<지반환경공학의 개요>!!!

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목차

<지반환경공학의 개요>



▶ 지반공학의 정의
지반공학(Geotechnical Engineering)이란 흙(Soil)을 대상으로 인간의 삶을 보다 풍요롭게 하기 위해 이론(Software)과 실제(Hardware)를 체계화한 학문이라 할 수 있다. 아무리 아름답고 훌륭한 구조물(건물, 다리, 도로, 철도, 댐 등)이라 하더라도 허공에 떠있을 수는 없는 노릇이다. 어디엔가 의지해야만 그 기능을 발휘할 수 있다. 이러한 의미에서 흙이 구조물을 축조하거나 지지하기 위한 분야에서 다루어 졌다면 토질공학(Soil Engineering) 또는 기초공학(Foundation Engineering)이 될 수 있고, 단순히 경작을 위한 토양의 의미로 연구대상이 되었다면 토양학(Pedology)이 될 수 있으며, 지구의 생성기원과 연계된 것이라면 지질학(Geology)이 될 수도 있다. 또한 흙으로 생성되기 이전의 상태인 암석과 암반을 대상으로 하는 경우는 암반역학(Rock Mechanics)이라 할 수 있다. 이와 같이 흙은 주변여건에 따른 연구대상의 주체를 무엇으로 하느냐에 따라 공학적 표현을 달리 할 수 있다. 그러나 이러한 모든 것들이 인간의 편익(Benefit)을 위해 만들어지는 구조물들의 지지대상인 흙과 암반을 대상으로 한 것이 라면 이들 모두를 포함하여 지반공학이라 해도 무방하다.

토목, 건축, 농업토목, 광산 등의 공사는 지반과의 관련이 매우 깊어 예로부터 이들로부터 야기되는 많은 문제와 접해왔다. 또한, 이 같은 분야에서 구조물은 흙 또는 암반을 주로한 기초지반 위에 축조되어있고 고속도로(철도)나 비행장의 활주로 노반 및 휠댐 등과 같은 구조물들은 흙 자체를 축조재료로 쓰고 있으며, 더욱 수로의 굴착, 항로의 준설, 지하철 터널 등은 직접지반상에 시공되기도 한다. 이와 같이 구조물의 일부를 형성하거나 지지하는 기초지반은 구조물의 자중이나 하중에 의한 외력(External Force), 성토나 굴착 등에 의한 평형상태의 파괴(Failure), 지진이나 공해진동, 지하수 등에 의해 응력상태의 변화를 받게되며, 이로 인해 지반 변형(Deformation)이 발생하고 역학적 성질이 달라지곤 한다.

이러한 응력상태의 변화로 인한 지반변형이 지반이 가진 저항력(Resistance)을 초과하는 경우 기초지반자체의 파괴 및 구조물의 파괴 등의 큰 문제를 일으킨다. 따라서 지반의 응력 및 변형해석과 이를 바탕으로한 실제 문제에의 응용 등은 건설공사의 안정성확보 측면에서 중요한 의미를 갖게되며, 이와 관련하여 이론과 실제를 체계화 한 것이 지반공학이라 할 수 있다.

즉 지반공학이라 함은 토목공학(Civil Engineering)의 한 분야로서 주로 흙 또는 암반에 관한 공학적 문제를 역학적(Mechanical) 또는 수리학적인 법칙(Hydraulics Law)을 적용하여 이론적 해명을 하는 응용역학(Applied Mechanics)의 한 분야이다. 다시 말해 흙과 암반의 이론적인 해석과 지질공학의 이론 등을 포함하는 토질역학, 암반역학, 지질공학, 수리학 등을 기초로 하며 그 응용분야로서 기초공학, 토질구조물, 지하공간, 지반환경, 지반진동학 등을 총망라하는 종합학문이라 할 수 있다.

한편, 지반공학이라는 용어는 세계 각국에서 Soil Mechanics ＆ Foundation Engineering 대신에 Geotechnical Engineering 이란 용어를 쓰는 추세이다. 예를 들면 미국토목학회(ASCE)에서는 Soil Mechanics ＆ Foundation Engineering Division을 Geotechnical Engineering Division으로 바꾸었고 국제토질 및 기초공학회는 ISSMFE(International Society of Soil Mechanics ＆ Foundation Engineering)를 ISSMGE(International Society of Soil Mechanics ＆ Geotechnical Engineering)로 바꾸었다. 우리 나라에서는 1991년 대한토질공학회가 한국지반공학회로, 일본에서는 1996년 일본토질공학회가 일본지반공학회로 각각 개명되었다.

▶ 지반공학의 역사

태 동 기

‘지반공학(Geotechnical Engineering)'이라는 용어는 유럽 및 남미에서 수년간 사용되어 오다가 1948년 영국토목학회에 의해 처음으로 명명되었다. 미국의 경우 1977년에 이르러서야 채택하였으며, 우리 나라의 경우도 ‘토질공학’ 또는 ‘토질 및 기초공학’으로 사용되다가 1991년에 ‘지반공학’을 공식적으로 사용하기 시작하였다.

지반공학 또는 토질역학을 체계가 선 근대과학의 한 부문으로서 생각하게 된 것은 1925년 Terzaghi가 그의 초기 저서인 “Endbaumechanik auf Bodenphysikalischer"에서 지질공학이라는 용어 사용과 함께 지반공학을 토목공학과 지질공학의 경계상태에 있는 학문으로 고려하면서부터이다. 그러나, 실제로 지반 공학적인 문제는 벌써 유사 이전 인류가 지상에 어떠한 구조물, 특히 흙 구조물을 축조하면서부터 시작했으리라 본다.

발굴된 고대의 유적으로부터 유추하면 오래 전부터 토질 역학적인 원리를 응용했으리라고 생각되는 공사가 진행되었었고 그때 발생된 토질역학상의 어려운 여러 문제는 그 당시의 경험과 직감에 의하여 해결되었을 것으로 생각된다. 이와 같이 경험에만 의존했던 세대는 오랫동안 계속되어, 오늘날 우리들이 취급하는 토질역학에 가까운 형태를 보이게 된 것은 17세기 이후의 일이다.


< 고대구조물의 기초 예 >

이론의 성립기

17세기 이후 유럽대륙에서는 주로 군사상의 진지 및 요새의 구축기술이 발달하고 설계 상으로부터 사면의 안정이나 벽체에 미치는 토압에 관한 초기의 이론이 연구 보고되어 이것이 오늘날의 토질역학의 창시로 되었다고 여겨진다. 그 당시인 1666년 London의 대 화재 후 성 바울로 사원의 재건축을 할 때 기초지반의 조사를 위하여 시굴공이 10m나 지하로 내려간 일도 있었고, 1676년경 화란 Amsterdam에서는 주 청사를 건설하는데 70여m가 되는 시추를 한 기록도 있다.

18세기가 되면서 수많은 과학자들에 의하여 지반공학상의 제 문제가 취급되고 그 중 지금까지도 많이 쓰여지고 있는 유명한 Coulomb(1776)의 벽체에 미치는 토압 산출 법이 발표되었으며 지금까지 Coulomb 토압론으로서 널리 알려져 있다. Coulomb은 흙의 전단저항(Shear Resistance)은 마찰력(Friction)과 점착력(Cohesion) 두 성분으로 이루어진다는 사실을 밝혔다.


< Coulomb의 토압론(a)과 힘의 다각형 사질토(b), 점성토(c)>

19세기에 들어 1862년 Rankine은 Coulomb과는 다른 개념의 유명한 토압론을 공표 했다. 이 토압론은 고전적인 것이라고는 하나 오늘날까지 토질역학의 기초로서 크게 기여하고 있으며, 더욱이 과거 초창기의 토질역학의 연구가 주로 프랑스를 중심으로 발달하여 왔으나 이때부터 중요 연구가 영국으로 건너간 것이 주목된다. 1885년 Boussinesq는 반무한체의 표면에 집중하중이 실릴 때 강성체의 내부에 생기는 응력의 문제를 해석하였다. 더욱 흙과 같이 다공질 재료내의 물의 흐름에 관한 Darcy의 법칙이나 액체 중에 있어서의 고체입자의 침강속도에 대한 Stokes의 법칙이 유도된 것은 이보다 조금 앞선 1856년의 일이다. 이 두 법칙은 토질역학에서 중대한 역할을 하여왔다.

20세기에 들어서는 세계각지에서 철도공사, 그리고 Panama, Suez, Kiel 등의 운하․항만 공사 중에 발생한 흙의 붕괴사고 등과 관련하여 스웨덴, 화란, 미국 등에서 사면의 안정에 대한 연구가 시작되었다. 1911년에는 스웨덴의 Atterberg가 흙이 물 함유량 변화에 따라 고체, 소성체, 액체상태 등 함수량에 따른 흙의 성질변화를 나타내는 간단한 시험방법을 제안하였다. 이것은 액성한계 및 소성한계 시험법으로 일컬어지고 있으며 이 결과에 의해 액성, 점착성, 부착성 등의 성질을 나타낼 수 있었고 흙을 분류하는 데에도 널리 쓰여지게 되었다. 1925년에 발행한 Terzaghi의 토질역학 책에는 많은 중요한 사항이 포함되어 있으며, 그 중에서도 가장 큰 것은 압밀이론이다. 특히 간극수압 개념을 도입하고, 점토지반의 침하현상을 압밀에 의해 해석한 공적은 크게 평가된다. 더욱이 1933년에 Proctor가 흙의 다짐에 있어서 가해지는 에너지와 흙의 함수량과 밀도와의 관계에 대하여 그 원리를 확실히 설명한 것은 Terzaghi와는 별도의 의미에서 즉, 실제의 흙 구조물의 시공을 합리적으로 할 수 있었다는 점에 있어서 큰 기여를 하였다. 또한 이 원리가 명확하게 밝혀진 후 대규모 흙 구조물, 특히 높은 필댐 등을 안전하게 구축할 수 있었다. 제2차 세계대전 중에는 비행장 활주로의 기초에 관한 많은 토질 공학적 문제가 제기되어, 이들의 문제해결과정에서 얻어진 많은 성과는 비행장만이 아니고 도로 등 많은 분야에 광범위하게 응용되고 있다.

도 약 기

1925년 Terzaghi의 토질역학 저술 이후 1936년 6월 제1회 국제토질공학회의(ISSMFE)가 미국의 Harvard 대학에서 개최되면서 토질역학(공학)이 학문으로서 국제적으로 인식되게 되었다. 제2회 회의는 1948년 화란의 Rotterdem에서, 제3회 회의는 1953년 스위스의 Zurich에서 개최되었으며 이후로는 4년마다 회의가 열려 1997년 9월 독일의 Hamburg에서 제14회 회의가 개최되는 과정까지 이들 회의는 세계각국의 대표가 참가하여 연구성과를 공표 함으로써 지반공학의 발전에 큰 공헌을 해 왔다.


< Karl Terzaghi 1883-1963 >

근년에는 4년마다 국제회의가 열리는 중간에 세계의 각 지역마다 지역회의가 열리고 있으며, 최근 아시아지역 회의로는 제10회 회의가 1995년 북경에서, 1999년에는 서울에서 개최되었다. 한편, 제11회 동남아시아지역 국제토질공학회(SEAGC)가 1993년 5월에 Singapore에서 개최되었고, 이외에도 제1회 국제지반보강 학술대회가 1992년 미국 Boston에서 개최된 이래, 제2회가 1996년 5월 동경에서, 제3회가 1997년 5월 London에서 개최되었다. 또한 1997년 5월 Macau에서 국제연약지반처리 학술대회(ICSS), 1993년 11월 중국 Guangzhou에서 제1회 국제연약지반학회(ICSSE)가 개최된 이래 1996년 5월 Nanjing에서 제2회 국제연약지반회의가 열리는 등 최근 아시아지역에서 많은 학술대회가 열리고 있다.

암반역학은 초창기에 광산이나 원유산업에서 주로 발전되어 왔으며, 1966년 리스본에서 열린 제1회 국제암반역학회(International Society for Rock Mechanics)가 개최되기에 이르러 비로소 지반공학의 한 분야로 인식되게 되었으며, 지반공학에 토질역학 외에 암반역학의 개념이 접목되기에 이르렀다.

우리 나라에서는 1958년 9월경에 대학에서 토질역학 강의가 시작된 것이 지반에 대한 인식을 갖게 된 동기가 되어, 그 동안 국내․외 모든 토목공사에서 지반분야의 기술자가 많이 활약하게 되었다. 특히 서울․부산간 고속도로 공사와 남강댐, 소양강댐 등의 공사를 필두로 근래에는 경부고속전철, 도심지지하철, 영종도 인천 국제공항, 서남해안 준설매립지반개량공사 등 우리 나라 정부수립 이후 최대규모의 토목공사가 한창 진행 중으로 지반공학분야의 기술이 눈부시게 발전되고 있다.

1959년 5월 대한토목학회 용어분과 내에 토질역학분야를 둔 것이 공식적으로 ‘지반공학분야’의 조직이 결성된 최초의 일이며, 1965년 토질 및 기초위원회로 결성되어 꾸준한 활동이 이루어지고 있다. 1984년 6월에는 지반공학분야의 독립된 법인으로서 대한토질공학회가 창설되기에 이르렀으며, 1991년 3월에는 한국지반공학회로 개명되었고 현재 11개 기술위원회가 있어 위원회별로 활기찬 학술활동을 벌이고 있으며, 연 2회 봄․가을학술대회가 학회 차원에서 국제학술대회 방식으로 개최되는 등 국내에서는 가장 많은 활동을 보이는 학회로 자리를 굳히게 되었다.

최근 컴퓨터의 발달은 지반공학분야에서도 응용되어 번잡한 계산이 수반되는 사면안정 해석에 이용되기도 하고, 수치해석기법(Numerical Analysis)을 사용한 유한차분법(Finite Differences Method), 유한요소법(Finite Element Method) 등이 개발되어 지반재료에 대해 탄소성(Elasto-Plasticity) 혹은 점탄성(Visco-Elasticity) 등을 고려한 응력․변형해석이 가능하게 되었다.

또한 계측기술을 응용하여 지반과 구조물에서 발생하는 응력, 변형, 수압 등을 측정하여 설계에 반영 함으로서 경제적이고 안전한 구조물관리에 기여를 하고 있다.

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