1. 서 론

지반함몰은 크게 자연적, 인위적 현상에 의해 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 지중내 석회암이 분포하는 지역에서는 지하수에 의해 탄산칼슘이 용해됨에 따라 공간이 형성되어 상부지반의 하중을 충분히 지지할 수 없기 때문에 함몰되는 현상으로 싱크홀이라 명명한다(Thiansky, 1999). 인위적 현상에 의한 지반함몰은 지하공간의 개발 및 활용으로 지하수 유동에 따른 토사 유출 등에 의해 발생하며, 우리나라의 경우 화강편마암으로 기반암층이 이루어져 있기 때문에 석회암 공동에 의한 싱크홀은 발생하기 어려운 것으로 알려진 바 있다(Bae et al., 2017). 우리나라에서 발생하는 지반함몰은 대부분 노후된 상하수관의 손상, 굴착공사 관리소홀, 지하수위 저하 등으로 노후된 상하수관의 손상에 의한 지반함몰 발생이 전체의 약 81.4%를 차지하는 것으로 보고된 바 있다(The Seoul Institute, 2016). 최근 한국지질자원연구원에 따르면 2010년~2014년의 전체 지반함몰 발생은 3,245건수로서 이중 96%(3,119건)가 인구밀집도가 매우 높은 서울시에서 집중된 것으로 보고된 바 있다. 또한 2010년부터 지반함몰의 발생건수는 20%∼30%씩 매년 꾸준히 증가하고 있는 추세이며, 상수관로 및 지하시설물의 사용 연수가 증가함에 따라 지반함몰 발생은 더욱 증가할 것으로 예상한 바 있다(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2014). 이에 지반함몰에 대한 인명 및 물적 피해를 최소화하기 위한 노력으로 최근 서울시에서는 지반함몰을 유발하는 공동관리 등급을 만들어 적용 중에 있다. 이는 공동의 두께, 폭 및 포장상태 등을 고려하여 관찰대상, 일반복구, 우선복구, 긴급복구의 4단계로 구분하고 있다(Seoul City, 2016).

한편, 국내에서는 지반함몰 예방을 위하여 공동발생 메커니즘 및 공동이 지반거동에 미치는 영향에 대한 규명을 위해 많은 연구들이 수행되고 있다. You et al.(2017)은 하수관 손상 시 토사유출에 의한 지중 공동 및 이완영역의 발생 메커니즘 분석을 위해 알루미늄 봉과 트랩도어를 이용한 공동 주변 지반의 전단변형 및 간극비 분포, 이완정도를 정량적으로 분석하였다. Lim et al.(2015)은 LWD (light weight deflectometer)를 이용하여 도시철도 하부지반의 공동발생에 대하여 탄성계수의 상관관계분석을 수행한 바 있다. 또한 지하수위 및 토사유출이 지반함몰에 미치는 영향을 평가하기 위해 Jeong et al.(2017)은 다양한 지하수 조건과 배수조건을 설정하여 지하수위 및 토사유출이 지반함몰에 미치는 영향을 분석한 바 있고, Shin and Park (2017)과 Jung(2017)은 굴착후 발생한 지하수 재주입을 통해 지하수위가 지반침하에 미치는 영향을 분석한 바 있다.

지반함몰을 사전에 예방하기 위해서는 지중탐사를 통해 발생된 공동에 대하여, 규모 등을 고려한 긴급 복구방안이 필요하며, 지반공동이 발생하지 않도록 현장상황에 적절히 대응할 수 있는 시공법과 철저한 시공관리가 요구된다. 그러나 이미 발생된 공동의 경우에는 흙메우기와 그라우팅 공법이 일반적으로 적용되고 있는데, 흙메우기 공법은 흙을 매우고 공동발생 부의 상부구조물을 재시공 하는 방법으로서 원지반 교란에 의한 지반강도 저하, 복구시간 지연 및 통행제한으로 긴급복구의 방안으로 적용되기는 어렵다. 그리고 그라우팅공법의 경우에는 비개착 방법을 사용하고 소규모 공동 및 간극까지 충진 가능한 장점이 있지만, 장기적으로 내구성 저하 및 지하수에 의한 용탈발생으로 지지력 감소 및 2차 토양오염 발생의 가능성이 높은 것으로 연구된 바 있다(Kim et al., 2009).

본 연구에서는 도로에서 주로 발생되고 있는 소규모 공동의 긴급복구방안으로 적용하기 위해 개발된 팽창재료 및 이를 포함할 수 있도록 추가 개발된 지반신소재 포켓을 이용하여, 도로상부의 반복하중에 따른 지중 내 공동 복구용 포켓형 팽창재료의 거동특성을 분석하였다. 이를 위해, 휠트래킹 시험을 통한 동적안정도를 평가하였으며, 일축압축강도시험을 바탕으로 팽창재료의 강도특성을 평가하였다.

2. 소규모 공동 긴급복구 및 휠트래킹 시험 개요

2.1 포켓형 팽창재료를 이용한 공동 긴급복구 개념

본 연구에서 적용된 팽창재료는 발포제 및 촉진제로 구성된 주제와 경화제의 혼합에 의해 이루어지며, 이는 약 15배∼35배의 범위로 팽창이 가능하되, 주변 구속압에 따라 그 강도가 달라진다. 액상의 팽창재료(주제와 경화제)는 혼합에 의해 팽창-고결 반응이 진행되고, 이 때 발생하는 팽창압으로 인해 주변 지반이 느슨한 경우 다짐의 효과를 발현할 수 있다. 즉, 팽창압에 의해 느슨한 지반에 압축력이 작용된 대상지반은 밀실해짐과 동시에, 고결반응이 완료된 팽창재료는 그 강도에 따라 상부로부터 작용하는 하중에 대한 침하를 방지할 수 있다. Fig. 1은 도로하부지반에 발생한 공동에 대하여 포켓형 팽창재료를 이용한 긴급복구에 대한 모식도를 나타낸 것이다.

앞서 언급한 팽창재료의 고결반응은 폴리수산기(polyol hydroxyl group)와 MDI(methylene diphenyl diisocyanate)계 이소시아네이트(isocyanate)로 구성된 용액이 혼합교반 과정에 의해 결합하는 것으로서, 3차원의 망상 구조를 형성하고, Fig. 2와 같이 중합반응, 가수반응, 발포반응 및 가교반응의 순서로 이루어진다. Fig. 3은 전자주사현미경(scanning electron microscope)을 통해 팽창재료의 경화반응이 완료된 후의 미세결정구조를 촬영한 것이다.

2.2 휠트래킹 시험

KS F 2374(2017)에 명시되어 있는 휠트래킹 시험은 공시체에 시험차륜 하중을 반복적으로 가하여 동적안정도 및 소성변형 저항성을 측정하는데 목적이 있다. 이 시험을 통해 도출되는 재료의 동적안정도는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 나타내는 기본 척도로서 사용되며, 아스팔트 혼합물의 침하정도가 클수록 동적안정도는 감소하고, 반대로 침하정도가 작을수록 반복하중에 의한 재료의 동적안정도는 증가하는 결과를 얻을 수 있다.

휠트래킹 시험방법은 동일한 배합의 공시체 3개를 제작한 후, 실내 실온에서 12시간 이상 방치하고 시험시작 전 60°의 항온실에서 5시간 양생한다. 이 후, 시험차륜을 공시체의 중앙에 놓고 686N의 차륜하중을 가하여 공시체의 중앙부를 분당 42회의 속도로 수평왕복 운동시키고 차륜의 주행거리는 230mm로 적용한다. 침하정도를 파악할 수 있는 재료의 변형량은 1분, 5분, 10분, 15분, 30분, 45분, 60분이 경과한 때의 침하깊이를 측정하여 동적안정도를 산정하게 된다. 이 때 동적안정도는(Dynamic Stability, DS)는 변형량-시간 곡선에서 곡선이 거의 직선이 되는, 즉 변형률이 일정화되는 45분과 60분사이의 15분간의 변형량을 측정하여 1mm 변형하는데 소요되는 시험차륜의 통과 횟수로서 식 (1)을 이용하여 산정할 수 있다.

                (1)

여기서, d₁은 t₁(45분)에서의 변형량(mm), d₂는 t₂(60분)에서의 변형량(mm)을 나타내며, C는 크랭크에 의한 변속 구동형 시험기일 경우의 보정계수로 1.0을 사용한다.

3. 재료특성 및 휠트래킹 시험

본 연구에서는 도로상부의 반복하중에 따른 지중 내 공동 복구용 포켓형 팽창재료의 거동특성을 분석 평가하기 위하여, 팽창재료 적용유무에 따른 휠트래킹 시험을 실시하였다. 즉, 팽창재료의 반응 및 고결 후에 휠트래킹 적용 하중에 따른 침하정도를 바탕으로 동적안정도를 분석하였으며, 팽창재료가 적용되는 않은 지반상태에 대한 비교･분석을 위하여 표준사를 느슨한 상태(최소건조단위중량)로 조성하여 시험 및 분석을 수행하였다.

3.1 재료특성

3.1.1 흙 시료의 공학적 특성

팽창재료가 적용되지 않은 경우의 휠트래킹 시험을 위한 지반을 모사하기 위하여 표준사를 이용하였으며, 최소건조단위중량 상태의 균일한 지반을 조성하였고, 표준사의 공학적 특성을 요약하면 Table 1에서 보는 바와 같다.

Table 1. Engineering properties of sand

* Unified soil classification system, ASTM D2487-83(ASTM, 1985); **Poorly graded sands and gravelly sands, little or no fines

3.1.2 포켓형 팽창재료의 특성

발포제 및 촉진제로 구성된 주제와 경화제의 혼합물인 팽창재료는 침하된 지반 복원을 목적으로 실제 현장에 적용하거나 재료적 특성에 대한 다양한 연구가 수행된 바 있다. Lee et al.(2007, 2008)은 여러 화학물질에 대한 용출시험으로 오염물질이 환경오염 기준 이하로 검출되어 기준을 만족한 것으로 나타났고, 일축압축시험을 통해 강도에 대한 저항성을 분석한 결과 메탄올에 대해서는 강도저하가 큰 것으로 보고하였다. 또한 팽창재료는 주로 하부지반에 대하여 부등침하의 방지나 복원을 목적으로 주입하여 지반을 보강할 수 있지만, 재료의 단순 주입은 정량적으로 혼합물의 팽창정도를 고려한 설계가 매우 까다롭기 때문에 긴급복구가 필요한 지반공동의 적용에는 어려움이 따른다.

따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 문제점을 해결하기 위하여 팽창재료의 외부유출 및 부피팽창 정도를 제어할 수 있도록 신축성이 좋은 실리콘계열의 지반신소재 포켓을 개발･적용하였다. 이는 팽창재료의 부피팽창 정도 및 구속조건에 따라 요구강도를 발현할 수 있는 특징을 보유하고 있기 때문에, 팽창재료를 포함한 포켓형 공동 긴급복구 재료로서 적용하는데 문제가 없는 것으로 평가되었다. Fig. 4(a)는 지반신소재 포켓을 나타낸 것이며, Fig. 4(b)는 팽창재료의 주입 및 팽창 후의 포켓을 나타낸 것이다.

한편, 포켓은 지반 내 공동에 충진되기 때문에, 지반 내 다양한 환경조건에 대한 내구성이 확보될 필요가 있다. 이에 내화학성, 내수성, 내유성 및 가열신축성에 대한 재료의 인장강도특성을 평가할 수 있는 KS F 4911(2017)의 시험방법에 따라 포켓의 저항성 효과를 분석하기 위해 전처리 후 인장강도 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 시험결과, 내화학성에 대한 인장강도는 무처리한 시험편과 비교하여 물과 염산(HCl) 및 황산(H₂SO₄)에 대하여 큰 영향이 없는 반면에, 질산(HNO₃)과 휘발유에 대한 인장강도는 약 10%∼25% 정도 감소한 것으로 나타났다. 그러나 지중에서의 질산 및 휘발유 분포가 크지 않은 점을 고려하면 내구성에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 추정되었다.

3.2 휠트래킹 시험 방법 및 내용

일반적으로 휠트래킹 시험은 아스팔트 포장체에 대하여 차량하중이 통과함에 따라 발생하기 쉬운 소성변형을 실내에서 재현하여 평가하는 속성시험으로, 반복주행으로 인한 바퀴패임 깊이의 변화를 측정함으로써 재료의 동적안정도를 평가한다.

본 연구에서는 포켓형 팽창재료의 공동복구 효과를 평가하기 위해 휠트래킹 시험을 응용하여 포장체 하부지반에 대한 동적안정도를 평가하였다. Fig. 6은 휠트래킹 시험 전경을 나타낸 것으로서 토조의 크기는 30cm×30cm× 20cm(가로×세로×높이)이다. 반복하중이 재하됨에 따라 작용하는 하중에 대한 응력분담률 분석을 위해 차륜하중이 지나는 중심부를 기준으로 Fig. 6(a)와 같이 토압계를 설치하였다. Fig. 6(b)는 포켓형 팽창재료가 적용되지 않은 경우에 대한 동적안정도 평가를 위해 모래를 포설한 전경으로서, 느슨한 상태의 지반을 모사하기 위하여 최소건조단위중량에 부합하도록 조성하였다. 팽창재료가 적용된 경우는 Fig. 6(c)에 나타낸 바와 같으며, 원활한 하중전달을 위해 팽창재료에 의해 나타나는 간극에 소량의 모래를 포설하였다(Fig. 6(d)). 또한 차륜하중이 지반 및 팽창재료에 작용할 수 있도록 강성이 높은 아크릴판을 설치하였다(Fig. 6(e)). Fig. 6(f)는 차륜하중을 재하한 전경을 나타낸 것으로서 고정된 바퀴 상부에 하중판을 재하할 수 있는 구조로 되어 있다. 재료의 침하량은 조성된 모형지반이 반복적으로 왕복운동 함에 따라 차륜상부에서 침하량이 측정 가능하다. Table 2는 실험내용을 나타낸 것으로서 모래지반과 포켓형 팽창재료로 보강된 지반에 대한 적용하중은 예비실험을 통해 하중전달이 원활한 최소하중에서부터 140N씩 증가시켜 각각 170N, 310N, 450N을 재하하였다.

Table 2. Case of Laboratory test

Note : S=Sand, PA=pocket with expansion material, Number=weight of wheel

4. 실험결과 및 분석

4.1 동적안정도 평가

Figs. 7(a)∼(c)는 긴급복구된 지반과 비교를 위한 모래지반의 동적안정도를 산정한 것이고 Figs. 7(d)∼(f)는 포켓형 팽창재료로 긴급복구된 지반의 휠트래킹 시험 결과를 나타낸 것이다. 반복재하시간에 대한 침하량은 모형지반의 끝단에서 최소값이 나타났으며, 모형지반의 중앙지점에서 최대값이 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 휠트래킹 시험 시, 토조 중앙부에서 반복하중 전달효과가 크기 때문인 것으로 판단되었다.

또한, 모래지반(S)과 복구된 지반(PA) 모두 초기 침하량이 급격히 증가하는 경향으로 나타났지만, 반복하중재하 시간이 증가함에 따라 침하량 증가율은 감소하였다. Fig. 8은 하중단계에 대한 t₆₀의 침하량을 비교한 것으로서, 모래지반(S)의 경우 복구된 지반(PA)보다 침하량이 더 크게 나타나고 하중단계가 증가함에 따라 침하량은 선형적으로 나타났다. 반면에, 복구된 지반(PA)의 경우, 170N∼310N의 침하량 증가율보다 310N∼450N의 침하량 증가율이 매우 작아지는 경향인 것으로 확인되었다. 이는 일정 하중 이상에서는 포켓형 팽창재료가 하중적용 초기에 대부분의 침하를 허용한 후, 재료에서 발현된 강성으로 침하억제효과를 보이는 것으로 판단되었다.

Fig. 9는 지반상태에 따른 동적안정도를 나타낸 것으로서, 하중단계가 증가함에 따라 동적안정도는 두 경우 모두 감소하였다. 모래지반의 경우, 침하의 경향과 마찬가지로 선형적인 관계로 동적안정도가 감소하는 경향을 보였지만, 복구된 지반의 경우에는 재하조건이 310N 이상에서는 동적안정도 감소율이 170N∼310N 구간에 비해 작은 것으로 확인되었다. 이는 앞서 언급한 침하억제효과에 의해 침하량 증가율이 작게 나타난 점에 기인하여, 복구된 지반의 동적안정도가 크게 도출된 것으로 분석되었다. 또한 복구된 지반에서 하중단계가 증가함에 따른 동적안정도의 변화율이 모래지반에 비하여 상대적으로 매우 작게 나타난 원인으로는 재료의 특성에 기인한 것으로 판단되었다. 즉, 포켓 내부의 팽창재료가 발포･경화반응으로 구조체를 형성하면서 발생된 표면부분에서의 기포로 인해 침하가 나타나지만, 어느 정도 하중이 가해진 후에는 재료의 강성에 의해 침하억제효과가 나타나는 것으로 판단되었다.

4.2 일축압축강도 특성

휠트래킹 하중 적용에 따른 팽창재료의 하중감소 특성을 분석하기 위하여 시험 적용 전･후의 시편을 이용하여 일축압축강도 시험을 실시하였다. 시험은 동일한 조건에서 팽창한 재료를 이용하여 휠트래킹 시험 전 및 후의 공시체를 추출하여 각각 3번씩 수행하였다(Fig. 10). 이때, 휠트래킹 시험이 완료된 후의 공시체는 침하정도가 가장 크게 나타난 차륜하중이 지나는 중앙부에서 추출하였다.

일축압축강도 시험 결과, 휠트래킹 시험 전의 공시체는 Fig. 11(a)와 같이 변형률이 증가할수록 지속적으로 강도가 증가하는 것으로 확인되었다. 이에 흙의 일축압축시험 방법과 같이 재료의 압축 변형이 15%에 도달할 때까지의 압축응력을 바탕으로 강도를 평가한 결과, 평균 약 1.7MPa로 나타났다. 휠트래킹 시험 후의 공시체는 차륜하중에 관계없이 약 6%의 변형률에서 평균 0.2MPa의 최대 압축강도가 발현되었으며, 이후 약 0.18MPa의 잔류강도가 지속되는 것으로 확인되었다. 이와 같이 휠트래킹 시험 전･후의 압축강도 차이가 크게 나타난 원인으로는 적용된 차륜하중의 반복에 따라 팽창재료가 침하를 허용함과 동시에 하중을 분담하면서 자체강성이 감소된 것으로 판단되었다. 즉, 자체강성이 감소하면서 침하억제와 함께 동적안정도의 큰 변화가 없는 것으로 확인되었기 때문에, 자체강성을 증가시킬 수 있는 주제와 경화제의 혼합비 적용시에는 복구된 지반에서 상부하중을 지지하는 역할이 충분히 가능한 것으로 평가되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 지반함몰을 유발하는 지반 내 공동에 대하여 긴급복구가 필요한 경우를 대상으로 개발된 포켓형 팽창재료의 거동특성을 분석하기 위하여, 휠트래킹 시험을 통한 동적안정도 및 일축압축강도시험을 이용한 강도특성을 평가하였으며, 이를 요약하면 다음과 같다.

(1)휠트래킹 시험 결과, 높은 하중조건에서 모래지반에 비해 포켓형 팽창재료로 복구된 지반의 침하량 증가율이 감소하였으며, 이는 일정 하중 이상에서는 포켓형 팽창재료가 하중적용 초기에 대부분의 침하를 허용한 후, 재료에서 발현된 강성으로 침하억제효과를 나타내는 것으로 평가되었다.

(2)동적안정도를 평가한 결과, 하중단계가 증가함에 따라 복구된 지반의 동적안정도 변화율이 모래지반에 비하여 상대적으로 매우 작은 것으로 확인되었으며, 이는 침하량 분석결과와 마찬가지로 어느 정도 하중이 가해진 후에는 재료의 강성에 의해 침하억제효과가 발생되었기 때문이다.

(3)휠트래킹 시험 전･후의 일축압축강도시험 결과로부터 공동 긴급복구용 포켓형 팽창재료는 복구된 지반 상부의 하중지지역할이 충분히 가능한 것으로 평가되었다.

본 연구에서는 개발중인 팽창재료의 단일 혼합비에 따른 동적안정도 및 강도특성을 분석하였지만, 향후 다양한 혼합비에 대한 동적안정도, 강도특성, 투수특성 및 지하수에 대한 영향성 등의 추가실험을 통해 최적 혼합비를 산정하여 품질기준 수립에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.