1. 서 론
최근 건설 경기 침체로 시공사의 경제난 또는 부도 등의 원인으로 공사가 중단되어 도심지에 건축물이 흉물스러운 상태로 장기 방치되어 안전사고 위험, 주변 미관 훼손, 환경오염 등의 문제가 된 사례가 있다. 이러한 공사 중단으로 장기 방치된 건축물은 ‘공사 중단 장기 방치 건축물의 정비 등에 관한 특별조치법’(국토교통부, 2025)에 의해 지자체에서 발주처에 철거를 명할 수 있다. 그러나 건축물을 철거하는 경우 다량의 폐기물이 발생하게 되고 철거로 인해 현장 주변에 소음, 분진, 유해물질 등 환경오염 피해가 발생하게 된다. 특히 공사가 중단된 건축물은 해당부지를 향후 다른 용도인 새로운 구조물을 건설하거나 단지 형태로 이용하고, 구조물 간섭을 배제하기 위해 기존 구조물을 철거해야 한다.
대형 건축물의 경우 지반조건에 따라 구조물 하부에 기초말뚝을 설치하게 된다. 그러나 설치된 기초말뚝을 제거하는데 경제적 및 시간적 손실 등이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존 말뚝의 재사용 가능 여부를 확인하는 다양한 연구가 진행되고 있다.
Tsubakihara et al.(2003)의 연구에서 기존 말뚝의 건전성을 조사하기 위해 현장타설콘크리트말뚝의 탄산화 검사를 수행한 결과 탄산화 두께가 콘크리트 상부 구조보다 얇게 나타났다. 수치해석으로 기존 말뚝의 내진성능을 확인한 결과 말뚝 두부의 휨 연결은 휨모멘트를 줄여 기존 말뚝을 재사용하여도 적합함을 확인하였다(Sei et al., 2001; Horii et al., 2007). Miyata & Suzuki(2004)는 3차원 유한차분법을 통해 기존 파일과 새 말뚝의 지지력과 횡방향 저항에 미치는 영향을 확인한 결과 미미하였다. Watanabe et al.(2015)은 1980년에 시공한 기존 말뚝을 재사용하기 위해 건전성을 확인한 결과 충분한 지지력을 가지고 있음을 확인하였다. 또한 기존 말뚝의 재사용으로 인해 약 4,000 ton의 탄소를 저감하는 효과를 확인하였다. Sheil(2017)은 기존 기초를 재사용하는 경우 선행하중과 시간 의존 거동이 기초의 재하 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 점토 지반에 설치된 말뚝기초 및 말뚝이 없는 매트기초를 대상으로 3차원 유한요소해석을 수행한 후 두 효과를 분리 및 결합하여 분석하였다. Cui et al.(2020)은 기존 말뚝을 제거하지 않고 신축 건물의 기초로 재활용하는 공법을 제안하고, 실제 상하이 재개발 사례를 통해 구조적 성능과 적용성을 평가하였다. 내구성(콘크리트 강도, 염화물 침투, 철근 인장강도)과 지지력(저변형 시험, 정재하시험)을 종합적으로 검토한 결과 기존 말뚝은 공학적 적용 기준을 충분히 만족하는 것으로 나타났다. Zhang et al.(2024)는 기존 말뚝을 폐기하지 않고 재사용하기 위해 현장타설콘크리트말뚝 7개를 대상으로 정재하시험과 탄산화 깊이·염소이온 침투·철근 부식도 등 내구성 시험을 수행하고, 속성 식별 이론을 적용하여 재사용 가치를 정량적으로 평가하였다. 그 결과 콘크리트 압축강도는 26.2~47.3 MPa로 설계기준을 상회하였다. 그러나 극한지지력은 말뚝별 최대 54 % 편차가 나타났으며, 말뚝 깊이가 깊어질수록 수압과 부식의 영향으로 강도와 내구성이 함께 저하되고 염소이온 침투계수가 높을수록 지지력이 낮아지는 상관관계를 제시하였다. 따라서 선별적으로 말뚝 재사용이 가능함을 확인하였다.
Niu et al.(2025)는 노후 교량 증축 시 기존 말뚝을 재사용하면서 신설 말뚝을 추가할 때 두 말뚝간 상호작용과 부등침하를 수치해석으로 검증하였다. 또한 신설 말뚝의 직경, 지반조건 등 주요 변수를 변화시켜 매개변수 해석을 수행하였다. 그 결과 신설 말뚝의 길이가 길수록 전체 침하는 감소하였으나, 기존 직경의 1.2배 이상부터는 효과가 둔화되거나 오히려 증가하는 비선형 거동을 보였다. 이에 지반 특성과 하중 분포가 침하에 가장 큰 영향을 주는 요인으로 제시하였다.
국외에서는 말뚝의 재사용을 하기 위한 연구들이 진행되고 있으며, 말뚝을 재사용하기 위한 관련 지침이 마련되어 있다. 그러나 국내에서는 설계기준 및 지침 등의 미비로 인해 기존 말뚝을 재사용이 제한되고 있는 실정이다.
본 연구에서는 실제 구조물의 철거가 예정된 현장을 대상으로 ‘PRD, PHC 및 CIP 말뚝’ 등 기 시공된 기초 구조물까지 전체적으로 철거하는 경우와 기초 구조물을 부분적으로 존치시키는 방안에 대한 종합적인 비교·검토를 시행하였다. 먼저 철거대상 구간의 지반특성, 지하수 분포 특성 및 주변에 존재하는 공공 인프라 시설물 등을 고려하여 말뚝의 ‘전체 철거 방안’과 ‘부분 존치 방안’에 대해 발생할 수 있는 공학적인 문제를 수치해석으로 분석하였다. 또한 환경적 측면 비교를 위해 각 방안별로 탄소배출량과 탄소중립을 위한 식재량의 정량적인 산출 및 비교를 통해 말뚝의 처리 방안을 제안하였다.
2. 현장조사
2.1 지반조사
지반조사는 현장에 대한 지층의 분포 상태 및 토성을 파악하고 합리적인 설계가 될 수 있도록 지반공학적 기초자료를 제공하여야 한다. 연구지역 위치는 경기도 ○○시에 설치된 구조물로 PRD말뚝, PHC말뚝, CIP말뚝 등이 시공되어 있다. Fig. 1은 현장 구조물의 횡단면이다.
철거 방안별 지반굴착에 따른 주변 지반의 변형 및 지하수 거동의 비교를 통해 적절한 철거 방안을 확인하고 기존 말뚝의 재사용 여부를 확인하기 위해서 시추조사, 각종 현장시험, 실내시험을 구조물 시공 전 수행한 지반조사 결과를 활용하였다. Fig. 2는 지반조사 위치도이고, Table 1은 연구대상 부지에서 수행된 실·내외시험의 종류이다.
Table 1.
Laboratory and field testing
| Classification | Number of times |
| Borehole investigation | 14 |
| In-situ permeability test | 6 |
| In-situ borehole shear test | 3 |
| In-situ borehole loading test | 3 |
| Downhole seismic testing | 2 |
2.2 지반조사 결과 및 분석
조사부지는 최상부 지층으로 토사를 매립하여 형성한 매립층으로 모든 시추공에서 확인되었다. 매립층은 지표면 상부에서 1.5~4.0 m 내외의 두께로 분포하고 있으며, 실트 섞인 모래로 구성되어 있고 부분적으로 자갈 및 건축 폐자제를 혼재하고 있었다. 표준관입시험에 의한 N값은 3~8로 매우 느슨 내지 느슨한 상대밀도를 보이고 있었다.
시추조사를 통해 본 현장 지반의 구성은 상부에는 N값 10 이하의 연약한 매립층이 분포하며, 하부에 퇴적층이 매우 두껍게 분포하는 것으로 파악되었다. 또한 Fig. 3과 같이 퇴적토층 상부는 연약한 상태인 것으로 조사되었으며, N값 15 이하의 비교적 느슨한 지층의 두께가 14.0~18.0 m까지 분포하는 것으로 파악되었다.
풍화암층은 29.0~34.0 m 범위의 심도에서 출현하며, 하부에 암반층이 존재함을 확인하였다. 지반의 지하수위는 지표 아래 (-) 7.9m~11.5 m에 있어 구조물 바닥 슬라브 직하부에 위치하는 것으로 확인되었다.
현장 지반현황과 관련하여 철거 공사 계획에 있어 굴착 심도가 지표면 아래 10 m 이상일 경우 주변 지반에 미치는 영향이 점차 증가할 것으로 예상된다. 특히 가시설을 굴착할 때 유출되는 지하수에는 물 뿐만이 아니라 흙의 미립자가 혼합되어 유출되므로 배면지반의 응력 증가와 지반 이완이 중첩되어 예상치 못한 침하로 발전할 가능성도 예측된다. 이 외에도 느슨한 퇴적토층에서 수행되는 철거 공사와 관련 가시설 및 굴착계획을 수립할 때 느슨한 지반에 대한 굴착시스템의 안정과 장비의 시공성을 함께 고려해야 한다.
3. 유한요소해석
3.1 해석 개요 및 조건
구조물 철거 및 복원 시 기초하부에 설치된 말뚝을, (1) 완전히 제거하는 경우와, (2) 존치시키는 경우 벽체의 안정성과 지반침하는 비교하기 위해 Midas GTS/NX 3차원 수치해석을 수행하였다. 철거 방안별 지반굴착에 따른 주변 지반의 변형 및 지하수의 거동을 비교하여 적절한 철거 방안을 검토하였다.
두 경우 모두 초기응력해석 이후 굴착 안정성 확보를 위한 가시설 벽체와 앵커 설치 및 단계별 구조물 철거 과정을 모델링하였다. 말뚝을 (1) 완전히 제거하는 경우는 구조물 철거 이후에도 기초말뚝 철거를 위해 14단의 앵커 설치 과정을 15단계로 모델링하여 총 34.5 m 굴착 과정을 반영하였으며, 굴착완료 후에는 설치된 가시설과 앵커의 단계별 제거와 되메움 과정을 14단계로 모사하였다. 즉, 34.5 m 굴착 15단계 후, 되메움 14단계로 시공과정을 반영하는 등 총 29단계로 구분하여 해석하였다.
또한 말뚝을, (2) 존치시키는 경우는 굴착 안정성 확보를 위한 가시설 벽체·앵커 설치 및 단계별 구조물 철거 과정을 3단계로 모델링하고, 설치된 가시설과 앵커를 단계별로 제거하고 되메움하는 과정 역시 3단계로 모사하여 총 9.8 m 지반굴착 및 되메움 과정을 6단계로 모델링하였다.
Fig. 4는 해석 조건별 굴착단면에 대한 개요도이며, 이를 통해 해석 단계별 굴착 심도 파악이 가능하다.
유한요소해석을 위해 철거가 진행될 현장과 동일하게 Fig. 5(a)와 같이 모델링하고, 격자망은 Fig. 5(b)와 같다.
해석영역은 경계조건의 구속 영향을 배제하기 위해 굴착 경계면을 기준으로 수평방향은 굴착 깊이의 3배, 연직방향은 굴착 깊이의 2배 이상으로 범위를 설정하였다. 수치해석에 적용된 지반의 각종 강도정수는 지반조사 결과를 이용하였으며, Table 2와 같다. 또한 지반의 구성모델은 Mohr-coulomb모델을 적용하였고, 구조체 하부에 설치되는 말뚝은 cable 요소로 구현하였다.
Table 2.
Soil condition of numerical analysis
3.2 해석 결과
본 연구에서는 구조물 철거 및 복원에 있어 기초하부에 설치된 말뚝을 완전히 제거하는 경우(1안)와 존치시키는 경우(2안)에 대해 주변 지반에 미치는 영향을 비교하였다. 해석 결과는 Fig. 6과 같으며, 침하 안정성 평가는 통상적인 기준인 연직침하량 25 mm를 기준으로 평가하였다.
3.2.1 말뚝을 완전히 제거하는 경우(철거 1안)
말뚝을 완전히 제거하였을 경우 현장 인근에서 발생하는 최대 침하량은 147 mm로서 허용값인 25 mm를 크게 초과하는 것으로 분석되었다(Fig. 7 참조). 또한 주요 지장물인 인접 도로하부에 위치하는 상수관, 오수관 및 우수관은 시공 6단계에서 모두 25 mm를 초과하며, 이격거리가 보다 먼 건축물은 시공 12단계부터 허용 침하량을 초과하는 것으로 분석되어 주변지반에 영향을 주는 것을 확인하였다.
각 지장물 별 최대 침하량은 건축물 37.08 mm, 오수관 64.44 mm, 우수관 128.07 mm 및 상수관 129.74 mm로 산정되어 허용값을 초과하였다. 다음으로 시공 단계별 지하수위 변동 현황을 분석한 결과 시공 15단계까지 지속적으로 최대 16.18 m까지 하강하여 G.L. -26 m 부근까지 하강하는 것으로 분석되어 인접 지반 및 구조물에 영향을 미칠 것으로 예측되었다. 이러한 지하수위 저하량은 공사장 지하수 관리매뉴얼(서울특별시, 2016) 및 지하안전성영향 평가 기준(국토교통부, 2020)에서 허용하고 있는 (-)8.0 m를 크게 상회하는 규모로서 지하수위 저하로 인한 2차 피해 발생 가능성이 높음을 의미한다.
3.2.2 말뚝을 존치하는 경우(철거 2안)
철거 2안의 경우 현장 인근에서 발생하는 최대 침하량은 5.76 mm로서 허용값인 25 mm에 미달하는 것으로 분석되었다(Fig. 8 참조). 또한 주요 지장물인 도로하부에 위치하는 상수관, 오수관, 우수관 및 건축물의 최대 침하량은 상수관 1.65 mm, 우수관 1.31 mm, 오수관 0.76 mm 및 주변 건물 0.16 mm로써 철거공사에 따른 영향이 거의 없는 것으로 분석되었다. 지하수위 역시 지반 굴착고가 상시 지하수위 상부에 위치해 변화가 없었으며, 따라서 지하수위 변동에 따른 주변 지반의 영향도 없는 것으로 분석되었다.
3.2.3 해석 결과 분석
유한요소해석을 통해 철거 1안의 경우 주변에 미치는 영향이 매우 크며, 이에 반해 철거 2안은 주변에 미치는 영향이 무시할 수준인 것을 확인하였다. 그 원인은 현장의 지반조건이 최대 G.L.-18 m 까지 느슨한 지층이 분포하고 지하수위가 철거 2안 굴착 심도 직하부에 위치하는 것이 원인으로 분석된다. 유한요소해석을 통해 얻은 주변 지장물 변위는 Table 3과 같고, 철거할 경우 현장의 불리한 지반조건과 지하수 분포현황을 고려해야 한다.
4. 탄소배출량
국가 정책에 따라 탄소배출량 최소화를 위해 설계할 때 저탄소 건설자재·장비, 친환경 설비 등 환경친화적 공법 및 재료 등의 이용이 증가하고 있다. 또한 탄소저감 추진 전략에 동참하기 위해 항목별 탄소 저감량을 산정하여 비교하고 있다. 앞서 분석한 철거 방법에 따라 발생하는 탄소 배출량을 기존 연구(Kim et al., 2011; Choi, 2012)에서 제시한 Eq. (1)을 이용하여 탄소배출량을 산정하였다.
여기서, : i자재의 투입량(unit), : 온실가스 배출계수(자재의 DB에 의해 산정, t-CO2/unit)
Eq. (1)에 반영된 단위인 unit는 ton, m3, L 등 투입되는 자재의 단위에 따른 계수이다. 즉, 말뚝의 제작, 운반 및 시공 등 투입되는 자재의 단위를 의미한다.
본 연구에서는 국토부의 시설물별 탄소배출량 산정 가이드라인(2012)의 도시재생편을 적용하였다. 가이드라인에 제시된 자재의 DB에 따르면 콘크리트 말뚝 생산을 위한 자재별 온실가스 배출계수는 예를 들어 굵은 골재 최대치수(mm)-호칭강도(Mpa)-슬럼프(mm) 25-240-15 규격의 레미콘에 경우 단위체적당 0.43 ton-CO2/m3이며, 말뚝에 배근되는 제강 철근은 단위중량당 0.35 ton-CO2/ton이다. 이와 같이 말뚝의 생산에 투입되는 각 자재의 온실가스 배출계수와 투입수량을 고려하여 최종적인 탄소배출량이 산출된다. 추가적으로 탄소배출량 산출은 기성 콘크리트 말뚝의 생산 단계뿐만이 아니라 말뚝의 현장 운반에 필요한 운반장비 및 시공에 적용되는 장비의 기름 소모량 등을 종합적으로 반영하여 산출된다.
탄소배출량은 Table 4에 기술된 기존 구조물 하부에 기 설치된 말뚝을 생산하는데 발생한 탄소량을 재료별로 세분화하여 산정하였으며, 생산된 말뚝의 현장 운반단계 및 시공단계를 함께 고려하여 비교하였다.
Table 4.
Layout and quantity of foundation piles under the structure
| Type | Cast-in-place Pile (PRD) | PHC Pile |
| Layout |  |  |
| Properties |
• Diameter 1,200mm • Installed quantity 163 |
• Diameter 500mm • Installed quantity 810 |
탄소배출량 산출결과 ‘기존 말뚝의 생산과 설치 단계’에서는 두 가지 철거안 모두 18,061 ton-CO2eq.의 동일한 탄소배출량이 발생하였다. 다음 단계인 ‘말뚝 철거 공사’ 시행 과정에서는 철거 1안은 말뚝 철거를 위해 가시설과 터파기 작업의 규모가 증가하고 말뚝의 구성 재료인 레미콘과 철근을 폐기물관리법에 부합하도록 분리하여 폐기하여야 하므로 다량의 탄소배출이 발생하였다. 그러나 철거 2안의 경우 말뚝의 상부만 부분 절단하고 그대로 지중에 존치시키므로 존치된 말뚝을 제거할 경우에 필요한 작업은 불필요하다. 따라서 이로 인한 별도의 추가적인 탄소배출량은 발생하지 않는다(Table 5 참조).
Table 5.
Prediction of estimated carbon emissions by removal plan
Table 5와 같이 철거(안) 별 예상 탄소배출량을 추정하면 철거 1안이 철거 2안에 비해 개략 9,585 ton-CO2eq.의 추가 탄소량 배출이 예측된다. 물론 신규 사업 규모, 계획 및 기존 말뚝 활용율에 따라 예측값과 차이가 발생할 수 있으나 말뚝 철거를 배제하고 보수적으로 수행한 분석임을 고려할 때 약 9,585 ton-CO2eq. 이상 차이가 발생할 것으로 예상된다.
국립산림과학원(2019)은 우리나라 산림의 온실가스 흡수량을 과학적으로 측정하고 이를 토대로 온실가스 흡수기능에 대한 국민의 인식 확산과 온실가스 감축 활동의 적극적인 참여 유도를 위해 주요 산림수종의 표준 탄소흡수량를 발표하였다. 국립산림과학원에서 제시한 본 연구대상지인 중부지방의 소나무의 경우 1.0 ton CO2을 상쇄하기 위해서는 8그루의 소나무를 60년간 유지하여야 하는 것으로 소나무의 표준 탄소흡수량을 제시하였다.
이를 토대로 본 연구 대상과업의 탄소중립에 소요되는 식재량을 분석하면 철거 1안(전체 철거안)의 추가적인 탄소배출량 9,585 ton-CO2 eq.를 상쇄하기 위해서는 76,680그루의 소나무를 식재한 후에 60년이 경과되어야 탄소중립을 이룰 수 있는 것으로 분석된다. 이와 같이 말뚝 전체를 철거하는 철거 1안은 말뚝의 재사용(reuse)을 전제로하는 철거 2안에 비해 환경에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다.
5. 결론 및 제언
구조물의 기초용으로 기존에 시공되어 있는 ‘PRD말뚝, PHC말뚝 및 CIP’을 철거하는 방안과 재활용하는 방안의 장단점 비교를 통해 합리적인 기존 구조물 기초말뚝의 활용 방안을 검토한 결과는 다음과 같다.
(1) 조사 결과 본 현장의 지층은 퇴적층이 두껍게 분포하며, N값 15 이하의 느슨한 퇴적토층이 14.0~18.0 m까지 비교적 깊이 분포하여 철거를 위한 굴착공사 시행에는 불리한 조건으로 파악되었다.
(2) 지하수위 측정 결과 현장 지하수위는 지표면 아래 (-)7.9 m~11.5 m에 분포하며, 평균심도는 10.6 m인 것으로 조사되었다. 따라서 지표면 아래 10.0 m 이상을 굴착할 경우 지하수위 저하와 인접 지반의 침하에 영향이 있을 것으로 판단되었다.
(3) 현장에서 계획하고 있는 굴착 심도는 철거 1안 34.5 m, 철거 2안 9.8 m로서 철거 1안은 지하수위 하부로 23.9 m 가량 추가 굴착을 시행하여 지하수위 변화가 크게 발생할 것으로 예상되며, 철거 2안은 지하수위 상부로 굴착 범위가 제한되어 영향이 미미할 것으로 예측되었다. 또한 현장에 연약한 퇴적층 두께가 깊은(최대 18 m) 상태이므로 저심도 굴착이 지반 안정 확보에 필요할 것으로 판단된다.
(4) 3차원 유한요소해석을 통해 철거 1안과 2안 시공에 따른 주변지반 및 지장물에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 그 결과 철거 1안의 발생 최대 침하량은 147 mm, 상수관 129.74 mm, 오수관 64.44 mm, 우수관 128.07 mm 및 주변 건물 37.08 mm가 발생하여 허용값인 25 mm를 크게 초과하는 것으로 분석되었다. 철거 2안의 발생 최대 침하량은 5.76 mm, 상수관 1.65 mm, 오수관 0.76 mm, 우수관 1.31 mm 및 주변 건물 0.16 mm가 발생하여 주변에 미치는 영향이 미미한 것을 확인하였다. 따라서 철거 방법을 고려한 결과 지반조건과 지하수 분포를 고려하여 철거 여부를 결정해야 한다.
(5) 철거 방안 별로 발생하는 탄소배출량을 산정한 결과 철거 1안이 철거 2안에 비해 약 9,585 ton-CO2eq.의 탄소를 더 많이 배출하는 것으로 분석되었다.
(6) 철거 2안이 상대적으로 우수한 것으로 분석되었지만 주변지반의 영향과 지하수위면 하부까지는 굴착 공사를 진행하지 않아야 지반침하와 같은 문제가 발생되지 않을 것으로 판단된다.
(7) 상기와 같은 결과 국내에서도 기존 구조물 철거 시에 기 설치된 기존 구조물의 적극적인 재활용(reuse) 방안을 고민하고 제도적인 근거 마련이 필요하다. 다만 지중에 존치된 말뚝의 시간 경과에 따른 내구성 변화와 신규 구조물 하중에 따른 말뚝 거동 등 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
