1. 서 론

우리나라는 급격한 산업발달과 더불어 도로, 철도, 항만 저수지 등 대규모 사회간접자본(SOC)인 토목구조물들의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 대규모 토목구조물은 넓은 부지의 확보가 필요하지만, 우리나라는 국토의 70% 이상이 산간지역이며, 삼면이 바다로 둘러싸인 지형적 특성상 대규모 부지확보에 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 해안지역 및 낙동강, 금강 등 하천 지역의 개발이 이루어지고 있으나 이러한 지역은 대부분 연약지반으로 이루어져 있어 지반의 안정성 확보를 위한 많은 연구가 필요하다.

사질토와 점성토는 역학적 성질이 상이하므로 연약지반 판정 시 지반을 잘못 구분 시 공사 기간 및 공사비의 증가 등의 문제가 발생하며, 세립분을 포함한 실트질 모래를 단순 모래로 구분하여 설계 적용 시에는 설계보다 과다한 침하량 및 장기침하가 발생할 우려가 있다. 최근 세립분을 함유하고 있는 실트질 모래와 점토질 모래 지반이 분포하는 연약지반 개량 현장에서는 설계 시의 예측침하와 공사 중 계측침하의 차이로 인하여 공사비 및 공기 증가 등의 많은 문제점이 발생하고 있으며, 이는 모래와 점토의 중간적인 성질을 띄고 있는 실트질 모래, 점토질 모래를 연약지반 판정 시에 압밀 대상층이 아닌 즉시침하를 일으키는 모래로 구분하여 야기된 문제로 분석되고 있다(Kim, 2018). 따라서 세립분이 함유된 모래인 실트질 모래, 점토질 모래의 역학적 특성 분석을 통하여 현행 연약지반 판정 시에 모래와 점토로 구분된 연약지반 판정기준을 보다 세분화 할 필요가 있으며, 이를 통하여 연약지반 설계 시 예측 침하의 정밀도를 높여 시공 시 연약지반의 과대침하, 공기 증가 등의 문제점 해소가 가능할 것으로 기대된다(Kim, 2018).

모래-세립분 혼합토의 압축특성과 관련한 연구로서 Prakasha and Chandrasekaran(2005)은 인디안 해상에서 채취한 해상 모래 및 점토를 이용하여 점토 혼합비 10, 30, 50, 70, 90, 100%의 혼합토를 조성하여 압밀시험을 실시하여 압축특성을 분석한 결과 점토 함유율 30%이상에서 압축지수(C_c)값이 급격히 증가하는 것으로 보고하였다. Mekkiyah and Al-khazragie(2015)은 점토에 모래함유량을 변화시켜가며, 압밀시험을 실시한 결과 모래함유량 55～70%에서 점토에서 모래로의 전환이 이루어지는 전환 모래함유량(TFSC)를 제시하였으며, 모래함유량이 증가할수록 압축지수(C_c), 재압축지수(C_s), 체적변화계수(M_v)가 감소한다고 주장하였다.

Park et al.(2009)은 부산 00지역 연약지반 개량 현장을 대상으로 시공 시 예측침하 문제점을 분석한 결과 설계당시의 지반정수가 지반의 모래-세립분 혼합비를 고려하지 않고 점토입자가 많은 시료를 이용하여 보수적으로 적용한 것으로 판단하여 다양한 입도 혼합비별 실내 압밀시험을 실시한 결과 점토시료의 실트 및 모래 혼합비 증가에 따라 압밀도가 증가하는 경향이 나타나며, 연약지반 설계단계에서 전체적인 지층의 특성 및 모래-세립분 혼합비를 충분히 고려할 필요가 있다는 것을 제시하였다.

Kim et al.(2012a)은 비소성 실트로 구성된 혼합토를 대상으로 등방압축시험을 수행한 결과 혼합토의 압축특성은 구속압이 증가해 항복할 때까지 초기밀도에 큰 영향을 받으며, 세립분 함유율이 증가함에 따라 조밀한 혼합토에서는 세립분의 함유율이 증가함에 따라 압축지수가 크게 감소한다고 주장하였다.

Bu(2012)는 국내의 점토질 모래(SC)의 압밀특성을 파악하기 위하여 현장 시료에 대한 역학적 시험결과와 기존 문헌에 의한 점토질 모래의 압축지수(C_c), 압밀계수(C_v)는 세립분 함유율 30% 이상에서 점성토의 압밀특성을 보이는 것으로 분석하였다.

Kim et al.(2013)은 모래-점토 혼합비에 따른 투수계수와 압밀계수의 영향 분석을 위해 주문진 표준사와 오타와 모래에 카올린나이트 점토를 다양한 혼합비로 시료를 제작하여 투수 시험을 실시한 결과 투수계수와 압밀계수는 카올리나이트 점토의 혼합비에 큰 영향을 받으며, 점토 혼합비 10%∼30%의 사이에서 투수계수 및 압밀계수가 세미 로그 그래프상에 반비례하는 선형적 상관관계를 나타냄을 보고하였다.

Kim et al.(2016)은 낙동강 하구 델타지역의 실트질 모래(SM) 및 점토질 모래(SC)로 구성된 상부 퇴적 사질토층에 대한 실내 투수시험 결과 투수계수는 상대밀도 및 세립분 함유율이 증가할수록 낮아지지만, 세립분 함유율이 15%이상의 모래의 경우 투수계수는 상대밀도의 영향을 받지 않는다고 주장하였다.

본 연구에서는 세립분이 함유된 실트질 모래의 역학적 특성 분석을 통해 현재 연약지반 판정 기준을 보다 세분화하기 위해 실내시험을 통한 세립분 함유율별 실트질 모래의 역학적 특성을 분석하고 압밀 해석을 진행하여, 현장의 계측값과 비교·분석하고자 한다. 본 연구를 통해 연약지반 설계 시 예측 침하량의 정밀도를 높여 연약지반 시공 시 주로 발생하는 문제점인 설계 침하량과 실측 침하량의 괴리, 공사비 증가, 공기 증가 등의 해소가 가능할 것으로 기대된다.

2. 재료 및 방법

2.1 시험 재료

2.1.1 모래

본 연구에서는 입도분포가 양호하며 표준시험에서 널리 사용되고 있는 ISO 679 표준사를 사용하였으며, 입도시험(KS F 2302)결과 곡률계수(C_g)=0.89, 균등계수(C_u)= 2.49로 입도분포가 양호함을 확인하였다. 사용된 모래 재료의 입도 분포 곡선은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Grain size distribution curves of sand

2.1.2 세립분

세립분 재료 선정에 있어 경기도 건설현장에서 채취한 점토(field samples)를 사용하였으며 카올리 나이트를 활용한 혼합토 선행연구 결과 카올리나이트의 원산지 및 제조업체에 따라 기본 물성치가 다른 것으로 나타났다(Kim et al., 2012c). 따라서 본 연구에서 사용하고자 하는 실트질 모래(SM)에 사용되는 세립분을 선정하기 위해 다양한 점토시료를 대상으로 애터버그한계시험을 진행하였다.

시험결과는 Table 1과 같으며, Field samples 및 Kaolinite-1이 분류기준상 SM을 만족하였으나, Field sample의 경우 체분석 결과 5%이상의 모래를 함유하고 있어 표준시료로서 대표성이 결여됨에 따라 Kaolinite-1을 세립분 재료로 선정하였다.

2.1.3 모래-세립분 혼합토

세립분이 함유된 실트질 모래(SM)의 역학적 특성을 파악하기 위해 통일분류법(USCS)상 세립분 함유율(15%~49%)범위의 혼합토를 조성하였다. SM 혼합토의 세립분 함유율을 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 49%로 변화시키며 총 8 Case에 대해 시험을 실시하였다.

실트질 모래(SM)의 세립분 함유율별 액성한계 및 소성한계 분석 결과 세립분 함유율 35% 이하에서는 측정이 불가능하였으며, 세립분 함유율 40% 이상에서 증가하는 경향을 보였다. 통일분류법(USCS)을 통한 분류 결과 소성지수(PI) 4 이하의 기준을 만족하였으며, 본 연구에 적합한 것으로 판정된다. SM의 세립분 합유량 별 소성한계(PL), 소성지수(PI), 액성한계(LL)는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Effect of fines content

2.2 시험 방법

2.2.1 공시체 제작

본 연구에서는 N치 10이하의 연약한 세립질 모래를 만들기 위해 상대밀도(D_r)=40%로 설정하였다. 또한 건조밀도 산정은 일본 토질공학회 규정(Japanese Committee of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1990)을 따라 수평 타격방식으로 시험을 진행하였으며 16.41kN/m³로 산정되었다. 공시체는 균질성 확보를 위해 5층으로 나누어 습윤 다짐으로 Table 2와 같이 제작하였다. 모든 시료의 함수비는 11%로 통일시켰으며, 이는 다짐을 효과적으로 제어 가능하며 선행 연구를 통해 얻은 최적 함수비이다(Kim et al., 2012b).

2.2.2 삼축압축시험

본 연구에서는 세립분 함유량에 따른 혼합토를 대상으로 총 8 Case에 삼축압축시험을 진행하였으며, 시험을 통해 혼합토의 응력경로 및 강도정수, 응력 및 변형율 관계 등을 구하였고, 이를 통해 세립분 함유량에 따른 혼합토의 강도특성을 비교 분석하였다.

포화, 압밀, 전단 순으로 시험을 진행하였다. 포화여부는 간극수압계수 B값을 측정하여 확인하였으며 간극수압계수 B는 ASTM(D 4767)에 따라 0.95이상일 때 포화과정을 종료하였다(American Society for Testing and Materials, 1985). 공시체의 압밀은 100kPa, 200kPa, 300kPa로 압밀과정을 수행하였으며, 압밀시간은 세립분 함유율에 따라 약 5시간~12시간정도 소요되었다. 압밀 종료 이후에는 공시체 안정화를 진행하여 총 압밀 시간은 약 24시간 정도 소요되었다.

2.2.3 표준압밀시험

본 연구에서는 모래와 세립분 혼합율에 따라 총 8 Case에 대해 표준압밀시험을 실시하였다. 5kPa부터 1,280kPa까지 총 9단계에 걸쳐 단계별 24시간 동안 하중을 재하하고, 압밀 종료 후 320kPa, 80kPa, 10kPa의 3단계로 단계별 24시간 동안 하중을 재하 후 시험을 종료하였다.

2.3 수치해석을 통한 압밀침하 특성 분석

2.3.1 수치해석 방법

실트질 모래(SM)의 압밀침하 특성을 분석하기 위해 압밀침하 해석을 진행하고, 함유율에 따른 시간, 침하량, 압밀도의 관계 특성을 비교 분석하였다. 세립분 함유율을 15%~49%로 변화시키며, 총 8 Case의 혼합토를 압밀침하 해석 대상으로 하였다. 압밀침하해석 방법은 대표적 압밀이론인 Terzaghi 1차원 압밀이론 및 Modified Cam Clay 이론을 통한 유한요소해석법, 유한변형 압밀이론 및 Direct Element Mix Method(DEMM) 방법을 적용하였다. 각 Case의 해석결과에서 압밀침하량, 압밀도 도달시간 등을 비교 분석하여, 세립분 함유율에 따른 지반의 변화 특성을 분석하였다.

2.3.2 입력 압밀정수

실트질 모래(SM)을 대상으로 한 실내시험 결과를 바탕으로 1차원 압밀이론 및 유한변형률 해석을 진행하였다. 해석을 위한 입력정수는 Table 3과 같다.

2.4 현장 계측결과를 이용한 압밀 대상층 적용성 평가

2.4.1 개요

본 연구에서는 연약지반의 과다침하로 인해 문제가 발생한 경상남도의 도로개설 현장에서 얻은 계측자료를 기반으로 원인을 분석하였고, 실내시험 및 수치해석 분석으로 도출된 실트질 모래(SM)의 압축특성 결과를 기반으로 SM은 세립분 함유율 35% 이상일 경우에 대해 압밀 대상층 적용성을 분석하였다.

2.4.2 연약지반 현황

연약지반이 분포하는 구간은 Fig. 3과 같이 총 4개 구역으로 지표면 침하판, 지하수위계 등을 이용한 계측이 이루어지고 있다. 지반조사 결과 Zone1 에는 실트질 모래(SM)가 5.5m 분포하고 있고, SPT 시험결과 연약사질토(SM)의 경우 N치=2로 연약지반으로 분류되며, 실내시험 결과 0.075mm 이하의 세립분이 36.0%~46.0% 함유된 것으로 나타났다.

Fig. 3

Soft ground

3. 결과 및 고찰

3.1 실내시험 결과

3.1.1 혼합토의 구조특성

세립분이 포함되지 않은 모래를 대상으로 일본 토질공학회 규정(JSF T 161-1990)에 따라 최대 및 최소건조밀도를 3회 측정한 결과 평균 e_max=0.709, e_min=0.484로 나타났다.

실트질 모래(SM)의 경우 Fig. 4와 같이 세립분 함유율이 증가할수록 간극비가 증가하는 경향을 나타냈으며, 약 30% 이상에서 안정구조에서 부유구조로 전환이 이루어지는 것으로 나타났다. 기존의 연구에서는 실트질 모래에서는 F_c=30~40%에서 모래에서 점토로의 구조 전환이 이루어진다고 제시되었으며(Kim, 2018), 본 연구 결과도 유사한 경향을 나타내었다.

Fig. 4

Comparison of skeleton void ratio for fines content

Fig. 5

Total of e-lop P curves

3.1.2 표준압밀시험 결과

세립분이 함유된 실트질 모래(SM)의 세립분 함유율별 표준압밀시험 결과는 Table 4와 같다.

Fig. 5는 세립분 함유율에 따른 e-logP 곡선을 나타낸 것이다. 세립분 함유율 35% 이하의 경우 하중 증가에 따라 간극비가 감소하는 사질토의 압축특성 경향을 나타냈으며, 15%, 20% 이하의 경우 평균 유효응력 160kPa, 124kPa 부근에서 항복응력을 나타낸후 e=0.36 부근에서 수렴하는 결과를 나타냈다. 또한 35% 이상에서는 항복응력 이전에는 선형적으로 감소하다 파괴 후 급격하게 간극비가 감소하는 점성토의 압축특성을 나타냈다.

3.1.3 압밀 및 투수 특성

압밀 및 투수계수 산정 결과 세립분 함유율(F_c)이 증가할수록 압밀 및 투수계수는 감소하는 경향을 보였다. 시험결과는 Table 5와 같다.

세립분 함유율(Fc)에 따른 압밀계수 및 투수계수의 관계를 선형회귀분석으로 분석한 결과 얻은 회귀식은 식 (1)~(2)와 같으며, 상관계수(R²)분석 결과 압밀계수의 경우 0.968, 0.880, 투수계수의 경우 0.970, 0.956으로 실트질 모래의 압밀계수 및 투수계수는 세립분 함유율의 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

3.1.4 삼축압축시험 결과 분석

Fig. 6은 세립분 함유율에 따른 SM의 구속압별 응력-간극수압 관계를 나타낸 그래프이다. 삼축압축시험 결과, 과잉간극수압은 세립분 함유율(F_c) 및 구속압이 증가할수록 감소하였으며, 특히 함유율 35% 이상에서 감소 경향이 커지는 것으로 나타났다.

Fig. 6

Pore water pressure and axial strain relationship by fine contents

Fig. 7은 세립분 함유율에 따른 SM의 구속압력별 응력-변형률을 나타낸 그래프이다. F_c=35%를 기준으로 초기 변곡점을 형성한 후 변형율 증가와 함께 응력이 증가하는 점토의 경화 거동을 나타냈으며 응력-변형률 특성은 구속압이 증가할수록 모래의 특성인 연화에서 점토의 특성인 경화로의 변화가 뚜렷하게 나타났다.

Fig. 7

Deviatot stress and axial strain relationship by fine contents

Table 6은 세립분 함유율에 따른 실트질 모래(SM)의 파괴 시 간극수압계수(Af)를 나타낸 것이다. 간극수압계수(Af)는 느슨한 모래의 경우 2~5, 점토의 경우 0~1.5의 범위를 가지며, SM의 경우 F_c=35% 이상에서 점토의 특성을 보임을 알 수 있다.

유효응력 경로의 경우 세립분 함유율 15~35%의 경로는 세립분 함유율이 증가할수록 유효응력이 감소하는 경향을 나타났으나 40% 이상의 경로에서는 세립분 함유율이 증가할수록 유효응력이 증가하는 정규압밀 점토와 유사한 거동을 보였다.

3.1.5 수치해석 결과 분석

(1) 침하량

SM의 세립분 함유율(F_c)에 따른 침하량 증가는 Fig. 8과 같다. Direct Element Mix Method를 제외한 나머지 방법에서 침하량의 경우 F_c=35%에서 변곡점이 발생하여 F_c=35%에서 모래에서 점토로의 변화 특성을 가짐을 알 수 있다. 또한 대변형 압밀이론은 다른 이론에 비해 큰 차이를 보이므로 변형량이 크지 않은 압밀 해석 시 대변형 압밀이론과 Direct Element Mix Method 방법은 적합하지 않은 것으로 사료된다.

Fig. 8

Total settlement of multiple method

(2) 압밀시간

SM의 세립분 함유율(F_c)별 압밀완료 시간 증가 경향은 Fig. 9와 같다. 침하량과 마찬가지로 Direct Element Mix Method를 제외한 나머지 방법에서 F_c=30%에서 압밀시간이 증가하는 변곡점이 발생하여, 모래에서 점토로의 변화 특성을 가짐을 확인하였다.

압밀이론 별 압밀해석 결과 세립분 함유율(F_c) 35%부터 F_c 증가에 따른 압축특성이 변화하는 것으로 나타났으며, 압밀시간의 경우 F_c=30% 이상에서 장기침하 특성을 나타나는 것으로 분석되었다.

Fig. 9

Consolidation time of multiple method

3.2 SM의 압밀대상층 적용성 평가

실트질 모래(SM)로 구성된 연약사질토 구간인 Zone1의 침하량은 평균 53.4cm로 계측되었으며, 성토기간에 따른 침하량은 Fig. 10에 나타낸 바와 같다.

Fig. 10

Settlement tendency by zone1

Zone1의 계측 침하량을 이용하여 Hoshino법, 쌍곡선법, Asaoka법으로 최종 침하량을 예측한 결과는 Table 7에 나타내었다.

Zone1의 설계침하량은 당초 10.7cm로 예측되었으나, 시공 중 실시한 연약지반 계측결과 예측침하량보다 과다한 침하가 발생하는 것을 확인하였다. SM의 압밀대상층 여부를 판단하기 위한 침하량 산정방법은 Terzaghi의 1차원 압밀이론을 기본으로 하는 MIDAS SolilWorks 수치해석 프로그램을 통해 산정하였다.

Fig. 11은 해석에 사용된 모델링을 나타내고, 침하량은 중앙부 위치를 기준으로 산정하였으며 압밀대상층 적용성 평가결과는 Table 8과 같다. SM을 즉시 침하가 발생되는 모래층으로 검토한 경우 예측침하량은 10.7cm로 시공 중 실측침하량 53.4cm의 약 20%에 해당하는 침하가 발생되는 것으로 나타났다. 반면 실내시험 결과를 반영해 SM을 압밀 대상층으로 적용하여 침하량을 검토한 경우는 실측 침하량 대비 92.6%의 침하가 발생하여 실측침하량과 유사한 결과를 보였다. 이는 연약사질토가 분포하는 현장의 과다침하 원인이 세립분 함유율 35% 이상의 SM으로 인한 현상으로 판단되며, 연약지반의 압밀 대상층을 확대 적용할 필요가 있다고 사료된다.

Fig. 11

Numerical analysis modeling

4. 결 론

본 연구에서는 통일분류법(USCS)상 실트질 모래(SM)로 분류되는 세립질 모래를 대상으로 세립분 함유율에 따른 역학적 특성을 분석하기 위해 실내시험을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 실제 과다침하로 인해 문제가 발생된 연약지반 개량 현장의 계측자료와 비교 분석하여 SM의 압밀대상층 적용성 평가를 진행하였으며, 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.

1. 실트질 모래의 압축특성 분석결과 세립분 함유율(F_c) 35% 이상일 경우 항복응력 이후 간극비가 감소하는 점성토의 압축특성을 나타냄을 알 수 있었다. F_c가 증가할수록 압축 지수가 증가하는 경향을 보였으며, 선형회귀분석으로 회귀식을 만든 결과 매우 양호한 선형성을 보이는 회귀식 도출이 가능하여, 세립분 함유율에 따른 실트질 모래의 압축지수 산정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

2. 세립분 함유율에 따른 삼축압축시험 결과 세립분 함유율 및 구속압이 증가할수록 모래의 특성인 연화(Strain softening)보다 점토의 특성인 경화(Strain hardening)로의 변화가 Fc=35%를 기준으로 뚜렷하게 나타났으며, 이는 구조적 특성에서 나타난 함유율과 유사한 결과로 SM의 역학적 특성은 흙 입자의 구조와 상관성이 있는 것으로 판단된다.

3. 연약지반의 현장 계측결과를 이용한 SM의 압밀대상층 적용성 평가결과, SM을 압밀대상층으로 적용한 침하량이 계측침하량 대비 92.6%의 침하가 발생하여 계측침하량과 유사한 결과를 나타내었다. 이는 연약사질토가 분포하는 현장의 과다침하 원인이 세립분 함유율 35% 이상의 SM으로 인한 현상으로 판단되며, 향후 이러한 점을 고려하여 연약지반의 압밀 대상층을 확대 적용할 필요가 있다고 사료된다.