지반은 우리가 늘 딛고 사는 땅을 포함하고 삶을 영위하는 기본적인 환경이 된다는 점에서, 건설 재료로써의 중요성 뿐만 아니라 쾌적하고 지속가능하게 유지되어야 할 당위성을 가지고 있다. 더욱이 지반은 사회인프라시설 뿐만 아니라 지하수나 대기와 같은 자연 환경과 직접적으로 접촉하는 매개체로서 물질 배출과 에너지 저감과 관련된 공학적 문제의 중요한 배후나 주체가 되기도 한다. 따라서 이 같은 문제를 다루는 지반환경공학은 역학적 지식 뿐만 아니라 지구화학, 수리학, 토양학, 환경공학, 경제 사회학 등 인접 지식 포함한 통섭적 학문을 이용한 접근법이 필요하다. 나아가 지반환경공학이 가지는 의미는 과거의 지반을 통한 오염물의 확산 방지와 같은 좁은 차원을 넘어서 현재에는 우리가 속한 사회의 지반 환경을 쾌적하게 유지 관리하고 보전하는 전지구적인 기후 변화와 에너지 문제와 관련된 넓은 차원으로까지 확장되고 있다.

네브래스카 링컨 대학(University of Nebraska-Lincoln) 지반공학 및 지반환경공학 연구실은 2016 년 가을 은종완 교수가 네브래스카 대학에 부임하면서 대학원생 2명과 함께 시작되었다. 현재는 박사 과정생 4명, 석사 과정생 1명, 2명의 학부 연구생이 함께 지반공학과 지반환경공학 분야 연구 과제를 수행하는 젊은 연구실이다. 본 연구실은 지반공학이나 지반환경공학과 관련된 기술과 지식 뿐 아니라 관련 학문을 적극적으로 수용하여 우리가 당면한 지반 환경의 복잡한 문제에 대한 공학적 해법을 제시하고자 하는 큰 목표을 가지고 연구자 모두 열심히 연구에 매진 중이다.

혁신적인 지오멤브레인과 가스 차집 시스템의 조합을 이용한 매립지 가스 저감 기술 개발과 평가

현재 미국에서 발생되는 메탄가스의 20% 정도가 생활 폐기물 매립지에서 생성될 정도로 매립지 가스는 지구온난화 가스(Greenhouse gas)에 대해 차지하는 비중이 큰 편이다. 또한 선진국 뿐 아니라 개발도상국에서의 인구 증가와 경제 발전에 따른 광역 도시화로 매립지 근처 주거지에서의 악취 문제가 심각하게 대두하고 있다. 따라서, 이 같은 환경 사회학적 문제를 해결하기 위해 매립지 가스의 실효적인 관리가 중요한 실정이다. 본 연구실에서는 다중층을 가진 혁신적인 지오멤브레인을 토양을 포함한 매립지 커버 차수층에 적용하여 기존의 가스 차집 시스템과의 조합 했을 때 발생하는 매립지 가스를 유효하게 저감하는 방안을 연구중이다.

현재 캠퍼스로부터 약 30 km 떨어진 곳에 위치한 버틀러 카운티 매립지에 10,000 m2에 이르는 실험장을 마련하고 매립지 가스 저감을 위한 현장 계측 실험을 진행 중이다. 그림 1은 실험을 위한 지오멤브레인 설치 과정과 현장 설치된 가스 차집정, 챔버, 측정기를 보여준다. 또한 네브래스카 대학의 지역사회학과와 네브래스카 의과대학교 보건대학과 공동 연구를 통해서 가스 저감이 매립장 근처 주거지에 미치는 사회학적 환경 영향을 평가하고 있다.

고형 폐기물의 열-수리-역학-생화학적 구성 모델 개발

[Thermo-hydraulic-mechanical chemical-biological (THMCB) constitutive model]

고형 폐기물은 일반적으로 그 안에 포함된 유기물이 분해되면서 지속적인 열과 가스를 배출하며 큰 폭으로 부피 변화가 생긴다. 현대의 폐기물 매립지는 공학적 기술을 이용하여 폐기물로부터 발생하는 열과 메탄 가스를 모아 전기를 발전하는 재생에너지로 쓰고 있으며 이는 매립지 관리에도 큰 경제적인 이득이 된다. 현재 전세계적으로 가스 차집과 매립지 관리의 효율성을 높이기 위한 연구는 활발한 편이다.

본 연구실은 100년 주기를 가지는 매립지의 정확한 사용 연한과 가스 배출의 변화량과 지속성을 유효하게 예측하기 위해 고형 폐기물의 열-수리-역학-생화학적 구성 모델 개발하고 있다. 모델 개발을 위해 다양한 실내 실험과 COMSOL Multiphysics 프로그램을 이용한 컴퓨터 모델링을 수행 중이다. 컴퓨터 모델링의 수월성을 위해 대학교에서 지원하는 Holland 슈퍼 컴퓨팅과 클라우드 서버를 사용하고 있다(https://hcc.unl.edu/). 그림 2는 대구경 THMCB 실험 장치 모습과 시뮬레이션 해석을 보여준다.

피에조 콘과 함께 부착된 Hydraulic Profiling Tool(HPT) 과 membrane interface probe(MIP)를

이용한 지반 정수 및 지반 환경 상태 평가

콘관입시험은 현장에서 여러 지반 정수를 획득하기 위한 원위치 현장 시험으로 많이 이용되어져 왔다. 본 연구실은 피에조 콘 뿐만 아니라 현장에서 관입 시험시 깊이에 따른 연속적인 지반 투수계수를 산정하고 화학적 생물학적 오염도를 선택적으로 측정할 수 있는 Hydraulic Profiling Tool(HPT) 과 membrane interface probe(MIP)를 보유하고 있다. 이 같은 혁신적인 HPT 와 MIP를 이용하면 콘관입 시험에서 얻는 지반 정수 외에 현장 지반 조건 하에서 투수 계수, 전기저항성, 온도 변화, 비극성 오염물질의 농도 등을 측정 할 수 있어 더욱 정밀한 현장 지반 조사가 가능하다. 또한 콘을 관입할 수 있는 Geoprobe 7822DT Drilling Rig과 장비 이송을 위한 8m 가량의 트레일러를 보유하고 있으며, 이 트레일러는 기본적인 토질 실험을 할 수 있는 장비를 사용 할 수 있다.

이 같은 장비는 현재 전체 미국 대학에서 유일하게 보유한 장비이다. 그림 3은 피에조 콘을 포함한 HPT와 MIP 를 보여 주며 그림 4는 매립지에서 수행되는 콘관입 시험과 그 실험 데이터를 보여준다.

산업 부산물(Industrial byproduct) 과 지반신소재(Geosynthetics)를 포함한 다양한 지반 재료에 대한 불포화토 실험

본 연구실에서는 지반신소재나 산업 부산물의 지반공학적 적용을 확대하기 위하여 현장 흙의 조건을 고려한 불포화 조건에서의 특성화를 연구 중이다. 이 같은 연구 결과는 향후 지반의 계절적 변화나 현장 함수 조건을 고려한 지반의 안정성과 투수성 해석 등에 적용할 수 있다. 연구실은 ASTM D6836의 기준에 맞는 불포화 장비를 구비하고 운영 중에 있다. 그림 5는 대표적인 불포화토 실험인 hanging column test 와 Pressure plate test의 장비를 보여준다.

지반 신소재(Geosynthetics) 와 현장 계측 데이터를 이용한 지반구조물의 공학적 성능 개선

또한 본 연구실에서는 지오텍스타일 및 지오그리드 등과 같은 다양한 지반 신소재를 지반공학 및 지반환경공학적 문제에 적용하여 공학적 성능을 개선 시킬 수 있는 연구를 수행 중이다. 지반 신소재와 관련해서는 Tensar나 Tencate 같은 제조사나 주 정부의 도로국과 공동 연구를 수행중이다. 특히 주정부에서 요구하는 시방서의 개정이나 설계 인자 제안을 위한 실용적인 연구가 진행되고 있다.

본 연구실은 지반신소재의 기본적인 물성 실험 장비 및 대단위 지반신소재 Pullout box시험과 직접전단 시험 장비를 보유하고 있으며 실험을 통해 얻어진 기본적인 물성 정보를 바탕으로 신소재로 보강된 도로, 인접 접속부, 교대 뒷채움재, 보강토 옹벽에 대한 수치해석을 수행하고 있다. 또한 광섬유(Fiber optic cable) (그림 6)를 포함한 다양한 계측 장비를 이용해서 지반구조물의 장기 거동 모니터링하고 그 결과를 네브래스카 주 설계에 반영하는 연구도 진행 중이다.

네브래스카 링컨 대학과 학술 활동

네브래스카는 미국 중부 대평원에 위치한 주로서, 대표적인 도시에는 보험업과 건설업이 활발한 경제 중심지인 오마하와 주청사와 플래그쉽 (flagship) 대학인 네브래스카 링컨 캠퍼스가 위치한 링컨이 있다. 특히 오마하는 세계적인 자수성가형 부호 워렌 버핏이 현재까지 살고 있는 도시로 잘 알려져 있고 미국에서 가장 맛있는 쇠고기 스테이크로 유명하다. 오마하에는 미국을 대표하는 여러 건설회사와 철도회사가 본사를 두고 있는데 Kiewit Corp., HDR, Inc., DLR Group그리고 Union Pacific 등이 그 예이다.

올해 개교 150주년을 맞는University of Nebraska-Lincoln 은 미국 중서부 지역의 대학 연합체인 Big 10 컨퍼런스에 속하며 주에서 유일하게 공과대학이 있는 연구 중심 대학이다. 특히 네브래스카 대학은 미식 축구로 잘 알려져 있고 학생들과 네브래스카 주민의 축구에 대한 사랑이 대단하다. 경기가 있는 날이면 9만 4천여명을 수용할 수 있는 대학 memorial stadium 이 항상 가득찬다. 그림 7는 미식축구 경기 모습과 아름다운 학교 캠퍼스의 모습이다.

Univ. Nebraska 건설환경공학과(https://engineering.unl.edu/cee/) 는 설립 110주년으로 현재 34명의 전임 교수, 500여명의 학부생과 120여명의 대학원생 등으로 구성되어 있으며 모든 구성원이 건설환경 분야에서 열심히 연구와 교육, 배움에 매진하고 있다. 최근 5년 간 공과대학에 100여명의 신임 교수, 건설환경공학과에 16명의 신임 교수를 채용할 정도로 대학 차원에서의 공대와 건설 분야에 연구 투자가 활발하다. 특히 필자가 속한 Geo-Material 프로그램은 현재 6명의 교수로 구성되며 지반-재료 분야에서 광범위한 공동 연구가 활발하게 진행되고 있다.

필자가 위원으로 있는 미국토목학회의 Geo-Institute 네브래스카 지부는 매년 2월에 Geo-Omaha 라는 학술대회를 개최하는데 지역 엔지니어, 공무원, 학계 등 다방면에서 매년 등록 인원이 350명 이상이며 참자자들 사이에 매우 활발한 학술 활동을 하고 있다. 또한 필자는 지난 2019년 4월에는 “지반환경공학과 폐기물관리”라는 주제로 워크샵을 개최하여 성공적으로 끝마쳤다. (그림 8 좌측) 필자는 다양한 교육 프로그램을 통하여 지반환경공학에 대한 초, 중, 고등학교 교육에도 적극적으로 참여하고 있다. (그림 8 우측)

마지막으로 미래의 지반공학 및 지반환경공학자는 지반은 인간에게 필수 불가결한 자연 및 사회를 이루는 원천임을 늘 인식하는 것이 중요하다. 또한 현재 지구적으로 당면한 상황, 예를 들면 기후 변화와 여러 자연 재해가 매우 심각한 만큼 우리에게 주어진 기회는 어느 때 보다 크다고 할 수 있다. 무엇보다 한국 뿐 아니라 세계 어느 곳에서라도 “지구 문제 해결사”라는 자부심을 가지고 열정을 다해 일하는 것이 필요하다.

저자소개

은종완 교수는 연세대학교 사회환경시스템공학부를 졸업하고 같은 대학에서 얕은 기초 구조물의 지지력과 침하 해석으로 석사를 취득하였다. 그 후, 미국으로 유학해서 텍사스 오스틴 대학에서 지반신소재 (Geosynthetics)의 도로 구조물 적용으로 석사, 위스콘신 매디슨 대학에서 지반환경공학 분야로 박사 학위를 받았다. 뉴욕대학교 아부다비 캠퍼스에서 연구교수를 역임한 후 2016년 가을부터 네브래스카 링컨 대학 조교수로 근무 중이다.