1. 서 론

최근 국내외 도심에서 동시다발적으로 발생하는 지반침하는 상하수관거의 파손으로 인한 지반의 토사 유실, 다짐불량, 수평굴착, 수직굴착시 토류벽 차수미흡 등 대다수 인위적 요인(Fig. 1, Choi, 2016)에 기인한 원인으로 조사되었으며, 지속적으로 방치시 지표부 함몰까지 이르러 사회기반시설물을 파손시킴으로써 인명적, 물적 피해를 초래하여 경제적 손실을 수반하므로 심각성이 대두되었다.

이와 같은 피해를 최소화하기 위해서는 탐사장치를 이용하여 지속적인 지표하 탐사 및 모니터링을 통하여 사전 보수 및 보강작업을 수행해야 한다(Han et al, 2017). 현재 서울시의 경우 Table 1, Fig. 2와 같이 관찰등급에서부터 긴급등급까지 공동 상부 토피의 높이와 아스팔트 포장체 두께를 고려한 공동관리등급을 선정하여 탐사결과에 적용하고 있으며, 각 등급에 대한 공동발생지반 복구기준에 대해 수립하였다(Seoul City, 2016). 지반함몰 발생지역 및 위험지역 보수 및 보강작업으로는 토사 메우기와 그라우팅공법을 주로 사용하고 있다. 토사 메우기 공법은 지반을 개착함으로써 주변지반을 교란시키며, 다짐장비를 운용함에 있어 공간적 제약으로 인해 설명서 기준의 다짐도를 확보하는데 한계가 있다. 따라서 토사 메우기 공법은 지반 강도저하를 야기하므로 일정 깊이 이상의 공동을 복구하기에는 어려움이 있다(Bae et al., 2017). 반면, 그라우팅 공법의 경우 비개착식 공법으로 주변 지반의 교란을 최소화함과 동시에 일정깊이 이상 지중 내 발생된 공동을 효율적으로 보강할 수 있다. 그러나 시공시 넓은 작업 반경, 플랜트 설치시간, 재료의 비균질성 등으로 서울시 공동관리등급에 있어 긴급복구에는 적합지 않다고 볼 수 있다. 따라서 신속하고 좁은 작업 반경을 가지며 비개착식으로 주변지반 교란을 최소화하는 지반공동복구기술이 필요하다. 지반 공동 긴급복구 조건을 충족시키는 복구 및 보강공법 적용시, 지중에 발생한 공동 주변 지반에는 이완영역이 형성되어 있으며 주입관 설치를 위한 지반 천공시 외력에 의해 이완영역 내부의 토사가 2차로 붕괴될 수 있다. 그러나 공동 주변 이완영역의 범위를 산정하거나 이를 보강하기 위한 방법들에 관련한 연구는 미비한 실정이다.

Table 1. Cavity management grade Classification (Seoul City, 2017)

이완영역은 지반아칭현상에 의해 발생되는 영역으로 Terzaghi(1943)는 지반에 터널 굴착시 지반 아칭효과로 인해 흙의 파괴영역에서 주변으로 하중이 전이됨에 따라 지중응력의 재분배 및 입자의 재배열이 이루어지는 영역으로 정의하였으며, 이완영역은 터널상단부를 제외한 다른 변들에 곡률이 있는 사다리꼴의 형태로 정의하였다. Carlsson(1987)은 말뚝간의 간격인 변과 마주보는 중심각이 30°인 이등변삼각형의 쐐기의 형태로 이완영역이 형성되며, 단위길이당 흙쐐기의 지반아칭중량에 대한 간편법을 제시하였다. Yoshikoshi(1976)는 트랩도어 하강 모형실험에 의해 매설된 관로에 작용한 연직토압 및 X-ray 사진 측정을 통하여 지중 내 발생된 이완영역의 형상을 아칭형상으로 제시하였다. Hong et al.(2007)은 말뚝지지성토지반 모형실험을 통하여 하중전이 효과를 규명함과 동시에 지중 공동의 발생시 지반을 구성하는 주변 흙입자들은 공동의 구심점으로 이동하여 입자들간의 마찰에 의한 지반 아칭현상이 발생하며, 아칭의 형상은 단일 경계선으로 구분되지 않고 외부 및 내부 아칭이 존재하는 일정한 폭을 수반하는 아칭을 나타냄을 제시하였다. Kim(2013)은 지반의 함수비 증가에 따른 지반 아칭형상에 대해 연구를 진행하였으며, 이완영역의 형상은 함수비가 증가함에 따라 아칭형상이 발생됨을 제시하였다.

또한, 도심지에서 발생되는 지반함몰 메커니즘 규명을 위해 Kuwano et al.(2010)는 모형실험을 수행하였으며 지반의 종류와 조건에 따라 공동의 확대 속도, 공동 주변 이완영역의 특성을 달리 제시하였으며, 포화도 상승에 따른 유효응력의 저하, 침투력에 의한 파괴, 세립분 유출로 인한 공동 확장, 공동 확대에 따른 지반의 불안정화 등이 공동 및 이완영역 확대 주요 원인으로 제시하였다. Sato & Kuwano(2015)는 지하 구조물의 위치로 인한 공동의 확장 영향성을 확인하기 위해 실내모형실험을 실시하였으며, 내부 침식을 동반한 공동의 성장은 물의 배출시 가장 짧은 거리인 한정된 침투 경로를 따라 공동이 발생하였으며 공동 확장에 있어서 시간적 영향은 모사지반 재료의 투수계수와 지하구조물의 위치에 의해 결정됨을 제안하였다.

그러나 지반함몰을 모사한 선행연구들은 지중 내 공동 복구를 위한 복구방법들의 영향에 대해 다루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지중 내 공동을 충전하는 경우 충전재를 주입함에 따라, 충전재의 팽창성에 따른 이완지반의 압축을 고려할 수 있는 공동 및 이완영역의 범위를 추정할 필요가 있다. 즉, 이완영역의 압축범위로 주변지반의 안정성에 영향을 미칠수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 지중 내 발생된 공동의 복구 및 보강작업시 고려되어야하는 공동 주변 이완영역의 범위를 산정하고 충전효과에 따른 지반의 압축범위 즉 공동 발생에 따른 공동 주변지반의 파괴 범위를 추정하고자 하였다.

2. 모형실험을 이용한 지반함몰 모사 실험

2.1 모형실험 개요

본 논문에서는 지하수위의 영향에 따른 지중 내 공동으로의 토사 유실이 연속적으로 발생하는 조건에서 지반함몰 발생단계, 지중 내 발생되는 공동 및 이완영역 형상 및 이완영역의 확장 범위에 대해 알아보고자 하였다. 실험에 적용하기 위한 관로 주변 뒤채움재는 국토부(2016)에서 조사 제시한 지반침하가 상당수 발생한 다짐불량 지반조건과 설계시 고려되고 있는 상수도공사 표준시방서(2014), 하수관거공사 표준시방서(2010) 등을 참고하여 모형실험시 지반상태에 대해 상대밀도를 고려하여 시료조건을 선정하였다.

2.2 실험조건

2.2.1 사용시료 및 조건

사용시료는 지반함몰이 가장 많이 발생하는 도심의 상･하수관거의 뒷채움재로 주로 사용되는 뒷채움재의 특성에 맞게 조립질의 토사에 세립분을 교반하여 형성하였다. 조립질의 토사는 기본적 역학특성을 고려하기 위하여 비슷한 입경을 갖는 빈입도의 주문진 표준사를 사용하였다. 더불어 세립분(#200체 통과분, 입경 75이하) 함유량은 기준치인 15% 이하를 충족하는 10% 및 초과하는 20%로 선정하였으며, 다짐도 90%이상인 지반에 대해 상대밀도는 각각 50%, 75% 이상으로 하였다. 이와같이 지반상태의 비교를 위해 관거 상단부 기준인 상대밀도 75%와 다짐이 잘 이루어지지 않은 지반에 대해 모형실험을 통하여 공동 형상 및 이완영역을 추정하고자 다음과 같이 2가지 지반상태를 고려하였다. 즉, Case. 1은 세립분 함유율 10%, 상대밀도 75%, Case. 2는 세립분 함유율 20%, 상대밀도 50%로 구성하였다.

2.2.2 모형토조

지하수위의 영향에 의해 지중 내 공동으로의 토사 유실이 연속적으로 발생하는 조건을 모사하기 위하여 본 연구에 사용된 모형토조는 Fig. 3과 같이 제작하였다. 토조의 제원은 900(L)150(W)700(H)mm이며, 토조 전후면을 강화유리로 제작하여 실험간 발생되는 공동 및 주변 지반의 거동을 확인하고자 하였다. 또한, 관거 파손부의 확장성 혹은 공동 꼬리부의 확장성을 적용하기 위하여 트랩도어의 크기를 최대 20mm까지 조절할 수 있도록 하였으며, 토조 측면에서 모사지반으로 정수위를 유지하며 물의 유입을 위해 토조 좌우측에 수조를 제작하였다.

본 연구에서는 도심지 도로하부에서 지하수위의 흐름 영향으로 인한 토사의 유실로 지중 내 공동이 형성되며 주변 지반을 이완시켜 공동을 발생시키고 점차 확장되어 함몰에 이르는 실험을 진행하였다.

2.2.3 이완영역탐지기

지중 내 공동이 발생되면 공동 주변지반은 토사의 유실로 불균등해지며 이에 따라 이완영역을 형성하게 된다. 모형실험에서 육안으로 확인할 수 있는 이완영역과 공동은 한계가 있으므로 Fig. 4와 같은 이완영역탐지기를 자체 제작하였다. 이완영역탐지기의 제원은 1,155(H)260(W)mm이며, 구성장치로는 지반의 선단저항력을 가하는 콘팁(Cone tip), 콘팁과 동력장치를 연결시키며 압입 혹은 인발하는 로드(Rod), 변위조정으로 압입 혹은 인발할수 있는 동력장치와 콘팁에 가해지는 압력을 측정하는 로드셀(Load Cell), 그리고 하중이 가해짐에 따라 로드셀에서 발생된 전기신호를 수치로 변환시키는 데이터로거(Data logger ; Kyowa UCAM-20PC)로 구성되어 있다. 토조 상부에 레일을 설치하여 이완영역탐지기를 이동시키며 변위제어방식을 이용하여 측정하였으며, 이동 간에 진동에 의한 토사의 추가붕괴가 발생되지 않도록 하였다.

기존에 사용되는 CPT는 모형실험에 사용시 단면적이 커 주변지반을 상대적으로 과도하게 교란시켜 공동주변 이완영역탐지시 붕괴를 수반하여 측정이 불가하므로 콘팁(선단각 60°, 단면적 0.071)을 최소화시킨 이완영역탐지기로 공동주변 지반을 덜 교란시킴으로써 콘의 지지력()을 측정할 수 있으며, 결과값을 토대로 이완영역을 추정할 수 있다.

2.2.4 실험방법

사용시료는 도심의 상하수관거 매설시 사용되는 현장조건을 적용하여 조립질과 세립분의 비율과 상대밀도를 표준시방서에 적합한 시료와 부적합한 시료로 선정하여 모사지반을 조성하였다. 각각의 모사지반은 일정 높이에서 강사시켜 5cm 높이마다 다짐봉을 이용하여 층다짐을 실시하였다. 토사의 거동을 육안으로 확인하기 위하여 주문진표준사를 색사로 5cm마다 층과 지점을 표시하였다. 육안으로 관찰하기 힘든 미세한 거동을 파악하기 위하여 실험시작부터 종료시까지 카메라로 영상을 촬영하였으며, 영상을 이용하여 분석하였다.

Fig. 5는 실험 진행방법에 대한 모식도로 토조 측면을 통하여 물을 침투시켰으며, 지중 내 공동 꼬리부를 모사한 토조 하부 트랩도어를 통하여 배출시켰다. 초기 트랩도어 크기는 2mm, 지하수위는 토조하부를 기준으로 20cm로 실험을 진행하였다. 토사의 배출이 이루어지지 않을 경우, 트랩도어를 2mm간격으로 확장시켰고 트랩도어를 최대로 확장시켰음에도 지반의 거동이 없을 때, 지하수위를 20cm 추가 증가시킴과 동시에 트랩도어를 초기 크기로 재조정후 실험을 진행하여 지하수위에 의한 토사의 거동으로 인해 발생되는 공동 및 이완영역을 관찰하였다.

3. 실험 결과

3.1 사용시료의 물리역학적 특성

관거 파손에 의한 지반공동발생 주변 지반을 모사하기 위하여 사용된 시료의 배합 비율은 표준사 : 세립분(황토)의 비율이 각각 9:1 및 8:2로 두 시료에 대해 KS표준에 의거하여 물성실험결과 Table 2와 같이 통일분류법(USCS)에 의해 전자의 경우 SP-SM, 후자는 SM으로 분류되었다. 최소건조단위중량은 1.43∼1.44, 최대건조단위중량은 1.69∼1.79이었으며, 다짐도에 따른 직접전단시험결과 점착력(c)은 차이가 미소하고, 내부마찰각()은 각각 35.2∼40.8° 및 28.7∼32.5°로 측정되었다. 투수계수 또한 다짐도에 따라 측정하였으며 두 시료간 미소한 차이를 보였다. 액소성한계 시험 결과 두 시료는 모두 N.P로 측정되었다.

Table 2. Physical and mechanical Characteristics

3.2 모형토조 실험 결과

지반함몰이 발생될 수 있는 현장지반을 모사하기 위하여 사용시료를 Table 2와 같이 일정 비율의 세립분(10, 20%)과 조립질의 표준사를 교반하여 보통정도와 조밀한정도의 상대밀도를 갖는 지반을 조성하였다. 지하수위의 영향에 의해 지중 내 공동으로의 토사 유실이 연속적으로 발생하는 조건으로 인한 지중 내 발생되는 단계별 공동의 형상 및 이완영역의 분포에 대해 알아보고자 하였다. 상수관거 표준시방서 및 하수관거 표준시방서 기준에 의하면 뒷채움재는 세립분 함유량 15%이하, 상대밀도 75%이상을 준수하도록 권고하지만, 이를 충족시키지 못하는 지반에서 주로 지반함몰이 발생됨에 따라 이를 만족할 수 있는 실험조건을 조정하였다(Han et al, 2017).

Fig. 6은 초기간극비() 0.59, 초기함수비() 10%로 모사한 Case. 1에 대한 실험과정에 따른 지반공동 발생과정을 나타낸 것으로, 초기 지하수위는 20cm로 설정하였다. 초기 트랩도어 개방 크기는 2mm로 시작하였으나, 토사의 배출은 발생하지 않고 지속적으로 물만 배출되어 실험시작 38분이후 트랩도어를 4mm로 확장하였다. 2시간 이후 급격한 토사의 유실이 발생한 이후 연속적으로 토사의 배출이 시작되었다. 토사배출이 시작되고 3시간 이후 지하수위 높이에서 폭 10cm, 높이 4cm의 육안으로 확인할 수 있는 타원형태의 공동이 최초로 발생하였다. 지하수위 근처에서 소규모 공동이 발생한 이후에는 세굴에 의해 공동 양 측면의 토사가 트랩도어 부근에 일시적으로 퇴적된 후 토사가 급격히 배출됨과 동시에 공동은 육안으로 확인할 수 있는 정도의 공동크기인 다이아몬드형으로 Fig. 6(c)와 같은 형상으로 발생한다. 또한 동시에 토조하부로부터 공동은 확산되고 지하수위 아래부분은 주동파괴각의 형태로 붕괴된 형상으로 나타났다. 지하수위 영향에 의한 공동 발생은 Fig. 6(a)~(c)를 반복하면서 최종적으로 다이아몬드가 확대된 형상(Fig. 6(f)의 형상의 공동 형상을 나타낸다. 즉, 지하수위 상부는 부채꼴의 원호 모양으로, 지하수위 아래는 주동파괴의 쐐기 파괴모드로 형성된다.

Fig. 7은 초기간극비() 0.61, 초기함수비() 10%로 모사한 Case. 2에 대한 실험결과를 도시한 것이다. 초기 지하수위 높이는 20cm였으며, 트랩도어를 20mm까지 확장하였으나 토사의 유출이 발생되지 않았다. 지하수위를 높이 40cm로 상승시키고, 트랩도어 10mm까지 증가시켰다. 지하수위와 트랩도어를 확장시킨 이후 공동의 형상은 육안으로 관찰하기 어려운 정도의 토사 배출이 서서히 연속적으로 발생하였으며, 14분 후, 토조 좌측 하부에 폭 23cm, 높이 11cm의 타원형 공동이 발생하였다. 공동은 연속적으로 확장하여 Fig. 7(c)와 같은 사다리꼴 형태로 변형되었으며, 공동 상부의 토사가 붕괴됨에 따라 Case. 1의 경우와 마찬가지로 상부로 확장되었다. 이어서, 공동 형상의 변화가 발생되지 않은 상태에 따른 지하수위를 지속적으로 상승시켰고 공동의 하부 및 상부의 지반이 일시에 붕괴되는 것이 관찰되었다. Fig. 7(f)와 같이 지표부의 함몰은 관측되지 않았지만 지표면 아래까지 공동이 확장됨에 따라 실험을 중단하였다. 지하수위가 유지되는 경우 Case. 2와 Fig. 6의 파괴모드는 유사하며 지반의 세립분 함유량이 많은 경우 지하수위 상승에 따라 지반 내 공동발생범위는 지표면으로 확산되는 상수도관 파손시 상승압의 영향을 고려한 파괴모드 III(Han et al, 2017)과 같은 파괴모드로 발전하고 있음을 알 수 있다. 즉 상수도관 파괴시 고찰된 지반의 초기 공동 발생은 지반조건이 같은 경우 지하수위 조건에 따라 세립분이 높은경우이거나 다짐도가 높은 경우 각각 많은 영향을 받음을 확인 할 수 있다.

3.3 이완영역탐지기를 이용한 이완영역 추정

지중 내 공동 발생과 동시에 공동 주변의 지반은 이완영역이 발생하게 된다. 공동의 복구 및 보강 작업시 공동 주변의 지반에는 이완영역의 붕괴가 발생하는 등의 영향으로 당초보다 큰 공동이 추가로 발생될 수 있다. 공동 보강을 위해 팽창성 있는 주입재를 보강하는 경우 이완영역의 범위보다 더 많은 양의 주입재를 충전 시 주입재의 팽창에 의해 주변지반에 영향을 끼쳐 또 다른 피해가 발생할 수 있으므로 보강 시에는 공동의 주변 이완영역의 범위를 고려하여 충전재를 주입하여야 한다. 따라서 본 장에서는 앞 절에서 검토한 실험결과를 이용하여 지중 내 발생된 공동 주변 이완영역의 범위를 추정하였으며, 이를 위해 이완영역탐지기를 개발 및 이용하여 이완영역 탐지를 실시하였다.

모형토조실험 Case. 1에 대해 지표함몰 이전 발생된 공동이 더 이상 확장되지 않은 상태의 공동 주변부 이완영역을 측정하였으며, 탐지위치는 Fig. 8과 같이 발생 공동의 좌우측이 대칭되도록 위치를 선정하였다. 이완영역탐지기를 이용하여 공동주변에 측정된 선단저항력은 전반적으로 증가 이후 감소하는 추세를 나타낸다. 이때, 측정된 값의 최대값을 이완영역의 시점으로 추정하였다. 이때, 모사지반의 다짐에 의한 층다짐효과의 전단저항상승효과는 고려하지 않았다.

Fig. 8은 Case. 1의 이완영역탐지 실험결과로 실험 시작 후 공동이 안정화 된 후 공동 주변 이완영역을 탐지한 결과를 도시한 것이다. 본 실험에서는 지표면에서의 다짐에 의한 굳음 및 공기 접촉에 따른 영향을 배제하기 위해 지표하 10cm지점부터 이완영역을 측정하였으며, 탐지 위치는 그림에 나타낸 것과 같이 총 8개소로 공동 중앙을 중심으로 좌우대칭이 되도록 실시하였다. Fig. 8의 탐지결과 토조 양 끝 쪽(10, 90%) 탐지위치에서는 일정한 크기의 측정값이 관측되었고 이는 지반 내 공동으로부터 일정거리 이상 떨어진 위치에서는 이완영역이 형성되지 않음을 확인할 수 있다. 공동의 중심부를 따라 이완영역을 탐지하였으며, 각각 이완영역이 시작되는 지점들을 점으로 표시하였다. 그림에서 보는바와 같이 지하수위 상부의 원호붕괴 Mode와 유사하게 일정거리의 이완영역이 관찰되었으며 공동 천단부의 지반 이완범위가 다소 크게 발생하고 있음을 알 수 있다. 이완영역은 공동의 형상을 따라 아칭형태로 형성되었음을 확인하였다.

3.4 이완영역과 교란영역 고찰

선행연구에서 초기지반상태 대비 변화가 발생한 지반의 영역은 3개의 영역 즉 공동, 교란영역, 이완영역으로 구분한 바 있다. 공동이 발생된 지반은 내부가 빈 공간으로 조성되어 있는 공동영역, 물의 흐름 등 외력의 영향을 직접적으로 받아 즉각적으로 붕괴 또는 흐트러지는 교란영역, 그리고 물의 침투와 배수로 윗 공동의 해방으로 인해 지반 내 전단강도 감소가 발생한 영역인 이완영역으로 제시한 바 있다(Kim, 2017). 모형실험에서는 토조 벽의 마찰을 최소화 하여도 모형토조 벽의 외측과 중심부에서 발생된 공동의 크기는 약간의 차이를 보이게 된다. 따라서 그 영향과 범위를 알아내기 위해 확인 시험을 하였으며 그 결과는 Fig. 9와 Fig. 10에서 보는 바와 같다.

Fig. 9(a)∼(c)에는 공동 확인을 위한 석고를 주입시 천공하는 과정에서 공동 상부의 토사가 붕괴되었고, 붕괴된 부분과 기존 공동을 추정하여 교란 및 이완영역을 구분하고자 하였다. Fig. 9(d)는 이완영역탐지 실험이 종료된 이후에 석고를 주입하여 공동을 본뜬 형상이며, 토조 중앙부와 토조 측면에서 형성된 공동의 길이 차이를 비교하여 이완영역을 추정하였다. Fig. 10은 공동의 좌, 우 측면에서 측정한 공동의 파괴영역 길이를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 실제 발생된 공간과 측면마찰에 의한 영역의 오차는 최소 22mm~33mm로 그 영향을 고려하기에도 미소한 것으로 판단되어 이를 고려하여 Fig. 11과 같이 교란영역과 이완영역을 구분하였다.

즉 이완영역탐지기를 이용하여 탐지된 모사지반의 이완영역과 외부하중에 의해 붕괴된 교란영역, 그리고 공동을 표시하였다. 이완영역탐지기를 통하여 측정된 이완영역은 아칭형태로 서로 약 5cm 높이의 일정한 간격을 보이고 있다. 이완영역과 교란영역의 높이의 비는 공동 중앙부에서 2:1의 비율이며, 공동의 외곽으로 감에 따라 교란영역의 비율이 점차 감소하는 결과를 보이고 있다. 이완영역과 교란영역의 차이는 외력에 대한 전단저항의 감소량을 나타내고 있다. 이완영역은 지중 내 공동이 발생함으로 인해 전단강도는 감소하였으나 일정수준의 외력(전단력)에 대해 모양을 유지하며 견딜 수 있는 영역이며, 파괴영역은 일정수준의 외력에 파괴됨에 따라 형상이 변모하는 영역임을 확인 할 수 있다. 즉, 실험에 적용시 모사지반에 물의 침투로 인한 세립분의 유실이 발생할 때, 점착력과 내부마찰각의 감소로 지반의 전단강도가 감소하게 되며 외력(전단력)에 저항하는 전단강도가 작을 경우 파괴가 발생하며 공동을 형성하고 점차 확장되어 감을 확인 할 수 있었다. 또한 물의 침투의 영향은 없었지만, 지중 내 발생된 공동 주변 입자 재배열에 의한 하중전이 현상으로 아칭현상 내부의 토사는 전단강도가 감소되어 있는 상태이므로 천공시 외력에 의한 추가 붕괴가 가능한 파괴영역이 존재 하고 있음을 확인 할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 도심지에서 발생되는 지반함몰이 지표에서 함몰이 일어나지 전 상태의 공동 주변 이완영역에 대해 알아보고자 하였다. 이를 위해 지하수의 흐름에 의한 토사의 세굴로 공동이 점차 확장되는 경우를 관거 표준시방서 기준 미달 조건과 충족 조건을 모사한 모형실험을 수행하여 선행연구의 파괴모드를 예측하였다. 또한, 제한된 지반조건 하에서 실험결과에 의하면 이완영역탐지기를 이용하여 모사지반 내 공동 주변부의 이완영역을 탐지함으로서 이완영역의 형상을 추정하였으며, 토조와 모사지반간의 마찰력이 최소화된 지반공동이 형성되었을 때를 고려하여 이완영역과 파괴영역을 비교, 제시하였다.

(1)지하수위 하부 지반 내 빈 공간이 조성되어 있을 경우 지하수 흐름이 발생되고 세굴에 의한 토사의 유실이 누적됨에 따라 공동이 형성된다. 공동은 지하수위 부근에서 주로 침투방향인 수평방향으로 점차 확대되어 부채꼴형태의 공동으로 확장되는 과정을 실내모형실험을 통해 모사할 수 있었으며, 이는 상대밀도가 조밀한 지반에서 상수관로 파손에 따른 파괴모드III과 비슷한 형상으로 형성됨을 알 수 있었다.

(2)이완영역탐지기를 이용하여 공동이 발생된 모사지반에 공동을 따라 탐사를 진행하였으며, 연약한 지반에서 이완영역탐지가 가능함을 알 수 있었으며, 이완영역은 공동을 따라 상부에 아칭형태로 형성됨을 알 수 있었다.

(3)모사지반 내 형성된 공동에 석고를 주입하여 토조 중앙부와 측면에서 형성된 길이 차이를 비교하여 교란영역과 이완영역을 구분하였다. 더불어 지반 내 공동이 형성되어있는 경우 물의 영향을 받지 않은 공동 상단부의 영역에서 입자 재배열 및 하중전이현상에 의해 전단강도가 감소한 영역에서 추가적인 외력의 작용시 교란영역이 붕괴될 수 있음을 확인하였다.

따라서, 도심에서 발생된 공동의 원인이 지하수의 흐름으로 인해 발생되었을 경우, 공동의 형상은 파괴모드III과 비슷한 형상을 가지며, 지반의 공동은 주변에 파괴영역과 이완영역이 함께 존재하므로 사전보수 및 보강시 주입재로 사용되는 재료의 팽창성을 고려하여 2차 피해가 발생되지 않도록 주의해야함을 알 수 있었다. 또한, 추가적인 실험을 통해 다양한 지반변형 상태를 추가로 실시할 예정이다.