서 론

우리나라 온실 면적은 채소류 51,787ha(2014년 말 기 준)와 화훼류 2,674ha(2012년 기준)로 54,461ha에 이른 다. 온실 유형별로 구분할 경우 플라스틱 온실(채소류의 경우 단동·연동·소형터널·비가림시설과 화훼류의 경우 목· 죽재 시설)이 53,839.5ha(전체 온실면적의 98.9%), 경량 철골조 온실이 222.5ha(0.4%), 유리온실이 399ha(0.7%) 로 대부분의 시설원예는 플라스틱 온실에서 재배되고 있 다고 볼 수 있다. 플라스틱 온실을 시설형태별로 구분하 여 보면 단동 44,177ha(전체 플라스틱 온실 면적의 82.1%), 연동 8,354.5ha(15.5%) 및 소형터널·비가림시설 등 기타 1,308ha(2.4%)로 나타나 있다(MAFRA, 2015; MAFRA, 2013).

2007년부터 대설이나 강풍 등 기상재해로 인한 원예특 작시설부문의 경제적 손실 등을 최소화하기 위하여 플라 스틱 온실 35종, 간이느타리버섯재배사 2종, 목재·철재 인삼재배시설 20종 및 민간전문업체 개발 플라스틱 온 실 10종(고시에 포함된 10종 외에 민간규격 상시 규격 지정체계 운용에 따라 심사 등을 거쳐 지정된 민간규격 시설이 다수 있음)이 원예특작시설 내재해형 규격시설로 지정 고시되어 있다(RDA, 2007a, 2007b, 2009;MAFRA, 2014). 2014년 말 현재 인삼재배시설을 제외 한 내재해형 규격시설은 16,371ha(전체 온실면적의 30.1%)가 보급된 것으로 알려져 있다(MAFRA, 2015).

현재 개발되어 보급 중인 내재해형 플라스틱 온실은 내륙에 국한하여 개발·보급 중인 것으로 간척지가 조성 되어 이미 준공되었거나 현재 조성 중인 일반원예단지에 플라스틱 온실을 설치하기 위해서는 간척지 연약지반에 적합한 특수기초 설치가 필요하며 대규모 영농회사 이외 의 중소규모 영농단체 또는 개별 농가 영농규모에 적합 한 플라스틱 온실 모델이 필요한 실정이다. 국내 간척지 는 1965년부터 2020년까지 135천ha를 조성할 계획으로 추진 중이며 2012년 말까지 95천ha(정부시행)이 준공되 었고 40천ha(민간시행)는 현재 조성 중에 있다. 이러한 간척지는 장기적인 미래지향적 활용방안 마련 계획에 따 라 대규모 첨단 시설원예단지 확대 등 농업부문에서도 활용할 계획에 있는 것으로 알려져 있다(Kim, 2014).

간척지에서 플라스틱 온실에 관한 연구로 나무말뚝기 초를 적용한 연동하우스를 새만금 간척 지구에 설치하여 기초의 안전성을 조사한 사례(Yu 등, 2014)와 농가지도 형 단동하우스의 지반고정 방식인 서까래 파이프 지중삽 입과 내재해형 단동하우스의 기초 방식인 파이프줄기초 를 대상으로 간척지 흙 등에서 인발저항력을 실험적으로 검토한 사례(Choi 등, 2015)가 있다.

간척지에 적합한 플라스틱 온실용 기초 형태 및 규격 에 관한 연구가 일부 진행되었으나 지반조사 결과를 토 대로 플라스틱 온실의 기초로 적용 가능하다고 판단되는 강재 나선말뚝기초의 규격을 산정하고 이를 실제 간척지 시험포장에 적용하여 기초의 안전성을 평가한 연구는 미 미한 실정이다. 본 연구에서는 플라스틱 온실의 인발력 과 압축력(적설하중에 의한 기둥의 축력)으로부터 산정 된 강재 나선말뚝기초에 대하여 간척지 시험포장에서 인 발저항특성을 시험하고 해당 플라스틱 온실을 설치하여 일정 기간 경과 후의 기초의 안전성을 평가하였다.

재료 및 방법

1. 지반조사

플라스틱 온실의 적용성 평가 장소인 간척지 시험포장 (전남 영암군 미암면 호포리 일원)과 나선말뚝기초 인발 저항특성시험 장소인 간척지 시험포장(전남 해남군 북일 면 내포리 일원)에 대해 지층 분포상태를 조사하고 현장 에서 채취한 불교란 시료에 대한 물성시험과 삼축압축시 험을 수행하였으며 한국공업규격(KSF-2307)에 따라 표 준관입시험(Standard Penetration Test, S.P.T.)을 수행하 였다. 플라스틱 온실 설치 시험포장에서는 온실 측면부 와 후면부 등 2개 공을, 나선말뚝기초 인발저항성능 시 험 장소에서는 1개 공을 시추하였다(Fig. 1).

Fig. 1

View of ground survey at two spots (One point at the side of the greenhouse and the other in the rear) on a reclaimed land in Yeongam- gun, Jeollanam-do.

2. 강재 나선말뚝기초의 인발저항특성 시험

플라스틱 온실에 적용된 강재 나선말뚝기초 3종(φ50, φ75 및 φ100)을 간척지 시험포장에 설치하여 인발저항 특성을 시험하였다. 설치 시 토양을 파쇄하지 않도록 하 기 위해 나선부가 회전하면서 지중에 압입되도록 하였으 며 순수 인발저항력을 측정하기 위하여 나선말뚝기초의 나선부 최상단이 지표면에 놓이도록 하였다. 재하하중 및 변위량은 데이터로거(TDS-530, 30ch, 전기저항식)에 의해 자동으로 계측하였다. 단계별 시험하중의 재하에는 800kN 용량의 유압잭 1개를 이용하였으며 재하하중의 측정은 100kN 로드셀 1조를 사용하였다. 재하하중에 의 한 나선말뚝의 변위는 2개의 게이지(JIS JDP-100, 최대 100mm까지 측정이 가능한 것으로 실제 최소 측정 단위 는 1/100mm)를 180° 간격으로 부착하고 각 하중 단계 에서 재하가 완료된 후 동일하게 5분 동안 측정하였다. 하중단계는 정밀도를 고려하여 최대 시험하중이 작게 걸 릴 것으로 예상되는 φ50mm 나선말뚝기초에서는 0.2kN· 본^-1으로 하였으며 φ75mm와 φ100mm 나선말뚝기초에 대해서는 0.25kN·본-1과 1.00kN·본^-1 단위로 하였다. 허용 인발력은 침하량 기준에 의한 극한하중 판단기준과 도해 법에 의한 항복하중 판단기준으로 구하였다. 극한하중의 경우 안전율은 단기하중 시 2.0~장기하중 시 3.0을 적용 (KGS, 2009)하도록 되어 있으나 본 연구에서는 구조물의 중요도, 내구연한과 설계하중의 작용 기간 등을 고려하여 극한하중 발견 시 2.0을 적용하였으며, 항복하중 판정 시 에는 1.5를 고려하였다. 최종 허용인발력은 극한하중이 발견된 경우 극한하중판정법에 의한 결과치가 우선되므 로 이를 반영하여 최종 허용인발력으로 산정하였다. Table 1, Fig. 2

Table 1.

Specifications of the foundations for greenhouses to be installed and evaluated.

Fig. 2

View of pull-out tests for spiral piles on a reclaimed land in Haenam-gun, Jeollanam-do.

3. 플라스틱 온실의 설치

나선말뚝기초를 적용한 연동하우스 1개동과 나선말뚝 기초와 파이프줄기초를 각각 적용한 단동하우스 2개동을 간척지 시험포장에 설치하여 온실의 인발 및 침하 여부 를 조사하였다. 연동하우스는 폭 6m(측고 3.0m×동고 3.8m) 트러스 골조의 벤로형 3연동×길이 24m 플라스틱 온실로 안전풍속 37m·s^-1를 가지는 시설이며 단동하우스 는 폭 8.2m의 내재해형 단동하우스(10-단동-4형, 측고 1.6m×동고 3.9m)에서 지붕도리의 개수를 5개에서 7개로 늘린 안전풍속 35m·s^-1를 갖는 독립된 2개동(길이 25m)으 로 단동하우스의 동간 간격은 5m로 하였다(Table 2, Fig. 3). 피복재는 모두 PE필름 0.1mm이며 연동하우스는 2단 측창 및 2지붕 간격 권취식 천창환기방식, 단동하우스는 권취식 측창환기방식이다. 연동하우스 기둥과 방풍서까래 의 기초는 나선말뚝기초를 적용하였고, 단동하우스의 경 우에는 나선말뚝기초와 파이프줄기초(φ25.4mm 파이프를 지중 25cm 깊이에 설치)를 적용한 경우로 구분하여 기초 의 인발량과 침하량을 평가하였다. 골조의 안전성 여부는 시험기간 중 육안관찰에 의해 판단하였다.

Table 2.

Pipe specifications of multi-span and single-span greenhouses to be evaluated.

Fig. 3

Configuration of the multi-span greenhouse.

간척지 시험포장의 N값을 2로 가정하여 연동하우스의 모든 기둥에 φ100mm×L1,000×Lt1,500의 나선말뚝기초 를, 방풍서까래에는 서까래 설치 간격의 3배수인 1.8m마 다 φ50mm×L400×Lt550의 나선말뚝기초를 설치하였으며 나선말뚝기초가 설치된 서까래 사이의 중간 방풍서까래 는 별도의 기초 없이 지중 삽입하였다. 단동하우스의 서 까래에는 φ75mm×L850×Lt1,050의 나선말뚝기초를 서까 래 설치 간격의 3배수인 1.5m마다 설치하였으며 나선말 뚝기초가 설치되지 않은 중간 방풍서까래는 연동하우스 에서와 같이 별도의 기초 없이 지중 삽입하였다. 나선말 뚝기초와 파이프의 연결은 연동하우스의 경우에는 기둥· 방풍서까래 모두 용접으로 연결하였으며 단동하우스의 경우에는 볼트·너트로 결속하였다(Fig. 4).

Fig. 4

Installation view of the greenhouses on a reclaimed land (Top : multi-span greenhouse, Bottom : single-span one).

4. 플라스틱 온실의 적용성 평가

간척지 시험포장에 연동형 플라스틱 온실을 설치하고 부 재의 수직변위를 계측하여 기초 인발 및 침하 여부를 평가 하였다. 연동하우스의 경우 외부(기준점)와 내부(전면부, 중앙부 및 후면부 등 기둥 3개소, Fig 6)에 강재 줄자를 설치하고 레벨을 이용하여 기둥의 상대적 수직 변위를 측 정하였으며 단동하우스의 경우에는 하우스 길이 중간 단면 상에서 지면으로부터 높이 1.5m 지점 좌우 측면 2개소에 계측 센서를 설치하여 서까래의 절대적 수직 변위를 측정 하였다. 연동하우스의 외부 기준점은 온실이 설치된 시험 포장 바로 앞쪽에 위치하지만 간척지 시험포장 대비 지반 침하가 적을 것으로 예상되는 콘크리트 바닥으로 택하였으 며 이를 기준으로 연동하우스 내부 기둥의 상대적 변위를 측정하였다. 따라서 외부 기준점이 위치한 콘크리트 바닥 까지 전체적으로 지반이 침하되는 경우에 있어서의 기둥의 절대 변위는 구하지 못하였다. 단동하우스 수직변위 측정 은 연동하우스에서의 상대 변위 측정방법 대신 절대 인발 량과 침하량을 구하기 위해 터널 등 구조물의 거동 측정에 이용되는 전기식 경사 보(Electric Tilt Beam, MEAS NS- 10/44L2-UBG Model 7100)를 이용하여 센서 설치 시의 초 기 값을 기준으로 측정 당시 기록된 전기신호를 변위로 환 산하여 구하였다. 연동하우스의 경우 ‘14. 3월~’16. 3월까 지 기둥의 인발량 및 침하량을, 단동하우스의 경우 ‘15. 3 월~’16. 3월까지 서까래의 인발량 및 침하량을 조사하였다 . 지하수위는 연동하우스의 후면부에 깊이 50cm의 가로 50cm×세로 30cm 웅덩이를 파고 줄자를 이용하여 지하수 면과 지표면과의 차이로 측정하였다. 평가 기간 중의 최심 적설심은 목포시 기상관측 자료를, 최대순간풍속은 영암군 무인관측 자료를 참조하였다(KMA, 2016). Fig 5

Fig. 5

Measurement of the vertical displacement of columns in the multi-span greenhouse and of rafters in the single-span one.

Fig. 6

Three locations of measuring the vertical displacement in the multi-span greenhouse.

결과 및 고찰

적용성 평가 플라스틱 온실을 설치한 전남 영암 간척 지 시험포장에 대한 지반조사 결과(Table 3, 4 및 5), 지 층 분포상태는 현 지표면으로부터 매립층(표토층), 퇴적 토층 순으로 구성되어 있는 것으로 조사되었다. 표토층 은 현 지표면으로부터 0.5m 두께로 분포하고 모래 섞인 실트질 점토, 점토 섞인 실트질 모래 및 실트질 모래로 구성되어 있는 것으로 조사되었으며 퇴적토층은 표토층 하부에 분포하는 층으로 현 지표면으로부터 0.5~8.0m 하부에 분포하고 실트질 점토로 구성되는 것으로 조사되 었다. 지질은 점착력이 큰 점성토(Clay High, 고소성 점 토)인 것으로 조사되었다(Table 3).

Table 3.

Strata configuration and characteristics on the reclaimed land in Yeongam-gun.

Table 4.

Physical properties of soil.

Table 5.

SPT N-Values according to underground depths.

토층에 따른 표준관입시험 결과, N값은 시추공별 다소 차이를 보이나 0/30~2/30(회·cm^-1)의 매우 연약한 연경도 인 것으로 나타났다(Table 5). 적용성 평가 플라스틱 온 실의 기초인 나선말뚝기초의 길이가 1m 수준이므로 나 선말뚝기초 설계 시 N값을 첫 번째 시추공에서의 표준 관입시험 결과 값인 2로 보는 것이 적정할 것으로 판단 되었다.

나선말뚝기초의 인발저항특성을 시험한 전남 해남 간 척지 시험포장의 지반조사 결과(Table 6, 7 및 8), 지층 은 상부로부터 표토층, 퇴적층 그리고 풍화대인 풍화잔 류토의 순서로 구성되는 것으로 조사되었다. 플라스틱 온실 기초 설계에 중요한 지층이라고 볼 수 있는 표토 층의 경우 층 두께는 0.8m로 소량의 점토가 혼재된 실 트로 구성되고 약간 습윤한 상태이며 표준관입시험 N 값은 3/30(회·cm^-1)으로 연약한 연경도를 보이고 있는 것 으로 조사되었다(Table 8). 심도 0.0m에 명기된 3/30(회 ·cm^-1)은 지표면으로부터 15~45cm 심도에서 도출된 자 료이며 약 8.5m 깊이에 단단한 지층이 있음을 알 수 있 었으며 지하수위는 퇴적층(G.L.-0.9m)에서 확인되었다.

Table 6.

Strata configuration and characteristics on the reclaimed land in Haenam-gun.

Table 7.

Physical properties of soil.

Table 8.

SPT N-Values according to underground depths.

적용성 평가 플라스틱 온실에 적용된 나선말뚝기초 3 종에 대한 전남 해남 간척지 시험포장에서의 인발저항력 특성시험 결과, 하중 재하 시 단계별로 인발량의 증가가 관찰되었는데 나선말뚝기초의 규격에 따라 임의 하중 단 계에서 급격한 인발량의 증가가 나타났다. φ50mm×L400 의 경우 0.80kN 재하 시 급격한 인발량의 증가가 관찰 되었으며 하중의 증가없이 인발량만 증가하는 이론적인 극한상태에 도달하는 것으로 나타났다. 전체 변위량은 47.8mm, 하중 제거 후 잔류 변위량은 47.1mm로 대부분 의 인발량이 잔류하는 소성거동을 보이는 것으로 나타났 다. 나선말뚝기초의 크기가 증가함에 따라 최대시험하중 도 증가하였는데 φ75mm×L850과 φ100mm×L1,000의 경 우 최대시험하중과 최대변위는 각각 2.0kN, 70.6mm와 5.0kN, 76.2mm인 것으로 나타났다(Fig. 7).

Fig. 7

Displacement according to loads for three kinds of steel spiral piles on a reclaimed land.

나선말뚝기초 규격별 최종 허용인발력은 침하량에 의한 극한하중 판단과 도해법에 의한 항복하중 판단에 따른 허용인발력으로부터 구하였다. φ50mm×L400의 경우 극 한하중 판단기준으로 최대시험하중인 0.80kN에 안전율 (F.S.=2.0)을 적용하여 허용인발력을 0.40kN으로 판단할 수 있었고, 도해법에 의한 경우 항복하중 판단기준으로 허용인발력을 0.33kN으로 판단할 수 있었다. 극한하중이 발견되는 경우 극한하중판단기준이 우선하므로 φ50mm ×L400 나선말뚝기초의 최종 허용인발력은 0.40kN으로 판단하였다. φ75mm×L850과 φ100mm×L1,000 나선말뚝 기초의 경우 침하량에 의한 극한하중 판단기준으로 허용 인발력을 각각 1.0kN과 2.5kN으로 구할 수 있었으며, 도해법에 의한 항복하중 판단기준으로 허용인발력 1.09kN과 2.43kN을 구할 수 있었다. φ75mm×L850과 φ100mm×L1,000 나선말뚝기초에서도 모두 극한하중이 발견되어 극한하중 판정기준에 의한 허용인발력 1.0kN 과 2.5kN을 각각 φ75mm×L850과 φ100mm×L1,000 나 선말뚝기초의 최종 허용인발력으로 판단할 수 있었다 (Table 9).

Table 9.

Characteristics of uplift capacity of steel spiral piles on a reclaimed land.

연동하우스 기둥의 변위는 평가 시작 일을 기준(외부 기준점)으로 +9.0mm(인발)~-11.5mm(침하)인 것으로 조 사되었다. 온실 전면부, 중앙부 및 후면부에서의 기둥 변위가 각기 다른 부등침하 현상을 보였으며 기둥 간의 최대 변위 차이는 ‘14.12.25에 측정된 14mm(전면부 인 발량 +2.5mm, 중앙부 침하량 -11.5mm) 이었다. 최대 수직하중(최심적설심 33cm, ‘14.12.17.)이 작용했던 ‘14.12월 중하순경 기둥의 침하가 가장 크게 나타난 것 을 볼 수 있었으나 ‘15.4월과 7월경 적설하중이 작용하 지 않았던 기간에서의 기둥 침하로 보아 작용하중과 기 둥 변위와는 무관한 것으로 판단되었다. 연동하우스 설치 후에 최대순간풍속 27.1m·s^-1(‘14.8.2.)가 관측되었으나 기 둥변위 계측 시작 이후에는 연동하우스의 안전풍속 (37m·s^-1) 이하인 20m·s^-1 미만의 약한 바람이 불어 풍하 중과 기둥 변위와의 관계를 관련짓기가 어려웠다. 지하수 위의 경우, 평가 시작일로부터 ‘15.8.11까지 20~41.5cm의 변화를 보였으며 ‘15.9.30과 ‘16.3.7의 지하수위는 웅덩 이의 깊이보다 큰 50cm 이상이 되어 정확한 지하수위를 측정하지 못하였다. 작용하중과의 관련성이 적었던 온실 의 기둥 변위는 어느 정도 지하수위에 따라 변화되는 양상을 보였다. 즉, 지하수위가 높을 때 온실 기둥의 변 위는 작고, 낮을 때 변위가 크게 나타났다(Fig. 8). 그러 나 평가기간 후반부(‘15.9월과 ‘16.3월)에서는 지하수위 가 50cm 이상임에도 기둥의 변위가 다소 크게 나타나고 기둥 간에 일정한 양상을 보이지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 8

Meteorological data (A) and vertical displacement of columns in the multi-span greenhouse during the assessment period (B).

나선말뚝기초와 파이프줄기초를 각각 적용한 단동하우 스의 서까래 수직 변위를 조사한 결과, 나선말뚝기초를 설치한 경우가 파이프줄기초를 적용한 경우보다 최대 변 위(침하량)가 다소 작은 것으로 나타났으며 평가모델 모 두에서 좌우 변위가 각기 다른 부등침하 현상을 보였다. 단동하우스를 정면으로 보았을 때 왼쪽 서까래(풍하측) 에서 더 큰 수직 변위가 발생하였는데 풍상측과 풍하측 의 차이로 인한 결과로 판단되었다. 서까래의 변위를 살 펴보면 나선말뚝기초를 적용한 경우 +1.3mm(인발)~- 7.7mm(침하), 파이프줄기초를 적용한 경우 +0.9mm(인발) ~-11.2mm(침하)이었다. 나선말뚝기초와 파이프줄기초 모 두 인발은 거의 나타나지 않았으나 침하량에 있어서는 나선말뚝기초가 전반적으로 파이프줄기초에서보다 작아 기초 설치 측면에서 다소 효과적인 것으로 나타났다. 그 러나 단동하우스의 적용성 평가기간이 만 1년으로 간척 지 연약지반의 기초로 적용가능하다고 판단하기에는 다 소 무리가 따를 수 있어 향후 이에 대한 지속적인 연구 가 필요할 것으로 판단되었다. 지하수위는 단동하우스와 연동하우스의 설치 위치가 반경 100m 안에 있어 따로 계측하지 않았으며 연동하우스에서와는 달리 지하수위와 변위에는 큰 관련이 없는 것으로 나타났다(Fig. 9).

Fig. 9

Vertical displacement of rafters in the single-span greenhouses during the assessment period ((A) : steel spiral pile, (B) : continuous pipe foundation).