1. 서 론
최근 국내 시공사의 중동지역 토목사업 진출이 활발해 짐에 따라 국내에서 경험하지 못한 특수한 지반문제에 대한 연구가 요구되고 있다. 대표적으로 매우 넓은 평지구역으로서 활용도가 높지만 연약한 실트질 사질토 지반인 사브카 지역은 특수한 지반공학적 특성을 지니고 있어 다양한 지반개량 공법 적용성에 대한 연구가 필요하다.
아라비안 걸프해안 지역은 현재 해안선으로부터 내륙으로 약 100km까지의 매우 평평한 지반으로 과거 해저지역이 풍적토와 실트질 및 점성토질 토사로 덮이고 탄산질, 석고질, 염분 등을 포함하고 있는 지반이다. 이러한 지반조건을 가진 지반을 소금평지의 뜻을 가진 현지어인 사브카라 부르는 데 느슨한 밀도, 연약한 특성, 높은 염분도 및 함수비, 세립모래 및 점토질로 인한 낮은 투수계수로 인해 도로, 철도, 플랜트시설 등의 시공 시 지지력 향상을 위한 지반개량이 요구된다.
걸프해안지역에서 도로 및 철도시공 시 적용사례가 있는 대표적인 지반개량 공법으로는 스톤컬럼공법, 선행하중공법, 동다짐공법 등이 있다. 스톤컬럼공법은 단기간에 지지력 향상효과를 얻을 수 있어 사우디, 리비아 도로 및 철도 시공 시 사브카지반 개량을 위해 일부구간에서 적용된 사례가 있지만 일반적으로 걸프지역에서는 골재조달비용이 높아 공법적용이 어렵다. 선행하중 공법은 Moon (2013)이 아부다비 해안사브카 지역에서 현장시험을 통해 적용성을 평가한 바 있다. 선행하중 공법은 경제적인 측면에서는 우수하지만 최소 1달이상의 하중존치기간의 확보가 필요하고 사브카 지반 내 존재하는 수분에 취약한 약한 강도의 결정체 등이 선행하중으로 수준으로는 파쇄되지 않고 그대로 남아있을 가능성이 있어 향후 침수 시 갑작스런 침하발생 요인이 될 수 있는 단점이 있어 플랜트 시설물 등의 기초부지에 적용하는 데는 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 경제성도 우수하고 큰 하중으로 다짐으로 약한강도의 결정체를 지반개량 시 파쇄하여 갑작스런 침하요인을 제거할 수 있는 동다짐 공법에 대하여 문헌연구 및 수치해석 등을 통해 사브카지반에서의 적용성을 평가하였다.
2. 사브카지반의 지반공학적 특성
아라비안 걸프해안 사브카 지반은 salt crust로 덮인 평지(Fig. 1)로서 일반적으로 척박한 사막으로 분류되는 지역이지만 일부구간은 주기적으로 침수가 발생하기도 한다. 일반적으로 1∼2m 두께의 중간조밀 실트질 사질토층이 7∼10m 깊이까지 분포하는 입도가 불량한 느슨한 실트질 사질토로 분류되는 사브카 지반을 덮고 있으며, 느슨한 사질토층 하부에는 비교적 단단한 사질토 층으로 구성되어 있다. 지하수위는 대체로 약 0.5∼1.5m 깊이에 위치하고 있다.
시추조사와 현장 및 실내시험 결과 지층은 주로 SM, SP-SM, 또는 SP로 분류되는 조립토층으로 구성되었으며, 간헐적으로 세립질 토사층이 나타났다. 지표부근 1∼2m 내외 깊이까지는 중간조밀의 사질토 및 실트질 사브카층이고 하부에는 매우느슨∼느슨한 사브카층이 7∼10m 깊이까지 나타났으며, 사브카층 하부에는 중간조밀 수준에서 깊이에 따라 다짐도가 증가하는 조립도로 구성되었다.
Fig. 2는 아부다비 지역과 사우디 걸프해안지역 사브카 지반 토사의 대표적인 입도분포 곡선이다. 두 지역의 사브카 지반의 입도분포 특성은 매우 유사하며, 대부분의 사브카 토사는 세립질 토사(#200체 통과분)가 5∼15%이고 균등계수가 3∼4수준인 빈입도의 가는 모래이며, 세립토가 40% 이상인 토사층이 간헐적으로 나타났다.
지하수위는 0.5∼1.5m 깊이에서 나타났으며, 일부구간에서는 지표수가 낮은 지대쪽으로 침투되어 불투수 점토층 상부에 집수된 것으로 보이는 주수위(perched water table)가 관찰되었다. 사브카 지반 내에는 수분에 매우 취약한 결정체가 산재되어 있어 지하수에 의해 용해되거나 강도 저하가 발생하여 향후 도로, 철도 노반 및 직접기초 등으로 인한 하중증가로 급격한 침하가 발생할 가능성이 높다. 또한 투수계수가 낮아 장기적인 침하가 발생할 가능성도 있다. 따라서, 지반개량공법을 적용하여 지하수위 상부에 있는 낮은 강도의 결정체 등의 분쇄 및 하부 연약층의 밀도증가가 반드시 필요할 것으로 판단되었다.
3. 사브카 지반의 동다짐 공법의 적용성 평가
동다짐 공법은 일반적으로 조립토와 매립토에서의 적용성이 입증되었으며, 공법적용이 단순하고 경제성이 높아 점성토와 같이 투수계수가 상대적으로 낮은 토사지반에서도 적용성이 검토되고 있다. Lukas(1986)는 Fig. 3과 같이 입도분포, 소성지수 및 투수Salt crust covering sabkha deposit(Moon, 2013)계수를 기준으로 동다짐공법의 적용성 평가기준을 제시하였다. 사브카 지반의 투수계수는 실내시험을 통해 약(1.5∼2.5)×10-3cm/s로 추정되어 입도분포, 소성지수, 투수계수 조건이 모두 zone 1의 조건에 해당되는 것으로 판단하여 설계 시 사브카지반에서 동다짐 적용이 전혀 문제가 없는 것으로 잘못 판단을 하는 경우가 많다.
그러나 지반조사 시 투수계수 시험은 일반적으로 증류수를 사용하는 데, 사브카 지반의 중요한 특징 중 하나가 지하수가 염도가 높은 소금물이므로 이를 반드시 고려하여야 한다. 특히 증류수를 이용한 정수두 투수계수 시험을 할 경우 토사 내 소금이 녹으면서 점차 투수계수가 증가하는 특성을 보이게 된다(Al-Amoudi, 2008). 따라서 동다짐 공법 적용성을 평가하기 위해서는 반드시 사브카지반 내 지하수와 동일한 농도의 소금물을 이용한 투수계수를 산정하여 적용하여야 한다. 사우디 해안지역 사브카지반의 투수계수는 소금물을 이용하는 경우 증류수를 이용한 투수계수의 약 1/10 수준인 1.0∼1.5×10-4cm/s 수준으로 산정되었다. 이는 현장굴착에서도 확인을 할 수 있는데 사브카 지반을 지하수위 아래까지 시험굴착을 할 경우 지하수가 바로 굴착면 위로 나오지 못하여 유효응력이 급격하게 낮아져 약 5∼10분 동안 굴착면이 출렁이는 것을 볼 수 있었다(Moon, 2013).
따라서, 해당지역의 사브카지반은 입도분포가 Zone 1과 Zone 2 경계에 인접하여 있고 투수계수가 10-3∼10-6범위에 있으므로 Zone 2로 평가하는 것이 적절하며, 동다짐 공법적용 시 유발되는 과잉간극수압 소산이 충분히 이루어 질 수 있도록 주의가 필요하다. 사브카지반의 입자크기에 따라 동다짐으로 인해 발생하는 과잉간극수압의 소산은 수분에서 수십분 이상이 소요될 수 있으므로, 각 타격 후 과잉간극수압이 충분히 소산될 수 있는 일정시간의 정지시간을 두고 수행하는 것이 동다짐 공법 적용성을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
Menard and Broise(1975)는 포화점토층에 대한 동다짐 공법의 지반개량 메커니즘을 토사 내 미세기포, 반복하중에 따른 점진적 액상화, 지반 내 미세균열의 생성 및 투수계수 변화 등으로 설명하고 개량깊이가 동다짐에너지의 제곱근에 비례하는 동다짐 개량깊이 산정식을 제안하였다. Mitchell(1981)과 Mayne et al.(1984)은 여러 현장 실측데이터를 수집하여 동다짐 에너지(WH)와 개량깊이 (DI)의 관계를 정리하고 Menard and Broise(1975)가 제안한 식에 식 (1)과 같이 개량깊이계수 α를 적용하여 다양한 토사지반에 대해 일반화시켰다. Qian(1985)은 fine sand에 대하여, Van Impe(1989)는 silty sand에 대하여 개량깊이계수 α를 동일하게 0.65로 제안하였으며, Smoltcyk(1983)은 silts and sands에 대하여 개량깊이계수 α를 0.67로 제안하였다. 따라서 fine sand 또는 silty sand로 구분되는 사브카 지반의 개량깊이 계수, α는 0.65 수준으로 평가할 수 있으며, 이 계수를 적용한 계량깊이는 중추무게 20ton, 낙하고 10∼15m 적용 시 9.2∼11.3m 범위로 추정된다.
(1)
여기서, DI는 동다짐 개량깊이, W는 중추의 무게(톤), H는 중추의 낙하고(m), α는 동다짐 개량깊이계수이다.
동다짐 공법 적용 시 최대개량지점 깊이는 지반의 개량정도가 최대인 지점의 깊이로 일반적으로 개량깊이의 1/3∼1/2 정도에 위치한다. 즉, 동다짐 개량깊이 10m에 대하여 개량정도가 최대인 지점은 깊이 3∼5m 에서 나타나고 이후 점차 개량정도가 약해지고 10m 이후에서는 개량효과가 거의 나타나지 않을 것으로 판단된다.
Mayne et al.(1984)은 지반의 개량깊이와 개량정도를 SPT, CPT, PMT 등의 결과로부터 산정하고, 현장실험을 통해 Fig. 4와 같이 단위면적당 동다짐에너지 증가에 따른 동다짐 침하량 변화를 측정하였다. Fig. 4로부터 반지름 2.0m, 중량 20ton 중추를 높이 15m에서 12회 낙하시켰을 때(다짐에너지= 286ton･m/m2) 침하량은 약 0.5∼1.0m 수준으로 예측된다.
4. 수치해석을 통한 동다짐 공법 적용 시 사브카지반 거동분석
본 연구에서는 FLAC 3D 프로그램을 이용하여 20ton의 동일한 중량의 중추를 사용하였을 때 낙하고, 중추의 크기, 타격횟수 등의 변화에 따른 매개변수 분석을 수행하여 침하량, 개량범위, 개량효과 등에 대한 영향을 분석하고자 한다. 해석에 사용된 지반조건은 사우디아라비아의 해안 사브카 지반의 지반조사로부터 얻은 결과를 바탕으로 구성하였으며, Table 1에 정리되었다. 수치해석 모델의 지층조건은 범위가 매우 넓은 불균질성을 고려하여 두개의 층으로 단순화하고 지반물성은 각 지층 토사의 시험결과 값의 평균치를 적용하였다.
Oshima and Takada(1994)는 면적이 4m2인 25톤 중추를 높이 1, 2, 5, 10m에서 낙하시켰을 때의 감속도를 측정하였다. 시험결과 중추와 지면의 contact time이 약 0.05초로 측정되었고 사인파(sinusoidal) 형태로 나타났다(Fig. 5). Oshima and Takada(1994)의 연구결과를 바탕으로 중추타격의 영향을 모사하기 위하여 충격하중, Fmax를 지면에 Δt=0.05초 동안 작용시킨 후 제거하는 것을 중추의 낙하횟수만큼 반복하는 것으로 설정하였다. 본 연구에서 수행된 매개변수 분석의 하중조건이 Table 2에 정리되어 있다.
해석모델은 50m×50m×50m 크기로 3차원해석을 수행하였으며, 동적하중 적용 시 경계면에서의 발생하는 반사파에 의한 영향을 배제하기 위해 quiet boundary와 free field boundary 조건을 적용하였다. 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하고 동다짐에 의한 큰 지반변형을 고려하기 위해 Large strain mode로 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 동다짐 적용 후 시간에 따른 간극수압 변화에 따른 영향은 고려하지 않았다.
Fig. 6과 Fig. 7은 각각 12회 타격하였을 때 중추 직경 변화에 따른 심도별 체적변형율 증가량 변화와 체적변형율 증가량 contour이다. 수치해석결과 약 GL-6m 심도까지 압축과 인장변형이 구간 내에서 뒤섞여 발생하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수치해석 시 실제 중추를 낙하시키는 것을 모사하기 위해 감속도 반응곡선 (Fig. 5)을 참고하여 중추낙하로 인한 충격하중을 지면에 0.05초 동안만 작용시키고 제거하면서 발생하는 리바운드로 인한 현상인 것으로 판단된다. 따라서 GL-6m 구간까지의 지반을 동다짐 적용 후 파괴강도이상의 응력이 발생하여 입자재배열로 인한 변형이 발생한 구간으로 판단할 수 있다. 압축변형만 발생하는 GL-6m~GL-12m 하부 심도에서는 Fig. 6과 같이 체적변형율 증가량이 뚜렷한 변곡점을 보이지 않고 선형적으로 감소하는 경향을 보여 동다짐에 의한 개량 정도가 선형적으로 감소하는 것으로 판단된다.
체적변형률 증가량이 -0.1% 이하인 깊이를 개량깊이로 판단할 때 수치해석 결과 산정된 지반개량깊이는 20톤 중추로 12회 타격 시 수치해석 분석결과 20톤 중추로 12회 타격 시 개량깊이는 10∼11.5m로 경험식의 개량깊이 산정값과 유사하게 나타났다. 또한, 약 GL-6m 심도까지 파괴강도이상의 응력이 발생하여 입자재배열로 인한 변형이 발생하여 최대개량지점 깊이가 개량깊이의 1/3∼1/2 정도에 위치한다는 연구결과와 일치하게 나타났다.
Fig. 8과 Fig. 9는 각각 Case II-02(중추중량 20ton, 낙하고 15m, 중추반경 2.5m) 조건에서 12회 타격시 수평 및 연직변위 분포경향과 모든 Case 조건에서 12회 타격시 침하량 contour를 보여주고 있다. 수치해석 결과 중추중심에서 좌우 약 2D이내의 범위에서 침하 및 리바운드 등 타격으로 인한 영향이 크게 나타나고, 약 4D이상 이격된 지점에서는 동다짐으로 인한 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.
Fig. 10은 각각 타격횟수 증가에 따른 체적변형률 증가량과 연직변위 분포형태를 나타내고 있다. 타격횟수가 증가함에 따라 침하량 및 개량깊이가 증가하는 경향을 보이며, 중추의 직경이 작을수록(Case I) 이러한 특징이 뚜렷하게 나타남을 볼 수 있다. 대체적으로 타격횟수 12~14회를 전후로 개량깊이의 증가량은 둔화되는 것을 볼 수 있으며, 중추의 크기, R=2.5m인 경우(Case III) 타격횟수 증가에 따른 개량깊이 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
반면 타격횟수 증가에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 이는 수치해석 시 상부 토사층이 동다짐으로 인해 전단파괴가 발생한 후 입자재배열로 인한 강도증진이 고려되지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 전단파괴가 발생한 상태에서 추가 타격이 이루어지면서 주변지반 히빙와 함께 지속적인 연직변위가 발생하기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 실제 사브카 현장 동다짐 시공에서는 타격으로 인해 파괴가 발생한 후 간극수압 소산과 입자 재배열로 층이 다져지고 타격횟수 증가에 따라 영향깊이와 강도가 점차 증가되면서 일정횟수 이상의 타격부터는 침하가 증가하지 않을 것으로 판단된다.
Fig. 11은 20톤 중추로 12회 타격하였을 때 낙하고 증가에 따른 개량깊이 변화를 보여준다. 낙하고 증가에 따라 다짐에너지가 증가하여 개량깊이가 증가되는 일반적인 경향을 보이고 있으나, 중추의 크기가 1.5m로 작은 경우 낙하고 10, 15m에서의 개량깊이가 크게 차이가 없는 경향을 보이고 있다. 이는 작은 중추의 에너지 집중도가 높은 영향으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 느슨한 실트질 사질토인 사브카지반의 지지력 확보를 위한 동다짐 공법의 적용성과 지반거동을 기존연구자료와 수치해석을 통해 분석하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.
(1)사브카 지반 내 지하수의 염분함유량이 높아 투수계수가 낮아 Lukas(1986)의 평가방법을 적용 시 semi- pervious deposit으로 분류되어 동다짐 공법적용은 가능하나 현장에서 동다짐 공법 적용 시 유발되는 과잉간극수압 소산이 충분히 이루어 질 수 있도록 주의가 필요하다.
(2)검토대상 현장 사브카지반의 특성을 고려하였을 때, 동다짐 계량깊이계수는 사질토∼실트질모래의 범위인 0.65를 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 20톤의 중추를 이용하여 낙하고 10∼15m로 동다짐을 수행하는 경우 Lukas의 산정식을 이용할 경우 계량깊이는 9.2∼11.3m 범위로 산정되었으며, 이는 수치해석 통하여 타격횟수의 증가에 체적변형률 감소가 0.1% 이상인 심도와 유사한 것으로 확인되었다.
(3)수치해석 결과 체적변형률 감소가 0.1% 이상인 압축구간이 10m 내외로 나타났으며, 약 6m 깊이까지는 압축과 인장이 뒤섞여 발생하는 파괴구간이 나타났다. 이는 최대개량지점 심도가 개량심도의 약 1/3∼1/2 심도에서 나타난다는 연구결과와 일치하며, 이 구간에서 지반의 파괴 및 입자재배열이 발생할 것으로 유추되며, 심도 6m부터 동다짐 개량효과가 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.
(4)동다짐 공법 적용 시 횡방향 영향범위를 지표침하량 분포도 및 수평변위 분포경향으로부터 분석한 결과, 중추 중심으로부터 약 5m(약 2D)이내의 범위에서 침하 및 리바운드 등 타격으로 인한 영향이 크게 나타나고 약 10m(약 4D)이상 이격된 지점에서는 동다짐으로 인한 영향이 무시할만한 수준으로 나타났다.
(5)타격횟수가 증가함에 따라 침하량 및 개량깊이가 증가하는 경향을 보이며, 뚜렷하지는 않지만 타격횟수 12회를 전후로 침하량 및 개량깊이 증가량이 둔화되는 것으로 볼 수 있다. 동일한 하중에 대해서 중추 크기가 클수록 개량깊이가 작아지며 일정한 크기 이상의 중추를 사용할 경우 타격횟수 증가에 대한 개량깊이 변화가 거의 발생하지 않았다.
