KDS 설계기준 11 30 05 연약지반 설계일반

2024년 07월 06일 건설엔지니어

1. 일반사항

1.1 목적

본 기준은 지반에 건설되는 구조물에 대하여 안정성을 확보하지 못하는 연약지반의 설계 기준을 제시하는 것을 목적으로 한다.

1.2 적용범위

본 기준은 지반에 건설되는 구조물에 대하여 안정성을 확보하지 못하는 연약지반의 보강이나 대책 공법 설계에 적용된다.
연약지반은 쌓기 규모나 구조물 목적에 따라 상대적인 의미로 평가되며, 원지반이 건설되는 구조물에 대해 안정성을 만족하지 못할 경우 연약지반으로 취급하여 지반보강이나 대책을 강구해야 한다.
연약지반 대책 공법으로서 지반개량을 시행할 경우 기초지반의 특성, 구조물의 종류와 크기, 시공기간과 난이도, 경제성, 환경영향 등을 고려하여 적합한 개량 공법을 선정해야 한다.

1.3 참고 기준

1.3.1 관련 법규: 내용 없음
1.3.2 관련 기준:
- KDS 11 10 05 지반설계 일반사항

1.4 용어의 정의

모르타르: 시멘트, 잔골재, 물 및 필요에 따라 첨가하는 혼화 재료를 구성 재료로 하여, 이들을 비벼서 만든 것, 또는 경화된 것
연약지반: 구조물의 기초 지반으로서 충분한 지지력과 침하에 대한 안정성을 갖지 못하여 지반 개량 또는 보강 등의 대책이 필요한 지반
연직 배수 공법: 점토층 중에 투수층에 연결된 연직한 배수로를 형성하여 압밀을 촉진하는 공법. 배수재로서 모래를 쓰는 샌드드레인, 모래를 자루에 담은 팩드레인, 플라스틱 제품을 사용하는 PVD(Prefabricated Vertical Drain) 공법이 있다.
전기 비저항 탐사: 물리 탐사법의 일종으로 지반 내 전류를 흘려보냄으로써 비저항을 측정하여 지반의 지질 구조 및 지하수 분포 구간 확인 등을 조사하는 방법

1.5 기호의 정의

선행 압밀 하중 (σ_p): 과거에 점토가 받았던 최대 유효 연직 응력
압축 지수 (C_c): 압밀 시험 결과 얻어진 σ – e 관계 곡선에서 직선 부분(원시 압축)의 기울기
재압축 지수 (C_r): 압밀 시험 결과 얻어진 σ – e 관계 곡선에서 재압축 곡선(과압밀 영역)의 기울기
초기 간극비 (e₀): 압밀 시험 시작 전 시료의 초기 간극비
압밀 계수 (c_v): 지반의 압밀 속도 즉, 지반의 압밀 침하가 진행되는 데 걸리는 시간을 계산하기 위해 필요한 값. 압밀 시험 결과 얻어진 시간 – 압축량 관계 곡선으로부터 구할 수 있음.

1.6 연약지반의 판정

연약지반 유무 판단은 시추 조사와 병행하여 실시하는 원위치 조사인 표준 관입 시험, 콘 관입 시험 등을 통해 판단해야 한다.
연약지반의 잠재성을 내포하고 있는 지반의 판정은 점성토 지반과 사질토 지반으로 나누어 판단한다.
판정 기준:
- 절대적인 판정 기준은 곤란하나 실무적 견지에서 판정 기준은 필요하며, 일반적인 경우 연약지반의 판정은 표 1.6-1에 따라 연약지반을 판정하며, 구조물에 대해 안정성을 만족하지 못하는 경우에는 연약지반으로 판정한다.
- 점성토 및 이탄질 지반에서의 N값을 이용한 연약지반 판정은 신중하게 적용해야 한다.
- 표 1.6-1은 최소 기준이며, 액상화 검토 유무 및 구조물의 허용 침하량 기준을 고려하여 연약지반을 판정해야 한다.

표 1.6-1 연약지반 판정 기준

| 구분 | 점성토 및 이탄질 지반 | 사질토 지반 | |—|—|—| | 층 두께 | 10m 미만 | 10m 이상 | – | | N값 | 4 이하 | 6 이하 | 10 이하 | | (kN/㎡) | 60 이하 | 100 이하 | – | | (kN/㎡) | 800 이하 | 1,200 이하 | 4,000 이하 |

2. 조사 및 계획

2.1 조사 및 계획 일반

연약지반 특성 평가를 위한 조사 및 시험 계획 수립 시 다음 사항에 유의해야 한다.
- 지반 조건에 적합한 조사 항목과 시험을 계획해야 한다.
- 심도별 응력 이력과 전단 강도 분포의 추이를 구하기 위해서는 동일 지반 정수에 대해 최소한 회귀 분석이 가능한 수량이 확보되도록 해야 한다.
지반 개량을 실시한 후의 지반에 대하여는 개량 효과 확인을 위해 지반 조건에 적합한 시험 계획을 수립해야 한다.

2.2 연약지반 확인 조사

표 2.2-1과 같은 상세한 지반 조사를 통하여 연약지반의 특성을 확인해야 한다.
연약지반의 침하 문제는 원위치 조사에서 확인되지 않는 지형에서 주로 발생할 가능성이 있으므로, 전체 노선에 대한 국부적인 연약지반 평가가 필요한 구간에 대해 탄성파 탐사나 전기 비저항 탐사를 적용할 수 있다.
연약지반의 전단 변형 특성을 파악할 필요가 있을 경우에는 공내 재하 시험을 적용할 수 있다.

표 2.2-1 연약지반 조사 항목

3. 설계

3.1 일반사항

점성토층의 침하 특성 파악을 위해 토성 시험 및 압밀 시험 결과로부터 선행 압밀 하중 (σ_p), 압축 및 재압축 지수 (C_c, C_r), 초기 간극비 (e₀), 압밀 계수 (c_v) 등을 분석해야 한다.
침하량 계산 시 다음 사항을 고려해야 한다.
- 일반적으로 점토 지반의 즉시 침하는 매우 작아서 무시하고 압밀 침하는 간극 수압의 소산으로 발생하는 1차 압밀 침하량과 토립자의 재배치에 의한 2차 압축 침하량으로 구분하여 계산한다.
- 침하량 계산 방법은 현장 계측값과는 다소의 차이가 있을 수 있으므로 시공 시 계측을 통하여 압밀 침하를 관리해야 한다.
- 허용 잔류 침하량은 공사 목적물에 따라 지반 개량 공법의 수량 및 지반의 안정, 공사 기간에 큰 영향을 미치므로 지반 특성 및 사용 목적, 중요도, 공사 기간, 경제성 등을 고려하여 결정해야 한다.
압밀 시간은 지반 개량 공사에 있어서 공사 기간을 결정짓는 중요한 요소로 작용하며 이를 예측하기 위해서는 시간에 따른 압밀도를 면밀히 파악해야 한다.
전단 강도 특성을 분석하는 데 있어서 다음 사항을 고려해야 한다.
- 전단 강도 특성 분석은 전응력 해석과 유효 응력 해석으로 구분될 수 있으며, 전응력 해석 시에는 비배수 전단 강도를 이용하고, 유효 응력 해석 시에는 간극 수압을 결정하여 해석해야 한다.
- 연약지반에서는 성토 직후가 가장 위험한 경우이므로 이때를 대상으로 안정성 검토를 수행해야 한다.
압밀에 의한 강도 증가율을 산정하는 방법에는 비압밀 비배수 (UU: Unconsolidated Undrained) 삼축 압축 시험 및 일축 압축 시험 결과의 선형 회귀 분석에 의한 방법, 압밀 비배수 (CU: Consolidated Undrained) 삼축 압축 시험과 경험식을 이용하는 방법 등이 있으므로 이들을 종합하여 사용한다.

3.2 연약지반 개량 공법

3.2.1 치환 공법

치환 공법은 굴착 단면의 안정성, 침하량, 시공성 등을 검토하여 결정한다.
치환 범위는 치환 깊이, 치환 폭, 굴착 경사 등을 가정한 안정 계산과 침하 검토를 통해 결정한다.
소요 안전율에 가장 가깝게 도달할 때까지 반복해서 단면을 변화시키는 방법으로 최종 치환 범위를 정한다.
굴착 단면의 안정성 검토:
- 부분 치환에 널말뚝이나 보조 공법이 설치된 경우 단면 전체의 복합적인 활동에 대한 안정성을 검토한다.
- 전면 치환인 경우에도 바닥면이 경사진 경우에는 바닥면에서의 활동을 포함한 복합 활동을 검토한다.
치환 단면의 하부에 점토가 남아있는 경우 (부분 치환이나 지반 굴착 비탈면의 하부) 압밀 침하가 상부 구조물에 미치는 영향을 검토한다.
치환 재료의 내부 마찰각은 입자 형태, 입도 분포, 투입 방법, 투입 순서, 방치 간격, 재하 하중 등의 영향을 고려하여 선정한다.
액상화 가능성에 대한 평가를 실시할 경우 입도 분포와 N값을 이용하여 검토할 수 있다.
치환이 완료된 후 추가적인 침하가 발생하는 경우, 확인 조사를 시행하여 국부적인 연약층의 존재 여부를 확인한다.

3.2.2 연직 배수 공법

지반 개량을 위한 목표 강도 증가량, 공사 기간, 구조물의 장래 허용 침하량, 연직 배수공 시공 범위 등을 고려하여 설계한다.
지반 개량에 필요한 흙쌓기 높이와 폭은 시공 중 및 완성 시 흙쌓기의 안정에 필요한 한계 쌓기고, 강도 증가량, 장래 허용 침하량 및 주변의 영향 등을 고려하여 결정한다.
흙쌓기의 안정에 필요한 흙쌓기 높이와 폭이 결정된 최종 단면은 한계 쌓기고를 고려하여 여러 단계로 나누어서 시공하도록 설계한다.
- 각 시공 단계의 단면 형상은 그 단계까지의 강도 증가량을 고려하여 그 단계의 흙쌓기 안정성을 검토하여 결정한다.
연직 배수공 설계는 연직 배수재의 간격과 직경 및 점성토층 상하부의 배수 조건, 그리고 연직 배수재 재료의 특성 및 상부 수평 배수층의 특성과 두께를 고려한다.
연직 배수재 및 상부 수평 배수층은 적합한 배수 기능을 가진 재료를 선택하여 투수 저항이 발생하지 않도록 한다.
연직 배수재의 간격과 배치는 교란 효과를 고려하여 필요한 공사 기간 내에 요구되는 압밀도를 얻을 수 있도록 결정한다.
연직 배수 공법의 압밀 이론의 적용에 있어서 다음 사항을 고려하도록 한다.
- 연직 배수 공법의 적용은 Barron의 압밀 이론식과 Hansbo, Youshikuni, Onoue 등의 압밀 관련 이론식을 상호 보완하여 적용한다.
- 주어진 기간 내에 소요의 압밀도를 달성할 수 있도록 배수재 간격을 적정하게 설계해야 한다.

3.2.3 심층 혼합 처리 공법

심층 혼합 처리 공법은 원지반의 연약 점성토와 고화제를 강제적으로 혼합하여 지반 중에 견고한 안정 처리토를 형성하는 연약지반 개량 공법으로서 중력식의 방파제, 안벽 또는 호안의 하부 기초 공 등에 적용한다.
심층 혼합 처리 공법에 의한 지반 개량 설계 시 외부 안정과 내부 안정 및 개량체의 변위를 검토하며, 개량체에 작용하는 외력은 각 검토 내용에 따라 적합하게 산정한다.
안정 처리토 배합 설계는 현장 시공과 동일 조건에서 시행하며, 현장 시험 또는 실내 배합 시험을 실시하여 배합 강도를 결정한다.
개량체의 내부 응력 검토를 위해서 적합한 허용 응력을 설정한다.
개량체의 외부 안정은 활동, 전도, 지지력에 대해서 안전하도록 설계한다.
외력에 의해 개량체에 생기는 응력은 안정 처리토의 허용 전단 응력 및 허용 인장 응력을 초과하지 않도록 설계한다.
벽식 개량의 경우 긴 벽 사이에 있는 미개량토의 압출에 대해서 검토한다.
개량체는 원호 활동에 대해 안전하도록 설계한다.
개량체가 부상형 또는 착저형인 경우에도 지지층의 하부에 점성토가 존재하고 있을 때에는 측방 이동 또는 압밀에 의한 변위 (수평, 연직)를 검토한다.
환경 영향성 평가 시험 결과를 통해 지반 개량 재료를 선정하여, 염분, 유기물 등에 의한 열화 현상이 발생되지 않도록 하고, 해수 및 지하수의 오염, 지반 오염 등의 지반 환경 문제가 발생하지 않도록 설계한다.

3.2.4 고압 분사 주입 공법

고압 분사 주입 공법은 공기나 물의 힘으로 지반을 절삭하여 주입액을 초고속 분사함으로써 그 절삭 부분의 토사와 치환하거나 토사와 혼합함으로써 계획하는 방향이나 범위 내에 고결체를 형성하는 공법이다.
고압 분사 주입 공법에 의한 지반 개량 설계 시에는 아래의 항목에 대한 지반 조사와 실내 시험이 필요하다.
- 대상 지반의 지층 구성, 지하수위 등
- 지층의 물리적 특성 (함수비, 입도 조성 등)
- 지층의 역학적 특성 (N값, 점착력, 내부 마찰각 등)
지반 조건과 시공 조건으로부터 대상 지반 N값, 시공 깊이 등을 고려하여 공법의 적합성을 검토한다.
(3)항의 방법에 따라 선정할 수 없는 경우 공사 목적, 공사 규모, 공사 기간, 경제성, 공법의 특성 등을 고려하여 현지 조건에 가장 적합한 공법을 선정한다.
표준 유효 경은 토층 조건 (토질, N값, 투수 계수, 입도 조성, 점착력 등)과 시공 조건 (시공 심도, 깊이, 시공 목적, 설계 강도, 지하수위 등)에 따라 결정한다.
설계 시 개량체의 단위 체적 중량 및 내부 마찰각은 원지반과 동등하고 점착력만 증가하는 것으로 가정하며, 개량체의 7일 설계 강도는 28일 강도의 30%∼40%가 되도록 한다.
지반 보강 및 차수를 목적으로 하는 경우 중첩 배치를 하며, 지반 보강만을 목적으로 하는 경우에는 접점 배치를 한다.
안전율은 시공성과 시공 목적을 고려하여 결정한다.
강도 열화와 지반 환경 오염에 대한 대책은 이 기준의 3.2.3(10)과 같다.
유속이 있거나 모래 자갈층, 실트층의 경우 급결 분사식 고압 분사 공법을 적용해야 한다.
고압 분사 공법은 주변 지반의 변위 및 팽창으로 인해 함몰, 융기 등의 위험성이 있으므로 변위를 억제할 수 있는 센서 등을 장착하여, 최소한의 지반 변위를 억제 또는 통제할 수 있어야 한다.

3.2.5 저유동성 모르타르 주입 공법

저유동성 모르타르 주입 공법은 저유동성의 몰탈형 주입재를 지중에 압입하여 원기둥 형태의 균질한 고결체를 형성함으로써 주변 지반을 압축, 강화시키는 공법이다.
주입재의 배합 설계 시 주입재를 통제할 수 있는 유동학적 특성을 고려하여, 골재와 세립토의 입도 조성과 주입재의 슬럼프 및 컨시스턴시, 특히 0.08mm보다 작은 세립분 양의 조절에 주의한다.
주입 압의 상한 값 (지표면이나 구조물의 융기를 일으키는 압력)은 현장 여건을 고려하여 설정한다.
정압 주입 개념으로 허용 주입 압을 통해 조절하도록 설계하며 주입률은 현장의 지반 특성에 따라 결정한다.
주입 방식 결정 시 개량 대상 지반의 지층 구성, 구조물의 구조, 개량 목적 등을 고려한다.
주입공의 배치와 주입 순서는 시공 목적과 현장 조건을 고려하여 경제성과 주입 효과를 극대화하도록 설계한다.
지반 조사를 통하여 각 주입공 및 단계별로 표준 목표 체적을 미리 선정하며 지표면 융기를 발생시키지 않아야 한다.
지반 개량 목적일 경우, 사전에 목표로 하는 간극률 감소량이나 상대 밀도 증가량을 정하여 이를 토대로 주입 체적을 산정한다.
강도 열화와 지반 환경 오염에 대한 대책은 이 기준의 3.2.3(10)과 같다.

3.2.6 모래 및 쇄석 다짐 말뚝 공법

사질토와 실트질 모래 지반을 대상으로 하는 경우 대상 지반의 특성 및 시공 방법의 특징을 고려하고 시험 시공 결과를 참조하여 설계하며, 시험 시공 계획은 간극비에 의한 다짐도 검토, 시공 실적 등을 종합적으로 판단하여 결정한다.
점성토 지반을 대상으로 하는 경우 개량 후 지반의 복합성과 시공에 의한 영향을 고려한다.
모래 및 쇄석 다짐 말뚝 공법 설계 시 모래 및 쇄석 말뚝의 강도, 말뚝 치환율, 구조물에 대한 개량 범위의 치환 관계, 외부 조건 (크기, 방향, 하중 경로, 재하 속도 등), 말뚝 사이 지반의 강도와 구속 압, 말뚝 타설에 의한 개량 범위 내외의 교란 영향, 말뚝 타설에 의한 지표면의 융기 현상과 그 흙의 특성, 그리고 이용 유무 등을 고려한다.
모래 말뚝 재료는 투수성이 좋고, 세립분 (0.08mm 이하)의 함유량이 적으며, 입도 분포가 좋고, 다짐이 쉬우며, 소정의 강도가 기대되고, 케이싱으로부터의 배출이 용이한 재료가 적합하며, 개량 목적과 치환율을 고려하여 선정한다.
쇄석 말뚝 재료는 최대 직경이 40mm 이하이고 세립분 (0.08mm 이하)의 함유량이 적은 재료가 적합하며, 개량 목적과 치환율을 고려하여 선정한다.
모래 및 쇄석 말뚝 재료의 구득이 용이하지 않을 경우 동등 품질 이상의 순환 골재를 사용할 수 있다.
복합 지반의 전단 강도 산출 식이나 설계 제정수를 산정할 때에는 각각의 조합에 대한 기존의 시공 실적을 참조하여 결정한다.
설계 정수는 원지반의 강도, 안전율, 안정 계산 방법, 시공 속도 등을 고려하여 결정한다.
압밀 침하량은 안정 계산에서 결정된 안전율로부터 말뚝 직경, 말뚝 배열, 배치 (정사각형 또는 삼각형 배치 등)를 구하고 압밀도와 경과 시간의 관계를 계산한 후, 계산된 미개량 지반의 최종 압밀 침하량에 침하 감소 계수를 곱하여 복합 지반의 최종 침하량을 계산한다.

3.2.7 로드 콤팩션 공법

로드 콤팩션 (rod-compaction) 공법은 지반 중에 봉상 혹은 말뚝상의 진동체를 타입하고 진동에 의해 지반을 다지는 공법이다.
본 공법의 설계는 이 기준의 3.2.6에 준하며, 대상 지반의 특성 또는 시공 방법의 특징을 충분히 고려하고 기존 시공 실적 또는 시험 시공 결과를 반영해야 한다.

3.2.8 바이브로 플로테이션 공법

바이브로 플로테이션 공법은 수평 방향으로 진동하는 진동체를 진동체의 하단에 물을 분출시키면서 소정의 깊이까지 지중에 삽입하여 진동체 주변에 있는 간극에 지표에서 모래나 자갈 등을 보급하면서 끌어 올림으로써 느슨한 모래 지반을 심층 다짐하는 공법이다.
바이브로 플로테이션 공법의 설계 시 대상 지반의 특성, 바이브로 플로트의 타설 밀도, 바이브로 플로트의 능력, 개량 전후 지반의 N값과의 상관 관계를 고려해야 하며 신뢰할 수 있는 자료가 없는 경우, 실트가 많은 지반, 사질토층과 점성토층이 서로 반복되는 지반에서는 시험 시공 결과에 따라 설계한다.
원지반에 대한 지반 조사를 실시하여 본 공법에 의해 개량되는 지반의 특성이 개량 구조물의 성질, 지반에 대한 하중 강도, 하중 분포 등의 만족 여부를 검토한다.
시험 시공을 위한 예비 설계는 이 기준의 3.2.6에서 정하는 바를 따른다.

3.2.9 약액 주입 공법

그라우팅 (grouting)이라고도 불리는 약액 주입 공법은 지반 내에 주입관을 삽입하여 약액 (주입재)을 압력으로 주입하거나 혼합하여 지반을 고결 또는 경화시켜 강도 증대 또는 차수 효과를 높이는 공법이다.
약액 주입 공법의 설계는 대상 지반의 특성 및 시공 방법의 특징과 기존의 시공 실적 또는 시험 시공의 결과를 고려하여 수행한다.

3.2.10 진공 압밀 공법

진공 압밀 공법은 압밀 시 필요한 하중을 기존 재하 공법의 성토 하중에 의하지 않고 인위적으로 지중을 진공 상태로 만들어 이에 작용하는 대기압을 재하 하중으로 활용함으로써 지중에 설치한 배수재를 통해 과잉 간극수를 배출하여 지반의 압밀을 촉진시키는 공법이다.
진공 압밀 공법의 설계는 대상 지반의 특성 및 시공 방법의 특징과 기존의 시공 실적 또는 시험 시공의 결과를 고려하여 수행한다.

3.2.11 지하수위 저하 공법

지하수위를 낮추는 공법에는 심정 공법과 웰포인트 공법이 있다.
심정 공법은 지반을 굴착하여 지중에 우물을 설치하고 중력에 의하여 지반 내의 지하수가 우물 내부로 흘러 들어오면 이를 양수기로 양수함으로서 지하수위를 목표 지점까지 저하시켜 압밀 침하를 촉진시키는 공법으로, 투수 계수가 비교적 큰 사질토 지반에 적용해야 한다.
웰포인트 공법은 강관의 선단에 웰포인트 (well point)를 부착하여 지중에 관입한 다음 관 내부를 진공화함으로써 간극수의 집수 효과를 높이는 공법으로 사질토 지반에 적용해야 한다.

3.2.12 경량재 쌓기 공법

양질의 쌓기 재보다 중량이 작은 경량재를 이용하는 방법 중 고분자 계통의 경량 제품인 발포 폴리스틸렌 (EPS: Expanded Polystyrene)을 활용하여 하중을 경감하는 공법이다.
연약지반이나 경사지 등에 쌓기에 의한 상부 하중에 의한 침하나 측방 유동에 의한 구조물의 변위가 발생될 우려가 있는 현장에 적용하여 하중이나 토압에 관련된 문제를 해결한다.
교대 등에 적용 시 최대 계획 홍수위를 고려하여 충분히 사용 여부를 검토해야 한다.
경량재 쌓기를 하여 비탈면이 형성될 경우에는 장래 교통 하중과 같은 사용 하중에 의해 비탈면 측으로의 변위 유무를 검토해야 한다.

3.2.13 경량 혼합토 공법

경량 혼합토 공법 (lightweight soil method)은 액성 한계 이상으로 함수비를 조정하여 슬러리화한 준설토 또는 건설 잔토에 시멘트와 기포 (air foam) 또는 발포 비드 (bead) 등의 경량화 재를 첨가하는 공법이다.
경량 혼합토는 가급적 타설 장소와 근접한 위치에서 생산함이 품질 확보에 유리하다.
- 타설 거리가 수 km 이상의 장거리인 경우 배관 압송 또는 운반 타설 (믹스트럭 – 펌프카)이 가능하며, 배관 압송의 경우 최대 500m까지 시공이 가능하다.
- 배합 플랜트로부터 시공 지점까지의 거리가 장거리인 경우 운반 타설이 가능하며, 운반 거리는 약 1시간 이내를 표준으로 한다.
경량 혼합토 공법의 설계는 성토 형상, 하중 조건 등을 고려하여 설계에 필요한 단위 체적 중량 및 설계 강도를 결정하고, 경량 혼합 처리토에 의한 성토체의 안정, 지반을 포함한 안정 및 부력에 의한 안정 등에 대해 검토한다.
경량 혼합 처리토 내 간극을 발생시키는 기포제는 동물성, 식물성 또는 합성 유계 계면 활성 작용을 일으키는 것을 이용할 수 있다.
건설 잔토를 원료토로 활용할 경우 잡초, 나무 뿌리 등의 유기물이나 폐콘크리트 등이 혼합되지 않은 것으로 선별하여 사용해야 한다.
경량 혼합 처리토의 1단계 타설은 타설면 바닥에서 50cm 이내의 높이를 유지하여 순차적으로 시공하며 시공 시 재료 분리가 일어나지 않도록 해야 한다.