연약지반설계계획

[최현기]

1. 연약지반의 정의
연약지반은 주로 점토나 실트와 같은 미세한 입자의 흙이나 간극이 큰 유기질토, 또는 이탄, 느슨한 모래등으로 이루어진 토층으로 구성되어 있으며, 지하수위가 높고, 제체 및 구조물의 안정과 침하의 문제가 발생하는 지반을 말한다.

<표 1-1>연약지반 판단기준

구 분	이탄질지반 및 점토질 지반		사질토지반
층두께	10m미만	10m이상	-
N치	4이하	6이하	10이하
qu (㎏/㎠)	0.6이하	1.0이하	-
qc (㎏/㎠)	8이하	12이하	40이하

주) qc는 네덜란드식 삼중관 콘관입시험의 콘지수이다

연약지반의 정의는 단순히 지반의 조건만으로 결정되는 것은 아니고, 토질의 성상 및 시공상황 등에 따라 다르기 때문에 제체나 구조물의 종류, 형식, 규모, 지반특성을 충분히 검토한 뒤에 연약지반으로 취급할 것인지를 판단할 필요가 있다.
또한 연약지반은 퇴적 조건에 의해 흙의 성질이 다른 경우가 많으며, 퇴적조건은 지표조사에 의해 거의 추정할 수 있다. 지형도나 항공사진에 의해 지반의 상세한 요철이나 표고의 판독, 사진에 보이는 색조의 관찰, 하천의 규모, 구배 등을 조사하여 이 조사에 따라 미리 개략의 토성을 처정하면 노선을 결정할 때나 보링위치를 결정할 때 및 보링주상도로부터 토질종단도를 작성할 때에 효과적으로 이용될 수 있다.

2. 연약지반의 공학적 문제

가. 안정의 문제
연약지반상에 급속히 흙을 쌓으면 지반의 측방 변형이 급속히 증가하여 활동파괴가 발생한다. 일단 활동이 발생하면 주변 지반이 높아지고 그 영향범위는 20∼70m에 이르는 경우도 있다.
또한 활동을 발생시킨 지반내의 점성토는 크게 교란되어 강도가 저하되기 때문에 주변부를 포함한 복구에 많은 시간과 경비를 요하게 된다. 따라서 연약지반 대책은 제체의 안정확보를 충분히 고려한 완속흙쌓기 시공에 의한 지반강도의 증가를 유도하면서 흙쌓기를 하는 것을 원칙으로 한다. 또한 완속흙쌓기 시공으로 대응할 수 없는 경우의 대책공법은 공법의 확실성 및 경제성 등을 고려해 볼 때 압성토 공법을 우선적으로 채용하는 것이 바람직하다고 판단된다.

나. 침하의 문제
연약지반상의 흙쌓기에서는 침하에 의한 흙쌓기량의 증가, 제체상단의 폭이 부족해지는 문제가 발생하며 또한, 교대 접속부의 단차, 횡단구조물의 침하문제도 발생하게된다. 이로 인해 침하량이 큰 구간에서는 제체폭의 여유를 확보하면서 구조물 접속부나 선행하중을 가하여 사전에 침하를 촉진시키는 것을 기본으로 한다.
과거의 경험에 따르면 장기간에 걸친 제체침하에 대해서는 지반처리공을 실시해도 침하촉진 효과나 저지효과를 얻지 못하는 경우가 많다. 이 때문에 제체침하에 대해서는 방치기간을 충분히 두어 시간효과를 효과적으로 활용하는 것이 경제적인 설계로 연결되기 때문에 공사기간을 충분히 두는 것이 중요하다. 또한 교대의 측방변위 대책으로서는 선행하중을 가하여 지반강도를 증가시키는 것이 효과적인 방법이다.

다. 장기침하의 문제
연약지반 제체의 침하는 공용 개시 후에도 장기간에 걸쳐서 계속되는 경향이 있다. 그 때문에 횡단 구조물의 단면부족, 배수불량 등 관리단계에서 보수를 필요로 하는 문제가 발생하는 경우가 많다. 따라서 설계에 있어서는 장기침하를 예측해서 설계를 할 필요가 있다.

라. 주변지반의 변형에 따른 문제
흙쌓기 시공시에는 주변지반이 들떠서 측방변형이 발생하는 경우가 많기 때문에 주변의 논밭이나 인가, 구조물에 피해를 줄 염려가 있다. 따라서 주변 지반으로의 영향이 예상되는 장소에서는 주의할 필요가 있다.

3. 연약지반 처리 구간별 검토 및 대책

가. 연약지반처리구간 설정방안
연약지반 처리구간설정시 지반의 조건, 공사기간, 토질의 물리적 및 화학적성질과 지하수 조건 그리고 장비투입상황 등에 대하여 자세히 비교 검토하여야 하며, 연약지반 처리구간에 대한 대표구간 설정시 고려되어야 할 사항에 대하여 요약하면 다음과 같다.

<표 1-2> 연약지반 처리구간 설정시 고려해야할 사항

구 분	고 려 사 항
지반조건	연약층의 심도 및 분포 연약지반의 구조 투수층의 존재 및 위치 지지층의 깊이 및 종류
흙의 물리적, 역학적 성질	입도분포, 전단특성, 압밀특성, 투수계수 과압밀비, 정지토압계수
흙의 화학적 성질	구성광물 및 기타 화학적 성질 유기물 함량
지하수조건	지하수위 지하수의 화학적 성질
사용목적별 기대효과	지지력, 허용침하량, 부등침하 구조물의 내용년한 기타 투수계수
재료투입 조건	투입예상재료, 재료확보의 용이성 토취장 확보, 운반거리, 재료야적장 확보
장비투입 조건	투입예상장비, 장비진입 가능여부
환경조건	소음, 진도, 분진, 오수, 사토 인근 구조물에 미치는 영향 지하 구조물, 매설물 설치 영향
개량효과에 대한 신뢰도	시공관리의 필요성, 시공의 용이성 예상되는 문제점
공사비	예상 공사비와 치환공법, 말뚝공법 등 대안과의 공사비 비교

나. 연약지반 대책 공법
연약지반에는 건설 도중에 여러 가지의 문제가 발생하기 때문에 설계 및 시공에 많은 어려움을 주고 있다. 구조물이 완성된 후에도 많은 문제점이 남아 있는 경우도 많이 있으며 장래에 문제가 발생하지 않도록 하는 가장 합리적인 대책은 건설지점의 변경과 같이 연약지반을 피해가는 것이다. 그러나 이것은 일반적으로 실무자가 관여하기 어려운 사항이다. 일반적으로 연약지반 대책공법으로 선택할 수 있는 방법은 4가지 방법으로 크게 분류된다.
① 구조물의 형식을 변경한다.
하중 또는 모멘트를 줄인다(발포 스티로폴과 같은 경량재의 사용 및 압성토 공 법 등) 구조물의 저면적을 확대하여 지중응력을 감소시킨다. 말뚝기초 등을 이 용하여 특정 연약층을 피한다.

② 연약한 지반재료를 제거하여 양질의 재료로 치환한다.

③ 연약한 지반재료의 성질을 개선한다.

④ 흙이 부족할 경우에 특수한 재료를 도입한다.

연약지반 대책을 세우기 위해서는 이와 같이 각 대책공법의 경제성과 기술의 확실성을 감안하여 검토할 필요가 있으며 연약지반 대책공법에 대한 상세 비교는 다음 표와 같다.

<표 1-3> 개량목적과 적용지반에 의한 대책공법의 분류

구분	개량원리	주요공법		개량목적	적용지반
하중조절	경량화	경량자재		지반의 지지력 향상 지반의 전단변형억제 지반의 침하억제 활동파괴의 방지 시공기계의 트래피커빌리티 확보	점성토 지반 유기질토 지반
	하중균형	압성토공법
	하중분산	침상공법
		Sheet, Net 공법
		Sand mat 공법
		표층혼합처리공법			점성토, 유기질토 지반
지반 개량	치 환	굴착치환공법		활동파괴의 방지 침하의 감소 지반전단변형의 방지	점성토 지반 유기질토 지반
		강제치환공법
	탈 수	Preloading		압밀침하촉진 지반의 강도증가 촉진 활동파괴의 방지	점성토 지반 유기질토 지반
		연직 배수 공법	Sand drain 공법
			Sand packed drain 공법
			Plastic drain 공법
		지하 수위 저하 공법	Well point 공법		사질토 지반
			Deep well 공법		점성토 지반
		생석회 말뚝 공법
	다 짐	Sand Compaction pile 공법		침하의 감소 액상화의 방지 활동파괴의 방지	점성토, 사질토, 유기질토
		Vibroflotation 공법			사질토 지반
		Vibrotamper 공법
		쇄석 pile 공법			점성토, 사질토 지반
		동압밀 공법			사질토 지반
	고결	석회계 심층처리 공법		활동파괴의 방지 침하의 감소 지반의 전단변형 방지 지반의 파이핑 방지	점성토 지반
		시멘트계 심층처리 공법
		분사교반공법
		동결공법			점성토, 사질토 지반
	지수	약액주입방법		측방유동방지 차수	사질토 지반
		분사주입방법			점성토, 사질토 지반
		지수널말뚝공법			사질토, 유기질토 지반
지중 구조	골격형성	체절성토공법		활동파괴의 방지 측방유동방지	점성토, 사질토 지반
		Pile Cap, Pile Slab 공법			유기질토 지반

4. 시험결과의 설계이용
지반공학에서 다루는 설계문제는 크게 나누면 얕은 기초의 지지력, 사면안정, 말뚝의 침하, 압밀침하 등으로 요약될 수 있다. 설계 계산방법은 한계해석(limit analysis)과 변형해석(deformation analysis)으로 분류할 수 있는데, 한계해석에서 주로 사용하는 강도정수들은 Su 또는 c', ø'이고 변형해석에서 사용하는 상수들은 Eu,νu 또는 E',ν'이다.
압밀문제에서는 체적변화계수(mv), 압축지수(Cc), 압밀계수(Cv) 그리고 선행압밀하중(Pc)등이 해석에 중요한 상수로 사용되고 있다.
이러한 상수들은 대체로 실내시험을 통하여 결정하거나 현장 원위치 시험결과 또는 이들의 상관관계를 이용하여 결정하게 된다. 따라서, 본 고에서는 토질상수를 결정하기 위한 방법중에서 원위치 시험결과를 이용하여 결정하는 부분과 실내시험을 통해 결정하는 부분으로 나누어 나타낸다.
자연시료를 이용하여 실내에서 행해지는 역학시험으로부터 얻어지는 토질정수는 설계에 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 채취, 운반 및 시험과정에서 시료가 교란 되어 그 정수들이 현장조건을 대표할 수 있는지는 많은 연구자들에 의해 의문시 되어 왔다(Perloff and Baron, 1976 : Sowers, 1979). 이러한 문제를 극복하기 위해 현장에서 직접 시험을 실시하여 정확한 결과치를 얻기 위해 실시되는 것이 원위치 시험이다. 원위치 시험은 표 2.9에서와 같이 사운딩, 지하수조사, 재하시험, 현장계측 등이 있으며. <표 1-4> 에 원위치 시험에서 얻은 결과 이용을 나타낸다.

<표 1-4> 원위치시험의종류(한국지반공학회,1986)

구분	조사명	얻어지는 값	적용 토질	결과의 이용
사 운 딩	표준관입시험	N치	모든지반	토층의 굳기, 다져진 정도, 토층구성물 등을 판정, 지지력 추정
	정적콘관입시험	정적콘 관입저항	연약한지반	토층의 굳기, 다져진 정도, 토층구성물 등을 판정, 지지력 추정
	동적콘관입시험	동적콘 관입저항	모든지반	지반강도 추정, N치의 추정
	스웨덴식 콘관입시험	하중크기, 반회전수	보통 및 단단한 점성토, 사질토	토층의 굳기, 다져진 정도의 추정
	베인전단시험	원위치 전단강도	특히 연약한 점토	안정해석과 지지력 계산, 예민비의 추정
지 하 수 조 사	현장투수시험	자연지하수위	실트∼사질토층	용출수량, 지하수위 저하량을 구한다.배수용 우물 설계,약액주입 효과 판정
	양수시험	저류계수, 투수량계수	사질토∼자갈질흙층	대수층의 투수성, 저류성, 용출수량의 산정, 배수용우물의 설계
재 하 시 험	평판재하시험	지반반력계수, 극한지지력 지반변형계수	지반∼암반	기초 지반의 허용지지력과 침하
	공내횡방향 재하시험	지반변형계수, 지반반력계수	지반∼암반	기초의 침하, 횡방향 변형해석, 지지력 추정
	말뚝재하시험	횡방향, 연직지지력, 스프링상수	모든 지반	말뚝의 연직 설계 지지력 및 스프링상수 결정
현 장 계 측	현장밀도 측정	습윤/건조밀도 함수비	입경5cm 이하의 지반	흙의 기본적 성질계산, 다져진 강도의 판정
	토압의 측정	전 연직응력, 전 수평응력, 종토압	모든 지반	토압계수를 구한다. 흙구조물의 응력상태를 안다. 안정성 확인
	간극수압 측정	간극수압	모든 지반	압밀진행의 계산, 전응력과 츄효응력과 그 해석, 지하수위 측정
	지반의 변위, 변형 측정	지표,지중의 연직,수평변위 활동면의 위치	모든 지반	침하예측, 흙쌓기 ? 굴착공사의 관리, 사면붕괴 발생시간의 예측

실내시험에서 구한 결과는 다음 <표 1-5>에 나타난 바와 같이 설계에 이용된다.

<표 1-5> 실내실험에서 얻은 주요한 토질정수와 설계에의 이용

성 질		토 질 정 수	시 험 법	성과의 이용
물 리 적 성 질	기본적 성질	함수비(w) 습윤단위중량(γt) 건조단위중량(γd) 토립자 비중(Gs)	함수량 시험 단위중량시험 비중시험	흙의 성질 판정 토공구조물 설계 기초지반처리
	토립자입도	유효경(D10) 균등계수(Cu) 곡율계수(Cg)	입도분포시험	흙의 분류 투수성 및 유동화의 판정
	연 경 도	액성한계(WL) 소성한계(Wp) 소성지수(Ip) 활성도(A)	액성한계시험 소성한계시험	흙의 분류 점성토의 압축성 점착성 판정
역 학 적 성 질	전단강도	점착력(c) 내부마찰각(ψ) 일축압축강도(qu) 예민비(St)	직접전단시험 삼축압축시험 일축압축시험	지반의 지지력 계산 토압계산 사면안정 계산
	압밀침하	압축지수(Cc) 압밀계수(Cv) 체적압축계수(mv) 선행하중(Po)	압밀시험	점토층의 침하량 침하시간 계산
	다짐강도	최대건조밀도(γdmax) 최적함수비(OMC) 지지력비(R)	다짐시험 C.B.R 시험	흙댐 및 제방설계 다짐율 결정 시공함수비 결정 도로의 포장설계
	투 수 성	투수계수(k)	투수시험	투수량계산 파이핑검토
	원위치강도	N치(N) 콘지수(qc) 베인전단강도(Sv)	표준관입시험 콘관입시험 베인시험	지반토의 판정 지반의 지지력계산 압밀침하계산 토공장비의 선정