1. 서 론
기초지반의 지지력 또는 지반 강도가 약한 연약지반 상부에 구조물을 축조할 경우, 구조물 하중으로 인해 발생하는 지반 침하 및 안정성 확보의 문제를 해결하기 위해 지반개량을 실시한다. 연약지반 개량의 종류는 처리방법, 사용재료와 개량 목적 등에 따라 수십 종에 이르며, 국내에서는 주로 준설치환과 모래다짐말뚝공법(Sand Compaction Pile Method)을 적용하였으나 모래의 수급량 감소에 따른 비용의 증가와 환경규제 등에 의하여 심층혼합처리공법(Deep Cement Mixing Method)으로 대체되고 있는 추세이다(Shin et al., 2014). DCM공법은 1968년 일본 운수성 항만기술연구소에서 생석회와 소석회를 배합한 안정처리제를 사용하여 해저의 연약지반을 개량한 사례를 시작으로 꾸준하게 DCM 시공사례가 늘어나고 있으며(Min et al., 2018), 특히 유럽과 동남아 등에서의 공법 적용이 증가하고 있다(Lee, 2018).
심층혼합처리공법은 주로 연약지반과 해상 물류의 근거지가 되는 해안 항만분야에서의 안벽기초의 하부 지반 등에 물과 시멘트를 혼합하여 만든 안정제를 교반기를 이용하여 회전 교반 혼합시키면서 저압으로 주입하고 일정 시간 경과에 따른 시멘트의 응결 경화특성을 통해 혼합 지반의 강도증진을 유발함으로써 지반 내에 균일 강도의 개량체를 조성하는 공법이다(Mun and Seo, 2018). DCM공법은 단시간 내 요구되는 소요강도를 확보할 수 있어 공기와 원가가 절감되는 효과가 있으며, 하중 재하에 따른 지반의 변형이 미소하여 상부 구조물의 변형의 영향을 주지 않는다. 또한, 원위치에서 지반을 개량하기 때문에, 지반의 준설과 투기량 등이 극히 적고 수질 오염과 발생하는 소음, 진동이 작아 주변지역에 큰 영향을 주지 않는다(Mun and Seo, 2018).
국내에서의 DCM공법에 관한 연구는 사용되는 고화제의 종류와 개량율, 심도, 교반방법 등에 관한 연구가 수행되어 시공의 조건 개선이 진행되고 있는 추세이다. DCM공법에서 개량체의 배치형태는 말뚝식, 벽식, 블록식, 격자식, 혼합식 등 다양한 형태를 보이며, 주로 말뚝식과 벽식 및 혼합식 형태가 주로 사용되고 있다(Shin, 2008; Shin et al., 2014). 또한 최근의 연구로서 Hong (2020)은 DCM을 알루미늄으로 제작하여, DCM의 배치형태에 따른 지반유동 특성을 제시하였다. 위와 같이 DCM공법에 대한 다양한 실내실험 및 현장에서의 거동 특성 규명을 위한 연구가 수행되었으나, 해성점토와 시멘트가 배합된 DCM 개량체의 배치형태에 따른 개량지반의 거동특성에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 고가의 경비가 소요되고 대규모 장비가 운행되어 정확한 통제가 어려운 현장에서의 실험을 대신하여 상사비에 따라 모형 토조를 제작, 말뚝식과 벽식 형태의 개량체 배치에 따른 DCM 및 점성토 지반으로 형성된 복합지반에 대한 거동특성 파악을 위하여 실내모형실험을 실시하였다. 또한, 모형토조 실험의 결과를 이용하여 Modified Cam-clay (탄⋅소성) 모델에 기반한 유한요소해석(Finite Element Method) 프로그램을 이용하여 모형 지반에서의 적용성을 검증하였으며, 수치해석을 통해 현장에서의 효율적인 DCM 개량조건을 제안하고자 하였다.
2. 실내 모형시험 재료 및 방법
본 연구는 DCM 공법의 배치형태에 따른 지반의 변위 거동특성을 파악하기 위해 모형토조를 제작하여 실내 모형실험을 실시하였으며, 실내실험에 적용된 DCM은 점토와 시멘트가 혼합된 재료를 사용하였다. DCM의 강도는 현장강도에 응력축소비를 적용한 값을 목표로 하여 일축압축시험을 통해 양생기간을 산정하였으며, 제작된 DCM을 말뚝식과 벽식으로 각각 배치한 뒤 직접전단 시험과 실내모형실험을 통해서 지반의 강도 특성 및 거동 특성을 파악하고자 하였다.
2.1 재료 특성
실내 모형실험에 사용된 원지반용 점토는 DCM 시공이 진행되고 있는 00항 건설공사 현장에서 채취한 해성점토이며, 물리/역학적 특성은 Table 1에 나타내었다. 또한, DCM에 사용된 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, DCM의 배합비는 Table 2와 같다.
2.2 DCM의 양생기간 산정
실내 모형실험에서 사용된 시멘트와 점토가 혼합되어진 DCM의 일정 강도의 발현을 위하여 현장 DCM 강도 20 kgf/cm2에 응력축소비(σm/σp) 5.16 × 10-2를 적용한 1 kgf/cm2로의 배합설계를 위한 양생기간을 산정하고자 하였다. 양생기간은 DCM을 큐빅몰드로 제작하여 4시간 단위로 일축압축강도 시험을 실시하고, 일축압축의 평균 강도가 1 kgf/cm2로 되었을 때의 시간인 8시간으로 결정하였으며, Fig. 1은 DCM의 양생기간을 산정하기 위한 일축압축강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
2.3 모형토조를 이용한 실내 모형실험
모형토조 실내실험을 위하여 먼저, 제작된 모형토조는 마찰을 최소화 할 수 있고 지반의 거동을 육안으로 확인할 수 있는 투명 아크릴 판으로 제작 하였다. 모형토조에 축소율(1/20)은 차원해석법을 적용하였으며, 이에 대해 기하학(0.05), 시간(0.22), 밀도(1.00), 질량(1.25 × 10-4), 하중(1.29 × 10-4), 응력(5.16 × 10-2)에 대한 축소율을 적용하여 1,000 mm (H) × 2,135 mm (L) × 785 mm (W)의 크기로 제작하였다. 또한, 아크릴로 제작된 모형토조에 변형을 방지하기 위해 철제 프레임으로 고정하였다.
모형토조를 제작한 뒤, DCM의 배치형태에 따른 지반의 거동특성을 파악하기 위해 토조 내부에 복합지반을 모사하고자 하였다. 이를 위하여 모형토조에 점토지반을 780 mm (H) × 1,500 mm (L) × 350 mm (W)의 크기로 조성하였고, 케이싱을 이용하여 점토지반의 배치형태에 맞게 점토를 제거하였다.
또한, 점토가 제거된 부분에 치환율 46.2%, W/C 40%의 모르타르를 타설하여 f = 1 kgf/cm2의 강도가 발현되는 8시간 동안 양생하여 배치형태에 따른 DCM 기둥을 배치하였다.
위와 같은 방법으로 점토에 DCM이 배치되어 있는 복합지반의 조성이 완료되면, 모형토조 상단에 설치된 재하 장치를 이용하여 복합지반에 연직 하중을 가하고 이에 대한 지반의 변위를 측정하는 방법으로 실험을 실시하였다.
계측방법으로는 하중 재하 크기의 변화를 재하판에 설치된 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 토조 중앙에 배치되어 있는 하중 재하판을 중심으로 8 cm 간격으로 4개의 디지털 변위계를 설치하여 지반의 측방 변위를 측정하였다. Fig. 2는 모형토조의 모식도를 나타낸 것이다.
2.4 직접전단시험
배치형태에 따른 DCM 복합지반의 강도 특성을 비교/분석하고자, 치환율 46.2%, W/C 40%의 배합 조건으로 DCM을 제작하여 직접전단시험을 실시하였다.
직접전단시험에 활용된 직접전단기는 1,100 mm (H) × 700 mm (L) × 2,100 mm (W)의 크기의 제원으로 수직하중은 모멘트 재하방식으로 하부 가동형이며, 전단강도 측정을 위한 수평하중 재하는 1 mm/min의 속도로 전단하였다.
시험 방법으로는 해상점토를 전단상자에 압밀시킨 뒤 DCM을 적용할 위치에 케이싱을 이용하여 점토를 제거하고 배합된 DCM을 Fig. 3과 같이 벽식과 말뚝식으로 각각 배치하여 압축강도를 1 kgf/cm2을 목표로 8시간 동안 양생하였다. 전단시험은 수직응력 0.3 kgf/cm2에서 변형률 0.00, 2.00, 3.86, 5.52, 7.34, 8.96, 10.49, 12.05, 13.90%일 때의 발생된 응력을 측정하였으며, 발생된 응력을 통해 배치형태에 따른 저항력을 비교하였다.
3. 실내실험 결과
3.1 직접전단시험 결과
배치형태에 따른 복합지반에 발생된 전단응력을 알아보기 위하여 배치형태를 다르게 한 뒤, 동일 조건하에 직접전단시험을 실시하였다. 지반의 변형률에 따른 발생된 전단 응력을 측정하였으며, 최종 변형률인 13.90%에서의 발생응력을 측정한 결과, 벽식 배치형태에서의 발생응력이 0.974 kgf/cm2으로 0.615 kgf/cm2의 응력이 발생된 말뚝식 배치형태에 비하여 1.93배의 높은 전단 응력을 나타냈다. Fig. 4는 직접전단시험의 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
3.2 실내모형실험 결과
3.2.1 배치형태에 따른 침하량결과
3.2.2 배치형태에 따른 주변지반 변위 측정결과
지반 융기의 측정을 통해서 수직으로 작용하는 하중에 대한 지반의 측방유동 변위 판단하고자, 모형토조 상부에 위치한 재하판을 중심으로 좌우 8 cm, 16 cm 거리에 변위계를 각각 설치하여, 배치형태에 따른 융기에 대한 지반 변위를 측정하였다. 그 결과, Table 4와 같이 모두 말뚝식 배치형태에서 주변 지반의 융기가 크게 나타났다. 이는, 벽식 배치형태에서 측방유동이 상대적으로 적게 발생하는 것으로 판단할 수 있으며, 수직으로 작용하는 하중과 측방유동에 대한 변위 모두에서 벽식 배치형태가 유리한 것으로 판단된다.
4. 수치해석을 통한 실내시험 결과의 비교
본 연구에서는 탄⋅소성 이론을 적용한 한계상태 개념에 기초를 두고 있는 Modified Cam-clay 모델을 이용하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 실내실험 결과, DCM 기초의 배치형태는 벽식으로 배치한 결과가 말뚝식에 비하여 상대적으로 우수한 효과가 나타났으며, 이에 대한 검증을 위하여 각각의 배치 형태의 모델을 해석하고 형태에 따른 구조물과 지반의 변위를 파악하고자 하였다.
4.1 Modified Cam-Clay (MCC) 모델
본 연구에서는 탄소성해석 모델 중 MCC 모델의 해석이 가능한 AFIMEX-GT 3D의 3차원 유한요소해석 프로그램을 이용하여 수치해석을 수행하였다. MCC 모델은 Roscoe and Burland (1968)에 의해 제안된 모델로 q와 p’의 공간에서 발생하는 파괴함수를 Eq. (1)과 같이 나타냈다.
여기서, p': 선행압밀 평균유효응력에 대응하는 내부변수 M : 항복평면 꼭대기에서의 q/p’
Eq. (1)을 타원의 방정식을 이용하면 최종적으로 Eq. (2)와 같이 나타나며, 본 연구에서 적용된 MCC 모델은 연속체에 대한 탄성이론 및 탄⋅소성 이론을 이용하여 흙의 응력-변형형상을 해석하는 방식인 Cam-Clay 모델과는 다른 관점으로 소비에너지를 Eq. (3)을 통해 구한다.
여기서, λ : Lame 정수
4.2 수치해석모델의 검증
AFIMEX-GT 3D 프로그램의 적용성을 검증하기 위하여, 실내 모형실험과 동일한 지반을 모델링하여 3차원 유한요소 해석을 수행한 뒤 침하량과 주변지반의 발생 변위를 실내모형실험의 결과를 비교하였다. 수치해석은 모형실험과 동일한 하중단계 조건을 적용하였으며, 침하량과 중앙을 기준으로 8 cm, 16 cm에서의 지반변위를 해석하였다. 그 결과, Fig. 6은 모형토조실험과 수치해석결과의 침하량을 비교한 그래프이며, Fig. 7은 중앙을 중심으로 8 cm, 16 cm 지점의 지반 변위 값을 비교한 그래프이다. 대부분의 해석결과가 실험값과 유사한 거동을 나타냈으며 이는 AFIMEX-GT 3D 프로그램의 해석 적정성이 검증된 것으로 판단된다.
4.3 수치모델링에 위한 해석조건
본 연구에서 실시한 수치해석은 Cam-Clay 모델의 3차원 6절점, 8절점 요소를 적용하였으며, 3차원 등방성 재료를 사용하여 치환율 46.25%의 DCM 개량지반을 말뚝식과 벽식 배열에 대한 복합 지반을 모델링하였다. 복합 지반에 대한 적용하중은 Yard부에 11.0 tonf/m2의 하중을 재하 하여 배치형태에 따른 내구성을 비교하고자 하였다. 또한, 말뚝식 배치형태는 격자형 모형을 Bar요소를 이용하여 적용하였으며, 벽식 배치형태는 3.6 m 간격의 콘크리트 벽체를 Plate요소 사용하여 모델링하였다.
수치해석에 적용된 물성치는 현장시험조사와 DCM 복합지반의 수치해석 방법에 관한 선행연구(Kim et al., 2018)에 의해 합리적인 값을 적용 하였다.
Table 5
The Properties Applied to Numerical Analysis
4.4 해석결과
DCM의 말뚝식 배치형태와 벽식 배치형태에 대한 복합 지반모델의 하중 재하 시 기초의 좌측, 중앙, 우측부와 구조물의 상단에 대한 변위를 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 공용 하중재하 시 기초지반의 좌측, 중앙, 우측부와 구조물 상단 모두에서 말뚝식 배치형태에 대한 변위가 크게 발생하였으며 기초지반에서는 수평변화에 대한 변위차이가 크게 나타났고, 구조물 상단의 경우 수직변위에 대한 차이가 크게 나타났다. 이는 DCM을 말뚝식으로 배치하였을 때, 지반의 측방유동과 구조물의 침하량이 벽식 배치형태에 비하여 크다는 것을 의미하며, 벽식 배치형태가 변위 발생에 보다 더욱 효율적임을 나타낸다. 또한, 본 연구의 결과는 알루미늄을 이용하여 DCM을 격식, 말뚝식, 벽식 배치하고 하중 재하에 따른 지반 침하 및 측방유동 거동을 분석한 연구 결과(Hong, 2020)와 유사한 경향을 나타냈다. Table 6은 발생 변위에 대한 수치해석 결과를 나타낸 표이다.
Table 6
Displacement According to Loading (Unit : cm)
5. 결 론
본 연구는 연약지반 개량공법으로 활발하게 적용되는 DCM공법의 배치형태에 따른 지반의 거동특성을 비교 및 분석하기 위해 모형토조를 제작하여 상재하중에 따른 지반의 침하량과 변위를 측정하였다. 또한, 직접전단시험을 실시하여 지반의 수평변위에 대한 저항력을 비교하였으며, MCC 모델을 활용한 수치해석을 통해 복합 지반에 대한 거동을 분석하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
DCM을 말뚝식과 벽식으로 배치하여 전단시험을 실시한 결과, 동일한 변형률에서 발생한 응력은 벽식 배치형태가 말뚝식에 비해 약 1.93배 높은 것으로 나타났다.
모형실험을 통해 상재하중 5~35 kgf/cm2의 조건에서 배치형태에 따른 지반의 침하량을 비교한 결과, 벽식 배치형태와 비교하였을 때 말뚝식 배치형태에서의 침하량이 평균 1.204배 큰 것으로 나타났다.
상재하중 5~35 kgf/cm2의 조건에서 배치형태에 따른 주변 지반의 융기량을 비교한 결과, 말뚝식 배치형태에서 융기량이 벽식에 비해 평균 1.848배 크게 발생하는 것으로 나타났다.
MCC 모델의 3차원 유한요소 해석 결과, DCM 복합지반 상단부의 수평변위는 말뚝식 배치형태에서 8.6~10.7배, 수직변위는 0.7~5.0배 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 구조물 상단의 수평변위는 2배, 수직변위는 11배 크게 발생하는 것으로 나타났다.
실내 모형실험과 수치해석을 통해 DCM 배치형태에 따른 지반의 거동특성을 분석한 결과 동일한 치환조건에서 벽식 배치형태가 말뚝식 배치형태에 비해 지반 개량효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 본 연구결과를 통해 연약지반 현장에서 DCM 공법 적용 시 배치형태의 결정에 도움이 될 것으로 기대된다.
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