연약지반 연동침하 영향거리 산정과 DCM 설계 영향인자에 관한 사례 연구 : 부산명지지구 설계 및 시공 사례를 중심으로

국문 초록 (Abstract)

대한민국의 경제성장과 태동을 같이하는 국내 서해안·남해안 지역의 산업·물류·유통단지는 산업시설의 직접화와 고도화의 시대적 요구에 발맞춰 대규모(국가산업단지의 경우 330만㎡ 이상) 단지조성을 위한 개발사업이 이루어지고 있고 일반적으로 해당 사업을 시기적, 공간적으로 나누어 단계적으로 시행하고 있다. 이렇듯 대규모 단지조성을 위한 개발사업이 단계적으로 이루어지는 경우 연약지반 개량을 위한 Preloading 재하 성토 하중은 연약지반 인접부로 응력이 전이되어 연동침하를 유발시키고, 도로 침하 등 심각한 시설물 파손을 발생시킬 수 있다.
본 연구에서는 부산명지지구 2단계 지역의 연약지반 개량 공법과 1·2단계 연접부의 연동침하의 발생 가능 여부에 대해 시공단계 조건(분할 또는 일괄 성토) 별 분석을 실시하고, 도로 등 허용 잔류침하량(도로의 경우 10cm)을 초과하는 연동침하 유발 영향거리를 산출하고자 하며, 대표적인 연동침하 방지공법인 DCM의 설계·시공의 현장 적용성을 평가하였다. 또한 DCM의 직경, 간격, 중첩길이 등 시공규격과 일축압축강도 변화에 따른 변형계수 적용 등 여러 가지 설계 영향인자 별 수치해석을 실시하여 침하 안정성, 경제성 관점에서 최적의 설계 인자를 분석하였다.
연구 결론
1. 연약지반 개량 시 Preloading(선행재하공법)과 Surcharge(추가성토) 등 근접지역 재하성토고 5m 수준에서 연동 침하량이 도로 허용 잔류침하량 10cm를 초과하는 영향거리는 약 25m 이내로 확인되었다.
2. 연동침하 영향거리 산정 시 인접시설물 부위에 대한 분할 또는 일괄 성토 등 시공조건을 구분한 결과 연동침하량은 유사한 값으로 도출되어, 연동침하 영향거리는 성토고에 따른 재하하중이 가능 큰 영향인자인 것으로 분석되었다.
3. 단계적 개발 시 선행 개발단계에서 후행 개발 단계지역의 연약지반을 시기적으로 먼저 개발하는 경우 후행 개발지역의 연약지반 재하성토는 영향거리 범위 밖에서 이루어져, 연동침하가 최소화될 뿐만 아니라 관련 공사비를 절감할 수 있어, 사업계획 관점의 설계 VE가 필요함을 확인하였다.
4. 대심도 연약지반 개량 시 근접지역 연동침하를 방지하는 공법은 DCM이 일반적으로 사용되는데, DCM의 시공 규격이 다축일수록, 개량체 강도가 클수록, 변형계수가 클수록, 개량체 직경이 클수록 연동침하 방지 효과가 크고, 경제성이 우수한 것으로 분석되었다.
5. DCM 해석의 가장 큰 불확실성 변수인 변형계수는 화산활동으로 생성된 일본 지반에서 적용되는 제안식을 사용하고 있는 실정으로, DCM 설계 및 시공 발전을 위해 국내 연약지반 특성에 맞는 변형계수 산정을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
6. DCM은 통상 4축 D1,000mm가 일반적으로 적용되지만, 변형계수 값에 따라 연약지반 연동침하 방지공법으로서 2축 시공도 안정성이 확보 가능한 것으로 분석되었고, 시공 직경 D가 클수록 천공길이 및 시멘트량 축소에 따라 경제성도 우수한 것으로 확인되어 향후 변형계수 및 건설기계 용량에 맞춰 국내 DCM 설계 및 시공 가이드라인 마련이 필요할 것으로 판단된다.
7. 연약지반 연동침하량이 도로의 잔류 허용침하량 이내로 만족하더라도, 영향거리에 따른 연동침하량이 선형적으로 변화하기 때문에 도로 하부에 매설된 관로 등 지하매설물의 각변위에 대해서는 연동침하 영향거리에 따른 연동침하량과 해당 지점의 각변위 허용 값을 비교하여 안정성 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
8. 지반은 해석의 불확실성을 내재한 연구분야이므로, 실제 시공 시 지반조건에 대해 설계조건과 일치 여부를 확인하고, 확인된 지반정수를 역해석하여 설계의 타당성을 지속적으로 검증해야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Industrial and logistics complexes in the west and south coasts of Korea have been the driving force behind Korea's economic growth and recently, large-scale projects (more than 3.3M㎡ in the case of national industrial complexes) are being carried out for the advancement of industrial facilities, which is implemented in phases by dividing it into time and space. In this conditions, the load of soil which is generated by the preloading method for improving the soft ground, possibly causes interlocking settlement and serious facility damage such as road settlement.
In this study, an analysis was conducted for each construction stage condition (division or collective embankment) for the soft ground improvement method in Busan Myeongji District Phase 2 area as well as the possibility of interlocking subsidence in the 1st and 2nd stage connections. And the influence distance causing interlocking settlement exceeding the allowable residual settlement amount (10cm in case of roads) was calculated and evaluated the field applicability of the design and construction of DCM, as a representative prevention method. In addition, the DCM construction standards (diameter, spacing, overlapping length) and the application of the deformation factor according to the change in uniaxial compressive strength were reviewed. Finally, numerical analysis was performed for each design influence factor to analyze the optimal design factors in terms of settlement stability and economic feasibility.
The results are as follow.
Results
1. Under the condition of improving soft ground with a loading height of 5m in the adjacent area, such as preloading (preloading method) and surcharge (additional embankment), the effect distance where the interlocking settlement exceeds the road allowable residual settlement of 10cm was confirmed to be within about 25m.
2. The interlocking settlement influence distance is considered to be the most influential factor for the loading load according to the embankment height. The reason for this is that the interlocking settlement amount was derived as a similar value when the construction conditions such as division or bulk embankment for adjacent facility parts were divided when calculating the interlocking settlement influence distance.
3. Through this study, it was confirmed that design VE from the perspective of business plan is effective. This is because, in case of step-by-step development, when the soft ground in the later development stage is developed first in time in the preceding development stage, the loading of the soft ground in the later development area is carried out outside the range of influence, thereby minimizing interlocking settlement and reducing related construction costs.
4. It is considered that the more multiaxial construction specifications of DCM as a method to prevent interloking subisidence, the greater the strength of the modified body, the larger the deformation coefficient, and the larger the diameter of the modified body, the greater the interlocking settlement prevention effect and the better the economic feasibility.
5. Basically, the deformation coefficient, which is the largest uncertainty variable in DCM analysis, uses the proposed formula applied to the Japanese ground created by volcanic activity. Therefore, for the development of DCM design and construction, it is judged that additional research is needed to calculate the deformation coefficient suitable for the characteristics of soft ground in Korea.
6. In General, 4-axis D1,000mm is generally applied to DCM, but it is considered that the stability of 2-axis construction can be secured as a method for preventing interlocking settlement of soft ground according to the value of the deformation coefficient. In addition, it was confirmed that the larger the construction diameter D, the better the economic feasibility due to the reduction of the drilling length and the amount of cement. Therefore, it is judged that it is necessary to prepare domestic DCM design and construction guidelines according to the deformation factor and capacity of construction machinery in the future.
7. Even if the soft ground interlocking settlement satisfies the allowable residual settlement of the road, stability review is conducted by comparing the interlocking settlement amount according to the interlocking settlement effect distance and the angular displacement allowable value of the point for the angular displacement of underground facilities such as pipelines buried under the road. This is because the amount of interlocking settlement changes linearly according to the impact distance.
8. Since the ground is a research field with inherent uncertainty in analysis, it is necessary to check whether the ground conditions match the design conditions during actual construction. In addition, it is considered that the validity of the design should be continuously verified by reverse-analyzing the confirmed ground parameters.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 연구동향 2
• 3. 연구방법 2
• Ⅱ. 이론적 고찰 4
• 1. 연약지반의 정의 4
• 2. 연약지반의 판정기준 4
• 3. 연약지반 압밀과 전단에 대한 이론과 연구 5
• 1) Terazaghi의 1차원 압밀해석 5
• 2) 다차원 압밀해석 6
• 3) 전단변형과 압밀변형 6
• 4) 성토 기초지반의 변형 8
• 5) 변형 또는 침하의 해석 방법 10
• 6) 성토하중에 의한 인접지반의 거동 12
• Ⅲ. 연약지반 설계 및 개량으로 인한 연동침하량 13
• 1. 연구 대상지역의 위치적 현황 13
• 2. 연구 대상지역의 지반 물성치 조사 결과 14
• 3. 연구 대상지역의 연약지반 여부 판정 16
• 4. 연약지반 설계 개념 및 조건 17
• 1) 연약지반 설계 방향 및 흐름 17
• 2) 연약지반의 침하량 18
• 3) 침하량 계산 18
• 4) 시간에 따른 압밀 침하량 20
• 5) 연구 대상지역의 연약지반 설계조건 21
• 6) 무개량 시 압밀침하량 산정 결과 22
• 7) 방치기간에 따른 잔류 침하 예상량 23
• 5. 연약지반 개량을 위한 공법 선정 및 재하성토고 24
• 1) 연약지반 개량공법 선정 개요 24
• 2) 연약지반 개량공법 선정 결과 26
• 3) 연약지반 개량공법 선정에 따른 성토사면 안정성 27
• 6. 연약지반 개량으로 인한 연동침하량 산정 29
• 1) 대상지역의 연동침하 연구 배경 29
• 2) 연동침하 연구 방향 29
• 3) 연동침하 연구 흐름 29
• 4) 연동침하 피해 발생 인접 시설물 30
• 5) 연동침하 검토 기준 설정 31
• 6) 시공단계 조건 시나리오 결정 31
• 7) 연동침하 유해 영향 예상구역 선정 31
• 8) 연동침하 검토 단면 결정 33
• 9) 이격거리별 연동침하량 산정 결과 34
• Ⅳ. 연동침하 대책공법으로서의 DCM 36
• 1. 연동침하 대책공법의 선정 36
• 2. 연동침하 대책공법으로서의 DCM 37
• 1) DCM 개요 37
• 2) DCM 설계 및 시공 39
• 3. DCM 현장 적용성 평가 41
• 1) DCM 시공 가능 위치 41
• 2) DCM 시공장비의 진입 가능성 평가 43
• Ⅴ. DCM 설계 영향인자 변화에 따른 연동침하량 46
• 1. 설계 영향인자 선정 46
• 2. 1차 수치해석 결과 47
• 3. 2차 수치해석 결과 50
• Ⅵ. 결론 54
• 참고문헌 56