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문제 정의
- 본 연구에서는, 지리정보체계(GIS, Geographic Infor mation System) 기법을 활용하여 대규모 매립지반의 장기적인 침하관리를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 접근방법을 제시하였다. 또한 제시된 접근방법의 적용성을 확인하기 위해, GIS 기법 등을 활용하여 선행재하공법이 적용된 인천국제공항 부지 전체연약층의 향후 예상침하량을 추정하여 보았다.
가설 설정
- ① 전체응력이 줄거나 또는 간극수압이 커짐으로 인한 유효응력의 감소로 응력의존적인(stress dependent) 선행압밀하중이 유발된다.
- 또한 2차압밀계수(C。)는 Je/Jlog t로 정 의되며 따라서 경과시간(t) 및 이에 따른유효응력(a'。의 변화와 함께 바뀌게 됨이 일반적인 현상이다(Mesri & Godlewski, 1977; Mesri & Castro, 1987). 그러나 앞에서 기 언급한 바와 같이, 대부분의 실제 현장에서의 t/tp값 은 비교적 작기 때문에 본 연구에서 초점을 두고 있는 2차압밀침하 해석에 있어서 2차압밀계수(Ca)는 시간의 경과에 관계없이 일정하다고 가정하였다.
제안 방법
- (1) 지표면 침하계가 설치된 969개소 지점에 대해 쌍곡선 방법을 이용하여 최종침하량을 예측하였으며, GIS 기법 및 보간법을 활용하여 전체연약층에 대해 얻어진 최종침하량의 예측치와 선행재하하중 제거 시점에서 계측된 침하량을 서로 각각 비교하여 보았다. 이를 통해 여객계류장 부근의 극히 일부분을 제외한 거의 모든 지점에서 평균압밀도가 최소 90% 이상임을 확인하였다.
- (5) 활주로 중앙부분 14개소에서 선행재하하중 제거 이후 현재까지 계속 계측되고 있는 지표면 침하량 등을 토대로 14개소 지점 각각에 대한 2차압밀계수를 산정하였으며, 또한 Mesri & Godlewski가 제시한 과 압밀상태에서의 2차압밀계수와 재압축지 수 사이의 비를 정의하는 관계식을 토대로, GIS 기법 및 보간 법을 활용하여 전체연약층에 대한 2차압밀계수를 결정하였다.
- 계측빈도는 준설매립시에는 1회/2일로 하였으며, 선행하중 재하시와 선행재하하중이 제거된 시점으로부터 그 이후 1개월간은 1회/일, 선행재하하중이 제거된 시점 그림 9. GIS 기법을 활용한 선행하중 재하시의 침하량 분포도(단우I : cm) 으로부터 1~2개월은 1회/3일, 선행재하하중이 제거된 시점으로부터 3~4개월은 1회/주, 또한 선행재하하중이 제거된 시점으로부터 4개월 이후에는 1회/2주 등으로 침하량의 변화 추이에 따라 계측빈도를 서로 달리하여 시행하였다.
- GIS작업을 수행하기 위하여 먼저 대상을 결정하고 자료를 취득하여 데이터베이스를 구축한다. 계속해서 GIS를 이용하여 데이터베이스 정보를 구축하고 최종으로 분석결과를 표현하는 등 총 4단계의 작업과정을 수행하며, 이를 요약 · 정리하면 아래와 같다.
- 5절에 제시된 식(7) 및 활주로 중앙 부분 14개소에서 선행재하하중 제거 이후 현재까지 계측되고 있는 지표면 침하량 등을 토대로 14개소 지점 각각에 대한 2차압밀계수를 역산하였다. 또한 Mesri & Godlewski(1977)가 제시한 과압밀상태에서의 2차압밀계수(C。)와 재압축지수(G) 사이의 비(ratio, a)를 정의하는 관계식(C/G = a, 2.5절 참조)을 토대로, 14개소지점 각각에 대해 산정된 a 값의 평균치를 구한 다음, 인천국제공항 부지 전체연약층에 대한 2차압밀계수는 앞서 결정된 평균치 a 값에 각각의 재압축지수를 곱하 여 확정하였다. 이 과정에서 산출된 재압축지수(G)와 2 차압밀계수((寫) 및 a 값은 표 4와 같다.
- GIS는 지리분석을 수행하여 현실세계를 반영하는 모형을 개발하고 이를 응용하여 현실세계의 모습을 빠르고 명확하게 밝혀낼 수 있다. 또한 모형을 활용하여 지리자료에 대한 추이를 파악하고 새롭게 유용한 정보를 창출한다. 모형을 통해 자료내부 또는 자료 사이에 존재 하는 관계를 발견하고 현실세계에 대한 이해를 높일 수 있으며 이를 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
- 본 연구에서는, 지리정보체계(GIS, Geographic Infor mation System) 기법을 활용하여 대규모 매립지반의 장기적인 침하관리를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 접근방법을 제시하였다. 또한 제시된 접근방법의 적용성을 확인하기 위해, GIS 기법 등을 활용하여 선행재하공법이 적용된 인천국제공항 부지 전체연약층에 대한 향후 예상침하량을 추정하여 보았으며, 그 과정을 순서에 따라 요약 · 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는, 지리정보체계(GIS, Geographic Infor mation System) 기법을 활용하여 대규모 매립지반의 장기적인 침하관리를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 접근방법을 제시하였다. 또한 제시된 접근방법의 적용성을 확인하기 위해, GIS 기법 등을 활용하여 선행재하공법이 적용된 인천국제공항 부지 전체연약층의 향후 예상침하량을 추정하여 보았다. 이 과정에서 공사 중 및 현재까지 측정된 다양한 침하량 계측자료가 분석되었으며, 아울러 Nagaraj 등(1985)의 이론을 토대로 한 재압축지수의 산정과 Mesri & Godlewski(1977)가 제시한 과압밀상태에서의 2차압밀계수재 압축지수 사이의 비(ratio)를 정의하는 관계식 등을 토대로 2차압밀계수의 결정이 이루어 졌다.
- 먼저 시스템에 대한 장기적인 전략을 수립하고 자료를 개념적으로 모델링한다. 자료의 개념적 모델을 기초로 데이터베이스를 정의하고 시스템과 데이터베이스 사이의 관계를 명확히 한다.
- 본 연구에서는 계속해서, 앞 절에서 기술된 쌍곡선 방법을 이용하여 지표면 침하계가 설치된 969개소 지점을 대상으로 최종압밀침하량을 각각 예측하고, GIS 기법 및 보간법을 활용하여 얻어진 전체연약층에대한 최종 압밀침하량의 예측치와 선행재하하중 제거시점에서 계 측된 침하량과 서로 각각 비교하여 보았다. 이를 통해 여객계류장 부근의 극히 일부분을 제외한 거의 모든 지 점에서 평균압밀도가 최소 90% 이상임을 확인하였으며, 이 결과를 도시하면 그림 16과 같다.
- 본 연구에서는 우선 인천국제공항 공사현장에서 시초조사와 실내시험을 통해 얻은 초기간극비, 액성한계 에서의 간극비, 연약층의 두께, 선행압밀하중, 유효상재 하중, 비중, 액성한계, 비배수 현장베인전단강도 선행 하중 제거 직후의 간극비 및 1차압밀 종료시간(선행재 하공법 적용시점부터 선행재하하중 제거시점까지의 기간) 등 각각을 평면좌표상의 시추조사 지점과 일치되는 지점에 하나의 레이어(layer) 형태의 속성자료로 입력하였고, 전체연약층에 대해서는 보간법을 사용하여 연속적인 분포형태로 표시하였다.
- 본 장에서는, 본 연구에서 제시하고자 하는 GIS 기법 등을 활용하는 대규모 매립지반의 장기적인 침하관리 방법을, 선행재하공법이 적용된 인천국제공항 현장에 직접 적용하여 향후의 예상침하량을 분석하여 보았다.
- 인천국제공항 부지 의 연약지 반처리에는, Sand Drain 공법 및 Plastic Drain Board 공법 등 연직 배수공법이 사용되었다. 연약지반처리는 표준관입시험에 의한 N값이 5미만에 해당하는(그림 7참조) 상부 해성층을 대상으로 하였으며, 연직배수재가 설치된 이후 향후 개항시 예상되는 최종 하중의 최소 1.2배에 해당되는 크기의 선행하중(Preloading)을 약 6개월 동안 재하하여 연약지반의 압밀을 촉진시켰다.
- 우선 앞의 2.4절에 제시된 Nagaraj 등(1985)의 이론을 토대로, 인천국제공항 부지 전체연약층에 대해이미 속 성자료로 입력되어 있는 자료 중, 현재상태의 간극비(선행재하하중 제거 직후의 간극비로 가정함), 액성한계에 서의 간극비, 유효상재하중 및 비배수 현장베인전단강 도 등을 식 (5) 및 식 (6)에 대입하여 선행압밀하중을 각각 산정한 다음 그 크기를 서로 비교하였다. 비교결 과, 전체연약층 모두에 대해 식 (5)로부터 산정된 선행 압밀하중이 큰 것을 알 수 있었다.
- 9186 등으로 각각 평가되었다. 이와 같은 평가결과는, 쌍곡선 방법의 경우 비균질한 지반, 연 직배수재를 설치한 지반 및 비선형 조건 등에 대해 적용 성이 비교적 양호하다는 Tan 등(1991, 1993)의 연구내용 과 대체적으로 부합되는 결과이며, 따라서 본 연구에서 는 신뢰성이 상대적으로 크다고 판단되는 쌍곡선 방법 을 토대로 인천국제공항 부지 연약층에 대해 지표면 침 하계가 설치된 969개소 지점을 대상으로 선행재하하중 제거시점의 평균압밀도를 각각 평가하여 보았다. 참고적 으로 인천국제공항 공사현장에서 선행재하공법 적용 이 후, 선행재하하중 제거시점을 결정하는 기준은 침하량을 토대로 평균압밀도가 90% 이상 도달한 시점이었다.
- 먼저 시스템에 대한 장기적인 전략을 수립하고 자료를 개념적으로 모델링한다. 자료의 개념적 모델을 기초로 데이터베이스를 정의하고 시스템과 데이터베이스 사이의 관계를 명확히 한다. 정의된 데이터베이스를 구축하기 위하여 원시 속성자료를 수집하고 데이터베이스 설계과정에서 결정된 항목과 유형에 적합하도록 정리한다.
- 자료의 개념적 모델을 기초로 데이터베이스를 정의하고 시스템과 데이터베이스 사이의 관계를 명확히 한다. 정의된 데이터베이스를 구축하기 위하여 원시 속성자료를 수집하고 데이터베이스 설계과정에서 결정된 항목과 유형에 적합하도록 정리한다. 또한 GIS에 내장된 고유의 데이터베이스 관리 체계나 ORACLE과 같은 DBMS전용 소프트웨어를 이 용하여 자료테이블을 작성하고 데이터베이스에 자료를 입력한다.
- 최종적으로 본 인천국제공항 부지 전체연약층에 대해 결정된 2차압밀계수와 연약층의 두께, 선행재하하중 제거 직후의 간극비 및 1차압밀 종료시간 등 모든 자료를 앞의 2.5절 식 ⑺에 대입하여, 향후의 2차압밀 침하량을 예측하였다.
대상 데이터
- 인천국제공항 부지는 자연상태의 간석지 위에 평균 5m 두께로 준설토를 매립하여 조성하였으며, 1단계 공사로 421만평을 매립하는데 총 6,500만 ㎥의 토사가 사용되었다 이 중 약 80%는 인근 해저의 모래를 준설하여 사용하 였고 나머지는 항공기 운항에 장애가 되는 구릉의 표고 (EL. 52.0m) 보다 높은 주변산지를 절토하여 사용하였다. 인천국제공항 부지에 대한 시추조사는 그림 6과 같이 평균 72m 간격으로 1, 400만평 부지 전지역에 걸쳐 실시 되었으며, 표준관입시험에 의한N값이 5 미만인 연약층의 두께를 분포도 형태로 GIS 기법을 활용하여 도시하 면 그림 7과 같다.
- 인천국제공항 부지에 대한 침하량 계측은 선행하증 재하시의 연약층 거동을 분석하기 위해 실시하였으며, 침하량 계측을 위해 원지반 위에 100m 간격으로 총 969개의 지표면 침하계를 그림 8과 같이 설치하였다. 계측빈도는 준설매립시에는 1회/2일로 하였으며, 선행하중 재하시와 선행재하하중이 제거된 시점으로부터 그 이후 1개월간은 1회/일, 선행재하하중이 제거된 시점 그림 9.
이론/모형
- 인천국제공항 부지 의 연약지 반처리에는, Sand Drain 공법 및 Plastic Drain Board 공법 등 연직 배수공법이 사용되었다. 연약지반처리는 표준관입시험에 의한 N값이 5미만에 해당하는(그림 7참조) 상부 해성층을 대상으로 하였으며, 연직배수재가 설치된 이후 향후 개항시 예상되는 최종 하중의 최소 1.
성능/효과
- (2) 선행재하과정에서의 침하곡선은 S자 형태와 거의 유사하며, 따라서 Terzaghi 1차원 압밀이론을 토대로 제시된 Aldrich의 연구결과에 근거하여 볼 때, 상재하중비가 최소 0.2이고 또한 선행하중 제거시점 에서의 기초지반 평균압밀도가 최소 90% 이상인 경우, 향후 활주로 등 포장구조체가 설치 완료된 이후에도 하부 기초지반에서 더 이상의 과잉간극수압 소산은 발생하기 어려운 상태로 추정되며, 결국 활주로 등 포장구조체가 설치 완료된 이후 현재까지 발 생하고 있는 침하는 2차압밀에 의한 것이라는 판단이 가능하다.
- (3) GIS 기법을 활용하여, 시초조사와 실내시험을 통해 얻은 초기간극비, 액성한계에서의 간극비, 연약층의 두께, 선행압밀하중, 유효상재하중, 비중, 액성한계, 비배수 현장베인전단강도, 선행하중 제거 직후의 간극비 및 1차압밀 종료시간 등 각각을 평면좌표상의 시추조사 지점과 일치되는 지점에 하나의 레이어 형태의 속성자료로 입력하였고, 전체연약층에 대해서 는 보간법을 사용하여 연속적인 분포형태로 표시하 였다.
- (4) Nagaraj 등이 밝힌 연구결과에 근거하여, GIS 기법 및 보간법을 활용하여 전체연약층에 대해 속성자료로 입력되어 있는 자료 중, 현재상태의 간극비, 액성 한계에서의 간극비, 유효상재하중 및 비배수현장베 인전단강도 등을 토대로 응력 뜨는 시간 의존적인 선행압밀하중의 경우임을 확인한 다음, 속성자료로 입력되어 있는 흙의 비중에 대한 레이어와 액성한계 에 대한 레이어를 조합시켜 전체연약충에 대한 재압축지수의 결정이 이루어 졌다.
- (6) 최종적으로 GIS 기법을 활용하여, 전체연약층에 대해 결정된 2차압밀계수와 연약층의 두께, 선행하중 제거 직후의 간극비 및 1차압밀 종료시간 등 모든 자료를 토대로 향후의 2차압밀 침하량을 예측한 바, 현재(2001. 8)로부터 향후 100년까지의 동안에 추가로 발생이 예상되는 침하량은, 50년 후에는 최대 0.894cm, 또한 100년 후에는 최대 1.194cm 등으로 추정된다.
- 따라서 이와 같은 크기의 상재하중비-평균압밀도의 관계를 정의하는 결과가 앞의 그림 3(b)에 검은색 점으로 표시되어 있으며, 이는 도시된 굵은 실선 보다 위쪽에 존재하는 상태에 해당된다. 결과적으로 볼 때, 향후 활주로, 도로 등 포장구조체 가 설치된 이후에도 하부 연약층에서는 더 이상의 과잉 간극수압 소산은 발생하기 어 려운 즉 1 차압밀은 종료된 상태로 추정할 수 있다. 따라서 포장구조체 설치 이후 현재까지 발생하고 있는 침하는 2차압밀에 의한 것이라는 판단이 가능하다.
- 이라는 관점에서의 압밀도로 생각할수 있다. 따라서, 점토층 중앙부 깊이에서 선행재하를 제거했을 시점에서의 유효응력이 최종 영구구조물에 의해 점토층 중앙부에서 100% 압밀되었을 시점에서의 유효응력보다 크게 되면, 선행재하공법 제거 이후 시점에서는 추가적인 유효응력의 증가는 기대할 수 없으며, 따라서 1차압밀은 종료된 상태라고 판단할 수 있다. 그림 3의 상재하중비는 식(3)으로부터 Ps/Pf로 정의되며, 그림 3(b)에는 Terzaghi 1 차원 압밀 이론을 토대로 평가된 결과, 점토층 중앙부에서 1차압밀이 완전히 종료되기 위해서 요구되는 상재하중비-평균압밀도 사이의 관계가 굵은 실선으로 도시되어 있다.
- 본 연구에서는 이와 같은 접근방법을 인천국제공항 부지 전체지역(지표면 침하계가 설치된 969개소 지점을 대상으로)으로 확장하여, 위에서 언급한 3가지 방법(쌍 곡선 방법, 호시노 방법 및 아사오카 방법 등)을 각각 이용하여 선행재하공법 적용 이후부터 선행재하하중 제거 이전까지의 다양한 시점에서의 침하량을 예측하 여 보았으며, 이 예측결과를 969개소에 설치된 지표면 침하계의 계측자료들과 서로 비교하여 종합적으로 상 관관계를 분석한 바, 쌍곡선 방법의 경우는 상관계수가 0.9682S, 아사오카 방법의 경우는 0.9384로, 또한 호시 노 방법의 경우는 0.9186 등으로 각각 평가되었다. 이와 같은 평가결과는, 쌍곡선 방법의 경우 비균질한 지반, 연 직배수재를 설치한 지반 및 비선형 조건 등에 대해 적용 성이 비교적 양호하다는 Tan 등(1991, 1993)의 연구내용 과 대체적으로 부합되는 결과이며, 따라서 본 연구에서 는 신뢰성이 상대적으로 크다고 판단되는 쌍곡선 방법 을 토대로 인천국제공항 부지 연약층에 대해 지표면 침 하계가 설치된 969개소 지점을 대상으로 선행재하하중 제거시점의 평균압밀도를 각각 평가하여 보았다.
- 3절 그림 3(b)에는 Terzaghi 1차원 압밀이론을 토대로 평가된 결과-점토층 중앙부에서 1차압밀이 종료되기 위해 요구되는 상재하중비-평균압밀도 사이의 관계가 굵은 실선으로 도시되어 있다. 본 인천국제공 항공사현장의 경우는, 상재하중비가 최소 0.2이며(3.1.2 절 참조) 또한 본 연구에서는 분석을 통해 선행하중 제거시점에서 전체연약층의 평균압밀도는 최소 90%, 최대 95%임을 확인한 바 있다. 따라서 이와 같은 크기의 상재하중비-평균압밀도의 관계를 정의하는 결과가 앞의 그림 3(b)에 검은색 점으로 표시되어 있으며, 이는 도시된 굵은 실선 보다 위쪽에 존재하는 상태에 해당된다.
- (1) 지표면 침하계가 설치된 969개소 지점에 대해 쌍곡선 방법을 이용하여 최종침하량을 예측하였으며, GIS 기법 및 보간법을 활용하여 전체연약층에 대해 얻어진 최종침하량의 예측치와 선행재하하중 제거 시점에서 계측된 침하량을 서로 각각 비교하여 보았다. 이를 통해 여객계류장 부근의 극히 일부분을 제외한 거의 모든 지점에서 평균압밀도가 최소 90% 이상임을 확인하였다.
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