1. 서 론
2. 실내모형실험
2.1 모형실험 장치 및 시료
2.2 모형지반 및 모형벽체 조성
2.3 실험 방법 및 내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 근접 굴착 진행에 따른 모형지반의 거동
3.2 굴착 이격거리에 따른 모형지반의 거동
3.3 근접굴착 깊이에 따른 관거의 변위
3.4 굴착면과 되메움부의 이격거리에 따른 관거의 변위
4. 결 론
1. 서 론
비약적인 산업발전과 과도한 도심지 인구집중 현상으로 인해 도시가 과밀화되고 건설과 재개발의 증가로 인하여 최근 도심지 굴착이 급증하고 있는 추세이며 도심지의 용지 부족 현상으로 최적의 토지 활용을 위해 인접 구조물에 근접한 굴착이 증가하고 있다. 이와 같은 밀집화된 도심지 굴착공사로 인해 인접 건물의 기능 손상, 지하 매설물의 파괴, 시공 중 토사 붕괴로 인한 피해가 심각해지고 이에 따른 막대한 인적·경제적 손실을 초래하고 있다(Lee, 2018). 특히, 다양한 목적과 기능을 담당하고 있는 지하 인프라 매설물의 경우 일반적으로 기존 포장의 제거 후 굴착과 다짐, 재포장의 공정으로 시공되기 때문에 시공 중이나 시공 후 주변 지반의 침하와 균열 등의 공학적 불안정성이 발생하기 쉽기 때문에 매설물 설치 후의 되메움 공정에 주의를 기울여야 한다(Lim and Park, 2009).
지하 인프라 매설물 설치 후 되메움부의 공학적 특성과 관련한 기존의 연구로는 매설물 뒷채움재료의 유동성과 다짐에 관한 연구(Park et al., 2004), 현장 매설관 개착으로 인한 포장에 미치는 문제점 조사(Jensen et al., 2005) 등이 있으며, 설치된 지하 인프라 매설물의 거동에 주목하여 수행된 연구로는 차량 하중을 받는 연성관의 거동 특성에 관한 실험적 연구(Lee et al., 2002), 관로 이격거리에 따른 연성관의 거동특성 연구(Lee et al., 2003), 다짐 풍화토 지반에 매설된 매설관의 지표 상재하중으로 인한 매설관의 변형해석(Park et al., 1998), 표준화된 열차하중을 통해 열차 하중별 특성 및 주변 지형 등이 매설관에 미치는 영향에 관한 연구(Yoo et al., 2008), 지중 매설관에 작용하는 토압에 관한 연구(Hong and Kim, 2010) 등이 있다. 그러나 이러한 연구 성과들은 양질의 토사를 이용하여 지하 매설물 주위를 적절히 다짐하여 되메움부를 구축하였을 경우에 대한 지반 거동 특성을 나타내기 때문에 보다 합리적인 되메움부의 공학적 특성 파악을 위해서는 시공상의 불량다짐 문제를 해결하는 실용적인 노력과 함께 검토되어야 한다.
최근에는 지하 매설물 설치 후 되메움부의 공학적 안정성을 증가시키기 위해 기존의 일반적인 토사 대신 유동성 채움재(CLSM)를 되메움 재료로써 활용하는 사례가 증가하고 있다(Byun et al., 2009). 특히, 지하 매설물에 근접한 현장에서 굴착공사가 진행될 때 지반의 변형으로 인한 매설물의 안정성에 미치는 영향을 최소화 하기 위해서 적극적으로 CLSM의 적용이 검토되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 근접 굴착을 모사한 일련의 실내모형실험을 실시하여 지하 매설물 설치 후 CLSM으로 되메움한 경우의 지반 안정화 효과와 함께 지하 매설물의 거동특성을 분석하고자 하였다.
2. 실내모형실험
2.1 모형실험 장치 및 시료
본 연구에서는 근접굴착에 따른 지반과 지하 매설물의 거동을 평면변형률 조건으로 모사하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 일반적인 굴착현장과 매설관 규모에 대한 1/10의 축소율을 상정한 모형실험장치를 이용하여 실험을 실시하였다. 모형토조는 철재 프레임과 투명 아크릴을 이용하여 폭 0.15m, 가로 0.75m, 높이 0.7m의 크기로 제작되었으며, 아크릴 판 전면에 Guideline 필름을 부착하여 정밀한 규격의 모형지반을 조성할 수 있도록 하였다.
본 연구를 위한 모형지반은 주문진 표준사를 사용하여 조성하였고, 지하 매설물 주변의 되메움 재료는 주문진 표준사 및 CLSM을 적용함으로써, CLSM에 의한 지반 안정화 효과를 평가하였다. 모형실험에 사용된 주문진 표준사의 물리적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다.
Table 1.
Physical properties of sand
| Gs | emax | emin | D10 | D30 | D60 | Cu | Cg |
| 2.64 | 0.87 | 0.58 | 0.17 | 0.30 | 0.63 | 3.71 | 0.84 |
2.2 모형지반 및 모형벽체 조성
모형지반의 상대밀도를 결정하기 위하여 최소 및 최대 건조단위중량 시험을 수행하였으며, 시험결과를 이용하여 모형실험 장치에서의 원활한 모형지반 조성을 위한 상대밀도(54.2%)를 적용하였다(Fig. 2). 모형지반은 실제 현장의 지하 매설물(매설관)의 매설심도, 매설관의 직경, 되메움 구간, 굴착 깊이, 이격 거리를 1/10 비율로 축소하여 조성하였고, 모형 매설관의 지름과 매설심도는 각각 0.06m 및 0.15m이다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이, 매설관 주변에 되메움되는 CLSM을 모사하기 위하여 모형 CLSM을 제작하였다. 즉, CLSM 타설을 위한 거푸집(0.1m×0.23m×0.15m)을 제작하여, 일정한 배합비율(CLSM:물=10:9)을 적용한 CLSM 슬러리를 제조하였다. 그리고 거푸집 하단부에 지하 매설관을 모사한 모형 관거(D=0.06m)를 설치한 후, CLSM 슬러리를 충진하여 5일간 양생하였다.
또한 근접 굴착에 따른 지반 안정화 및 매설관의 거동을 분석하기 위하여, 모형지반과 매설관의 굴착단계(1단계~5단계)별 변위를 확인할 수 있도록 스티로폼을 이용하여 분리가 가능한 모형 벽체를 제작하였다(Fig. 4).
2.3 실험 방법 및 내용
실험방법은 Fig. 5에서 보는 바와 같다. 먼저, 모형토조를 수평으로 눕히고 전면 아크릴판을 제거한 후, 토조 내부에 150mm 높이의 스티로폼을 설치하고, 전면 아크릴판의 재조립과 모형지반 및 벽체 조성의 정확성을 위한 Guideline 필름을 부착한다. 그리고 Guideline 필름에 표시된 위치에 모형 벽체를 단계별로 설치하여 토조를 원위치한 후, 모형 벽체 내측에 일정 낙하고(150mm)를 유지하며 모래를 포설하여 상대밀도 54.2%의 모형지반을 조성한다. 모형지반 조성 중, 실험에서 발생되는 지반의 변형을 시각적으로 관측하기 위해 2mm 두께의 검정 색사를 수평 방향으로 포설(상방향 30mm 간격으로 총 6층 형성)한다. 모래의 자유낙하 포설을 통한 모형지반 조성 중 계획된 위치에 직경 60mm의 모형 매설관을 설치하고, 모형지반 조성 완료 후 모형지반 상단부의 전면 아크릴판에 마스킹 테이프를 수평으로 부착하여 포장층 경계를 표시한다. 이때, CLSM으로 되메움하는 경우에는 모형 매설관을 포함하여 사전에 제작한 모형 CLSM 되메움부를 계획된 위치에 안착 후 모형지반을 조성한다.
마지막으로 토조 정면으로부터 450mm 지점에 변위양상 관측을 위한 촬영용 카메라를 설치한 후, 단계별 굴착을 모사하기 위한 모형 벽체를 제거하며, 단계별 벽체 제거 후 파괴된 모래지반의 안식각 확인 및 모형지반과 매설관의 변위 거동을 관측한다.
본 연구의 목적은 근접 굴착에 의한 기존 매설관의 거동특성을 평가하기 위하여, 되메움 재료의 종류와 근접 굴착면의 이격거리 차이에 따른 모형지반과 매설관의 변위 양상을 분석하는 것이다. 이에 실험에서 분리형 벽체를 단계별로 제거함으로써 모사되는 굴착의 최종단계는 모형지반 및 매설관의 극단적인 변위 발생이 예상되는 단계까지 설정(모래 되메움의 경우 5단계, CLSM 되메움의 경우 6단계 굴착 실시)하였다. 그리고 모형지반의 변위가 급격히 증가할 것으로 예상되는 굴착 단계부터는 굴착 깊이(모형 벽체 높이)를 30mm로 감소시켜 세밀한 모형지반의 변위 양상을 분석하고자 하였다. 실험내용은 Table 2에서 보는 바와 같다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 근접 굴착 진행에 따른 모형지반의 거동
Fig. 6과 Fig. 7은 각각 모래와 CLSM으로 되메움된 지반에 대해서 이격거리가 없는 경우에 대한 단계별 굴착 깊이에 해당하는 모형 벽체를 순차적으로 제거하면서 모형지반을 촬영한 모습을 나타내고 있다. 모래 되메움 지반의 경우, 단계별 벽체 제거 시마다 배면 토사의 붕괴가 발생된 후 일정한 사면 각도를 이루며 안정화되고 있으나 벽체 제거가 진행될수록 모형지반과 매설관의 변위가 미세하게 증가하면서 5단계 벽체 제거 시 큰 변위가 발생됨을 알 수 있다. 한편, CLSM 되메움 지반의 경우, 5단계 벽체 제거까지는 모형지반의 변위는 발생하지 않았으며, CLSM 개량 심도 이하의 벽체를 제거하는 과정(6단계)에서 CLSM 개량체의 전도와 함께 급격한 모형지반의 변위가 발생됨을 알 수 있다.
3.2 굴착 이격거리에 따른 모형지반의 거동
Fig. 8과 Fig. 9는 모래와 CLSM으로 되메움된 지반에 대해서 근접굴착 5단계 즉, 굴착 깊이가 240mm인 경우에 대한 굴착 이격거리에 따른 모형지반의 거동 양상을 나타내고 있다. 먼저, 모래로 되메움된 경우, 촬영된 사진의 분석 결과로부터 배면 토사의 붕괴 사면 각도는 약 36°로 확인되었으며, 이는 실험조건을 고려해 볼 때 일반적인 토사의 안식각으로 판단되었다. 또한 일반적으로 건조된 모래의 안식각은 내부마찰각과 유사하다고 알려져 있으므로 본 실험에서 조성된 모형지반의 내부마찰각은 약 36°로 추정할 수 있다. 그리고 모형지반 조성 시 매설관 상·하부에 30mm 간격으로 포설한 색사층을 관찰한 결과, 굴착면으로부터의 이격거리가 증가할수록 굴착에 따른 모형지반과 매설관의 변위량이 감소됨을 알 수 있었다.
한편, 동일한 굴착 깊이(240mm)에서 CLSM 되메움의 경우, 굴착 이격거리에 관계없이 모형지반과 매설관의 변위는 거의 발생하지 않았다. 그리고 모형 벽체와 CLSM 되메움부의 이격거리가 있는 경우(CLSM-3, CLSM-6)에서는 벽체와 CLSM 되메움부 사이에서 토사의 붕괴가 발생된 후 약 36°의 사면각을 이루며 안정화되는 것을 알 수 있었다.
Fig. 10은 CLSM으로 되메움된 지반에 대해서 근접굴착 6단계(굴착 깊이 270mm) 경우의 굴착 이격거리에 따른 모형지반의 거동 양상을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 5단계에서는 모형지반의 변위가 거의 발생하지 않았으나 6단계에서는 모형지반과 매설관의 변위가 관찰되었으며, 특히 이격거리가 없는 경우(CLSM-0)에서는 CLSM 되메움부의 전도와 함께 급격한 모형지반의 변위가 발생하였다.
3.3 근접굴착 깊이에 따른 관거의 변위
Fig. 11은 모형실험에서 계측한 근접굴착 깊이에 따른 매설관의 변위 거동을 분석하기 위하여, 굴착 깊이와 관거의 수평 및 연직 변위 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 굴착 정도는 되메움부의 깊이(d)에 대한 굴착 심도(z)의 상대적인 값으로 표현하기 위해 무차원화 하였다.
먼저, 수평변위에 있어서, 모래 되메움의 경우는 3단계, CLSM 되메움의 경우는 5단계 굴착부터 매설관의 미소한 수평변위가 발생하였다. 모래와 CLSM 되메움 모두 굴착면으로부터의 이격거리가 없는 경우에서 매설관의 최대 수평변위가 발생하였는데, 모래 되메움의 경우는 5단계, CLSM 되메움의 경우는 6단계 굴착 시에 최대 수평변위가 발생(모래 되메움의 경우에서 약 3배의 수평변위 발생)하는 것으로 분석되었다.
연직변위에 있어서, 모래 되메움의 경우는 4단계, CLSM 되메움의 경우는 5단계 굴착부터 매설관의 미소한 연직변위가 발생하였다. 그리고 수평변위 분석결과와 동일하게 모래와 CLSM 되메움 모두 굴착면으로부터의 이격거리가 없는 경우에서 매설관의 최대 연직변위가 발생하였고, 모래 되메움의 경우는 5단계, CLSM 되메움의 경우는 6단계 굴착 시에 최대 연직변위가 발생(모래 되메움의 경우에서 약 1.3배의 연직변위 발생)하는 것으로 분석되었다.
3.4 굴착면과 되메움부의 이격거리에 따른 관거의 변위
동일한 굴착 깊이(240mm, 5단계 굴착)에서 굴착면과 되메움부의 이격거리에 따른 모형 관거의 변위 거동을 분석하기 위하여, 벽체로부터 매설관의 이격거리에 따른 수평 및 연직 변위 관계를 Fig. 12와 같이 나타내었다.
모래 되메움의 경우 굴착면과 되메움부의 이격거리가 없는 경우에 매우 큰 수평변위가 발생하였으며, 이후 이격거리의 증가에 따라 수평변위가 감소되는 것으로 분석되었다. 그리고 CLSM 되메움의 경우에는 굴착면과 되메움부의 이격거리에 관계없이 매설관의 수평변위가 거의 발생되지 않은 것을 알 수 있었다.
벽체로부터 매설관의 이격거리에 따른 연직변위의 경향은 수평변위와 유사한 것으로 확인되었다. 즉, 모래 되메움의 경우 굴착면과 되메움부의 이격거리가 없는 경우에 매우 큰 연직변위가 발생하였으며, 이후 이격거리의 증가에 따라 연직변위가 감소되는 것으로 분석되었다. 그리고 CLSM 되메움의 경우에는 굴착면과 되메움부의 이격거리에 관계없이 매설관의 연직변위가 거의 발생되지 않은 것으로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 도심지 근접굴착으로 인한 기존 지하 인프라 매설물의 변위 발생에 미치는 되메움 재료 종류의 영향을 검토하기 위하여 일련의 실내모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 기존 매설관 주변의 되메움 재료를 일반 토사(주문진 표준사)와 CLSM의 두 가지 경우로 분류하여 굴착면과 되메움부의 이격거리에 따른 굴착 단계별 매설관의 변위 양상을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 토사로 지하 매설관 주변을 되메움 한 경우, 굴착으로 인한 배면의 토사가 붕괴한 후 일정한 각도(토사의 안식각)를 이루며 사면 안정화가 이루어지는 과정이 굴착 단계마다 반복되며, 토사의 붕괴선이 매설관 설치 위치를 지나게 되는 굴착 단계에서 매설관의 변위가 발생하기 시작함을 알 수 있었다. 이는 토사의 안식각으로 결정되는 굴착 배면 토사의 붕괴선이 매설관 설치 위치를 지나게 되면 주변의 토사 붕괴와 함께 매설관의 급격한 변위가 발생한다는 점을 시사하고 있다. 따라서 굴착면과 되메움부의 이격거리가 증가할수록 깊은 굴착 심도에서 매설관의 변위가 발생하기 시작하고 그 변위량이 감소하는 금번의 실험 결과가 도출되었다고 판단된다.
(2) CLSM으로 지하 매설관 주변을 되메움 한 경우, 굴착면과 CLSM 되메움부의 이격 거리와 관계없이 되메움 심도까지 근접 굴착이 진행되어도 모형지반의 변위는 거의 발생하지 않음을 알 수 있었다. 한편, 되메움 심도 이상의 굴착이 진행된 경우, 이격거리가 없는 경우에서는 되메움부와 매설관의 급격한 변위가 발행하였으나, 이격 거리가 증가될수록 그 변위는 감소됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 CLSM으로 되메움부를 개량한 경우 CLSM의 자중으로 인한 횡토압 저항력과 개량체 저면의 연직지지력에 기인한 것으로 판단된다.
(3) 모형실험에서 계측한 굴착깊이에 따른 매설관의 수평변위와 연직변위는 모래 되메움의 경우에서 CLSM 되메움의 경우보다 크게 발생했으며 굴착면과 되메움부의 이격거리가 증가할수록 그 변위는 감소함을 알 수 있었다. 또한, 되메움 심도와 동일한 굴착 깊이에서 이격거리에 따른 매설관의 최대 수평변위와 연직변위를 비교·분석한 결과, 모래 되메움의 경우 이격거리가 감소할수록 수평과 연직변위가 급격히 증가하였으나, CLSM 되메움의 경우 이격거리에 관계없이 매설관의 수평과 연직변위는 거의 발생되지 않음을 알 수 있었다.
상기의 결과를 바탕으로, 도심지 기존 인프라 매설물의 근접 굴착 시 지반변위 발생으로 인한 매설물의 구조적 위험성을 선제적으로 저감시키기 위해서는 매설물 설치 후의 되메움 재료를 선택함에 있어서 일반적인 토사보다는 CLSM과 같은 비교적 자중과 강성이 큰 재료를 선택함으로써 근접 굴착으로 인해 발생되는 횡토압에 대한 저항과 원지반의 붕괴 억지 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
