2.1 항만 콘크리트 블록

Fig. 1은 항만 포장을 위해 개발된 항만 콘크리트 블록 및 배치 패턴을 나타낸다. 항만 콘크리트 블록을 설계하기 위하여 블록 두께, 크기, 배치 패턴에 대한 선행 연구를 분석하였다. 콘크리트 블록 두께가 증가함에 따라 포장 성능의 개선과 더불어 탄성변형이 크게 감소하며^{(Clack, 1978; Miura et al., 1984; Shackel, 1980a; Shackel et al., 1993; Panda and Ghosh, 2001)}, 블록의 크기가 증가함에 따라 하중 분산능력이 증가하여 포장 성능이 향상되었다^{(Panda and Ghosh, 2002)}. 또한, 3차원 유한요소 해석 모델에 따라 헤링본 패턴(Fig. 1(b))이 수직하중에 대해 안정적이며, 차량 제동 시 수직 변위도 낮게 나타났다^{(Mampearachchi and Gunarathna, 2010)}. 이와 같은 선행 연구와 더불어 항만 통계 자료를 활용하여 항만 콘크리트 블록의 기본 설계조건을 구성하였다. 일반적인 블록보다 길이와 폭, 두께가 모두 증가된 길이 250 mm, 폭 120 mm, 두께 160 mm의 항만 콘크리트 블록을 제작하였다. 블록은 휨파괴 하중 시험, 흡수율 시험, 동결융해 저항성 시험, 노면 미끄럼 저항성 시험을 통해 성능을 검증하였으며, 제작된 블록은 70 MPa의 압축강도, 7 MPa의 휨강도를 가진다. 이와 같이 제작된 블록들과 줄눈을 활용하여 Fig. 1(b)와 같이 헤링본 배치 패턴으로 항만 콘크리트 블록을 시공하였다.

Fig. 1. Harbor Concrete Blocks and Laying Patterns of Block Pavement: (a) Harbor Concrete Block, (b) Herringbone Pattern

2.2 지역 및 시공 특성

Fig. 2는 컨테이너 장치장의 블록 시공 이전 지형 현황도 및 블록 시공 단면 계획을 나타낸다. 컨테이너 장치장 부지는 서편이 낮고 동편이 높으며, 서편에서 가장 낮은 지반 표고는 기본수준면 기준 4.267 m, 동편에서 가장 높은 지반 표고는 4.992 m이다. 해당 지역은 기존 아스팔트 포장이 시공되어 있던 부지로써 표면 배수를 위해 구배를 적용한 것으로 판단된다. 컨테이너 장치장에서는 컨테이너의 운반을 위해 리치스태커, 스트래들 캐리어 등의 중하중 장비가 빈번히 활용되고 있다. 대상 지역은 리치스태커가 주로 활용되는 지역으로써 중하중 장비 운행 구간의 교통 여건을 반영하기 위하여 중차량 설계법을 적용하였다. 피해효과, 휠간격에 의한 하중 간섭, 동적하중계수를 고려하여 윤하중을 산중하였다. 리치스태커(단축단륜 1개, 단축복륜 1개)의 유효 휠하중은 350 kN, 188 kN로 산출되었으며, 분석 결과에 따라 단축 환산 휠하중(350 kN)을 적용하였다. 또한, 대상 구역의 교통량 산정을 위하여 장치 수량, 장치일수, 컨테이너 유효 단적수, 장비 대수 등을 반영하여 총 통행량(523,000 van/10년)을 산정하였으며, 기존 평판재하시험 결과를 통해 CBR 값(17 %)을 선정하여 포장 두께를 산정하였다. 최종적으로 포장의 단면은 재료변환계수를 적용하여 Fig. 2의 단면 1안 및 2안과 같이 포장 단면을 선정하였다. 단면 2안에서 시멘트 처리기층은 KSF 4009에 따라 레디믹스트 콘크리트를 사용하였으며, 골재 최대 치수 25 mm, 재령 28일 압축강도 35 MPa, 슬럼프 15 cm의 콘크리트 규격으로 시공되었다. 대상 지역에서는 횡 방향 80 m 인근에서 부등침하가 발생하는 다수의 지역이 관찰되었으며, 쇄석기층과 시멘트 처리기층의 단면 이음부에 의한 부등침하 영향을 최소화하기 위하여 시멘트 처리기층이 쇄석기층보다 더 길게 설계되었다. 쇄석기층과 시멘트 처리기층에 대해 항만 콘크리트 블록 시공 전후 및 특정 기간이 경과한 후에 FWD 시험과 LiDAR 계측을 수행하였고, 블록 포장에 따른 처짐 분석 결과 및 침하 특성을 비교하였다.

Fig. 2. Topography and Sectional Planning for Construction of Harbor Concrete Blocks in the Container Storage

2.3 FWD 시험 특성 및 분석 방안

FWD 시험은 포장체의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 대표적인 비파괴 시험이다. 미국에서는 포장도로 상태를 평가하기 위하여 전체 도로 중 90 % 이상의 도로에 대하여 FWD 시험을 수행된 사례가 있을 정도로 대표적으로 활용되고 있는 시험이다^{(Zhang et al., 2022)}. 포장체에 재하 시 포장체의 구조적 특성에 따라 하중 재하점과 떨어진 거리에 따라 처짐량이 다르게 나타난다. 많은 연구자들에 의해 포장 표면에 재하 시 발생하는 처짐 곡선을 바탕으로 SCI(surface curvature index), BDI(base damage index), BCI(base curvature index)와 같은 처짐계수를 활용하여 포장체 각 층의 건전 여부를 분석하였다^{(Jiang et al., 2022a; Katicha et al., 2014; Jiang et al., 2022b)}. 하지만 블록 포장에서는 크기가 작은 블록들이 서로 연결되어 있지 않기 때문에 동일한 하중을 재하한 아스팔트 포장의 FWD 시험 결과와 비교하여 재하 위치 인근에 처짐이 집중된다. 블록 포장은 개별 블록으로 구성되어 좁은 면적의 재하 하중에 대해 인터로킹 현상이 발생하지 않고, 직접적으로 보조기층에 하중이 전달되기 때문에 블록 포장에서 충분한 지지력을 발현하지 못하기 때문에 발생하는 현상이다. 따라서 블록 포장에서는 처짐계수를 대신하여 FWD 중심 표면 처짐량(D0)과 기존 아스팔트 포장에서의 처짐량 대비 블록 포장에서의 처짐량을 나타내는 상대 처짐비을 통해 블록 포장의 성능을 분석하였다^{(Ryntathiang et al., 2006; Park et al., 2016; Nishizawa et al., 2018)}. 동일 지점에서 계측된 처짐량을 바탕으로 상대 처짐비를 산출하는 수식은 다음과 같다.

여기서, $D_{b}$ : 블록 포장에서 측정된 처짐량, $D_{a}$ : 아스팔트 포장에서 측정된 처짐량이다.

^{Kaakkurivaara et al.(2015)}, Pidwerbesky^{(1997a, 1997b)}는 처짐량, 재하판 크기, 재하하중을 바탕으로 지지력을 산정하는 수식을 제안하였으며, 지지력의 상대적인 크기는 처짐의 크기에 반비례하는 것으로 나타났다. 따라서 아스팔트 포장 대비 쇄석기층 및 시멘트 처리기층의 지지력이 향상된 비율은 상대 처짐비와 반비례하며, 이를 통해 지반의 지지력의 상대적인 변화량을 정량적으로 산출할 수 있다. Fig. 3는 본 연구에서 활용한 FWD 장비를 나타낸다. 본 연구에서 활용된 장비는 하중 재하 지점으로부터 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200, 1500, 1800 mm 만큼 떨어진 위치에서의 처짐량을 계측할 수 있으며, 개별 처짐량은 40 kN의 표준하중으로 정규화하여 보정되었다. 컨테이너 장치장 내 중장비 운행구역은 특정 차로가 존재하지 않으며, 다양한 방향으로 운행되기 때문에 해당 지역의 대푯값을 산정하기 위하여 시공 지역의 중앙 지점들에 대해 일정한 간격을 두고 FWD 시험이 수행되었다(Fig. 2). FWD 시험은 기존 아스팔트 포장, 블록 포장의 시공 직후 및 7개월 이후에 동일한 29개의 위치에 대해 시험이 수행되었다.

Fig. 3. Equipment for FWD Test

포장체는 대기온도, 태양에너지의 영향으로 인해 온도 변화가 크게 발생하게 되며^{(Yoo et al., 2002; Kim and Nam, 2005)}, 온도에 의해 포장체의 거동 또한 영향을 받게 된다^{(Seok et al., 2014; Lee et al., 2017)}. 따라서 처짐량을 동일한 기준으로 분석하기 위해서 일정 온도로 표준화하는 단계가 필요하며, 미국 NCDOT(North Carolina Department of Transportation)에서 제안한 보정식을 활용하여 20℃를 기준 온도로 처짐량을 보정하였다. 본 연구에서 활용된 온도 보정식은 Eq. (2)와 같다^{(Kim et al., 1995)}.

여기서, $D_{68}$ : 20℃(68℉)로 보정된 처짐량, $D_{T}$ : T(℉)에서 측정된 처짐량, $a$ : $3.67\times 10^{-4}\times t^{1.4635}$, $t$ : 아스팔트 층 두께(inch), $T$ : 측정시 아스팔트 온도(℉)이다.

2.4 LiDAR 계측 특성 및 분석 방안

LiDAR 계측은 기술의 발전과 더불어 자율주행을 위한 3차원 포인트 클라우드 정보 기반 지형적 특성 분석, 구조물의 안정성 평가를 위한 구조물의 변형을 계측하는 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 LiDAR 계측을 통해 항만 시설 내 지속적인 차량 및 중장비의 운행에 따라 발생하는 지반 침하량을 정량적으로 분석하였다. 특히 3차원 지형 정보를 바탕으로 높은 정확도로 현장 조건을 모사하고 특정 주기별로 데이터를 구축하여 시계열에 따른 변형을 계측할 수 있다는 장점을 통해 토목 분야에서도 널리 활용되고 있다^{(Jafari et al., 2016; Luo et al., 2022)}.

Fig. 4는 본 연구에서 활용되는 LiDAR 시스템을 나타내며, 국내 3차원 정밀지도 제작에 활용되고 있는 MMS 장비를 활용하였다. MMS 장비에 탑재된 LiDAR는 Leica Pegasus : Two ^{(Leica geosystems, 2020)}로 다양한 연구자에 의해 성능이 검증 및 활용되었다^{(Altagi and Pimplika, 2022; Che et al., 2019; Barsi et al., 2020; Sofia et al., 2020)}. 한국건설기술연구원에서는 국내 MMS 시스템 검증을 위해 SOC 실증연구센터를 운영하고 있으며^{(Oh et al., 2020)}, 연구에서 활용된 시스템은 검사점 관측 수, 위치 정확도, 점군 점밀도, 반사강도 식별 유무와 같은 시험측량 검토에서 ‘적합’ 평가를 얻었다.

Fig. 4. Equipment for LiDAR Measurement

Table 1은 LiDAR 시스템의 제원을 나타낸다. 본 연구에서는 해당 장비를 활용하여 쇄석기층과 시멘트 처리기층과 같은 두 가지 기층 단면에 따른 시공 후 운영에 따른 침하 특성을 분석하였다. 블록 포장 표면에 대해 계측된 포인트 클라우드를 시간의 흐름에 따라 분석하여 정량적인 침하 특성을 분석하기 위해서 point 간 직접적인 비교를 수행하는 M3C2(Multiscale model-to-model cloud comparison) 기법이 활용되었다^{(Barnhart and Crosby, 2013; Lague et al., 2013)}. Fig. 5는 M3C2 알고리즘을 통한 두 포인트 클라우드 내 특정 포인트들 사이의 거리를 계산하는 메커니즘을 나타낸다. 중심점 i 주변의 스케일 D에 대한 정규 벡터 N을 산출하여 N 방향으로의 거리를 산출하지만, 본 연구에서는 침하량을 산정하기 위하여 적용하였기 때문에 수직 방향으로 거리가 산출되었다. M3C2 알고리즘은 두 포인트 클라우드를 실린더 형태로 정의되는 정규 벡터와 스케일에 대하여 평면 S1과 S2를 정의하며, 이를 통해 개별 포인트들의 국부적인 거리를 높은 정확도로 산출한다(Lauge et al., 2013; ^{Qiao and Butt, 2023)}. 또한, 블록 포장 구간별 침하량의 차이를 분석하기 위하여 구간별 부피 변화량도 분석되었다.

Fig. 5. Mechanism of M3C2 (Lauge et al., 2013)

3.1 항만 내 블록 포장 형태에 따른 FWD 시험 분석

Fig. 6는 FWD 시험을 통해 계측된 각 기층 및 개별 지점에 대한 D0을 나타낸다. 개별 처짐량은 개별 지점에 대해 FWD 시험 수행 시 적외선 센서를 통해 계측된 표면 온도를 통해 보정되었으며, 기존 아스팔트 포장, 블록 포장의 시공 직후 및 7개월 이후에 계측된 평균 온도는 섭씨 약 35, 20, 29도로 나타났다. Fig. 6의 최종적으로 보정된 처짐량에 따르면 쇄석기층과 시멘트 처리기층에서 재하에 따른 처짐량이 다르게 나타난다. 시공 직후 재하에 따라 쇄석기층에서는 785~1263 µm, 시멘트 처리기층에서는 406~619 µm의 처짐량이 나타났다. 이후 모래안정층 및 보조기층이 안정화되는 시공 7개월 이후에는 쇄석기층에서 563~763 µm, 238~484 µm의 처짐량을 나타내며, 기층 처리 방법에 따라 처짐량의 차이가 크게 나타났다. ^{Han et al.(2017)}에 의하면 쇄석기층은 반복적으로 주어지는 축하중에 의해 지속적으로 수직 침하가 발생하게 된다. 따라서 쇄석기층에서는 FWD 시험에서의 하중 재하에 의해 수직 처짐이 크게 발생한 것으로 판단된다. 또한, 두 포장 단면에서는 시공 직후 하중 재하에 따른 처짐량과 비교하여 시공 7개월 후 하중 재하에 따른 처짐량이 감소하는 경향이 나타났으며, 이는 포장 단면 아래에 위치한 모래안정층, 보조기층 및 쇄석기층의 안정화로 인해 지반의 다짐이 진행되어 지지력이 향상되었기 때문이라고 판단된다.

Fig. 7은 항만 블록 포장 단면별 횡 방향에 대한 상대 처짐비를 나타내며, 상대 처짐비는 Eq. (2)와 같이 동일한 위치에서 계측된 블록 포장의 처짐량을 블록 포장 시공 전의 아스팔트 포장에서의 처짐량으로 나누어 계산하였다. 쇄석기층에서는 시공 직후 아스팔트 포장과 비교하여 큰 처짐이 발생하였으나, 시공 7개월 이후 하부 지반의 안정화를 통해 아스팔트 포장과 유사한 처짐값으로 수렴하는 결과를 보여준다. 특히 상대 처짐비는 시공 직후 1.67로 상대적으로 높은 값을 나타내었으나, 시공 7개월 이후 1.21로 확연하게 감소하여 안정화되는 것을 알 수 있다. 시멘트 처리기층에서도 시공 직후에는 아스팔트 포장 대비 더 큰 처짐이 발생하였으나, 시공 7개월 이후에는 모래안정층의 안정화로 인해 지지력이 향상되어 상대 처짐비가 평균 0.698로 기존 아스팔트 포장보다 약 1.43배 향상된 지지력을 나타냈다. 특히 시공 7개월 이후 계측된 시멘트 처리기층에서의 상대 처짐비는 쇄석기층과 비교하여 약 0.58배 적게 나타났으며, 이는 지지력이 약 1.73배 높은 상태임을 나타낸다.

Fig. 6. D0 Distributions according to Sectional Planning for Construction of Harbor Concrete Blocks: (a) Crushed-stone Base (Section 1), (b) Cement Treated Base (Section 2)

Fig. 7. Relative Deflection Ratio in the Longitudinal Direction according to Sectional Planning for Construction of Harbor Concrete Blocks

3.2 항만 내 블록 포장 형태에 따른 LiDAR 데이터 분석

Fig. 8은 항만 블록 포장 시공 후 LiDAR 계측 결과를 바탕으로 분석된 시기별 고도 분포를 나타낸다. 시공 직후부터 시멘트 처리기층이 속한 동쪽의 고도가 높으며, 시간이 지남에도 테스트베드 내 고도의 전반적인 경향은 변화하지 않았다. Fig. 9는 개별 시기의 고도분포를 M3C2 기법을 통해 비교하여 계산된 침하량을 나타낸다. Fig. 9(a)는 시공 초기 5개월간 발생한 침하량을 나타내고 있으며, 쇄석기층이 포함된 서쪽 방향에서 침하되는 지역이 다수 발생하여 평균 –0.3 cm의 침하가 발생하였다. 이와 대조적으로 시멘트 처리기층에서는 평균 0.506 cm만큼 지반이 상승한 것으로 나타났다. 하지만 시멘트 처리기층에서 인접 지반의 침하 등으로 인한 융기 및 지반 상승 현상이 확인되지 않았기 때문에 지반이 실제로 상승했다고 보기는 어렵다. 따라서 LiDAR 계측기기가 보유하고 있는 수직 방향의 정확도 1.5 cm 내에 분포하고 있기에 시기별 부피 변화량을 활용하여 상대적인 변화를 중심으로 분석하였다. 해당 시기에 종합적인 부피 변화량은 쇄석기층에서 –4.0483 m³, 시멘트 처리기층에서 6.2378 m³로 각 시공 단면에 따라 상반되는 침하 거동이 계측되었다. Fig. 9(b)는 시공 5개월부터 10개월까지 발생한 침하량을 나타낸다. 시공 초기에 침하가 발생했던 구간에서 지속적으로 침하가 발생하였으며, 지반 침하에 의한 주변부로의 토사 밀림 등으로 인해 인접 구간에서 지반이 상승하였다. 해당 시기에는 쇄석기층에서 1.6912 m³, 시멘트 처리기층에서 –0.7196 m³의 적은 크기의 부피 변화가 계측되었다. Fig. 9(c)는 시공 후 전체 시기에 대한 침하량을 비교한 것으로써 시공 초기 침하량과 유사한 결과를 나타낸다. 앞서 분석된 결과와 유사하게 쇄석기층에서는 –2.3570 m³, 시멘트 처리기층에서는 5.5184 m³의 부피 변화량이 분석되었다. 최대 침하량이 발생한 쇄석기층 내 서쪽 출입구에서는 블록 포장과 남북 방향으로 나란히 위치한 아스팔트 포장에도 동일한 침하 현상이 계측되었으며(Fig. 10(a)), 이는 인근 하부 지반의 지지력이 낮기 때문에 발생한 현상이라고 판단된다. 또한, 쇄석기층 내 서쪽부터 약 48 m 지점은 최대 –4.4 cm의 침하가 계측되었으며, 해당 구간은 최초 쇄석기층의 치환 상태를 확인하기 위해 지반 조사를 수행한 후 국부적으로 다짐을 수행하였음에도 불구하고 지지력이 충분히 발현되지 않았기 때문에 나타난 현상이다(Fig. 10(b)). 그 외에도 쇄석기층에서는 차량 및 장비의 운행으로 인한 상재하중으로 인해 다양한 지점에서 침하가 발생하였으며, 상대적으로 지지력이 높았던 시멘트 처리기층에서는 지반이 침하되지 않는 안정적인 결과가 나타났다.

Fig. 11은 FWD 시험을 통해 도출된 상대 처짐비와 전체 단면의 중앙 30 cm 경로에 대한 M3C2 기반 침하 결과를 함께 나타내었으며, 상대 처짐비는 낮을수록 지지력이 더 큰 것을 의미하기 때문에 역방향으로 나타내었다. 쇄석기층에서는 상대 처짐비가 높고 지지력이 낮기 때문에 침하가 크게 나타나며, 시멘트 처리기층에서는 상대 처짐비가 낮고 지지력이 크기 때문에 침하가 적게 나타난다. 특히 상대 처짐비 결과는 시공 후 7개월, 침하량은 시공 후 5개월과 10개월을 기준으로 작성되어 측정 시기의 차이는 있으나, 전반적인 경향은 유사하게 나타난 것을 알 수 있다. 하지만 시공 후 5개월이 지난 후의 침하량(Fig. 11(a))과 비교하여 시공 후 10개월이 지난 후의 침하량(Fig. 11(b))이 상대 처짐비와 더 일치하는 경향이 나타났다. 이는 시공 후 10개월까지 항만 운영에 따라 지속적인 침하가 발생하며 안정화가 지속적으로 진행되었음을 의미한다.

Fig. 8. LiDAR Measurements Depend on the Period after Construction of Harbor Block Pavements: (a) Immediately after Construction, (b) 5 Months after Construction, (c) 10 Months after Construction

Fig. 9. M3C2 Results according to the Period after Construction of Harbor Block Pavements: (a) from Immediately after Construction to 5 Months after Construction, (b) from 5 Months to 10 Months after Construction, (c) from Immediately after Construction to 10 Months after Construction

Fig. 10. M3C2 Results according to the Period After Construction of Harbor Block Pavements: (a) Point A - Settlements in Both Asphalt and Block Pavement, (b) Point B - Settlements around Geotechnical Investigation

Fig. 11. Settlement and Relative Deflection Ratio after Construction of Harbor Concrete Blocks: (a) FWD Test for 7 Months after Construction and LiDAR Measurement from Immediately after Construction to 5 Months after Construction, (b) FWD Test for 7 Months after Construction and LiDAR Measurement from Immediately after Construction to 10 Months after Construction