1. 서 론

연구대상 현장은 서부산권 낙동강하구를 기반으로 사업이 계획․진행 중이다. 낙동강하구에 위치한 연구대상 현장은 서부산권의 경제성장의 요충지이며, 인구 약 7만 5천명 수용이 가능한 대 주거단지, 경남․거제․부산을 잇는 교통중심 역할을 담당할 예정이다(Busan Metropolitan Corporation, 2016; K-water, 2016).

낙동강은 낙동강 본류와 서 낙동강으로 분류되면서 큰 삼각주를 형성하고 있으며, 우리나라에서 퇴적층의 심도가 깊은 연약한 지반으로 알려져 있다. 일반적으로 낙동강 델타지역은 실트질 충적토 또는 사질토층이 상부에 존재하고 아래로 연약한 실트질 점토층, 모래층 및 자갈층의 순서로 존재하고 있으며, 이 퇴적토층은 제 4기 퇴적토로서 풍화암층 위에 분포되어 있는 것으로 보고되었다(Bak, 1998). 이런 낙동강 델타지역에 관한 연구로는 주로 연약지반 개량과 관련하여 실트질 연약점토층의 물리적, 역학적 특성 규명에 초점이 맞춰져 진행되었다.

구체적으로 살펴보면 낙동강 하구유역의 대심도 연약지반에 대하여 불교란 시료채취기술, 각종 토질특성을 위한 실험 및 분석을 통한 점성토의 압밀특성의 규명 및 연직배수재와 관련된 적용성 등이 대표적인 연구 주제들이다(Chung, 2005; Chung et al., 2005; 2009; 2010a; 2010b; 2010c). Kim (2011)은 점토의 역학적 특성에 대한 연구에서 염분 용출로 인한 점토의 예민화, 액성한계와 소성지수의 변화, 강도의 저하, 압축성의 증가 등에 연구를 실시하였다. Kim et al.(1999)은 피압대수층을 고려하지 않으면 실제 현장에서의 계측침하량은 30∼70%까지 추가 침하가 발생할 수 있다고 보고하였다. Jang and Kim(2000), Choi et al.(2009)은 피압대수층을 고려한 압밀해석 연구를 실시하였다. 그 외 일부 퇴적환경과 퇴적물에 대한 연구도 진행되었다. Chung et al.(2006)은 델타지역의 연약지반 함수비, Atterberg limit, 분류, 압축 및 강도 특성과 연계하여 지질 및 퇴적 연대기별로 구분한 토질의 대략 특성을 예측하는 시도를 하였다. 모래층 관련 연구로 Lee(2012)는 말뚝길이 감소를 위해 하부 모래지반에 대한 연구를 진행했고, Kim et al.(2000)과 Vinod(2012)는 낙동강 하구지역에서 대단위 부지조성과 관련하여 예측된 침하에 비하여 과대침하가 발생하는 문제를 규명하고자 퇴적사질토층에 대한 침하량 산정에 대한 연구를 진행했다. 위에 언급된 기존연구를 종합해 보면, 낙동강 델타지역에 관한 연구는 연약점토 대상이 주를 이루며, 상부 퇴적사질토층에 관한 연구는 활발히 진행되지 않는 것을 알 수 있다.

연구대상 현장의 경우 상부퇴적사질토에 대한 연구는 하부 연약점토에 대한 연구만큼 중요성이 매우 크다. 왜냐하면 지표 상부에 위치한 퇴적사질토는 장비주행성 확보를 원지반의 지지력과 직접적인 관련이 있으며, 연직배수재를 통한 간극수의 배수와 관련된 수평배수층의 역할과도 관련이 있기 때문이다. Fig. 1은 연약지반 개략 모식도로 (a)는 상부층이 점토인 일반적인 경우이고(주로 서해안 지역에서 분포됨), (b)는 상부층이 모래지반인 연구대상 현장 경우이다. (a)그림에서 볼 수 있는 바와 같이 연약지반개량에는 장비주행을 위한 지지력 확보와 재료혼입 방지를 위해 토목섬유를 포설하고, 수평배수층 확보를 위해 샌드매트층을 시공하고 있다. 똑같은 방법을 그림 (b)와 같이 상부퇴적사질토층이 존재하는 경우에도 적용할 것인지에 대해서는 분명한 근거가 필요한데 이것에 대한 답을 줄 수 있는 기초적 연구 자료가 미비한 실정이다.

일반적으로 상부퇴적사질토의 경우 자연 퇴적과정에 의해 성상이 복잡하게 형성되고, 이로 인해 위치 및 심도에 따른 물리적, 역학적 특성이 다양하게 분포되며, 특히 세립분 함유율에 따라 모래의 거동에는 많은 차이를 보이는 것으로 알려져 있다(Kwon, 2012). 참고로 통일분류법에 의하면 사질토는 조립토에 해당되며, 조립토는 세립분 함유율이 0∼49%까지를 포함한다. 연구대상 현장의 상부퇴적사질토 역시 모래와 세립분(실트질 또는 점토)의 비율에 따라 거동의 차이가 많을 것으로 예상된다.

그래서 본 연구에서는 낙동강 하구 델타지역의 상부퇴적사질토에 대한 물성시험과 직접전단시험 및 투수시험을 실시하여 이 지역 퇴적사질토의 물리적 특성과 세립분 함유율 및 상대밀도에 따른 전단강도와 투수 특성에 대한 기초적인 자료를 획득하고자 진행 되었다.

2. 연구대상 현장 지층 분포 현황

연구대상 현장의 지층분포 현황을 분석한 결과 크게 2개의 zone으로 구분된다. 낙동강과 인접한 zone 1의 경우 지표면에서부터 얕은 전답층, 상부퇴적사질토층, 점성토층, 하부퇴적사질토층으로 구성되며, zone 2의 경우 점토층 사이에 중간퇴적사질토층이 추가적으로 존재하는 것으로 조사되었다(Fig. 2). 기존에 연구된 낙동강 하구 인근 지역의 퇴적특성(Bak, 1998)의 연구결과와 비교해 보면 zone 2처럼 사질토층이 연약점토층의 상부와 하부에 존재하므로 zone 2가 이 지역의 퇴적특성과 유사하다고 할 수 있다.

기존자료 검토 결과(K-water, 2014), 상부퇴적사질토층의 분포심도는 4.0~13m를 이루며, 표준관입시험결과 N치는 3~12로 지역적 퇴적특성에 의해 불균질하게 분포하는 것으로 나타났다(Table 1 및 Fig. 3) 이것은 지역적 퇴적특성에 의해 발생된 것이라 판단된다. 통일분류법으로 분류한 결과 상부퇴적사질토는 주로 실트질 모래로 구성되어 있으며, 표준관입시험 결과를 이용하여 설계 시 내부마찰각은 25.0°, 점착력은 5.0을 적용하였다.

3. 상부퇴적사질토층의 물리적 특성 분석

3.1 심도별 물리적 특성

본 연구에서는 총 3개소에서 추가 시추조사를 수행하였다. 시추위치는 Fig. 2에 나타난바와 같이 zone 1에 해당된다. 모래 시료의 채취는 표준관입시험용 샘플러를 이용하여 채취하였는데 예상했던 바와 같이 모래라는 조립토의 특성 상 많은 시료를 얻는 데는 어려움이 많았다. 심도별 채취된 교란시료를 이용하여 물리적 특성을 먼저 분석하였다.

조사결과 상부퇴적사질토층은 전답층 및 하부연약접토층과 인접한 경계 부분에서는 세립분 함유량이 높은 것으로 조사되었으며, 그 외 구간(일부제외)에서는 5%내외의 세립분 분포를 보이는 것으로 조사되었다. 최대 세립분 함량은 BH-2의 상부연약점성토와 접하는 부분에서 나타났다. 또한 세립분 함량이 높은 위치에서 함수비가 크게 나타났다. 비중은 심도에 따라 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 전체 조사결과는 Table 2와 Fig. 4와 같다.

3.2 입도분포와 세립분 함량

모래의 전단강도와 투수계수 특성은 모래 입경의 크기에 영향을 받는다. 그러므로 상부퇴적사질토층의 입도분포가 어느 범위 내에 분포하는지에 관한 분석은 매우 중요하다.

이를 분석하기 위해 각 심도별 퇴적사질토의 입도분포 자료를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다. 그림에서 보면 상부퇴적사질토층의 경우 퇴적환경에 상관없이 주로 0.1∼0.4mm의 가는 모래가 주를 이루고 있다.

세립분 함량을 보면 1.03∼36.07% 범위에 존재한다. 특히 점토는 0.3∼7.8% 범위이다. 일반적으로 점토광물의 함량과 마찰각의 상관관계를 보면 점토광물의 함량이 증가할수록 전단강도가 낮아지므로 마찰각이 줄어드는 경향을 보인다(Tembe et al., 2010; Moon et al., 2015).

입도분포를 이용하여 배수재로서의 역할도 판단해 볼 수 있다. 일본의 규정은 Skempton이 제안한 입도분포로서, 샌드드레인재의 균등계수 , #200체 통과량은 3% 이하, 0.1∼0.84mm, 0.84∼5.0mm로 규정되어 있으며, 샌드매트재는 , 0.074∼0.84mm, 0.4∼5.0mm로 규정되어있다. 캘리포니아주의 시방규정은 Skempton이 제시한 드레인용 입도 분포곡선과 유사하나 통과량 5%이상에서의 입경을 비교적 크게 규정하고 있다.

일반적으로 국내에서는 일본지반공학회에서 제안한 입도분포곡선을 통해 샌드매트로써의 적용가능성을 평가하고 있어, 본 연구에서는 심도별로 채취된 퇴적사질토의 입도분포곡선을 상기의 규정에 적용하여 샌드매트로써의 적용가능성을 평가할 수 있다(Fig. 6). 검토결과 일부 구간의 경우 세립분 함유율이 20%이상으로 샌드매트 기준을 만족하지 못하나 세립분 함유량(5% 이하)이 낮을 경우 기준을 만족하는 것으로 검토되었다. 퇴적사질토층이 층후가 깊을 경우 수평배수층으로써의 기능을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단되나 이 부분은 향후 수치해석 또는 현장시험을 통한 압력수두 검토를 통해 확인이 필요하다.

3.3 세립분 광물 분석(XRD)

모래에 함유된 점토는 그 양뿐만 아니라 광물의 성분도 모래의 전단강도정수 결정에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 XRD에 의한 방법으로 이 지역 세립분의 구성요소를 분석하였다.

위치 및 심도에 따른 점토광물을 분석하기 위해 채취된 시료에서 200번째 통과된 시료에 대해 광물분석을 실시하였으며, 심도는 상, 중, 하 3구간으로 구분하여 조사하였다. 조사결과 위치 및 심도와 관계없이 전 구간에서 유사한 경향이 나타났으며, 주로 석영(Qtz.) 계열과 점토광물인 일라이트가 검출되었다. Fig. 7은 각 시추 홀별 대표시료에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.

점토광물은 그 광물성분에 따라 강도에 영향을 줄 수 있다. 카올리나이트는 비교적 안정한 광물이며, 몬모릴로나이트는 민감한 광물이고 일라이트는 중간의 특성을 가진다. 전단강도는 카올리나이트가 높으며, 일라이트, 몬모릴로나이트 순이므로(Olson, 1974), 연구대상 현장의 퇴적사질토에는 아주 소량의 일라이트 점토광물이 주로 포함되어 있어 모래의 전단강도에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

4. 상부퇴적사질토층의 전단강도와 투수 특성 분석

4.1 직접전단시험결과 및 분석

상부퇴적사질토층의 경우 직접전단시험을 위한 불교란 시료 채취가 기술적으로 어려워 교란시료를 재성형하여 시험을 실시하였다. 시험조건으로는 실제 지반조사결과 퇴적사질토층의 경우 느슨하게 퇴적되어 있으며, 세립분 함유율이 1.03∼36.07%로 본 실험에서는 상대밀도 20%, 30%, 40%, 세립분 함유율 0%, 5%, 10%, 15%를 기준으로 혼합하여 포화상태에서 직접전단시험을 수행하였다(Table 3).

시험은 변형률 제어방식으로 진행되었으며 시료가 모래인 점을 감안하여 직경의 1%/min의 속도로 변형을 가하였다. 시험은 파괴가 발생할 때까지 시행하는 것을 원칙으로 하였으며, 파괴 발생 후라도 변형률 10% 이상까지 변형을 가하며 전단응력과 수직변위를 함께 측정하였다. 각 시료에 대하여 세 가지 연직하중(68.6N, 137.2N, 205.8N)을 가하고 파괴 시 전단응력을 측정하여 각 시료의 전단강도를 구하였다.

직접전단시험 결과(Fig. 8) 상대밀도가 증가할수록 내부마찰각 및 점착력은 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 상대밀도의 증가에 따른 내부마찰각과 점착력의 증가는 그렇게 크지 않은 것으로 나타났다. 반면 세립분의 영향이 크게 나타났는데, 예상했던 바와 같이, 세립분 함유율이 증가할수록 내부마찰각은 감소하였으며, 점착력은 선형적으로 증가하는 경향이 나타났다(Fig. 8(c), (d)). 특히 세립분 함유율이 10%에서 15%로 증가할 때, 내부마찰각의 증가량 보다 점착력의 증가가 현저하게 나타났다. 세립분 함유율과 내부마찰각, 점착력의 상관관계를 통하여 다음의 식 (1), (2)을 제시하였다.

     (1)

       (2)

여기서 는 내부마찰각, 는 점착력, 는 세립분 함유량이다. 위 상관식은 상부퇴적사질토의 전단강도 특성을 세립분 함유율 및 상대밀도의 함수로 개략적으로 나타내기 위에 제시된 것이다.

4.2 투수시험결과 및 분석

퇴적사질토층은 자연 퇴적과정에 의해 수직 수평 투수계수가 위치와 심도에 따라 변화하며, 이를 평가하기 위해서는 위치별 투수시험이 수행되어야 한다. 그러나 퇴적사질토는 토질특성상 지표면을 제외하고 불교란 시료의 채취가 어려워 정확한 투수계수의 산정에 문제가 있다. 또한 지표면의 경우에도 세립분 함유율이 낮을 경우 진동에 의한 교란이 발생하여 정확한 투수계수를 평가하기 어렵다.

본 연구에서는 현장투수시험과 실내투수시험을 실시하여 그 결과를 종합적으로 분석하여 상부퇴적사질토층의 투수특성을 평가하였다.

4.2.1 현장투수시험

퇴적사질토는 흙의 특성상 불교란 시료의 채취가 곤란하여 불교란 시료의 실내투수시험이 불가능하다. 그러므로 현장에서 투수시험을 실시하여 퇴적사질토의 투수계수를 평가하는 것이 필요하다. 현장투수시험은 BH-1에서 2번 수행되었으며, 투수시험결과 Table 4와 같이 산정되었다.

4.2.2 실내투수시험

실내투수시험은 현장투수시험결과 대부분 투수성이 양호한 것으로 분석되어 정수위 투수시험장비를 활용하였으며, 시험과정은 직접전단시험과 동일한 상태의 시료를 재성형하여 수행하였다. 흙의 투수성은 세립분 함유율에 따라 크게 영향을 받는다. 그러므로 세립분 함유율은 흙의 투수성을 결정하는데 중요한 변수가 된다. 본 현장의 시추조사결과 심도에 따라 세립분 함유율이 다르게 분포하므로 이를 고려하여 본 연구에서는 세립분 함유율 및 상대밀도의 변화에 따른 퇴적사질토의 투수성을 분석하고자 한다.

Table 5는 실내투수시험 종류를 나타낸 것이고, 시험결과 Fig. 9와 같다. 시험결과 상대밀도 및 세립분 함유율이 증가할수록 낮아지지만, 세립분 함유율이 낮은 경우(10% 이하) 투수계수에 미치는 상대밀도의 영향이 존재하지만, 15%인 경우 상대밀도에 의한 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 즉 15% 이상의 세립분이 함유된 모래의 경우 투수계수는 상대밀도의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다. 세립분에 따른 투수계수를 구할 수 있는 식 (3)을 Fig. 9 (b)를 이용하여 다음과 같이 제시하였다.

    (3)

여기서 는 투수계수, 는 세립분 함유량이다. 위 상관식은 상부퇴적사질토의 투수 특성을 세립분 함유율 및 상대밀도의 함수로 개략적으로 나타내기 위에 제시된 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 낙동강 하구 델타지역의 상부에 넓게 분포하고 있는 퇴적사질토층의 기본적 물리적 특성과 세립분 함유량 및 상대밀도의 변화에 따른 전단강도와 투수계수 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)낙동강 하구 다른 지역과 유사하게 상부퇴적사질토층의 분포심도는 4.0∼13.0m의 층후를 이루며, 표준관입시험결과 N치는 3∼12로 매우 느슨한 상태로 분포한다. 통일분류법으로 분류한 결과 상부퇴적사질토는 주로 실트질 모래에 해당된다.

(2)상부퇴적사질토층은 전답토층 및 하부연약점토층과 인접한 구간에서 세립분 함유량이 높고, 그 외 구간(일부제외)에서는 5%내외의 세립분 분포를 가진다. 비중은 심도나 위치에 상관없이 거의 일정하게 나타났다. 상부퇴적사질토층의 경우 퇴적환경에 상관없이 주로 가는 모래로 분포하는 것으로 나타났으며, 전 구간에서 소량의 일라이트 점토광물이 검출되었다.

(3)재성형한 상부퇴적사질토 시료의 직접전단시험 결과 상대밀도가 증가할수록 내부마찰각 및 점착력은 증가하였으며, 하지만 상대밀도의 증가에 따른 내부마찰각과 점착력의 증가는 그렇게 크지 않은 것으로 나타났다. 반면 세립분 함유율의 영향이 크게 나타났는데 모래에 세립분이 증가할수록 내부마찰각은 감소하고 점착력은 선형적으로 증가하는 경향이 나타났다.

(4)상부퇴적사질토의 투수계수는 상대밀도 및 세립분 함유율이 증가할수록 낮아지지만, 세립분 함유율이 낮은 경우 투수계수에 미치는 상대밀도의 영향이 존재하지만, 세립분의 함유량이 증가하면 상대밀도에 의한 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.