연약지반 편측확장부 침하산출 방안 연구
이 사 익 한국도로공사 냉정부산건설사업단 품질환경팀 연약지반 대리
배 진 성 한국도로공사 냉정부산건설사업단
공사관리팀 과장 ([email protected])
이 성 렬 한국도로공사 냉정부산건설사업단 품질환경팀 품질차장 ([email protected])
최 영 철 한국도로공사 도로교통연구원 건설환경연구실 수석연구원 및
냉정부산건설사업단 품질환경팀 연약지반전문가
김 국 한 한국도로공사 냉정부산건설사업단 품질환경팀 품질환경팀장
1. 서 론
과거 주요도시를 거점으로 경제성장을 추진했던 우 리나라는 전국단위의 경제성장을 하기 시작함에 따라 주요도시에 집중되었던 인구 및 물동량이 전국적으로 커지기 시작했다. 전국적으로 대단위 기간구조물 및 도로건설을 착수하기 시작하면서 도로건설 등에 필요 한 토지가 매우 부족한 실정에 이르러, 이에 해안 등 열 악한 지반조건을 가진 연약지반 시공이 증가하였다.
그러나 경제성장이 더욱 고도화됨에 따라 물동량 및 교통량이 당초 예상치를 초과하여 초기에 연약지반에 시공했던 도로의 경우 확장이 불가피한 곳이 생기기 시작했으며 남해고속도로 냉정~부산간 확장공사도 그 중 하나이다.
고속국도 제10호선, 104호선, 551호선의 확장 및 신설공사를 담당하고 있는 냉정부산건설사업단은 남
해고속도로 냉정~부산 구간의 기존 4차로를 6~8차로 로 확장하고, 남해선(동김해IC와 북부산영업소 사이) 과 중앙선의 대동JCT를 연결하는 신설노선을 4차로 로 계획하여 교통 지·정체를 해소하고, 장래교통수
표 1. 냉정부산건설사업단 사업개요
연장 53.28km(확장:43.36km, 신설:9.92km)
총사업비 1조 4,198억원
(공사비 1조 1,376억원, 용지비 등 2,822억원) 사업기간 2008. 12 ~ 2014. 12
주요 시설
•분기점 4개소(냉정,김해,대저,대동)
• 나들목 7개소(서김해, 동김해, 장유, 가락, 서부산, 물금, 남양산)
사업 효과
•부산 경남지역 교통혼잡 해소로 물류비용 절감
•노선 선형 불량구간 개량으로 교통사고 감소
요에 대처하고자 하는데 목적이 있으며, 사업개요 및 노선도는 표 1과 그림 1에 나타내었다.
남해고속도로 냉정~부산간 확장공사 사업구간은 낙동강 하구에 위치함에 따라 ‘낙동강 델타점토 지역’
이라는 매우 연약한 지반을 포함하고 있다(그림 2). 박 성재(2004), 권기호 등(2006)에 따르면 낙동강 하구는 오랜 시간동안 낙동강 상류에서 운반되어 퇴적된 많 은 양의 세립토로 이루어져 있으며, 충적층의 두께가 두껍고 강도는 낮으며 높은 압축성을 보이고, 점토층 은 정규압밀 상태이고 퇴적층의 두께는 지표면에서 약 25m ~75m 내에 분포하고 있다.
이런 초연약지반으로 인해 설계당시 예측했던 침하 량이 부정확한 경우가 많으며 특히 단순편측확장의 경 우 설계침하량과 계측침하량의 편차가 최대 86%로 나타났다.
본 연구는 편측확장구간의 계측침하량 분석을 통해 단순편측확장부 침하산출방안에 대해 검토하고자 한 다.
2. 단순편측확장구간 현황
2.1 기존고속도로 준공현황
냉정부산건설사업단에서 확장하고 있는 고속국도 는 총 3개 노선으로, 남해선(제10호선)의 경우 ‘73년에 왕복2차선 개통 후, ’95년 2~5m의 종단상향 4차로 확 장개통을 실시하였고, 남해제2지선(제104호선)은 ‘81 년도에 개통(4차로)되었으며, 중앙지선 ’96년도에 개 통(4차로)되었다.
그림 1. 노선도 그림 2. 낙동강 델타점토 지역
표 2. 확장유형별 개념도
구 분 남해선, 중앙지선(단순편측확장) 남해지선(종단조정편측확장)
개념도
남해선은 ‘73년 및 ’95년에 Sand drain 처리를 하였 으며, 남해지선은 Sand mat, 쇄석 mat, PVD처리를 하였고, 중앙지선은 Sand Pack Drain 처리를 하였다.
본 연구에서 고려될 노선은 단순편측확장인 남해선 과 중앙지선으로 개통 후 현재까지 17~18년 경과된 구간이다(표 2, 표 3).
2.2 단순편측확장 설계 및 침하 현황
현재 단순편측확장구간 중 성토 및 압밀 완료된 구 간은 남해선과 중앙지선 일부구간으로 2,8공구에 해 당되는 구간이다. 단순편측확장 특성상 연직배수공법 없이 선행하중만 적용되거나, 연직배수공법인 PBD를
표 4. 단순편측확장 단면도 및 처리공법
구분 2공구 남해선(PBD+P/L) 2공구 남해선(P/L)
확장도로 기존도로 확장도로 기존도로
단 면 도
처리공법 PBD(2.0m×2.0m)+P/L - P/L -
구분 8공구 중앙지선(PBD+P/L) 8공구 중앙지선(P/L)
확장도로(대동) 기존도로 확장도로(양산) 확장도로(대동) 기존도로 확장도로(양산)
단 면 도
처리공법 PBD(1.8m×1.8m)+P/L - PBD(1.8m×1.8m)+P/L P/L - P/L
일시쌓기 : 9.80m ± VAR.
G.L.
7.91m 추가 Preloading
침하토 + (교통하중+포장하중) Fiber Mat (B=35cm,t=5cm)
1:1.5
기존도로 절취 기존 남해고속국도
모래층
연약 점토층 P.B.D
(C.T.C=2.0m×2.0m) 계획고
확장도로
14.0m ± VAR.
19.2m
~24.5m
EL = 4.00 EL = 2.82
Fiber Mat(50mm)
PBD (C.T.C=1.8m X 1.8m) 매 립 및 퇴 적 사 질 토 층
퇴 적 점 토 층 퇴적사질토층
퇴 적 점 토 층
퇴적사질토층 기존남해고속도로
1:1.5 1:1.8 1:1.5
1:1.8
확장도로 확장도로
Fiber Mat(50mm)
PBD (C.T.C=1.8m X 1.8m)
기 존 남 해 고 속 국 도
모래층
연 약 점 토 층 일 시 쌓 기 : 8.1 0 m ± VA R .
G.L.
계획고
확장도로 6.75m
추 가 Preloa ding 침 하 토 + (교 통 하 중 +포 장 하 중 )
EL = 4.00 EL = 2.82
Fiber Mat(50mm)
매 립 및 퇴 적 사 질 토 층 퇴 적 점 토 층 퇴적사질토층
퇴 적 점 토 층
퇴적사질토층 기존남해고속도로
1:1.5 1:1.8 1:1.5
1:1.8
확장도로 확장도로
Fiber Mat(50mm)
표 3. 기존고속도로 준공 현황
노 선 개통년도 처리공법 비 고
남해선 제10호선 ‘73,’95 '73 : Sand Drain(1.2~3.5m)
‘95 : Sand Drain(2.0~2.3m) 개통 후 18년
남해2지선 제104호선 ‘81 Sand mat, 쇄석 mat, PVD 개통 후 32년
중앙지선 제551호선 ‘96 Sand pack drain(1.6~2.2m) 개통 후 17년
1.8~2.0m 간격으로 타설하고 선행하중을 재하하는 것으로 설계되었다. 2공구의 경우 편측확장구간이며, 8공구는 양측확장구간이다. 8공구는 1차로 씩 양측으 로 확장하여 성토 폭이 좁으나 2공구의 경우 편측방향 확장으로 성토 폭이 넓은 편이다. 각 공구의 대표적 횡 단면도 및 처리공법은 표4에 나타내었다.
표 5는 단순편측확장구간의 설계 및 침하, 처리기간
현황을 비교한 것으로, 시공연장 및 현황이 많아 구간 별로 정리하였다. 현재 성토는 대부분 '계획고+1m' 까 지 완료한 상태이다(1m은 교통하중, 포장하중 등). 구 간별 침하량을 비교해보면 당초 설계대비 최소12%~
최대98%, 평균40%로서 편차가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다(그림3).
처리기간의 경우 전체처리기간은 침하경향과 마찬
표 5. 시공완료 단순편측확장구간 설계 및 침하현황
공 구
연약지반 현황 침하량 처리기간(개월)
방
향 구간 STA. 심도
(m)
계획고+1 (EL.m)
시공 (EL.m)
처리공 법
설계 (cm)
계측 (cm)
대비 (%)
설계 시공 대비
성토 압밀 계 성토 압밀 계 (%)
2 냉
정 3
9+100 14.7 8.33 8.260 PBD +P/L
99 15.2 15 3.3 14.7 18.0 7.0 5.6 12.6 70 9+200 14.6 8.36 8.465 99 11.4 12 3.3 14.7 18.0 12.3 4.4 16.7 93 9+300 14.5 8.66 8.845
P/L
45 13.2 29 2.7 15.3 18.0 11.0 5.9 16.9 94 9+400 14.3 8.96 8.785 45 20.7 46 2.7 15.3 18.0 11.3 6.4 17.7 98 9+500 14.2 9.11 8.801 45 13.2 29 2.7 15.3 18.0 10.9 5.9 16.8 93
8 대 동
1-1 0+360~
0+460 13.4 14.33~
14.92
14.416~
15.021 P/L 30.15 5.6~7.4 19~25 8.1 7.9 16.0 13.8 6.4 20.2 126 1-2 0+560 21.3 14.03 14.201
PBD+
P/L
28.71 4.9 17 6.9 26.1 33.0 13.8 6.4 20.2 61 2-1 1+850~
2+300 37.5 12.43~
17.36
12.532~
17.551 34.33 7.5~11 22~32 9.2 23.8 33.0 18.6 9.4 28.0 84 2-2 2+600~
3+200 37.0 5.11~
9.33
5.093~
9.46 15.27 6.4~15 42~98 5.2 27.8 33.0 24.2 5.5 29.7 90 3-1 3+800~
4+300 25.2 4.93~
9.27
5.047~
9.41 P/L 14.61 3.08~
10.95 21~75 2.6 30.4 33.0 20.3 4.6 24.9 75 3-2 4+400~
4+700 19.7 10.00~
11.98
10.088~
12.058 PBD+
P/L 38.9 11.77~
18.36 30~47 7.3 8.7 16.0 25.0 5.3 30.3 189
양 산
1-1 0+360~
0+460 13.4 15.48~
15.75
15.555~
15.977 PBD+
P/L
50.19 10.5~
10.6 21 7.7 8.3 16.0 14.0 6.4 20.4 128 1-2 0+560 21.3 15.56 15.585 60.8 12.6 21 8.0 25 33.0 14.0 6.4 20.4 62 2-1 1+850~
2+300 37.5 13.21~
17.55
13.296~
17.617 33.56 12.4~
16.8 37~50 10.6 22.4 33.0 19.9 10.9 30.8 93 2-2 2+600~
3+200 37.0 5.35~
9.18
5.6~
9.255 16.48 7.0~
11.17 25~68 5.3 27.7 33.0 24.0 5.8 29.8 90 3-1 3+800~
4+300 25.2 4.92~
8.42
5.017~
8.782 P/L 17.3 2.35~
10.16 14~59 4.2 28.8 33.0 20.3 4.6 24.9 75 3-2 4+400~
4+700 19.7 9.03~
11.01
9.303~
11.267 PBD+
P/L 24.57 11.9~
16.11 48~66 6.2 9.8 16.0 25.8 4.3 30.1 188
가지로 최소61%~최대189%로서 편차가 크게 발생하 나, 평균 101%로 설계와 유사하게 나타났다. 그러나 압밀기간만 비교할 시 설계대비 최소15%~최대81%,
평균 39%로서 일부 구간을 제외하고는 50%이내의 경향을 보이고 있다(그림4).
그림 3. 편측확장구간 설계대비 침하비율 그림 4. 편측확장구간 설계대비 처리기간 비율
(a) 남해선 2공구 Sta.9+200
(c) 중앙지선 8공구 Sta.0+460
(b) 남해선 2공구 Sta.9+500
(d) 중앙지선 8공구 Sta.2+000
3. 편측확장구간 분석
단순편측확장구간의 실제적인 침하경향 및 설계와 상이한 원인을 분석하고자 역해석을 실시하였다.
3.1 검토구간 선정
단순편측확장 전 구간을 검토하는 것은 현실적으 로 무리가 있으므로, 처리공법 및 연약지반 심도, 침 하경향, 압밀경향 등을 고려하여 2공구 Sta.9+200, Sta.9+500과 8공구 Sta.0+460, Sta.2+000을 대 표적으로 선정하여 검토하였다. 본 연구에서는 Basissoft사의 K-embank(v3.0)를 사용하여 역해석 을 실시하였다. 현장의 실제적인 성토 일자 및 성토고 를 반영하였고, 압축지수(Cc)및 압밀계수(Cv) 조정을
통해 침하량과 속도를 조정하였다. 편측확장구간의 특성을 고려하기 위해 기존도로부를 성토하중으로 장 기간 방치하여 확장부에 대한 영향성을 반영하였다.
그림 5는 해석단면 모델링이며, 그림6은 계측결과와 역해석 모델링 침하 그래프이다.
3.2 역해석 결과
대표 구간을 역해석한 결과 위치별로 편차가 조금 있으나, 압축지수의 경우 평균 58%로서 당초 설계시 토질시험 결과와는 확연한 차이를 보이고 있다. 특히 현재 성토 중인 중앙지선 8공구 Sta.2+000(양산)구간 을 제외하면 평균 46%로서 50%이하로 낮아진다. 압 밀계수의 경우 당초 설계시보다 평균 483cm2/day 이 상 증가되는 것으로 해석되었으면 이는 약 2.7배 증가
(a) 남해선 2공구 Sta.9+200
(c-1) 중앙지선 8공구 Sta.0+460(대동)
(d-1) 중앙지선 8공구 Sta.2+000(대동)
그림 6. 검토구간 대표단면 실제 침하형상 및 역해석 침하 그래프
(b) 남해선 2공구 Sta.9+500
(c-2) 중앙지선 8공구 Sta.0+460(양산)
(d-2) 중앙지선 8공구 Sta.2+000(양산)
되는 수치이다. 실제 시공에서 압밀기간이 50%정도 감소된 것과 같은 경향성을 보여준다(표 6).
3.3 설계와 계측 침하차이 원인분석
계측 현황과 역해석 결과에서(표 5, 표 6)에서 보는 것과 같이 편측확장부의 실제 침하량은 당초 설계시 보다 작게 나타나며, 압밀기간 또한 짧게 나타나고 있 다. 특히 침하량이 대부분 10cm 내외로 나타나며, 일 부구간의 침하량은 허용잔류침하량인 10cm 이내로 나타나 연약지반처리의 의미를 무색하게 한다. 이런 침하차이 발생 원인은 다음과 같이 사료된다.
1) 기존도로 하중전이에 따른 기압밀발생 남해선과 중앙지선은 개통 후 17~18년 이상 된 노 선으로 건설당시 남해선은 47~318cm 침하가 발생하 였고, 중앙지선의 경우 42~306cm 침하가 발생하였 다. 또한 남해선의 경우 공용 후 1년간 3~86cm의 침 하가 추가적으로 발생하였으며, 현재까지도 침하로 인한 덧씌우기 공사가 시행되고 있다. 즉, 건설당시 도 로성토로 인해 침하량이 크고 장기간 침하가 발생한 도로인 점을 고려해 볼 때, 도로 인접 구간 역시 하중전
이로 침하가 기 발생했을 가능성이 크며, 지반 또한 정 규압밀 상태가 아닌 과압밀 상태가 되어 편측확장으로 인한 침하가 설계보다 작게 나타난 것으로 판단된다.
2) 기존도로 하부 연약지반 처리시공에 따른 배 수효과 증가
실제시공으로 확인된 압밀기간 단축효과는 약 50%, 압밀계수는 당초 실내시험으로 산출된 값보다 약 2.7배의 증가된 것으로 나타났는데 이는 과거 남해 선과 중앙지선 연약지반 처리공법과 관련된 것으로 판 단된다. 과거 남해선과 중앙지선은 각각 Sand Drain 공법과 Sand Pack Drain 공법이 적용되었는데 이는 연약지반에 모래말뚝을 형성하여 간극수를 배출, 압 밀을 촉진하는 공법이다. 결국, 편측확장부 옆에 모래 배수층이 형성되어 있는 것과 같으므로 예상보다 더 빠른 압밀침하가 이루어 진 것으로 보인다.
3) 프로그램 해석 방법에 의한 오차
당초 설계 당시 2공구의 경우 기존도로를 원지반으 로 간주하여 해석하였고, 8공구의 경우 기존도로를 과 거 성토하중으로 간주하여 해석하였다. 따라서 2공구 의 경우 기존도로의 영향성을 반영하지 못했다고 볼
구 분
설 계 시 공 대 비(%)
압축 비고 지수
압밀계수 (cm2/day)
침하량 (cm)
압밀기간 (개월)
압축 지수
압밀계수 (cm2/day)
침하량 (cm)
압밀기간 (개월)
압축 지수
압밀
계수 침하량 압밀
기간
평균 58 269 26 49
(a) 0.479 - 99 14.7 0.118 +600 11.4 4.4 25 233 12 30
(b) 0.479 - 45 15.3 0.452 +700 13.2 5.9 94 255 29 39
(c-1) 0.691 - 30.15 7.9 0.206 +300 5.6 6.4 30 198 19 81
(c-2) 0.691 - 50.19 8.3 0.265 +300 10.5 6.4 38 198 21 77
(d-1) 0.481 - 34.33 23.8 0.218 +500 7.9 10.8 45 367 23 45
(d-2) 0.481 - 33.56 33.0 0.555 +500 16.8 6.6 115 367 50 20 성토중
표 6. 편측확장구간 역해석 결과
수 있다. 그림 7은 2공구 Sta.8+700구간을 해석한 것 으로 기존도로를 원지반으로 해석한 것과 성토하중으 로 해석한 결과를 비교한 것이다. 기존도로를 원지반 으로 한 경우는 침하량이 99.3cm이었으나, 성토하중 으로 해석하면 79.0cm로, 약 20%의 저감효과가 나타 났다. 따라서 설계 시 기존도로부를 성토하중으로 해 석하는 것이 실제적인 지반 침하경향을 반영하는 것이 라 할 수 있겠다.
4) 기 타
실내 시험시 시료교란으로 인한 시험결과의 부정확 성 등 일반적인 오차가 발생했을 가능성이 있으며, 또한 실제 지반의 불확실한 거동, 상부 사질토층에 의한 점토 층 하중 전달 미미로 인한 침하 지연 등 정성적으로 판 단할 수밖에 없는 요인들도 있을 것으로 생각된다.
4. 편측확장부 침하 산출(안)
편측확장부의 침하량 및 압밀속도가 설계와 상이하 므로 편측확장부를 위한 별도의 침하산출방법이 필요 하다. 따라서 실제 계측에 따른 편측확장부 침하 경향 성과 역해석을 통해 재분석된 지반특성 결과를 토대로 편측확장부만의 침하 산출방안을 제시하고자 한다.
4.1 압축지수 재설정
분석결과 실제 침하량이 당초 설계보다 70%이내의 경향을 보이며, 역해석을 통해 산출된 압축지수는 평 균 50%로 확인되었다. 침하량 편차가 큰 것을 고려할 때 편측확장부 적용 압축지수는 실내시험을 통해 산출 된 압축지수의 0.6배가 적정한 것으로 판단된다.
Cp = 0.6×Cc (1)
여기서 Cp : 편측확장부 압축지수 Cc : 해당구간 설계 압축지수 4.2 압밀계수 재설정
실제시공 압밀기간 단축효과(약 50%)와 역해석으 로 산출된 압밀계수 증가(약 2.7배)를 고려할 때 편측 확장부 적용 압밀계수는 실내시험 결과치의 2배를 적 용하는 것이 보다 현실적인 침하양상을 설계에 반영하 는 것이라 생각된다.
Cυp = 2×Cυ (2)
여기서 Cυp : 편측확장부 압밀계수 Cυ: 해당구간 설계 압밀계수 4.3 기존도로부 하중 반영 해석
기존도로부의 압밀효과를 반영하여 해석할 경우 침
구 분 침하량 비교 기존도로 원지반 해석 기존도로 성토하중 해석
내 용
그림 7. 기존도로 해석 적용 방법에 따른 침하 비교
하량이 20% 저감되므로, 기존도로부 성토체 하중과 교통하중을 반영하여 1차압밀이 완료된 시점 이후, 편 측확장부 성토로 인해 발생하는 침하량을 설계에 반영 하는 것이 적정하다고 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 대심도 연약지반 낙동강 델타점토지 역을 통과하고 있는 남해선 및 남해지선, 중앙지선의 확장공사를 시행함에 있어 남해선 및 중앙지선 편측확 장구간의 설계 및 계측 침하량 편차 발생에 대해서 분 석하였으며, 설계 편차를 최소화하고자 편측확장부만 의 새로운 침하산출방안 도출에 중점을 두었다. 이상 의 분석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 편측확장구간 침하현황 분석결과 침하량은 당 초 설계대비 최소14%~최대98%, 평균40%로 나타났다. 전체처리기간의 경우 최소61%~최대 189%, 평균101%로 설계와 유사하게 나타났으 나, 압밀기간만 비교할 시 설계대비 최소15%~최 대81%, 평균 39%의 경향을 보이고 있다.
(2) 대표구간을 역해석한 결과, 압축지수는 당초 설
계 대비 평균 50%, 압밀계수는 2.7배 증가되는 것으로 해석되었다.
(3) 침하차이를 보이는 원인으로는 기존도로의 하중 전이로 인한 편측확장부의 기압밀발생 및 과입밀 상태, 과거 기존도로 하부 연약지반처리에 따른 배수효과 증가, 프로그램 해석 방법에 따른 오차 등으로 판단된다.
(4) 본 연구에서 제시하는 편측확장부 침하 산출방 안은, 압축지수는 실내시험 압축지수의 0.6배, 압밀계수는 실내시험 압밀계수의 2배를 적용하 고, 기존도로부를 하중으로 반영하여 해석하는 것이다. 이는 보다 현실적인 침하양상을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
1. 박명득, 김종인, 김국한, 이원균(2010), “낙동강 델타점토 지 역의 고속도로 건설”, 한국지반공학회지, 제26권, 제8호, pp.31~39.
2. 냉정~부산간 확장공사 제2공구 지반조사보고서, pp.212~213.
3. 양산~구포간 고속도로 건설지, pp.103~108.
