1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
2. 대상지 특성 및 배수체계
2.1 지반개요
2.2 물리적 및 역학적 특성
2.3 연약지반 개량 공법(PBD)
2.4 성토 조건 및 하중 재하 방식
2.5 배수조건 및 지반개량 요소
2.6 계측 시스템 및 운영 개요
3. 조건 기반 압밀거동 분석
3.1 배수 방식에 따른 침하 경향
3.2 성토 조건이 침하에 미치는 영향
3.3 침하와 간극수압의 관계
3.4 종합 평가
4. 유한요소 해석 결과 분석
4.1 해석개요
4.2 수치해석 모델의 경계 조건
4.3 수치해석을 통한 지층 조건에 따른 침하 형태
4.4 배수 조건에 따른 침하 거동 특성
4.5 성토 조건에 따른 침하 거동 특성
4.6 계측 및 수치해석 평균 침하량 거동 비교
4.7 종합 평가
5. 결 론
1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
서해안 지역은 두꺼운 연약점토층이 광범위하게 분포하고 있어 성토 시 과도한 침하와 장기 압밀 등의 문제가 빈번하게 발생하며, 이를 저감하기 위하여 실제 현장에서는 수직배수공법(Plastic Board Drain)을 적용한 연약지반 개량이 널리 활용되고 있다. 연약지반은 배수조건, 지층구성 및 성토이력 등 다양한 요소에 의해 압밀 거동이 상이하게 발생하는 것으로 알려져 있다(Bang, 2020; Choi et al., 2022). 특히 동일한 최종 침하량을 보이는 경우에도 침하가 누적되는 시점과 단계는 성토 조건과 배수 환경에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 이러한 차이는 연약지반 성토면의 장기 안정성 평가 및 유지관리 측면에서 중요한 고려 요소가 된다.
Fig. 1은 본 연구에서 분석한 서해안 간척지 조성 현장의 위치를 나타낸다. 이 지역에는 두꺼운 연약점토층이 분포하고 있어서 성토 시 장기간에 걸친 압밀침하가 발생할 것으로 예측되었다. 일반적으로 성토에 의한 연약점토층의 압밀을 촉진하기 위해 다양한 배수공법들이 사용되고 있으며, 이 과정에서 설계 단계에서 예측한 압밀거동과 실제 계측 결과 간에 차이가 나타나는 경우가 빈번하게 발생한다. 이러한 차이는 연약지반의 불균질성과 단계별 성토에 따른 응력 증가 이력 및 실내외 시험으로 산정한 지반정수의 불확실성 등 매우 다양한 요인에 기인한다(Jang, 2020).
최근에는 기존에 널리 이용되는 각종 이론식을 보완하기 위한 수치해석 기법이 실무에서 폭넓게 활용되고 있으며(Zdravkovic & Potts, 2010), 특히 유한요소 해석은 시간에 따른 과잉간극수압 소산과 침하를 동시에 고려할 수 있어 설계 검토 뿐 아니라 시공 중 계측자료와의 비교·검증이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 기존 연구의 상당 부분은 최종 침하량의 일치 여부 및 간극수압 소산 시점의 재현 여부를 중심으로 해석 결과를 평가하는데 중점을 두고 있다(Chai et al., 1995; Hird et al., 1992; Indraratna et al., 2005). 또한, 실내외시험을 통해 산정된 지반정수 및 투수계수를 그대로 적용 시 수치해석이 현장에서 발생한 점토의 압밀 거동을 어느 수준까지 재현할 수 있는지에 대한 정량적 검토는 충분히 이루어지지 않고 있다.
특히 PBD가 적용된 연약지반의 경우 간극수압 소산이 비교적 빠르게 진행되는 특성 때문에 해석 결과와 계측 결과 간 차이가 발생하는 경우가 많다(Hansbo, 1981). 침하와 과잉간극수압은 유효응력 증가 및 압밀 진행 과정에서 상호 연계되어 발생하는 거동이므로, 두 요소를 개별적으로 평가할 경우 실제 압밀 거동 특성을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있다(Shibata et al., 2019). 이러한 점을 고려하여 압밀 과정에서 나타나는 간극수압 소산과 침하 누적 간의 연계성을 함께 검토하는 접근이 필요하다.
본 연구에서는 이러한 점에 주목하여 현장 계측을 통해 획득된 침하 및 간극수압 자료를 바탕으로 배수 방식, 지층 조건 및 성토 이력에 따른 압밀거동의 특성을 분석하였다. 이를 위해 계측 자료를 시간 기준이 아닌 성토 단계 기준으로 재구성하여 조건에 따른 침하 누적 양상의 차이를 비교·검토하였다. 아울러 실내시험 결과로부터 산정된 지반정수 및 투수계수를 사용하여 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS를 이용한 압밀해석을 통해 계측에서 관측된 점토의 압밀거동 특성이 수치해석에서 어느 수준까지 모사될 수 있는지를 검토하였다.
Fig. 2는 본 연구의 전체적인 분석 절차를 나타낸 것으로 대상 지역의 현장 조건을 분석한 후 조건별 계측 분석을 시행하였으며, 이후 이러한 조건별 압밀거동 특성을 바탕으로 PLAXIS 기반 수치해석 결과와의 비교를 수행하여 결론을 도출하였다.
본 연구는 이와 같은 절차를 통해 압밀침하 거동을 단순한 결과 비교가 아닌 각종 조건과 시공 과정 중심으로 분석하고자 하였다.
2. 대상지 특성 및 배수체계
연구 대상 지역의 지반 조건을 포함하여 성토 조건, 하중 재하 방식, 배수 조건 및 지반개량 요소를 검토하였다. 이를 통해 이후 장에서 수행되는 조건별 압밀거동 분석과 수치해석 결과의 비교에 필요한 현장 조건 및 해석 조건의 기준으로 활용하고자 한다.
2.1 지반개요
대상지는 대규모 간척사업을 통해 방조제를 건설하여 해수의 유입을 차단함으로써 형성된 지역으로, 시화호의 담수화 과정에 따라 넓은 충적층이 노출되어 있으며, 퇴적층이 광범위하게 분포하고 있다. 기반암은 화강암질 편마암과 퇴적암류인 셰일, 사암 및 역암으로 구성되어 있다.
지층 구성은 상부의 매립층과 연약 점토층 및 하부층으로 구분되며, 대표 단면은 Fig. 3과 같다. 상부층은 함수비가 높고 압밀이 많이 진행되지 않은 상태로 비교적 연약한 특성을 보이며, 하부층은 보다 두껍고 압축성이 큰 점토층으로 구성되어 있다. 또한, 연약 점토층의 투수계수는 전반적으로 낮은 범위로 분포하는 것으로 확인되었다.
이러한 지반 조건은 이후 수행되는 성토 조건 및 배수 조건에 따른 침하 및 간극수압 거동 분석의 기준 자료로 활용되었다.
2.2 물리적 및 역학적 특성
Fig. 4는 대상 지반의 물리적 특성을 나타낸 것으로 소성도표 및 활성도표를 통해 점토의 분류 및 특성을 분석하였다(K-water, 2017). Fig. 4(a)의 소성도표에서 대부분의 시료는 CL 영역에 분포하는 것으로 나타나 대상 지반이 저소성 점토에 해당하는 것으로 판단된다. 또한, Fig. 4(b)의 활성도표에서는 Illite 계열에 해당하는 범위에 분포하는 경향을 보여 광물학적으로도 비교적 안정된 점토 특성을 가지는 것으로 분석된다.
깊이에 따른 물리적 특성 변화를 살펴보면 Fig. 4(c)의 함수비는 전반적으로 일정한 범위를 유지하면서 일부 구간에서 국부적인 변동을 보이고 있으며, 이는 지층 구성의 불균질성에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 4(d)의 단위중량은 심도 증가에 따라 소폭 증가하는 경향을 나타내고 있어 상재하중 증가에 따른 유효응력 증가 및 간극비 감소 효과가 반영된 것으로 해석된다.
한편 Fig. 4(e)와 Fig. 4(f)의 액성한계 및 소성한계의 분포도를 볼 때 전반적으로 유사한 범위를 나타내고 있으나 GL(-) 4.0 m를 기준으로 상부층과 하부층 간의 분포 양상에 일부 차이가 나타난다. Fig. 4(g)의 액성지수 및 Fig. 4(h)의 소성지수 역시 유사한 경향을 보이면서도 특정 심도를 경계로 값의 분포 특성이 구분되는 양상을 확인할 수 있다. 이는 대상 지반이 전체적으로는 유사한 소성 특성을 가지면서도 심도에 따라 이질적인 거동 특성이 존재함을 시사하며, 이러한 경향을 반영하여 본 연구에서는 GL(-) 4.0 m를 기준으로 상·하부층을 구분하여 분석을 수행하였다.
Fig. 5는 지반조사 결과를 바탕으로 산정된 역학적 특성을 깊이에 따라 나타낸 것이다. Fig. 5(a)의 과압밀비(OCR)는 일부 이상치를 제외할 경우 GL(-) 4.0 m 이하 구간에서는 비교적 높은 값을 보이며, 과압밀 상태의 경향을 나타낸 반면 그 이하 심도에서는 점차 1에 근접하는 값을 보여 정규압밀 상태에 가까워지는 경향을 확인할 수 있다. 이는 상부층이 과거 하중 이력이나 지표 환경 변화 등의 영향을 받아 상대적으로 과압밀 상태를 유지하고 있는 것으로 해석된다. Fig. 5(b)의 수정압축지수는 심도에 따른 뚜렷한 변화 없이 전반적으로 유사한 범위를 나타내고 있으며, 이는 대상 지반의 압축 특성이 깊이에 따라 큰 차이를 보이지 않음을 의미한다. 따라서 침하 거동의 차이는 압축성 자체보다는 배수 조건이나 응력 이력 등의 외부 요인에 의해 더 크게 좌우될 것으로 판단된다. Fig. 5(c)의 투수계수 및 Fig. 5(d)의 수직압밀계수는 전반적으로 유사한 범위 내에서 분포하면서도 일부 구간에서는 값의 산포가 나타난다. 이러한 산포는 지층의 불균질성 및 토질 구성의 차이에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 5(e)의 초기간극비 및 Fig. 5(f)의 재압축지수는 심도에 따른 뚜렷한 증가 또는 감소 경향 없이 전반적으로 유사한 범위 내에서 분포하는 것으로 나타난다. Fig. 5(g)의 강도증가율은 상부층보다 하부층에서 다소 높은 분포를 보여 심도 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내는 것으로 해석되지만, Fig. 5(h)의 비배수전단강도는 심도 증가에 따른 뚜렷한 증가 경향보다는 상부층에서 상대적으로 높은 값이 분포하는 양상을 보인다. 이는 강도 관련 지표라 하더라도 항목별로 심도에 따른 변화 양상이 동일하지 않음을 의미하며, 지반의 응력 이력 및 층별 특성 차이가 복합적으로 반영된 결과로 판단된다.
2.3 연약지반 개량 공법(PBD)
Fig. 6은 대표적인 수직배수재의 종류를 나타낸 것으로 본 연구에서는 PBD를 적용하였다. PBD(Plastic Board Drain) 공법은 지반 내 판상형 배수재를 설치하여 배수거리를 단축시키며, 과잉간극수를 방사형으로 배출함으로써 압밀을 촉진하는 공법이다(Hansbo, 1981). 또한, 기성제품을 사용하므로 시공 품질 확보가 용이하며, 시공성이 우수한 장점이 있다. Sand Drain은 점성토에 모래말뚝을 설치하여 간극수를 방사방향으로 배수시켜 압밀을 조기에 완료시킬 수 있는 공법이다(Barron, 1948). 그러나 시공속도가 느리고 연약지반의 심도가 깊어질 경우 배수재의 절단 가능성 및 양질의 모래수급에 어려움이 있어 제외되었다. 또한, Pack Drain은 Sand Drain의 절단 가능성을 보완하여 합성섬유(Pack)에 모래를 충진하여 점성토의 압밀을 촉진시키는 공법으로 시공속도는 빠르지만 중량장비를 사용하여 충분한 지지력이 필요하며, 역시 양질의 모래수급의 어려움으로 제외되었다.
2.4 성토 조건 및 하중 재하 방식
Fig. 7은 대상 구간의 지반개량 및 단계성토 시공 과정을 나타낸 것으로 시공순서는 PET mat 및 수평배수층 설치 후 PBD 시공을 수행하였으며, 이후 단계별 성토를 통해 성토 하중을 재하하였다. 단계별 성토는 연약지반에 작용하는 하중을 단계적으로 증가시켜 지반 내 과잉간극수압의 급격한 증가를 억제하고 압밀 거동을 안정적으로 유도하기 위한 목적으로 적용되었다.
2.5 배수조건 및 지반개량 요소
본 대상지는 도로 구간과 단지 구간의 배수 조건이 서로 상이하게 구성되어 있다. Fig. 8과 같이 도로구간은 연약지반의 침하 관리 및 압밀 촉진을 목적으로 연직배수공법(PBD)이 적용되었으며, 이에 따라 연약층 내 배수거리가 단축된 조건을 가진다. 이러한 배수 조건은 성토 하중 재하 시 발생하는 과잉간극수압의 소산 경로를 단축시켜 압밀 진행 양상에 영향을 미칠 수 있는 요소로 작용한다.
수치해석에서는 PBD를 PLAXIS 3D의 Drain 기능으로 구현하고 현장조건에 따라 2.5 m × 2.0 m 간격으로 배치하였다. 설치심도는 8 m로 적용하였고 압밀해석 단계에서 Drain을 활성화하였다. 배수경계는 상부면과 외측면을 배수조건으로 설정하고 그 외 경계는 비배수조건을 적용하였다. Smear zone과 well resistance는 별도의 해석조건으로 적용하지 않았다.
반면 단지부에는 별도의 수직배수공이 적용되지 않아 자연배수 상태에서 압밀이 진행되었다. 이 경우 배수거리가 상대적으로 길어지며, 성토 하중 재하 이후 발생하는 과잉간극수압의 소산이 매우 느리게 진행되며, 성토가 비교적 단기간에 집중되어 수행된 점을 고려할 때 초기 변형 및 압밀 거동이 PBD 가 적용된 도로부와는 상이하게 나타날 것으로 판단된다.
이와 같은 배수 조건 및 지반개량공법 적용 유무의 차이는 성토 과정에서의 간극수압 소산 특성과 압밀 진행 속도에 영향을 미칠 수 있는 주요 조건으로 판단되며, 이후 장에서 수행되는 침하 및 간극수압 거동 분석의 해석 기준으로 활용하였다.
2.6 계측 시스템 및 운영 개요
2.1절~2.5절에서 제시한 지반 조건, 성토 조건 및 배수 조건에 따른 압밀거동을 분석하기 위해 침하 및 간극수압에 대한 현장 계측 자료를 확보하였다. 계측은 도로부와 단지부의 대표 지점을 중심으로 수행되었다.
계측은 성토 단계 및 공정 진행 상태에 맞추어 일정 간격으로 수행되었으며, 계측 주기와 주요 계측 시점은 Table 1과 같이 시행하였다. 이를 통해 성토 단계별로 하중 재하 시점 및 계측 결과를 구분하여 비교할 수 있도록 하였다.
Table 1.
Monitoring frequency at the site
본 연구에서는 이러한 계측 자료를 성토 방식, 배수 조건 및 지층 구성 등 앞서 제시한 조건과 연계하여 분석함으로써 조건별 압밀거동의 차이를 검토하고자 하였다.
3. 조건 기반 압밀거동 분석
본 연구에서는 PBD가 적용된 도로구간 7개소와 자연배수 조건의 단지구간 6개소를 대상으로 조건별 압밀거동을 분석하였다. Table 2는 분석 대상 구간의 지층 두께, 성토고, 성토기간 및 계측기간 등 주요 현장조건을 나타낸 것으로 각 지점은 성토조건과 계측기간 등에 차이가 있어 절대적인 침하량과 경과시간을 직접 비교하기보다는 침하의 진행 시점과 변화 양상을 동일한 기준에서 비교하기 위해 침하량과 경과시간을 각각 정규화하였다. 이를 바탕으로 배수조건, 지층조건 및 성토단계에 따른 압밀거동 특성을 비교·분석하였다.
Table 2.
Comparison of field conditions with and without PBD
정규화에 사용된 Sf는 각 지점의 최종 계측시점에서 측정된 침하량으로 PBD 구간은 23.3~60.5 mm, 자연배수 구간은 18.0~44.6 mm의 범위로 나타났다. tf는 계측 시작일부터 최종 계측시점까지의 경과시간을 의미한다. 각 지점에서 확보된 계측자료를 기준으로 침하 진행 특성을 비교하기 위해 실제 계측 종료시점의 값을 기준값으로 적용하였다.
조건별 평균값 및 평균곡선은 PBD 구간 7개소와 자연배수 구간 6개소의 개별 계측자료를 동일한 분석 기준으로 정리한 후 각 조건별 산술평균을 적용하여 산정하였다. 정규화 곡선의 경우 동일한 정규화 시간에 대응하는 각 지점의 정규화 침하량을 평균하여 대표곡선을 산정하였다.
3.1 배수 방식에 따른 침하 경향
배수 방식의 차이가 압밀침하의 진행 양상에 미치는 영향을 분석하기 위해 수직배수공(PBD)이 적용된 구간 및 자연배수 상태의 구간에서 계측된 침하 자료를 비교하였다. 두 구간은 동일한 연약지반 조건에서 성토가 수행된 구간으로 배수 조건의 차이에 따른 침하 거동을 비교하기에 적합한 사례로 판단된다. Table 3과 같이 각 개소별 PBD구간의 7개소는 R-PM으로 표현하였으며, PBD를 설치하지 않은 자연배수 구간은 D-PM으로 나타냈다. 침하 거동의 시간적 분포를 보다 명확히 파악하기 위하여 성토 시작 시점을 기준으로 침하량을 최종 침하량으로 정규화하였으며, 시간 또한, 최종 침하 도달 시점으로 정규화한 시간–침하 곡선을 구성하였다(Fig. 9).
Table 3.
Definition of monitoring point symbols
| Symbol | Meaning | Drainage condition | Location |
| R-PM | Settlement gauge at road section | with PBD | Road embankment section |
| D-PM | without PBD | Residential area section |
Fig. 9(a)의 PBD 구간에서는 정규화 시간 약 0.2~0.3 범위에서 정규화 침하량이 약 0.7~0.8 수준에 도달하여 초기 단계에서 압밀이 빠르게 진행된 것으로 보인다. 이후 구간에서는 침하 증가율이 점차 감소하면서 최종 침하에 수렴하는 경향을 보였다. 초기 구간에서는 위치별 일부 차이가 나타나나 정규화 시간 0.3 이후에는 곡선들이 유사한 형태로 수렴하는 양상을 보인다. 이는 PBD에 의해 배수 경로가 단축되면서 압밀 거동이 비교적 균일하게 나타났기 때문으로 판단된다.
Fig. 9(b)의 자연배수 구간에서는 정규화 시간 약 0.1 이내에서 정규화 침하량이 0.6~0.8 수준에 도달하여 전체 침하량 중 초기 단계의 침하 비중이 크게 나타났다. 이후에도 침하는 지속되나 정규화 침하량의 증가율은 점차 감소하는 경향을 보였다. 초기 구간에서는 위치별 편차도 비교적 크게 나타났으며, 이는 지점별 지반조건과 성토 이력 등의 차이가 함께 영향을 미친 것으로 판단된다. 두 구간의 정규화 곡선을 비교하면 자연배수 구간은 초기 침하 비중이 크게 나타났으나, PBD 구간은 상대적으로 완만한 초기 거동 이후 침하가 지속되는 특징을 보였다. PBD 구간은 중·후기 단계에서 곡선 간 차이가 감소하여 전반적으로 유사한 경향을 보였으며, 자연배수 구간은 초기 단계에서 지점별 편차가 크게 나타났다. 이러한 차이는 배수조건과 함께 각 구간의 성토 이력 및 초기 하중 재하에 따른 변형 등이 복합적으로 반영된 것으로 판단된다. 특히 자연배수 구간의 초기 침하 비중이 크게 나타난 것은 실제 압밀속도가 빠르다는 의미보다는 정규화 과정에서 나타난 상대적인 침하 진행 특성으로 해석할 수 있다.
3.2 성토 조건이 침하에 미치는 영향
Fig. 10은 배수조건에 따라 성토 단계를 저성토, 중성토 및 고성토로 구분하여 정규화 시간에 따른 침하 누적 거동을 나타낸 것이다. 각 단계별 침하 거동은 최종 침하량으로 정규화하여 성토 단계에 따른 하중 이력 및 침하 진행 특성을 비교할 수 있도록 하였다. Table 4는 성토구간별 기준을 나타낸 것으로 PBD구간의 최대 성토고를 6 m로 하여 2 m 구간별로 나누었으며, 자연배수 구간의 최대 성토고를 3.7 m로 하여 1.2-1.3 m로 나누어 분석하였다.
Table 4.
Classification of embankment stages based on final embankment height
PBD 구간(Fig. 10(a))을 살펴보면 저성토 단계에서는 초기 구간에서 침하가 완만하게 증가하며, 전체 침하에서 차지하는 비중이 비교적 작은 것으로 나타난다. 중성토 단계에서는 정규화 시간 약 0.1~0.2 구간에서 침하 증가율이 크게 나타나며, 일부 구간에서 급격한 기울기 변화가 확인된다. 이후 고성토 단계에서는 침하가 지속적으로 증가하되 증가율은 점차 감소하며, 최종 침하에 수렴하는 경향을 보인다. 또한, 단계가 진행됨에 따라 위치별 곡선 간 차이가 점차 감소하는 양상이 나타나며, 전반적으로 유사한 형태로 수렴하는 특징을 보인다.
자연배수 구간(Fig. 10(b))에서는 저성토 단계부터 비교적 큰 침하가 초기 구간에서 빠르게 발생하는 경향이 나타난다. 중성토 및 고성토 단계에서도 초기 구간에서 높은 침하 증가율이 유지되며, 정규화 시간 0.1 이내에서 상당한 침하가 진행되는 특징을 보인다. 이후 구간에서는 침하 증가율이 감소하면서 점진적으로 최종 침하에 수렴한다. 또한, 초기 구간에서 곡선 간 편차가 비교적 크게 나타나며, 단계별로 침하 발생 시점과 증가율의 차이가 뚜렷하게 나타난다.
두 배수조건을 비교하면 자연배수 구간은 성토 단계와 관계없이 초기 구간에서 침하가 집중적으로 발생하는 반면 PBD 구간은 단계별 하중 증가에 따라 침하가 분산되어 발생하는 경향을 보인다. 또한, PBD 구간에서는 단계가 진행됨에 따라 곡선 간 수렴성이 나타나나 자연배수 구간에서는 초기 편차가 크게 유지되는 특징이 확인된다.
이와 같은 결과는 성토고 뿐만 아니라 단계별 하중 이력 및 배수 조건이 침하 거동의 시간적 분포에 중요한 영향을 미치는 것을 보여준다.
3.3 침하와 간극수압의 관계
성토 단계별 침하와 과잉간극수압의 관계를 분석하기 위해 Table 4의 성토단계를 기준으로 ΔS/ΔH와 를 산정하였다. ΔS는 각 성토단계에서 발생한 누적침하량의 차이, ΔH는 해당 단계의 성토고 증가량으로 정의하였으며, 는 동일 성토단계의 계측기간 중 측정된 과잉간극수압의 최대값을 적용하였다. 간극수압계는 지표침하판과 연계된 지점에 설치되었고 분석에 사용된 계측기의 평균 설치 심도는 PBD 구간 약 GL(-) 7.7 m, 자연배수 구간 약 GL(-) 7.0 m이다.
성토 증가량 대비 침하량(ΔS/ΔH)과 최대 과잉간극수압()을 비교한 결과 두 지표는 성토 단계에 따라 상이한 변화 양상을 보였다. 각 지점의 측정값과 함께 성토 단계에 따른 전체적인 변화 경향을 확인하기 위해 평균값(Average)을 함께 나타내었다.
PBD 구간(Fig. 11)에서는 ΔS/ΔH가 저성토 단계에서 감소하였다가 중성토 단계에서 최소값을 나타낸 이후 고성토 단계에서 다시 증가하는 경향을 보인다. 평균값 기준으로는 중성토 단계에서 가장 작은 값을 나타내며, 이후 고성토 단계에서 증가 폭이 크게 나타난다. 반면 는 저성토 단계에서 상대적으로 큰 값을 보인 이후 성토 단계가 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 다만 개별 계측 지점별로는 일부 구간에서 변동성이 존재하나 전체적으로는 감소 경향이 우세하게 나타난다.
자연배수 구간(Fig. 12)에서는 ΔS/ΔH가 성토 단계에 따라 일정한 경향을 보이기보다 개별 지점별 편차가 크게 나타나는 특징을 보인다. 일부 지점에서는 중성토 단계에서 최대값을 나타낸 이후 감소하는 반면 다른 지점에서는 고성토 단계에서 급격히 증가하는 등 변동성이 크게 나타난다. 평균값 기준으로는 중성토 단계에서 증가하였다가 이후 완만한 증가 또는 감소 경향을 보인다. 의 경우 자연배수 구간에서는 성토 단계가 증가함에 따라 전반적으로 증가하는 경향이 나타난다. 특히 고성토 단계에서 대부분의 지점에서 큰 값을 나타내며, PBD 구간과는 상반된 경향을 보인다. 또한, 개별 지점 간 편차가 비교적 크게 나타나며, 성토 단계에 따른 간극수압 반응의 차이가 뚜렷하게 확인된다.
두 배수조건을 비교하면 PBD 구간에서는 성토 단계가 증가함에 따라 간극수압은 감소하는 반면 침하 반응은 후반 단계에서 증가하는 경향을 보인다. 반면 자연배수 구간에서는 간극수압이 성토 단계와 함께 증가하는 경향을 보이며, 침하 반응 또한 일정한 패턴보다는 변동성이 크게 나타난다. 이러한 차이는 배수 조건에 따른 간극수압 소산 특성과 하중 전달 메커니즘의 차이를 반영하는 것으로 판단된다.
3.4 종합 평가
본 장에서는 배수 조건, 지층 조건 및 성토 조건에 따른 압밀거동 분석 결과를 종합하여 연약지반에서의 발생 가능한 침하 특성을 분석하였다.
배수 조건에 따른 분석 결과 동일한 연약지반에서도 배수 특성에 따라 침하 양상이 서로 다르게 나타났다. PBD 구간에서는 침하가 장기간에 걸쳐 점진적으로 누적된 반면, 자연배수 구간에서는 전체 침하량 중 초기 침하의 비중이 상대적으로 크게 나타났다. 이러한 차이는 배수조건과 함께 각 구간의 성토 이력과 초기 하중 재하에 따른 변형 등이 복합적으로 반영된 것으로 판단된다.
지층 조건을 고려한 분석에서는 배수 조건에 따라 상·하부 지층의 압밀 진행 양상이 서로 다르게 나타났다. 자연배수 조건에서는 지층 위치에 따른 압밀 진행 차이가 장기간 유지되나 PBD가 적용된 조건에서는 배수 효과로 인해 지층 간 압밀 거동이 빠르게 진행되며, 비슷한 곡선을 보이나 침하량의 차이만 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 배수 조건이 지층별 압밀 진행의 시간적 차이를 조절하는 중요한 인자로 작용함을 보여준다.
성토 조건을 기준으로 침하 거동을 분석한 결과 성토 단계에 따라 ΔS/ΔH와 의 변화 양상이 나타났으며, 특히 배수조건에 따라 서로 다른 특성을 보였다. PBD 구간에서는 저·중성토 단계에서 간극수압의 발생과 침하가 함께 증가하였으나, 고성토 단계에서는 ΔS/ΔH가 증가하는 반면 는 감소하는 경향을 나타냈다. 반면 자연배수 구간에서는 성토단계가 증가함에 따라 ΔS/ΔH와 가 모두 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 성토단계에 따른 침하와 과잉간극수압의 변화 양상이 배수조건에 따라 상이하게 나타남을 보여준다.
이상의 결과는 압밀침하 거동을 단일 지표나 시간 기준으로만 해석하는 데 한계가 있음을 보여주며, 배수 조건, 성토 이력 및 압밀 진행 상태를 함께 고려한 조건 기반 분석이 연약지반의 압밀 거동을 보다 합리적으로 설명할 수 있음을 알 수 있다.
4. 유한요소 해석 결과 분석
4.1 해석개요
본 장에서는 계측에 따른 성토 이력과 설계 시 채택된 지반정수를 적용하여 수치해석을 수행하여 연약지반의 침하 거동을 분석하였다. 수치해석은 실제 시공 과정에서의 성토 진행 상태를 그대로 모사하여 침하의 시간적 진행보다는 성토고 증가에 따른 누적 변형 특성에 초점을 두었다.
수치해석에는 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS 3D를 사용하였으며, 지층 조건과 배수 조건은 3장에서 분석한 계측 구간과 동일하게 설정하였다. 특히 배수 조건은 수직재배수제(PBD)와 자연배수의 성토 이력만을 변화 요소로 두어 성토 조건에 따른 침하 거동의 차이를 비교할 수 있도록 하였다.
성토 이력은 현장 계측 자료를 기반으로 적용하였으며, 이를 수치해석 단계별 하중 조건으로 사용하였다. 이에 따라 수치해석 결과는 계측 경과일과 대응되는 성토 상태에서의 침하 거동을 나타내며, 성토 단계별 지반 상태를 기준으로 해석 결과를 정리하였다.
침하 거동의 분석은 성토고 증가에 따른 누적 침하량 및 성토 단계별 침하 특성을 중심으로 수행하였다. 이를 위해 성토고 변화 시점을 기준으로 저성토, 중성토 및 고성토 구간을 구분하였으며, 각 구간에서의 침하 비율과 침하 증가 경향을 비교하였다. 이를 통해 3장에서 제시한 조건 기반의 압밀 침하 분석 결과를 해석적으로 검증하고자 하였다.
4.2 수치해석 모델의 경계 조건
본 연구에서는 대표 단면을 기반으로 수치해석 모델을 구성하였으며, 요소망(mesh)은 Fig. 13(a)와 같이 성토에 따른 전체 지반의 침하 및 압밀거동을 분석하기 위해 coarse로 구성하였다. 요소망은 PBD 주변의 국부적인 응력 및 간극수압 분포를 상세히 모사하기보다는 성토 단계에 따른 전반적인 지반 거동을 분석하는 데 중점을 두어, 지층 경계와 PBD 배치조건을 반영할 수 있도록 구성하였다. 상부 하중은 단계 성토를 통해 재현하였으며, 성토고는 위치에 따라 최종 1.2~6.0 m 범위로 설정하였다. 지반은 상부 연약층과 하부 연약층으로 구분하여 모델링하였다.
연약지반의 거동은 단계성토에 따른 비배수 거동 특성을 고려하기 위하여 Undrained A 조건을 적용하여 해석하였다. 초기 응력 상태에서는 유효응력 기반의 재료거동을 적용하였으며, 하중 재하 과정에서 과잉간극수압이 발생 및 소산되도록 설정하였다.
또한 Fig. 13(b)는 PBD가 설치된 상황을 보여주는데 현장에 배치된 것과 동일하게 x-방향 2.0 m 및 y-방향 2.0 m 간격으로 배치하였다.
PBD가 y방향으로 2.0 m 간격으로 반복 설치되는 조건을 고려하여 전체 횡방향 폭을 모두 모델링하지 않았으며, PBD 1열을 대표하는 단위 폭 2.0 m를 해석 영역으로 설정하였다. PBD는 단위 폭의 중앙에 배치하였으며, 이는 y방향으로 동일한 PBD 설치 간격이 연속적으로 반복되는 조건을 모사하였다. 따라서 해석모델은 실제 시공 구간 전체 폭을 단순화한 대표 단면으로서 PBD 간격에 따른 배수 영향을 반영할 수 있도록 구성하였다.
해석은 Table 5와 같이 지반조사, 모델링, 해석 및 결과 분석의 단계로 구성된 총 7단계로 수행되었다. 각 단계에서는 실제 현장 조건을 반영하여 모델링을 수행함으로써 수치해석 결과의 신뢰성과 적용성을 확보하였다.
Table 6의 연약지반층의 물성치는 현장 지반조사 및 실내시험 결과를 바탕으로 설정하였으며, 심도에 따른 지반 특성 차이를 반영하기 위해 GL(-) 4 m를 기준으로 상·하부 지층으로 구분하여 적용하였다. 각 지층의 과압밀비(OCR), 압축지수(Cc), 재압축지수(Cr), 투수계수 및 압밀계수는 역학적 특성의 분석 결과에 따라 결정하였다. 연약지반층에는 Soft Soil 모델을 적용하였으며, 상부층(0~4 m)의 λ*와 κ*는 각각 0.072와 0.013, 하부층(4~12 m)은 각각 0.073과 0.011을 적용하였다. 초기응력 상태는 각 지층에 적용된 OCR과 초기 K0 조건을 반영하여 설정하였다.
Table 6.
Input parameters of subsoil
Table 7은 성토재의 물성치를 나타낸 것으로 설계 단계에서 제시된 재료 특성과 시공 조건을 기준으로 설정하였다. 단위중량, 초기 간극비, 탄성계수, 포아송비, 점착력 및 내부마찰각은 성토재의 역학적 거동을 Mohr-Coulomb 모델을 통해 합리적으로 모사할 수 있도록 적용하였으며, 수직 및 수평 투수계수는 성토층 내 배수 특성을 반영하도록 설정하였다.
Table 7.
Input parameters of embankment fill
성토과정은 현장 시공이력을 반영하여 단계별로 구성하였으며, 각 단계의 경과시간을 해석시간으로 적용하였다. 각 해석단계는 Consolidation 조건으로 설정하여 성토에 따른 과잉간극수압의 발생과 시간 경과에 따른 소산 및 침하 거동을 반영하였다.
수치해석의 변위 경계조건은 해석영역의 측면 및 하부에서 변위를 제한하도록 설정하였다. 이러한 조건을 바탕으로 성토 하중에 따른 지반의 변형 및 압밀 거동을 분석하였다.
4.3 수치해석을 통한 지층 조건에 따른 침하 형태
Fig. 14는 수치해석 결과를 바탕으로 지표면 이하 연약지반 내 GL(-) 0, 4, 8 m에서의 침하량을 최종 침하량으로 정규화하여 시간에 따른 침하 진행 양상을 비교한 것이다. 이를 통해 침하 규모의 차이를 제거한 상태에서 지층 위치 및 배수 조건에 따른 압밀 진행 특성을 검토하였다. 현장에서는 지층별 침하 계측자료를 확보할 수 없으므로 지층 조건에 따른 침하 거동은 수치해석 결과를 통해 분석하였다.
Fig. 14(a)는 PBD가 적용된 구간으로 상·하부 지층의 정규화 침하 곡선이 초기 단계부터 비교적 유사한 경향을 보이며, 성토 종료 이후에도 깊이에 관계없이 거의 동일한 속도로 최종 침하 상태에 수렴하는 양상이 나타난다. 이는 배수 조건의 개선으로 인해 지층 위치에 따른 압밀 진행 속도 차이가 완화되었음을 의미한다.
반면 Fig. 14(b)와 같이 자연배수 구간에서는 상부층에서 정규화 침하가 상대적으로 빠르게 진행되나 하부층에서는 침하 진행이 지연되어 깊이에 따른 곡선 간 차이가 장기간 유지되는 경향이 나타난다. 이러한 결과는 자연배수 조건에서 지층 위치에 따른 압밀 진행의 시간적 차이가 보다 뚜렷하게 나타남을 보여준다.
4.4 배수 조건에 따른 침하 거동 특성
Fig. 15는 3.1절에서 분석한 계측 결과와 동일한 배수 조건 및 성토 이력을 적용하여 수행한 수치해석 결과를 정규화하여 나타낸 것이다. PBD 구간과 자연배수 구간의 침하 거동을 비교함으로써 배수 조건에 따른 압밀 특성이 수치해석에서 어떻게 나타나는지를 검토하였다.
Fig. 15(a)의 PBD 구간에서는 정규화 시간 약 0.2~0.3 구간에서 정규화 침하량이 0.7~0.8 수준에 도달하며, 초기 단계에서 침하가 빠르게 발생하는 경향을 보였으나, 이후 침하 증가율은 급격히 감소하며, 비교적 이른 시점에 최종 침하량에 수렴하는 양상을 나타냈다.
반면 Fig. 15(b)의 자연배수 구간에서는 초기 단계에서 침하가 빠르게 증가한 이후 점진적으로 최종 침하량에 수렴하는 경향을 보였다. 또한, PBD 구간에 비해 침하가 보다 넓은 시간 구간에 걸쳐 분포하는 특성을 나타냈다.
수치해석 결과에서도 배수 조건에 따른 침하 거동의 차이가 확인되었다. PBD 구간은 초기 단계에서 침하가 집중되었으나, 자연배수 구간은 상대적으로 넓은 시간 구간에 걸쳐 침하가 발생하는 경향을 나타냈다. 계측 결과와 수치해석 결과의 정량적 비교는 4.6절에서 수행하였다.
4.5 성토 조건에 따른 침하 거동 특성
Fig. 16은 3.2절에서 분석한 성토 조건별 침하 거동과 동일한 기준을 적용하여 수치해석 결과를 정규화한 것이다. 성토고를 기준으로 저성토, 중성토 및 고성토 단계로 구분하였으며, 각 단계에서의 침하 누적 특성을 비교하였다.
Fig. 16(a)의 PBD 구간에서는 저성토 단계에서 침하가 발생하기 시작하나 전체 침하에서 차지하는 비중은 상대적으로 작게 관찰되었다. 이후 중성토 단계에서는 침하 증가율이 크게 나타나며, 침하가 본격적으로 진행되는 양상을 보였다. 고성토 단계에서는 침하가 지속적으로 증가하나 증가율은 점차 감소하면서 최종 침하량에 수렴하는 경향을 나타냈다.
반면 Fig. 16(b)의 자연배수 구간에서는 저성토 단계가 전체 압밀 과정에서 차지하는 비중이 상대적으로 작게 나타났으며, 침하의 대부분은 중성토 및 고성토 단계에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는 시간 기준으로는 초기 구간에 침하가 집중되었으나 성토 단계 기준으로는 중·고성토 단계에서 대부분의 침하가 발생하였기 때문이다. 특히 중성토 단계 이후 침하가 빠르게 증가하였으며, 침하의 상당 부분이 고성토 단계에서 발생하는 것으로 확인되었다.
수치해석 결과에서는 PBD 구간과 자연배수 구간 모두 저성토 단계의 침하 기여율은 상대적으로 작게 나타났으며, 침하의 대부분은 중성토 및 고성토 단계에서 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 성토고가 증가함에 따라 침하가 누적되는 경향이 뚜렷하게 나타났으며, 자연배수 구간이 PBD 구간에 비해 고성토 단계의 침하 비중이 상대적으로 크게 나타났다.
수치해석 결과를 종합하면 배수 조건과 관계없이 성토고 증가에 따라 침하가 누적되는 경향이 나타났으나 자연배수 구간은 PBD 구간에 비해 고성토 단계에서 침하 비중이 상대적으로 크게 나타났다. 이는 동일한 성토 조건에서도 배수 조건에 따라 단계별 침하 거동이 다르게 나타날 수 있음을 보여준다.
4.6 계측 및 수치해석 평균 침하량 거동 비교
Fig. 17은 PBD 구간과 자연배수 구간에 대해 계측 및 수치해석 평균 곡선을 정규화하여 비교한 결과이다. 침하량과 경과시간은 각각 최종 침하량과 최종 경과시간으로 정규화하여 압밀 진행 특성의 차이를 비교하였다.
전체적으로 모든 조건에서 침하는 정규화 시간 0.4 이전에 집중적으로 발생하는 경향을 보였으며, 이 시점에서 최종 침하량의 약 70~90 %가 발생한 것으로 확인되었다. 이후에는 침하 증가율이 점차 감소하면서 최종 침하에 수렴하는 양상을 보였다.
수치해석 결과는 계측 결과에 비해 초기 구간에서 침하가 빠르게 발생하여 정규화 시간 0.4 이전에 대부분의 침하가 발생하는 경향을 보였으며, 상대적으로 이른 시점에 최종 침하량에 수렴하는 양상을 나타냈다. 반면 계측 결과에서는 초기 침하 이후에도 침하가 지속적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 후반부 구간에서 장기 침하 특성이 확인되었다. 또한, PBD 구간과 자연배수 구간 모두에서 후반부까지 침하가 이어지면서 정규화 곡선의 증가가 완만하게 지속되었다.
이러한 차이는 수치해석에 적용한 모델의 특성과 실제 지반 조건의 차이에 일부 기인한 것으로 판단된다. 본 해석에 적용한 Soft Soil 모델은 연약지반의 압밀 거동을 모사할 수 있으나, 2차 압밀과 같은 시간 의존적 거동을 직접적으로 고려하는 데에는 한계가 있다. 또한 실제 지반의 불균질성 등도 후반부 침하 거동의 차이에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
4.7 종합 평가
Fig. 18은 PBD 구간 7개소와 자연배수 구간 6개소의 평균 침하 거동을 바탕으로 하여 저·중·고 성토고에 따른 단계별 침하 비율 및 정규화 시간 기준 침하 비율을 비교하여 나타낸 결과이다. 각 단계에서 발생한 침하량은 최종 침하량으로 정규화하여 나타내었으며(contribution ratio), 성토 단계와 시간 경과에 따라 침하가 어느 시점에서 크게 발생하는지 비교하였다.
Fig. 18(a)의 성토 단계별 침하 비율을 보면 PBD 및 자연배수 조건 모두 고성토 구간에서 가장 큰 침하 비율을 보였다. PBD 조건은 저성토와 중성토 단계의 침하 비율이 유사하게 나타났으나 자연배수 조건은 중성토 단계의 침하 비율이 상대적으로 크게 나타났다. 또한 두 조건 모두 전체 침하의 절반 이상이 고성토 단계에서 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 성토고 증가에 따라 지반에 작용하는 상재하중이 증가하면서 침하가 후반 성토 단계에 집중되었기 때문으로 해석된다.
Fig. 18(b)의 정규화 시간 기준 침하 비율을 보면 두 조건 모두 초기 단계에서 가장 큰 침하 비율이 나타났으며, 이후 시간이 경과할수록 침하 비율은 점차 감소하는 경향을 보였다. 특히 자연배수 조건에서는 초기 구간에 약 67 %의 침하가 발생하여 침하 집중 현상이 뚜렷하게 나타났으며, PBD 조건에서는 초기 구간에 약 43 %의 침하가 발생한 이후 중·후기 구간에서도 침하가 지속되는 특성을 보였다. 이는 자연배수 조건에서는 침하가 특정 시점에 집중되는 반면 PBD 조건에서는 상대적으로 넓은 시간 구간에 걸쳐 분산되어 발생함을 알 수 있다.
Figs. 19~20은 배수 조건별 침하 비율을 계측과 수치해석 결과를 바탕으로 비교한 결과로 서로 다른 경향을 나타내었다.
Fig. 19는 성토 단계별 침하 비율을 비교한 결과로 PBD 구간 및 자연배수 구간 모두 고성토 단계에서 가장 큰 침하 비율이 확인되었다. 그러나 침하 비율이 집중되는 단계에는 차이가 발생하였다. PBD 구간에서는 고성토 단계의 침하 비율이 상대적으로 크게 나타났으나, 수치해석 결과에서는 저성토 및 중성토 단계의 침하 비율이 상대적으로 크게 나타났다. 자연배수 구간에서도 고성토 단계의 침하 비율이 가장 크게 나타났으나 저성토 단계에서는 상대적으로 큰 차이가 확인되었다. 이러한 결과는 실제 현장에서는 성토 완료 이후에도 침하가 지속적으로 발생하는 반면, 수치해석에서는 성토 직후 발생하는 초기 압밀 거동이 상대적으로 크게 반영되었기 때문으로 판단된다.
Fig. 20은 정규화 시간 구간별 침하 비율을 비교한 결과다. 두 배수 조건 모두 정규화 시간 0.4 이전에 전체 침하의 대부분이 발생하는 것으로 나타났으나, 이후 구간에서의 침하 거동에는 차이가 확인되었다. PBD 구간에서는 초기 구간 이후에도 침하가 지속적으로 발생하였으나 수치해석 결과는 비교적 이른 시점에 수렴하는 경향을 보였다. 자연배수 구간에서는 초기 구간에서 계측과 수치해석 결과 간 일부 차이가 나타났으며, 정규화 시간 0.6 이후에는 두 결과가 유사한 침하 비율을 보였다. 다만 정규화 시간 1.0 구간에서는 계측 결과의 침하 비율이 수치해석보다 크게 나타났다. 이는 실제 현장에서는 압밀 후반부에도 침하가 지속되는 반면, 수치해석에서는 이러한 후반부 침하를 충분히 반영하지 못했기 때문으로 판단된다.
수치해석 결과는 배수 조건 및 성토 단계에 따른 침하 발생 경향을 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다. 그러나 침하의 수렴 시점과 후반부 침하 거동에서는 계측 결과와 차이가 나타났으며, 이러한 차이는 특히 PBD 구간에서 더욱 뚜렷하게 확인되었다. 따라서 연약지반의 침하 거동은 최종 침하량뿐만 아니라 침하 발생 시점과 압밀 특성을 함께 고려하여 평가할 필요가 있으며, 계측 자료와 수치해석 결과를 병행한 검토가 요구된다고 할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 연약지반에서 수행된 단계별 성토 시 관찰된 점토의 압밀거동을 다양한 시공 조건을 고려하여 현장 계측 및 PLAXIS 3D 기반 수치해석 결과를 이용하여 비교·분석하였다. 또한 침하량과 경과시간을 각각 최종 침하량 및 최종 경과시간으로 정규화하여 조건별 압밀 거동의 차이를 정량적으로 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 배수 조건에 따른 침하 거동 분석 결과 PBD 구간과 자연배수 구간(PBD 미설치 구간) 모두 최종 침하량의 약 70~80 %가 정규화된 시간 0.4 이내에서 발생하는 것으로 나타났다. 자연배수 구간은 정규화된 시간 0.2 이내에 최종 침하량의 약 60 % 이상이 발생하여 초기 침하 비중이 크게 나타났으며, PBD 구간은 상대적으로 완만한 침하 진행 특성을 보였다. 이러한 차이는 배수조건과 성토 이력, 초기 하중 재하에 따른 변형 등이 복합적으로 반영된 상대적인 침하 진행 특성으로 판단된다.
(2) 성토 단계별 침하 비율 분석 결과 PBD 및 자연배수 조건 모두 고성토 단계에서 전체 침하량의 약 55~58 %가 발생하는 것으로 나타났다. 계측 결과에서는 고성토 단계 이후에도 침하가 지속적으로 증가하는 특성이 관찰되었으나, 수치해석 결과에서는 정규화된 시간 0~0.4 구간에서 최종 침하량의 약 90 % 이상이 발생한 이후 빠르게 수렴하는 경향을 보였다. 이는 수치해석이 초기 단계의 침하 발생 경향은 재현하였으나, 실제 계측에서 나타난 압밀 후반부의 지속적인 침하 거동을 충분히 반영하지 못했음을 보여준다.
(3) 본 연구 결과는 배수 조건과 성토 이력에 따라 침하 발생 시점과 침하 진행 패턴이 다르게 나타날 수 있음을 보여주었다. 또한 연약지반의 압밀침하 거동은 단순한 최종 침하량뿐만 아니라 배수 조건, 성토 단계 이력 및 시간 의존적 압밀 특성에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 연약지반의 침하 예측 및 해석에서는 최종 침하량뿐만 아니라 침하 발생 과정과 시점을 고려하고, 현장 계측자료와 수치해석 결과를 병행하여 배수 조건과 성토 이력을 종합적으로 검토할 필요가 있다.
