인입식 PBD, RCP 공법으로, 연약지반 위 구조물이 안전해지다

[공학저널 전찬민 기자] 연약지반은 구조물의 기초지반으로써 충분한 지지력을 갖지 않은 지반 특성을 가지고 있다. 기초지반은 구조물의 하중을 지반이 견딜 수 있도록 조성돼야 하기 때문에 연약지반 위에 구조물을 건설하기 위해서는 견고한 기초지반으로 연약지반을 개량하는 것이 매우 중요하다.

아무리 튼튼하게 지어진 건물이라 하더라도 견고하지 못한 지반 위에 지어진 건물은 약한 외부 하중 변화에 쉽게 기울어지거나 무너질 가능성이 높다. 실제로 건설 현장에서 지반에 대한 정보가 부족해 지반 사고가 빈번히 발생하고 있으며 특히, 간척 매립지나 유수에 의해 형성된 연약한 퇴적층이 발달한 우리나라에서는 지반에 대한 이해가 절실한 실정이다.

연약한 지반을 견고한 지반으로 개량하기 위한 방법으로는 대표적으로 압밀을 촉진하는 방법과 모래나 쇄석을 지중에 치환하는 방법이 있으며, 그 외에도 시멘트를 경화해 고결시키는 방법 등이 활용되고 있다.

압밀을 촉진하는 방법의 경우, 플라스틱 보드 드레인(PBD)을 지중에 설치해 무른 땅을 견고하게 하는 방법이 있다. PBD 공법은 장비가 간편하고, 시공 속도가 빠르며, 자재비가 비교적 저렴할 뿐만 아니라 지반 교란이 최소화되기에 점차 사용량이 증가하고 있는 공법으로 활용되고 있다.

하지만, 설치 도중 국부적으로 다져진 매립층이나 견질의 모래층 등 상대적으로 단단한 지층을 만나면 배수재의 관입이 곤란한 경우가 많아 기존에는 이러한 층을 선행천공하거나 여타 다른 비싼 공법을 고려해야만 했다.

이에 따라 기존 PBD 공법의 한계를 해결하고자 인입식 PBD 장비가 개발돼 주목을 받고 있다. 이 장비를 개발한 주인공이 바로 ㈜미래지반연구소다.

연약지반 개량 전문기업 미래지반연구소가 개발한 ‘인입식 PBD 장비’는 기존 장비의 문제점을 보완해 보다 효율적인 압입 효과를 발휘할 수 있도록 개선했고, 작업속도도 기존 공법보다 동일하거나 더 빠르게 개선했다. 또한, 선행천공 없이 PBD 시공을 함으로써 지반 교란 영역(Smear Zone)이 최소화될 수 있어 지반에 더 유리하게 설계됐다는 것이 특징이다.

뿐만 아니라 정보화 시공이 가능하도록 전자센서를 부착해 지층의 연약 정도, 천공 심도, 연직도, 관입 저항치를 측정하고 확인할 수 있어 시공성, 품질관리 측면뿐만 아니라 장비의 안정성도 확보했다. 신규 장치의 경우 하부 리더는 사각형 구조, 상부 리더는 삼각형 구조로 중량을 기존 장비 대비 약 25% 정도 감소시켰으며, 케이싱은 내마모강의 자재(AR-500)를 사용해 케이싱의 중량을 30% 감소시키고, 강도를 최적화시켰다.

인입식 PBD는 부산신항, 새만금 도로공사 등 여러 현장에 적용됐으며, 이러한 성과를 바탕으로 그 우수성을 인정받아 지난 2022년 9월 SOC 기술마켓(SOC-EX-2023-04-0342)에 등록됐다.

한편, 연약지반에 모래 또는 자갈 기둥(SCP/GCP)을 형성하는 기존 장비들은 일본에서 일반적으로 사용하던 형식으로 기중기를 개조한 장비를 활용하고 있다. 하지만, 이처럼 기중기를 개조하고, 바이브로 해머를 장착한 장비는 성능뿐만 아니라 전도의 위험성, 건설 환경(진동·소음) 면에서 많은 문제를 가지고 있다.

이에 따라 공사 현장 환경 개선 인식이 확대되면서 새로운 장비에 대한 요구가 증대됨에 따라 미래지반연구소는 무진동·저소음 장비를 이용해 자갈 또는 모래를 다짐해 기둥을 형성하는 ‘RCP(로타리식 쇄석 또는 모래 다짐말뚝) 공법’을 개발했다.

RCP 공법의 장비는 오거형 타입으로 무진동 시공이 가능하기 때문에 케이싱 내 재료 분리를 최소화해 연약지반에 보강재를 효과적으로 다짐할 수 있고, 우수한 관입력으로 원하는 설계 심도까지 시공이 가능하다는 것이 장점으로 손꼽히고 있다.

미래지반연구소 황은아 대표이사(사진)는 “비자주식이었던 기존 장비와 달리 RCP 공법의 장비는 자주식 리더로 리더를 자체 자립 및 하강할 수 있어 안전상 위급한 상황 시 대처가 용이하고, 트랙식 강제승강장치에 의한 리더 연직도 관리도 우수하다”라며 “특히, 스마트 건설에 발맞춰 디지털 자동기록장치를 개발해 자재 투입량, 심도, 리더 각도 등의 시공 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 저장된 데이터들을 통해 스마트 품질관리까지 가능하다는 것이 특징”이라고 말했다.

그는 이어 “무엇보다 RCP 공법의 가장 큰 장점은 무진동·저소음 시공으로 건설 환경이 개선돼 간섭구간에 문화재, 축사, 도심, 주거시설이 있어도 현장에 적용이 가능하다는 점이다”라며 “이 장비는 새만금~전주간 고속도로 개설공사 현장에서 본격적으로 적용돼 순수 국내 기술로 만들어낸 RCP 공법의 기술력, 안정성, 시공성, 건설 환경 등을 인정받았다”라고 말했다.

이러한 기술력을 토대로 2023년 02월 도공 기술마켓 인증기술(기술추천-2022-0212), 2023년 04월 SOC 기술마켓 인증기술(SOC-EX-2023-04-0342)에 등재되며 개발 기술인 인입식 PBD 공법과 RCP 공법 모두 SOC 기술마켓에 등록되는 남다른 행보를 이어나가고 있다.

이처럼 미래지반연구소는 지난 2005년 1인 기업으로 시작해 연약한 지반에 대해 조사에서 설계, VE 검토, 시공(개량공사), 토목·계측·유지관리까지 연약지반의 모든 것을 책임지고 수행하고 있다. 특히, 직접 개발한 장비와 공법으로 단지 조성, 항만, 도로 등 공사 현장에서 연약한 퇴적층을 견고한 기초지반으로 개량하는 작업을 수행하고 있으며, 엔지니어 사업부를 별도로 두어 현장에서 시공 중에 발생할 수 있는 문제점을 미연에 보완·제거하고, 준공 이후에도 시설물 유지관리가 가능한 체계를 갖춘 기업으로 꾸준히 성장해가고 있다.

최근에는 연약 또는 초연약지반 상에 매우 느슨한 모래나 유동화된 점토 등을 준설해 대규모 항만 부지 또는 물류단지, 산업용 부지를 확보하기 위한 해안 매립 공사가 활발하게 이뤄지고 있어 압출식 포설 장치에 대한 개발을 서두르고 있다.

준설토는 일반적으로 함수비가 매우 높고 유동성이 크며 고압축성을 갖는 경우가 많아 준설 매립 지반을 개량하기 위해서는 인력과 장비의 진입을 위한 표층처리공법의 적용이 필수적이다. 하지만, 기존 방식들은 효율이 낮거나 준설토 표층의 소성변형을 수반하는 장치를 이용해 왔다.

이에 미래지반연구소는 작업 효율과 소성변형 억제책을 고민하다가 ‘압출식 포설 장치’를 개발하게 됐다. 압출식 포설 공법은 접지압을 최소화한 포설장치를 이용해 포설 각도, 포설량, 포설 거리 조절이 자유로운 수평배수재 포설 방법으로 무인 제어장치로, 그 원리는 장비 진입 전 원거리에 압성토 시공을 해 연약지반 매트(P.P Mat)를 구속시키고 점진적으로 근거리를 포설함으로써 연약지반의 소성 유동을 최소화하는 방법이다.

또한, 원거리(30~50m)에서 근거리로 점진적 포설을 해 안정적인 단면 형성이 가능함에 따라 균등한 포설 두께를 형성할 수 있고 시공 중 지반침하량이 거의 균등하게 발생해 부등침하에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

최근 부산항 신항 서컨 준설토 투기장 표층 처리 공사 현장에서 압출식 포설기로 시공한 결과 쇄석 포설 시 소성유동이 거의 발생하지 않으며, 균등 포설이 가능한 것을 입증하였고, 현재 접지압 향상을 위한 개선 작업이 한창 진행 중이다.

황 대표는 “현재 가덕도 신공항 프로젝트는 형성하고자 하는 지형이 연약한 바다에 위치하고 있어 연약지반 처리가 필수적”이라며 “이를 효율적으로 수행하기 위해서는 해상에서 연약지반처리를 하고 매립하는 동안에 압밀침하량이 목표치에 도달하게 함으로써 공사기간 단축, 공사비용 절감을 꾀할 수 있어 미래지반연구소는 해상PBD와 관련해 기술 개발에 박차를 가할 계획”이라고 말했다.