1. 서 론

최근 첨단 산업의 고도화와 적 위협의 다변화에 따라 군사·산업·도시 인프라 전반에서 수동적(passive) 방호 설계의 필요성이 급증하고 있다(Due-Hansen and Dullum, 2017; Manjusha and Althaf, 2020; West et al., 2022). 특히 위협 규모가 커짐에 따라 폭발물 저장고, 위험물 처리 시설, 수소·에너지 인프라 등에서는 구조체 자체의 강도 증대만으로는 충분한 방호수준을 확보하기 어려워지고 있다. 더불어 즉석 폭발 장치(IED), 지능형 지뢰, 자폭 드론 등 무기체계의 발달로 접촉(또는 근접) 폭발에 따른 국부 손상 위험이 커지면서, 방폭패널 등으로 구조물을 보강하는 방법이 활발히 연구되고 있다(Qi et al., 2017; Sun et al., 2019; Ahmad Mohamed and Abdolreza, 2023). 그러나 다수의 신소재 패널은 경량에 고성능을 지향하는 복잡하고 정교한 구성으로 인해 차량, 항공기, 장벽 등과 같은 국부적 영역을 보호하는데 효과적이지만, 광범위하고 큰 면적을 가지고 있는 시설에 적용할 때는 시공성과 경제성이 급격히 저하되는 한계를 가진다.

이에 비해 복토(earth-cover)는 저렴한 대량의 재료를 활용하여 폭압과 파편을 차폐하고 에너지를 감쇠시킬 수 있는 전통적인 방호재료로서, 넓은 영역을 낮은 비용으로 효과적으로 보호할 수 있다는 장점이 있다. 복토는 공기와 토사 경계의 임피던스 불연속으로 인해 반사 및 굴절 효과를 통해 구조물로 입사하는 폭압을 저감시킬 수 있고, 토립자의 전단·압축·마찰에 의한 소성 일(plastic work)로 충격을 소산할 수 있으며, 입사 산란에 따른 펄스 확장으로 단위 시간당 에너지 밀도를 낮출 수 있다. 더 나아가 폭발 에너지의 일부를 폭발구(crater) 형성 및 지반충격(ground shock)으로 전이시켜 구조물에 작용하는 에너지 부담을 줄이고, 현장 계획 단계에서 접근 통제, 시야 차폐 등의 부수적인 방호효과도 제공한다. 설계 관점에서 복토의 두께, 평면 형상(사면 경사, 크레스트 폭), 재료(사질토/점토/혼합토), 다짐도, 수분함량 등은 방호 성능을 좌우하는 핵심 변수로 보고되어 왔다(Lane et al., 2002; Mandal et al., 2021).

다만, 복토의 효과는 일률적이지 않다. 과도한 복토는 오히려 구조물에 자중과 토압 증가를 유발하고, 지반 내 폭발 시 전색(obturation) 효과로 인해 응력이 특정 취약부에 집중될 수 있다. 또한, 매질 강성이 큰 고체 내에서는 응력파 속도와 전달 강성이 커지므로, 조건에 따라 동일 폭약량 및 동일 이격거리에서 폭발이 발생했을 때, 지반충격이 지상 구조물에 작용하는 반사중첩압력보다 불리한 경우도 보고된다. 즉, 최적 복토 설계를 위해서는 복토에 따른 방호 메커니즘에 대한 정량적 이해가 선행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 복토 방호(earth-cover protection) 관련 연구 사례를 체계적으로 검토하여 폭발조건 및 설계변수에 따른 방호 메커니즘을 정리하고, 널리 알려진 설계식 및 설계도표를 이용하여 이를 정량적으로 해석하는 연구를 수행하였다.

2. 폭발하중에 의한 지반의 영향 연구 사례 분석

2.1 폭발하중에 의한 폭발구 연구 사례

지중 폭발의 거동을 일률적으로 설명하기 위해 다수의 연구는 비례 매설깊이(Scaled Burial Depth, SBD)를 적용하고 있다. 보편적 정의는 z = d/W^1/3(여기서 d는 매설깊이, W는 TNT 등가질량)이며, 이 비율이 폭발구의 형태 전이 및 규모와 밀접한 관계를 가진다. Li et al.(2024)의 연구에 따르면 모래(calcareous sand) 지반 현장실험과 SPH-FEM 수치해석을 수행하여 SBD에 따른 세 가지 폭발구 형태의 임계값을 제시했다. 그 결과 z < 1.11 m/kg^1/3에서는 분출형, 1.11 m/kg^1/3 ≤ z ≤ 2.05 m/kg^1/3에서는 붕괴형, 2.05 m/kg^1/3 < z에서는 캠오플렛(내부 폭발공동)이 형성되며, 분출형 구간에서는 z가 약 0.53 m/kg^1/3 부근에서 직경이 최대가 됨을 확인하였다. Cui et al.(2023)의 연구에서는 얕은 매설(Shallow buried) 폭발을 정적 폭발시험 및 SPH-FEM으로 재현하여, 폭약량 및 매설깊이 변화에 따른 폭발구 반경의 비단조(non-monotonic) 거동(초기 증가 후 감소)을 확인했다. 얕은 매설 조건에서 매설 증가가 반드시 폭발구 확대를 의미하지 않음을 증명하였다.

지표(표면) 폭발의 경우는 지반 종류에 따른 폭발구 특성이 다르게 나타난다. Pan et al.(2023)는 모래와 규사에서의 지표 폭발을 비교하여, 모래의 폭발구가 규사보다 작고, 이중 동심원형 윤곽이 나타나는 경향을 실험적으로 보여줬다. 이는 매설 폭발(모래 > 규사)과 지표 폭발(모래 < 규사)의 결과가 상반될 수 있음을 시사하며, 폭발 위치(지표/매설)가 폭발구 스케일링에 결정적 변수임을 보여 준다.

종합하면 SBD 임계값이 폭발구 형태을 전이시키고, 지반 유형(모래/규사)과 폭발 위치(표면/매설)가 폭발구 크기 및 형상을 좌우하였다. 따라서 복토 설계 시 지반별(SBD 보정) 기준을 채택하고, 필요시 SPH-FEM으로 대변형 및 분출을 검증하는 접근이 타당할 것이다.

2.2 지반 종류에 따른 에너지(충격) 전파 연구 사례

지반은 다상(입자, 다공, 수분 등) 매질로서 폭발 충격파의 속도, 감쇠, 상승시간을 변화시킨다. 사질토 계열은 불규칙한 입형과 높은 파쇄성 때문에 에너지 감쇠가 큰 것으로 보여진다. Yu et al.(2019)의 연구에서는 중공 알루미늄 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)를 이용해 모래의 충격파 감쇠를 규사와 비교하였고, 감쇠가 파고와 무관(진폭 독립적)이면서 파 지속시간 및 경로 길이에 반비례함을 제시했다. 이는 복토 재료로서 사질토의 잠재적 이점을 시사한다.

Rigby et al.(2016)은 국부 압력-임펄스의 공간 분포를 직접 계측하였다. 건조 규사에 대해서는 건조 조건의 공간적 분포 특성을 제시했으며, 포화 토질의 경우 입도 분포가 국부 하중 변동성을 좌우하되, 면적 적분 임펄스에서는 변동이 상대적으로 적음을 보였다. 또한, 포화 토질에서 결정적 매커니즘은 토성에 무관하게 유사하다는 결론을 제시하여, 포화 상태가 하중의 국부성 및 지속성을 변화시키지만, 근본 매커니즘은 보편적임을 시사하였다.

수분/포화는 간극수압 경로를 통해 충격 전파 특성을 크게 바꾼다. Hatzor et al.(2009)는 현장 폭발 유발 액상화 실험에서 과잉 간극수압 상승과 유효응력 상실을 확인하여, 포화 조건이 지반-충격 결함 하중을 지속화할 수 있음을 보였다. 이 결과는 방호 복토에서는 배수/수분 관리 설계의 중요성을 뒷받침한다.

2.3 지반 종류에 따른 파편 관입 연구 사례

복토의 파편 차폐성능은 지반의 입도, 상대밀도, 수분, 입형과 투사체의 형상, 속도, 질량에 민감하다. Børvik et al.(2015)는 다종의 건조/습윤 모래·쇄석을 표적, 소구경탄을 투사체로 하여 관입·파괴를 수치로 정리했고, 재료 특성(입도, 입형, 수분 등)과 투사체 변수가 관입 깊이와 에너지 소산을 좌우함을 보였다. 결국, 사질토에 대한 복토 설계에서 재료 선정 및 다짐 관리가 주요 변수임을 강조한 결론이었다.

수분은 속도영역에 따라 상반된 영향을 줄 수 있으나, 탄도/고속 영역에서는 일반적으로 윤활·전단강도 저하로 인해 습윤·포화 모래의 관입심도가 증가하는 경향이 반복 보고된다. Bragov et al.(2018)는 건조 및 포화 모래에 대한 원통 투사체 고속 관입에서 포화 조건의 관입 심도 증가를 보였고, Kuwik et al.(2024) 역시 건조/습윤 규사의 조건에서 습윤 표적의 관입과 토사 유동·분출이 더 커짐을 보였다. 이는 방호 복토에서 수분 관리가 파편 정지두께를 좌우함을 시사한다.

3. 폭발구 형성에 대한 복토에 따른 방호 메커니즘 분석

3.1 폭발구 형성에 대한 설계조건의 영향

폭발구는 폭발로 인해 지반에 형성된 공동으로, 겉보기 폭발구(폭발 후 낙하물질로 부분 되메움 된 후 최종적으로 관측되는 공동)와 참 폭발구(되메움되기 전 실제 파인 공동)로 구분된다. 참 폭발구 주위에는 강하게 교란된 파열지대, 그 외곽에는 상대적으로 덜 교란된 소성지대가 형성되며, 지표에는 분출물의 퇴적 및 유동으로 인해 폭발구 둔덕이 나타난다. 폭발구의 형태와 규모는 폭발물 종류, 크기, 폭발깊이(Depth of Burst, DOB), 토양 종류, 구조적 층상, 지하수 조건 등 복합 요인에 의해 지배된다.

DOB가 증가하면 폭발구는 초기에는 커지다가 최적 DOB에서 최대가 되며, 이후에는 과중한 토체에 의해 분출이 억제되어 겉보기 폭발구가 감소한다. 일정 심도 이상에서는 지표 개구부가 소실되고 지하 공동(camouflet)만 남는다. 겉보기 폭발구의 최대 깊이는 보통 최적 DOB보다 약간 얕은 매설에서, 최대 직경은 약간 깊은 매설에서 나타난다. 얕은 매설에서는 참 폭발구의 직경이 겉보기 폭발구 직경보다 대략 10–15 % 크게 나타나지만, 지표면 폭발에서는 두 폭발구의 크기 차이가 미미하다.

토질에 따라서는 사질토의 폭발구가 점토질보다 작고, 습윤 토질이 건조 토질보다 크다. 이는 수분 증가와 점토 성분이 전단강도를 저하시켜 파괴·분출이 용이해지기 때문이다. 경사지에서는 상향측이 더 깊고 하향측으로 분출물이 더 많이 축적되는 비대칭 형상이 나타난다. 지하수면 또는 암반층이 예상 겉보기 깊이의 약 1.5배 이내에 존재하면 폭발구는 얕고 넓어지며, 실제로 층이 교차할 경우 깊이 감소와 직경 증대는 예측값 대비 최대 약 50 %까지 발생할 수 있다. 지하수면 아래 폭발은 습윤 토질의 형상과 유사하며, 젖은 모래에서는 과잉간극수압과 액상화 경향으로 넓고 얕은 폭발구가 형성된다.

폭발물의 형상·케이싱·기폭 위치도 폭발구 크기에 영향을 준다. 순수 폭약(구형, 중심 기폭 등)을 기준으로 세장비가 큰 장원주형 탄약이나 케이싱 강도가 큰 탄약, TNT 등가계수가 작은 탄종은 동일 DOB에서 상대적으로 작은 폭발구를 형상하는 경향이 있다. 다만, 폭발 위치가 지하로 이동할수록 형상·기폭점·케이싱의 영향은 급격히 감소하며, 케이싱 파열에 소모된 에너지는 파편의 운동을 통해 토양으로 재투입되어 다시 폭발구 형성에 기여하므로 폭발구 크기에 큰 차이를 만들지 못한다.

전시에 폭발물의 형상·케이싱·기폭 위치 등은 사전에 예측이 가능하다. 복토 내 건물의 특성과 중요도에 따라 다르겠지만 일반적인(General-purpose, GP) 항공폭탄의 투하나 장사정포 혹은 박격포에 의한 위협이 가장 클 것으로 예측된다. 결과적으로 콘형의 탄에 순발신관을 삽입한 탄을 사용할 가능성이 높으며, 이에 따라 복토 표면에서 폭발할 가능성이 높다. 결국, 복토 설계 시에는 지반의 종류의 함수비, 그리고 상대 다짐도를 관리하는 것이 핵심이 된다. 특히, 점토질·고함수 토질에서는 폭발구 확대와 고주파 지반펄스가 동반될 수 있어 수분 상태 관리가 핵심이며, 사질토의 경우 상대밀도·다짐도가 폭발구 크기와 감쇠율을 좌우한다.

3.2 주요 위협에 대한 폭발구 크기 분석

본 연구에서는 토질 및 DOB, 그리고 폭발 특성을 포괄하는 경험도표를 기반으로 폭발구의 크기를 산정하여 지반 및 폭발조건에 따라 비교·정량화하였다. 고려한 탄은 155 mm 포탄과 GP 1,000 폭탄을 고려하였으며, 각각의 제원은 Table 1과 같이 고려하였다.

폭발구 크기는 TM-5-855-1(1986)에 제시된 경험도표를 이용하여 산정하였다. 토질 조건은 건조 모래(dry sand), 건조 점토질 모래(dry sandy clay), 젖은 모래(wet sand)를 대상으로 분석하였다. 일반적으로 점토질 토양은 폭발구 형성 및 충격파 전파에 대해 불리하므로 복토 방호에 불리할 수 있으므로, 본 연구의 복토 방호 관점에서는 순수 점토질 토양은 분석 범위에서 제외하였다. 토질 조건 및 탄종에 따른 폭발구 깊이 및 직경을 Table 2에 정리하였다.

155 mm 포탄과 GP 1,000 폭탄 모두에서 건조 모래, 건조 점토질 모래, 젖은 모래 순으로 폭발구가 증대하였다. 155 mm 포탄의 폭발구 직경과 깊이는 각각 1.60~2.00 m, 0.48~0.63 m, GP 1,000은 5.36~6.71 m, 1.60~2.13 m 범위를 가졌으며, 두 위협 간 크기는 약 3.4배 차이가 났다. 토질 효과를 보면, 젖은 모래에서 직경 및 깊이가 최대가 되어 수분 증가에 따른 전단강도 저하와 분출 용이성이 폭발구 확대에 지배적임을 확인할 수 있었다. 반대로 건조 모래는 가장 작은 폭발구를 형성하여, 동일 위협 조건에서 복토 상부의 함수비 관리가 설계 성능을 좌우함을 보여준다. 건조 점토질 모래는 두 조건의 중간값을 보이며, 점성 성분이 존재하더라도 함수비가 낮으면 폭발구 확대 효과가 상대적으로 제한적임을 시사한다.

탄에 의한 폭발 위협이 복토를 관통하여 구조체에 도달하지 않도록 하며, 반복 충격에 대해서도 복토에 의한 일정 수준 이상의 방호력을 유지할 수 있도록 하기 위해서는, 설계 복토 두께는 예측된 폭발구 깊이를 상회해야 한다. 이를 고려하면 155 mm 포탄에 대해서는 65 cm 이상, GP 1,000 폭탄에 대해서는 2.2 m 이상의 복토 깊이가 요구된다. 또한, 복토 재료를 선정할 때는 입도가 양호한 사질토를 사용하는 것이 권장되며, 함수비 관리와 배수처리가 성능의 핵심이라는 결론을 얻을 수 있었다.

4. 지반충격 전파에 대한 복토에 따른 방호 메커니즘 분석

4.1 지반충격 전파에 대한 설계조건의 영향

지반 내 관입 후 기폭되는 폭발은 동일한 폭약량과 이격거리에서도 공중폭발보다 더 큰 지반충격을 유발한다. 폭발 에너지가 공기 중으로 방출되기보다 토체와 더 강하게 결합되면서 피크 응력과 입자속도가 커지고, 유효 지속시간 또한 길어지기 때문이다. 관입 깊이가 깊어질수록 이러한 결합 효과는 더욱 증폭된다. 현장에서 구조물이 받는 실제 하중은 매질의 파 전달 특성에 좌우되는데, 지반의 탄성파 속도가 클수록 도달시간은 짧아지고 파형의 상승이 급격해진다. 반대로 건조하고 느슨한 매질에서는 도달이 늦고 장주기·저주파 성분이 우세해 상대적으로 큰 변위와 긴 지속시간이 나타난다.

토질과 수분 상태는 지반충격의 크기와 스펙트럼을 결정짓는 핵심 변수다. 포화도 95 %를 넘는 점성토에서는 간극수의 효과로 강성과 파속이 상승하여 최대 응력과 가속도가 현저히 증가할 수 있다. 100 % 포화도일때 습한 점토, 점토 셰일, 사질 점토에서는 최대 응력과 가속도가 현저히 증가한다. 포화대 깊이에서 토양 지진파 속도는 5000 fps 이상으로 급격하게 증가할 수 있다. 반면 상대밀도가 높은 사질토는 마찰 골격이 지배적이라 함수비의 영향이 제한적이지만, 상대밀도가 낮은 사질토에서는 물의 유입이 과잉간극수압을 유발해 액상화에 가까운 상태로 전이되기 쉽다.

토질 지표로 널리 쓰이는 탄성파 속도는 대략적인 지반충격 전달성능을 가늠하는 데 유용하지만, 절대적이지는 못하다. 감쇠 거동 역시 단일 지수로 설명되기 어렵고, 점성토에서는 공기 공극, 사질토에서는 상대밀도(혹은 건조단위중량)가 지배적인 경향을 보인다. 공기 공극이 작고 상대밀도가 높을수록 감쇠는 감소하고, 결과적으로 더 큰 지반운동이 전달된다. 지반충격은 경계면에서의 반사·중첩 효과로 또 한 번 변조된다. 자유면인 지표에서는 반사 인장파가 구조물에 가해지는 하중을 부분적으로 상쇄하지만, 구조물 하부에 고강성 층(암반, 고밀 포화층 등)이 있으면 압축 성분이 증강되어 구조물에 더 큰 총 하중이 작용할 수 있다.

결국, 지반충격 측면에서 복토가 제공하는 방호 메커니즘은 다음 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 토질 입자 사이의 마찰력을 통해 탄이 관입하여 구조물 가까이에 접근하는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해 근지표 기폭을 유도할 수 있고, 이는 사실상 공중폭발에 가까운 결합 상태로 바꾸어 줄 수 있다. 둘째, 복토 본체의 임피던스를 관리하면 구조물에 가해지는 하중을 감소시킬 수 있다. 입도가 양호한 건조 사질토와 같은 저임피던스 재로를 중심으로 상부에는 다짐을 낮춘 희생층을 두고, 그 아래에는 안정성을 확보할 정도의 중등 다짐층을, 최하부에는 저임피던스 완충 및 배수층을 두는 다층 단면이 효과적이다. 이렇게 하면 피크 응력이 줄고 펄스가 넓어져 구조물에 전달되는 임펄스가 분산된다. 마지막으로 산란과 감쇠를 증대한 재료를 사용할 수 있다. 단일 균질층보다 층상·입도 구배·인터레이어(쇄석, 필터, 완충재 등)를 도입하면 지반충격의 소산이 증가하게 된다.

시공과 유지관리의 관점에서 보면, 재료는 세립분이 적은 입도 양호 사질토를 우선으로 하고, 고가소성 점토의 단독 사용은 피하는 것이 바람직하다. 상부 희생층은 상대밀도를 지나치게 높이지 않도록 하여 산란·흡수 역할을 하게 하고, 본체층은 사면 안정과 침식 저항을 만족할 만큼만 다짐한다. 배수·완충 인터레이어는 상향 간극수압을 방출하고 하부 반사 증폭을 줄이는 데 유효하므로, 적용하는 것이 유리하다. 가장 중요한 것은 건조 상태 유지가 필수적이라는 것이다. 필터층 및 배수설계를 통해 함수비 관리를 꾸준히 실시하는 것이 필요하다. 필요 시 얕은 뿌리 식생으로 표면을 피복해 침식을 억제하고 단기 함수비 변동을 완화할 수 있다.

4.2 주요 위협에 대한 지반충격 영향 분석

본 연구에서는 Table 1에 정리한 155 mm 포탄과 GP1,000 폭탄을 고려하여 복토 두께별로 구조물에 가해지는 지반충격 응답을 비교·정량화하였다. 복토 재료는 입도가 양호한 사질토를 가정하였으며, 상대밀도가 낮은 느슨한 건조 모래 및 자갈, 상대밀도가 높은 조밀한 모래의 두 종류를 고려하였다. 지반충격 해석에 사용한 각 복토 재료의 물성치는 Table 3과 같다.

지반충격의 산정 역시 TM-5-855-1(1986)에 제시된 경험식을 사용하였다. 먼저 155 mm 포탄이 복토 표면에서 기폭하는 경우를 대상으로, 복토 두께 0.25 m, 0.50 m, 0.75 m, 1.00 m에서 지하 구조물에 유도되는 최대 압력(kPa), 충격력(kPa-sec), 최대 입자속도(m/s), 최대 변위(cm)를 계산하여 Fig. 1에 제시하였다. 한편, GP 1,000 폭탄은 작약량이 커 복토 두께 1.0 m 이하에서는 구조물이중대한 손상이 예상되므로, 두께 1.00 m, 1.50 m, 2.00 m, 2.50 m, 3.00 m 구간에서 동일한 지하 구조물 응답을 분석하였다(Fig. 2).

Fig. 1

Effect of earth-cover thickness on ground shock response for 155 mm projectile

Fig. 2

Effect of earth-cover thickness on ground shock response for GP 1,000

Figs. 1-2는 복토 두께 증가에 따라 지반충격 지표들이 지수적으로 감소함을 공통적으로 보여주었다. 얇은 복토에서 두께를 한 단계만 증대해도 최대 압력, 충격력, 최대 입자속도, 최대 변위가 지수형에 가깝게 급감한다. 토질 영향은 네 지표에서 일관된 방향성을 보인다. 동일 두께에서 조밀한 모래는 최대 압력이 더 크고, 반대로 최대 입자속도 및 최대 변위는 더 작게 산정되었다. 이는 조밀한 모래의 임피던스와 파속이 커서 응력은 커지지만 펄스 폭이 짧아 입자운동이 상대적으로 억제되었기 때문이다. 반대로 느슨한 모래는 최대 압력이 낮고, 반대로 최대 입자속도 및 최대 변위가 상대적으로 크며, 초기 얇은 복토구간에서 충격량이 크게 나타났다. 다만, 두 토질 모두 두께가 증가할수록 충격량은 급격히 줄어들었다. 최대 압력과 최대 입자속도는 복토 두께에 가장 민감하게 반응하였으며, 충격량과 변위는 상대적으로 완만한 감쇠를 보였다.

155 mm 포탄에 대해서는 0.5–0.75 m 두께에서, GP 1,000 폭탄에 대해서는 1.5–2.0 m 두께에서 두께 증가 대비 감쇠 편익이 최대로 나타났다. 또한 토질 종류에 따라 차이가 크게 발생하므로 상부는 느슨하고 건조한 사질토의 희생층을 배치하고, 본체는 중-고밀 조립질 재료를 사용함으로써 피크압력은 낮추고 구조적 안정성을 높이는 방식이 요구되었다. 산정된 최대 압력을 UFC 3-340-02(2008)에 제시된 도표에 대입하여 환산거리를 역산하고, 이를 TM-5-855-1(1986)에 제시된 환산거리와 구조물 두께에 따른 허용 피해수준을 결정할 수 있는 도표에 적용하여 경미한 피해를 유발하는 구조물의 최소 두께를 Table 4에 산정하였다.

전반적으로 복토가 두꺼워질수록 환산거리가 커지고, 이에 따라 요구되는 구조물 두께가 급격히 감소하였다. 155 mm 포탄의 경우, 느슨한 모래에서 0.25 m에서 0.50 m로 복토 두께를 늘리면 요구 두께가 35.67 cm에서 18.87 cm로 절반 수준까지 낮아진다. 0.75 m 이상에서는 도표 범위를 넘어(안전측) 두께 산정이 불가능할 정도로 요구 두께가 더 작아진다. 조밀한 모래에서는 동일 복토 두께임에도 불구하여 교구되는 구조물 두께가 더 컸다. 다만, 두께가 1.0 m에 이르면 14.08 cm까지 낮아져, 충분한 복토 확보 시 토질 차이는 구조 두께 최소화 관점에서 점차 상쇄된다.

GP 1,000의 경우 초기 요구 두께가 매우 컸다. 복토 두께가 2.5 m에서 3.0 m로 증가하면 느슨한 모래는 도표 범위를 넘어서서 더 얇은 구조로도 경미 피해 기준을 만족할 수 있었다. 반면, 조밀한 모래는 3.0 m의 복토 두께에서도 50 cm 이상의 두께가 요구되어 상부 희생층을 느슨·건조 사질토로 구성하는 설계의 유효성을 재확인시켰다.

5. 결 론

본 연구는 복토를 활용한 방호 연구에 대한 사례 연구를 수행하고, TM-5-855-1(1986)의 경험도표 및 경험식을 기반으로 폭발구와 지반충격 현상을 분석하여 복토 재료의 두께, 토질, 함수비 등이 방호 성능에 미치는 영향을 정량화하였다. 결과는 다음과 같이 요약된다.

(1) 기존 연구를 종합하면 폭발하중에 따른 지반의 거동이 비례 매설깊이(SBD), 지반 유형, 수분 조건에 의해 지배됨을 확인하였으며, 충분한 복토 깊이 확보와 함수 관리가 폭발구 형성 억제 및 파편 관입 저감에 결정적 역할을 함을 제시한다.

(2) 폭발구의 크기는 건조 모래, 건조 점토질 모래, 젖은 모래 순서로 증가하였고, 수분 증가에 따른 전단강도 저하와 분출 용이성이 폭발구 크기 확대를 지배하는 것으로 나타났다. 이는 복토 상부의 함수비 관리가 결정적이라는 것을 시사한다. 관통 억제 관점에서 최소 복토는 155 mm 포탄에 대해서는 65 cm, GP 1,000 폭탄에 대해서는 2.2 m로 도출되었다. 이는 동일 위협에서 구조물 상부로의 직접 피해 전달 및 복토 관통을 차단하는 하한치다.

(3) 지반충격의 전파는 공기 공극이 작고 상대밀도가 높을수록 감쇠는 감소하고, 결과적으로 더 큰 지반운동이 전달되었다. 이에, 상부는 느슨하고 건조한 사질토 희생층, 본체는 중–고밀 조립질 재료로 구성하되, 전 구간 배수·필터층을 확보하는 것이 방호 측면에서 가장 유리하게 분석되었다. 복토 두께 증대에 따른 지반충격은 지수적으로 감소하였다. 두께 증가 대비 편익이 가장 큰 두께 범위는 155 mm 포탄에 대해서는 0.50–0.75 m, GP 1,000 폭탄에 대해서는 1.50–2.00 m이다. 50 cm 구조체를 기준으로 충분한 안정성을 보장할 수 있는 복토 두께는 155 mm 포탄에 대해서는 0.5 m 이상, GP 1,000 폭탄에 대해서는 3.0 m 이상으로 분석되었다.

(4) 다만, 본 연구에서는 경험식과 경험도표만을 이용하여 정량적 분석을 실시하였다. 향후에는 현장실험을 통해 데이터를 축적하고, 이를 토대로 개발된 신뢰성있는 설계도구가 제시되어 정확한 분석과 데이터베이스 구축이 이루어져야 할 것이다. 추가로 사질토와 점성토 이외에도 현장에서 수급이 용이한 토질의 반영이 필요하며, 다양한 무기체계의 반복타격에 대한 분석도 수행되어야 할 것으로 판단된다.