1. 서 론
국토의 대부분이 산지로 이루어진 국내 특성상, 평활한 부지확보를 위해 해⋅연안 지역을 중심으로 간척 및 매립사업을 통한 대규모 단지와 도로, 철도 등의 구조물들이 조성되고 있다. 이에 따라 매우 연약한 점성토 지반에 상부 구조물의 특성에 맞는 다양한 지반 개량과 구조물의 설계 및 시공이 꾸준히 진행되고 있는 추세이다. 이와 같이 연약지반 상부에 시공되는 구조물의 대형화로 증가 하중이 점차 커지는 상황 속에서 현장 조건의 정확한 판단을 위해 다수의 지반조사와 실내시험은 매우 중요하다. 실내 물성 및 역학시험의 경우 지역 특성에 따라 일정한 범위 내에서 결과 값이 나타나는 경향이 있으며, 실험 결과 값에 따른 상호간의 유의미한 상관성을 보이고 있다. 국내의 경우 삼면이 바다로 둘러싸여 있고, 육원성과 해양성 등의 퇴적 환경에 따라 서해안과 남해안, 동해안 연약지반의 점토 광물 구성에 큰 차이를 나타내고 있으며(Kim, 1987), 이에 따른 지반정수 값에 지역적 특성을 고려해야할 것이다. 그동안 국내의 해안지역의 토질공학적 특성에 관한 연구는 많이 진행 되었으며, 대표적으로 Park and Oh (1998)은 서해안과 남해안 지역의 연약지반은 수계의 폭과 거리, 퇴적 요인에 따른 특성 차이가 발생한다고 발표하였으며, Kim et al. (2003)은 국내의 해성 점토에 대한 실험결과를 취합하여 경험식에 의한 회귀모델을 구하고, 물리특성과 압축지수간의 상관성을 제시하였다. Heo et al. (2008)과 Heo et al. (2010)은 남해안 해성점토에 대해 선형 및 비선형 회귀분석을 통해 토질정수간 상관성 분석을 수행하였다. Jeong (2013)은 서해안과 남해안의 지반공학적 특성 비교를 수행한바 있으며, Lim and Yoo (2014)는 남해안 지역의 해성점토의 물리특성과 압축지수간의 상관성 분석을 통해 자연함수비와의 높은 상관성을 발표하였다. 서해안 점토에 대해서는 Heo et al. (2015)가 서해안 점토를 대상으로 수정압축지수와 초기간극비 사이의 상관성에 대해 제시하였다. 이와 같이, 지역 특성에 따른 지반정수 차이 및 회귀식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이며, 퇴적환경 등의 지역적 특성에 의한 지반정수 값의 분포 및 상호간의 관계식에 대한 연구가 요구된다.
따라서, 본 연구에서는 퇴적 환경과 수계가 다른 인천과, 광양지역을 선정하여 기본 및 실시 설계시 이루어진 실내실험의 지반정수 값을 취합하여 물리⋅역학적 특성을 비교하고, 지반정수 사이의 회귀식을 지역별로 도출하여 상관관계를 분석하고자 하였다.
2. 연구대상 지역의 지반 특성
2.1 서해안 연안
인천, 김포 등을 중심으로 한 서해안 북부의 경우 한강을 수계로 하며, 매우 큰 조수간만의 차가 나타나 점토질의 퇴적이 상대적으로 적은 지역 특성을 보이고 있다. 대부분의 서해안 지역에서는 실트질 모래와 모래질 실트가 풍화암 위에 퇴적되어 있으며, 상부에는 실트질이 다량 포함된 점토층이 분포되어 있다. 군산, 목포를 중심으로 한 서해안 남부는 금강과 영산강을 통해서 육원성 실트 및 점토분이 유입되고, 조수간만의 차가 북부지역에 비하여 적으며 강도가 작고 압축성이 큰 특성을 갖고 있다. 통일 분류법에 의한 서해안 지역 해성점토의 분류는 주로 CL, ML을 나타내고 있다. 또한, 서해안 연약지반 퇴적물의 점토 광물은 중국 황하강에서 흘러든 퇴적토의 영향과 장석의 풍화산물이 잔적토의 지질특성을 갖고 있어, 2층 구조인 Kaolinite가 가장 우세하고, 3층 구조로 이루어진 Illite와 Chlorite가 분포되어 있으며, 3층 구조인 Montmorillonite는 극소량으로 구성되어 있는 특징을 나타내고 있다(Kim, 1987).
지반 특성의 특성은 지역에 분포되어 있는 지질의 특성과 매우 밀접한 관련이 있다. 서해안 지역은 변성암, 퇴적암 등이 모암으로 이루어져있고, 이는 대부분 석영과 장석 등으로 구성되어 있어, 이러한 구성물들이 Kaolinite를 생성했을 것으로 추측된다(Kim, 1998).
2.2 남해안 연안
광양과 부산 지역 등을 중심으로 한 남해안 지역은 섬진강과 낙동강을 수계로 하고 있으며, 자갈 및 전석층이 분포되어 있고 그 위에 점성토층이 퇴적되어 있는 특징을 나타낸다. 남해안 지역의 경우 상대적으로 강한 파랑작용이 발생하지만, 조수간만의 차가 적은 리아스식 해안으로 상대적으로 세립분이 퇴적되기 쉬운 환경을 갖고 있다. 따라서, 섬진강과 낙동강 하구의 경우 대표적인 연약 지반층이 형성되어 있으며, 퇴적층의 심도가 매우 깊고 통일 분류법으로는 대부분 CL, CH, OH를 나타낸다. 또한, 남해안 연약지반의 점토 광물은 서해안과 동일하게 Iliite의 분포가 가장 우세하지만, Chlorite에 비하여 Kaolinite의 비율이 더 크며, Montmorillonite는 소량 분포되어 있는 특징을 나타내고 있다(Kim, 1987).
남해안 지역의 지질은 주로 변성암과 화산암 등이 기반암으로 구성되어 있고, 이는 유문암으로 구분할 수 있기 때문에, 남해안의 지질특성은 Illite가 우세한 것으로 추측된다(Kim, 1998).
3. 지반정수의 비교
연약지반의 물리⋅역학적 특성을 비교하기 위해 연구 대상지역으로 퇴적환경과 수계가 다른 서해안 연안의 인천지역과 남해안 연안의 광양지역을 선택하였다. 인천 남항과 송도신도시, 하수종말처리장 현장 인근 총 13개 지구 445개 공, 광양항 준설토 투기장 17개 지구 844개 공의 지반조사 데이터를 취합하였으며, 두 지역에 대한 심도에 따른 소성도, 자연 함수비, 액성한계, 소성지수, 액성지수, 포화 단위중량, 초기 간극비, 일축압축강도, 압축지수, 선행압밀하중을 비교하여 지역특성을 고려한 기초 자료로 제공하고자 하였다. 또한, 각 Fig에 나타난 점선은 인천지역, 실선은 광양지역의 실험값의 평균 또는 추세선을 의미한다.
3.1 지역별 소성도에 따른 특성 비교
Fig. 1은 Casagrande가 제안한 소성 도표에 연구대상 지역의 특성 값을 도시한 것으로 점선으로 표시된 인천지역의 소성도 회귀선이 A line에 상대적으로 가깝게 위치해 있는 것을 알 수 있으며. 인천지역의 점토성분 구성은 상대적으로 실트성분이 우세하고, 광양지역은 상대적으로 점토성분이 우세한 것으로 판단할 수 있다.
3.2 자연함수비의 심도별 분포
Fig. 2는 인천과 광양지역 연약지반의 심도별 자연함수비를 비교한 그래프이다. 자연함수비를 이용하여 흙의 성질을 추정할 수 있는 경험식이 다수 제안되어 있으며, 특히 간극비와 압축성, 압축강도 등의 추정지표로 사용되고 있다. 인천지역의 자연함수비는 평균 31.5%로 나타나고 있으며, 광양지역은 76.5%의 함수비로 인천지역보다 높은 함수비를 나타낸다. 이는 광양지역이 상대적으로 세립분 함유량이 많아 나타난 현상으로 판단된다.
3.3 액성한계 및 소성지수의 심도별 분포
3.4 액성지수의 심도별 분포
Fig. 5는 연구대상 지역의 액성지수의 심도별 분포를 나타낸 그래프이다. 액성지수는 자연상태에서 흙의 유동성을 파악할 수 있는 정수로써 1에 가까울수록 유동성이 큰 경향을 보이며, 보통 0~1의 범위에서 값이 나타나지만 자연 함수비가 액성한계보다 큰 경우 액성지수는 1보다 큰 값을 나타낸다. 또한, 과압밀이 된 흙의 함수비가 소성한계보다 작은 경우 액성지수는 0보다 작은 값을 나타낸다. 다양한 조사공에 대한 분석으로 분산이 크긴 하지만 평균적으로 인천지역의 액성지수는 0.97을 나타내며, 광양지역은 1.19로 1보다 큰 값을 나타낸다. 또한, 인천지역의 경우 표층부에 다량의 실트분이 함유되어 있어 액성한계가 낮고 자연함수비는 큰 상태로 존재하므로 액성지수가 높게 나타나고 심도가 깊어질수록 실트질 성분의 함유량이 낮아 액성한계가 증가하게 되어 액성지수가 낮아지는 경향을 나타내는 것으로 판단된다. 광양지역의 경우는 전술한 바와 같이 자연 함수비가 높은 상태로, 평균이 1보다 높은 값이 나타나 인천지역에 비하여 점토가 액상상태로 존재하고 있는 것으로 사료된다.
3.5 포화 단위중량의 심도별 분포
Fig. 6은 연구대상 지역의 포화단위 중량을 나타낸 그래프이며, 그림에 나타난 것처럼 확연하게 두 지역의 차이가 나타나며, 인천 지역의 경우 평균 1.85 tf/m3, 광양 지역은 1.52 tf/m3의 값이 나타난다. 포화 단위중량은 후술하는 초기간극비에 크게 영향을 받으며 인천지역은 실트분의 영향에 의한 초기 간극비의 차이로 인한 결과로 판단된다.
3.6 초기 간극비의 심도별 분포
Fig. 7은 연구 대상지역의 초기 간극비의 심도별 분포를 나타낸 그래프이며, 광양지역이 인천지역보다 높은 값을 나타낸다. 연약 지반에서 초기 간극비는 침하에 큰 영향을 미치는 인자이며, 비표면적이 큰 세립분의 함유량이 높은 광양지역에서 그 값이 크게 나타난 것으로 판단된다. 따라서, 광양지역 연약지반의 침하량을 고려할 때 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.
3.7 일축압축강도의 심도별 분포
Fig. 8은 불교란 시료에 대한 일축압축강도를 나타낸 그래프이다. 그림에 나타난 바와 같이 인천지역의 경우는 상층부에서의 실트분과 점토분의 혼합효과 및 낮은 자연함수비로 인하여 광양지역의 경우에 비해 크게 나타났으며, 심도의 증가와 더불어 강도증가율이 큰 것을 알 수 있다. 이에 비해 광양지역은 세립분이 다량 함유되어 있으며 고함수비 상태로 존재하므로 심도에 따른 강도 증가율에 변화가 거의 없는 것으로 판단된다. 이처럼 강도정수의 심도에 따른 증가율은 자연함수비, Consistency, 초기간극비 등의 기본적인 특성에 영향을 받음을 알 수 있다.
3.8 압축지수의 심도별 분포
Fig. 9는 연구대상 지역의 심도별 압축지수를 나타낸 그래프이다. 인천지역의 평균 압축지수는 0.280이며 광양지역은 1.109의 값을 나타냈다. 압축지수는 초기 간극비와 연관성이 크며, 인천지역의 경우 장기간의 압밀침하의 양은 미소할 것으로 판단된다. 또한, 광양지역 연약지반의 침하량을 산정할 경우 장기압밀 침하량에 대한 신중한 고려가 필요할 것으로 사료된다.
3.9 선행압밀하중의 심도별 분포
Fig. 10은 선행압밀하중의 분포를 나타낸 그래프이며, 인천지역의 경우 5~10 tf/m2에 밀집되어 있고, 광양지역은 2~30 tf/m2에 분산되어 있다. 분산이 크지만 대체적으로 광양지역의 선행압밀하중이 상대적으로 큰 경향을 나타내며, 심도가 깊어질수록 연직구속응력이 증가함에 따라 선행압밀하중이 증가하는 경향이 나타난다.
3.10 심도별 입도특성
Fig. 11은 인천과 광양지역의 심도에 따른 0.002 mm체 통과율을 나타낸 그래프이다. 인천지역의 경우 평균 0.002 mm체 통과율은 16.5%이고, 광양지역은 31.72%로 나타났다. 통일분류법에 따르면 0.002 mm체 통과율은 시료의 점토성분 함유량과 밀접한 관련이 있으며, 광양지역이 인천지역에 비하여 점토성분이 다량 함유된 것을 알 수 있다.
4. 지반정수의 상관성분석
본 장에서는 지반정수 분석에 사용된 결과 값을 이용하여 인천지역과 광양지역의 지반정수 사이의 회귀식을 도출한 뒤 상관성 분석을 위하여 선형회귀분석을 수행하였다. 선형회귀분석을 통하여 지역에 따른 액성한계와 자연함수비, 유효상재하중과 선행압밀하중, 액성한계와 압축지수, 압축지수와 초기간극비의 회귀식을 도출하고 상관계수를 제시하였다.
Fig. 12는 전술한 각 지반정수 사이의 선형 회귀식과 결정계수를 산정한 그림이다. 그림에 나타난 것처럼 본 연구에서의 연구대상지역이 대분류를 통해 인천과 광양으로 분류함에 따라 각 지역에서의 지역특성의 차이로 분산이 다소 크게 나타났으며, Figs. 12(a)~12(d)에 나타난 선형회귀식과 결정계수를 정리한 것이 Table 1이다. 상관성에 대한 각 정수간의 결정계수를 살펴보면 인천지역의 경우 0.2579~0.5993의 값을 나타내며 이는, 지반정수 사이의 도출된 관계식의 적합도가 상대적으로 낮은 적합도를 나타낸다고 할 수 있다. 광양지역은 결정계수가 0.4126~0.5967의 값을 나타냈으며, 인천지역과 비교하여 지반정수 사이에 도출된 관계식의 적합도가 상대적으로 유의미한 것으로 판단할 수 있다. 이는 기존의 현장데이터를 정리한 Bae and Kim (2009)의 논문에서의 결정계수값 보다 높은 결과를 보였다.
Table 1
Linear Regression Equation and Correlation Coefficient of between Incheon and Gwangyang
5. 결 론
본 연구는 연약지반 점토의 실트성분 함유량에 따른 지반정수의 특성 비교를 위해 국내의 대표적인 실트분이 다량 함유된 인천지역과 세립분 함유량이 많은 광양지역을 대상으로 기존의 지반조사 결과 및 설계과정 및 시공과정에 획득된 정보를 수집하여 도출된 지반정수의 차이를 비교하고 지역특성에 따른 회귀식을 도출하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 인천지역과 광양지역 연약지반 점토에 대한 점토분과 실트분의 구성을 비교한 결과, 소성도표 상에서 인천지역의 값에 대한 회귀선이 A Line에 근접한 것으로 나타났다. 이를 통하여 인천지역 점토에 실트성분이 상대적으로 우세하며, 광양지역의 점토는 점토분이 상대적으로 우세한 것으로 판단된다.
2. 연구대상 지역의 연약지반 점토에 대한 물리⋅역학적 특성을 비교한 결과, 광양지역의 자연함수비, 액성한계, 소성지수, 액성지수, 초기 간극비, 압축지수에 대한 값이 인천지역과 비교하여 상대적으로 큰 값을 나타냈다. 이는 광양지역의 점토가 비표면적이 큰 점토성분을 상대적으로 다량 함유하고 있어 나타난 현상으로 판단된다.
3. 인천지역의 액성한계와 자연 함수비(LL = 0.4731Wn + 20.214), 유효상재하중과 선행압밀하중(PC = 0.7542P0 + 5.1491), 압축지수와 액성한계(Cc = 0.0077LL + 0.0084), 압축지수와 초기 간극비(Cc = 0.4736Wn - 0.1874)에 대한 회귀식을 도출하였으며, 결정계수가 0.2579~0.5993의 범위에서 유의한 값을 나타내었다.
4. 광양지역의 액성한계와 자연 함수비(LL = 0.6354Wn + 23.234), 유효상재하중과 선행압밀하중(PC = 0.7779P0 + 0.1375), 압축지수와 액성한계(Cc = 0.0164LL - 0.1135), 압축지수와 초기 간극비(Cc = 0.6701Wn - 0.4119)에 대한 회귀식을 도출하였으며, 결정계수가 0.4126~0.5967의 범위에서 유의한 값을 나타내었다.
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