흙과 암반, 기초 구조물의 삼중주, 지반공학

chapter 1

흙과 암반, 기초 구조물의 삼중주,

지반공학

지반공학이란 무엇일까?

흔히 “인간은 땅에서 태어나 땅으로 되돌아간다.”고 이야기 한다.

우리 삶의 기본을 이루는 의식주는 땅과 불가분의 관계가 있다. 땅 은 추위와 더위를 피하게 해 주고 인류를 외부의 위험으로부터 보 호해 주는 보금자리와 쉼터를 제공해 준다. 배고픔과 목마름을 해 소할 수 있는 곡식과 채소, 과일 등도 절대적으로 땅에 의존한다.

우리는 예로부터 땅을 숭배하고 이 땅에 적응하며 살아왔다. 특히 고대로부터 근대까지는 문명생활의 징표들을 수없이 간직한 삶의 터전인 땅을 숭배해 왔다.

산업혁명 이후 현대에 이르러 급속하게 발전한 과학기술은 지구 밖에 우주정거장 건설 계획을 세우는 등 인

간의 활동 영역을 지구를 넘어 우주까지 확장시 키는 수준에 이르렀다. 그러나 이 지구의 신비, 땅의 수수께끼들은 아직까지도 많은 부분 물음 표로 남아 있다. 생명의 신비가 의사들에게는 영 원한 탐구의 영역이듯, 우리 삶의 대부분이 이루

1 급속한 기술발전이 이뤄낸 우주 탐사^{(출처: NASA)}

구조물의 뿌리를 연구하다

어지는 자연과 땅 역시 우리에게 남아있는 또 하나의 신비로운 영 역이며 영원히 풀어야 할 숙제인 것이다.

그렇다면, 땅은 무엇일까? 우리나라의 땅과 다른 나 라들의 땅은 무엇이 다른 것일까? 땅에 세워진 건물은 어떻게 태풍과 지진에 무너지지 않고 견딜 수 있을까?

반대로 어떤 건물들은 처참하게 무너지는 원인은 무엇일 까? 고개를 들기가 어려울 정도로 높게 세워진 건물들은 도대체 어떻게 지어진 것일까? 이 모든 것에 대한 정답은 바로 ‘지 반공학’에 있다! 그렇다면 ‘지반공학’은 대체 무엇일까?

우리들이 흔히 길을 가다 볼 수 있는 나무들을 생각해 보자. 나 무들은 비가 오고 바람이 불고 태풍이 와도 쓰러지지 않는다. 비바 람이 몰아쳐 다음날이면 쓰러져 있을 것만 같은 가녀린 나무들조 차도 쉽사리 쓰러지지 않고 버티고 서 있다. 그렇다면 이렇게 나무 들이 자신의 자리를 꿋꿋이 지켜낼 수 있는 이유는 무엇일까? 바로

‘뿌리’ 때문이다. 우리 눈에는 보이지 않지만 흙 밑으로 수없이 깊게 퍼져있는 뿌리는 나무들이 겪는 많은 시련에도 버텨낼 수 있도록 해 준다.

2 2010년 발생한 과테말라의 싱크홀 (출처: 크리에이티브 커먼즈)

3 구조물의 뿌리를 탐구하는 학문, 지반공학

지반공학이란 구조물의 ‘뿌리’를 공부하는 분야이다. 용비어천 가의 유명한 구절과 같이 뿌리 깊은 나무는 아무리 강한 비바람이 몰아쳐도 쓰러지지 않고 결국에는 탐스러운 열매를 맺듯이 기초가 탄탄한 구조물은 쉽게 무너지지 않고 인간에게 안전한 삶의 터전 을 제공한다. 인간이 지구상에 건물을 세우기 시작하면서 ‘과연 어 떻게 기초를 세우면 이 건물들이 무너지지 않고 오랫동안 남아 있 게 할 수 있을까?’라는 고민들이 생겨났다. 이러한 인간의 고민에 관한 해답은 물론, 생존에 필요한 사회 기반 시설물을 연구하고 창 조하는 학문이 토목공학인데 그중에서 가장 기본이 되는 구조물의 뿌리, 즉 기반을 제공하는 학문! 이것이 바로 지반공학이다. 이렇듯 지반공학은 우리 삶의 기본을 가꾸는 토목공학의 주요 분야이며 모 든 토목구조물들은 지반공학의 토대 위에서 만들어지고 있다.

지반공학은 다시 말하면 ‘보이지 않는 곳의 학문’이라고 할 수 있다. 우리는 스마트폰, 드론,

AI

, 스마트 내비게이션, 커브드

TV

^,

3D

프린터 등 최첨단의 공학적 문명기술들이 하루가 멀다 하고 생 겨나는 것을 보고 누린다. 우리는 이 새로운 기술에 적응하며 우리 의 삶이 예전과는 달라지는 것을 느낀다. 이와는 달리 지반공학기 술의 발전은 우리의 삶 속에서 피부에 와 닿기는 쉽지 않다. 때문에 대부분의 사람들은 단어조차 생소한 지반공학이 자신과는 관계없 는 학문이라고 생각할 수 있지만, 우리 모두는 알게 모르게 지반공 학에 대한 직간접적인 경험을 갖고 있다. 어린 시절, 해변에서 모 래를 파서 모래성을 만들거나 모래 굴을 만들던 것, 개울을 가로지 르는 댐을 쌓거나 놀이방에서 찰흙을 주무르는 것 등의 경험이 그 것이다. 우리는 이들 놀이에서 지반공학을 배울 수 있다. 이런 경험 을 통해 우리는 이미 흙이 다양한 방식으로 움직이는 것을 알게 되

었다. 어렸을 적 놀이터에서 보던 모래는 물처럼 부을 수 있었지만 바닷가에서 마주치는 진흙은 마치 버터처럼 움직인다. 모래성을 쌓 기 위해서는 모래가 잘 뭉쳐질 수 있도록 물을 부어야 했고, 바지에 묻은 점토는 햇빛에 건조시키면 툭툭 털기만 해도 말끔히 사라진다 는 것을 경험을 통해 알게 되었다. 이밖에도 텐트를 고정시키기 위 해서는 땅 깊숙이 지주 핀을 박아줘야 바람이 불어도 날아가지 않 는다는 것처럼 간단해 보이는 이 모든 것들이 지반공학을 이해하는 첫걸음이다.

인간의 역사와 함께 한 지반공학

지반공학은 알게 모르게 인간의 역사와 함께 흘러왔다. 다들 한번 쯤 ‘피사의 사탑’ 이야기를 들어 봤을 것이다. 이탈리아 토스카나주 피사지역에 위치한 약

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^.

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도 기울어진 종탑으로, 그 앞에서 수많은 사람들이 각양각색의 자세를 취하고 재기발랄한 사진을 찍는 바로 그 건축물이다. 금방이라도 쓰러질 듯 한쪽으로 아찔하게 기울어져 있는 종탑은 이탈리아 건축가 보라노 피사노Bonanno Pisano의 설계에 따라 시공되었는데

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층까지 공사가 진행됐을 때 이미 기울어지고 말았다. 피사노는 기울어진 쪽의 층을 높게 쌓아 균형을 맞춰 보려 했지만 무게로 인하여 종탑은 더욱 기울어져버렸다.

그런데 피사의 사탑이 어떻게 이렇게 세계적 관광명소가 되었 을까? 처음부터 관광명소로 만들기 위해서 일부러 종탑을 기울여 서 지었을까? 물론 아니다.

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^{세기부터 거의}

200

년 동안 건설된 이 종탑은 무려

800

여 년 동안 아주 천천히 기울어져 왔다. 그 이유는 종탑을 지지하는 기초가 설치된 모래와 점토지반이 충분히 단단하 지 못하여 상부의 무게를 버티지 못하고 서서히 아래로 가라앉았기

4 토스카나주 피사지역에 위치한 피사의 사탑(출처: 크리에이티브 커먼즈)

(이러한 현상을 ‘지반침하’라고 한다.) 때문이었다. 아이러니하게도 세계적인 관광명소인 피사의 사탑은 지반공학적으로는 실패한 건 축물인 것이다! 물론 지금은 적절한 보수공사를 통해 기울어진 종 탑의 일부를 성공적으로 복원했다(하지만 탑은 여전히 기울어져 있 다). 이러한 놀랄만한 공학적 성공에서 지반공학 기술은 핵심적인 역할을 하였다(

chapter 5

^참조).

인간의 안전과 직결되는 지반공학

또한 최근 지반공학은 기후변화로 인한 자연재해와 환경, 에너지 문제에도 밀접하게 관련을 맺고 있다.

2017

^년

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^{월, 우리나라 역사} 상 유례없던 규모

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^.

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지진이 포항에서 발생했다. 약 천 명 이상의 이재민이 삶의 보금자리를 잃었고, 학생들은 바로 어제까지 등교했 던 학교가 금이 가고 기울어지는 바람에 등교도 할 수 없었다. 매일 걸어 다녔던 집 앞 골목은 흉측하게 갈라지고 옆 건물에서 무너져 내린 철근과 콘크리트만이 덩그러니 놓여 있었다. 평온하던 일상이 한순간에 무너졌다. 다행히 국민들의 적극적인 구호지원과 국가의 재빠른 복구 작업으로 인해 다시 일상 속으로 돌아갈 수 있었지만,

‘지진이 언제 또 다시 일어날까?’하는 불안감과 지진의 트라우마를 극복하는 것은 쉬운 일이 아니었을 것이다.

어떻게 한 순간에 일상이 무너지는 일이 발생하게 되었을까?

‘우리나라는 지진 안전지대니 포항지진은 특이한 경우이고 앞으로 다시는 지진이 일어나지 않을 거야.’라는 안일한 생각을 할 것인가?

어떻게 하면 자연재해로 인한 피해를 방지할 수 있을까?

지진을 일으키고 멈추게 하는 것은 우리 인간의 능력 밖의 일이 다. 그러나 지진에 의해서 건물이 무너지지 않도록, 도로가 끊어지

지 않도록, 삶의 터전을 지키는 것은 인간의 능력으로 가능하다. 지 진을 예측하고, 지진을 대비하고, 피해를 최소화 할 수 있는 방안을 탐구·개발하는 것은 바로 지반공학자의 몫이다! 지진, 태풍, 폭우 로 인한 산사태, 싱크홀 등 점점 잦아지는 자연재해의 원인을 규명 하고 적합한 해답을 찾는 일이 지반공학의 일이다.

우리 인간은 인류문화의 발달과 더불어 안전하고 편리하게 살 아갈 수 있는 방법을 꾸준히 연구, 개발하여 실사회에 적용하려고 노력해 왔다. 그 노력의 산물들 중 하나가 교량, 지하철, 터널, 건 물, 댐 등이다. 만약 지하철이 당장 내일 아침에 사라진다면 어떨 까? 교량이 무너진다면 어떨까? 또한 댐이 붕괴된다면? 사회기반

시설infra structure이 붕괴된다는 것은 곧 사회의 붕괴와도 직결될 수도

있으며, 인명피해와 금전적 손실 역시 이루 말할 수 없을 것이다.

이러한 비극은 절대로 일어나서는 안 된다. 사회의 기반이 되는 토 목 구조물들은 인간 삶의 질 향상을 위한 지반공학자들의 끊임없는 실패와 도전이 빚어낸 열매이다. 구조물의 기초로 사용되는 흙이나 암석 지반에 관한 공학적인 지식이 충분하지 못했던

1800

^{년대 후}

5 포항 지진으로 인해 피해가 발생한 한동대학교의 건물 (출처: 크리에이티브 커먼즈)

반까지는 구조물의 기초들은 주로 과거의 경험에 의해서 불충분하 게 설계되고 시공되어 왔기 때문에 실패가 많았다. 앞에서 이야기 한 피사의 사탑도 본연의 기능을 상실한 실패 사례라고 볼 수 있다.

이탈리아 베네치아지역에서는 연약지반에 많은 양의 나무 말뚝을 설치하고 그 위에 건물이나 교량 등을 건설하였다. 그런데 일부 건 물의 경우 지반공학의 개념이 도입되지 않은 상태에서 주먹구구식 으로 말뚝의 필요 길이와 간격, 그리고 말뚝의 필요 개수 등을 잘못 계산하였고, 그 결과 구조물들이 계속적으로 기울어지거나 붕괴되 는 일이 발생하였다.¹

인간의 가장 기본적인 욕망 중 하나인 ‘안전’에 대한 욕망은 지 반공학 분야의 궁극적인 목표이다. 흙과 암반, 기초구조물을 탐구 함으로써 궁극적으로 각종 구조물의 안전을 담보하여 인류문명의 질을 향상시킨다. 지반을 구성하고 있는 흙과 암반에 대하여 역학 적인 특성을 규정하고, 지반과 지반에 접한 기초구조물들 간의 상 호작용을 탐구하여 인간이 거주하기에 적합한 ‘안전’한 공간을 확보 하는 것이 가장 중요한 목적인 것이다.

1 Japan Society of Civil Engineers, 1994

지반공학에서는 무엇을 배울까?

그럼 지반공학에서는 무엇을 배울까? 지반공학의 내용들은 다른 장에서 자세히 기술되겠지만 우선 간략히 살펴보면 다음과 같다.

지반공학자들은 지반공학 내에서도 다음 몇 가지 분야를 기본적으 로 탐구해야 하는데, 그림⁶의 예시도를 보면 지반공학에서 무엇을 배우는지를 개략적으로 알 수 있다.

우선 토질역학은 흙의 공학적 거동과 특성을 다루는 이론적 성 격이 강한 지반공학의 한 분야로서 흙에 대한 정확한 공학적 판단 자료를 제공하는 동역학, 유체역학과 재료역학을 포함하는 기본원 리를 흙에 적용하는 학문이다. 다시 말해 흙이 어떤 공학적 성질을 가지는가에 대해서 연구한다. 또한 흙이 외부에서 가해지는 힘에 의해서 어떻게 변하는지의 관계를 밝히고 다양한 실내, 현장 실험 을 통하여 흙의 성질을 규명하는 분야이다.

암반공학은 토질역학과 비슷하게 흙이 아닌 암반(바위)에 대해 서 공학적 성질을 규명하고 암반의 종류, 절리, 층리, 단층이 어떤 방식으로 발생하는지 인과관계를 도출하여 암반의 파괴 시 거동 그

흙과 암반, 기초 구조물 간의 상호작용을 다루다

리고 건설재료로서의 암반의 안정성에 대하여 다루는 분야이다.

또한 기초공학은 흙과 암반에 의하여 지지되는 기초의 설계와 상부 구조물의 건설에 지질학, 토질역학, 암반공학 등을 적용하고, 지반의 상태와 성질을 조사하여 어떤 구조물을 사용해야 하는가에 대한 판단을 내리고, 다양한 토목구조물의 안정성에 대한 판단을 내릴 수 있도록 하는 분야이다.

이렇게 흙에 대해서, 암반에 대해서, 그리고 그 위에 지어지는 기초 구조물간의 상호작용을 유기적, 종합적으로 다루는 학문. 바 로 그것이 총체적인 ‘지반공학’의 개요이다.

토질역학

•흙의 공학적 성질(분류, 압밀, 투수, 다짐) 분석

•흙의 응력-변형거동 분석

•흙을 사용한 다양한 실험(체분석시험, 비중시험, 삼축압축시험)

•지반조사 및 분석

암반공학

•암반의 공학적 성질(변형, 강도, 응력전달)

•암반의 절리, 층리, 균열

•암반의 파괴이론

•지질학

기초공학

•구조물의 안정 및 사용성(지지력과 침하의 검토) 판단

•지반조사, 굴착의 영향 판정

•얕은 기초, 깊은 기초, 터널, 교량, 댐, 항만 등 토목구조물

•지반굴착, 사면안정, 연약지반개량, 내진설계 토질역학

“지반공학”

•흙의 공학적 성질

•흙의 응력·변형거동 분석

•흙의 파괴이론

•흙을 사용한 다양한 실험

•지반조사 및 분석

기초공학

•구조물의 안정성 및 사용량

•얕은 기초, 깊은 기초, 터널, 댐

•지반굴착, 사면안정

•연약지반 개량

•내진설계

•지반조사

암반공학

•암반의 공학적 성질

•암반의 응력·변형 거동 분석

•암반의 절리, 층리, 균열

•암반의 파괴 이론

•물과의 상호작용

•지질학

6 지반공학에서 배우는 분야(예시도)

땅을 통해 사람들의 삶을 변화시키는 지반공학

인간의 몸을 다루는 일을 하는 사람을 ‘의사’라고 한다. 사람이 아플 때 환부를 진찰하고 판단하고 약을 처방하는 기술자이다. 이와 비 슷하게 땅을 다루는 사람은 바로 ‘지반공학자’이다. 땅이 어떤 상태 에 놓여있는지 진찰하고, 땅에 적합한 기초구조물은 무엇인지, 어 떻게 보강할 것인지를 판단하는 것이 지반공학자의 역할이다.

대부분의 사람들은 지반공학에 대해서 다소 오래된 학문이고 어렵다는 선입견을 가지고 있을 수 있다. 그러나 토목공학이 학문 적 발전과 기계화 시공으로 혁신을 이루었듯이 지반공학도 시대의 요구에 맞게 편리한 기계와 장비, 최첨단 공법들이 개발되고 있으 며 대부분의 설계와 해석을 최첨단 컴퓨터 프로그램을 사용하여 체 계적으로 수행하게 되면서 계속 새롭게 발전하는 추세이다. 또한 다각화되는 자연재난과 국토의 부족으로 인해 지하, 해상, 해저 신 공간 개발 등 시대적 변화가 요구하는 문제들이 다양해지고 복합적 으로 변함에 따라 지금까지 그래왔듯이 지반공학은 모든 공학학문 의 첨단^尖端에서 장애물을 극복해 나갈 것이다.

7 지반굴착 작업 중인 현장 (출처: 크리에이티브 커먼즈)

지반공학을 공부한다는 것은 물론 쉬운 길을 걷는 것은 아니다.

단거리 경주라기보다 어찌 보면 마라톤에 가깝다. 쉼 없는 관심과 열정, 진심과 성의를 가지고 적극적으로 현실의 문제에 최선의 대 안을 찾기 위한 집단 지성의 학문 분야이다. 이 책을 읽고 나서 지 반공학이라는 신세계에 발을 들이게 되어, 가까운 미래에 지구문명 을 새롭게 개척하고 많은 사람들의 삶을 보다 풍요롭게 만들어 주 는 존경받는 위대한 지반기술자geotechnical engineer로 성장한 여러분의 모습을 기대해 본다.