다짐도와 지하수위에 따른 모래지반 함몰특성 분석

Experimental Results on Compaction and Groundwater Level Dependent Ground Subsidence using a Small-Sized Laboratory Tank Model

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2016;16(6):309-317
Publication date (electronic) : 2016 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2016.16.6.309
정승원, 김성웅**, 염병우**, KuwanoReiko***
** Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
*** Professor, Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Japan
*Corresponding Author, Member, Principal Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (Tel: +82-42-868-3911, Fax: +82-42-868-3414, E-mail: swjeong@kigam.re.kr)
Received 2016 July 06; Revised 2016 July 08; Accepted 2016 September 12.

Abstract

도심지 지반함몰 예경보시스템을 개발하고자 할 때 지반공학적·수리지질학적 영향인자 선정과 검토가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 주문진 표준사를 대상으로 소형으로 제작된 토조모형실험장치(sinkhole tank model)를 이용하여 물의 유입과 토사의 유출을 반복하는 방법으로 지반함몰을 유도하였다. 다짐도와 지하수위 변화에 따른 토조 상부면의 지반변위, 공동 형성과 확산, 지반함몰의 크기, 위치 및 속도를 정량적으로 관찰하였다. 실험결과에 따르면, 지반함몰은 지반의 다짐도와 지하수위 변화에 의존한다. 느슨한 모래 지반은 펀치형(punching) 지반함몰 형태를 보이고, 조밀한 모래 지반은 트러프형(trough) 지반함몰 형태로 나타났다. 느슨한 지반의 경우 조밀한 지반에 비해 지반함몰 발생소요시간이 짧고 지반함몰 크기가 크다. 또한 지하수위가 증가할수록 지반함몰의 발생속도와 크기는 증가하는 것으로 나타났다. 다짐도와 관계없이 모든 실험결과에서 지하수위가 증가할수록 지반함몰의 진행속도가 증가하는 것으로 나타났다.

Trans Abstract

To identify and analyze the sinkhole and subsidence in urban areas, the geotechnical and hydrogeological characteristics should be by priority investigated. Sinkholes can be examined using a laboratory sinkhole tank model. In this study, for the Jumunjin sands in a way of repetitive inflow/outflow of soil and water, sinkhole characteristics dependent on relative density of soils and groundwater variation were examined: vertical displacement from top soil in tank model, cavity formation, propagation, size, location and velocity of sinkhole materials were observed. According to the test results, sinkholes are dependent on density and groundwater level. For a loose state of sand, a punching was significant; whereas for a dense state of sand, a trough subsidence was formed. For a loose sand, size and velocity of ground subsidence are much more larger and faster than the opposite. These results were also influenced by groundwater level in tank model. Regardless of relative density, increase in groundwater level influences the velocity of ground subsidence.

1. 서론

최근 도심지 지반함몰은 지하구조물 주변의 침하와 신설 건설현장 주변에서 발생되어 국민의 불안감이 확산되고 사회적 문제로 대두되고 있다. 특히나 사람들이 다니는 보행로나 차로에서 보행자가 인지하기 어려운 상황에서 마주하게 되는 재해로 불안감이 크다. 최근 전국적으로 발생되고 있는 지반함몰 피해는 지하매설물 상부 지반이 대부분이다. 지반함몰의 발생 사례를 조사한 결과 2010년부터 5년간 서울에서만 3,200 여건의 지반함몰이 발생하였으며, 매년 100건 이상의 사례가 보고되고 있다(Lee et al., 2015). 이러한 지반함몰의 대표적인 발생 원인으로는 지하수 개발과 양수, 상하수도 누수, 지하굴착공사의 부실로 조사되었으며, 특히 지하수위와 침투수의 변화는 중요한 요인으로 인식되고 있다(Song et al., 2012; Kaufmann, 2014).

지반함몰의 발생에 대한 실험적·이론적 연구는 침식된 석회암 지대(karst)를 중심으로 자연적으로 발생하는 석회암 싱크홀로 구분되는 용해형 싱크홀(dissolution sinkhole)과 점토층 또는 암반층의 빈공간으로 침하가 발생하는 붕괴형·침하형 싱크홀(cover-collapse or cover-subsidence sinkhole)로 구분되어 연구되고 있다(Chang and Hanssen, 2014; Ghabraie et al., 2015; Giampaolo et al., 2016; Verachtert et al., 2011). 특히 석회암 지역 등에서는 지반함몰의 유형별 분석과 대처, 지반함몰 우려 지역에 대한 재해위험지도 작성, 지반침하 발생가능성의 순위 평가 등을 통하여 지반함몰 재해에 능동적으로 대처하고 있다(Ezersky and Frumkin, 2013; Fan et al., 2011; Kleinhans and Rooy, 2016; Parise and Lollino, 2011). 국내의 경우 도심지 지반함몰 메카니즘과 방재에 대한 연구사례가 부족하다. 국내에서 발생하는 지반함몰은 석회암지대에서 발생하는 싱크홀과 지반·수리지질학적 특성이 서로 다르기 때문에 고전 싱크홀 방재대책으로 접근하는데 어려움이 따를 수 있다. 또한 국내 지반함몰 발생한 지역에 대한 전수조사와 정보 부족으로 인하여 적절한 모니터링과 예경보시스템을 제안하기 어렵다. 이러한 까닭에 대부분 지반함몰 발생지역은 포장보수공사와 같은 수동적인 대처가 주로 이루어지고 있는 실정이다(Choi et al., 2005). 이에 따라 국내 지질과 지하수 환경을 고려한 지반함몰의 특성을 규명할 필요성이 제기되고 있다. 특히 지하구조물에 속하는 상하수관로의 파손에 따른 지반 주변의 포화정도와 반복적인 누수정도에 따른 지반함몰 위험성을 모니터링하는 것이 중요하다. 특히 불포화지반에서 지하수위의 높이가 갑작스럽게 증감하거나 관로 주변부 또는 관로 파손 주변부에서 물의 유입량이 상향 또는 하향으로 증가할 경우 지반은 다양한 형태의 붕괴 위험에 노출될 수 있다. 느슨한 지반의 경우, 상대적으로 파괴심도가 깊으며, 지반침하 발생속도가 갑작스럽기 때문에 인명 및 구조물에 심각한 피해를 초래할 수 있다.

본 연구에서는 국내 도심지에서 발생되는 지반함몰의 메카니즘을 규명하고 효과적인 재해저감 대응방법을 개발할 목적으로 모형토조실험장치(sinkhole tank model)를 이용하여 다짐도와 지하수위의 변화에 따른 지반함몰의 크기, 발생형태, 확산형태 및 지표변화에 대하여 지반함몰 특성을 분석하였다. 지반함몰 메카니즘 규명은 실시간 모니터링에 필요한 지반공학적 적정인자 등을 제공하고 이를 통한 지반함몰의 예경보시스템 개발이 가능하게 하기 위함이다. 토질역학적 특성에 따른 불분명함을 최소화하고 실제 건설재료로 널리 사용되는 주문진 표준사를 사용하여 다짐도(degree of compaction)와 수위(groundwater level)를 변화시켰을 때 나타나는 지반함몰의 특성을 비교분석하고자 한다. 다짐도는 현장에서 사용되는 흙의 다짐도 뿐만 아니라 자연적으로 형성된 충적토나 풍화토 등 국내 다양한 지반조건에서 이완정도(loosening)를 고려하기 위함이며, 지하수위 변화는 지하수위 그 자체의 변화를 의미하기도 하거니와 강우에 기인한 지반 내부의 수위 변동 또는 최근 도심지 지반함몰의 주된 원인으로 지목되는 하수관거의 파손부에서 물의 유입과 파손부로 토사가 빠져나가는 현상을 재현하기 위함이다.

2. 실험시료 및 실험방법

2.1 실험시료

본 연구에서 사용된 실험 시료는 주문진 표준사이며, 주로 도심지 되메움 재료인 양질토의 선정 기준에 의거하여 선택하였다. Table 1은 주문진 표준사의 지반공학적 특성을 나타낸 것이다. 모래의 토질특성을 산정하기 위해 체가름시험(입도분포)과 다짐실험(최대단위중량)을 수행하였다. Fig. 1(a)는 입도분포곡선을 나타낸 것으로 4.75 mm체의 통과량은 100%이며, 유효입경(D10)은 0.45 mm, D50은 0.6 mm인 것을 알 수 있다. Fig. 1(b)는 다짐실험 결과로, 산정된 최대단위중량은 1.681 g/cm3이며, 최적함수비는 2.15%이다. 본 실험에 사용된 모래는 양질토의 기준인 4.75 mm체의 통과량 및 0.075 mm체의 통과량에 적합한 것으로 나타났다.

Geotechnical Properties of Jumunjin Sand.

Fig. 1

Physical Properties of Jumunjin Sand: (a) Grain Size Distribution and (b) Compaction Curve.

2.2 실험장치

도심지 지반함몰 위험성을 평가하기 위하여 지하매설물 주변과 건설공사 현장 지반의 다짐도와 지하수 환경에 따른 지반함몰 형태를 조사할 필요성이 있다. 싱크홀 메카니즘 규명에 가장 적절한 실험장치는 모형토조실험장치(sinkhole tank model)로, 일본과 영국 등 땅꺼짐(싱크홀) 등을 연구할 목적으로 사용되고 있다(Sato and Kuwano, 2015). 본 연구에서는 지질환경인자(다짐도와 지하수위) 변화에 따른 지반함몰 특징을 조사하기 위하여 소형 모형토조시험장치를 제작하였다. 실험목적으로 제작된 토조의 규격은 Table 2와 같다.

Sinkhole Tank Model.

Fig. 2는 본 연구에서 사용된 실험장치의 사진과 구조도이다. 모형토조시험장치는 내부 토조, 토조 양측에 위치한 수위조절용 수조, 개구부(토사유출시), 유입구(물의 주입시), 유출밸브, 유출구로 구성되어져 있다. 개구부는 0.5∼1.5 cm까지 직경을 조절할 수 있게 제작되었다. 내부 토조로 물을 공급하는 외부 토조는 토조 크기에 따라 각각 30cm×5cm×20cm로 제작하였다. Fig. 2와 같이 내부 토조와 내부 수조사이에 원활한 물의 이동이 이루어질 수 있도록 0.3 cm의 복수개의 구멍을 가진 토조를 제작하였다. 또한 내부 수조로 흙의 유실을 방지하기 위해 필터종이를 부착하였다. 시료는 토조 하부에서 상부로 적층다짐하고 지하수위 조절을 위한 물은 토조 하부에 위치한 물 유입구를 통하여 주입하거나 토조 측면부의 수조를 통하여 토조내 수위를 조절한다. 또한 공동의 크기에 따라 지반함몰의 특성을 확인하기 위해 유출구(초기 공동)의 크기를 조절할 수 있게 제작되었다. 하지만, 본 연구에서는 물의 유입구와 토사 유출구는 직경 0.5 cm로 동일하게 적용하였다.

Fig. 2

Soil Tank Model: (a) Testing Setup and (b) Tank Model Diagram.

2.3 실험방법

본 연구에서는 지반함몰에 영향을 미치는 지질환경인자로 지반 다짐도와 지하수위만을 고려하였다. 그러므로 실질적으로 실험을 수행함에 있어 중요한 인자는 동일한 흙의 다짐도를 유지하는 것과 동일한 지하수위 높이를 조절하는 것이다. 모래의 다짐도(느슨, 보통, 조밀)를 달리하여 시료를 성형하고 시험자가 원하는 위치까지 토조 내 물의 높이를 높이거나 낮추어 시료를 완전 포화시킨 후 토조 하부 유출구를 개방하여 지반함몰을 유도하였으며, 각 실험에 대한 지반함몰 특성을 관찰하였다. 다짐도는 5 cm 3층 다짐을 통하여 느슨(Dr = 30%), 보통(Dr = 50%) 및 조밀(Dr = 80%)한 상태로 구성하였다. 지하수위는 토조의 크기를 고려하여 완전포화(5 cm)와 불포화(1 cm와 2.5 cm)로 구분하고 토조 하부에 위치한 유입구를 통하여 물을 유입하여 수위를 조절하였다. 지하수위를 모사하기 위한 물의 공급은 토조와 물 공급부 사이에 일정한 수두차(최대 45 cm)를 이용하여 자연적으로 상향흐름을 유도하였다. 물을 주입속도(0.1∼0.2 mm/sec)는 실험조건에 관계없이 일정하게 적용하였다. 물이 토조 내부로 천천히 스며들게 하여 토조 내 시료교란을 최소화하였다. 마지막으로 하부 토사 유출구의 개방(open)시켜 토사와 물을 유출하는 방식으로 지반함몰을 유도하였다. 모형토조를 이용한 지반함몰 모사실험시 다짐도와 지하수위 조건은 Table 3과 같다. 지하수위 변화는 1회 1 cm로 하였으며 물의 유입시간은 35 sec로 하였으며, 토사의 유출시간은 60 sec로 하여 수행하였다. 물의 유입과 토사의 유출이 완료될 때를 실험횟수 1회(cycle)로 하였다. 따라서 실험결과 및 분석에서는 실험횟수(회)에 대한 다짐도와 지하수위 변화에 대한 것으로 제한하였다. 지반함몰 유형분석은 토사유출 후 토조 내 상부 지표면이 붕괴되고 일정 시간 후 더 이상의 붕괴 징후가 관측되지 않을 경우 실험을 종료하였다. 실험이 진행되는 동안 토사유출량, 지반함몰 크기와 속도를 정량적으로 분석하였으며, 실험이 종료한 후 토조 내 발생된 지반이완(loosening) 크기를 분석하였다. 지반함몰의 발생속도는 토조 상부(지표면)을 기준으로 시간당 발생하는 연직변위로 기록하였다. 마지막으로 토사유출에 따른 누적유출률을 기록함으로써 토사유출량에 따른 지반함몰의 특성을 조사하였다.

Test Methods.

3. 실험결과 및 분석

3.1 다짐도에 따른 지반함몰 특성

Fig. 3은 다짐도에 따른 지반함몰 실험결과를 나타낸 것이다. Figs. 3(a-f), 3(g-l)와 3(m-r)은 각각 느슨, 보통 및 조밀한 시료성형에 대한 실험결과이다. 실험결과로 물의 유입과 토사의 유출을 반복하는 횟수(number of operating cycle)를 시간별로 나타내고 있다. 총 실험횟수는 느슨한 경우 9회, 보통인 경우 9회, 그리고 조밀한 경우 16회이다(Fig. 4). 물의 유입속도는 각각 0.21 mm/sec, 0.18 mm/sec 및 0.15 mm/sec로 하였으며, 각 시료성형에 필요한 포화시간은 475 sec, 480 sec 및 1,175 sec로 적용하였다. 토조 바닥면에 위치한 토사 유출구(지름 0.5 cm)를 개방시키면 토조 내 토사는 물과 함께 자중에 의하여 수직으로 토조 외부로 유출(flowing out)된다. 토사유출로 인한 토조 내부의 공동형성 상태와 공동의 확산성은 흙의 다짐도와 공동 주변부에 위치한 물의 이동성에 가장 영향을 많이 받을 것으로 예측된다. 시료의 다짐도에 관계없이 토사가 유출되면, 토조 상부는 침하하는 것으로 나타났다. 하지만, 완전 붕괴에 이르기까지 소요되는 시간은 느슨한 경우 710 sec, 보통인 경우 810 sec, 그리고 조밀한 경우 1,330 sec로 나타났다. 결과적으로 다짐도가 증가할수록 지반침하의 크기와 속도는 감소하는 것을 알 수 있다.

Fig. 3

Soil Compaction Dependent Ground Subsidence: (a-f) Loose, (g-l) Medium and (m-r) Dense Sands.

Fig. 4

Outflow Amount and Accumulated Outflow Rate as a Function of Compaction: (a-b) Loose, (c-d) Medium and (e-f) Dense Sands.

느슨한 상태(Dr = 30%)의 모래 지반을 모사한 경우(Fig. 3a-f), 물의 유입과 토사 유출을 5회(토사 유출 후 지반함몰 관측시간 415 sec) 수행하였을 때, 토조 하부에서 육안으로 확인가능한 작은 공동(cavity)이 형성되었으며 그 크기는 대략 직경 0.2 cm로 나타났다. 9회까지 물의 유입과 토사 유출을 반복수행한 결과에 따르면, 토조 상부 변위가 점진적으로 침하되는 것을 알 수 있다. 토조 내 토사가 토조 하부의 유출구로 빠져나가기 때문에 유출 초기에는 유출이 발생하는 연직방향을 기준으로 원통형의 지반함몰 형태를 보이고 시간이 경과할수록 토조 상부(지표면)의 대부분이 침하의 영향을 받는 것으로 나타났다(Fig. 3a-f). 실험이 종료되고 측정된 토조 상부의 연직변위의 크기는 대략 5 cm가 발생하였으며, 상부의 폭은 대략 15 cm로 나타났다.

다짐도가 보통인 경우(Dr = 50%), 공동형성과 지반침하 결과는 느슨한 경우와 비슷하게 나타났으나 그 크기가 상대적으로 큰 것으로 확인되었다. 물의 유입과 토사 유출을 7회(570 sec) 수행한 결과에 따르면, 토조 내의 대략 1 cm 크기의 공동이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 반복적인 유입/유출을 통하여 공동확산(cavity propagation)이 두드러지고 8회(790 sec)일 때 상부의 토사 1/3이상이 침하의 영향을 받는 것으로 나타났다(Fig. 3g-l). 이러한 원인은 다짐도의 증가로 인한 지반의 지지력이 증가와 관계된 것으로 판단된다. 실험이 종료된 이후 연직변위는 대략 4 cm가 발생하였으며, 그 폭은 대략 11 cm로 나타났다.

조밀한 상태(Dr = 80%)의 모래지반을 모사한 경우(Fig. 4m-r), 물의 유입과 토사 유출을 11회(1,045 sec)에서 대략 4 cm 크기의 공동이 발생하였으며, 12회(1,140 sec)일 때 지표면의 연직변위가 1 cm 발생하였다. 물의 유입과 토사 유출을 반복적으로 적용한 경우 지반이완 영역이 확산되었고 13회(1,230 sec)에서 토조 내 상부(지표면) 토사의 자중은 더 이상 아치형 지표면을 유지하지 못하고 함몰되어 최대 연직변위가 1.5 cm로 증가하였다. 실험이 종료된 이후 지반함몰의 크기는 대략 2.5 cm가 발생하였으며, 그 폭은 대략 8 cm로 나타났다.

Fig. 4는 모래지반 다짐도에 따른 공동형성과 지반침하 관측결과로 실험횟수에 대하여 토사의 유출량(g), 유출률(%), 토조 상부로부터 지반침하 크기(cm)와 토조 하부로부터 관측되는 수위(cm)를 나타낸 것이다. 여기서 유출률(%)은 토조 내 적층된 총 토사량에 대한 유출된 토사량의 비를 말한다. 그림에서는 실험횟수에 따른 유출량과 누적유출량비를 함께 도시하였다. Figs. 4a, 4c, 4e에서 알 수 있듯이 시간당 토사 유출량과 유출률은 실험횟수에 따라 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 다짐도가 느슨하거나 보통인 경우 그 경향성이 유사하게 나타났으나, 조밀한 모래의 경우 실험횟수 8회까지 변화가 거의 전무하였으나, 9회부터 갑작스런 유출량의 증가로 인한 국부적 지반함몰이 관측되었다. 다른 실험과의 비교하면 조밀한 지반조건에서는 지속적인 토사 유출이 아닌 덩어리 형태로 지반이 갈라지고 일부분의 토사만 유출되는 형태를 보인다. 그림에서 보이듯, 16회 실험시 유출량은 다른 실험과는 다르게 일시 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 이러한 실험결과는 물의 유입량이 증가될 때 지반함몰 크기가 커진다는 것을 의미한다. 결론적으로 단단한 지반의 경우 상대적으로 작은 토사유출과 파괴규모를 보인다. 하지만, 이것은 지반을 구성하는 흙의 입자-입자 간의 결합력으로 인하여 지반침하에 대한 저항력이 일시적으로 증가된 것을 나타내지만, 영구적 지반안정성을 의미하는 것은 아니다. 즉, 강우와 지진 등과 같은 외부영향인자에 의한 갑작스런 유효응력의 감소(예를 들어 액상화 거동)를 초래할 수 있음을 의미한다.

Figs. 4b, 4d, 4f는 시료 포화높이와 토조 상부면을 기준으로 한 연직변위를 관측한 결과이다. 실험결과에 따르면, 토조 내 발생하는 공동 형성과 확산은 다짐도에 의존하였다. 조밀한 상태에서 공동은 느슨한 상태에 비하여 대략 600 sec 늦게 확인되었으며, 보통 다짐도에 비하여 500 sec 늦게 나타났다. 토조 상부(지표면)의 지반침하가 관측되는 시간 역시 다짐도의 함수이다. 초기 지반함몰의 발생시간은 느슨한 상태에 비해 730 sec, 보통 다짐도에 비해 660 sec 늦게 관측되었다. 조밀한 모래 지반의 누적유출률은 느슨하거나 보통인 상태의 다짐도에 비해 각각 5%와 3%씩 증가하였으며, 최종 지반함몰의 크기는 3 cm 감소 한 것을 알 수 있다. 결론적으로 다짐도가 느슨할수록 지반침하에 도달되는 시간이 빨라진다. 특히 지반이 느슨할수록 지반함몰 발생시간이 빨라지며(600∼700 sec), 지반함몰 속도는 0.1 mm/sec씩 증가하는 것으로 나타났다. 지반함몰의 크기와 폭 역시 2∼3 cm씩 증가하는 것을 알 수 있다. 느슨하거나 보통의 다짐도에서 지반침하 형태는 상부의 토사가 연직으로 내려앉는 펀치형(punching) 파괴형태를 확인할 수 있었다. 이에 반하여 조밀한 모래 지반의 경우 느슨한 모래 지반조건에 비하여 지표면의 초기 연직변위 변화, 공동의 크기와 이완영역의 확산은 상대적으로 작다. 조밀한 다짐상태에서는 완전붕괴 이전단계에서 트러프형 파괴형태를 확인할 수 있었다.

3.2 지하수위에 따른 지반함몰 특성

Fig. 5는 지하수위 변화에 따른 지반함몰 실험결과이다. 1회 1cm 높이의 지하수위를 모사하기 위한 실험은 Fig. 3a-f와 동일하다. Figs. 5(a-f)5(g-l)은 지하수위 2.5 cm/1회와 5 cm/1회에 대한 실험결과이다. 지하수위를 1회 2.5 cm 높이로 조정할 경우 실험횟수 3회(644 sec)시 연직변위는 대략 2 cm 발생하였으며, 116 sec 이후 연직변위의 증가량은 2 cm 증가하는 것으로 관측되었다. 반복적인 유입과 유출을 수행한 실험결과에 따르면, 연직변위가 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 마지막 실험인 9회(911 sec)에서 연직변위는 5 cm까지 발생하였으며, 상부의 폭은 대략 15 cm로 관측되었다.

Fig. 5

Goundwater Dependent Ground Subsidence: (a-f) GWL 2.5 cm and (g-l) 5 cm.

지하수위를 1회당 5 cm 높이로 하였을 경우 실험횟수 3회(815 sec)시 최초 지반변위가 관측되었고 이후 계속적으로 연직변위가 발생하였다. 최종 연직변위는 대략 14 cm로 관측되었다. 지반함몰 크기의 관점에서 살펴보면 지하수위를 1회당 1 cm 또는 2.5 cm를 적용한 실험방법에 비하여 지하수위 5 cm로 적용한 경우 상부 지반함몰의 폭은 현저히 작아지는 것으로 나타났다(지하수위를 1∼2.5 cm와 5 cm로 조절된 경우 최대 지반함몰 폭은 각각 15 cm와 3 cm로 관측되었다). 이와 같은 현상은 지하수위를 점진적으로 높이는 과정(시료내 물을 주입하는 과정)에서 흙시료는 지표면까지 완전 포화되고 입자-입자 간의 겉보기 점착력이 강화되어진 결과로 판단된다. 여기서 겉보기 점착력은 포화과정 동안 흡인력에 의해 발현되는 것을 말한다(Lee et al., 2010). 이로 인하여 토조 하단부 유출구의 연직방향으로 지반함몰이 발생하고, 토조 내 유출구의 연직방향측면부에서는 지반함몰 또는 파괴의 흔적이 발견되지 않았다. 결과적으로 수위변화가 작을수록(2.5 cm, Figs. 5a-5f) 트러프형(trough) 지반함몰에 가깝고, 수위변화가 클수록(5 cm, Figs. 5g-5l) 펀칭형(punching) 지반함몰로 나타났다.

Fig. 6은 토조실험시 1회당 2.5 cm와 5 cm 높이로 지하수위를 모사한 실험에 대하여 토사유출량과 누적유출률을 관측한 결과이다. Fig. 4에 보인 것처럼, 느슨한 모래 지반을 모사한 토조실험시 토사유출과 동시에 지반침하가 진행되었다. 불포화지반을 대상으로 물의 유입량을 증가시킨 경우 2회 이후에 토사유출량과 누적유출률이 큰 폭으로 증가하였으며, 이로 인하여 지반침하 관측(815 sec)과 동시에 상대적으로 큰 원통형 지반함몰(830 sec)이 발생하는 것으로 나타났다. 불포화지반에서 지하수위의 높이가 갑작스럽게 증감하거나 관로 주변부 또는 관로 파손 주변부에서 물의 유입량이 상향 또는 하향으로 증가할 경우 지반은 Fig. 5에서처럼 펀치형 붕괴위험에 노출될 가능성이 크다.

Fig. 6

Outflow Characteristics as a Function of Testing Cycle: (a-b) GWL 2.5 cm and (c-d) 5 cm.

지반함몰 모사실험의 다양한 한계점을 극복해야 한다. 본 실험장치는 영국와 일본 등에서 사용되는 실험실 규모의 모형토조 실험장치와 동일하게 제작된 것으로 과거 연구사례에 대한 충분한 학습효과와 기초 정보를 얻을 수 있었다. 하지만, 지반함몰이 발생하는 현장의 지반 조건을 그대로 재현하기 위한 스케일 효과(scale effect), 지하수 흐름 제어, 배수/비배수 조건, 압밀조건, 입자-입간 간 고결화 및 파쇄 특성 등에 대하여 많은 보완점이 필요한 것도 사실이다. 따라서 본 연구결과는 다짐도와 지하수위 변화에 따른 지반함몰의 파괴형태에 대한 실험적 결과로 제한된다. 후속 연구에서는 강우와 같은 외적 환경영향인자에 대한 실증실험이 추가되어야 할 것이다.

4. 결론

도심지 지반함몰 특성을 조사하기 위하여 지질환경영향인자 선정이 중요하다. 본 연구에서는 다짐도와 지하수위 변화를 통한 지반함몰 특성을 조사하였다. 소형으로 제작된 토조모형실험장치를 이용하여 주문진 표준사를 대상으로 물의 유입과 토사의 유출을 반복하는 방법으로 다짐도와 지하수위에 따른 지반함몰 특성을 비교분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

  • 1) 지반함몰은 지반 다짐도에 의존한다. 느슨한 모래 지반은 펀치형(punching) 지반함몰 형태를 보이고 조밀한 모래 지반은 트러프형(trough) 지반함몰 형태로 나타났다. 다짐도가 느슨한 지반의 경우 조밀한 지반에 비해 지반함몰 발생시간이 짧고 지반함몰 크기가 크다. 조밀한 경우 토조 상부(지표면)에서 지반침하의 폭은 상대적으로 작게 나타났다.

  • 2) 지반함몰은 지반 내 존재하는 지하수위 변화에 의존한다. 실험결과에 따르면, 지하수위가 증가할수록 지반함몰의 발생속도와 크기는 증가하는 것으로 나타났다. 느슨한 모래 지반의 경우, 토사 유출과 동시에 지반함몰이 발생한다. 조밀한 모래 지반의 경우, 토사와 물의 유출 횟수를 반복적으로 증가시킨 경우, 일정시간이 지나서야 지반함몰이 관측되었다. 다짐도와 관계없이 초기 지반함몰이 발생되면 토사와 물의 유출횟수가 증가함에 따라 지반함몰 진행속도가 빠르게 증가하였다. 파괴형태는 수위변화가 클수록 펀치형 지반함몰 형태를 보이고, 수위변화가 작을수록 트러프형 지반함몰 형태가 나타났다.

  • 3) 실험결과를 종합하면, 지반의 다짐도가 느슨할수록 그리고 지하수위가 높을수록 지반함몰의 진행속도와 크기가 증가하는 것으로 나타났다. 지속적인 지하수의 유동과 지반 내 물의 공급/유출은 지반함몰 위험성을 높이는 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 효과적인 도심지 지반함몰 상시감시 및 확인감시 모니터링 시스템 구축하기위하여 대상지반의 다짐(compaction)과 이완(loosening) 정보를 면밀히 조사하여야 할 것이다.

감사의 글

본 연구는 미래창조과학부 및 국가과학기술연구회의 융합연구사업의 일환으로 수행하였습니다. [융합연구단-14-2-ETRI, 사물인터넷(IoT) 기반 도시 지하매설물 모니터링 및 관리시스템 기술 개발]. 한국지질자원연구원 연구사업인 “도시 지하수 및 지질환경 실시간 예측기술 개발(16-8501)” 과제의 일환으로 수행되었습니다.

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Table 1

Geotechnical Properties of Jumunjin Sand.

Sample Grain size Soil Classification Max. dry unit weight Min. dry unit weigth Note
(mm) (USCS) (g/cm3) (g/cm3)
Sand 0.6 SP 1.681 1.428

Fig. 1

Physical Properties of Jumunjin Sand: (a) Grain Size Distribution and (b) Compaction Curve.

Table 2

Sinkhole Tank Model.

 Size (cm×cm×cm)  Key Features controlled
 Small-sized  30×5×20 1. Grain-size/Density dependancy
2. Groundwater dependancy
3. Cavity Detection and propagation

Fig. 2

Soil Tank Model: (a) Testing Setup and (b) Tank Model Diagram.

Table 3

Test Methods.

Sample (cm) Relative density (Dr) Water level (cm/case) Open valve (cm)
small-sized
15 loose (30%) 1 0.5
medium (50%) 2.5
dense (80%) 5

Fig. 3

Soil Compaction Dependent Ground Subsidence: (a-f) Loose, (g-l) Medium and (m-r) Dense Sands.

Fig. 4

Outflow Amount and Accumulated Outflow Rate as a Function of Compaction: (a-b) Loose, (c-d) Medium and (e-f) Dense Sands.

Fig. 5

Goundwater Dependent Ground Subsidence: (a-f) GWL 2.5 cm and (g-l) 5 cm.

Fig. 6

Outflow Characteristics as a Function of Testing Cycle: (a-b) GWL 2.5 cm and (c-d) 5 cm.