연약지반 처리공법 - 지반조사성과를 적용한 시공사례

1. 배경

건설 현장에서 행해지는 각종 지반조사를 수행함에 있어 일반적으로 실시하는 지반조사에 대하여 개론적인 내용을 살펴보고, 그 성과를 이용한 구조계산 및 안정검토, 기타 수량산출 및 공사비 산정 등 설계도서를 작성함에 있어 설계과정에서 적용하는 지반물성치에 따라 그 결과는 상이하게 나타날 수 있습니다.

이에 공사 입찰방식에 있어 일반경쟁입찰공사에서의 지반조사 성과치 적용 사례를 중심으로 현황과 문제점에 대하여 살펴보고, 설계 및 현장에서의 지반물성치 적용에 대하여 제언드리고자 합니다.

2. 지반조사 내용

1) 지반조사의 적용성

지반(Soils)이란 모든 건설공사의 대상이 되는 지표구성체로써 토사 및 암반층을 총칭하는 것으로, 이러한 지반 위에 안정적이고 경제적인 구조물을 축조하기 위하여 실시하는 지반조사는 토질 및 암반에 대한 물리적 특성(Physical Property) 및 역학적 특성(Mechanical Property)을 파악함으로써 기초자료 제공을 위해 수행되는 일련의 과정이라 할 수 있습니다.

지반 조사를 수행함에 있어 일반적인 지반조사 성과치는 지반이 갖는 퇴적, 풍화 등의 이력에 따른 불확실성(비균질, 비등방), 조사과정에서의 적용 장비 및 시험에 따른 성과 오차, 사업 구역 별 대표치 결정 및 적용 과정에서의 오차 등을 포함하고 있습니다.

실제 지반 특성을 대표화하고 단순화시켜 사업 예산의 적정 공사비 산출에 따라 설계 및 현장 시공을 실시하는 과정에서 추가적인 오차를 발생 시킬 수 있으므로, 지반 조사 특성을 결정하고 적용하기 위한 FLOW (조사 측정치, 특성치, 설계 적용치)과정에서 단계 별 오차를 최소화 시킴으로써 보다 신뢰성 높은 목적 사업을 시행하는 것이 가능합니다.

2) 지반조사 분류

지반조사는 관계문헌 및 기왕의 조사성과 확인과 현장조사를 통한 사운딩 및 실내시험으로 대별할 수 있으며, 일반적으로 사업추진을 위한 실시설계를 위한 조사수행은 표1과 같은 Flow에 의해서 진행됩니다.

지반 조사를 수행함에 있어 일반적인 지반조사 성과치는 지반이 갖는 퇴적, 풍화 등의 이력에 따른 불확실성(비균질, 비등방), 조사과정에서의 적용 장비 및 시험에 따른 성과 오차, 사업 구역 별 대표치 결정 및 적용 과정에서의 오차 등을 포함하고 있습니다.

표 1. 사업의 실시설계를 위한 일반적 조사 Flow

3) 지반조사 항목

지반조사를 위해 수행되는 현장조사 및 실내시험 항목에 대하여 대단위 매립을 실시함으로써 조성된 연약지반이 포함된 부지에서의 일반적인 조사는 그림 1.~그림 3.과 같이 육상부에서의 조사, 해상에서의 조사, 준설점토 매립부지에 대하여 시추조사를 실시하는 것이 일반적이며, 그에 따른 시추조사방법 및 시험항목을 열거하면 표 2.와 같이 정리할 수 있습니다. 

표 2. 대단위 매립에 의해 조성된 연약지반의 시험항목

4) 지반조사 장비

지반조사 장비는 종류에 따라 그 기능과 특징을 구별하여 적용성과 신뢰성을 높이기 위해 여러 종류가 사용되고 있으며, 일반적으로 항만 시설물인 부두 축조를 위해 대단위 부지에 범용적으로 적용되는 조사 장비의 특징은 표 3.과 같습니다.

표 3. 대단위 매립으로 조성된 연약지반조사 시험장비

3. 지반조사 성과 적용 사례

1) 설계 사례

사업특징

01 공사 특징 : 무역항만의 부두 조성에 따라 배후 관련부지 (Hinter Land)로 조성되는 대단위 관련 배후부지의 지반개량 (38만 m²)공사

02 주요공법 : P.B.D(Prefabricated Band Drain)공법, Preloading공법 

03 대상구역: 그림 4에서와 같이 준설매립 시기가 다른 4개 Pond (7개 Block)에 대하여 1Pond (1Block), 2Pond (2Block), 3Pond (3, 4Block), 4Pond(5~7Block) 

04 지반조사 내용 : 항만시설의 수역인 항로 및 박지, 선회장 확보를 위한 원지반 점토를 준설하여 각기 다른 시기에 소
구역 별로 매립된 연약지반 및 원지반 점토에 대한 지반조사 물성치를 설계 조사치, 설계적용 물성치, 착공 후 사전
지반조사 성과치 등을 비교 

05 입찰방식 : 일반경쟁입찰방식

그림 4. 대단위 부지의 준설시기 현황평면도

2) 입찰 방식에 따른 조사

지반특성을 보다 상세하게 파악하기 위한 지반조사는 그림5와 같이 대표적인 공사 입찰방식에 따라 설계조사 이후에 발휘되는 시간경과 효과에 의하여 구분할 수 있는데, 시간경과 효과가 길게 소요되는 일반경쟁입찰공사의 경우에는 공사착공 후 사전지반조사를 실시하는 것이 일반적이라 할 수 있으며, 원안설계에 의하여 보다 상세한 조사를 수행하게 되는 대안입찰방식에 의한 공사나 Turnkey입찰(설계, 시공 일괄입찰)에 의한 공사의 경우는 착공 후 사전 조사를 실시하지 않는 것이 지반조사 업무에서 구분할 수 있는 특징이라 할 수 있습니다.

이는 착공 시기를 기준으로 하는 경우에 해당되는 사항이라 한다면 대안입찰방식에 의한 공사나 Turnkey입찰에 의한 공사에서 실시하는 상세조사가 일반경쟁입찰공사에서의 착공 후 사전조사와 같은 성격입니다.

즉, 공사입찰방식에 따라 사전조사를 분류한다는 정의보다는 공사 착공 전에 실시하는 지반조사 성과인 특성값 및 적용치에 대하여 시간경과를 고려하여 공사 착공 후 상세조사를 실시하게 되는데 이 때 실시하는 지반조사는 가급적 초기 공종 시공 직전에 실시하는 것이 바람직하며, 분석기법에 의한 특성값과 이 특성값의 적용치를 결정하는 과정 역시 보다 사실적 접근에 의한 분석이 이루어져야 합니다.

본 글에서 소개하는 지반조사 성과는 그림 5.의 일반경쟁 입찰방식과 같은 사례로 공사 착공 후 사전지반조사를 필요로 하는 경우에서의 사례입니다. 

그림 5. 대표적 입찰방법 도시

4. 지반조사성과 특성 비교

1) 준설점토 및 원지반 점토층 특성치 비교(Flow)

■ 준설점토층 주요 특성 

- 항로 및 박지의 준설토사를 슬러리 상태로 투기하여 형성된 지층 
- 주요 토질은 점토섞인 실트, 실트섞인 점토 
- 준설매립층의 두께는 3 ~11 m 정도로 분포 
- 표준관입시험 결과 N치: 1/45~5/30 및 0/30~1/100(rod 자중관입) 
- 매우 연약한 연경도

표 4. 준설점토 성과 비교(설계조사, 설계적용, 착공 후 사전조사)

표 4.는 항만시설 수역인 항로 및 박지, 선회장 확보를 위해 부두 전면해상의 원지반 점토를 준설하여 배면 투기장에 매립을 실시하여 조성된 연약지반 원지반 점토 상부의 준설점토에 대한 설계 조사치, 설계 적용치, 착공 후 사전 조사치를 비교한 것으로 설계조사시기에서 공사 착공시기까지 일정기간(약 3년) 차이에 따라 그 절대값은 Block 위치에 따라 부분적으로 차이를 나타내고 있음을 알 수 있습니다.

그림 6. 준설점토층 토질 특성치 FLOW 비교

다만 설계과정에서 물성 및 역학 계수의 적용치가 준설 Pond 및 Block 위치에 따라 각각의 특수성을 고려치 않고 반영되었음을 그림 6.에서도 확인할 수 있습니다.

그림 6.에서 자연 함수비는 설계조사 특성치는 48~88 %를 나타냈으나 산술평균치는 70 %이며, 공사 착공 후 사전조사는 49~104 %의 값을 보이고, 압밀 침하량 산정을 위한 파라미터(Parameter)인 간극비와 압축지수는 각각의 과정에서 1.38~2.68, avg.2.15, 1.42~2.73과 0.39~1.00, avg.0.80, 0.45~1.16을 나타내고 있으므로 각 Block별 침하량이 과소, 혹은 과다 산정되었고, 나아가 재하 성토 두께, 사토두께, 강도 증가량 상이 등의 오차를 착공 후에 실시한 사전지반조사 성과를 이용하여 위치 별로 재조정하여 적용하여 보완 시공하였습니다. 

 ■ 원지반 점토층 주요 특성 
- 상부로부터 점토층과 모래자갈층, 점토자갈층으로 구성 
- 점토층은 전반적으로 패각이 함유된 실트섞인 점토로 형성 
- 점토층 두께는 기존 육지부와의 거리 차이에 따라 1~18 m 정도로 분포 
- 표준관입시험 결과 N치는 1/45~1/80 및 1/30~8/30, 0/100 (rod 자중관입) 
- No.200체 통과중량백분율 90% 이상, 자연 함수비 90%이상 
- 매우 연약한 연경도로 고압축성 점토(CH)로 분류 
- 모래자갈층, 점토자갈층은 퇴적양상에 따라 부분적으로 협재 분포 
- 표준관입시험 결과 N치는 7~50/13 및 50/0(S.P.T불가)로 불규칙 분포 

표 5. 원지반점토 성과 비교(설계조사, 설계적용, 착공 후 사전조사)

표 5.는 항만시설인 부두 시공을 위한 매립지역인 해상의 원지반점토에 대한 설계 조사치, 설계 적용치, 착공 후 사전 조사치를 비교한 것으로 준설점토와 같이 Block 별로 뚜렷한 절대치의 차이를 나타내고 있으며, 설계과정에서 물성 및 역학 계수의 적용치는 준설 Pond 및 Block 위치에 따라 지반조사 Flow치는 그림 7.에서도 확인할 수 있습니다.

그림 7. 원지반점토층 토질 특성치 FLOW 비교 성과

그림 7.에서 자연 함수비는 설계조사 특성치는 56~80 %를 나타냈으나 산술평균치는 준설점토와 같이 70 %이고, 공사 착공후 사전조사는 59~85 %를 나타내어 준설점토와 비슷한 분포로 절대치는 다소 작은 값이며, 압밀 침하량 산정을 위한 파라미터(Parameter)인 간극비와 압축지수는 각각의 과정에서 1.41~2.44, avg.2.00, 1.50~2.26과 0.64~1.69, avg.0.90, 0.68~1.45를 나타내고 있어 Block 별 침하량이 과소, 혹은 과다 산정되었기에 준설점토층과 같은 경향으로 재하 
성토 두께, 사토두께, 강도 증가량 상이 등의 오차를 착공 후에 실시한 사전지반조사 성과를 이용하여 위치 별로 재조정하여 적용함으로써 전체적인 수량 및 공사비 증·감 발생은 크지 않았으나 Block 별로 차이가 발생되었기에 보다 안정적인 지반개량을 실시하고 나아가 지반개량효과, 사용성을 확보하고자 했습니다.

2) Block 위치 별 성과 비교

준설점토층과 원지반점토층 특성에 대하여 살펴본 바와 같이 준설매립 Pond(4개소) 및 Block 별로 설계조사 특성치 및 적용치, 사전조사치의 분포가 각각 다르게 나타나고 있음을 그림 8.에서 알 수 있고, 최소값과 최대값의 편차를 고려한 산술평균치라 할지라도 소구역, 즉 Block 혹은 Pond 형성면적, 또는 준설시기 등을 충분히 검토, 고려함으로써 보다 경제적이고 합리적이며 안정적인 설계 및 시공이 이루어질 수 있음을 교훈 삼아야 합니다.

그림 8. BLOCK 별 토질특성치 FLOW 비교 성과

그림 8.에서 준설점토층의 경우 간극비, 압축지수, 비배수 전단강도 값의 차이가 4Pond(5~7Block)에서 차이가 크게 나타나고 있으며, 원지반점토의 경우도 1Pond (1Block), 2Pond(2Block), 3Pond(3,4Block)에 비하여 4Pond (5~7Block)에서 값의 변화가 평균치인 적용치와는 차이가 많아 보다 취약한 지반임을 나타내고 있습니다. 

이는 4Pond에서는 지반 정수치 과다적용으로 취약설계가 이루어진 것을 알 수 있고, 상대적으로 지반조건이 좋고 준설시기가 빠른 1Pond(1Block), 2Pond(2Block)에서는 과다 설계가 이루진 것을 알 수 있는 예시라 할 수 있습니다.

연약지반개량 공사에 있어 지반조사 성과치인 특성값에 대하여 보다 신뢰성 있는 적용치를 도출하는 것이 중요하며, 4Pond(5~7Block)에서와 같은 특성값과 적용치의 차이가 크게 나타나 불안정한 안정검토로 한계성토고 과다 계산 및 침하량 과소평가로 지반개량 시공 중 발생되는 장비 전도 등의 트러블 발생 및 지반개량 효과 발현이 되지 않는다면 향후 사용성에 치명적인 트러블을 초래함으로써 보다 광범위하고 복합적인 보강을 필요로 할 것입니다.

5. 지반조사 성과 적용방안 및 제언

■ 설계를 위한 사전지반조사 성과는 일반경쟁입찰공사의 경우 착공시까지의 일정기간이 추가로 소요되므로 인하여 지반특성치 및 적용치와는 다르게 외부적 요인 및 자중 압밀 등의 내적 토질특성이 시간경과(Time effect)에 따라 변화됨을 고려하여 시험적 요소 외에 토질특성이 갖는 사실에 접근하고 그 불확실성을 최소화 시키기 위해서라도 가급적이면 착공 후 초기 공종 시공 전에 상세 지반조사를 추가로 실시하여 시공 관리함이 바람직할 것입니다.

■ 대안입찰방식, Turnkey 입찰방식의 공사는 원안설계 및 세부 설계를 포함하여 사업자를 선정하여 지반조사 후 단기간 내에 사업을 시행하는 것이 일반적이므로 착공 후 별도의 지반조사를 실시하지 않는 것이며, 지반조사 이후 사업이 갖는 지리적 특수성 및 발주기관의 사업 시행방법, 예산 등의 기타 요인에 의하여 사업 착공 시기가 지연되는 경우는 보다 상세한 지반조사를 실시하는 것이 바람직할 것입니다.

■ 설계시 지반조사 성과인 지반특성값으로부터 대표 적용치를 결정하는 과정에서 보다 많은 시간과 분석기법 등을 동원함으로써 지반특성의 불확실성, 현장 조사(Sounding) 및 시험시 오류 인자 등에 의한 오차를 최소화하고 현장 여건이 갖는 연약지반의 사실적인 강도 정수(c, ϕ )에 의한 안정검토 및 구조계산이 수행되어야 합니다.

■ 대단위 연약지반 개량 면적에 대해서 지반조사를 실시한 경우에는 대단위 부지에서의 조사개소에 따른 면적등분배 등에 따른 산술평균치를 적용하는 획일적 방법보다는 전체구역에서 지반조사 구역 면적이 갖는 과거의 준설시기 및 준설토 유출구 등의 외부적인 요인들도 충분히 조사함으로써 전체면적에 대하여 각각의 소규모 혹은 중규모의 구역별로 개별 특성치를 적용하여 침하량 및 안정검토를 실시하는 것이 보다 합리적이고 효율적인 현장관리가 가능하게 할 것이며, 불필요한 분쟁요소를 줄임으로써 나아가 사업예산절감 효과도 기대할 수 있을 것입니다.

참고문헌

- ○○○ 배후부지 지반개량공사 실시설계보고서 
- ○○○ 배후부지 지반개량공사 지반조사보고서 
- 지반조사결과의 해석 및 이용, 한국지반공학회 시리즈 No.1, 구미서관 
- 토질역학(土質力學), 이론과 응용, 김상규 著, 청문각 
- 해운항만사전(韓, 英, 日), 청문각 
- 항만 및 어항 설계기준

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본 글은 [연약지반 처리공법]의 총 13개의 시리즈 중 첫 번째 내용입니다.

                                                                 1. 지반조사성과를 적용한 시공 사례 (현재 읽고 계신 글)

                                                          ✅ 2. 실트질모래 및 점토지반에 적용한 D.C.M 시공성과 비교

                                                          ✅ 3. 연약지반 개념 이해

                                                          ✅ 4. 착공 전 지반고 측량의 이해

                                                          ✅ 5. 연직드레인공법

                                                          ✅ 6. 재하성토고 현장 시공관리 방안

                                                          ✅ 7. 준설매립 지반고 관리방안

                                                          ✅ 8. PSD 공법 시공사례

                                                          ✅ 9. 연약지반 계측관리의 해

                                                          ✅ 10. p.b.d 공법의 재료별 침하특성 사례

                                                          ✅ 11. 재하성토 제거검토

                                                          ✅ 12. 균질포설을 위한 보강 MAT 시공계획

                                                          ✅ 13. 경사지반 도로공사에서의 연약지반개량사례

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