1. 서 론
2. 해석모델의 구축
2.1 미시물성치의 결정
2.2 지하공동에 의한 지표침하특성 분석 모델
3. 해석 결과 분석
3.1 지반조건에 따른 지표침하 특성 분석
3.2 지하 공동의 심도에 따른 지표특성 분석
3.3 지하공동의 직경에 따른 지표침하특성 분석
3.4 해석결과 종합 분석
4. 결 론
1. 서 론
지표침하는 지반의 압밀침하, 지하수의 영향 및 지하공동 등 원인이 다양하여 사고 이전에 예측하기가 어렵고, 갑작스럽게 발생하기 때문에 그 피해도 크다. 이 중 지하공동은 터널과 같은 지하구조물의 시공 및 운영과정 중에 영향을 받아 안전에 큰 영향을 미친다. 지표침하는 그 원인이 매우 다양하여 명확히 규명하기가 어려울 뿐만 아니라 예측이 어렵기 때문에 대비하기가 어렵고, 일단 발생하게 되면 그 피해규모도 크다. 특히 터널과 같은 지하구조물의 건설 시 구조물에 인접한 지하공동은 시공과정 뿐만 아니라 완공 후 운영 중에도 지반 및 구조물의 안정성에 큰 영향을 미친다.
지하공동이 지반거동에 미치는 영향에 대한 많은 연구들이 수행되었다. Brady and Brown (1985)는 풍화지반, 연약지반 또는 기존에 지하공동이 존재하는 지반에서 함몰형 붕괴를 발생시키는 점진적인 파괴메커니즘을 규명하였다. 불안정한 지반에서 지하공동의 상부에 자체적인 지지력을 발현하는 아치형 구조가 형성되지 못하면 붕괴가 점진적으로 지표를 향해 발전한다. 지하공동은 석회암지반이 지하수에 용해되어 발생되는 석회암공동과 높은 지하수위의 토사지반에서 과도한 지하수유출에 의해 형성 될 수 있다(Kim et al., 2003; Kim and Umm, 2013). Kim and Umm (2013)은 지하수유출에 의해 액상화 된 토사가 유출되고 이로 인해 공동으로 확장되는 사례를 보고하였다. 따라서 이러한 지하공동의 유무를 조사하기 위하여 터널굴착 시 전방지반의 탐사를 수행하는 것을 제안하였다.
지하공동에 의한 지표침하는 공동의 천정부에서 시작된 붕괴가 지표면에 도달하면서 발생한다. 붕괴의 발달과정은 지반조건, 공동의 형태, 지반의 이상대 등과 관계가 있다(Suchowerska et al., 2012). 그러므로 위와 같은 지하공동의 특성들이 지반침하에 미치는 영향과 상호관계에 대해서 체계적으로 분석하여 위험의 정도를 분석할 수 있는 체계가 필요하다.
지하공동과 지표침하에 대한 연구는 그 방법에 따라 경험적 데이터를 활용하거나, 해석적 방법을 통한 계산 그리고 수치해석모델을 사용한 시뮬레이션 기법으로 분류할 수 있다(Suchowerska et al., 2012). 이들 중 수치해석기법은 컴퓨터의 비약적인 발전과 증대된 접근성 덕분에 쉽게 방대한 자료의 처리가 가능해지면서 복잡한 구조체의 해석이 보다 용이해졌고, 이는 비선형 거동을 보이는 지반의 해석에도 많은 영향을 미쳤다. 수치해석기법은 유한요소법, 유한차분법 등과 같이 지반을 연속체로 해석하는 방법과 개별요소법처럼 불연속체로 해석하는 방법으로 구분할 수 있다. 해석을 위한 기본 이론과 해석 대상이 되는 지반조건이 각기 다르기 때문에 목적에 맞는 신중한 선택을 통한 해석이 필요하다(Lee, 2013). 연속체 해석의 경우 해석에 필요한 지반물성치를 실내 또는 현장시험을 통해 비교적 손쉽게 획득할 수 있기 때문에 일반적으로 널리 사용되고 있다. 하지만 실제 지반은 절리 및 지하공동과 같은 불연속적 특성을 내포하고 있다. 강도가 큰 암반의 경우 무결한 상태에서 암반이 갖는 물성치보다 절리 및 공동이 지반의 거동을 좌우하며, 토사지반에서 국부적으로 발생한 지하공동에 의해 지반이 함몰되어 지표면에서 싱크홀이 발생한 사례도 있다(Song and Yoon, 2016). 그러므로 지반에서 지하공동 주변부의 파괴양상 및 국부적인 파괴를 수치해석적으로 효과적으로 분석하기 위해 불연속체의 거동 특성을 고려 할 수 있는 개별요소법이 보다 적절하다.
본 연구에서는 구형지하공동의 발달로 인한 특성을 분석하기 위하여 개별요소해석 프로그램인 PFC 5.0 (Itasca, 2015)을 적용하였다. 연속체해석 모델과 달리 입자들로 구성된 PFC 5.0은 지하공동 주변부에서 발생하는 지반의 파괴거동과 지표침하를 효과적으로 분석할 수 있기 때문이다. 본 연구에서 지반물성치, 구형공동의 크기 및 심도 3가지의 특성인자가 지하공동에 의한 지표침하에 미치는 영향을 분석하고자 수치해석을 수행하였다. 본 연구는 구형지하공동과 지반조건에 따른 지반침하특성 분석을 통해 지하공동의 안정성을 평가하고 지하공동의 보강유무를 결정하기 위한 근간을 제시하고자 한다.
2. 해석모델의 구축
2.1 미시물성치의 결정
수치해석을 통해 지반의 거동을 분석하기 위해서는 해석대상모델의 경계조건 및 지반의 물성치 등을 결정하여야 한다. 특히, 지반의 물성치는 해석 대상인 지반 고유의 특성을 결정짓는 주요한 입력값이다. 기존의 연속체 해석의 경우 실제 실험을 통해 획득한 결과값을 직접 수치해석 모델에 입력하기 때문에 해석절차가 비교적 간편하다(Lim et al., 2001; Song and Cho, 2006). Lim et al. (2001)은 시추코어를 사용한 실험값을 유한차분법에 의한 사면안정성 해석에 사용하였고, Song and Cho (2006)은 설계 지반 인자의 공간적 분포가 터널 변위 특성에 미치는 효과를 분석하기 위하여 유한차분해석 프로그램에 실제 터널의 시공을 위한 지반 조사 자료를 입력헀다. 하지만, 개별요소법에서 모델을 구성하는 입자와 입자들 간의 결합 특성을 부여하는 미시물성치는 입자와 입자간 결합의 물리적 거동특성을 정의하고, 모델의 거시적인 특성을 좌우하는 입자들 간의 상호작용을 결정한다. 기존의 연구들에 의하여 입자 및 입자간 결합의 미시물성치와 탄성계수, 포아송비와 같은 모델의 지반물성(macro-parameters)과의 관계를 정립하기 위한 방법을 제안했다(Tanaka et al., 2000; Yoon, 2007). Tanaka et al. (2000)는 bar penetration test와 DEM 해석 값을 비교하여 그 관계를 분석하였고, Yoon (2007)은 Plackett-Burman설계를 사용하여 미시물성치의 민감한 정도에 대해 연구하였다. 하지만, 아직까지 그 관계를 명확하게 제시한 방법은 없는 실정이다. 본 연구에서는 지하공동에 의한 지표침하 모델 생성에 앞서 지반조건 별 미시물성치를 결정하기 위해 일축압축시험모델을 PFC로 구성했으며, 목표하는 지반의 탄성계수와 일축압축강도를 만족하는 미시물성치를 획득하였다. 미시물성치의 결정을 위한 일축압축시험 모델은 Fig. 1와 같다. 직경 5 cm, 높이 10 cm의 NX사이즈 원기둥 시편 형태를 입자결합모델로 구성하고, 시편의 상･하단에 위치한 wall 요소가 시편 중심부를 향해 일정한 속도로 이동하면서 시편을 파괴시점까지 압축하였다. 모델을 구성하는 입자들의 입도분포는 직경 4.0～6.0 mm의 범위 내에서 균등하게 분포되어 있으며 총 2329개의 입자로 이루어져 있다.
PFC는 입자와 결합들의 응력거동을 보다 정확하게 모사하기 위해 다양한 입자결합 모델을 제시하고 있다. 이들 중 bonding particle model은 입자들 사이의 접촉면에 결합력을 부여하여 외력에 대한 입자의 움직임과 결합의 파괴거동을 분석할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 bonding particle model 중 입자들 간의 접촉면을 통해 힘뿐만 아니라 모멘트의 전달도 가능한 linear parallel bond model을 적용하였다. Linear parallel bond model을 정의하는 미시물성치는 지반물성치와 상관관계가 있다(Potyondy and Cundall, 2004). 본 연구에서는 물성치의 보정과정 시 목표하는 Young’s modulus를 획득하기 위해서 입자와 결합의 modulus를 보정했고, 일축압축강도를 획득하기 위하여 결합의 강도에 영향을 미치는 tensile strength와 cohesion을 보정하였다.
일축압축시험을 통해 획득하고자 하는 지반에 따른 목표 물성치는 Table 1과 같으며, 이를 바탕으로 보정을 수행한 결과 획득한 미시물성치는 Table 2와 같다. 지반의 물성치는 의정부 전력구 Shield TBM 공사 중 작성된 기술자문 보고서 및 기타 시공보고서에 기재된 지반물성치를 참고했다(Cho et al., 2014). 모델을 구성하는 입자들의 밀도는 지반의 밀도와 동일하게 설정하였다. Modulus와 Stiffness ratio는 각각 ball-ball contact와 parallel bond로 나뉘어 입자와 결합에 대한 미시물성치가 각각 존재하지만, 해석 시 자유도를 줄이기 위하여 입자와 결합 모두 동일한 값을 채택하였다(Potyondy and Cundall, 2004). Ball friction은 모델의 파괴 이후 거동에 영향을 미치는 인자로서 본 연구에서는 중간값인 0.5를 입력했다. Table 2의 미시물성치를 적용하여 일축압축시험 시뮬레이션을 수행하였으며, Fig. 2와 같은 응력-변형률 곡선을 획득하였다. Fig. 2의 (a)는 풍화토의 응력-변형률 곡선이고, (b)는 풍화암, 연암 및 경암의 응력-변형률 곡선을 나타내고 있다. Table 3을 통해 PFC 해석으로부터 획득한 탄성계수와 일축압축강도는 참고한 지반물성치와 미소한 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
2.2 지하공동에 의한 지표침하특성 분석 모델
본 연구에서는 우선 지표침하에 영향을 미치는 지하공동의 특성인자에 대하여 조사하였다. 지하공동에 의한 지표침하의 시작이 되는 공동붕괴의 발달과정은 지반조건, 공동의 형태, 지반의 이상대 등과 관계가 있다(Suchowerska et al., 2012; Kwon et al., 1994). 이를 참고하여 지반물성, 공동의 심도 및 직경 등 3가지 특성인자를 지표침하거동을 분석하기 위한 영향인자로 결정했다. 평형상태의 지반에 지하공동이 형성되면 지반응력상태에 변화가 발생하고, 이 불균형상태를 해소하기 위해 응력의 재배열 및 지반의 변형이 발생하는데 이 변형의 정도는 위의 3가지 영향인자에 좌우된다. 따라서 본 연구에서는 풍화토, 풍화암, 연암 그리고 경암의 지반 물성치, 구형지하공동의 직경 및 심도 3가지 영향인자가 지표침하에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 조건을 고려하여 해석을 수행하였다.
우선, 지반의 종류에 따른 지하공동 주변 지반의 거동특성을 분석하기 위하여 풍화토(Weathered soil), 풍화암(Weathered rock), 연암(Soft rock), 경암(Hard rock) 4종류의 지반을 대상으로 하였다. 이 외의 공동의 심도 및 직경은 각각 3 m와 5 m로 고정하였다.
지하공동 주변 지반의 거동은 공동의 주변부에서 시작되어 점차 지표면으로 전파된다. 따라서 공동과 가까운 지점일수록 변형의 정도가 심하기 때문에 동일 지점에서 측정된 지반변위라 하더라도 공동이 발생하는 심도에 따라 지표침하특성은 다른 양상을 보인다. 본 연구에서는 풍화암 지반에서 3 m 직경의 구형 지하공동에 대하여 지하공동의 심도를 지표면으로부터 공동상단까지의 거리를 1～10 m 범위에서 1 m씩 증가시켜가며 지표침하에 미치는 영향을 분석하였다.
마지막으로 구형지하공동의 직경이 클수록 더 넓은 범위에 걸쳐 지반교란이 발생되며 점진적으로 전파되는 지반거동의 변화도 커진다. 따라서, 본 경우에서는 풍화암 지반에서 5 m 깊이에 위치한 공동의 직경이 2 m, 3 m, 4 m 및 5 m로 증가함에 따라 지표면에서 발생하는 침하특성을 분석하였다.
구형지하공동이 존재하는 지반의 지표침하를 분석하기 위한 해석 모델은 Fig. 3와 같다. Wall 요소로 둘러싸인 직사각기둥(가로
세로
높이, 10 m
10 m
20 m) 내부에 0.4～0.5 m의 균등한 입도분포를 이루는 입자를 생성하였으며 입자결합모델을 적용하였다. 총 28,160개의 입자들로 구성된 이 해석모델은 내부에 구형지하공동 공간만큼의 입자 요소들을 한 번에 제거하여 지하공동의 형성을 모사하였다. 이는 터널굴착으로 인해 공동내 지하수가 유출되어 공동이 형성되는 상황을 모사하기 위해서다. 개별요소법은 다른 수치해석법에 비해 메모리의 소모가 많고 해석시간도 상대적으로 오래 걸리기 때문에 해석목적에 맞는 효율적인 모델링이 필요하다(Ding et al., 2014). 일축압축시험 모델과 달리 지반 모델은 그 크기가 매우 커서, 해석에 걸리는 시간이 오래 걸리기 때문에, 모델의 대칭성을 고려하여 1/4단면 해석을 수행하였다. 그리고 지반 모델이 일축압축시험 모델과 크기의 차이가 있기 때문에 해석속도를 고려하여 지반 모델을 구성하는 입자의 크기를 약 100배 증가시켰다. 개별요소법에서 입자의 크기는 미시물성치와 지반물성치의 관계에도 영향을 미친다. 따라서 구성입자의 크기가 커졌을 때 지반물성치의 변화를 검토하기 위해, 0.4～0.5 m 크기의 입자로 구성된 직경 5m, 높이 10 m의 같은 비율로 커진 시편의 일축압축시험 모델을 해석하였고, 그 결과는 Table 4와 같다. 커지기 이전의 일축압축시험 모델 해석결과와 약간의 차이는 있지만, 구형지하공동에 의한 지반거동의 추세를 분석하기에 무리가 없다 판단하였다. 구형지하공동에 의한 침하량의 측정은 구형지하공동 중심의 연직상부와 일치하는 지표면의 지점으로부터 1 m 간격마다의 측정지점을 설정하였고, Fig. 4와 같다. 각 측정지점으로부터 반경 20 cm 이내의 입자들의 평균 침하량을 측정하였다.
3. 해석 결과 분석
3.1 지반조건에 따른 지표침하 특성 분석
풍화토, 풍화암, 연암 그리고 경암 지반, 총 4종류의 각기 다른 지반에서 직경 3 m, 심도 5 m의 지하공동에 의한 지표침하 거동 형상은 Fig. 5를 통해 확인할 수 있다. 지표침하는 넓은 범위에서 얕고 완만한 침하가 발생하는 트러프(trough)형 침하와 좁은 범위에서 급격하고 깊은 침하가 발생하는 함몰형 침하가 있다. 본 연구에서 풍화토 지반은 지하공동의 상단부에서 시작된 파괴가 지표면으로 전파되어 입자들의 붕락을 확인할 수 있는 함몰형 침하가 발생되었다. 하지만 풍화암, 연암 및 경암은 침하의 정도가 상대적으로 작고 넓은 범위에서 발생하는 트러프형에 가깝다는 것을 알 수 있다. 이는 암반의 공학적 물성이 풍화토 지반에 비해 더 강하여 교란상태의 지반에서도 아치형 구조를 형성하며 자립할 수 있기 때문이다. 또한 암반의 침하거동은 지반의 물성치보다 절리면의 거동에 영향을 더 많이 받는 것을 확인할 수 있다. Fig. 6는 각 지반물성에 대한 지표침하량을 그래프로 표현하였다. 모든 지반조건에서 지반변형은 공동의 중심부로부터 멀어질수록 그 영향이 감소하는 것을 볼 수 있다. 하지만 다른 지반과 달리, 풍화토는 침하의 양상이 공동 중심으로부터 2 m 지점에서 급격하게 변하는 것을 볼 수 있다. 또한 Table 5를 참고하면, 풍화토 지반의 최대 침하량의 크기 또한 다른 지반보다 매우 크게 발생한 것을 볼 수 있는데, 이는 풍화토가 다른 지반과 달리 암이 아닌 매우 약한 흙이고, 구형지하공동 형성 시 그 상부에 아치형 구조를 형성하지 못하고 붕괴 되었다고 할 수 있다.
Table 5. Maximum subsidence at the each ground condition when Z=5 m, D=3 m | ||||
Ground | Weathered soil | Weathered rock | Soft rock | Hard rock |
Max. displacement (mm) | －5.78×102 | －7.76×10－2 | －7.12×10－3 | －2.97×10－3 |
3.2 지하 공동의 심도에 따른 지표특성 분석
지하 공동의 심도차이에 따른 지표침하 거동의 변화를 확인했다. 풍화암 지반에서 직경 3 m 크기의 지하공동을 지표면으로부터 1 m에서 10 m까지 심도를 증가시켰을 때의 지반의 거동을 Fig. 7을 통해 확인 할 수 있다. 심도와 관계없이 침하량은 공동의 주변부, 특히 공동의 천정부에서 최대치를 보이며 공동에서 멀어질수록 침하량이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 지하공동에 의한 지반의 파괴가 공동 천정부의 붕괴를 시작으로 지표면으로 전달된다는 것을 알 수 있다(Kim et al., 2004). 하지만 지하공동의 심도가 깊어질수록 지표면에서 관측되는 침하량은 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 공동 주변부에서 발생되는 파괴현상이 지표면으로 진행되면서 에너지가 감소되는데, 지하공동의 심도가 깊어질수록 감소되는 에너지가 커져서 지표에서 발생하는 침하가 줄어들게 된다. 이는 지표침하량을 그래프로 표현했을 때 더욱 명확하게 확인할 수 있다. Fig. 8은 측정된 지표침하량을 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프를 통해 공동의 심도가 얕을수록 침하 영향을 받는 지표면의 범위는 좁고, 최대 침하량은 점점 증가하는 것을 알 수 있다. Table 6를 통해서도 구형지하공동의 심도가 지표침하에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 즉, 형성되는 공동의 심도가 얕을수록 지표침하의 양상은 함몰형태로 발전될 가능성이 크다.
3.3 지하공동의 직경에 따른 지표침하특성 분석
지하공동의 크기에 따른 지반의 거동을 확인하고자 풍화암 지반 내 지표면으로부터 5 m의 직경이 2 m, 3 m, 4 m 그리고 5 m의 구형공동이 형성되는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다. Fig. 9는 지하공동의 크기에 따른 지반거동 특성을 나타낸다. 직경 2 m 수준의 공동은 지표면뿐만 아니라 전체적인 침하거동이 미미한 수준에 그쳤지만, 공동의 직경이 증가할수록 전반적으로 지반의 침하량이 증가했으며, 침하영향을 받는 지표면의 범위 또한 넓어졌다. 이는 Fig. 10의 그래프를 통해 확인 할 수 있는데, 직경이 2 m인 경우 공동의 중심으로부터 반경 4 m 범위 내에서 침하가 주로 발생하지만, 직경이 증가할수록 침하의 범위가 넓어져 직경 5 m의 경우 반경 7 m의 범위까지 그 영향영역이 넓어진다. 또한 Table 7을 통해 크기가 큰 공동일수록 지표침하량을 증가시키는 것을 확인할 수 있다.
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Fig. 9. Displacement contour for various diameters of cavity in weathered rock when the depth of cavity is 5 m |
Table 7. Maximum subsidence for various cavity diameter in weathered rock when the depth of cavity is 5 m | ||||
Diameter (m) | 2 | 3 | 4 | 5 |
Max. displacement (mm) | －1.62×10－2 | －7.76×10－2 | －1.63×10－1 | －3.05×10－1 |
3.4 해석결과 종합 분석
지하공동의 3가지 특성인자들이 각각 독립변수가 되어 지반거동 및 지표침하에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 구형지하공동에 의해 발생하는 지반침하는 암반지반보다 풍화토 지반에서 더 큰 함몰형 지반침하가 발생하였다. 이는 암반지반의 변형계수 및 결합강도가 풍화토에 비해 강하기 때문이다. 또한 연암과 경암의 침하량에 있어서 크게 차이가 없음을 통해 암반과 같은 강도가 높은 지반의 침하거동은 지반의 물성치보다 절리와 같은 불연속면의 영향을 더욱 받는 것을 확인할 수 있다. 구형지하공동의 심도가 깊어질수록 지표면에서 발생하는 침하량이 작아지고 트러프형태를 띄는 것을 확인할 수 있는데, 이는 지하공동이 더 깊은 심도에 위치할수록 지하공동의 붕괴 시 발생하는 에너지가 더 많은 지반영역을 통하면서 에너지가 감쇠되기 때문이다. 마지막으로 구형지하공동의 크기는 공동이 붕괴되는 영역과 비례하기 때문에, 공동의 크기가 클수록 그 주변 뿐만아니라 지표면에도 더 큰 침하를 발생시킨다.
이에 그치지 않고 3가지 구형지하공동의 특성인자를 모두 고려하여 지표침하거동을 분석하였다. 이는 전방지질탐사로부터 획득한 자료를 적극적으로 활용하여 지반의 물성치, 지하공동의 심도 및 크기를 종합적으로 분석한 뒤 보강의 필요성 및 지하공동 주변부에서의 구조물 건설 가능성을 확인하기 위한 근간을 마련하기 위함이다. 4가지의 지반물성(풍화토, 풍화암, 역암, 경암), 10가지의 지하공동심도(1 m, 2 m, …, 9 m, 10 m) 그리고 4가지의 지하공동직경(2 m, 3 m, 4 m, 5 m)을 모두 고려하여 시뮬레이션을 수행하고, 발생한 최대 침하량을 획득했다. 이를 지하공동의 직경에 대한 깊이의 비, ‘깊이(Z)/직경(D)’의 비와 최대침하량과의 상관관계를 나타내는 도표로 표현하여 분석하였다. Fig. 11, 12는 Z/D비에 따른 최대침하량의 변화를 나타내고 있다. 그래프를 통해 지반침하에 영향을 미치는 3가지 특성인자 중 지반물성이 지표침하에 미치는 영향이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 특히 풍화토의 경우 다른 지반과 달리 최대침하량의 변화정도가 매우 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 지하공동이 형성되는 경우 그 상부에 아치형 구조를 형성하지 못하고 붕괴되기 때문이다. Z/D비는 모든 지반에서 최대침하량과 반비례 관계에 놓인 것을 볼 수 있다. 특히 일정비를 경계로 최대침하량이 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 예를 들어, 풍화암의 경우 이상대의 크기(D)가 심도(Z)의 약 25% 이상일 때 최대침하량이 급격하게 증가하는데, 이와 같은 결과를 바탕으로 터널공사현장에서 전방지질탐사에 의해 발견되는 이상대 상태의 분석 및 보강을 결정하는 기준으로 제시할 수 있다. 터널의 굴진 중, 풍화토의 경우 발생되는 모든 이상대의 보강이 수행된 후에 터널굴착이 수행되어야 하며, 풍화암 지반은 구형지하공동의 크기와 심도의 비를 고려하여 공동의 보강 유무를 결정지어야 한다. 연암 및 경암 지반은 강도가 높아 상대적으로 이상대의 보강의 필요성이 적은 것을 확인 할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 구형지하공동에 의한 지표침하특성을 분석하기 위해 3차원 개별요소법을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 특히, 지반물성, 지하공동의 심도 및 크기를 고려한 지표침하특성에 대해 분석하였다. 일축압축시험 모델을 통해 지반의 미시물성치를 결정하여 Young’s modulus 및 일축압축강도를 획득하였고, 이 값들은 참고한 지반물성치와 차이가 거의 없었다. 이를 바탕으로 풍화토, 풍화암, 연암 및 경암 4종류의 지반에서 발생되는 지표침하의 특성에 대해 분석하였다. 다른 지반에 비하여 탄성계수 및 강도가 낮은 풍화토는 구형지하공동 주변의 지반이 공동을 유지하는 지보역할을 하기에 너무 약하여 지하공동의 생성으로 인해 발생된 응력의 재분배 과정에서 공동의 주변부에서 아치형의 지지구조가 형성되지 않아 안정상태를 유지하지 못하고 공동이 자립하지 못하였다. 공동의 상단부에서 붕괴가 시작되었고, 지표면까지 전파되어 함몰형 침하가 발생되었다. 이와 반대로 풍화암, 연암 그리고 경암과 같은 암반에서는 비교적 지하공동의 붕괴가 적었고, 지표침하량도 얕고 넓게 퍼져있는 트러프형 침하가 발생한 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 지하공동에 의한 지표침하는 지반의 강도가 약할수록 좁은 범위에서 더 심한 파괴가 발생하는 함몰형의 침하가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 다른 영향인자로 지하공동의 심도를 고려했다. 심도가 깊은 지하공동일수록 지표침하특성은 공동의 위치가 얕을수록 영향을 받는 지표의 범위는 좁고 지반침하량이 큰 함몰형 침하가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 지하공동의 상단부에서 시작된 붕괴가 공동주변부에서부터 지표까지 점진적으로 전파되지만 진행될수록 붕괴의 정도가 저감되는 것을 알 수 있다. 마지막으로 구형지하공동의 직경이 지반침하에 미치는 영향에 대해 분석했다. 동일한 지반에 같은 심도에서 크기가 다른 구형지하공동이 생성될 때 발생하는 지표침하는 공동의 직경에 비례하여 침하량이 증가하고, 영향을 받는 지표면에서의 영역도 넓어졌다. 지하공동의 크기가 커지면 영향을 받는 범위가 넓어지는데, 파괴영역이 넓어질 뿐만 아니라 발생되는 불균형력도 증가하여 지표면에 도달하는 에너지가 더 커서 침하량도 증가하였음을 알 수 있다.
위의 세 가지 특성인자를 동시에 고려한 결과 지반물성이 지표침하특성에 가장 큰 영향을 미치고, Z/D비는 최대침하량과 반비례 관계에 놓인 것을 확인하였다. 특히 이상대의 크기와 심도의 비가 일정수준 이상일 때 최대침하량이 급속도로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구를 통해 지반물성치, 공동의 심도 및 크기에 따라 발생하는 지반침하량의 경향을 파악할 수 있었다. 이를 통해 지하공동을 평가하고 지표침하의 정도를 예측 할 수 있는 근간을 제시하였다. 이는 터널과 같은 지하구조물의 시공 시 전방지질탐사에 의해 발견되는 지하공동의 보강 유무를 결정하기 위한 참고자료로 사용될 수 있다. 추후의 연구에서는 지반침하의 위험도가 더 큰 풍화토 지반의 탄성계수 및 강도 범위를 좀 더 세분화할 필요가 있고, 지반강도가 침하량에 미치는 영향과 다양한 구형지하공동의 심도 및 크기비 뿐만 아닌 지하공동의 붕괴상태에 따른 점진적 침하형태에 대해서도 분석하여 이상대의 안전성 및 보강유무 평가를 수행할 계획이다.
