1. 서 론
2. 개별진공 침투압밀공법 개념
3. 수치해석
3.1 해석 조건
3.2 수치해석
4. 결과 및 분석
4.1 연직배수공법, 개별진공압밀공법과 침투압밀공법
4.2 개발 공법의 효과
5. 결 론
1. 서 론
국내 항로 증심 또는 항만배후단지 개발 등을 위해 준설토 투기장이 건설되어 조성된 준설매립지반 등 연약지반에서의 지반개량 사업이 크게 증가하였다. 이에 국내에서는 침하촉진공법으로 재하성토공법(Preloading), 연직배수공법(PVD: Plastic vertical drain), 모래다짐말뚝공법(SCP: Sand compaction pile), 개별진공압밀공법(IVPC: Individual vacuum preloading consolidation) 등이 적용되어 성공적인 효과를 발휘하고 있다. 이중 개별진공압밀공법은 국내 토질에 적합한 기술 등이 개발되어 최근 적용사례가 증가하고 있고, 그 우수성이 입증되었다(Han et al., 2012; Han et al., 2013). 그러나, 개별진공압밀공법은 개량 대상층 중간 또는 하부에 투수층이 있는 경우 누기(Vacuum leakage) 발생 가능성이 높다는 우려가 지속적으로 제기되어 상세 지반조사를 통해 투수층에서의 기밀을 유지할 수 있도록 노력하고 있다. 다만, 규모가 매우 커 모든 배수재에서의 기밀 유지가 어려운 경우 일부 진공압의 누기가 발생한 배수재(Drain with vacuum leakage)에서는 진공을 가압하지 않는 조치를 취하기도 한다. 이에 본 연구에서는 이를 극복할 수 있는 새로운 형태의 기술을 개발하고자 하였다.
개량 대상층 중간 또는 하부에 투수층(피압 대수층)이 있는 경우, 이를 적극 활용하는 공법이 심정(Deep well)을 이용한 침투압밀공법(SCM: Seepage consolidation method)이다(Zeng et al., 2021). 국내 부산항 신항에서도 연직배수공법과 심정을 이용한 침투압밀공법을 적용하고자 검토한 바 있으나(HDC, 2005), 침투압밀공법의 공학적 효과가 연구된 바 없었고, 심정 설치비 등의 경제성으로 적용하지 못한 경우가 있다. 이에 본 연구에서는 기존 개별진공압밀공법에서 투수층에서 누기가 발생한 배수재와 경제성이 우수한 연성 원통형 배수재를 외곽에 타설하여 진공 양수정(Vacuum well)로 활용하는 새로운 형태의 개별진공 침투압밀공법(IVSC: Individual vacuum seepage consolidation)을 개발하였다.
본 연구에서는 개발된 공법의 지반 공학적 효과와 각종 영향 인자에 대하여 유한요소 해석을 통한 거동을 예측하고, 이에 대한 평가와 분석을 수행하였다.
2. 개별진공 침투압밀공법 개념
본 연구에서 개발한 개별진공 침투압밀공법은 기존 개별진공압밀공법(Fig. 1(a))과 유사하게 상용 연직배수재를 사용하여 투수층(대수층, 피압 대수층)에서의 진공 양수를 통해 개량 대상층(연약지반)에서의 침투압밀이 발생하도록 유도한 공법이다(Fig. 1(b)). 두 공법의 가장 큰 차이점은 개별진공압밀공법은 개량 대상층에 진공압을 재하하지만, 본 연구에서 개발한 개별진공 침투압밀공법은 투수층에서 진공압을 재하한다는 것이다. 또한, 심정을 이용한 침투압밀공법과 달리 대형 강성관을 투수층까지 천공, 매설하여 지중에 펌프를 설치할 필요가 없고, 연성관을 활용하여 대변형 압밀이 발생하여도 피압층에서의 양수가 가능하도록 하였다. 또한, 일반 연직배수재 시공 장비를 그대로 활용하여 매우 좁은 간격으로 다수를 설치하여 수위 저하를 즉시 유도할 수 있고, 양수정 중간에서의 수위 저하량을 크게 증가시킬 수 있는 공법이다.
개별진공 침투압밀공법(Fig. 2(b))은 투수층에서의 진공 양수를 통해 투수층에 작용하는 수두를 감소시킴으로써 개량 대상층에 작용하는 외부 수위와의 수두차에 해당하는 침투압만큼을 개량 대상층의 작용 하중으로 적용할 수 있으므로 국내 대심도에서는 매우 큰 효과를 얻을 수 있다. Fig. 2는 하부에 투수층이 있는 경우 본 연구에서 개발한 개별진공 침투압밀공법의 메커니즘을 지반 공학적 개념으로 도시한 것이다. 개량 대상층에 타설된 연직배수재 내부에서의 수압은 부의 과잉간극수압으로 일반 개별진공압밀공법에서 얻을 수 있는 이론적 최대 과잉간극수압(약 100kPa)보다 큰 수압을 얻을 수 있다. 이상과 같이 발생된 과잉간극수압은 하향 침투수압으로 작용하는데 침투수압이 유효 압밀응력으로 변환되어 압밀 침하가 발생된다. 이에 대한 이론은 Lee(2009)를 참조할 수 있다.
3. 수치해석
3.1 해석 조건
본 연구의 수치해석에 적용한 단면(Fig. 3)과 입력 정수는 부산항 신항 서컨테이너부두 2-6단계 설계 시 적용된 값이며, Table 1과 같다(Halla, 2017). 다만, 투수계수의 경우 2차원 수치해석임을 고려하여 3차원 축대칭 조건에 대한 값을 Indraratna and Redana(1997) 방법으로 변환하여 적용하였고, 투수 이방성 비는 2.0을 적용하였다.
수치해석 시 각 지층별 구성모델과 배수 조건은 다음과 같이 적용하였다. 성토재, 쇄석, 모래의 경우 배수조건이 될 수 있도록 “Mohr-Coulomb Model, Drained” 조건을 적용하였고, 준설 매립점토와 점토 1, 점토 2는 개량 대상층으로 과잉간극수압이 발생할 수 있도록 “Soft Soil Model, Undrained” 조건을 적용하였다.
Table 1.
Input parameters for numerical analysis(Halla, 2017)
수치해석은 실제 시공 조건을 고려하여 다음과 같은 단계로 진행하였다(Table 2). 준설매립은 약 365일로 지정하여 구현하였고, 개량 대상 시간-침하 곡선에서는 해당 일수를 고려하지 않았다. 따라서, 이후 제시되는 모든 결과는 준설매립 이후에 발생된 침하를 의미한다.
Table 2.
The step on construction and numerical analysis step
3.2 수치해석
본 연구에서의 해석은 크게 연직배수공법(PVD, 개별진공압밀, 침투압밀)에 대한 해석과 개발 공법의 효과 검증에 대한 해석으로 진행하였다. Table 3은 본 연구에서 수행한 해석에 대한 분류를 제시한 것이다. 수치해석은 지반 범용 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS(Bently, 2020)를 사용하였다.
Table 3.
The case of numerical analysis
4. 결과 및 분석
4.1 연직배수공법, 개별진공압밀공법과 침투압밀공법
본 연구에서는 개발 공법의 지반 공학적 특징을 평가하고자 동일한 성토고와 연직배수재 배치 간격을 갖는 연직배수공법(PVD), 개별진공압밀공법(IVPC)과 침투압밀공법(SCM)에 대한 수치해석을 수행하였다. 아래의 Table 4에는 각 공법을 모사하기 위한 수치해석 단면도를 제시하였다. 연직배수공법의 경우 상부 수평 배수층과 최하단까지 PVD를 설치하였고, 개별진공압밀공법은 원지반을 기밀층으로 활용하기 때문에 상부 투수층, 중간 투수층, 최하단 투수층에서 각각 기밀층 1.0m를 구현하였다. 침투압밀공법은 개별진공압밀공법과 유사하게 상부 투수층과 하단 투수층에서의 기밀층을 구현하였고, 중간 투수층에 진공 양수정을 설치하였다.
Fig. 4(a)는 공법별 시간-침하 특성을 나타낸 것으로 연직배수공법, 개별진공압밀공법, 침투압밀공법 순으로 성토체 중앙에서의 침하량이 크게 나타났다. 또한, 성토체 끝단에서 발생된 내향의 수평변위(Fig. 4(b)) 역시 침투압밀공법에서 가장 크게 나타났다. 개별진공압밀공법과 침투압밀공법은 연직배수공법과 달리 성토로 인한 외향 변위(성토체 외측으로의 변위) 보다는 내향 변위가 우세한 경향을 보였다. 심도 약 16.0m 부근에서 변위가 거의 발생하지 않은 이유는 해당 지층이 투수층인 모래층이기 때문에 침하 및 변위가 발생하지 않은 것으로 확인되었다.
개량 종료 시점에 대한 최종 침하량을 기준으로 공법별 압밀도를 산정하면 Fig. 5(a)와 같다. Fig. 5(a)에 제시된 바와 같이 침투압밀공법에서 압밀도 90%에 가장 빠르게 도달하는 것으로 나타났다. 이상과 같은 침투압밀공법의 우수한 침하 및 변위 특성은 Fig. 5(b)에 제시된 과잉간극수압으로부터 설명된다. 각 공법 특징에 기인하여 발생된 과잉간극수압의 순으로 침하량과 내향 변위가 크고 목표 압밀도 도달 시점이 빠른 것이다. 연직배수공법의 경우 성토로 인하여 초기 대비 양의 과잉간극수압이 발생하였고, 개별진공압밀공법과 침투압밀공법에서는 배수재 내부에서의 수위 감소로 인한 부의 과잉간극수압이 발생하였다. 이때 발생된 부의 과잉간극수압은 진공압 또는 피압 대수층에서의 수두 감소분과 동일하다. 다만, 진공압밀공법의 경우 모든 지역 또는 설계 조건에서 동일한 설계 부의 과잉간극수압을 활용할 수 있지만, 침투압밀공법의 경우 해당 지층조건에 따라 각기 다른 부의 과잉간극수압을 활용한다는 차이가 있음은 주의해야 한다.
Fig. 6에는 각 공법별 개량 종료 후 동일 시점에서 계산된 원호활동 안전율을 제시한 것이다. 원호활동 안전율은 강도감소법을 적용하였다. 그림에 제시된 바와 같이 연직배수공법, 개별진공압밀공법, 침투압밀공법 순으로 안전율이 높은 것으로 평가되었다. 이는 각 공법의 특성에 기인하여 발생된 과잉간극수압의 크기로 인한 유효응력 증가량의 차이 때문이다. 동일 시점에서 성토체를 포함한 원호활동 안전율이 높다는 것은 설계 시 일반 연직배수공법보다 성토속도를 증가시킬 수 있다는 이점을 갖게 된다.
이상에서 제시한 바와 같이 중간에 피압 대수층이 있는 경우, 침투압밀공법이 가장 우수한 지반개량 효과를 얻을 수 있는 것으로 평가된다. 다만, 이는 피압 대수층의 위치에 따라 달라질 수 있고, 기 알려진 사실이다. 그러나, 이와 같이 우수한 침투압밀공법이 실제 적용되지 못한 이유로는 개량 효과의 지반 공학적 검증이 부족하였고, 경제성이 낮았기 때문이었다. 특히, 심정을 이용한 침투압밀공법의 경우 대구경 심정 설치를 위한 대형 장비 사용 비용 및 천공 비용, 높은 양정고가 요구되지만 직경이 작아야 하는 고가의 수중 펌프 등이 그 이유이다. 본 연구에서는 이를 개선하고자 심정을 설치하지 않고, 일반 연직배수재 시공 장비를 활용하고, 연성 웰포인트를 매우 좁은 간격으로 설치하여 지반 공학적 검증이 완료된 개별진공압밀과 함께 즉각적이고 확실한 수위 저하를 유도하고자 하였다.
4.2 개발 공법의 효과
4.2.1 대수층 위치에 따른 효과
본 연구에서 개발한 개별진공 침투압밀공법은 단독으로도 활용할 수 있지만, Table 5와 같이 피압 대수층의 위치에 따른 부의 과잉간극수압을 특정할 수 없기 때문에 개별진공압밀공법과 병행하여 적용하는 것으로 하였다. 이에 개별진공압밀공법은 개량 대상 영역 내부에서 진행하고, 개별진공 침투압밀공법을 위한 진공 양수정은 외곽부에 설치하는 것으로 하였다.
본 절에서는 대수층 특히 피압 대수층의 위치에 따른 개별진공 침투압밀의 효과를 평가하였다. 이를 위해 개량 대상층 상부, 중간, 하부에 대수층을 설치하였다. 해석 결과, 개발 공법은 개량 대상층 상부보다는 중간 또는 하단에 대수층이 존재하는 경우 피압 대수층으로써 활용 가능한 수두차가 커 침하 유발효과가 매우 큰 것으로 확인되었다.
Table 5.
The consolidation effect with the position of permeable layer
| Location | IVPC (Original) | IVSC (Improve) | Settlement characteristics |
| Upper |  |  |  |
| Middle |  |  |  |
| Lower |  |  |  |
4.2.2 대수층 수에 따른 효과
실제 지반에서는 피압 대수층이 중앙이나 하단부 또는 중앙과 하단에 동시에 존재할 수 있다. 국내의 예를 들면, 인천과 부산 지역의 경우 중간 투수층과 하부 투수층이 존재하고, 여수와 광양 지역의 경우 하부 투수층이 존재한다. 이에 개발 공법에 대하여 대수층 수(즉, 양수 단수)에 따른 효과를 평가하였다. Table 6에 제시된 단면으로 양수 위치나 수를 달리하여 해석을 수행하였으며, 모든 해석 단면에 진공 양수정을 설치하였지만, 해석 프로그램의 활성/비활성 기능을 활용하여 적용/미적용 조건으로 해석하였다.
해석 결과(Fig. 7), 대수층이 중간과 하단에 모두 있는 경우 침하량이 크게 나타났지만, 내향 변위의 경우 중간에 단일 층으로 대수층이 존재하는 경우가 더 큰 것으로 나타났다. 전체적으로는 중간이나 하단 또는 2층이 있더라도 침하나 변위 측면에서는 유사한 경향을 보인 것으로 판단된다. 다만, 이에 대한 실험적 검증은 필요한 것으로 판단된다.
모든 해석 조건에서 대수층 위치에서는 내향 변위가 거의 발생되지 않았다. 이는 대수층에 대한 투수계수가 큰 배수 조건이 되어 해당 지층에서는 부의 과잉간극수압이 형성되지 않아 변위가 유발되지 않은 것으로 확인된다.
4.2.3 진공압에 따른 효과
개발 공법을 개별진공압밀공법과 병행하는 경우 선행 진공압에 따른 효과를 평가하였다(Fig. 8). 개발 공법이 실시되기 전 개별진공압밀공법에서 적용된 진공압의 크기에 따라 초기 침하는 서로 다르지만, 개발 공법이 병행된 이후 최종 개량 종료 시에 발생되는 침하는 동일한 것으로 예측되었다. 따라서 선행되는 개별진공압밀공법의 진공압 크기는 개발 공법과 병행 시 최종 침하량에는 큰 영향을 미치지 못했다. 또한, 최종 수평변위 역시 선행되는 개별진공압밀공법의 진공압 크기에 따른 영향은 미미한 것으로 예측되었다.
4.2.4 양수량에 따른 효과
개발 공법에 적용된 진공 양수정은 피압 대수층에서의 수압을 저감할 수 있을 만큼의 양수가 이루어져야 수두차를 유발할 수 있다. 이에 양수량을 변화시켜 가면서 침하 특성을 평가하였다(Fig. 9). 피압 대수층에서의 양수량은 0.0과 1.0m3에서는 큰 변화가 없었고, 2.5m3 이상이 되면 수두감소에 따른 효과가 유사한 것으로 예측되었다. 이는 투수층의 투수계수(k=1.0×10-5m/sec)에 따라 변화될 것으로 예상되지만, 투수계수를 초과한 일정량 이상만 양수된다면 큰 양수량은 필요하지 않는다는 것을 의미한다. 다만, 본 해석 프로그램의 경우 시간에 따른 수두 변화보다는 정상류 해석을 통한 최종 수두를 적용한다. 소수의 심정을 설치하여 광역적인 불균등 수두 저하를 유발하는 기존 침투압밀공법에서는 이와 같은 해석방법이 실제와 다를 수 있다. 그러나, 좁은 간격으로 다수의 진공 양수정을 설치하여 즉각적인 균등 수두 저하를 유발하는 본 공법에서는 실제와 유사한 거동을 예측한 것으로 판단된다.
4.2.5 양수 위치에 따른 효과
본 절에서는 진공 양수정의 위치에 따른 효과를 평가하였다. 성토체 내측에서 양수하는 경우와 성토체 외곽 즉, 개량영역 최외곽부에서 양수하는 경우를 비교하였다(Fig. 10). 그 결과 전체적인 거동에는 큰 차이는 없지만, 외곽측(성토체 끝단)에서의 양수가 침하량과 변위 측면에서 우수한 것으로 평가되었다.
4.2.6 양수 시점에 따른 효과
개발 공법을 적용할 때, 개별진공압밀공법과의 적용 시점에 따른 효과를 평가하였다. 해석은 개별진공압밀공법을 선행하는 경우(그래프상 V-Pre. 표기됨), 두 공법을 동시에 진행하는 경우(그래프상 S-Sim. 표기됨), 개발 공법을 선행하는 경우(그래프상 S-Pre. 표기됨)로 진행하였다(Fig. 11). 해석 결과, 최종 침하량은 모든 조건에서 동일하지만, 개별진공압밀공법과 개발 공법을 동시에 진행하는 것이 침하속도가 가장 빠르고, 내향 변위도 큰 것으로 예측하였다. 따라서 실제 개발 공법을 적용하고자 하는 경우 두 공법을 동시에 적용하는 것이 개량 효과를 극대화할 수 있을 것이다.
4.2.7 연직배수재 배치 간격에 따른 효과
개별진공 침투압밀공법을 적용함에 있어, 지반개량 효과가 일반 연직배수공법 및 개별진공압밀공법 대비 우수하지만, 추가적인 진공 양수정 설치가 필요하므로 경제성을 증가시켜야 적용성이 확대된다. 이에 연직배수재의 배치 간격을 조정하였다. Fig. 12에서 실선은 개별진공압밀공법만을 단독 적용한 것으로 개발 공법과 병행하는 경우 배수재 배치 간격을 조정하여도 일반 진공압밀공법 대비 침하량이 큰 것으로 나타났다. 또한, 개별진공압밀공법의 최종 침하량을 목표 침하량으로 간주한다면 개발 공법은 매우 이른 시점에 목표 침하량에 도달할 수 있으므로 연직배수재 간격을 늘릴 수 있을 것으로 예상된다. 내향변위 유발효과 측면을 고려하면 약 1.5배까지 간격을 조정하여도 개별진공압밀공법 이상의 효과를 획득할 수 있을 것으로 평가되었다.
이상에서 제시한 개별진공 침투압밀공법의 정량적인 효과를 제시하고자 모두 동일 시점(600일)에서의 최대 침하량을 요약하여 Table 7로 제시하였다. 전체적인 효과는 4.2.1~4.2.7에 설명된 결과와 동일함을 재확인하였다.
Table 7.
The summary of consolidation effect with individual vacuum seepage consolidation
5. 결 론
본 연구에서는 개별진공압밀공법과 침투압밀공법의 단점을 보완하여 새로운 연약지반 개량공법인 개별진공 침투압밀공법을 개발하여 수치해석을 통해 지반 공학적 거동과 효과를 예측하고, 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 개별진공 침투압밀공법을 적용할 경우, 대수층이 개량 대상층 중간 또는 하단에 위치하여 피압 대수층인 경우 침하 촉진 및 발생 침하량 증대 효과가 높았다. 또한, 대수층이 중간, 하단 또는 중간과 하단 모두 위치하는 등 피압 대수층 수에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
2) 개발 공법을 개별진공압밀과 병행하는 경우, 선행되는 개별진공압밀공법에서의 초기 침하는 진공압 크기에 영향을 받았지만, 개별진공 침투압밀공법이 병행된 후 최종 침하량은 선행 진공압의 영향이 미미한 것으로 예측되었다.
3) 대수층에서의 양수량은 원지반 투수계수와 비교하여, 일정 수준 이상의 양수량이 확보되는 경우 침하 거동에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 성토체 내측이나 외측(성토체 끝단) 등 다양한 위치에서 진공 양수정을 설치하여도, 침하 및 수평변위 특성 차이는 미미하지만, 외측이 더 양호한 것으로 평가되었다.
4) 개발 공법을 개별진공압밀공법과 병행하는 경우, 두 공법을 동시에 진행하는 것이 침하속도가 가장 빠르고, 내향 변위도 큰 것으로 예측되었다. 또한, 일반적인 연직배수공법과 진공압밀공법 대비 연직배수재 배치 간격을 증가시킬 수 있어 경제적인 것으로 확인되었다.
