1. 서 론

연약지반개량공법에서 점토지반 압밀을 촉진하여 공기(工期)를 단축시키는 공법으로 널리 적용되는 연직배수공법에는 합성고분자 제품인 수직배수재(Prefabricated Vertical Drain, PVD)가 사용되고 있다. PVD 설치를 통해 배수거리를 단축시켜 연약지반 내부의 과잉 간극수를 신속하게 배출시키는 원리로 그 기능성과 경제성을 인정받아 세계적으로 널리 보급되어 있다(Onoue, 1988; Shin et al., 2007; Lee, 2012; Bo, 2004). PVD를 지중으로 타입하여 지중의 과잉 간극수를 지표면으로 배출시키는 연직배수공법은 배출된 간극수를 제체 외부로 배수하는 수평배수공법이 동반된다(Lee and Oh, 2013).

기존 수평배수공법(Lee and Noh, 2013; Lee et al., 2008)은 모래와 쇄석골재를 사용한 수평배수층(Horizontal Drainage Layer, HDL) 매트가 사용되었지만, 천연자원의 고갈과 환경파괴 및 가격 상승으로 인한 수급의 어려움 등의 이유로 저가의 천연섬유 소재를 이용한 파이버 매트(Fiber mat)가 적용된 바 있다. 이는 모래 또는 쇄석골재 매트를 대체할 수 있는 친환경 수평배수재로 주목을 받았다(Cho, 2008; Cho et al., 2008). 주로 황마(Jute) 필터와 야자섬유를 직조하여 제직하고, 압축한 매트로 구성된 마섬유 제품과 볏짚을 이용한 볏짚섬유 배수재 등이 있으며, 수평배수 기능을 완료한 후에는 지중에서 분해되는 친환경 제품으로 분류되었다. 그러나, PVD의 연결부위 이탈에 따른 배수유로의 절단 가능성과 상재하중으로 인해 배수성능이 급격히 저하되는 단점 및 시공장비의 주행을 위해 별도의 복토층 포설이 필요한 문제 등으로 인해 현재 거의 사용되고 있지 않다.

최근 수평배수층 매트와 화이버 매트 제품은 기능성과 배수효율, 경제성 및 품질과 공급 안정성 등이 입증된 합성수지 제품인 수평배수재(Prefabricated Horizontal Drain, PHD)로 대체되고 있다. PHD는 압출성형 방식을 통해 생산된 플라스틱 코어재(core)를 부직포 필터재(filter)가 감싸면서 포켓(pocket) 형상의 상하 두겹으로 접착되는 생산공정으로 제조된다(Kim et al., 2002). 코어재와 필터재는 각각 간극수 배출의 배수유로 역할과 코어재 내부로 미세한 세립토가 유입되는 것을 막고 제어하는 역할을 한다. 코어재 단면구조와 필터재는 그 형태와 종류가 다양하며, 상재하중의 압력을 견딜 수 있는 기계적 물성과 배수성능 및 유효구멍 크기 등을 충족해야 한다(Kim and Kim, 2012).

수직배수재(PVD)와 수평배수재(PHD)의 일반적인 연결방법은 PVD가 PHD 상부에 거치, 고정되는 상부거치식으로 설치된다. 점토지반의 압밀이 진행되는 동안 PVD 끝단부는 사실상 노출되기 때문에 세립토에 의해 막힐 수 있고, 간극수 배출이 이루어져도 PHD 외피인 필터재를 투과, 간극수가 PHD 내부유로를 통해 온전히 배출되는 것은 사실상 어려워지면서 유실이 발생한다(Park et al., 2018).

이러한 PHD 제품의 배수성능 문제점을 개선하고 그 기능이 업그레이드한 제품으로, 날개편(wing)을 가진 날개형 수평배수재(Wing Horizontal Drain, WHD)가 개발되고 있다(Lee and Oh, 2020; Park and Cho, 2021). WHD 제품은 PVD를 코어재 내부로 직접 삽입, 고정시키는 날개편을 가지는 구조이며, 간극수 유실이 없고 배수성능을 극대화할 수 있어 조기 압밀 및 공기 단축 효과가 기대된다. 또한, 소재 측면에서도 국내외시장에서 PHD와 WHD 코어재로 신재 PP(Virgin polypropylene, V-PP)를 선호하였으나, 최근 미국-이란전쟁에 따른 PP 가격상승과 친환경 소재의 사용 권장에 따라 재활용 PP(Recycle PP, R-PP)의 적용 여부를 적극 검토하고 있어 사용 증가가 예상된다.

본 연구에서는 WHD 생산시스템 설비공정을 새로이 설계, 제작하고 V-PP와 R-PP를 활용한 산형(山形)격자 구조를 가진 코어재 제조방법 및 날개편과 필터재(본편)를 초음파 접착하는 제조방법을 적용해 WHD 시제품 개발과 물성 평가를 수행하였다. 또한, 새로운 배수성능 시험장치를 제안하여 기존 <PHD+PVD> 일체화 공법(상부거치식 배수공법) 대비 <WHD+PVD+날개편> 일체화 공법(직접삽입식 배수공법)에 대한 배수성능의 비교 분석을 통해 새로운 수평배수공법을 제안하였다.

2. 일체화 배수공법의 문제점과 개선 방안

2.1 <PHD+PVD> 일체화 공법(상부거치식 배수공법)

PVD를 통해 지표면으로 올라온 간극수를 HDL 매트를 통해 배출하는 초기 수평배수공법은 현재 자원고갈과 환경문제, 가격상승 발생 등으로 적용 사례가 급감하고 있다. 또한, 수평배수되는 과정에서 유실된 간극수가 지중으로 재흡수되면서 초기 압밀효과가 충분하지 못하였다.

이를 개선하고자 개발된 합성수지 제품인 <PHD+PVD> 일체화 공법은 PVD를 PHD 위에 단순, 거치하고 고정하는 상부거치식 배수공법(Fig. 1)으로, HDL 매트 대비 간극수의 배수유량을 증가하는 효과를 가져왔지만, 지반 내부로 유실되는 간극수도 많았고 효율적인 배수성능을 나타내지 못하였다.

Fig. 1

Integrated method of <PHD+PVD> : Top-fixed drainage method

상부거치식 배수공법(Top-fixed drainage method)의 수평배수 메카니즘을 보면, PVD를 통해 배출된 간극수는 PHD의 필터재를 투과한 다음, 코어재인 배수유로에 도달한다. 실제 시공 현장에서는 지표상에 노출된 PVD 끝단부는 PHD 상단부에 설치되는데 이때 필터재를 직접 통과하지 못한 간극수는 PHD 코어재(배수유로)로 온전히 유입되지 못하고, 지반 내부로 재흡수되면서 지반 함수비 상승과 압밀지연이 발생한다. 동시에 PVD 끝단부에서 세립토 입자들이 끼면서 배수효율이 저하되는 악순환이 발생한다. 상부거치식 배수공법(Fig. 2)은 간극수 일부만 PHD 코어재로 배출되어 간극수 유실방지를 위한 PHD 제품의 구조 개선이 필요하였고 새로운 공법을 고안하게 되었다(Cho, 2022).

Fig. 2

Integrated method of <PHD+PVD> : Actual construction site

2.2 <WHD+PVD+날개편> 일체화 공법(직접삽입식 배수공법)

직접삽입식 배수공법은 Fig. 3과 같이 WHD의 날개편 하단부를 PVD 폭만큼 절개하고, PVD를 코어재(배수유로)에 직접 삽입한 다음, 세립토가 코어재 내부로 들어가지 않도록 날개편으로 삽입구를 덮고 <WHD+PVD+날개편>을 일체화해 시공하는 방식이다. 지중 간극수를 직접 WHD 코어재로 전달하기 때문에 배수효율을 극대화하고 신속하게 배출할 수 있어 조기압밀을 기대하는 배수공법이다.

Fig. 3

Method of inserting and securing PVD under wing section

Fig. 4는 WHD 구조 및 PVD와의 일체화 형태를 나타낸 것이다. 날개편은 PVD가 WHD 코어재 내부에서 고정되게 하고 상부 세립토가 코어재 내부로 들어가는 것을 방지함으로써, 직접삽입식 배수공법은 간극수를 완전히 코어재(배수유로) 내부로 전달하며, 세립토의 유입 없이 간극수의 수평배수를 지속적으로 유지하는 방법이라고 할 수 있다. 따라서, WHD 제품은 기존 HDL(모래와 쇄석골재) 매트와 PHD 제품을 대체하고, 시공시 발생하는 배수불량의 문제를 확실히 개선할 수 있다.

Fig. 4

Main components of WHD and integrated method of <WHD+PVD+wing>

3. 제조방법과 물성평가

3.1 제조공정과 생산조건

3.1.1 제조공정

새로이 제작된 WHD 공정순서는 판상 코어재 압출(압출기) → 산형격자 코어재 성형(로울러 성형장치) → 날개편 1 공급 → 필터재에 날개편 1 접착(초음파 접착장치Ⅰ) → 가이드부 통과 → 날개편2 접착(초음파 접착장치Ⅱ) → 형태안정화(인출로울러) → WHD 권취(권취 장치) 순으로 구성된다.

핵심공정은 코어재 성형공정과 날개편을 접착시키는 날개편 1, 2 접착공정이다. 구체적으로 압출기를 통해 토출된 판상형 PP 수지는 코어재 성형장치에 의해 산형격자 단면을 가진 코어재로 성형된다. 날개편 1은 초음파 접착장치Ⅰ에 의해 필터재(본편) 뒤쪽에 열접착되어 뒤집어져 가이드부로 공급한다. 날개편 2는 필터재(본편) 자체에서 생성되는데 여유 폭을 주면서 복합가이드에서 오버래핑되어 날개편 2를 형성하고, 초음파 접착장치Ⅱ에 의해 필터재(본편)와 접착시켜 날개편 2를 제작한다. 계속해서 인출로울러를 통과해 WHD는 안정된 구조를 가지며 권취장치를 통해 최종제품이 생산된다.

Table 1은 양방향 날개편을 가진 WHD 공정순서에 따른 작업내용을 나타낸 것으로, 날개편 1 공급과 초음파 접착장치Ⅰ을 생략하면 한방향 날개편을 가진 WHD 생산공정으로 전환된다.

Table 1

Process sequence and details of WHD production

Process sequence		Process Details
①	PP resin extrusion for core part of WHD (Extruder)	Extruding sheet-like PP resin from an extruder to produce core of WHD
②	Core production (Core forming device)	Manufacturing mount-shaped() core using core forming device
③	Wing 1 and filter supplying (Wing 1 & filter supply device)	Supplying Wing 1 to back-side of filter (with predetermined width)
④	Ultrasonic bonding b/w wing 1 & filter (Ultrasonic bonding device I)	Thermal bonding wing 1 to the filter using the ultrasonic bonding device I and transferring it to guide section. Filter serves as surrounding the core and simultaneously as wing 2
⑤	Passage to guide devices (Semi-circular & composite guide)	The filter with wing 1 is quickly supplied to ultrasonic bonding device II through the guide. This filter is used in a structure that surrounds the core from the outside.
⑥	Ultrasonic bonding of overlapped wing 2 to the filter (Ultrasonic bonding device II)	Wing 2 (overlapped filter part) is ultrasonically bonded to the filter, which is a technology that bonds wing 2 (formed on the filter itself) to the filter
⑦	Withdrawal device	It’s possible to produce WHD with a stable structure through withdrawal rollers
⑧	Winding device	Winding WHD product to a specified length and package it

3.1.2 생산 조건

WHD 제품은 코어재와 필터재 및 날개편 조합으로 이루어지며 WHD 물성은 제품시방서 기준을 만족해야 한다. Table 2는 코어재와 필터재 소재 사양으로, 기존 PHD에 적용되고 있는 소재인 범용성 PP 수지, 스펀본드 부직포와 동일하며 날개편은 필터재와 같은 소재이다. 코어재 원료인 V-PP(virgin PP)와 R-PP(recycle PP) 수지는 각각 P사, D사에서 생산된 소재이다. 특히, R-PP는 MI(용융지수)의 범위를 축소해 코어재 물성 변화를 최소화하였다. 필터재인 PP와 PET 스펀본드 부직포는 등방성으로, 각각 Dupont(룩셈부르크)와 코오롱 인더스트리㈜ 소재를 사용하였다.

WHD 시제품은 Table 2와 같이 코어재 2종과 필터재 2종을 조합해 4종을 생산하였고, 이를 기준으로 한방향과 양방향 날개편을 가지는 최종 8종을 생산하였다. 이때 코어재 원료 2종에 대한 실린더와 다이스의 최적 온도는 생산성과 성형성을 고려해 선정하였다. 구체적으로, V-PP와 R-PP 코어재의 실린더와 다이스의 압출 온도는 각각 190∼225℃와 225℃ 및 185∼215℃와 215℃를 선정하였고, 성형로울러 음각에 들러붙지 않는 조건에서 안정적인 생산속도(4.0m/분)를 얻었으며 성형성은 우수하였다.

WHD 제품과 날개편 폭은 각각 200mm와 90mm이며 2열 초음파 열접착 조건으로 생산하였다.

3.2 WHD 구조형상

Fig. 5는 WHD 시제품의 구조형상을 나타낸 것으로 산형격자 코어재와 필터재 및 날개편의 조합으로 구성된다. 날개편은 한방향에서 WHD 코어재(배수유로) 내부로 PVD를 삽입하는 경우와 좌우 양방향에서 삽입하는 경우로 구분된다.

Fig. 5

Structural shape of WHD products

3.3 WHD 물성 평가

3.3.1 시험방법

WHD 제품의 주요 물성으로는 인장강도와 배수성능이 핵심이며, 각각 ASTM D 4595 시험법(Tensile properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip method, 광폭시험법)과 ASTM D 4716 시험법(Determining the(In-plane) flow rate per unit width and hydraulic transmissivity of a Geosynthetic using a constant head : 정수두법에 의한 단위폭당 수평 배수성능)이 적용되고 있다.

일반적으로 배수성능을 평가하는 시험장비는 가압 실린더에 장착된 폼베딩(foam bedding)에 의해 시험편을 직접 가압해 압력과 수두차 조건 변화에 따른 배수성능을 측정한다. 구체적으로 ASTM D 4716 배수성능 시험장치는 시험편을 장치 중앙에 설치한 뒤, 가압 실린더를 통해 직접 가압한 다음, WHD의 코어재 단면구조를 통과하도록 일방향으로 시험수를 공급한다. 이는 가압조건에 따른 통수능력(배수성능)을 측정할 수 있게 고안된 구조이며, 단면구조가 파괴되지 않는 가압조건에서 코어재 단면적이 클수록 배수성능에 유리하다. 따라서, ASTM D 4716 시험법은 실질적으로 일체화 공법을 통한 간극수 흐름의 원리와 기능이 반영되지 않은 규격으로 새로운 시험장치 개발이 필요하다.

3.3.2 코어재와 필터재의 사양과 주요 물성

Table 3은 WHD 시제품 생산에 적용된 코어재와 필터재 물성을 평가한 것으로, 시험법은 기존 PHD에 적용되는 시험법과 동일하며, 국내외 시공현장에서 공통적으로 적용되는 시험법이다. 일정한 2∼3 종류의 스크랩(Scrap)에서 생산한 R-PP 코어재는 V-PP 코어재 대비 중량과 두께 및 인장특성에서 큰 차이가 없고 약간 연성을 나타내었다. 균일한 수준의 R-PP 코어재는 V-PP 코어재와 거의 동등한 물성을 보유하고 있고, 연성 특성은 소량 혼용된 PE(Polyethylene) 특성에 기인하는 것으로 보인다.

3.3.3 WHD 사양과 주요 물성

Table 4는 WHD 시제품 사양과 주요 물성인 인장강도와 배수성능을 나타낸 것으로, 인장강도는 S1∼S4 경우가 S5∼S8 대비 큰 차이는 없지만 약간 높은 경향을 보인다. 또한, 양방향 날개편의 WHD 인장강도는 보강된 날개편의 영향으로 한방향 WHD보다 높은 인장특성을 나타내었다.

PP S/N는 인장강도가 PET S/N보다 낮음에도 불구하고, 동일한 코어재를 대상으로 WHD의 인장강도는 PP S/N 필터재를 조합한 경우가 PET S/N 대비 4.0∼7.4% 높게 나타났으며, 이는 PP S/N와 PET S/N를 사용한 WHD의 절단시 파단거동을 파악할 필요가 있다.

Fig. 6은 양방향 날개편을 가진 WHD의 파단 직전 사진으로, 절단하중에 가까운 외력이 작용할 때, PP S/N는 다양한 형태의 횡방향으로 전면에 걸쳐 동시에 절단되면서 외력에 대해 전체적으로 저항하는 반면에, PET S/N는 날개편의 접착부분에서 파단이 시작되면서 절단시 인장강도에 도달하기 전에 파단되어 WHD의 인장강도 감소에 영향을 주는 것으로 보인다.

Fig. 6

Fracture pattern of filter just before breaking failure of WHD product

Fig. 7은 WHD의 절단시 인장강도와 배수성능을 나타낸 것으로, 배수성능은 코어재 원료에 따른 차이보다는 두께 영향이 컸으며 두께가 증가할수록 배수성능은 증가하는 경향을 나타내었다. 즉, 압력 300kPa과 동수경사 0.1의 가압조건에서 산형격자 단면구조를 가진 WHD 코어재(8종)는 무너지지 않고 그대로 유지되는 안정된 구조를 나타내었다. 본 연구에서 생산한 WHD 시제품 8종은 현재 WHD 시방서에서 요구되는 주요 물성인 인장강도(ASTM D 4595) 8kN/20cm(전폭)과 배수성능(ASTM D 4716, 300kPa, i=0.1) 3,500cm³/s 이상을 충분히 만족하는 결과를 나타내었다.

Fig. 7

Tensile strength and water discharge capacity of WHD product

최근에 다발관 대체와 터널 배면용, 골프장 배수용으로 배수성능을 극대화한 대용량 수평배수재의 제품개발이 요구되고 있는 사실을 고려할 때, WHD 코어재의 두께 증가를 통한 배수성능 증대는 필요한 연구과제이다.

4. 새로운 배수성능 시험법 제안

4.1 시험장치

3.3.1절에서 언급한 ASTM D 4716 시험법은 일반적인 지반신소재의 배수성능 측정에 관한 시험규격으로, 실제 현장에서 적용되는 <PHD+PVD> 또는 <WHD+PVD+날개편> 일체화를 통한 간극수의 흐름 원리를 반영하고 있지 않아 일체화 공법을 적용한 새로운 배수성능 시험장치 고안이 필요하다. 구체적으로 ASTM D 4716 시험법은 시험수가 수평으로 공급될 때, 가압 조건에서 코어재 단면구조가 파단되는 정도에 따라 수평으로 투과하는 시험수 양(배수성능)을 측정하는 방법으로, 코어재 단면구조와는 상관없이 모든 단면적에서의 배출되는 시험수 양을 측정하지만 실제 현장에서는 일부 단면에서만 배수성능이 이루어진다. 따라서 ASTM D 4716은 실제 배수성능을 평가하는데 한계가 있다. 따라서 일체화 공법에 따른 코어재 단면구조와 연관된 실제 간극수 흐름과 성토층에 의한 상재하중 및 세립토에 의한 막힘 등의 현장 조건을 구현한 새로운 수평배수재의 배수성능 시험장치를 Fig. 8과 같이 고안해 제작하였다. 향후 이 새로운 시험법과 ASTM D 4716의 비교 연구와 함께 가압조건과 시공 현장과 동일한 토사 선정 조건에 대해서도 추가적인 보완이 필요하다.

Fig. 8

A newly designed test equipment and component devices for water discharge capacity

배수성능 시험장치는 크게 메인실린더, 수두차 조절부 수조, 압력 조절부, 배수구 등 4개 부분으로 구분된다. 메인실린더는 수직배수재와 수평배수재의 일체화가 이루어진 다음, 상재하중으로 작용하는 토사가 채워지며 실제 압력이 가해지는 공간이다. 수두차 조절부 수조는 공급된 시험수의 수두차를 조절하여 시험수 양을 측정할 수 있으며, 압력 조절부는 실린더 덮개에 연결된 Air test tube의 공기압을 조절하여 가압조건을 설정할 수 있다. 이 시험장치는 수평배수재의 배수효율에 영향을 미치는 상재하중에 의한 배수유로의 막힘 현상을 재현하기 위해 수평배수재에 200kPa의 공기압으로 직접 가압하여 배수구를 통해 통과하는 시험수 배수용량을 측정해 WHD와 PHD의 배수성능을 평가하였다.

4.2 시험방법과 시험조건

4.2.1 시험방법

Fig. 9는 새로운 배수성능 시험장치의 시험방법을 나타낸 것으로 시험순서는 다음과 같다.

Fig. 9

Test procedure of new test equipment for water discharge capacity

① 메인실린더 내부 바닥과 배수구 사이의 높이만큼 75mm의 토사를 채워준다. 수평배수재가 최대한 접지될 수 있도록 토사를 잘 다져주며 원활한 배수진행을 위한 자연구배 0.1 조건을 구현하기 위해 수평배수재의 끝단부 위치에 토사를 일부분 복토한다.

② 다져진 토사 상부에 시험편인 <WHD+PVD+날개편>과 <PHD+PVD>를 일체화 공법으로 설치한다. <WHD+PVD+날개편> 일체화 경우, 날개편 하부의 필터재를 PVD 폭에 맞게 절개해 PVD를 직접 삽입하고 날개편을 완전히 덮어 삽입공간부의 외부 노출을 막는다. <PHD+PVD> 경우는 PVD 끝단부가 PHD 상부에 포개질 수 있도록 사선으로 절단하여 상부에 거치한다. 이때 수평배수재는 배수유로를 통해 장치 외부로 시험수가 배출될 수 있도록 배수구를 통해 삽입하고, PVD는 수두차 조절 수조와 연결된 시험수 공급부 홈에 맞춰 삽입한다.

③ 일체화된 시험편 상부는 하부 복토층과 동일한 토사를 채운 후에 시험편이 노출되지 않도록 다져준다.

④ 메인실린더 덮개에 부착된 Air test tube가 메인 실린더 내부에 잘 들어갈 수 있도록 삽입한 후 메인실린더의 덮개를 덮어 내부 압력이 세지 않도록 클램프 나사를 조여준다.

⑤ Air connector에 공기압 호스를 연결하고 공기를 넣어주면서 공기압이 200kPa의 가압조건에 도달할 때까지 약 10kPa씩 공기압을 올린다. 공기압이 200kPa에 도달시 1분간 압력을 정지하여 메인실린더 내에 가압조건을 균일하게 형성한다.

⑥ 압력 정치 1분 후 수두차 조절 수조의 밸브를 이용하여 수두차 15cm 조건에 맞춰 수조에 시험수를 공급한다. 매분 일정한 시험수가 공급될 수 있도록 2,500ml/min로 시험수 유량을 설정한다. 수두차에 의해 시험수가 수조와 실린더 사이의 연결 유로를 지나 PVD로 공급되며 수평배수재를 통해 배출되는 배수유량을 측정해 배수성능을 평가한다.

4.2.2 시험조건

본 연구에서는 시험절차에 맞춰 직접삽입식 배수공법과 상부거치식 배수공법을 재현하여 배수성능을 비교 분석하였다. 상재하중으로 사용한 토사는 주문진 표준사와 시공 현장에서 일반적으로 사용하는 일반 토사 및 해상 점성토 등 3종류를 선택하여 Table 5 시험조건으로 배수성능을 평가하였다.

연약지반이 집중적으로 분포한 서남해 지역은 토질의 특성상 대부분이 해수의 영향을 받아 세립토 함유량이 90%가 넘는 점성토 성질을 가지고 있다. 따라서 현장 조건을 구현한 시험 진행을 위해 토사 종류도 공사 현장 주변에 있는 일반 토사를 포함해 해상 점성토를 구비하였고, 입도가 크고 균일한 주문진 표준사까지 토사 종류별 조건에서의 수평배수재의 배수효율을 측정하였다.

ASTM D 4716 시험규격의 가압조건은 일반적으로 200∼350kPa이 적용되지만, 본 시험장치는 Air test tube의 가압 한계로 인해 최대 가압조건인 200kPa 조건을 설정하였다. 또한, 주문진 표준사와 일반 토사는 수두차 5cm 기준에서도 배수유량을 측정할 수 있었으나, 해상 점성토는 배출되는 배수유량이 없었다 따라서 가혹 조건인 해상 점성토를 기준으로 수두차는 15cm 기준으로 설정하였다. 일정한 가압조건과 수두차, 공급유량을 유지하면서 배수가 시작되는 시점부터 1분 단위로 배수유량을 측정하고 15분 동안 배출된 총 배수유량에 대한 분당 평균값을 계산해 배수성능 경향을 확인하였다.

시험조건 3에 적용된 해상 점성토는 주문진 표준사와 일반 토사와 비교해 입도가 매우 낮은 세립토(미립토) 비율이 절대적으로 높아 배수성능에 영향을 줄 수 있는 가혹 조건으로 분류된다. 시험 과정에서 압력 정치 및 시험수를 공급한 후 몇 분 동안 배수구를 통해 배출되는 배수유량이 없어 시험을 중단한 후에 실린더 내부와 시험편을 확인한 결과, Fig. 10과 같이 수평배수재 끝단부(적색 원)를 통해 코어재 내부에 점성토가 유입되어 배수유로를 막았음을 확인할 수 있었다. 현장 시공에서는 끝단부가 노출되지 않게 제품의 양단부를 연결해 점성토 유입을 방지한다는 점을 고려해 시험조건 3에서는 배수성능에 영향을 주는 외부요인을 제거하고자 시험편 끝단부(청색 원)를 필터재로 덧대어 점성토의 유입을 최대한 막고, 시험을 진행하였다.

Fig. 10

Loss case of pore water at a tip of PVD on the top of PHD

한편, 배수성능 평가에 사용된 시험편은 Fig. 11과 같이 WHD 2종(S4, S8)과 산형격자 PHD와 요철형 PHD 등 일반 PHD 2종을 선정해 배수성능을 비교 평가하였다. 필터재의 투수율에 대한 차이를 발생시키는 인자를 제거하기 위해 동일 규격의 PET 필터재(120g/m²)를 적용해 시험편을 제작하였다. WHD(PHD 포함) 시험편의 폭과 두께 및 길이는 각각 200±5mm, 9.1±0.2mm, 및 300mm로 치수 규격을 동일화하였다. 한편, 직접 삽입되거나 거치되는 PVD는 국내외 현장에서 사용하는 하모니카형 PVD를 적용하였고, 끝단부를 사선으로 절단해 WHD(PHD 포함)와 원활한 연결이 이루어지도록 제작하였다.

Fig. 11

Specimens for evaluation of water discharge capacity

4.3 배수성능 비교평가

4.3.1 상재하중 토사별 배수성능

Table 6은 시험조건별 직접삽입식 배수공법과 상부거치식 배수공법에 적용된 WHD와 PHD 제품의 배수성능 결과값(3회 평균값)을 나타낸 것으로, 분당 10mL 단위는 절사하였다. 모든 시험조건에서 직접삽입식 배수공법을 적용한 WHD(S4, S8) 제품이 PHD와 비교해 탁월한 배수성능을 나타내었다.

Fig. 12는 시험조건별 직접삽입식 배수공법과 상부거치식 배수공법에 적용된 WHD(S4, S8)와 PHD 제품의 배수성능을 나타낸 것으로, 측정시간이 증가함에 따라 배수성능은 감소하였고 14∼15분 사이에서 거의 일정해지면서 안정화되는 경향을 나타내었다. V-PP와 R-PP 코어재로 각각 생산한 WHD S4와 S8의 배수성능은 차이가 거의 없었으며, 전체적으로 배수성능은 WHD(S4)≅WHD(S8)> PHD(산형격자)>PHD(요철형) 순으로 나타났다. 요철형 PHD는 200kPa 가압조건에서 코어재 일부가 무너지면서 배수성능가 크게 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, 세립토 함유율이 높은 해상 점성토를 적용한 시험조건 3에서 PHD 제품의 배수성능은 WHD 대비 크게 떨어졌다. 해상 점성토와 같이 입자가 작을수록 PVD 코어재 끝단부를 막아 간극수 배출을 방해하거나 외부에서 수평배수재 코어재 속으로 가압되면서 코어재(배수유로)를 막는 Clogging 현상이 발생해 배수성능은 현저히 감소한 것으로 보인다. 이러한 현상은 WHD 2종과 달리 PHD 2종에서 많이 발생하게 되며 특히 요철형 PHD에서 크게 발생하였다.

Fig. 12

Water discharge capacity of WHD (S4, S8) and PHD with test conditions (soil type) and elapsed times

4.3.2 배수성능에 대한 시험편 비교분석

Table 7은 PHD(요철형)의 배수성능을 기준값(1.0)으로 설정한 경우, PHD(요철형) 대비 시험조건 1, 2, 3에서 나타난 WHD(S4, S8)와 PHD(산형격자)의 배수성능(평균값) 증감비를 나타낸 것이다. WHD(S4, S8)는 PHD(요철형) 대비 시험조건 1, 2, 3에서 각각 2.4배, 16.1∼16.2배 및 63.4∼63.8배 증가하여 탁월한 배수성능을 나타내었다. 이는 직접삽입식 배수공법의 공법 효과 및 <WHD+PVD+날개편> 일체화를 위한 핵심 역할을 하는 WHD 날개편의 제품 성능이 복합적으로 이루어진 효과라고 생각된다. 한편, PHD(산형격자)는 시험조건 1, 2, 3에서 PHD(요철형) 대비 각각 1.6배, 2.3배 및 1.1배 증가하였다. PHD(산형격자) 코어재 단면구조는 PHD(요철형)과 달리 200kPa에서 무너지거나 파단되는 현상이 없었기 때문에 PHD(요철형) 보다는 배수성능 확보에 유리한 제품임을 확인할 수 있었다.

연약지반개량을 위한 국내외 시공 현장에서는 주변의 일반 토사를 상재하중으로 사용하는 경우가 대부분을 차지하는 사실을 고려할 때, 시험조건 2에서 나타난 WHD(S4, S8)의 직접삽입식 배수공법은 기존 PHD에 의한 상부거치식 배수공법 대비 우수한 배수성능을 가진 시공법이라고 생각된다. 실제 사례로 시험조건 2에 대한 시험 종료 후의 메인실린더 내부를 보여준 Fig. 13에서 PHD 코어재(배수유로)를 통해 배출되지 못한 유실된 시험수는 메인실린더 내부에 고여있고 코어재를 통해 원활한 배수가 이루어지지 않았음을 보여준다.

Fig. 13

Real loss case of pore water at a tip of PVD on the top of PHD

시험조건별 배수성능에 대한 시험편의 비교분석을 종합적으로 평가하면, 비교적 균일하고 입도가 큰 주문진 표준사를 적용한 시험조건 1에서 직접삽입식 배수공법을 적용한 WHD의 배수성능은 상부거치식 배수공법을 적용한 PHD에 비해 1.5∼2.4배 높은 결과를 얻었다. 또한, 일반 토사와 해상 점성토를 적용한 시험조건 2와 3에서 WHD 배수성능은 PHD 대비 각각 6.9∼16.2배와 58.3∼63.8배 탁월한 배수성능을 나타내었다. 특히, 해상 점성토와 같이 시공 현장의 상재하중 토질에 대한 선택조건이 가혹할수록 WHD 제품에 의한 직접삽입식 배수공법은 탁월한 배수공법임을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

연직배수공법은 연약지반의 지중 간극수를 수직배수재(PVD)를 통해 지표층으로 배출시켜 지반 압밀을 촉진하는 공법으로 널리 사용되고 있다. PVD를 통해 지표층으로 배출된 간극수는 기존에는 모래와 쇄석골재로 구성된 수평배수층 매트를 통해 외부로 배출되는데 이 과정에서 간극수의 유실이 많았다. 또한 모래, 자갈 등 천연자원의 감소와 환경문제는 세계적인 문제가 되고 있다. 따라서, 이를 대체하고 배수성능이 향상된 대체 소재와 공법이 꾸준히 요구되었고, 효율적 대안으로 합성고분자 수지로 생산한 PHD 제품군이 개발되어 사용되고 있다.

본 연구에서는 재활용 PP(R-PP)에 대한 활용성 검토와 함께 <PHD+PVD> 일체화 공법에서 PHD의 핵심 기능인 배수성능을 개선하고자 WHD 시제품 개발을 진행하였고, <WHD+PVD+날개편> 일체화 공법인 직접삽입식 배수공법의 적용과 시험평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. WHD 시제품은 코어재 2종(V-PP, R-PP)과 필터재 2종(PP, PET S/N)을 조합해 4종류를 대상으로, 한방향과 양방향 날개편을 가지는 최종 8종의 시제품을 생산하였다. WHD 생산기술의 핵심 공정인 성형로울러에 의한 산형격자 구조의 코어재 성형기술 및 날개편-필터재와의 초음파 접착접착에 대한 생산성 확보를 통해 양산시스템을 구축하였다.

2. 생산조건별로 주요 물성 평가와 생산공정 수정을 통해 V-PP와 R-PP 코어재로 생산한 WHD 제품의 주요 물성은 차이가 거의 없었으며, 시방기준(폭 200mm)인 광폭 인장강도 8.0kN/20cm, 배수성능 3,500cm³/s 이상을 만족하는 시제품을 생산하였다.

3. 기존 수평배수성능 평가에 사용되는 ASTM D 4716 규격의 문제점을 보완한 배수성능 시험장치를 새로이 설계, 제작하여 일체화 공법에 따른 배수성능을 측정하고 비교 분석한 결과, 직접삽입식 배수공법은 상부거치식 배수공법 대비 우수한 배수성능을 나타내었다. 이는 직접삽입식 배수공법과 함께 <WHD+PVD+날개편> 일체화를 위한 핵심 역할을 하는 WHD 날개편의 기여 효과라고 평가한다.

4. 특히, 가혹한 조건에서 상재하중으로 사용될 수 있는 일반 토사와 해상 점성토의 경우, WHD 제품은 일반 PHD 대비 탁월한 배수성능을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구를 통해 <WHD+PVD+날개편> 일체화 공법인 직접삽입식 배수공법은 우수한 배수성능을 바탕으로 조기압밀 및 공기단축 효과가 기대된다. 또한 직접삽입식 배수공법의 적용 확대를 위해 장기 시험과 현장적용 시험 및 수치해석 등을 통한 추가적인 검증이 필요하다. 향후 진행되어야 연구과제로는 실린더 내부 공기압의 증가(350kPa) 및 적용 압력을 일정하게 유지하는 장치 개발과 함께 탄소중립 이슈에 대응한 생분해성(biodegradable) 코어재와 부직포를 사용한 생분해성 WHD 개발 및 코어재 단면구조의 통수면적을 획기적으로 증가시킨 대용량 WHD 개발도 지속적으로 필요할 것으로 생각된다.