국토의 면적이 좁으면서 산지가 많은 우리나라는 사회간접자본의 확충에 따른 토지의 수요를 해결하기 위한 방안으로 서해안과 남해안의 지역에서 매립공사가 활발히 진행되고 있으며, 태풍과 너울 등 외해의 피해로부터 부지조성공사의 원활성과 사용의 안정성을 확보하고자 호안 구조물 축조공사가 시행되고 있다. 특히 서해안은 조수간만의 차이가 커서 간석지가 잘 발달되어 있고 남해안 지역은 리아스식 해안으로 해안선의 굴곡이 심하고 또한 연안에는 많은 섬들이 산재하고 있어 해안 매립을 이용한 각종 용지의 확보에 천혜적인 입지조건을 갖추고 있다. 따라서 대단위 항만시설, 소형 어항시설, 바다와 근접성이 필요한 발전 시설, 간척사업시설들이 매립을 통하여 부지를 확보하기 위해 각종 연약지반 치환공법을 적용하여 설계 및 시공을 하고 있다. 연약지반 치환 공법 중에는 모래나 쇄석으로 다짐말뚝을 조성하는 공법(SCP, GCP)이나 시멘트 재료로 원지반을 고화 처리하는 심층혼합처리 공법(DCM)과 고압분사공법(RJP, JRP) 등이 있으나, 소형 방파제나 매립을 목적으로 하는 투기장 설치 등의 호안시설물은 타 공법에 비하여 경제성 및 공기단축성이 우수한 치환공법들을 많이 적용하고 있다. 대표적인 치환공법으로는 준설치환공법, 강제치환공법 등이 있고, 국내에서는 사석을 성토하여 연약지반을 강제적으로 치환하는 강제치환공법을 많이 이용하고 있다. 이 공법은 최종 성토고까지 일시에 재하 할 경우 지중에 증가된 응력에 의하여 하부 연약지반을 파괴⋅유동시켜 측방이나 전방으로 밀어내면서 양호한 지반으로 치환하는 공법으로서, 토질조건, 재료의 특수성, 시공방법, 시공속도, 수심의 깊고 낮음 등 에 따라서 강제치환 거동이 상이하게 나타나므로 치환심도, 치환형상 등을 예측하는데 어려움이 있었다. 그리고 강제치환공법은 다른 지반개량공법과는 달리 이론적이고 정량적으로 취급하기가 곤란하여, 공사시공 중에 설계내용이 시공 상황에 따라서 달라지는 것을 전제해두며, 실제시공에 있어서는 연약토의 융기량 및 범위 등이 토질, 투하조건, 시공방법 및 순서, 그리고 시공속도 등에 따라 크게 달라지므로, 시공 중의 확인시추, 제체에 발생하는 변화 관측 등으로 치환실태를 파악하면서 공사를 시행하고 있다.

강제치환공법에 대한 연구는 주로 치환심도의 적정성 및 추정에 대한 연구가 주로 수행되었다. 지금까지 알려진 치환심도 산정 경험식은 Terzaghi (1943)의 지지력 공식을 이용하여 성토하중과 지지력 평형관계로부터 치환심도를 결정하는 방법을 비롯하여 Timoshenko and Goodier (1951), Badiou (1953)등의 경험적 공식과, 제체 상부폭의 영향을 고려한 Fellenius (1964)의 공식, 치환에 의한 융기량을 고려한 Yasuhara and Tsukamoto (1982)의 경험식 등의 국외 제안식과, Lee (1982), Lee (1992), Chung and Bang (2003) 등이 제시한 국내 경험식 등 이 있다. 그리고 1980년대 이후 혁신적인 전자산업의 발달에 힘입어 이를 이용한 고해상도의 반사법 자료취득 및 자료 전산처리 시스템의 개발이 가능하게 되면서 천부 육상에서도 디지털방식의 탄성파 반사법 탐사를 수행할 수 있게 되었다(Hunter et al., 1984; Miller and Xia, 1997; Miller et al., 1998; Steeples and Miller, 1998; Baker, 1999).

그러나 지금까지 중요도가 적은 소규모 해상공사 시 공사비가 저렴한 강제치환공법을 적용하여 시공하여도 전체 공사비에서는 큰 영향을 끼치지 않아 경제적인 손실은 작았지만, 대규모 해상공사와 더불어 주변 추가 시설계획이 반영되었을 때에 강제치환 여유성토의 변형은 전체 공정과 공사비에 대단한 지장을 초래한다.

본 연구에서는 OO 일대 연약지반을 치환하기 위하여 실시한 강제치환공법(Compulsory Replacement Method)에서 Ministry of Ocean and Fisher (MOF, 2014, 2016)의 설계기준인 자연경사기울기 1:1의 경사기울기가 형성되지 않고 1보다 큰 기울기로 변형되어 누워버리는 현상에 대해 S파 반사법탐사로 강제치환공법이 축조된 호안의 침하정도 및 규모를 파악하고, 상부 제체의 여유성토 사석의 기울기변형에 대한 원인을 분석 하였다. 즉, 본 연구는 수심이 깊은 시공구간에서 강제치환 시 나타났던 사석경사의 기울기 변형 사례에 대하여 분석하고 차후에 적용되는 국가 건설사업의 적정한 설계방향을 제시하는데 목적이 있다.

시추조사결과 해측으로 갈수록 수심이 깊어지면서 지형이 낮아지는 형상으로 해석결과 제체 및 원지반의 변형은 해측에서 상대적으로 많이 발생하는 것으로 검토되었다. 그러나 해석결과의 제체 경사도는 좌, 우측이 유사하게 나타났다. 실제 현상과 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 그 이유는 파랑에 의한 영향으로 판단된다. 해측의 제체는 사석 투하 이후 지속적으로 파랑의 영향을 직접적으로 받으며, 파랑은 호안제체의 경사도에도 영향을 미치는 것으로 보인다. 반면, 회처리장측(육측)은 파랑을 직접 받지는 않으며 해수위 변동에 의한 영향이 다소 미칠 것으로 판단된다. 즉, 강제치환공법은 해상에 사석을 투하하여 강제로 원지반에 전단파괴를 일으켜 치환재료를 연약층 하부로 밀어 넣는 것과 동시에 주변 제체 외측으로 지반을 밀어내어 융기되게 하는 공법으로 제체의 좌우측에는 융기토가 발생하게 된다. 이 융기토는 치환사석의 관입 및 측방이동에 의해 원지반이 전단파괴에 이르고 측방으로 밀려 나간 원지반토는 밀려올려진 상태의 지반으로 매우 느슨한 상태가 된다. 특히 해측에서 형성된 이러한 느슨한 융기지반에 조석에 의한 밀물, 썰물의 영향과 반사파에 의해 융기토가 유실되면서 치환사석은 더 많은 밀림현상이 발생하고 그로 인해 호안제체는 안식각 유지를 위해 더욱 완만하게 형성되게 된다(Fig. 15). 이는 반복적인 파랑에 의해 상대적으로 구속압이 작은 지표면의 토질이 침식되는 현상이며(Kang et al., 2013), 그 결과 직접적으로 파랑의 영향을 받는 해측의 호안제체는 육지측의 제체기울기 보다 더 완만하게 되는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 OO 인근해상의 연약지반 강제치환공법을 적용한 호안건설공사 중 호안제체 여유성토사석의 실제 비탈면의 경사가 설계상 경사와 상이하게 발생한 것에 대한 원인을 분석하기 위해 S파 반사법탐사 및 그 결과에 따른 수치해석적 검토를 수행하였으며, 그 결과는 아래와 같다

(1) 시추조사 결과 여유성토사석의 기울기는 해측으로 수심이 깊어지면서 지형이 낮아지는 형상으로 기울기변형은 해측에서 상대적으로 많이 발생하는 것으로 확인되었다.

(2) 제체 변형형상 분석을 위한 수치해석 결과 원지반 변형계수를 변화시킨 Case1의 경우 원지반(퇴적층) 변형계수가 작을수록 체제의 비탈면의 경사도가 완만하게 침하하며, 사석의 내부마찰각만을 변화시킨 Case 2의 경우는 비탈면의 경사도에 큰 영향을 미치지 않았음을 알 수 있다.

(3) 탐사결과의 치환심도를 반영한 역해석 결과 제체의 변형형상은 육상측 1:1.4, 해측 1:1.6정도의 경사도를 보이는 것으로 검토되었고, 현장결과와 일치하는 것을 확인하였다. 이는 제체 성토에 있어서 원지반의 경사와 저부에서의 원지반 측방밀림과 융기에 의한 영향으로 시공시 지반조건과 시공여건에 따라 더 완화 될 수도 있을 것으로 판단된다.

(4) 수치해석결과는 파랑에 대한 영향이 포함되지 않았으나, 실제 파랑과 수위 변동에 의해 해측의 융기토는 쉽게 유실되면서 치환사석의 밀림현상이 상대적으로 커지고 제체의 안식각은 더 완만하게 형성되어진다. 따라서 설계 시 제체 경사는 파랑의 영향이 없는 안식각인 최소 1:1.4 기준의 채택이 고려될 필요가 있다.