1. 서론
콘크리트궤도는 열차의 주행안정성 및 승객의 승차감, 생애주기비용 등의 측면에서 기존 자갈궤도과 비교하여 유리하다고 평가되고 있다. 그러나 콘크리트궤도 구간에서 침하가 발생하게 되면 궤도의 사용성이 저하되고 대처방안이 제한적이기 때문에, 토공구간에 적용하기 위해서는 노반의 침하를 기준치 이내로 관리할 수 있어야 한다. 특히 연약지반구간에서 콘크리트궤도를 시공할 경우에는 압밀촉진공법, 치환공법 등의 연약지반처리를 시행하거나 교량으로 대체할 필요가 있다. 그러나 압밀촉진공법은 허용잔류침하량을 충족시키기 어렵고 공기를 확보하는데 어려움이 있으며, 치환공법이나 교량은 건설비가 고가인 단점이 있다. 따라서 연약지반 구간에서 허용침하량기준을 만족하고 건설비를 대폭 절감할 수 있는 신형식의 침하억제공법의 개발이 필요하다.
토목섬유보강 성토지지말뚝공법은 성토재, 궤도 및 교통하중 등을 지지말뚝을 통하여 기반암으로 직접 전달시킴으로서 지반에서의 압밀침하를 유발하지 않기 때문에 연약지반의 장기침하를 근본적으로 억제할 수 있는 공법이라고 할 수 있다. 그림 1과 같이 토목섬유보강 성토지지말뚝은 연약지반 구간에서 일정한 간격으로 말뚝을 시공해 상대적으로 지지강성이 작은 연약지반에 전단저항을 유발하여 아칭구조를 형성함으로써, 연약지반에 작용하는 연직응력을 감소시키고 말뚝으로 전달되는 연직응력을 증가시키는 시스템을 가리킨다. 또한 지반아칭효과의 불확실성을 보완하고 말뚝으로의 하중전이 효과를 증대시키기 위하여 지지말뚝과 성토지반 경계부에 인장강성을 갖는 토목섬유로 보강한 하중전이층(Load Transfer Platform)을 시공한다.
2. 토목섬유보강 성토지지말뚝 상세설계법 개발
성토지지말뚝공법은 1980년대부터 설계와 시공이 진행되었으나, 과도한 시공비와 안정성 등의 문제로 인해 제한적으로 적용되었다. 그러나 최근 공기단축 및 잔류침하 억제 등의 목적으로 적용이 증가하고 있는 추세이다. 기존 설계방법은 지지말뚝 주변의 조건 변화에 따른 아치구조의 변화를 고려할 수 없었으나, 본 연구에서는 수치해석 및 실대형 모형실험을 통하여 한계평형상태의 아칭이론을 바탕으로 주변 조건에 따라 외측부 아치높이(연약지반 중앙부에서 연직응력이 감소하는 점)의 변화를 고려할 수 있는 3차원 타원형 아칭이론을 개발하였다(그림 2 참조). 또한 지지말뚝 상부 성토지반의 하중 중에서 아칭효과를 통해 지지말뚝으로 전달되지 못한 잔류하중은 토목섬유 상부에 작용하기 때문에 토목섬유를 설계하기 위해서는 지반과 지지말뚝 사이에 분포되는 하중형상을 가정하여야 하며, 실내시험을 통하여 기존 하중형상보다 정확한 값을 나타내는 등분포 형태로 수직하중을 적용하였다. 수치해석 및 실내실험을 통하여 검토된 지지말뚝 사이의 아칭구조와 토목섬유의 하중형상 결과를 적용하여 그림 3과 같이 토목섬유보강 성토지지말뚝 설계를 위한 상세설계법을 확립하였다.
3. 토목섬유보강 성토지지말뚝 현장시공
본 연구에서 개발된 토목섬유보강 성토지지말뚝의 적용성 및 성능검증을 위하여 그림 4와 같이 “익산∼대야 복선전철 제1공구 노반건설공사” 현장 연약지반구간 40m에 적용·시공하였다. 지반조사 결과를 바탕으로 말뚝의 지지층은 풍화암, 지지층의 심도는 지표하 26.0∼27.0m, 말뚝의 간격은 위치별로 2.0×2.0m와 2.5×2.5m로 적용하였다. 토목섬유(지오그리드)의 장기설계 인장강도를 고려하여 성토 보강용으로 적합한 일방향의 인장강도 200kN/m의 토목섬유를 2겹으로 포설하였다. 지지말뚝으로의 하중전이 효과를 증대시키기 위하여 지지말뚝의 말뚝캡을 확장하였고, 아칭효과의 불확실성을 보완하기 위하여 토목섬유, 직포 및 40mm 이상의 혼합골재를 이용하여 하중전이층을 시공하였다(그림 5 참조). 하중전이층 시공시 토목섬유의 기능을 높이기 위하여 그림 6과 같이 토목섬유 양 끝단부에 토목섬유 튜브를 이용한 수동저항체 앵커리지를 형성하여, 하중전이층의 상하부 마찰저항과 수동저항체 앵커리지를 통해 인발저항력을 증대시키고 지지말뚝 사이의 토목섬유 처짐을 최소화하였다. 또한 수동저항체 앵커리지가 고정체로서의 역할을 함으로써 하중전이층 및 성토층 시공시에 토목섬유의 유동이나 접힘현상을 방지할 수 있기 때문에 토목섬유의 균질한 포설 및 토목섬유의 설계인장력이 발휘될 수 있도록 적용하였다.
시공된 토목섬유보강 성토지지말뚝공법의 성능 및 안정성을 평가하기 위하여 하중계와 지표침하계를 이용해 지지말뚝에 작용하는 하중과 지표면의 침하량을 계측하였다. 하중계를 분석한 결과, 말뚝캡 상단에서의 토압은 이론토압의 1.6∼3.4배, 말뚝과 말뚝 중간에서의 토압은 이론토압의 0.54∼1.11배로 측정되어(그림 7 참조), 말뚝과 지반의 상대적인 강성 및 침하량 차이에 의해 성토지반 속에 지반아칭현상이 발현되고 이로 인하여 대부분의 성토하중이 말뚝으로 전이되어 성토체 하부의 연약지반에 작용하는 하중이 미소하게 된다는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 지표침하계를 검토한 결과, 그림 8와 같이 발생침하량이 1.0∼3.0mm로 노반 성토 완료 후 지표에서의 침하량은 매우 미소한 것으로 나타났다.
4. 토목섬유보강 성토지지말뚝 생애주기비용 분석
성토지지말뚝공법의 경제성을 분석하기 위하여 호남고속철도 건설시 사용된 PSC 박스거더 교량과 성토지지말뚝공법의 생애주기비용(LCC : Life Cycle Cost)을 비교·분석하였다. 생애주기비용은 관리주체비용(초기공사비용, 유지관리비용, 해체·폐기비용)과 간접비용(이용자비용, 사회경제적 손실비용)을 포함하며, 공용기간 동안의 화폐가치를 반영하기 위하여 이자율과 인플레이션의 상관관계를 이용하여 할인율 2.0%를 적용하였다. 성토고(H) 12.0m이고 연약지반 심도(D) 15.0m일 때 교량과 생애주기비용을 분석한 결과, 그림 9와 같이 성토지지말뚝공법의 초기공사비용이 교량에 비해 121.4%로 높지만 정기적인 유지관리 및 해체·폐기비용이 거의 발생하지 않아 최종 생애주기비용은 49.4%로 나타나 상당히 경제적임을 확인할 수 있었다.
5. 맺음말
본 연구에서는 연약지반구간에 콘크리트궤도 시공시 침하발생을 억제할 수 있는 토목섬유보강 성토지지말뚝공법을 개발하고, 신설 철도노반건설공사 현장에 시공하여 성능을 검증하였다. 말뚝두부에서의 하중 및 지표면 침하량을 분석한 결과, 성토지반에서 지반아칭이 발현되고 대부분의 상부하중이 지지말뚝으로 전달되어 지표면 침하량이 미소하게 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 토목섬유보강 성토지지말뚝공법은 구조적 안전성, 시공성 및 침하억제와 같은 사용성이 확인되는 공법으로, 향후 연약지반 상에 철도 건설시 충분히 적용 가능한 것으로 확인되었다.
