부력과 양압력

부력과 양압력은 비슷하면서 다른말입니다.이 둘의 차이를 비교해 보도록 하겠습니다.

1. 부력(Buoyancy)

1) 부력의 개념

유체속에 있는 물체가 중력과 반대방향인 상향으로 유체로부터 힘을 받게 되는데 이 힘을 말합니다. 부력의 크기는 물속에 잠긴 부피에 해당하는 유체의 무게입니다. 

부력(B)=rw x V ,  여기서 rw = 물의 단위중량, V= 물체에 단긴 부분의 체적입니다.

2) 부력발생원인

압력수두차에 의한 지하 피압수에 의해서 부력은 발생합니다. 

지하수위변동 특히나 우기시 지하수위가 상승하게 되고 구조물에 물이 잠김에 따라서 상향의 힘이 발생할수 있습니다.

지반여건에 의해서 물의 유입이 발생하고 이에 따른 수위가 증가할수 있습니다.

구조물자중이 잠긴 물에 비해서 작을때 부력이 발생할수 있습니다.

3) 부력의 영향

지하구조은 지하수위에서 구조물 밑면 깊이만큼 부력을 받으며, 자중이 부력보다 적으면 건물의 부상을 초래할수 있습니다. 구조물의 부상으로 인해 부재의 균열, 누수, 파손등 여러가지 문제점이 공사 중 혹은 공사 완료 후에도 발생할수 있습니다. 즉, 부력에 의해서 건축물의 균형이 상실되고 부재의 균열 건축물 누수 및 파손, 피압수의 용출, 건축물의 붕괴등이 발생하는 것입니다.

"피압수란 지중에서 어느 정도 압력을 받는 비교적 깊은 곳에 있는 지하수로서 상항 불투수층 사이에 끼어 있고, 압력 수두차에 의해서 흐름이 생깁니다"

3) 부력기초 Floating Foundation

양질의 지지층이 매우 깊은곳에 위치할때 상부구조물을 하부지지층까지 전달하기 어려운때 굴착한 흙의 중량과 구조물의 중량이 균형을 이루도록 만든 기초공법입니다. 

부력기초는 설계시 침하방지 또는 경감이 목적이기 때문에 지지력에 구조물이 만족해야 하고 지지력이 너무 깊은 지반은 부력기초에 적합하지 않습니다.  기초 형식은 독립, 연속, 전문기초 형식을 채태하며 부등침하를 최소화하고 침하에 대해 허용값이 크게 됩니다. 

얕은기초는 직접기초라고도 하는데 Footing기초(독립 Footing, 복합 footing, 연속 footing)와 전면기초(Mat Foundation) 그리고 부력기초가 있습니다. 이와 반대로 깊은기초는 말뚝기초라고 하는데 기능상 분류로는 지지말뚝, 마찰말뚝, 다짐 말뚝, 빗말뚝, 경사말뚝, 앵커 말뚝, 인장 말뚝이 있습니다. 재료상 분류로는 나무말뚝, 기성 콘크리트 말뚝(원심력 RC말뚝, PSC말뚝(포스트 텐션, 프리텐션), PHC 말뚝)이있고 현장 콘크리트 말뚝에는 Earth drill공법, Benoto 공법, RCD공법등이 있으며, 강재 말뚝에는 강관말뚝(Steel Pipe Pile)과 H형강 말뚝(H-steel pile)이 있습니다.

4) 부력 저항기구

부력을 저항기구에는 구조물의 자중 및 상재하중을 높일수 있고, 구조물과 되메움 토사와의 마찰력을 증가시킬수 있습니다. 또한 바닥 Slab Key와 지표와의 웨지 무게를 높일수 있으며 Pile의 인발 저항력을 높일수도 있습니다. 또한 부력 방지용 앵커를 댈수도 있습니다. 이렇게 부력을 방지하기 위해서는 공사기간과 공사금액에 맞춰서 안전한 설계내에서 검토 및 진행을 해야합니다. 

2. 양압력

1) 양압력의 개념

구조물이 지하수위 이하에 있을경우 수압이 작용하며, 이중 상향으로 작용하는 수압입니다. 이는 정수위 상태일 경우 양압력=정수압 이며 구조물 저면에 작용하는 침투수가 있는경우 양압력은 침투시 간극수압과 같습니다. 

정수위상태 : 양압력 = Dx rw / 침투발생시 : 양압력=(D+h) x rx

2) 양압력이 미치는 영향

구조물을 부상시키고 균열 및 안정성 저하를 일으킵니다. 특히나 댐의 경우  균열이 발생하면 균열이 콘크리트 열화에 영향을 미칠수 있습니다. 콘크리트 열화는 콘크리트 내구지수를 급격히 낮추게 만들어 추후 붕괴 및 무너질수 있습니다.

3) 대책

▶ 지하수위 저하 대책

지하수위가 상승함에 따라서 발생하기 때문에 지하수위를 저하하는 공법을 사용할수 있습니다. 지하수위 저하 공법으로는 차수공법과 배수공법등이 있습니다. 차수공법은 물의 흐름을 막는 공법이며 배수공법은 물을 빼는 공법입니다. 배수공법에는 중력배수, 강제배수, 영구배수, 복수공법등이 있습니다. 중력배수의 경우 표면재수, 집수통 활용, Deep well공법등이 잇고 강제배수의 경우는 Well point, 진동 Deep well, 전기 침투 공법이 있습니다. 영구배수공법에는 유공관과 배수관이 있고 복수공법에는 주수공법과 담수공법이 있습니다. 

▶ 차수공법

차수 흙막이 공법인 Sheet Pile, Slurry wall등을 통해 침투되는 침투수를 방지하는 공법입니다.

주수공법은 Pumping으로 Wellpoint에서 양수한 물을 다시 Sand Pile 에의해 지중에 주입하는 공법이고 담수공법은 Sand Pile 을 통해 흙막이 벽에 의한 지하수위 저하만큼 물을 주수하는공법입니다.

▶ 약액주입 공법

약액주입 공법은 침투수가 영향을 끼치지 않도록 간극사이를 시멘트 페이스트 등으로 막아주는건데요. 기초 그라우팅 공법과 고결공법등이 있습니다. 약액주입 공법 시공시에는 공법의 선정과 자재 조달 , 환경오염을 검토해야합니다. 특히나 약액주입공법 검토시 주입압을 체크하여 주입을 체크해야합니다.