Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

도로는 단순히 아스팔트 띠 그 이상입니다. 도로은 살아 숨 쉬는 대지의 기초 위에 구축된 복잡한 구조물입니다. 토목 공학의 세계에서 도로 아래의 지면은 노상(subgrade)이라 불리며, 그 바로 위에 놓이는 재료 층은 보조기층(sub-base)이라고 합니다. 이 층들은 전체 포장 시스템의 기반 역할을 하며, 차량의 무거운 무게를 분산시켜 표면이 균열되거나 가라앉지 않도록 합니다. 그러나 대지는 균일하지 않습니다. 어떤 곳의 토양은 건조하고 강한 반면, 다른 곳은 젖어 있고 부드러우며 물에 젖었을 때 팽창하기 쉽습니다. 만약 엔지니어들이 현지 토양의 특정한 거동을 이해하지 못한 채 도로를 건설한다면, 도로는 조기에 파손되어 울퉁불퉁하고 위험한 경로로 변하며 지속적이고 값비싼 수리를 요구하게 될 것입니다. 이는 특히 강우량이 많고 계절적 홍수가 잦아, 물이 단단한 지면을 약하고 불안정한 슬러리로 만들 수 있는 지역에서 매우 중요합니다.

우간다 서부 카세세(Kasese) 지역에서 연구팀은 이 활기찬 지역을 연결하는 도로들 바로 아래에 정확히 무엇이 있는지 이해하기 위해 조사를 시작했습니다. 카세세는 인근 루웬조리 산맥과 퀸 엘리자베스 국립공원으로 관광객을 불러모으는 동시에, 광업 및 민주콩고와의 국경 간 무역을 위한 중요한 통로 역할을 하는 중심지입니다. 이러한 중요성에도 불구하고, 이곳의 도로들은 빈번하게 조기 파손을 겪습니다. 이 지역은 상당한 강우량을 기록하며, Nyamwamba 강과 Mubuku 강 같은 강들로부터 발생하는 홍수에 취약하여 종종 도로 기초를 침수시키곤 합니다. 이를 해결하기 위해 연구원들은 추측이나 일반적인 가정에서 벗어나야 했습니다. 그들은 토양 프로파일을 매핑하고 강도를 측정하기 위해 상세한 조사를 수행했으며, 현지 환경을 견딜 수 있는 도로 설계를 위한 명확하고 과학적인 근거를 제공하는 것을 목표로 삼았습니다.

연구팀은 지표 아래에 어떤 재료가 놓여 있는지 확인하기 위해 구역 전역에 걸쳐 30개의 시험 구멍을 2미터 깊이까지 파는 것으로 작업을 시작했습니다. 그들은 일정한 간격으로 토양 샘플을 채취하여 실험실로 가져와 일련의 테스트를 실시했습니다. 이 테스트들은 토양이 물을 얼마나 보유하는지, 무게는 얼마인지, 그리고 압착되거나 물에 젖었을 때 어떻게 행동하는지를 측정했습니다. 또한 입자 크기를 조사하여 미세 점토, 실트, 모래, 자갈을 구분했습니다. 이 과정은 지층 구성에 대한 명확한 그림을 그릴 수 있게 해주었습니다. 그들은 지표면에서 약 0.45미터 깊이까지 이어지는 상부 층이 암갈색 유기질 점토로 구성되어 있음을 발견했습니다. 이 층은 너무 부드럽고 불안정하여 도로 건설에 부적합합니다. 0.45미터에서 1.2미터 사이에는 저~중간 정도의 소성(plasticity)을 가진 실트질 점토 층이 나타났습니다. 마지막으로 1.2미터에서 2.0미터 깊이에서는 토양이 입도 분포가 불량한 모래와 자갈 혼합층으로 변했는데, 이는 배수는 잘 되지만 도로를 결합해 줄 끈기가 부족합니다.

이 재료들에 대한 분석은 도로를 직접 지탱하는 층인 노상에 관한 우려스러운 세부 사항들을 드러냈습니다. 이 지역의 토양은 주로 실트질 점토이며, 놀라울 정도로 높은 평균 28.1%의 자연 함수율을 보유하고 있습니다. 안정적인 도로 건설을 위해 엔지니어들은 보통 5~15% 사이의 함수율을 선호합니다. 토양이 매우 젖어 있기 때문에 이상적인 상태보다 약합니다. 연구진은 표준 공학 시스템을 사용하여 토양을 분류했으며, 62%의 샘플이 '불량' 또는 '보통'으로 평가되어 도움 없이는 중차량의 하중을 견디기 어려울 것이라는 결과를 얻었습니다. 오직 38%만이 '우수' 또는 '매우 우수'로 평가되었습니다. 이러한 약점의 핵심 요인은 팽창성 점토의 존재입니다. 이들은 물을 흡수하면 크게 부풀어 오르고 건조해지면 수축하여 지면을 갈라지게 하고 솟아오르게 만드는 토양입니다. 연구 결과, 토양의 팽창 능력은 상당히 높았으며, 일부 샘플은 그 위에 직접 도로를 건설할 경우 쉽게 손상을 줄 수 있는 팽창 가능성을 보여주었습니다.

지면이 실제로 얼마나 강한지 측정하기 위해 연구팀은 토양이 파괴되기 전까지 얼마나 많은 압력을 견딜 수 있는지 시뮬레이션하는 칼리포니아 베어링 비율(CBR) 테스트를 수행했습니다. 그들은 자연 상태의 토양과 홍수 조건을 모사하기 위해 48시간 동안 물에 적신 후의 토양을 모두 테스트했습니다. 결과에 따르면 젖은 토양은 상당히 약했으며, 강도 값은 5%에서 32% 사이였고 평균은 단 8.6%에 불과했습니다. 이는 비포장 도로에 통상적으로 요구되는 기준치보다 훨씬 낮은 수치로, 개입이 없다면 차량의 무게에 의해 도로가 가라앉거나 바퀴 자국(rut)이 생길 것임을 나타냅니다. 연구진은 지면의 강성(stiffness)을 계산했는데, 지면이 상대적으로 부드럽다는 결과가 나왔으며 이는 견고한 설계의 필요성을 더욱 뒷받침합니다.

그러나 이야기가 약점만을 말하는 것은 아닙니다. 팀은 약한 노상 위에 하중을 분산시키기 위해 놓일 층인 보조기층을 구축하는 데 사용할 수 있는 재료를 조사했습니다. 그들은 Kilembe와 Hima 같은 지역의 승인된 채석장에서 나온 토양을 검토했습니다. 이 재료들은 모래를 주성분으로 하고 약간의 자갈과 적당량의 세립분을 포함하고 있어, 도로 건설용으로 '우수' 내지 '양호'한 것으로 분류되었습니다. 테스트 결과, 이 재료들은 젖은 상태에서의 강도가 18~42%로 나타나 보조기층의 최소 요구 사항을 충족했습니다. 하지만 이 좋은 재료들조차 취약점이 있었습니다. 물에 젖었을 때 강도가 12%에서 58%까지 감소했다는 점입니다. 이는 아무리 좋은 현지 재료라도 물이 너무 오래 머물게 되면 실패할 수 있다는 결정적인 사실을 강조합니다.

이러한 조사 결과를 바탕으로 연구진은 해당 지역의 미래 도로를 위한 구체적인 설계를 제안했습니다. 그들은 350에서 400밀리미터 사이의 총 포장 두께를 권장했습니다. 이 구조는 상단의 얇은 아스팔트 층, 그 아래의 두꺼운 쇄석 층, 그리고 더 나은 현지 재료로 만든 입도 조절된 보조기층을 포함하게 됩니다. 결정적으로, 그들은 상부 0.45미터의 유기질 토양을 완전히 제거하고 이를 선택된 성토재로 교체하여 도로가 안정적인 기초 위에 놓이도록 해야 한다고 조언했습니다. 높은 강우량과 홍수 위험을 처리하기 위해, 설계는 배수를 강조합니다. 보조기층은 물이 갇히지 않고 빠르게 흘러갈 수 있도록 거친 입도의 재료로 만들어져야 합니다. 연구진은 또한 물이 도로 기초로부터 멀어지도록 가장자리 배수구와 횡단 배수관을 정기적인 간격으로 설치할 것을 제안했습니다. 토양이 너무 부드럽거나 팽창성이 강한 가장 취약한 구역의 경우, 지반을 강화하고 팽창 경향을 줄이기 위해 석회나 시멘트로 지반을 처리할 것을 권장했습니다.

본 연구는 카세세 지역의 도로들이 과거에 실패했던 이유가 노력의 부족 때문이 아니라, 현지 토양에 대한 구체적인 지식의 부족 때문이라고 결론짓습니다. 지면을 상세히 특성화함으로써 연구진은 명확한 길을 제시했습니다. 데이터에 따르면 자연 지면은 종종 도로를 직접 지탱하기에 너무 약하고 젖어 있지만, 적절한 두께, 배수, 그리고 재료 선택의 조합을 통해 관리될 수 있습니다. 더 두꺼운 포장과 거친 입도의 층, 그리고 강화된 배수 시스템을 사용하는 권장 방식은 이 지역의 홍수 문제를 해결하기 위한 실질적인 솔루션을 제공합니다. 이 작업은 향후 도로가 자신이 서 있는 땅을 이해하는 기초 위에 건설되도록 보장하며, 이를 통해 서부 우간다 사람들에게 더 안전하고 오래 지속되는 인프라를 제공할 것입니다.