Journal of the Korean Geo-Environmental Society ISSN:1598-0820(Print) 2714-1233(Online) 한국지반환경공학회 논문집

안정지반의 변형성과 말뚝 정착부의 구속조건은 사면 보강효과와 말뚝에 발생하는 부재력을 함께 좌우한다. 본 연구에서는 높이 9 m인 건조 조건의 이상화된 사면을 대상으로 3차원 유한요소 강도감소해석을 수행하여 안정지반 강성, 말뚝 위치, 안정지반 근입길이 및 말뚝-지반 상호작용 조건이 안전율과 말뚝 부재력에 미치는 영향을 평가하였다. 10절점 수정 사면체요소(C3D10M) 해석에서 강성비를 5에서 20으로 증가시키면 안전율은 위치에 따라 1.19~2.40 % 증가하였으나 최대 전단력은 24.79~35.49 % 증가하였다. 강성비 20의 마찰 조건에서 안전율은 위치비 0.55에서 최대였고, 최대 휨모멘트와 전단력은 위치비 0.60에서 발생하였다. 완전부착 조건을 마찰 조건으로 변경하면 안전율 변화는 0.08 % 이내였으나 최대 전단력은 10.38~16.08 % 증가하였다. 변위 급증 구간의 강도감소계수 증분을 0.02 이하로 세분한 결과, 안정지반 근입길이 5D와 7D 조건은 동일한 안전율 범위로 판정되었으며, 본 연구의 지반·말뚝 조건과 안전율 판정기준에서 5D는 검토한 근입길이 중 안전율 증가 효과가 확보된 최소값이었다. 안전율과 말뚝 부재력이 최대인 조건이 일치하지 않았으므로, 말뚝 위치와 정착조건을 평가할 때 안전율과 부재력을 함께 고려해야 한다.

국내 지역난방용 열수송관의 파손예측을 위한 방법론으로 유지관리 이력정보를 활용한 사용기간 기반 회귀분석 모델과 인공지능 기반 모델이 개발되어 있다. 다만, 실제 파손 데이터를 활용하여 두 방법론이 시설물의 위험도를 얼마나 정확하게 판단하는지, 두 모델간 위험도 분석 결과가 얼마나 유사한지에 대한 검증은 진행된 사례가 없다. 본 연구에서는 국내 지역난방사업자가 관리하는 열수송관의 설비이력 328,279건과 파손이력 2,310건, 브이월드에서 제공하는 매설환경(도로·수계·기타) 공공데이터를 활용하여 GIS 공간분석을 진행하고, 이를 활용하여 기존 사용기간 기반 회귀분석 모델을 개선한 뒤, XGBoost·LightGBM 앙상블 기반 AI 예측모델과 비교하여 각 모델간 일치도를 정량적으로 분석하였다. 순위상관분석(Spearman ρ=0.69~0.70, p<0.001) 및 고위험군 분류 일치도(Cohen's Kappa 0.39~0.60) 분석 결과, 두 모델의 일치도는 중간 수준으로 확인되었다. 또한 실제 파손 데이터를 활용한 위험도 백분위 기반 모델 검증 결과, AI 모델이 하위 50 %의 저위험군 오분류율(36.5 % vs 45.3 %)과 상위 20~30 % 위험군 포착률에서 사용기간 기반 회귀분석 모델보다 우수한 것으로 나타났다. 반면 위험도 최상위 10 %에 해당하는 극단적 고위험군 포착 시 개선모델이 AI 모델보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 위험수준이 서로 다른 열수송관의 위험도를 예측할 때 현장에서 두 모델을 모두 활용하는 이중검증(dual-validation) 체계를 도입할 경우 성능개선 우선순위 결정의 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

사용기간 기반의 지하시설물 회귀분석 모델을 활용하여 파손을 예측하는 경우, 유지관리 과정에서 수집된 파손 정보를 바탕으로 데이터 부족 등으로 초기 모델에 반영하지 못했던 신규 변수에 가중치를 부여하여 모델에 포함시킬 수 있다. 본 연구에서는 기존 열수송관 파손확률 추정 모델에 반영되지 않은 신규 변수 후보인 파손 조사정보(손상원인, 강관상태, 장애등급, 발견방법), 감시유형, 압력, 유속 데이터를 확보하여 신규 변수의 가중치 산정 시 발생할 수 있는 통계적 오류 유형(순환참조, 교란, 변수 중복성)을 진단하였다. 손상원인 등 파손 조사정보는 사용기간에 따라 통계적으로 매우 유의한 차이(손상원인 F=16.36, p<0.001)를 나타내었으나, 실제 파손이 발생한 경우에만 확보 가능한 변수이므로 순환참조(circular reference) 오류에 해당하여 신규 변수로 반영할 수 없다. 감시유형의 경우 독립적인 신규 변수로 가정하여 잔차보정을 적용한 결과 단순비율 가중치(0.540~2.605)와 잔차보정 가중치(1.337~0.763)의 순위가 뒤바뀌는 교란(confounding)이 확인되었으며, 기존 변수인 감지선 상태와 특정 고유값이 94.5 %가 일치하는 것으로 나타나 변수중복성(다중공선성)을 고려할 때 신규 변수로 활용은 불가능하다. 관망해석으로 확보된 압력과 유속은 파손과 무관하게 생성되어 순환참조에 해당하지 않는다. 압력의 경우 기존 변수의 영향을 제거하면 가중치 범위가 0.439~2.262에서 0.687~1.322로 줄어드는 교란이 확인되었으나, 공급관과 회수관을 나누어 가중치를 재산정하여도 압력이 높을수록 위험이 증가하는 경향이 유지되어 신규 변수로 적용이 가능한 것으로 판단되었다. 반면 유속은 1.0~2.3 m/s 구간에서 가중치가 증가하나 해당 구간의 75.9 %가 관경이 400 mm 이상인 대구경관이고 관경군별로 나누면 경향이 사라져 신규 변수로 적용하기 부적절한 것으로 판단되었다.

최근 기후변화에 따른 국지성 집중호우, 하천·저수지 수위 변동, 제방 및 성토체 내부의 누수는 지반 내 침투를 유발할 수 있다. 침투는 지반의 함수상태를 변화시키는 데 그치지 않고 토립자 간 접촉구조, 간극구조, 투수성 및 세립분의 분포 상태를 변화시켜 지반의 역학적 거동과 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 사질토 지반은 상대적으로 큰 간극과 높은 투수성을 가지므로 침투가 비교적 빠르게 발생할 수 있으며, 실트와 같은 세립분을 포함하는 경우에는 침투력에 의해 세립분이 조립입자 골격의 공극을 따라 이동하거나 재배열될 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 실트 함량이 사질토의 잔류전단거동에 미치는 영향을 확인하기 위해 링전단시험을 수행하였다. 그 결과 실트 함량은 침투가 작용하는 사질토의 잔류전단저항, 수직변위 및 침투·포화 거동에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

최근 집중호우의 빈도 증가, 장기 강우의 지속, 지하수위 변동, 배수시설의 기능 저하 및 구조물 주변의 누수 등으로 인해 지반 내 침투가 발생하는 사례가 증가하고 있다. 투수는 지반의 함수상태와 간극수압 분포를 변화시키고 토립자 간 접촉구조 및 유효응력 상태에 영향을 미침으로써 비탈면 및 토공구조물의 안정성을 저하시킬 수 있다. 사질토 지반에서 침투에 따른 전단강도 변화 특성을 파악하는 것은 비탈면 안정성 및 지반구조물의 장기거동을 평가하는데 중요하다. 이에 본 연구에서는 잔류상태에 도달한 사질토에 대하여 침투 시 사질토의 잔류전단거동에 상대밀도가 미치는 영향을 확인하기 위해 링전단시험을 수행하였다. 그 결과 상대밀도는 침투 전 최대 및 잔류전단저항뿐만 아니라 침투 후 최대 및 잔류전단저항에도 영향을 미치는 주요 인자로 확인되었다.

바이오시멘테이션은 탄소 배출이 많은 시멘트계 지반개량을 대체할 수 있는 친환경 기법으로 주목받고 있으나, 이를 신뢰성 있게 적용하기 위해서는 광물 침전이 처리된 흙의 간극 구조를 어떻게 변화시키는지에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 바이오시멘테이션 과정에서 광물 침전의 반응속도가 간극 형상의 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 바이오시멘테이션 처리된 이터벡(Itterbeck) 모래의 X선 컴퓨터 단층촬영(X-ray computed tomography, XCT) 영상으로부터 고결에 의해 간극률이 약 19 % 감소하였음을 확인하였으며, 영상에서 침전된 탄산칼슘(CaCO₃)을 제거하여 처리 전 간극 구조를 나타내는 흙 입자 분포 영상을 생성하였다. 이 영상을 초기 조건으로 하여 최대 침전물 직경 10, 50, 100 μm로 대표되는 빠른, 중간, 느린 반응속도 조건에 대해 영상 기반 광물 침전 시뮬레이션을 수행하고, 각 단계에서 굴곡도와 비표면적을 평가하였다. 그 결과, 간극률은 모든 조건에서 CaCO₃ 함량 증가에 따라 선형적으로 감소한 반면, 굴곡도는 다수의 미세 침전물이 유동 경로를 분절시킨 빠른 반응 조건에서 가장 급격히 증가하였다. 또한 빠른 반응 조건에서 형성된 다수의 미세 침전물은 간극 벽면을 거칠게 하여 정규화 비표면적을 증가시킨 반면, 느린 반응 조건에서 형성된 소수의 큰 결정은 간극 표면을 매끄럽게 하여 정규화 비표면적을 감소시켰다. 이러한 결과는 동일한 침전량에서도 반응속도에 따라 침전물의 공간적 배치가 달라질 수 있음을 보여주며, 반응속도 제어를 통해 바이오시멘테이션 처리 지반의 투수성과 강도를 조절할 수 있는 근거를 제공한다.