1. 서 론
2. 지반함몰 모형시험 개요
2.1 시험 장비
2.2 시험 시료 및 방법
3. 모형 실험 결과
3.1 Test 1: 매립심도 90cm 모형지반
3.2 Test 2: 매립심도 45cm 모형지반
3.3 매립심도의 영향 비교 분석
4. 결 론
1. 서 론
서울시(2017)에 의하면 2010년부터 2015년까지 연평균 677건의 지반함몰 및 침하가 서울시에서 발생하였으며, 발생한 지반함몰 및 침하 중 81.4%는 노후 하수관로의 손상으로 인해 발생하였다. 일본과 이탈리아에서 발생한 도심지 지반함몰 또한, 주로 손상된 하수관에 의해 발생하였다(Kuwano 등, 2010a; Yokota 등, 2012; Guarino and Nisio, 2012). Rogers(1986)가 발표한 손상 하수관으로 인한 지하공동 및 지반함몰의 발생 과정은 다음과 같다: (1) 하수관의 노후화, 지진, 교통 하중 등과 같은 외부적 요인에 의해 하수관에 손상이 발생한다(Fig. 1a). (2) 강우 시, 하수관 내부는 우수로 가득 차고, 하수관 손상부를 통해 지반으로 하수가 유입되며, 이로 인해 지하수위가 상승하게 된다(Fig. 1b). (3) 강우 종료 후, 하수관 내부 수위는 감소하고, 이로 인해 하향침투압이 하수관 손상부를 향하여 발생하여, 지하수와 함께 토사가 유출된다(Fig. 1c). (4) 지하수위의 상승과 하강이 여러 번 반복되어 토사의 유실량이 증가함에 따라 지하 공동이 확장하며, 최종적으로 지반함몰이 발생한다(Fig. 1d).
Rogers(1986)에 의해 제시된 하수관 손상으로 인한 지반 함몰 현상의 발생 과정을 실험적으로 재현하기 위해 Mukunoki 등(2009, 2012), Kuwano 등(2010a, 2010b), Guo 등(2013), Sato and Kuwano(2015), Indiketiya 등(2017), Tang 등(2017)은 토조 모형시험을 수행하였으며, 흙의 특성(입도분포, 상대밀도, 세립분 함량), 손상부 크기, 지반 조건(지하수위, 매립심도)과 같은 인자들의 지반 함몰 발생에 대한 영향을 확인하였다(Table 1). Mukunoki 등(2009, 2012), Kuwano 등(2010a, 2010b), Guo 등(2013), Tang 등(2017)에 따르면, 흙 입자의 입경이 작을수록 간극의 크기가 작아지며, 이로 인해 흙 입자의 이동이 제한되어 공동 확장에 대해 높은 저항성을 가진다. Mukunoki 등(2009, 2012), Guo 등(2013), Tang 등(2017)은 하수관 손상부 크기가 증가할수록 배토가 용이해 지반 함몰 발생이 가속화됨을 보고하였다. 또한, Guo 등(2013)과 Tang 등(2017)에 따르면, 지하수위가 증가할수록 흙의 유출을 유발하는 하향침투압이 증가하여 지하 공동 및 지반 함몰이 더 쉽게 형성되고 발달한다.
Table 1. Summary of test conditions by previous researches
| Description |
Size of soil chamber (Unit : cm) | Influencing factors | Method for visualization |
| Mukunoki et al. (2009; 2012) | D13, D13, H10 |
1) Grain size distribution 2) Relative density 3) Crack size | X-ray CT scanner |
| Kuwano et al. (2010a, 2010b) | L30, D5, H20 |
1) Grain size distribution 2) Fine content | Naked eye / PIV |
| Guo et al. (2013) | L50, D50, H60 |
1) Particle size 2) Burial depth 3) Crack size 4) Water level | Naked eye |
| Sato and Kuwano (2015) | L30, D8, H20 |
1) Location of cylinder (simulating subsurface structures) | Naked eye |
| Indiketiya et al. (2017) | L80, D10, H40 | -* | PIV |
| Tang et al. (2017) | L50, D8, H50 |
1) Grain size distribution 2) Crack size 3) Water level | PIV |
현재까지 하수관 손상으로 인한 지반 함몰에 대한 하수관 매립심도의 영향을 분석한 모형실험 사례는 많지 않다. Guo 등(2013)은 매립심도가 지하공동 및 지반함몰 발생에 미치는 영향을 분석하기 위해 하수관 매립심도를 10, 20, 30, 40cm로 다르게 하여 모형지반을 조성 한 후, 지하수와 토사의 손상부로의 배출시켜 지하공동 및 지반함몰 발생을 실험적으로 모사하였으며, 실험 결과, 매립심도가 클수록 더 큰 지반공동이 발생하였다. 하지만, Guo 등(2013)은 손상부를 통한 물의 지반으로의 유입은 고려하지 않고, 이후 발생하는 물 유출 단계에 대해서만 분석하였으며, 지반의 변형을 디지털 이미지 해석기법 등을 활용하여 정량적으로 분석하지 않았다.
한편, Ariaratnam 등(2001), Davies 등(2001), Kwak 등(2016)과 Kim 등(2018)은 하수관 손상 및 지반함몰에 대한 매립심도의 영향을 통계적으로 연구하였다. Ariaratnam 등(2001)은 매립심도와 하수관 손상 사이에 유의미한 상관성이 없음을 보고한 반면, Davies 등(2001)은 매립심도가 낮을수록 하수관 손상 확률이 커짐을 보고하였다. Kwak 등(2016)과 Kim 등(2018)은 서울시에서 발생한 지반함몰 사례에 대해 단변량 및 다변량 분석을 각각 수행하여, 매립심도가 낮을수록 지반함몰 발생 가능성이 증가함을 보고하였다.
본 연구에서는 손상된 하수관을 통해 하수가 지반으로 침투하여 지하수위가 증가한 후, 손상부를 통하여 지하수와 토사가 동시에 유출되면서 지반 내부에 공동이 발생하고 확장되어 최종적으로 지반 함몰이 발생하는 과정에 매립심도가 미치는 영향을 모형시험을 통해 파악하고자 한다. 모형 지반은 국내 하수관 되매움 시 주로 사용되는 풍화토를 이용하여 조성되었으며, 국내 하수관이 매립된 지반 조건을 참고하여, 두 가지 다른 매립심도를 적용하였다. 하수 유입 시 최종적으로 도달하는 지하수위는 우리나라 하절기 집중 강우 특성 등을 토대로 모형시험에 적용하였다. 모형시험 중에는 지하수위의 변화, 토사 유출량, 그리고 지반 변위를 시험 시작부터 종료까지 연속적으로 측정하였으며, 특히 지반 내부의 변위를 연속적으로 측정, 분석할 수 있는 디지털 이미지 해석 기법을 적용하여, 지반의 변형, 지하 공동의 발생과 확장을 정량화하였다.
2. 지반함몰 모형시험 개요
2.1 시험 장비
Fig. 2는 지반 함몰 현상을 모사하기 위해 본 연구에서 개발 및 제작된 모형시험기의 모식도를 보여준다. 서울시 하수관망도를 조사한 결과, 각 하수관 사이의 간격이 약 1.2m이며, 본 연구에서는 이를 고려하여 불필요한 경계조건 등의 영향을 배제하기 위하여 좌우 0.1m 씩 여유를 두어 모형토조의 너비를 1.4m로 설정하였다. 서울시의 하수관망도 데이터에 따르면, 하수관 매립심도의 평균은 0.9m이다. 이를 고려하여 본 연구에서는 시료 조성이 용이하도록 0.1m의 여유고를 추가하여 1.0m 높이로 모형토조를 제작하였다. 모형토조의 깊이는 평면변형률 조건(Plane strain condition)을 모사하기 위하여 0.1m로 제작하였으며, 시험기의 전면판은 아크릴 판으로 제작되어 시험 중 지반 내부를 촬영할 수 있도록 하였다.
시험기 하부에는 하수관 손상부를 모사하는 슬릿을 설치하여, 모형시험 중 하수의 유입 유출 및 토사의 유출이 가능하도록 하였다. Mukunoki 등(2012)에 따르면, 손상부의 폭 B와 토사의 최대 입경 Dmax의 비 B/Dmax가 2.5 이상일 경우, 지하 공동 발생 과정에 큰 차이가 없음을 보고하였으며, 본 연구에서는 이를 바탕으로 슬릿의 폭은 2cm로 설정하여 B/Dmax가 4.2가 되도록 설정하였다(풍화토의 최대 입경 Dmax = 4.76mm). 슬릿 하부에 공급 밸브와 배수 밸브를 설치하여 하수의 유입과 지하수의 유출을 조절하였다. 유입 밸브에 연결된 외부 수조는 월류를 통하여 일정한 수위를 유지할 수 있도록 설계하였다. 외부 수조의 위치는 Table 2에 제시된 강우 강도와 하수관에 작용하는 수두간의 관계를 토대로, 손상부로부터 45cm 상부에 위치하여, 강우강도 40mm/hr를 모사할 수 있도록 설정하였다.
Table 2. Relation between rainfall intensity and the hydraulic head applied to sewer pipes (National Disaster Management Institute of Korea, 2014)
| Rainfall intensity (mm/hr) | Hydraulic head (cm) |
| 20 | 33 |
| 30 | 40 |
| 40 | 47 |
| 50 | 70 |
2.2 시험 시료 및 방법
Table 3에 표시된 우리나라 및 일본의 하수관 매립토의 입도기준에 따르면, 최대 입경은 100mm 이하, 4번체 통과량 25∼100%, 세립분 함량은 우리나라는 15% 이하, 일본은 25% 이하를 만족해야 한다. 본 연구에서는 관악산 풍화토를 채취한 후, 우리나라 매립토 기준을 만족하기 위해 세립분 함량을 7.5%로 조절하여 모형지반을 조성하였다. Fig. 3은 모형시험에 사용된 관악산 풍화토의 입도분포를 우리나라 및 일본의 매립토 입도기준과 비교해서 보여주며, Table 4는 모형시험에 사용된 관악산 풍화토 기본 물성치, 강도 정수, 투수계수를 나열한다.
Table 3. Requirements for the backfill materials used in the burial of a sewer pipe
Description | ||
Maximum particle size | 100 mm | 100 mm |
#4 sieve passing | 25 - 100% | 25 - 100% |
#200 sieve passing | ≤ 15% | ≤ 25% |
Fig. 3.
Grain distribution of the adjusted Gwanak soil and the soil used in previous researches with the requirements for backfill materials in South Korea (Ministry of Environment of Korea, 2010) and Japan (Japan Road Association, 1990)
Table 4. Properties of the Adjusted Gwanak Soil
** Estimated from the direct shear tests; S = 44.2% correspond to wopt obtained from the standard compaction tests
국내 및 일본 시방기준에 따르면, 하수관에 되매움을 실시할 때, 다짐도(Rc = γd/γd,max)는 최대 건조 단위 중량의 90% 이상, 함수비는 최적함수비에 맞추어 다짐을 실시해야 한다. 이 기준을 만족하기 위해, 본 연구에서는 다짐도 92%(상대밀도 DR = 78%에 해당)와 함수비 11.4%로 모형지반을 다져서 조성하였다. Table 5는 국내외 하수관 매립심도에 대한 기준을 보여준다. 일반적으로, 포장층을 포함할 경우, 매립심도는 약 1.0m 이상을 확보하여야 하며, 포장층을 포함하지 않을 경우, 매립심도는 대략 0.5m 이상을 요구하고 있다. 본 연구에서 조성된 모형지반은 포장층을 포함하지 않는다. 본 논문은 매립심도에 따른 지반공동 및 지반함몰 발생 과정에 초점을 맞추고 있다. 따라서, 매립심도를 0.9m로 설정하여 조성한 경우(매립심도 기준 만족)와 매립심도를 0.45m로 지반을 조성한 경우(매립심도 기준 불만족)에 대해 각각 실험을 수행하여 비교하였다.
Table 5. Criteria for the burial depth of sewer pipes
| Specification | Minimum burial depth |
| Ministry of Environment of Korea (2010) | ≥ 1.0 m (Including pavement layer) |
| Florida Department of Transportation (2006) | ≥ 0.53 m (Excluding pavement layer) |
| Gippsland Water (2002) | ≥ 0.6m (Excluding pavement layer) |
| City of Toronto (2009) | ≥ 1.2 m (Including pavement layer) |
Table 6. Summary of model test cases
모형 지반 조성 완료 이후, 한 실험 싸이클은 강우 시를 모사하는 하수 유입 단계와 강우 종료 이후를 모사하는 지하수 배수 단계로 구성되며, 각 모형 지반에 대해서 총 두 싸이클의 실험을 실시하였다. 하수 유입 단계에서는 공급 밸브를 통해 외부 수조로부터 토조 내부로 물을 유입하여, 목표 지하수위까지 도달한다. 이후, 지하수 배수 단계에서는 공급 밸브를 닫고 배수 밸브를 열어 하부 슬릿을 통해 물과 함께 토사가 함께 유출될 수 있도록 한다. 전체 실험을 실시하는 동안, 토조 중앙부로부터 0, 30, 60cm에 위치한 지표면 3개의 지점에 LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)를 설치하여 지표 변위를 측정하였다. 또한, 모형시험 중에 지속적으로 지반 내부의 디지털 이미지를 촬영하고, 이를 디지털 이미지 해석 기법 중 하나인 PIV 기법(Adrian, 1991; Alshibli and Akbas, 2007; Kim 등, 2017; Kwak 등, 2019)을 적용하여 분석하였다.
PIV 기법을 통해 대상 시료의 변위 및 변형을 측정하는 과정은 다음과 같다: (1) 대상 시료의 변형 전후의 디지털 이미지를 촬영한다. (2) 변형 전 이미지의 픽셀 집합과 변형 후 이미지의 픽셀 집합에 대해 크로스 코릴레이션(Cross-correlation)을 수행하고 상관계수를 보간하여 상관성이 가장 높은 지점을 찾는다. (3) 상관성이 가장 높은 픽셀 집합의 위치 변화를 통하여 시료 각 위치에서의 상대적 변위를 산정하게 된다. 본 연구에서는 PIV 해석을 위해 상용 프로그램인 GeoPIV(White et al., 2002)를 사용하였으며, 대상 시료의 위치 별 변위를 측정하고, 변형률을 산정하여 실험 중 지반 내부에서 나타나는 거동을 분석하였다(White et al., 2003). 추가적으로, 각 실험의 하수 유입 및 지하수 배수 단계 종류 후, 슬릿을 통하여 배토된 흙의 양을 측정하였다.
3. 모형 실험 결과
3.1 Test 1: 매립심도 90cm 모형지반
3.1.1 첫 번째 하수 유입 - 지하수 배수 과정
하수 유입 단계에서 목표 수위인 45cm까지 지하수위가 도달하는 동안, 매립심도 90cm로 조성한 모형지반에서는 지표면(LVDT로 측정)과 지반 내부(PIV 기법으로 측정)에서 지반의 변형이 발생하지 않았다. 토질역학을 기반으로 하수 유입 단계에서, 지반에 변형을 일으키는 주요 기전은 1) 상향 침투로 인한 파이핑 현상, 2) 간극수의 윤활작용에 의한 물다짐 현상으로 정리할 수 있다. 슬릿을 막 개방했을 때, 슬릿 바로 위 지반에 약 4.5kPa의 수압이 작용하며, 지반 바닥면에 작용하는 연직토압은 약 16.7kPa이다. 따라서, 본 조건에서는 흙에 항상 양의 유효응력이 작용하며, 파이핑 현상은 발생하지 않는다. 본 연구에서는 국내 시방 기준에 따라, 충분한 다짐도(RC = 92%)로 모형지반을 조밀하게(DR = 78%) 조성하였다. 따라서, 느슨한 사질토 지반에 하수가 유입될 때 주로 발생하는 물다짐 현상(Kwak 등, 2019)은 본 연구에서는 관찰되지 않았다.
지하수 배수 단계에서 지표면 변위는 하수 유입단계와 마찬가지로 관측되지 않았다. 하지만, 지반 내부에서는 큰 변형이 발생하였으며, 본 연구에서는 이를 PIV 기법을 이용하여 정량화 하였다. Fig. 4, 5, 6은 PIV 해석 결과로 산정된 변위 증분 벡터, 부피 및 전단 변형률 증분을 각각 6 단계로 구분하여 보여준다: (a) 0-30초, (b) 30-60초, (c) 60-90초, (d) 90-120초, (e) 120-150초, (f) 150-180초. 부피변형률의 경우 빨간색 격자는 해당 영역이 팽창하였음을 의미하는 반면, 파란색 격자는 압축영역을 의미한다.
지하수 배수 단계에서는 슬릿을 통하여 작용하던 수압이 사라지며, 슬릿을 통하여 지하수가 빠른 속도로 유출된다. 또한, 하수 유입 단계와는 달리, 지하수 배수 단계에서는 지하수위 아래 지반은 포화상태가 되어, 표면장력에 의한 겉보기 점착력을 상실하게 된다. 지하수의 급격한 유출은 하향 침투를 지반 내부에 유발시키며, 구속압이 작용하지 않는 (그래서 전단강도가 존재하지 않는) 슬릿 바로 위 지반부터 지하수와 함께 유실된다.
Fig. 4a와 Fig. 4b에 나타나듯이, 지하수 배수 초기 단계(0-60초)에서는 슬릿을 통해 지하수와 함께 토사가 유출되면서, 공동 주변부 지반에는 하향 변위가 발생하며, 슬릿 바로 윗부분에 삼각형 형태의 공동이 형성되었다. 또한, 부피 및 전단변형률 증분은 공동 주변에 집중적으로 발생하였다(Fig. 5a, Fig. 5b, Fig. 6a, Fig. 6b). 지하수 배수 단계의 60-90초 구간에서는 Fig. 4c와 같이 공동의 좌우측 천장을 이루고 있는 토체가 붕괴됨으로써 공동이 횡방향으로 확장되는 경향이 나타났다. 부피 및 전단변형률 증분은 초기 단계와 유사하게 공동 부근의 작은 영역에서 집중되었다(Fig. 5c, Fig. 6c).
Fig. 4d를 보면, 지하수 배수 단계의 90-120초 구간에서는 지반 내 공동의 횡방향으로의 확장이 완료되어 공동 상부 및 측면 토체에서 하향변위가 관측되지 않았으며, 또한, 부피 및 전단변형률 증분의 역시 공동의 바깥 영역에서 관찰되지 않았다(Fig. 5d, Fig. 6d). 이 구간에서는 공동이 확장되면서 붕괴되어 슬릿 부근에 쌓여있는 흙이 점차적으로 슬릿으로 빠져나가기 위해 이동하면서 슬릿 부근에 변형이 집중되었다. 120초 이후에는 지속적으로 배수가 진행됨에 따라, 지반이 다시 표면장력에 의한 겉보기 점착력을 회복하여 토사의 유출이 안정화 되었으며, 최종적으로 버섯 형태의 공동이 형성되었다(Fig. 4e, Fig. 4f).
3.1.2 두번째 하수 유입 - 지하수 배수 과정
Test 1의 두 번째 하수 유입 단계에서는 첫 번째 단계와 같이 지하수위가 목표 수위 45cm까지 도달하는 동안, LVDT를 통해 측정된 모형지반 지표면에서는 지반의 변위가 관측되지 않았다. 반면, 지반 내부에서는 지하수위가 상승함에 따라 점진적인 변형이 발생하기 보다는, 공동 주변의 토사가 침식되는 경향이 나타났다. 이는, 공동 주변의 흙은 구속압을 상실하여 낮은 전단강도를 가지며, 이에 따라, 하수의 유입으로 작용하는 수압에 저항하지 못하여 발생하는 현상이다. 지하수위가 상승함에 따라 지속적으로 흙에서 침식작용이 발생하며, 최종적으로 Fig. 7d에 보여지듯, 목표 수위 45cm 부근에서 역삼각형 형태로 공동이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
두 번째 지하수 배수 단계 역시 첫 번째 단계와 같이 슬릿을 통하여 지하수가 빠른 속도로 유출되는 현상이 확인되었다. 물 유입 단계에서 침식되어 강도를 상실한 흙 입자들이 지하수 유출과 함께 슬릿을 통해 빠져나가며 역삼각형 형태의 공동이 형성되었다(Fig. 8). 그러나, 여전히 공동 상부 지반은 불포화 강도로 인해 붕괴하지 않았으며, LVDT로 측정한 결과, 지표면 침하는 발생하지 않았다.
3.2 Test 2: 매립심도 45cm 모형지반
3.2.1 첫 번째 하수 유입 - 지하수 배수 과정
Test 2는 매립심도 이외의 모든 조건은 Test 1과 동일하게 설정하고 매립 심도 45cm 모형지반 지반을 조성 후, 하수 유입 및 지하수 배수 실험을 실시하였다. 하수 유입 단계에서 지하수위가 45cm까지 도달하는 동안, Test 1과 마찬가지로 Test 2에서도 지표면에서의 변위는 관찰되지 않았다. PIV 기법 분석 결과, 지하수위가 상승하는 동안 지반 내부에서도 마찬가지로 지반의 변형이 발생하지 않았다.
Test 2의 물 배수 단계에서 지표면 침하는 측정되지 않았지만, 지반 내부에서는 공동이 형성되었다. 이러한 경향성은 Test 1에서도 관찰되었다. Fig. 9, 10, 11은 Test 2 모형지반에 대해 수행된 디지털 이미지 해석 결과이며, 각각 변위 증분 벡터, 부피 및 전단 변형률 증분을 보여준다: (a) 0-30초, (b) 30-60초, (c) 60-90초, (d) 90-120초. 지하수 배수 시 초기 단계(0-60초)에서는 슬릿을 통해 지하수가 토사와 함께 유출되면서 바닥면으로부터 약 25cm 높이까지 작은 공동이 형성되었으며, 공동 상부와 측면에서는 토체에 슬릿을 향한 하향 변위 증분이 관찰되었다(Fig. 9a, Fig. 9b). 이로 인해 부피 및 전단 변형률 증분은 공동의 상부 및 측면에서 크게 측정되었다(Fig. 10a, Fig. 10b, Fig. 11a, Fig. 11b). 지하수 배수 단계의 60-120초 구간에서는 지속적으로 흙이 슬릿을 향해 이동하여 공동이 확장되었다(Fig. 9c, Fig. 9d). 부피변형률과 전단변형률 모두 흙 입자 변위가 크게 발생하는 공동의 상부 및 측면에 집중되도록 나타났다(Fig. 10c, Fig. 10d, Fig. 11c, Fig. 11d). 120초 이후에는 토사와 지하수의 유출이 거의 발생하지 않았다.
3.2.2 두 번째 하수 유입 - 지하수 배수
Test 2의 두 번째 하수 유입 단계에서는 Test 1과 같이 지하수위가 상승함에 따라 공동 주변 영역에서 침식이 발생하며, 역삼각형 형태로 공동이 확장되는 경향이 나타났다(Fig. 12). 역삼각형 형태로 형성된 공동은 290초까지 지속적으로 확장되었으며, Fig. 12c와 같이 290초에서 지표면 중앙 부분에서 더 이상 지지하지 못하여 결국 지반함몰이 발생하는 현상이 관측되었다. 이후 구속압을 상실한 흙들이 모두 침식되면서 Fig. 12d와 같이 역삼각형 형태의 지반함몰이 발생하는 것을 확인하였다.
두 번째 지하수 배수 단계에서는 Test 1과 같이 물 유입 단계에서 지하수가 유출됨에 따라 강도를 상실한 흙 입자들이 함께 배토되었다. 침식으로 인해 강도를 상실한 흙이 모두 빠져나가면서 최종적으로 역삼각형 형태의 지반함몰이 관측되었다(Fig. 13).
3.3 매립심도의 영향 비교 분석
본 연구에서는 매립심도가 하수관 손상에 의한 지하 공동 및 지반함몰 발달에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 먼저, Fig. 14는 각 실험의 첫 번째 지하수 배수 단계에서 시간에 따른 공동의 크기 변화를 보여준다. 참고를 위해, 각 실험별로 물이 완전히 유출된 시간 또한 함께 표시하였다.
Test 1(매립심도 90cm)과 Test 2(매립심도 45cm) 모두 목표 지하수위는 45cm로 동일하다. 첫번째 싸이클의 지하수 배수를 시작한 후, 급격한 배수가 발생하며, 두 경우 모두 약 70초에 손상부까지 지하수위가 도달하였다. 이 때, Test 1과 Test 2에서 측정된 공동의 크기는 각각 497cm2(최대 폭 22cm, 최대 높이 35cm의 삼각형 형상)와 491cm2(최대 폭 20cm, 최대 높이 30cm의 타원형 형상)로 유사하게 측정되었다. 지하수위가 손상부 아래로 하강한 이후에도 모형 지반의 측면에서 손상부 방향으로 느리지만 지속적으로 침투가 발생한다. 이에 따라, 약 300초까지 두 경우 모두 지속적으로 토사가 유출되어 공동이 확장되었다(Test 1은 공동의 상부에서 확장되어 타원형의 형태로 확장되는 반면, Test 2는 횡방향으로 넓게 공동이 확장되는 경향이 확인됨). 다만, 최종적으로 Test 1에서는 742cm2(전체 지반의 5.9%, 최대 폭 30cm, 최대 높이 40cm의 버섯 형상)의 공동이 형성된 반면, Test 2에서는 Test 1보다 휠씬 큰 1,002cm2(전체 지반의 15.9%, 최대 폭 60cm, 최대 높이 32cm의 부채 형상)의 공동이 형성되었다. 높은 매립심도에 인해, 손상부 좌우 지반에 작용하는 구속압이 Test 1에서 Test 2보다 더 커서 토체의 저항성이 증가하기 때문이다. 이러한 경향성은 두 번째 하수유입 및 지하수 배수 단계에도 지속되어, Test 1에서는 최종적으로 1,845cm2의 공동이 형성된 반면, Test 2에서는 지반 함몰 현상까지 발생하여, 총 단면 2,807cm2에 해당하는 토사가 유출되었다. 이러한 결과를 기반으로, 매립심도가 작을수록 지하 공동의 확장이 가속화 되어 지반 함몰 발생 가능성이 높아짐을 알 수 있으며, 매립심도 시방기준을 준수하는 것이 지반 공동 현상 방지를 위해 상당히 중요하다는 사실 또한 확인할 수 있었다. Table 7은 각 싸이클의 각 단계가 끝난 후, 측정된 유출된 토사량 및 공동의 크기를 나열하여, 실험결과를 요약한다.
Table 7. Developed cavity size during first and second cycle of each tests
4. 결 론
본 연구에서는 국내 현장 조건을 고려하여 손상된 하수관을 통해 하수가 지반으로 침투하여 지하수위가 증가한 후, 손상부를 통하여 지하수와 토사가 동시에 유출되면서 지반 내부에 공동이 발생하고 확장되어 최종적으로 지반 함몰이 발생하는 과정을 모형시험을 통해 파악하였다. 국내 하수관이 매립된 지반 조건을 참고하여, 서로 다른 두 가지 매립심도를 적용하여 모형시험을 수행하였다: (1) 매립심도 90cm, (2) 매립심도 45cm. 모형시험 중에는 지하수위의 변화, 토사 유출량, 그리고 지반 변위를 시험 시작부터 종료까지 연속적으로 측정하였으며, 지반 내부의 변위를 연속적으로 측정, 분석할 수 있는 PIV 기법을 적용하기 위하여, 모형시험 중에 디지털 이미지를 촬영하였다. 촬영된 디지털 이미지를 통해 지반 내부의 변위와 함께 부피 및 전단 변형률을 산정하여 분석을 수행하였다. 두 가지 모형시험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 하수 유입 - 지하수 배수 단계가 진행됨에 따라 매립심도가 낮은 경우에 지하 공동 형성에 대한 저항성이 더 작은 것을 확인하였다. 형성된 공동의 크기 및 배토량 모두 매립심도가 낮은 경우에 매립심도가 높은 경우에 비해 더 크게 나타났다.
(2) 두 번째 하수 유입 단계에서 첫 번째 단계에 비해 공동의 크기가 약 2.5∼2.8배 크게 나타났으며, 매립심도가 낮은 경우에는 지반함몰까지 관측되었다. 이를 통해 공동이 형성된 이후에 하수 유입 및 지하수 유출이 반복될 경우에 지반함몰에 더 취약한 것을 확인하였다.
(3) 매립심도는 지하 공동 및 지반함몰의 발달에 큰 영향을 미치며, 이에 따라 매립심도 기준을 준수하는 것이 상당히 중요하다.
본 연구에서는, 하수관 손상으로 인한 지반함몰 메커니즘 상 내부 지반에 공동이 형성되어야 하는 것을 고려하여, 포장체 및 상재 하중에 대한 고려 없이 지반 내부 공동 및 함몰 현상에 대한 분석만 수행하였다. 실제 지반함몰은 포장층 표면에서 관찰되기 때문에, 포장층 및 상재 하중에 대한 추가적인 고려가 진행된다면, 더욱 정확한 지반함몰 현상 모사가 가능할 것이라고 판단된다.
