1. 서 론

도로 또는 철도 등의 기존 구조물 하부에 지하 연결통로를 건설하기 위해 널리 사용되고 있는 비개착공법은 함체견인공법, 강관추진공법, 엘리먼트(element) 견인･추진공법, 패널(panel) 추진공법 등으로 구분되며(한국철도시설공단, 2010), 일반적으로 횡단구간에 대해 강성이 큰 원형 강관이나 사각형 강관을 관입시켜 루프(roof)를 형성함으로써 강관 상부의 구조물 자중과 교통하중을 지지하는 개념을 이용한다. 비개착공법은 그 활용이 늘어가는 추세에 비해 개착식 터널공법(배규진과 이규필, 2001; 배규진 등, 2003)과 비교할 때 관련 연구가 상대적으로 부족한 상황이다.

엄기영 등(2001)이 현장계측을 통해 프론트잭킹 공법과 파이프루프 공법을 적용한 철도지하 횡단공사에 따른 지반거동을 분석한 결과, 강관 관입과 굴착공정에서 80% 이상의 침하가 발생하는 것으로 나타났다. 특히 공정에 따른 변위발생 결과에 따르면 강관 관입 시에 지반의 변위가 가장 크게 발생한다고 하였다. 노정민(2006)도 RPS(Roof Panel Shield)공법에 의한 지하횡단구조물의 시공을 3차원 수치해석에 의해 모사한 결과, 최종적으로 발생한 지표 변위량의 1/3이 강관루프의 형성 시에 발생한다고 하였다.

이상의 선형 연구결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비개착공법에 의한 지하 연결통로의 공사 시에 강관을 관입하는 작업은 주변 지반에 상대적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 공정이므로 상세한 분석이 필요하다.

시공 구간에 호박돌 등이 존재하여 오거(auger) 시공이 어려운 조건을 제외하고는 일반적으로 강관 관입을 위해 오거를 사용하고 있다. 역학적으로 평형을 이룬 원 지반에 대해 오거에 의해 연결통로 방향과 평행한 수평방향으로 굴착을 할 경우, 강관 관입에 의해 응력해방이 발생되어 주변 지반의 변위와 상부 지반의 침하를 야기할 수 있다. 특히, 강관 관입에 의한 이러한 주변 지반의 변형은 지반의 특성에 따라 차이가 있을 수 있다. 그러나 일반적인 터널의 굴착 시공에 따른 주변 지반의 변형과 상부 침하에 대해서는 많은 연구가 이루어지고 있는 반면, 일반적으로 저토피조건에서 이루어지고 있는 비개착공사에서 사용되고 있는 오거나 인력에 의한 직경 0.8～1.0 m의 소구경 강관의 수평 굴착에 의한 주변 지반의 영향에 대한 연구는 매우 미미하다.

따라서 본 연구에서는 비개착공법인 SFT(Simple and Face-less method of construction of Tunnel)공법(アンダーパス技術協会, 2008)에 사용되는 사각형 강관의 관입과 오거 굴착에 의한 주변 지반의 변형 특성을 실험적으로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 사각형 강관의 관입과 오거 굴착을 모사하기 위한 모형 토조를 새롭게 제작하고 활용하여 사각형 강관의 관입이 주변 모래지반에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 하였다. 특히, 오거 굴착에서 핵심이 되는 관입속도, 회전속도 등의 영향을 함께 고려하고자 하였다.

2. 사각형 강관의 관입을 모사하기 위한 모형 토조 실험장비의 제작

본 연구에서는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 파악하기 위하여, 사각형 강관의 관입을 모사하기 위한 모형 토조 실험장비를 제작하였다. 제작된 장비의 상사조건으로는 기하학적인 상사조건(1/10 축소)만을 고려하였으며, 장비는 크게 토조, 굴착장치, 계측장치 및 강사기로 구분된다.

가로 1.35 m, 세로 0.8 m, 높이 1.00 m로 제작된 토조의 외부를 그림 1과 같이 투명 아크릴과 알루미늄 프레임으로 구성하여, 토사에 의한 토조의 변형을 방지할 뿐만 아니라 실험 중에 모래지반의 거동을 관찰하기가 용이하도록 하였다.

현장에서 일반적으로 적용되는 가로 800 mm, 세로 800 mm의 사각형 강관에 대해 기하학적 상사로 모사한 가로 80 mm, 세로 80 mm, 길이 800 mm인 사각형 모형 강관을 제작하였으며, 모형 강관 내부에는 모형 지반의 굴착을 위한 오거(auger)를 설치하였다. 이때 피치(pitch)가 33 mm인 오거를 사각형 내부에서 0～85 RPM 범위의 회전속도로 굴착 회전이 가능하도록 하였다. 이와 같이 사각형 강관 모형과 오거로 구성되는 토조 전면의 굴착장치는 정확한 수평방향의 관입을 도모하기 위해 설치한 선형 가이드 베어링(linear guide bearing)의 상부에 장착되어, 0～700 mm/min의 관입속도 범위 내에서 전기모터에 의해 정밀한 굴착실험이 이루어지도록 하였다(그림 1)

사각형 강관의 관입 부분의 반대편에는 오거에 의한 굴착토의 배출을 위한 배출구를 설치하였고, 변위계(LVDT)에 의해 오거와 사각형 강관의 관입거리를 측정하였다(그림 1). 이와 같이 제작된 굴착장치의 주요 사양을 정리하면 표 1과 같다.

사각형 강관의 관입에 의한 모래지반의 변화를 계측하기 위하여, 그림 2와 같이 직경이 1.8 mm인 강선에 1축 변형률게이지(120Ω, 길이 1 mm)를 부착한 계측망을 그림 3(a)와 같이 사각형 강관의 상부와 측면으로부터 30～50 mm 간격으로 배치하였다. 이때 사각형 강관의 좌우측이 대칭인 점을 고려하여 사각형 강관의 좌측에만 변형률게이지를 집중적으로 설치하였다. 첫 번째 변형률게이지 설치면(1st layer)에 수평으로 설치된 변형률게이지의 개수는 16개이고, 수직으로 설치된 변형률게이지의 개수는 12개이다. 한 위치에 수평방향과 수직방향의 변형률게이지가 모두 설치되는 8개 측점에서는 변형률게이지가 부착된 강선들을 이격시켜 겹치지 않게 설치하였다. 이와 같이 수평으로 설치된 변형률게이지는 모래지반의 수직방향의 변형을 측정하고, 수직으로 설치된 변형률게이지는 수평 방향의 변형을 측정하게 된다. 두 번째 변형률게이지 설치면(2nd layer)에 대해서도 첫 번째 변형률게이지 설치 단면과 동일하게 변형률게이지들을 부착한 강선들을 배치하였다. 이와 같이 본 연구의 실험에 사용된 변형률게이지의 총 개수는 56개이다.

모래지반의 지표 침하나 융기를 측정하기 위해서 그림 3(b)와 같은 레이저 변위계를 2개 사용 하였다. 레이저 변위계를 사용한 이유는 LVDT 등과 같은 접촉식 변위계에 의해서는 모래지반의 지표 변형을 신뢰적으로 측정하기 어렵기 때문이다. 사용된 레이저 변위계는 측정 중심거리가 85 mm (±20 mm)이고, 분해능이 2.5 μm인 CMOS 레이저 변위 센서이다. 본 연구에서는 레이저 변위계의 거치대를 토조 내부의 토피고의 변화에 따라 상하 이동이 가능하도록 제작하였다.

균일한 모래지반을 조성하기 위한 강사기를 제작하여 활용하였으며, 강사기 하부에는 개폐가 가능한 직경이 5 mm인 배출공들을 40 mm의 간격으로 배치하였다(그림 4). 특히 각 배출공에는 외경이 배출공의 직경과 동일하고 길이가 1.1 m인 강관들을 연결하여, 토조 내부에 설치된 계측용 강선들을 훼손하지 않으면서 높은 상대밀도를 얻을 수 있도록 하였다.

3. 실험방법

3.1 사각형 강관의 관입 실험조건 설정

본 연구에서는 사각형 강관을 모래지반에 관입시킬 때, 사각형 강관의 관입속도(penetration rate, ), 사각형 강관 내부에 위치한 오거의 회전속도(revolution rate, ) 및 오거 피치(pitch, )를 고려한 무차원 관입속도(dimensionless penetration rate, )의 변화에 따른 모래지반의 거동을 사각형 강관 상부의 토피고 조건별로 파악하고자 하였다. 여기서 사용된 무차원 관입속도는 Kenny et al.(1997)이 다양한 관입 조건들을 간편하게 무차원으로 표현하기 위해 제안한 것이다.

상기 실험 변수들의 조합 조건이 매우 많고 다양할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 사전의 예비 실험을 통해 모래지반의 변형이 가장 작게 나타나는 실험조건을 도출하였다. 이때 그림 5와 같이 사각형 강관 직상부에 설치된 레이저 변위계를 통해 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변위가 가장 작게 나타나는 조건을 도출하고자 하였다.

이때 본 연구의 실험에서는 그림 1의 제어판에서 0～10까지의 스케일로 표시된 다이얼방식의 조절장치에 의해 사각형 강관의 관입속도를 설정한 후, 실제 실험 시에 변위계에 의해 측정된 관입속도를 분석에 활용하였다. 또한 오거의 회전속도는 역시 그림 1의 제어판에서 0～1800까지의 스케일로 표시된 다이얼방식의 별도 조절장치에 의해 설정되며 감속비 등을 고려하여 환산하였다.

첫 번째로 토피고가 80 mm인 조건에서 임의로 사각형 강관의 관입속도를 3.31 mm/sec로 설정한 후 오거의 회전속도를 변화시켰다. 3.31 mm/sec의 관입속도에서는 오거의 회전속도가 67 RPM까지 높아져도 강관의 전방에서 융기가 3 cm 이상 나타나는 것을 확인하였다. 이 결과는 본 연구의 모형 굴착장치를 사용할 때, 관입속도가 3.31 mm/sec 이상이 되면 회전속도에 관계없이 사각형 강관 직상부 모래표면에서 융기가 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 관입속도를 2.29 mm/sec로 낮추고 실험을 실시한 결과, 오거의 회전속도가 26 RPM일 때 침하량이 약 6 mm로서 가장 작게 나타났다. 하지만 관입속도 2.29 mm/sec에서는 사각형 강관의 전방에서 침하가 발생한 후 사각형 강관이 침하 위치에 도달하면 침하발생량과 유사한 크기의 융기가 발생하는 것으로 관찰되었다. 따라서 관입속도를 더 낮출 경우 침하량이 줄어들 것으로 예상되어 관입속도를 1.56 mm/sec로 낮추어 예비 실험을 해본 결과, 회전속도가 13.9 RPM일 때 침하량이 약 4 mm 정도 발생하여 앞선 관입속도 조건들과 비교할 때 침하량이 가장 작게 나타났으며 침하 후에 융기현상도 나타나지 않았다. 반면, 관입속도를 1.56 mm/sec보다 더 낮추었을 때는 오거의 회전에 의해 침하가 지속적으로 발생하는 문제가 발생하였다. 따라서 이상과 같은 예비실험 결과, 강관의 관입속도로는 1.56 mm/sec가 가장 적합한 것으로 판단되었다.

실제 사각형 강관의 관입에 의한 모래지반의 거동에서 사각형 강관의 관입속도는 오거의 회전속도와 연계되어 모래지반 거동에 영향을 미친다. FHWA(2007)에서는 비개착공법에서 원형 강관 또는 사각형 강관을 수평으로 관입하기 위해 사용하는 오거와 유사한 형태이지만 수직으로 굴착하는 CFA(Continuous Flight Auger)를 비점착성 지반에 관입할 경우, 오거가 피치만큼의 거리를 관입할 때 1.5～2회전하도록 하는 가이드라인을 제시하였다. 그러나 오거의 회전속도에 대해서는 공사 감독관의 판단에 따르도록 하였기 때문에 현장의 지반조건에 따라 관입속도가 다를 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 사각형 강관 상부의 모래 표면의 변형이 가장 작게 나타난 사각형 강관의 관입속도를 예비실험의 결과로부터 얻어진 1.56 mm/sec로 설정하였다.

본 연구의 실험에서는 사각형 강관의 관입속도를 1.56 mm/sec로 설정하고 오거의 피치가 33 mm인 조건에 대해, 오거 회전속도와 토피고 조건을 변화시키면서 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다 (표 2). 특히, 사각형 강관의 관입속도와 오거의 피치를 고정한 상태에서 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변화가 가장 작게 나타나는 오거의 회전속도를 도출한 다음, 이를 기준으로 오거의 회전속도를 증가 또는 감소시켜 가면서 사각형 강관 주변 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다.

3.2 계측 및 자료 획득

본 연구에서는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 파악하기 위하여, 시간에 따른 사각형 강관의 관입거리와 강선에 부착된 56개 변형률게이지들로부터 각 지점의 변형률을 동시에 측정하였다. 사각형 강관의 관입거리는 그림 1의 사각형 강관 관입거리 측정용 변위계를 사용하여 1초마다 측정하였으며, 변형률게이지는 개수가 많은 문제로 TokyoSokki사의 데이터로거 TDS-530과 스위칭박스(SSW-50D-05)를 연결하여 각 게이지별로 4초마다 측정하였다.

사각형 강관 관입속도와 오거의 회전속도는 제어판(그림 1의 우측 하단)에 의해 자동적으로 사각형 강관의 관입과 오거의 회전이 제어되도록 하였다.

3.3 모래지반의 조성

실험을 위한 모래지반은 그림 4의 강사기를 이용하여 조성하였다. Rad and Tumay(1987)는 강사기의 배출공의 직경이 커질수록 상대밀도가 낮아지며, 강사한 모래를 골고루 일정하게 뿌려주는 디퓨져-시브(diffuser-sieve)의 개구부가 작을수록 상대밀도가 높아진다고 하였다. 그러나 본 실험에서는 토조 내부에 변형률게이지가 부착된 강선들이 다수 설치되어 있어 디퓨져-시브를 사용하는 것이 불가능하였다. 임종철 등(2000)은 배출공의 직경(3, 6, 7 mm)과 강사 높이에 따른 주문진사의 밀도 변화를 연구하였고, 그 결과 강사높이가 약 80 cm 이상이 되면 일정한 밀도를 얻을 수 있는 것으로 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 임종철 등(2000)의 연구결과에 근거하여 강사 높이를 1 m 이상으로 적용하였고, 그 결과 모형 모래지반의 상대밀도를 약 85%로 일정하게 유지할 수 있었다.

강사작업은 그림 6(a)와 같이 토조 내에 사각형 강관의 일부를 밀어 넣어 강사할 때 모래가 새어나오지 않도록 한 후, 그림 4의 강사기를 사용하여 강사를 실시하였다. 강사가 진행됨에 따라 크레인에 의해 강사기의 높이를 점차적으로 올려서 강사높이를 일정하게 유지시켰으며, 그림 6(b)와 같이 토조 외벽에 표시한 강사높이까지 강사를 완료한 후에 실험을 실시하였다.

4. 실험결과

변형률게이지가 총 56개로서 개수가 많은 관계로 효과적인 분석을 위하여, 그림 7과 같이 각 변형률게이지를 식별하기 위한 개별 번호를 부여하였다.

수평방향의 변형을 측정하기 위한 변형률게이지(그림 7의 2사분면과 3사분면)의 결과에 대한 실험결과 그래프는 사각형 강관의 상부와 하부로 구분하여 작성하였고, 수직방향의 변형을 측정하기 위한 변형률게이지(그림 7의 1사분면과 4사분면)들로부터 얻어진 결과들은 하나의 그래프로 작성하였다.

4.1 무차원 관입속도 조건에 따른 사각형 강관의 관입 실험결과

Kenny et al.(1997)은 다양한 조건에 대한 CFA(Continuous Flight Auger)의 수직 굴착 실험을 실시한 결과, 무차원 관입속도 가 1일 경우에 오거에 의한 지반의 교란이 최소화될 수 있다고 보고하였다. 즉, 가 1보다 작을 경우는 오거의 피치사이의 공간에서 흙이 회전하거나 상향으로 이동하게 되어 교란이 발생되며, 반면 가 1보다 클 경우는 주변 지반이 압축되거나 관입저항이 커져서 오거 장비가 작동되지 못하게 될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 Kenny et al.(1997)의 연구결과에 근거하여 조건에 따른 사각형 강관의 관입실험을 수행하였다. 이때 Kenny et al.(1997)의 연구와 가장 큰 차이는 단순히 오거만을 관입하는 것이 아니라 오거와 사각형 강관을 같이 관입한다는 사실이다. 즉, 본 연구에 사용된 사각형 강관에는 오거가 포함되어 있기 때문에(그림 3(a) 참조), 사각형 강관의 관입은 사각형 강관의 체적에서 오거가 설치된 원형 부분의 체적을 뺀 부피만큼 주변 지반을 압축시키는 원인이 된다. 따라서 Kenny et al.(1997)의 연구결과와는 달리 본 연구의 사각형 강관의 관입 실험조건에서는 주변 지반의 교란을 최소로 할 수 있는 가 1보다 작을 것으로 판단할 수 있다.

그림 8은 앞선 표 2의 실험조건별로 사각형 강관의 관입에 의한 모래지반의 영향 범위를 보여준다. 이때 변형률게이지 측정값의 표준편차가 ±50×10-6 strain 이상일 경우를 사각형 강관의 관입에 의해 모래지반이 영향을 받은 것으로 가정하였다. 토피고가 사각형 강관의 한 변 길이인 80 mm와 동일한 경우(표 2의 Case 1～3), 가 0.15로서 가장 작은 Case 1일 때 모래지반의 영향범위가 가장 작게 나타났다. 역시 토피고가 120 mm일 경우에도 가 0.15(표 2의 Case 4)일 때 모래지반의 영향범위가 가장 작게 나타났다. 반면, 토피고가 160 mm인 경우에는 가 0.31일 때 영향범위가 작게 나타났다. 하지만 레이저 변위계를 이용하여 모래지반 표면 변화를 측정한 결과에 의하면, 대부분의 실험조건에서 가 0.2인 경우에 모래 표면의 변위가 가장 작게 나타났다(표 3). 이상의 결과로부터 사각형 강관이 모래지반에 관입할 때 강선에 부착된 변형률게이지에 의한 계측은 단순히 영향범위를 상대적으로 비교하는 목적으로만 의미가 있으며, 절대적인 지반 변형을 판단하는데 활용하기는 어려운 것으로 판단하였다.

또한 그림 8에 따르면 모래지반에서 사각형 강관의 관입은 사각형 강관 상부 지반의 수평 변형률에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 사각형 강관 관입에 따른 사각형 강관 상부의 수평 변형률을 자세히 살펴보기 위하여, 그림 9와 같이 각 실험조건별로 사각형 강관의 관입깊이에 따른 강관 상부 모래지반의 수평 변형률의 변화를 파악하고자 하였다. 이때 분석대상은 첫 번째 변형률게이지 설치면(그림 3a 참조)을 기준으로 하였다.

그림 9에서 사각형 강관 직상부의 수평 변형률(그림 7의 0～3번 게이지)과 대각선 방향의 수평 변형률(그림 7의 16～19번 게이지)을 살펴보면, 토피고가 80 mm로 낮고 오거의 회전속도가 상대적으로 느린 Case 2와 Case 3의 경우에서 사각형 강관이 첫 번째 변형률게이지 설치면 위치인 200 mm(강사 작업을 위한 사전 관입깊이 50 mm 포함)를 관입할 때 수평방향으로 인장(+) 변형률이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이후로 강관의 관입깊이가 200 mm 이상이 되어 변형률게이지에 의한 계측면을 벗어나게 되면 수평방향의 변형률은 다시 크게 감소하는 경향을 나타내었다.

반면, 토피고가 80 mm로 낮고 오거의 회전속도가 가장 빠른 Case 1의 경우와 토피고가 높고 오거의 회전속도가 13.9 RPM 이상인 Case 4～5 및 Case 7～8일 경우에는 사각형 강관 직상부에서는 수평방향으로 압축(-) 변형이 발생하는 반면, 대각선 방향으로는 인장 변형률이 발생하였다(그림 9).

이와 반대로 토피고가 120 mm 및 160 mm일 때, 오거의 회전속도가 9.1 RPM으로서 가장 작은 경우(Case 6 및 Case 9)에서는 앞선 경우와 반대인 변형률 발생경향을 나타내었다.

이상의 결과로부터, 토피고가 낮고 오거의 회전속도가 상대적으로 느릴 때는(Case 3) 사각형 강관 직상부와 대각선 방향 모두에서 인장 수평 변형률이 발생함을 확인할 수 있다. 이는 오거의 회전속도가 느리기 때문에 강관 주변의 전 방향의 모래가 모두 유입되고 오거 내부에 모래가 상대적으로 충만된 상태에서 관입이 이루어져서 주변 모래지반에 인장 변형이 발생한 것으로 판단된다.

하지만, 토피고가 크고 오거의 회전속도가 빠를 경우에는 강관 직상부에는 압축 변형이 발생하는 반면 주변 대각선 방향에서는 인장 변형이 발생하는 것으로 보아, 강관 주변의 모래들이 강관 상부측으로 이동되면서 강관 상부에서 집중적으로 오거 내부로 모래가 유입되는 것으로 판단된다.

4.2 토피고에 따른 사각형 강관의 관입 실험결과

토피고가 80 mm로서 토피고 낮은 모래지반에 사각형 강관을 관입한 결과, 사각형 강관 주변의 영향 범위는 사각형 강관으로부터 약 60 mm까지(정사각형인 사각형 강관 한 변의 길이를 W라 할 때 약 1W, 그림 3a 참조) 인 것으로 나타났다(그림 8a～그림 8c). 특히, 오거의 회전속도가 빠른 경우에는(Case 1) 사각형 강관 하부의 수평 변형률과 측면의 수직 변형률의 영향범위가 다소 감소하는 것으로 나타났다.

반면, 토피고가 증가하고 오거의 회전속도가 빠를수록 사각형 강관 관입에 의한 모래지반의 수평이동을 나타내는 수직 변형률은 그림 10과 같이 거의 발생하지 않았다. 이와 같은 결과로부터 토피고가 증가할수록 사각형 강관 주변의 지반은 사각형 강관 상부지반의 자중에 의한 모래지반의 수직이동이 지배적이라는 것을 알 수 있다.

또한 토피고가 160 mm로서 클 경우라도 사각형 강관의 관입에 의한 수평 변형률의 영향범위는 모래표면까지 해당하는 것으로 나타났다(그림 8 참조). 그러나 사각형 강관 하부의 수평 변형률은 토피고가 낮을 경우에는 그림 9의 사각형 강관 상부의 수평변형률과 같이 뚜렷한 변화양상을 보이지는 않지만 사각형 강관으로부터 60 mm까지 영향범위가 나타남을 확인할 수 있었다. 반면 토피고가 높아지고 오거의 회전속도가 빠를 경우의 사각형 강관 하부의 수평변형률은 그림 11의 관입길이 530 mm 부근의 결과와 같이 미미한 수준으로 나타났다. 즉, 토피고가 클 경우에는 상대적으로 강관 하부의 영향은 줄어드는 것으로 판단된다.

토피고에 따른 사각형 강관 주변의 영향범위를 살펴보면, 토피고가 80 mm로서 저토피고이고 오거의 회전속도가 빠르지 않은 조건에서는 사각형 강관의 관입에 따라 사각형 강관의 주변 전체에서 사각형 강관의 내부 방향으로 모래의 이동이 발생하는 것으로 판단된다. 이것은 오거에 의해 사각형 강관 전방의 모래를 사각형 강관 내부로 유입시킬 때 사각형 강관 내부에 모래가 가득 채워져 있는 상태로 모래가 유입된다는 것을 의미한다. 이에 따라 오거의 회전에 의해 주변 모래를 잡아당기는 메커니즘이 상･하･좌･우 전 방향에서 이루어짐에 따라 되어, 사각형 강관 주변 전체가 영향범위로 나타난 것으로 판단된다.

그러나 토피고가 크고 오거의 회전속도가 빠른 조건에서는, 토피고에 의한 상부 모래지반의 자중은 강관 상부 방향으로 가해져서 모래의 수평이동에 대한 구속조건으로 작용하게 되는 반면, 수직이동은 더욱 커지는 영향을 미치는 것으로 판단된다. 특히, 오거의 회전속도가 빠를 경우, 오거가 사각형 강관 전방의 모래를 강관내부로 유입시킬 때 강관 내부의 모래배출이 빠르게 이루어져서 모래가 충만한 상태가 아니라 일부 비워져 있는 상태로 되며, 상･하･좌･우 모든 방향에서 주변 모래가 유입되지 않고 주로 강관 상부로부터의 유입이 이루어져서 강관 상부의 수직방향으로 영향 범위가 집중되는 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 모형 토조실험을 실시하여 비개착 공법에 사용되는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 실험적으로 파악하고자 하였다. 이상의 연구로부터 도출된 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다.

1.모래지반에서 사각형 강관의 관입이 주변 지반에 영향을 미치는 범위는 토피고가 클수록 넓어지는 경향을 보였으나, 이는 변형량의 절대적인 크기에 상관없이 모래 표면까지 강관 관입의 영향이 미치기 때문이다. 특히, 토피고가 클수록 강관의 관입은 강관 상부의 수평 변형률에 큰 영향을 미치며, 반면 강관 하부의 수평 변형률과 측면부의 수직 변형률에 미치는 영향은 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.

2.관입속도를 1.56 mm/sec로 일정하게 고정시킨 상태에서 오거의 회전속도를 변화시킨 결과, 오거의 회전속도에 따라 사각형 강관 주변지반의 영향범위와 모래 표면의 변위가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 특히, 오거의 회전속도가 13.9 RPM보다 클 경우에는 모래 표면에서 주로 침하가 발생하고, 반대로 13.9 RPM보다 작으면 융기가 발생하는 것으로 나타났으며 이는 토피고 조건에 따라서도 다소 차이를 보였다. 따라서 강관의 관입 시공 시에 상부 지표에서 발생하는 변위를 최소화하기 위해서는 지반조건과 토피고 조건에 적합한 오거 회전속도의 선정이 중요할 수 있을 것으로 사료된다.

3.이상과 같은 모형 토조실험 결과로부터 사각형 강관 관입에 의한 지반의 거동은 강관의 무차원 관입속도와 토피고에 따라 다르게 나타남을 확인하였다. 그러나 본 연구의 실험은 모형 토조실험과 관련 계측센서의 설치와 관련된 근본적인 한계로 인해 모래지반에 대해서만 수행되었기 때문에, 강관 관입에 의한 모래지반의 거동을 분석한 결과라는 한계가 있다. 따라서 향후에는 다양한 지반조건을 모사할 수 있는 실험방법 및 실험장비의 개발과 현장 계측자료와의 비교 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.