Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. September 2019. 699-715
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2019.21.5.699


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 관거 균열에 의한 지반거동 특성 조사

  •   2.1 관거 균열읕 토한 토립자 유출 특성

  •   2.2 시간의존적 토립자 유출 특성

  •   2.3 지하수에 의한 토립자 유출 특성

  •   2.4 수치해석을 통한 지하수 영향 검토

  • 3. 실내모형실험을 이용한 토립자 유출 특성 규명

  •   3.1 개 요

  •   3.2 지하수위에 의한 토립자 유출 특성

  •   3.3 관거 형상과 균열 위치에 의한 토립자 유출 특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 도심지에서 공동 및 지반함몰 발생으로 시민안전이 위협받거나 복구로 인한 사회적 비용 소요 건수가 증가하고 있다. 지반함몰은 지표면 하부에 위치하는 공동의 상부지반이 무너지거나 기존에 존재하던 공동이 확장되어 지표면까지 도달하면 발생한다. 지중구조물 주변의 지반함몰은 주로 토사지반에서 발생한다. 국내에서 발생하는 지반함몰의 주요 원인은 터널굴착 중 발생하는 상부지반의 침하, 상하수도 관거의 손상 및 노후화에 의한 토사유출, 그리고 지하 터파기 공사 중 배면의 토사유출 등이 있다. 지반함몰과 관련한 통계자료를 보면 운영 중 구조물 주변에서 발생률이 48%를 차지하며, 이 중에서 상하수도 관거가 원인이 되어 발생된 사고가 전체 발생률의 93%에 달한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015). 관거 주변의 공동발생 및 지반침하는 상부지반이 아스팔트나 콘크리트로 구성된 경우가 많다. 또한, 공동 크기가 소규모에서 대규모로 다양하고, 그 형태도 주변 환경에 따라 다양성을 지니기 때문에 지반함몰이 발생하기 전까지는 지상에서 육안관찰이 쉽지 않다. 공동 및 지반함몰 발생은 향후 지속적인 재산과 인명의 손실을 초래할 수 있어, 그 원인을 규명하여 방지대책을 수립할 필요가 있다.

공동은 지중에 위치하는 구조물의 균열로 인한 토립자의 이동으로 주변 지반이 느슨해지거나 공극의 크기가 커짐에 따라 발생하며, 지하구조물 균열로 야기된 공동이 지반붕괴로 발전할 수 있다는 연구결과도 다수 발표되었다(Tharp, 1999; Davies et al., 2001a, Davies et al., 2001b; Law and Moore, 2007; Dirksen et al., 2012). 지중구조물 균열에 따른 지반함몰은 주로 실험적 방법을 통해 조사되었으며, 그 형상은 지반-지하수 상호작용에 따라 달라진다고 보고된 바 있다(Mukunoki et al., 2009; Kuwano et al., 2010a, Kuwano et al., 2010b). 대표적인 지중구조물인 관거의 경우 천단부에 균열이 발생하면 주변 토립자의 유출로 인해 공동이 지표면까지 확장될 수 있음을 확인한 연구사례도 있다(Guo et al., 2013a, Guo et al., 2013b; Sato and Kuwano, 2015; Guo et al., 2017). Shin et al. (2014)은 우수관거의 이음부 균열 발생 시 수압의 영향으로 주변 지반에 대규모 세굴이 야기될 수 있음을 보고하였으며, Kim et al. (2017)은 쉴드(shield) 터널 굴착공사 중 장비 운영과 굴착량의 상관관계로부터 굴착방향 기준으로 막장압 조절 실패는 대규모 토사유출을 초래할 수 있음을 보고한 바 있다. 또한, 충적층과 같은 연약지반에 기계식 터널 굴착공사 시, 굴착작업 중단에 따른 상부의 지반함몰 가능성도 보고된 바 있다(Choi et al., 2016). 지반함몰을 조사하기 위해 관거에 균열을 발생시켜 토립자의 유출 실험이 수행된 바 있으나(Sato and Kuwano, 2015; Kim et al., 2018), 입자 유출에 대한 상세검토보다는 균열을 통해 지하수와 토립자의 유출이 발생할 수 있음을 재현하는 연구가 수행되었다. 기존 연구들은 공통적으로 지중구조물 균열로 토립자가 유실되면서 공동이 확장될 수 있음을 지적하고 있다. 하지만, 지중구조물 균열을 통한 토립자의 이동, 유출 및 공동발생 메커니즘에 대한 조사는 충분하지 못하였다.

본 연구에서는 지중구조물 주변의 공동 및 지반함몰 발생 특성을 조사하고자 하였으며, 특히 토립자 유출 거동의 주요 인자인 지하수 영향을 중점적으로 검토하였다. 이를 위해 관거 균열을 통한 토립자 유출 영향인자를 조사하였고, 수리해석과 수리적 특성을 고려한 실내모형실험을 통해 토사유출 메커니즘을 규명하고자 하였다.

2. 관거 균열에 의한 지반거동 특성 조사

도심지에서 발생하는 지반함몰은 하수관거 주변에 집중되어 있으며, 이는 노후된 하수관에서 발견되는 균열이 지하수 및 토립자의 유출 경로가 되기 때문이다(Davies et al., 2001a). Davies et al., 2001a는 노후된 하수관거의 균열이 도로에서 발생하는 지반함몰의 주원인이라 하였고, Dirksen et al. (2012)는 관거의 균열로 인해 발생하는 지반침하의 상세조사를 통해 주요요인이 노후된 하수관거임을 확인하였다. 지중구조물에 균열이 발생하면 구조적 안정성은 저하될 수 있으나, 평형상태가 유지되어 토립자와 지하수 유출이 발생하지 않으면 지반은 안정한 상태이다. 하지만, 시간 경과에 따라 균열의 수가 증가하고 크기가 커질 수 있다. 균열 크기가 커져 토립자의 유출이 지속적으로 발생하면, 주변 지반에 공동이 발생할 수 있다. Jones (1984)는 관거의 붕괴 과정을 1단계 초기결함, 2단계 손상단계, 3단계 붕괴단계로 구분하였고, 2단계의 손상단계에서 토립자 유출이 일어난다고 하였다. 관거 균열을 통한 토립자 유출은 공동발생의 원인이며, 주변 지반의 밀도를 감소시킨다고 보고된 바 있다(WRc, 2001). Law and Moore (2007)은 지중응력으로 인해 관거 균열이 발생하고 하중이 지속될 경우 관거의 붕괴로 이어질 수 있다고 하였으며, 이를 수치해석방법을 이용하여 규명하였다.

관거 균열을 통한 토립자의 유출이 발생하기 위해서는 근본적으로 그 크기가 토립자 이동이 가능하여야 한다. 균열이 발생하였다고 가정하면, 토립자 유출은 입자 이동에 제약이 없거나, 지하수 흐름으로 인한 입자의 이동이 가능하여야 한다. 관거 균열을 통해 주변 토립자가 내부로 이동하는 경우와 반대로 관거에 작용하는 수압이 높아 균열을 통해 관거수가 주변 지반으로 유입되는 경우도 있다. 관거 균열을 이동통로로 하여 지반으로 침투된 물은 토립자의 결속력을 저하시켜, 균열을 통한 토립자의 유출을 야기할 수 있다. 또한, 지표면 상부의 차량 이동 등으로 인한 외부하중도 지반함몰을 유발할 수 있다. 지반 내 매설된 지중구조물의 균열을 통한 토립자 유실과 공동발생은 지하수와 구조물의 형태에 따라 그 영향인자가 다양하기 때문에 이에 대한 충분한 고려가 필요하다. 공동 발생 및 지반함몰의 영향인자는 크게 관거, 지반, 지하수, 관거 수압 및 외부하중으로 구분 가능하다(Fig. 1). 관거의 경우 균열 크기, 위치, 방향 및 형상 등, 지반의 경우 입도분포, 점착력, 입자형상 및 투수계수 등이 관계가 있다.

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Fig. 1.

Influencing factors of soil particle discharge and cavity generation

관거 균열을 통한 토립자 이동 및 공동발생 영향인자에 대하여 기본적인 거동특성을 조사하기 위해 토립자 이동에 대한 수리해석 및 모형해석을 수행하였다. 이를 토대로 공동형성 및 지반함몰 메커니즘을 제안하고자 하였다.

2.1 관거 균열읕 토한 토립자 유출 특성

하상재료와 같이 물의 흐름 영향을 받을 때 토립자의 이동을 일으키는 동수역학적인 힘은 소류력으로 나타내어진다(Shields, 1936; Yang, 1996). 이는 하상재료의 항력과 마찰력의 관계로 표현되며, 하상재료의 수중단위중량과 입경이 비례하는 것으로 알려져 있다(White, 1940). 지중에 위치한 토립자의 이동은 토립자 상부가 구속되지 않은 흐름인 소류력과 비교할 수 있다. 대표적인 지중 토립자 이동으로 파이핑을 예로 들 수 있다. 파이핑은 주로 댐과 제방에서 발생하고, 유로가 짧아지면서 토립자가 세굴되는 침투현상을 의미한다. 많은 경우의 파이핑은 구조물과 지반의 경계면에서 발생하는 것으로 보고되고 있다(Mukunoki et al., 2010; Karmaker and Dutta, 2013). 구조물-지반 경계면의 마찰거동은 침투력에 영향을 준다고 보고된 바 있으며(Mitchell and Soga, 2005), 구조물-지반의 경계면 영향은 투수시험과 실내모형실험을 통해 조사되었다(Kim et al., 2019). 경계면에서의 간극은 지하수의 침투력을 증가시킬 수 있다고 보고된 바를 참고하면, 대표적인 지중구조물인 관거의 경우 균열 위치에 따라 경계면의 침투력을 고려할 수 있다.

지하수 영향으로 인한 침투력은 토립자의 분리와 이동을 유발하게 되며, 이때 침투력과 입자 전단응력(ι)의 상대적인 크기에 따라 토립자의 거동이 달라진다. 관거의 균열을 통한 토립자의 유출이 발생할 때는 입자의 비중이 클수록 하중(W)이 증가하여 오히려 안정성을 저하시키는 영향을 고려해야 한다. 일반적인 파이핑의 경우에는 수두차에 의해 발생되는 침투력이 중력과 반대 방향이나 균열을 통한 토립자의 유출은 침투력이 중력 방향이기 때문에 토립자의 비중은 음의 효과를 발휘하게 된다. 지하수에 의한 침투력과 토립자 거동특성은 Fig. 2와 같이 나타낼 수 있다.

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Fig. 2.

Shear resistance of soil particles against penetration

2.2 시간의존적 토립자 유출 특성

관거의 주변 지반은 지하수위에 따라 포화상태이거나 불포화 상태에 놓이게 된다. 우기 시와 같이 지하수위가 상승하는 계절적 특성이 반영되면 지하수의 흐름이 발생하고, 이는 토립자의 이동을 야기시킨다. 관거의 균열이 존재할 때 상부에 지하수위가 위치하면 균열을 통한 토립자의 유출이 발생하게 되며, 이는 공동의 원인이 된다. 반대로 지하수위가 관거 하부에 위치하면 지하수에 의한 토립자의 유출은 발생하지 않으며, 입자간 점착력에 의한 전단저항으로 공동형상이 유지될 것이다. 하지만 외부요인이나 계절적 변화로 인해 지하수위가 관거 상부로 상승하면, 균열을 통한 토립자의 유출이 발생된다. 이러한 영향이 장기간 동안 지속되면 공동은 점차 확대되고, 결국 지표면까지 도달하며 지반함몰이 발생하게 된다. 토립자 유출과 공동 발생 과정은 Fig. 3과 같이 표현가능하다.

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Fig. 3.

Soil particles discharge and process of cavity generation

2.3 지하수에 의한 토립자 유출 특성

관거의 균열 발생 전에는 힘의 평형상태를 유지하며 지중 내 토립자가 정지상태에 있으나, 균열 발생 후에는 지하수에 의한 침투력 영향으로 토립자의 이동이 발생한다. 침투력에 저항하는 힘은 토립자의 전단응력(ι)이 유일하며 균열을 통한 토립자의 유출 시에는 침투력과 자중(W)의 합과 비교하여 상대적인 크기에 따라 토립자 이동이 결정된다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Characteristics of soil particles due to cracking in saturated soil

Fig. 4에 보인 바와 같이 침투력은 동수경사와 물의 단위중량의 함수이므로, 지반에서의 지하수위는 토립자 거동을 결정하는 주요 영향인자임을 의미한다. 지하수에 의한 침투력의 영향을 수치해석과 모형실험을 통해 조사하였다.

2.4 수치해석을 통한 지하수 영향 검토

수치해석을 이용하여 관거의 천단부에 균열이 발생하였을 때 지하수 유출거동을 조사하였다. 본 연구에서는 침투 거동분석에 그 목적을 두었기에 정상류 해석을 실시하였다. 수치해석 모델은 가로 600 mm, 세로 452 mm, 종방향 길이 200 mm로 설정하였다. 해석 모델 내부에 직경 126 mm의 원형관거를 모사하였고, 토피고는 1.5 D, 관거 천단부에 위치한 균열의 크기는 4×4 mm로 하였다. 2D와 3D 단면에 대하여 수행하였으며, 2D해석은 4절점 요소, 3D해석을 8절점 요소로 모델링하였다. 지하수 거동의 정해를 구하기 위해 각 요소의 크기는 1 mm로 설정하였다. Fig. 5(a)에 보인 바와 같이 수리경계조건은 지반모델의 외부 절점에 지하수위를 고려한 전수두 상태, 관거는 유입량(Q) 0 상태, 관거 균열은 지하수 유입통로로 간극수압(P) 0 상태로 설정하였다. 지하수위 영향 조사를 위하여 지하수위는 0.1 D 간격으로 변화를 주었으며, 그 크기는 0.1~1.5 D 범위로 하였다.

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Fig. 5.

Numerical analysis model and results

수치해석결과 지하수위가 증가함에 따라 관거 균열지점에서의 동수경사가 증가함을 나타내었다(Fig. 5(b)). 3D모델의 동수경사가 2D모델에 비하여 약 1.82배 크게 조사되었는데, 이는 균열이 2D 모델은 4 mm × 1 m (단위길이), 3D 모델은 4 mm × 4 mm로 모사되어, 지하수에 의한 동수경사가 균열과 인접한 요소에서 크게 나타났기 때문이다. 지하수위가 높을수록 동수경사가 크게 나타난 것은 그만큼 침투력이 큰 값을 가지는 것으로서, 이로 인한 토립자 유출영향 조사가 필요하다.

3. 실내모형실험을 이용한 토립자 유출 특성 규명

3.1 개 요

지하수가 토립자 유출의 주요 영향인자임을 앞의 2절에서 확인하였다. 하지만 토립자 유출에 기여하는 지하수에 대한 물리적 영향조사는 미흡하여 실내모형실험장치를 이용한 모형실험을 수행하였다(Fig. 6). 관거는 일반적으로 심도 1 m 이상에 매설되기 때문에 본 실험에서는 심도 1.2 m를 고려하였다. 실내모형실험에 사용된 상사율은 Table 1과 같다.

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Fig. 6.

Model test equipment to investigate the discharge characteristics of soil particle through pipe cracks

Table 1. Specification of model test equipment according to similarity

Prototype Similarity Model test length
Pipe (800 mm) 6.35 126 mm
Cover depth 189 mm

실내모형실험은 아크릴로 제작한 가로 600 mm, 세로 600 mm, 종방향 길이 200 mm인 토조를 사용하였고, 내부에 강관으로 제작한 외경 126 mm의 원형관거를 위치시켰다. 토립자 유출의 위험도는 균열크기 0~2 mm (small defects), 2~5 mm (medium defects), 5~10 mm (large defects), 10 mm 이상(severe defects)으로 구분된다고 보고된 바 있다(WRc, 2001). 또한, 관거는 길이방향으로 균열이 천단부, 측벽부 및 인버트에서 주로 발생한다고 알려져 있다(WSA/FWR, 1993). 국내의 하수도 시설기준에서는 관거의 구조적 결함기능을 균열 2 mm로 평가하는게 일반적이다(KWWA, 2011), 이를 고려하여 관거 균열의 크기를 4 mm를 기본으로 고려하였다. 본 연구에서는 토립자의 유출 거동조사를 위해 육안관찰 및 영상 촬영이 가능하도록 아크릴 토조 전면과 인접하게 관거 균열을 모사하였다(Fig. 6(b)).

지반재료는 주문진 표준사를 사용하였으며, γd는 15.02 kN/m3, e0는 0.75, Cu는 1.53, d50은 0.53, d70은 0.58이다. 지반은 물다짐 방법을 사용하여 상대밀도 80±5%를 목표로 조성하였고, 각 실험에 사용되는 지반재료는 동일한 무게를 사용하였다. 초기 지하수위를 목표한 위치에 유지시킨 후 관거 균열을 개방하여 토립자와 지하수를 유출시켰다. 모형실험은 관거 균열 발생 시 주변 지반의 토립자 유출에 의한 거동분석에 중점을 두었다. 지하수위, 관거 형상, 균열 위치 등에 대한 영향을 조사하였으며, 실험 case는 Table 2와 같다.

Table 2. Model test cases

Classification Influence factor Groundwater level (D) Pipe shape Crack location Cover depth (D)
Case 1 Groundwater level 0.1~1.5 Circular Crown 1.5
Case 2 Pipe shape 1.0 Circular Rectangular Crown 1.5
Crack location 1.0 Circular Rectangular Crown Side wall 1.5

D: Pipe diameter (126 mm)

3.2 지하수위에 의한 토립자 유출 특성

기존 연구자들(Guo et al., 2013b; Tang et al., 2017)의 실험은 지표면 위에 지하수위가 위치하는 실험을 주로 수행하였다. 이는 지하수로 인한 수압으로 토립자 유출이 발생하는 효과를 고려한 것이다. 기존의 실험결과와 비교 및 실험장비의 적정성을 검증하기 위해 토피고 1.5 D, 지하수위 2.0 D 조건에 대하여 실험을 선행하였다. 실험결과 지하수위가 지표면보다 높은 조건에서는 기존 실험과 동일한 결과를 나타내었다. 관거 균열 생성 후 토립자 유출에 의한 시간 경과에 따른 지반함몰 형상은 해당 시간과 점선으로 표현하였다. 초기 토립자 유출과정부터 역삼각형의 형태를 유지하면서 그 영향 범위가 커짐에 따라 지반함몰이 발생하였다(Fig. 7). 이로부터 지하수에 의한 하중과 지반입자의 전단응력의 힘의 평형상태가 지하수에 의한 침투력으로 그 균형이 무너짐을 알 수 있다.

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Fig. 7.

Soil particle discharge process under ground water level 2.0 D

관거의 상부 지하수위 영향조사를 위하여 모형실험을 수행하였다. 2.4절의 수치해석결과와 비교하기 위해, 실험조건은 토피고 1.5 D, 지하수위를 0.1 D 간격으로 0.1~1.5 D로 설정하였다. 천단부에 위치한 균열을 개방함과 동시에 토사와 지하수가 유출되면서 상부지반의 거동이 활발하게 일어났다. 균열 발생 직후에는 균열 위에 위치하던 토립자의 유출이 집중적으로 발생하였고, 점차 토사유실 범위가 상부로 확대되었다. 대표적으로 지하수위 1.0 D 조건의 실험결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(b)와 같이 균열 발생 후 35초가 경과되었을 때 지표침하가 발생하였고, 185초 경과 시까지는 관거 상부지반의 토립자가 수직으로 유실되면서 공동이 발생하였다(Fig. 8(c)). 185초 경과 시 공동 내부에서 지하수위가 정체되면서 공동의 하부폭이 증가하여 최종 공동의 하부폭은 145 mm로 조사되었다(Fig. 8(d)).

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Fig. 8.

The process of cavity generation by cracks in the crown of circular pipe

지하수위 0.5 D, 1.0 D, 1.5 D에 대한 최종 실험결과는 Fig. 9와 같다. 지하수위가 0.5 D일 때는 지표면 하부에 공동이 발생하였고, 공동 상부에 균열이 관찰되어 상부지반이 이완됨을 알 수 있다. 지하수위 1.0 D와 1.5 D일 때는 지표면까지 공동이 확장하였다. 지하수위가 0.5 D와 1.0 D일 때는 공동의 하부에서 폭이 100~145 mm로 나타났다. 이에 반해, 지하수위가 1.5 D인 경우에는 공동 폭이 최대 171 mm로 조사되었는데, 지하수위가 공동 내부에 위치하면서 토립자의 유출을 야기하여 공동이 확장되었기 때문이다.

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Fig. 9.

The process of cavity generation according to initial groundwater level

실험결과 지하수위가 높을수록 1분당 유출량과 최종 유출량이 증가함을 보였으며(Fig. 10(a)), 이로부터 지하수로 인한 침투력이 토립자 유출의 주요 영향인자임을 확인할 수 있다. Fig. 10(b)는 2.4절의 수치해석결과(Fig. 5(b))에 지하수위 조건별 실내모형실험결과를 추가하여 나타낸 것이다. 토립자 유출량은 시간에 따라 유출된 토립자를 건조시켜 무게를 측정한 결과이다. 지하수위 0.1 D일 때 토립자 유출량은 173.4 g, 1.5 D일 때 2,967.6 g으로 조사되었다. 수치해석결과와 모형실험결과로부터, 지하수위가 높을수록 동수경사가 커지고, 이에 따라 토립자 유출량이 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과는 관거의 균열이 지하수와 토립자의 이동경로가 되어 침투력에 의한 수리적 거동을 유발하여 지반거동에 영향을 미침을 나타낸다.

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Fig. 10.

Comparison of numerical analysis and model experiment result

3.3 관거 형상과 균열 위치에 의한 토립자 유출 특성

관거 형상과 균열 위치에 따른 공동발생 영향을 조사하기 위해 원형, 사각형 관거에 대하여 천단부, 측벽부에 균열 발생을 설정하여 실험하였다. 실험조건은 토피고 1.5 D, 지하수위 1.0 D로 동일하게 적용하였으며, 실험은 관거에 균열을 발생시켜 토립자와 지하수의 유출을 조사하였다. 시간이 경과됨에 따라 지하수 유출로 인해 지하수위는 점차 하강하였으며, 토립자와 지하수의 유출이 관찰되지 않을 때까지 실험을 지속하였다. 관거 형상 영향조사 결과, 원형과 사각형 관거에서 천단부 균열을 통한 토립자 유출과정은 유사한 것으로 조사되었다. 균열 상부에 위치한 토립자가 유출되면서 공동이 생성되고, 그 영향 범위가 지표면까지 도달하였다. 동일한 실험조건에서의 토립자와 지하수 유출과정을 Fig. 11에 나타내었다.

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Fig. 11.

The process of cavity generation according to crack in pipe crown

관거 상부 균열에 따른 토립자 유출과정을 입자영상유속계(PIV, particle image velocity)를 이용하여 조사하였다. PIV의 원리는 영상자료에 표현되는 입자의 이동을 분석하여 평면상에서 속도를 나타내는 측정 방법이다. 영상처리기법으로 나타낸 2개 이상의 이미지 자료를 이용하여 입자의 변위를 측정하고, 이미지에서 나타난 차이를 이용하여 변위와 방향을 결정한다. 각각의 변위와 시간의 관계로부터 속도를 측정하는 원리를 가지고 있다. 원형관거의 영상촬영결과를 대상으로 PIV를 이용하였고, 관거를 중심으로 20 pixel (7 mm; 1 pixel: 0.35 mm) 간격으로 격자를 형성하여 0.1 sec 단위로 이미지를 분석하였다. 균열 상부에서 토립자 유출이 집중적으로 발생하였으며, 하부에 위치한 토립자가 유출됨에 따라 그 영향 범위가 상부까지 도달하였다(Fig. 12). 토립자 유출이 지속됨에 따라 지반함몰이 발생하였고, 그 크기가 점차 확대됨을 알 수 있다.

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Fig. 12.

The result of PIV

관거 균열위치 영향조사 결과, 원형관거와 사각형관거 측벽부 균열 발생과 동시에 토립자 유출이 발생하였고, 두 관거의 유출거동은 유사하게 나타났다. 균열 주변에 위치한 토립자가 유출됨에 따라 유출범위가 상부로 확대되어 지표면까지 도달하면서 공동이 발생하였다. 대표적인 실험결과를 Fig. 13에 나타내었다. Fig. 13(c), 13(d)에 보인 바와 같이, 공동 내부에 지하수위가 관측된 이후에는 지하수위의 정체가 발생하면서 공동의 폭이 확장되는 결과를 보였다.

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Fig. 13.

The process of cavity generation according to crack in pipe side wall

관거형상과 균열위치 실험결과를 요약하면, 천단부 균열발생 조건에서의 최종 공동의 크기는 원형과 사각형 관거에서 145 mm로 동일하게 나타났다. 최종 공동의 크기는 동일하나, 원형관거에 비해 사각형 관거에서 균열과 맞닿아 있는 공동 하단부가 타원형으로 나타나, 사각형 관거의 경우 윗변에서 경계면 흐름으로 인한 토립자 유출 영향이 미쳤음을 나타낸다. 이에 반해, 측벽부 균열발생 조건에서는 공동의 폭이 원형관거에서 176 mm, 사각형 관거에서 130 mm로 원형관거가 30% 크게 조사되었다. 이는 실험 중 공동의 측면 지반의 추가적인 붕괴가 발생하였기 때문이다. 또한, 측벽부 균열 시에 원형관거에서는 공동이 관거 천단에서 측벽까지 형성되었으나, 사각형관거는 윗변의 약 1/4까지만 공동이 형성되었다(Fig. 14). 이는 원형관거의 경우 곡선 형상으로 되어 있어 경계면에서 토립자의 유출이 원활하게 발생하였기 때문이다.

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Fig. 14.

Cavity generation according to location of crack

초기 1분간 토립자의 유출량은 사각형관거 측벽부 균열 시 가장 작고, 원형관거 측벽부 균열 시 가장 크게 나타났다. 최종 유출량은 원형관거 측벽부에서 4,025.2 g으로 가장 큰 것으로 조사되었다(Fig. 15). 이로부터 사각형 관거에 비해 원형관거의 토립자 유출이 용이함을 알 수 있다.

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Fig. 15.

Discharge by pipe shape and crack location

4. 결 론

본 연구에서는 관거 균열 발생 시 지반-지하수 상호작용에 의한 공동발생 및 지반함몰 영향을 조사하였다. 이를 위해 지하수의 침투력으로 인한 토립자 거동을 이론적으로 나타낸 후, 수치해석과 모형실험을 통해 검증하고자 하였다. 대표적인 연구결과는 다음과 같다.

1. 수리해석결과로부터 지하수위가 높아짐에 따라 관거의 균열발생 주변 지반에서 동수경사가 커짐을 확인하였고, 실내모형실험을 통해 동수경사의 증가는 토립자의 유출량 증가에 직접적인 영향을 미침을 확인하였다. 이로부터 지하수위가 관거 상부에 위치하는 경우, 특히 동수경사 크기가 토립자 유출거동을 지배함을 알 수 있다.

2. 영상분석을 통해 균열 발생초기에는 균열과 인접한 구간의 토립자가 유출되며, 유출이 지속됨에 따라 그 영향 범위가 지표면까지 도달함을 확인하였다.

3. 관거 형상 영향조사 결과, 사각형 관거에 비해 원형관거에 공동의 하부가 좁게 나타났다. 이는 균열을 기준면으로 원형관거는 토립자가 직접 노출되나. 사각형 관거는 구조물 윗변이 노출되어 지반-구조물 경계에서 지하수 흐름으로 인한 토립자 유출이 발생하였다.

4. 관거 균열위치 영향조사 결과, 균열이 천단부에 비해 측벽부에 위치할 때 관거로 유출되는 지하수와 토립자가 증가되었으며, 이는 상대적으로 관거 균열이 측벽부에 발생하면 토립자의 유출로 인해 주변 지반의 이완과 공동발생 및 지반함몰에 취약함을 나타낸다.

본 연구를 통해 지중에서 발생하는 토립자의 이동, 공동발생 및 지반함몰의 거동은 근본적으로 지하수의 이동에 의해 발생되는 것임을 확인하였다. 유출거동의 규모는 지하수위, 관거형상, 균열위치에 따라 그 결과가 달라짐을 정량적으로 확인하였다. 공동발생 및 지반함몰은 조사된 영향인자 외에도 다양한 요인들이 복합적으로 작용하여 나타날 수 있다. 따라서 실제 공동발생 사례를 토대로 다양한 영향인자에 대한 분석이 후속연구에서 필요하다.

그뿐만 아니라 공동 발생의 방지 및 복구에 대한 방안도 필요하다. 본 논문에서 공동 발생의 원인을 파악하였으며, 이에 대한 방지 및 복구방안으로는 그라우팅 공법이 주로 사용된다. 하지만 기존의 그라우팅 공법은 환경적․역학적 한계를 가지고 있다. 이를 극복한 친환경․성능보강 재료개발의 필요하며, 이에 관한 후속연구도 추가적으로 수행되어야 할 것이다.

Acknowledgements

이 성과는 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2019R1A2C1003488).

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