Evaluation of Local Erosion Characteristics of Fine-Grained Soils in the West Coast Area

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第26卷 第5C 號·2006年 9月 pp. 323~331

서해안 세립토의 국지적 침식특성 평가

Evaluation of Local Erosion Characteristics of Fine-Grained Soils in the West Coast Area 곽기석*ㆍ이주형**ㆍ박재현***ㆍ우효섭****

Kwak, Kiseok ㆍ Lee, Juhyung ㆍ Park, Jae Hyun ㆍ Woo, Hyo Seop

···

Abstract

It is a recent worldwide trend that erosion characteristics of soil, the resistance factor against scour, are quantified and con- sidered in the estimation of scour depths in fine-grained soils. As part of the efforts, local erosion characteristics on fine- grained soils of the West Coast area are analyzed through scour rate experiments, where a lot of sea-crossing long-span bridges are planned and being constructed in recent years. Four sites including Incheon Bridge, Choji Bridge, Hwankyung Bridge, and Janghang area are finally selected for this study and the scour rate tests are performed using 34 undisturbed soil samples from the sites. The critical shear stresses which represent erodibility of the soil tend to be proportional to the undrained shear strength values. The relative ability of cohesive fine-grained soils to resist erosion is assumed to be higher than that of non- cohesive soils. Quantified local erosion characteristics of fine-grained soils in the West Coast area are presented in forms of charts showing relationships between scour rates and shear stresses, and suggested as basic data for the estimation of scour depths and design of bridge foundations in the West Coast area.

Keywords : Erosion Characteristics, Scour Rate, Foundation, Fine-Grained Soil, Shear Stress

···

요 지

지반의 저항인자인 침식특성을 정량화하여 이를 세립토 지반의 세굴심 산정에 반영하는 것은 세계적인 추세이다. 이러한 노력의 일환으로 국내에서 많은 장대 해상교량이 계획 또는 시공되고 있는 서해안 지역 세립토 지반의 침식특성을 실험을 통해 분석하였다. 대상지역으로는 인천대교 현장, 강화 초지대교 현장, 환경교 현장, 군산 장항지구 등 4곳을 선정하였으며, 총 34개의 불교란시료를 채취하여 세굴률 실험을 수행하였다. 지반의 침식능을 나타내는 한계전단응력은 지반의 비배수전단 강도와 비례하는 경향을 보였으며, 점성을 가진 세립토가 세굴에 대한 저항이 보다 큰 것으로 나타났다. 실험을 통해 지역 별 침식특성을 분석 및 체계화하여 서해안 지역 장대교량 건설시 보다 정확한 세굴심도 산정 및 기초 설계를 위한 기초자 료로 제공하고자 한다.

핵심용어 : 침식특성, 세굴률, 기초, 세립토, 전단응력

···

1. 서 론

교량은 도로를 구성하는 대표적인 구조물로서 인간생활과 밀접한 연관성을 가지고 있는 사회기반시설이다 . 급격히 증 가하는 교통량으로 인해 그 중요성은 더욱 커지고 있는 실 정이며 , 이에 따라 교량구조의 안정성과 내구성의 확보가 강 조되고 있다 . ^{하지만 매년 구조적인 문제뿐만 아니라 여러}

가지 요인으로 인해 피해를 입는 교량의 수가 점차 증가하 여 , 교량의 유지보수 및 교체에 많은 예산이 요구되고 있는 실정이다 . 특히 홍수시 하천을 가로지르는 교량의 교각 및 교대 주변에서 발생하는 세굴로 인한 교량의 붕괴는 급속히 진행되어 인명의 안전에 심각한 영향을 미칠 뿐만 아니라 ,

교량의 교체나 보수 , 우회도로의 건설 , 또한 그로 인해 발생 하는 교통시간의 증가 , 불편 및 경제활동의 피해 등으로 인 해 장기간에 걸쳐 사회와 경제에 막대한 손실을 끼칠 수가 있다 .

국내외 연구보고에 의하면 교량 붕괴의 가장 큰 원인은 교량자체가 가지고 있는 구조적 결함이 아니라 홍수시 교대 및 교각 주위에서 발생하는 세굴로 인한 기초의 붕괴이다

(Shirole and Holt, 1991). 세굴피해의 특징은 교량 상부구

조물에서 흔히 발생하는 손상 정도가 국부적이거나 복구가 능한 정도의 수준에 머물지 않고 교량기초의 파손 및 교량 의 유실로 이어지는 완전 붕괴로까지 연결된다는 점이다 . ^지

난 10 년간 홍수시 세굴과 이로 인한 하천 불안정성으로 인

*

정회원ㆍ한국건설기술연구원지반연구부수석연구원

(E-mail : [email protected])

**

한국건설기술연구원지반연구부연구원

***

정회원ㆍ한국건설기술연구원지반연구부선임연구원

****

정회원ㆍ한국건설기술연구원수자원연구부연구위원

한 국내 교량 피해사례는 연평균 100 여건에 육박하며 , 그

피해액은 연간 2 천억원에 달하고 있다 ( 재해연보 , 1995-

2003). 최근에는 국토개발의 패러다임의 변화 등에 따라 장

대교량 건설시장이 비약적으로 커지고 있으며 , 제 4 차 국토 종합개발계획에서 수립된 ‘ 큰 섬 지역 도로망 확충계획 ’ 에서 만도 100 여개의 장대교량을 계획하고 있다 . 이러한 추세에 발맞추어 강 혹은 바다 위에 건설된 교량의 장수명화를 이 루기 위해서는 교량기초의 세굴 가능성을 평가 , 해석하고 이 에 따른 적절한 대책을 수립하여 극대홍수시에도 교량의 안 전성을 확보할 수 있는 종합적인 대책 마련이 시급한 실정 이다 .

세굴현상은 흐르는 물에 의한 침식유발능력과 지반의 침식 저항능력과의 상호작용에 의하여 발생하는 자연현상이며 , 하 상물질의 종류에 따라 다르게 나타나는 침식저항능력으로 인 해 상이한 양상을 띠게 된다 . 그럼에도 불구하고 현재 국내 교량세굴의 설계와 평가의 기준이 되고 있는 하천설계기준 의 방법들은 주로 사질토에서 수행된 실험을 기초로 하여 개발된 모델들이며 지반의 침식특성을 고려하지 못한다 . 따 라서 국내의 세굴특성을 반영할 수 있도록 지반의 침식특성 을 고려할 수 있는 방법들에 대한 지속적인 연구가 필요하 며 , 이를 통해 보다 정확하게 세굴심을 예측하고 효율적인 방재대책을 수립할 수 있다 .

최근에는 이러한 지반의 저항인자인 침식특성을 정량화하 여 이를 세굴심 산정에 반영하고자 하는 많은 노력이 이루

어졌으며 (Briaud, 1999; 곽 , 2002), 본 연구에서는 이러한

노력의 일환으로 국내에서 많은 장대 해상교량이 계획 또는 시공되고 있는 서해안 지역 세립토 지반의 침식특성을 실험 을 통해 분석하였다 . 대상지역으로는 인천대교 현장 , 강화 초 지대교 현장 , 환경교 현장 , 군산 장항지구 등 4 곳을 선정하 여 총 34 개의 불교란시료를 채취하여 세굴률 실험을 수행하 였으며 , ^{이를 통해 지역별 침식특성을 분석 및 체계화하여}

서해안 지역 장대교량 건설시 보다 정확한 세굴심도 산정 및 기초 설계를 위한 기초자료로 제공하고자 한다 .

2. 세굴률 실험

일반적으로 조립토의 침식저항능력은 중력과 마찰력이 지 배하여 비교적 단순한 반면 , 세립토의 침식저항능력은 중력 과 마찰력뿐만 아니라 흙입자의 물리·화학적 성질 및 전기 적 성질에도 의존하여 매우 복잡한 양상을 보인다 . 조립토에 서는 하상에 작용하는 유체의 침식유발능력이 급격히 상승 하는 경우 , 단시간 내에 세굴이 발생하여 최대세굴심에 도달 하는 반면 , 세립토는 침식저항능력이 조립토에 비해 크고 저 항메커니즘이 달라 상대적으로 느리게 침식이 진행된다 ( 그림

1). 따라서 세립토 지반의 세굴해석은 흐르는 물의 침식유발 능력 뿐만 아니라 지반의 침식저항능력과 이에 따른 시간효 과를 고려하여야 하며 , 이는 세굴률 실험을 통해 정량화될

수 있다 . Briaud 등 (1999) 은 실내실험을 통해 일정한 유속

이 지속되는 경우 식 (1) 과 같이 세립토 지반의 교각 주위 에서 발생하는 국부세굴심은 시간의 함수이며 , 시간이 무한 대로 지속되었을 경우에 발생하는 최대세굴심과 세굴심 변 화곡선의 초기기울기인 세굴률을 매개변수로 하는 쌍곡선함

수의 형태를 따른다는 것을 증명하였다 .

(1)

여기서 , y

s

(mm) 는 국부세굴심 , t (hrs) 는 유속의 지속시간 , (mm/hr) 는 지반의 세굴률 , z max (mm) 는 최대세굴심이다 .

세굴률 실험의 목적은 대상지반의 고유의 정량적인 침식 특성을 결정하는 것이며 , 세굴률은 주어진 유속에 대해 지

반이 침식되는 속도 (mm/hr) 로 정의된다 . 이 침식특성은 한

계전단응력과 그 이후의 흐르는 물에 의해 야기되는 전단응 력과 지반의 세굴률과의 관계로 구성된다 . ^{한계전단응력}

(critical shear stress) 은 세굴이 발생하기 시작할 때 지반에

적용되는 전단응력을 의미하며 , 이 때의 유속을 한계유속이 라 정의한다 . 본 실험에서는 실험의 정도를 고려하여 실험 시 육안으로 확인할 수 있는 최소량을 1mm ^{로 판단하였으}

며 , 이를 통해 세굴률이 1mm/hr 가 되기 바로 직전에 흐르

는 물에 의해 지반에 작용하는 전단응력을 한계전단응력으 로 정의하였다 .

세굴률 실험은 다음과 같은 세부절차에 따라 수행된다 .

실험결과는 전단응력에 대한 세굴률 변화곡선으로 구성되 며 , 관속을 흐르는 물로 인해 흙시료 상부에 야기되는 평균 전단응력은 Moody 도표를 이용해서 구하며 식 (2) 와 같이 표현될 수 있다 .

(2)

① 외경이 76mm 인 박관튜브를 이용해 불교란시료를 채취한다 .

② 시료를 박관튜브와 함께 세굴률 시험기의 구형 관수로 바닥 에 장착한 후 구형관을 물로 채워 시료가 완전포화상태가 되도록 한다 .

③ 시료를 1mm 상승시킨 후 펌프를 구동하여 관수로 내에 일정 유속의 흐름을 발생시킨다 .

④ 상승된 1mm 의 시료가 세굴되자마자 시료를 1mm 씩 상승 한다 ( 반복 ).

⑤ 1 시간동안 세굴된 양 (1mm × 상승횟수 ) 을 기록하거나 , 1mm 의 시료가 세굴되는데 걸리는 시간을 기록하여 시간당 세굴률

(mm/hr) 로 환산한다 .

⑥ 유속을 다양하게 변경하여 ① ~ ⑤의 과정을 반복한 후 유속 별 세굴률을 산정한다 .

⑦ 각 유속별로 시료바닥에 적용되는 전단응력과 세굴률과의 관 계를 결정한다 .

y

_s

t z 1

˜

_i

--- _z ^t

--- max

--- +

=

z ˜

_i

τ 1 8--- ^{f ρ V 2}

=

그림 1. 시간에 따른 세굴심 변화곡선

여기서 , f는 Moody 도표로부터 얻어지는 마찰계수 , ρ는 물 의 밀도 (1000kg/m ³ ), V는 관내의 평균유속 (m/s) 이다 . 마 찰계수 f는 관의 레이놀즈수 Re (= VD / ν ) 와 관의 상대조도 ε /

D의 함수이며 , 여기서 D는 관의 직경 (m), ν는 물의 동점성

계수 (10

⁻

⁶ m ² /s, 20 ^o C), ε은 조도 ( 粗度 ) 이다 . 일반적으로 원형 단면인 경우 직경 D는 동수반경의 4 배이다 . 관수로의 단면 은 구형이므로 구형에 대한 동수반경을 구한 후 4 배를 하여 그 직경으로 한다 .

하상에 장애물이 있는 경우 , 그 장애물 주위에 발생하는 전단응력은 장애물이 없는 경우보다 아주 크다 . Briaud 등

(1999) 은 수치해석에 기초하여 하상이 평탄한 개수로에서 원

통형 교각 주위에 발생하는 최대전단응력에 대한 식을 다음 과 같이 개발하였다 .

(3)

여기서 , Re는 교각 Reynolds 수이며 VD / ν로 표현된다 . 이

최대전단응력이 흙이 저항할 수 있는 한계전단응력보다 클 때 세굴이 시작된다 .

세굴률 실험에 앞서 박관튜브의 윗부분과 시료표면이 일치 하도록 매끄럽게 다듬어야 하며 , 세굴률 시험기에 시료를 장 착할 때 시료가 교란되지 않도록 세심한 주의를 기울여야 한다 . 그림 2 는 세굴률 시험기의 전경이며 , 그림 3 은 시료를 박관튜브와 함께 세굴률 시험기에 장착시켜 실험을 진행하 고 있는 모습이다 .

3. 현장 개요

침식특성 분석을 위해 불교란시료가 채취된 서해안 세립 토 현장의 위치를 그림 4 에 나타내었다 . 각 현장의 주요 지점에서는 현장조사와 시추가 병행되었으며 , 외경 76mm,

길이 0.8m 의 박관튜브를 이용하여 불교란시료를 채취하

였다 .

인천대교는 인천 송도신도시에서부터 인천항로를 건너 영 종도 인천국제공항 (IIA) 접속도로의 북동쪽을 잇는 해상고속 도로이다 . 교량구간의 지층은 상부로부터 해성퇴적층 , 풍화 토 , 풍화암 , 연암 및 경암으로 구성되어 있으며 , 세굴 발생 이 예상되는 상부 해성퇴적층은 점토 , 실트 등이 10~30m

두께로 분포하고 있다 ( 여 등 , 2005).

강화 초지대교는 강화군 길상면 초지리와 김포시 대곶면

대명리 일원을 잇는 교량으로 총 연장 1.2km 에 교폭 17.6

m 이며 , 12 개의 교각으로 이루어져 있다 . 초지대교의 지반 은 지표로부터 해성 퇴적층 , 풍화대 ( 풍화잔류토 및 풍화암 ),

연암 순으로 분포하고 있다 . 퇴적층은 매우 연약한 점성토 층이며 , ^{풍화토층은 기반암인 셰일이 완전히 풍화되어 점토}

화된 상태이다 ( 동일기술공사 , 1993). 강화도와 김포 사이를 흐르는 염하강은 한강과 임진강에서 흘러 들어온 민물과 이곳 초지대교에서 서해와 합쳐진다 . 염하강의 너비는 그리 넓지 않으나 조수간만의 차이가 9 미터에 이르고 물살이 빨 라 교량하상 및 교각과 인접한 호안에 세굴이 발생할 가능 성이 큰 곳으로 판단된다 . 수심은 교각마다 다소 차이가 있으나 평균수심은 12.4m 이고 100 년 빈도 최대유속은

4m/s ^이다 .

환경교는 굴포천 방수로 하류에 위치한 교량으로 총 길이

110m, 폭 30.9m 의 왕복 6 차로 교량이다 . 홍수 및 서해의

조석 간만 등의 영향으로 최대유속이 2.59m/s 이고 , 최대홍수

위 발생시 유속이 1.52m/s ^이다 . ^{군산 장항지구 현장은 타}

교량현장과 달리 군장국가산업단지를 잇는 호안도로 건설현 장으로 도로제방 지점의 침식특성 분석을 위해 대상에 포함 하였다 .

τmax 0.094 ρ V ² 1 log Re --- 110--- –

⎝ ⎠

⎛ ⎞

=

그림 2. 세굴률 시험기

그림 3. 세굴률 실험 모습 그림 4. 대상 현장 위치

4. 지반의 침식특성

각각의 현장에서 신월튜브 (thin wall tube) 를 이용하여 채

취한 불교란시료를 대상으로 세굴률 실험을 수행하였으며 ,

그 결과를 이용하여 각 대상현장 지반 고유의 정량적인 침 식특성을 결정하였다 . 세굴률 실험에 앞서 KS F(Korean

Industrial Standards F) 방법에 따라 흙의 입도분석 , 액소

성한계시험 , 비배수 전단강도 시험 ( 실내 베인시험 ) 등 기본 적인 토질실험을 실시하여 지반을 분류하고 특성을 분석하 였다 .

4.1 인천대교 현장

대부분의 흙은 실트나 실트를 함유한 점토로 구성되어 있 으며 , 통일분류법에 의해 SM, ML, CL 등으로 분류되었다 .

특이한 점은 인천대교 사장교 구간을 중심으로 서측구간 지 반은 대부분 실트로 구성되어 있는 반면 동측구간은 대부분 점토로 구성되어 있었다 . 흙의 기본적인 토질실험 결과를 표

1 에 정리하였으며 , 서측구간 지반의 입도분포곡선을 그림 5

에 나타내었다 . ^{세굴률 실험을 통해 결정된 지반의 침식특성}

은 그림 6 에 나타내었다 .

인천대교 현장의 지반은 대부분 세립토로 구성되어 있다 .

통일분류법에 의해 대상교량의 서측구간 지반은 실트질 모

래 (SM) 또는 모래질 실트 점토 (ML) 로 분류되었으며 , 동측

구간 지반은 대부분 점토 (CL) 로 분류되었다 . 세굴률 실험결 과 한계전단응력은 실내 베인시험으로 구한 비배수 전단강 도와 전반적으로 비례하는 경향을 보였다 ( 그림 7).

서측구간의 교각들 중 다른 교각들에 비해 비점착성 흙입 자 ( 실트와 모래 ) 를 더 많이 함유하고 있는 W9 의 경우 다른 교각들에 비해 더 낮은 한계전단응력과 동일한 유속에 대하 여 더 큰 세굴률을 보였다 . 반면 , 지반이 더 많은 세립분 ( 실 트와 점토 ) ^{을 함유한} W59 ^{의 경우 상대적으로 더 큰 한계전}

단응력과 동일한 유속에 대하여 더 낮은 세굴률을 보였다 .

대부분 점토로 구성되어 있는 서측구간에서는 지층의 심도

에 따라 세굴률이 많은 차이를 보였으며 , E12 의 표층에서

시추된 E12 0.0~0.6m 를 제외하고 동측구간의 시료들은 서

측구간의 시료들에 비해 더 큰 한계전단응력과 더 낮은 세 굴률을 보였다 . 동측구간의 지반은 서측구간의 지반에 비해 세굴저항력이 뛰어난 것으로 판단되며 , 세굴 해석시 지층의 심도에 따른 특성을 반영할 수 있는 다층지반해석을 고려해 야 할 것으로 보인다 .

인천대교 현장의 각 교각별 지점에 대하여 세굴률 실험을 통한 한계유속 및 한계전단응력을 표 2 에 나타내었으며 , 최 대유속에 의해 지반에 발생할 수 있는 최대전단응력과 그에 상응하는 세굴률을 표 2 에 함께 정리하였다 . W9 의 경우 가 장 큰 세굴률을 보여 대상교각 중 가장 세굴에 취약한 것으 로 나타났다 . 반면에 E12 의 표층시료를 제외한 동측구간 대 부분의 시료들은 모두 한계전단응력이 재현기간 100 년의 최 대유속에 의해 지반에 발생할 수 있는 수리학적 최대전단응 표 1. 인천대교 현장의 지반 분류 및 특성

교각 심도 (m) ^{비중 액성한계} (%) ^소성한계 (%) ^함수비 (%) ^단위중량 (kN/m ^건조

³

)

전단강도 비배수

(kN/m

²

)

#200 체

통과량 (%) ^{통일 분류}

W7 2.0~2.8 2.64 29.3 - 35.3 13.4 43.9 44.9 SM

2.8~3.6 2.64 28.7 - 31.2 14.2 44.2 47.2 SM

W9 2.0~2.8 2.68 26.4 - 34.5 13.6 39.2 41.1 SM

2.8~3.6 2.67 25.1 - 33.8 13.8 34.3 38.9 SM

W59 3.0~3.7 2.53 23.6 - 33.4 13.4 45.7 60.9 ML

3.7~4.3 2.63 21.5 - 33.2 13.7 53.6 54.2 ML

4.3~5.2 2.68 21.4 - 31.5 14.2 49.6 57.0 ML

W62 0.0~0.8 2.67 29.3 - 32.9 13.9 46.2 52.3 ML

0.8~1.6 2.74 24.8 - 38.2 13.1 43.1 49.7 SM

1.6~2.4 2.47 24.7 - 33.4 13.2 45.9 48.7 SM

E12 0.0~0.6 2.64 - - 24.2 15.8 32.5 14.4 SM

0.6~1.3 2.66 34.3 19.2 36.9 13.1 53.1 68.3 CL

1.3~2.0 2.65 27.3 18.2 34.7 13.5 55.3 58.8 CL

E47 1.5~2.1 2.73 19.4 - 30.2 14.6 46.7 46.0 ML

2.3~3.0 2.61 33.4 18.7 25.9 15.3 56.7 79.5 CL

3.5~4.2 2.72 33.6 16.6 26.8 15.4 58.9 90.9 CL

그림 5. 입도분포곡선 (인천대교 W59, W62 교각지점)

력 보다 크게 산정되었으며 , 최대유속에 대하여 침식이 발생 하지 않는 것으로 나타났다 .

4.2 초지대교 현장

대부분의 흙은 모래 또는 실트를 함유한 점토로 구성되었 으며 , 통일분류법에 의해 ML 또는 CL-ML 로 분류되었다 ( 표

3). 대상지반내의 대표적인 실트질 점토 ( 심도 5.0-5.5m) 와 모 래질 실트의 입도분포곡선 ( 심도 2.0-2.5m) 을 그림 8 에 나타 내었으며 , 세굴률 실험을 통해 결정된 지반의 침식특성은 그 림 9 에 나타내었다 .

초지대교 현장의 지반 침식특성은 인천대교 현장과는 달 리 지반의 세굴저항능력인 한계전단응력이 비배수 전단강도 와 비례하는 경향을 보이지는 않았다 . 하지만 그림 9 에 나

타난 바와 같이 점성을 가진 실트질 점토 ( 심도 5.0~5.5m)

의 경우 모래질 실트 ( 심도 2.0~2.5m) 에 비해 세굴률은 작

고 한계전단응력은 훨씬 큰 것으로 나타나 세굴에 대한 저

항이 보다 큰 것으로 판단된다 . 초지대교 유심부 교각인

P5 지점에 대하여 최대유속에 의해 지반에 발생할 수 있는 최대전단응력과 그에 상응하는 세굴률을 표 4 에 나타내었다 . 100 ^{년 빈도 최대유속에 대한 최대전단응력은} 44.5N/m ^{2 이며} ,

이에 상응하는 세굴률은 2674mm/hr 로서 상대적으로 큰 세

굴률을 보였다 .

4.3 환경교 현장

시추된 불교란 시료들의 물리적 특성은 표 5 와 같다 . 대 부분의 흙은 점토로 구성되어 있으며 , 통일분류법에 의해

CL 로 분류되었다 . 심도 11.0~12.0m 의 경우에는 국부적으로 모래가 포함된 것이 육안관찰되었으며 , 각 심도별 입도분포 곡선은 그림 10 과 같다 .

환경교 주변 지반의 각 심도별 세굴률 - 전단응력 관계곡선 을 그림 11 에 각각 나타내었다 . 굴포천 환경교 주변의 세립

토 (CL) 역시 비배수전단강도가 증가함에 따라 한계전단응력

그림 6. 세굴률-전단응력 관계곡선 (인천대교)

그림 7. 한계전단응력-비배수전단강도 관계 (인천대교)

그림 8. 입도분포곡선 (초지대교)

표 2. 지점별 세굴률 (인천대교 현장) 교각 기초폭

(m) ^말뚝직경 (m) ^최대유속 (m/s) ^최대 (N/m ^전단응력

²

) ^심도 (m) (mm/hr) ^{세굴률 한계유속} (m/s) ^{한계전단응력} (N/m

²

)

W7 4.872 2.436 0.99 4.57 2.0~2.8 467 0.61 1.03

2.8~3.6 274 0.29 0.28

W9 4.872 2.436 0.94 4.16 2.0~2.8 2523 0.17 0.11

2.8~3.6 1988 0.13 0.07

W59 2.436 2.436 0.76 3.79 3.0~3.7 420 0.51 0.75

3.7~4.3 78 0.58 0.96

4.3~5.2 149 0.57 0.92

W62 2.436 2.436 0.73 3.55 0.0~0.8 372 0.40 0.49

0.8~1.6 409 0.23 0.18

1.6~2.4 694 0.34 0.37

E12 1.824 3.648 0.53 1.56 0.0~0.6 169 0.16 0.10

0.6~1.3 0 0.94 2.19

1.3~2.0 0 1.01 2.52

E47 2.436 2.436 0.33 0.71 1.5~2.1 0 0.89 2.02

2.3~3.0 0 0.99 2.41

3.5~4.2 0 1.30 3.89

표 3. 초지대교 현장의 지반 분류 및 특성 심 도

(m) ^{비 중 액성한계} (%) ^소성한계 (%) ^소성지수 (%) ^단위중량 (kN/m ^건조

³

)

전단강도 비배수

(kN/m

²

) #200 통과량

(%) ^통일 분류

1.0 ~ 1.5 2.47 25.4 20.9 4.5 11.0 18.6 54.1 CL-ML

1.5 ~ 2.0 2.47 25.2 19.8 5.4 11.3 25.2 53.0 CL-ML

2.0 ~ 2.5 2.45 25.4 21.7 3.7 11.7 41.0 41.8 ML

2.5 ~ 3.0 2.46 24.9 20.9 4.0 12.3 41.0 42.5 ML

3.0 ~ 3.5 2.50 28.2 22.0 6.2 12.3 59.6 52.9 CL-ML

3.5 ~ 4.0 2.48 27.6 21.3 6.3 12.7 52.2 55.4 CL-ML

4.0 ~ 4.5 2.51 25.7 21.7 4.0 13.2 57.8 82.2 ML

4.5 ~ 5.0 2.50 26.0 21.6 4.4 13.1 55.0 76.0 CL-ML

5.0 ~ 5.5 2.48 24.7 19.7 5.0 12.6 46.6 94.1 CL-ML

표 4. 심도별 세굴률 (초지대교 현장) 교각 기초폭

(m) ^최대유속 (m/s) ^{최대전단응력} (N/m

²

) ^심 (m) ^도 (mm/hr) ^{세굴률 한계유속} (m/s) ^{한계전단응력} (N/m

²

)

P5 13.0 4.0 44.5

1.0 ~ 1.5 3752 1.15 3.13

1.5 ~ 2.0 1695 0.68 1.25

2.0 ~ 2.5 3478 0.80 1.68

2.5 ~ 3.0 1507 1.15 3.13

3.0 ~ 3.5 2504 0.89 2.01

3.5 ~ 4.0 4322 0.28 0.27

4.0 ~ 4.5 2749 0.87 1.93

4.5 ~ 5.0 2329 0.90 2.05

5.0 ~ 5.5 1735 1.84 7.14

표 5. 환경교 현장의 지반 분류 및 특성 심 도

(m) ^{비 중 액성한계} (%) ^소성한계 (%) ^소성지수 (%) ^단위중량 (kN/m ^건조

³

)

전단강도 비배수

(kg/cm

²

) #200 통과량

(%) ^통일 분류

6.0 ~ 7.0 2.72 43.0 22.3 20.7 13.5 3.5 98.0 CL

8.0 ~ 9.0 2.70 43.8 23.7 20.1 13.5 3.5 96.0 CL

10.0 ~ 11.0 2.69 40.3 21.1 19.2 13.5 3.1 94.7 CL

11.0 ~ 12.0 2.69 36.4 25.2 11.2 13.9 2.7 89.3 CL

이 비례하여 증가하였다 . 각 심도별 한계전단응력은 일반적 인 국내 하상재료의 한계전단응력에 비해 상대적으로 크게 나타났으며 , 교량 완공 후 표층을 구성하게 될 심도 6.0~

7.0m 의 한계전단응력과 한계유속은 각각 16.1N/m ² 와 2.86

m/s 였다 ( 그림 11). 이는 교량이 없는 경우 한계유속 2.86m/s

이하의 유속에서는 세굴이 발생하지 않음을 시사한다 .

교량이 완공된 후에 교각 주위에 발생하는 최대전단응력은 교량이 없는 경우에 비해 크게 증가하게 되며 , 재현기간

100 년의 조류를 고려한 최대유속 (2.59m/s) 에 대해 교각 주위

에서 발생할 수 있는 최대전단응력은 29.1N/m ² 였다 . 재현기 간 100 년에 해당하는 유속으로 인해 교각주위에서 발생할 수 있는 최대전단응력에 대한 각 심도별 시료의 세굴률은

표 6 과 같다 . 최대유속 발생시 세굴률은 평균 67.4mm/hr 였

으며 , 이는 일반적인 조립토의 세굴률이 수천 내지 수만

mm/hr 에 이르는 것을 고려해 볼 때 환경교 주변 지반의 침

식저항능이 매우 큰 것으로 판단된다 .

4.4 군산 장항지구 현장

기본적인 토질실험 결과 BH-16 지점의 흙은 대부분 점토로

구성되어 있으며 , BH-18 ^과 BH-27 ^{의 표층에서 채취한 시료}

의 경우 모래질이 많이 함유된 것으로 나타났다 . 통일분류법

에 의해 BH-16 의 시료들은 모두 CL 로 분류되었으며 ,

BH-18 은 SC, BH-27 은 SM 또는 SC( 모래질 점토 ) 로 분

류되어 같은 현장임에도 불구하고 서로 상이한 흙의 종류 를 나타내었다 ( 표 7). 각 심도별 입도분포곡선을 그림 12 에 도시하였다 .

침식에 대한 저항력을 나타내는 한계전단응력은 점토로 구

성된 BH-16 에서 채취한 시료가 상대적으로 큰 경향을 보였

그림 9. 세굴률-전단응력 관계곡선 (초지대교)

그림 11. 세굴률-전단응력 관계곡선(환경교) 그림 10. 입도분포곡선 (환경교)

표 6. 심도별 세굴률 (환경교 현장)

교각 기초폭

(m) ^최대유속 (m/s) ^{최대전단응력} (N/m

²

) ^심 (m) ^도 (mm/hr) ^{세굴률 한계유속} (m/s) ^{한계전단응력} (N/m

²

)

P2 2.7 2.59 29.1

6.0 ~ 7.0 75.1 2.86 16.12

8.0 ~ 9.0 14.2 2.84 15.88

10.0 ~ 11.0 61.3 2.00 8.50

11.0 ~ 12.0 119.0 2.09 9.17

으며 , ^{그 중 심도} 0.0-0.8m ^{에서 채취한 시료가 가장 큰 값}

을 보였다 . 이는 BH-16(0.0-0.8m) 의 시료가 가장 큰 유속에

서 침식이 발생하기 시작함을 의미하며 , 동일한 유속 즉 , 동

일한 전단응력 (10N/m ² ) 에 대한 비교에서도 세 가지 시료 중

가장 작은 세굴률을 보였다 ( ^그림 13). BH-16 ^{시료들의 한계}

전단응력 값들은 국내 하상의 세립토 지반에서 일반적으로

나타나는 한계전단응력의 평균 정도에 해당하는 것으로 분

석되었다 . ^{모래질이 많이 함유된} BH-18 ^과 BH-27 ^{의 표층시}

료들은 매우 작은 한계전단응력을 보여 낮은 유속 (0.12~0.16 m/s) 에서도 흙의 침식이 쉽게 발생할 수 있음을 나타내었다 . 5. 결 론

지반의 저항인자인 침식특성을 정량화하여 이를 세립토 지 반의 세굴심 산정에 반영하는 것은 세계적인 추세이다 . 이러 한 노력의 일환으로 국내에서 많은 장대 해상교량이 계획 또는 시공되고 있는 서해안 지역 세립토 지반의 침식특성을 실험을 통해 분석하였다 . 대상지역으로는 인천대교 현장 , 강 화 초지대교 현장 , 환경교 현장 , 군산 장항지구 등 4 곳을 선정하였으며 , 총 34 개의 불교란시료를 채취하여 세굴률 실 험을 수행하였다 .

서해안 지역 세립토의 침식특성은 일부 시료를 제외하고는 대부분 지반의 침식저항능력인 한계전단응력이 지반의 비배 수전단강도와 일반적으로 비례하는 경향을 보였으며 , 점성을 가진 점토를 상대적으로 많이 함유한 세립토가 그렇지 않은 세립토에 비해 일정유속에 대한 세굴률은 작고 한계전단응 력은 훨씬 큰 것으로 나타나 세굴에 대한 저항이 보다 큰 것으로 확인되었다 .

인천대교 현장 , 강화 초지대교 현장 , 환경교 현장 , 군산 장 항지구의 지반 침식저항능력인 평균 한계전단응력은 각각

1.15, 2.51, 12.42, 0.88 N/m ² 등 지반의 특성에 따라 서로

상이하게 나타났으며 , 이에 상응하는 평균 한계유속은 각각

0.57, 0.95, 2.45, 0.49 m/s 로 산정되었다 . 또한 실험을 통

해 각 지역의 정량적인 세굴률 - 전단응력 곡선을 결정하였으

S 표 7. 군산 장항지구 현장의 지반 분류 및 특성

위 치 심 도

(m) ^{비 중 액성한계} (%) ^소성한계 (%) ^단위중량 (kN/m ^건조

³

)

전단강도 비배수

(kN/m

²

) #200 통과량

(%) ^통일 분류

BH-16 0.0~0.8 2.66 30.8 17.1 10.0 49.5 81.7 CL

1.0~1.8 2.65 29.3 16.6 12.6 40.2 85.9 CL

2.0~2.8 2.56 27.0 16.4 11.0 32.8 81.0 CL

BH-18 0.0~0.8 2.58 23.1 14.3 15.6 25.5 70.0 SC

BH-27 0.0~0.8 2.64 - - 16.9 - 14.0 SM 또는 SC

그림 12. 입도분포곡선(군산 장항지구 BH-16지점)

그림 13. 세굴률-전단응력 관계곡선 (군산 장항지구) 표 8. 지점별 침식특성 (군산 장항지구)

위 치 심 도

(m) ^한계유속 (m/s) ^{한계전단응력} (N/m

²

)

BH-16 0.0~0.8 0.91 2.09

1.0~1.8 0.57 0.91

2.0~2.8 0.67 1.23

BH-18 0.0~0.8 0.12 0.06

BH-27 0.0~0.8 0.16 0.10

며 , 이는 각 지역의 침식특성을 대표하는 차트의 형태로 제 공된다 . 이러한 체계화된 자료를 통해 서해안 지역 장대교량 건설시 보다 정확한 세굴심도 산정 및 기초 설계를 위한 기 초자료로 제공하고자 한다 .

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( ^접수일 : 2006.5.9/ ^심사일 : 2006.7.11/ ^{심사완료일} : 2006.7.11)