[한방정리]부등침하와 균등침하 비교 그리고 부등침하 원인 대책

부등침하에서 부등에 의미는 무엇일까요? 부등에 의미를 사전적으로 보면 "층이 져서 고르지 않음. 서로 같지않음" 이라는 나옵니다. 즉 부등침하는 고르지 않게 침하하는 것이에요. 이게 무슨 말일까요? 개념을 이해하기 위해 부등침하에 반대말을 찾아보겠습니다. 부등침하에 반대말은 바로 균등침하라고 할 수 있습니다.  부등침하를 손쉽게 이해하기위해서는 이런상상을 할수 있습니다. 물이 가득 담긴 길고 큰 풍선이 있습니다. 그 풍선 아래에 많은 사람들이 있고 손을 번쩍 들어올려 이를 들고 있습니다. 처음에는 다같이 들고 있을수 있을겁니다. 하지만 계속 들고 있을경우 여러명의 사람중에서 한두명은 버티지 못해서 주저앉거나 팔에 힘을 조금 뺄수가 있을겁니다. 풍선은 물이 담겨있기에 한사람이 팔에 힘을빼면 그쪽으로 물이 더 쏠리게 되겠죠. 그리고 그 사람이 주저 앉아버리면 풍선에 물은 그 빠진 사람쪽으로 물이 완전히 쏠려서 불룩한 모양이 될것입니다. 먄약 여러명의 사람이 동시에 주저앉아버리면 풍선의 모양은 원래 모양을 유지하겠지만 한두사람만 빠질경우에는 이상한 모양이 됩니다. 이렇게 물이 몰리는 것을 응력이 집중된다고 보시면 되고 이 그림이 부등침하와 비슷한 그림이라고 보면 됩니다. 그 반면에 여러명이 주저앉는것은 균등 침하라고 볼수 있는거죠. 토목을 이해하는데 있어서  흙을 하나의 딱딱한 고체로 보는것보다 물같이 조금 유연한 액체로 보는 눈을 가지면 토목이 조금 쉽게 이해될거라고 생각듭니다. 이번 포스팅은 부등침하에 대해서 포스팅 해보도록 하겠습니다.

 

1. 부등침하란 무엇일까요?

1) 구조물의 기초지반이 침하함에 따라 구조물의 여러부분에서 불균등하게 침하를 일으키는 현상을 말합니다. 

2) 구조물 부등침하에는 지반에 의한 원인이 있고 그리고 구조물에 의한 원인이 있을수 있습니다. 특히나 구조물을 대표할수 있는 교량의 경우에는 접속슬래브부에서 부등침하가 번번히 일어납니다.

2. 지반에 의한 부등침하의 원인과 대책 

1) 부등침하 원인

• 지반 연약화 : 중량이 일정하게 분포되어 있다고 하더라도 중앙부 지중응력이 클수밖에 없습니다. 그렇기 때문에 지반에 응력으로 인해서 연약화가 되기에 중앙이 다른 부분보다 더 침하가 일어나서 부등침하가 일어날수 있습니다.
• 연약지반의 두께 차이 : 연약지반의 두께가 다르기 때문에 같은 힘을 받고 있어도 지반마다 변화되는량 즉 압축량이 다를수 있습니다. 위의 풍선아래 사람들이 버티는 힘의 차이가 다른것처럼요.
• 동적하중에 의한 사질토 지반 액성화 : 사질토 지반의 경우는 진동에 의해서 배열이 달라지고 지지력이 약해질수 있습니다.
• 지반개량시 상재하중을 단시간에 과도하게 적하한 경우 : 상재하중의 과도한 적하로 인하여 지반이 전단파괴가 일어날수 있으며 전단강도가 약해질수 있습니다. 전단강도가 약해진다는것은 지지력을 잃는다는 것입니다.
• 지하수위의 계절적 변동 : 지하수위가 겨울에는 얼게 되거나 여름에는 녹게 되면서 그 수위 차이로 인해 지반의 지지력에 영향을 줄수 있습니다.
• 구조물에 인접하여 터파기할경우 : 지하수위 저하 및 지반의 이동으로 침하
• 옹벽, 석축, 사면등의 상부지역에 축조된 경우 : 사면이 이동하여 변형 발생
• 서로 다른 지반에 걸쳐 축조된 경우 : 압축량의 차이

2) 대책

• 토질특성에 맞는 연약지반 개량공법을 선정해야 합니다. 이전 포스팅에서 말했듯이 연약지반 개량시 점성토와 사질토의 경우 개량공법이 다르다는것을 포스팅하였습니다. 점성토의 경우는 치환공법이나 탈수공법등 간극수를 제거하는데 초점을 두고 사질토의 경우는 진동에 의해 간극에 있는 공기를 제거하는데 초점을 두는 것입니다.

 참고 https://elias21.tistory.com/17

• 충분한 다짐에 의한 지지력 확보 : 다짐의 경우 진동다짐 전압다짐 충격다짐등이있습니다. 다짐시에도 토질별 그리고 조건별 차이를 두고 충분한 지지력을 가질수 있도록 하여야 합니다.

참고 https://elias21.tistory.com/29

• 허용침하량 이하로 설계

3. 구조물에 의한 부등침하의 원인과 대책

1) 부등침하 원인

• 구조물의 자중이 일정하지 않을경우 : 지중응력의 분포가 다를경우
• 기초의 형식이나 제원이 다를 경우 : 지중응력분포와 응력전달이 다를 경우
• 기초 시공의 불량 : 기초는 구조물을 받치고 있는 말뚝을 말합니다. 기초가 휘었거나 시공불량으로 인해서 충분한 지지력을 확보하지 못한경우 또한 기초가 가진 지반에 영향등으로 인해서 균열이 발생하는 경우등이 있을수 있습니다.

2) 대책

• 적절한 기초형식을 선정합니다.
• 구조물의 강성을 크게하고 경량화 중량배분을 고려합니다.
• 신축이음  Expansion Joint를 설치합니다.
• 부마찰력을 검토합니다

부마찰력(Negative Skin Friction)  :부마찰력이란 선단지지말뚝이 포화된 점토층을 관통하여 지하수위 저하, 상재하중, 압밀침하로 인해 하향으로 작용하는 주면마찰력입니다.

• 인접구조물과의 간격 확보 : 인접구조물에 따른 측방유동이나 그리고 기타영향들에 대한 검토가 필요합니다.
• 암반층 지지 : 구조물 기초를 암반층 즉 연암이상에 지지하여 지지력을 확보합니ㅏ다.

4. (지반+구조물) 교량 접속부 뒤채움부 부등침하

1) 뒤채움부 부등침하의 문제

교량 접속부의 부등침하 무제는 교량과 뒤채움부의 단차에 의한 도로의 쾌적성에큰 물제를 유발하며 이에 대한 유지보수 또한 쉽지 않습니다. 일반적으로 접속부 불량에 대한 원인 중 가증 큰 요인은 교대 뒤채움 침하인데, 접속부 침하는 접속슬래브 끝부분에서 가장 많이 발생하며 점차적으로 도로 본선 포장부로 진행합니다.

2) 부등침하 발생 원인

접속부 침하를 일으키는 요인들은 4계절에 따른 덥고 춥고의 온도 변화, 침식에 의해 성토재의 손실, 이음불량이나 배수 및 다짐 불량, 부적합한 성토재 사용 등 부적합한 시공법법, 기초지반의 침하, 과다한 차량하중 등에 따라서 기인할수 있습니다. 이러한 요인들은 복합적으로 상호작용하며 문제를 발생시킵니다. 특히 교량의 횡방향 변위 및 성토부 침하는 교량 접속부의 부등침하를 일으키는 가장 큰 요인으로 작용합니다. 

이러한 교대 뒤채움부 침하 문제는 기초지반과 교대 성토부의 시간 의존적인 압밀, 교대 주변의 배수 불량과 토양 침식, 교대에 인접한 제방 성토의 압밀에 기인합니다.

3) 교량 접속부 뒤채움부 단계별 침하 저감 방안

설계 및 시공 단계 : 뒤채움부 침하의 원인을 파악하고 침하를 일으키는 요인을 제거하거나 줄이는 것이 중요함. 면밀한 지반조사를 수행해 압밀에 의한 침하가 큰 연약지반의 경우 선행재하공법, 밀도향상, 개량 및 대체 공법등이 시공전에 선행되야합니다. 또한 뒤채움 재료는 다짐성이 좋아야 하고 시간에 따른 압밀이나 Creep를 받지않으며, 침식에 대한 저항이 크고 탄성적인 거동을 보이는 것으로 선정해야합니다. 포장시에는 연성 포장, 비보강 및 보강 콘크리트 포장을 사용하면 침하 저감에 도움이 되며 부등침하 발생이 예상되는 경우 접속슬래브의 Precamber을 하여 어느정도 보완할수있습니다. 또한 신축이음부와 일부 균열을 통해 뒤채움부로 침투된 물이 뒤채움부를 침식과 침하를 유발하므로, 효과적인 배수설비를 설치해 뒤채움부 침하를 최소화하여야 합니다.

4) 유지관리 단계 : 유지관리기법에는 덧씌우기 공법, 그라우팅 공법과 대체공법등이 있스빈다. 덧씌우기 공법은 교량과 접속슬래브 사이의 부등침하를 아스팔트를 이용해 줄여주는 것이나 침식과 반복하중에 의한 접속슬래브 아래 간극의 발생은 억제할수 없으며 오히려 더 많은 침하를 야기시킬수 있습니다.