm로 설정되어 상대적으로 큰 침하 저감 효과를 나타냈으며, 변형계수가 낮거나 연약층이 두꺼운 조건에서도 적용 가능 범위가 넓은 것으로 분석되었다. 다만 천층고화는 재료 혼합 및 양생 과정이 필요하므로 신속 시공성이 요구되는 현장에서는 지오백 2단 또는 복합 보강공법과의 시공성 비교가 필요하다.
4. 연약지반 개량공법 산정 도구
연약지반 개량공법 산정 도구는 현장 간이평가 결과를 기반으로 연약지반 여부를 판정하고, 대상 장비의 접지압과 연약지반의 허용지지력을 비교하여 주행 가능성을 판단한 뒤, 수치해석 기반의 개량공법 매칭기준을 적용하여 공법별 적용 가능 여부와 소요 자원(인원/장비/자재/시간)을 산출하도록 구성하였다. 개량공법 산정 도구는 연약지반 허용지지력 산정, 장비 접지압 산정, 개량공법 매칭기준을 통합하여 현장 의사결정을 신속·정확하게 지원하는 것을 목표로 하며, 현장 간이평가 결과, 장비 선택, 연약지반 길이 및 공법 적용 폭을 입력값으로 설정하였다. 주요 출력은 허용지지력 및 접지압 비교에 따른 통행 가능 여부, 공법별 예상 침하량 및 적용 가능 여부, 선정 공법의 소요로 구성하였다. 연약지반 개량공법 산정 절차를 Fig. 6에 나타내었다. 특히 본 개량공법 산정 도구는 현장 간이평가 결과, 장비 접지압, 허용지지력 및 수치해석 기반 매칭기준과 연계함으로써, 공법 선정의 재현성과 일관성을 향상시킬 수 있다.
4.1 지반상태 평가
지반상태 평가 시트는 현장 간이평가 결과를 입력하여 대상 구간의 지반상태를 신속히 정리·확인하는 단계로, 현장 베인전단시험, TDR 시험, DCP 시험 결과를 입력하도록 구성하였다. 본 시트의 목적은 현장에서 확보한 비배수전단강도 및 CBR 등 핵심 지표를 일관된 형식으로 정리하고, 허용지지력 산정 및 개량공법 설계에 필요한 입력값을 제공하는 데 있다. 실제 화면 구성은 “현장 간이평가 결과 입력”과 “현장 간이평가 방법 확인”의 2개 영역으로 구분되어, 사용자가 측정값을 입력하면서 시험 절차와 측정값의 의미를 동시에 확인할 수 있도록 하였다.
입력 항목은 크게 현장 베인전단시험을 통한 최대 토크값, TDR 기반 함수율, DCP 기반 관입지수(DCP index) 및 연약층 두께로 구성되며, 입력된 결과를 바탕으로 해당 지점의 비배수전단강도와 CBR을 확인할 수 있도록 구현하였다. 이때 본 연구의 개량공법 산정 도구는 현장 간이평가 결과를 기반으로 후속 로직(허용지지력 산정, 매칭기준 적용)을 수행하므로, 본 시트에서의 입력값은 전체 프로그램의 성능과 신뢰도에 직접적인 영향을 미친다.
4.2 연약지반 판정
연약지반 판정 시트는 대상 장비를 선택하고, 선택 결과에 따라 접지압을 산정한 후, 지반상태 평가 시트에서 입력된 현장 간이평가 결과를 기반으로 허용지지력을 산정하여 주행 가능 여부를 1차 판정하는 단계로 구성하였다.
본 시트에서는 장비(궤도형/차륜형) 선택 기능을 제공하며, 선택된 장비의 제원 및 접지압이 자동 산정되도록 구현하였다. 또한 데이터베이스(DB)에 존재하지 않는 장비에 대해서는 사용자가 제원을 입력할 수 있도록 ‘직접입력’ 기능을 포함하였다. 장비 접지압 DB는 궤도형과 차륜형으로 구분하여 제원 확인이 가능하도록 구성하였다.
허용지지력 산정 기능은 별도 ‘허용지지력 산정’ 탭에서 산정식 및 결과를 확인할 수 있도록 하였으며, Yamanouchi, Meyerhof, Terzaghi 모델을 적용하고 안전율 1.5를 고려한 뒤 산정값 중 최솟값을 채택하는 보수적 설계 원칙을 적용하였다. 산정된 허용지지력과 장비 접지압의 비교 결과는 후속 단계로 넘어가기 위한 1차 기준으로 활용된다.
4.3 개량공법 검토
개량공법 검토 시트는 연약지반 구간에 적용할 개량공법의 적용 범위와 설계 조건을 입력하고, 공법별 적용 가능 여부를 판정하는 단계이다. 본 시트에서는 사용자가 연약지반 길이와 개량공법 적용 폭을 입력하며, 입력 결과를 바탕으로 공법별 예상침하량 및 소요기간을 확인하고 최적 공법을 선정하도록 구성하였다.
특히 본 시트는 공법 적용 가능 여부 판정 기준을 현장 요구 성능에 맞춰 조정할 수 있도록 허용침하량 변경 기능을 포함하였다. 또한 공법별 매칭기준은 별도 ‘개량공법 판단 기준’ 탭에서 확인할 수 있도록 하여, 사용자가 공법별 적용 가능 범위를 검토한 뒤 설계·선정을 수행할 수 있도록 하였다. 본 개량공법 산정 도구의 매칭기준은 연약지반 변형계수 3~15MPa, 연약층 두께 0.5~3.0m 범위의 매개변수해석 결과를 기반으로 구축되었다. 따라서 이 범위를 벗어나는 초연약지반, 연약층이 매우 두꺼운 지반, 또는 유기질토·매립지와 같이 불균질성이 큰 특수지반에 적용할 경우에는 개량공법 산정 도구의 산정 결과를 예비 검토 수준으로 활용하고, 필요 시 추가 지반조사, 현장 재하시험 또는 별도 수치해석을 수행하는 것이 바람직하다. 또한 본 연구는 대표 접지압 조건에서의 침하 거동을 중심으로 공법 적용성을 평가하였으므로, 장기 사용 또는 통행량이 큰 가설도로에 대해서는 반복 통행 및 시간 의존적 침하에 대한 추가 검토가 필요하다.
개량공법 검토 절차는 (1) 연약지반 길이 및 적용 폭 입력 → (2) 공법별 주행(통행) 가능 여부 및 예상침하량/소요기간 확인 → (3) 현장 상황을 고려한 최적 공법 선택 → (4) ‘선정’ 버튼 실행의 흐름으로 구성된다.
4.4 개량공법 선정
개량공법 선정 시트는 개량공법 검토 시트에서 최종 선정된 개량공법에 대해 소요 자원을 제시하는 결과 출력 단계이다. 본 시트의 목적은 현장 의사결정자가 공법 선택 결과를 “실행 계획”으로 즉시 전환할 수 있도록, 공법별 소요 자원을 표준화된 형식으로 제공하는 데 있다.
본 시트에서 선정된 공법의 소요 내역을 확인하며, 현장 조건(장비 가용성, 시공 여건 등)을 고려하여 필요시 설계 시트로 되돌아가 허용침하량 기준 또는 공법 적용 폭 등의 입력을 조정한 후 재산정할 수 있다.
연약지반 개량공법 산정 도구의 단계별 구성을 Fig. 7에 나타내었다.
5. 결 론
본 연구에서는 가설도로 주행성 확보를 위한 연약지반 개량공법 산정 도구를 개발하고, 수치해석 기반 매칭기준을 도출하여 도구에 반영하였다. 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
1. 현장 적용성을 고려하여 비배수전단강도, 연약층 두께, 함수율을 핵심 입력변수로 정의하고, 현장 베인전단시험, DCP 시험, TDR 시험을 통해 지반 물성을 신속히 획득할 수 있는 간이평가 체계를 제시하였다.
2. FLAC3D 기반 3차원 수치해석 모델을 구축하고, 연약지반 변형계수 및 연약층 두께를 변화시키며 매개변수해석을 수행하였으며, 공법별 지표면 최대침하량을 정량화하였다. 허용침하량 100 mm 기준을 적용한 결과, 지오백 1단 및 지오셀 1단은 연약층이 얕고 변형계수가 상대적으로 큰 조건에서 제한적으로 적용 가능하였으며, 지오백 2단과 고화재는 상대적으로 넓은 조건 범위에서 기준을 만족하는 것으로 분석되었다. 또한 지오백 1단과 비치매트를 복합 적용하는 조합은 지오백 1단과 2단 사이의 중간 수준 성능을 나타내어, 지오백 1단 적용 시 침하 기준을 만족하지 못하는 조건에서 대안으로 활용 가능함을 확인하였다.
3. 최대침하량은 연약지반 변형계수가 증가할수록 감소하고 연약층 두께가 증가할수록 증가하였으며, 공법 두께 또한 침하 저감 성능에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 공법 적용 가능 범위를 설정하고 도구의 매칭기준을 구성하는 핵심 근거로 활용되었다.
4. 개발한 엑셀 기반의 개량공법 산정 도구는 지반상태 평가부터 연약지반 판정, 개량공법 검토, 개량공법 선정의 4개 시트로 구성하였으며, 현장 간이평가 결과, 장비 종류, 연약지반 길이 및 개량공법 적용 폭을 입력하면 공법별 적용 가능 여부와 소요 자원을 산출하도록 구현하였다. 이를 통해 개량공법 선정 절차를 정량화하고, 지반조건과 장비조건에 따른 공법별 적용성을 일관된 기준으로 비교할 수 있다. 또한 공법 선정 결과와 소요 자원을 연계하여 제시함으로써 가설도로 계획 및 시공 단계에서의 의사결정 시간 단축, 과대·과소 보강 방지 등에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 본 연구에서 적용한 지표면 최대침하량 100 mm 기준은 가설도로의 단기 주행성 확보 여부를 판단하기 위한 기능성 기준으로 설정하였으며, 현장 요구 성능에 따라 조정 가능한 값으로 개량공법 산정 도구에 반영하였다. 또한 본 개량공법 산정 도구의 매칭기준은 연약지반 변형계수 3~15MPa 및 연약층 두께 0.5~3.0m 범위의 수치해석 결과를 기반으로 구축되었으므로, 이 범위를 벗어나는 초연약지반, 두꺼운 연약층 또는 특수지반 조건에서는 추가 지반조사와 별도 검토가 필요하다. 따라서 개발 도구의 결과는 가설도로 계획 단계의 예비 판단 및 공법 선정 지원 용도로 활용하는 것이 바람직하며, 향후 실제 가설도로 현장 적용 및 계측 자료 축적을 통해 개량공법별 입력 물성치, 허용침하량 기준 및 매칭기준을 지속적으로 보정·고도화할 필요가 있다.
