지하구조물 양압력 및 부력 대처방법

 

지하 구조물을 굴착시 구조물 기초바닥은  지하수위에 의한 수압 처리가  문제가  됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 배수를 통해서 지하수위를 낮추거나 구조물을 중량을 늘려서 균형을 맞추는 방법이 있습니다. 

 

앞서서 부력과 양압력의 차이를 설명한 바가 있으니 아래 링크를 참고해주시면 설명을 보실 수 있습니다.  

https://eeliassi.com/18

 

지하구조물에서 구조물의 하중이 작기 때문에 상승하는 압력인 양압력이 작용할 수 있고 이런 양압력에 따라 구조물에 불균형이 생기고 균열이나 파괴가 일어날 수가 있습니다.

1) 사하중 설계 변경

이는 구조물의 하중이 작기때문에 발생하는 것으로 구조물  외벽  마찰력이  기초에  작용하는  양압력보다  크게 설계하는 방법입니다. 기초가 지하수압에 견디기 위해서는 이중 매트, 단일 매트 형식의 공법을 이용하고 이를 통해 기초 슬래브 양압력 처리를 할 수 있습니다. 하지만 굴착 깊이가 증가하고 기초의 단면이 증가 함에 따라서 공사비가 커지는 단점이 있습니다. 그렇기 때문에 사하중 설계를 변경하는 공법을 선정하기 전에 공사비에 대한 검토와 공사기간에 대한 검토를 철저히 해야 합니다. 

 2) 앵커말뚝

양압력에 저항하기 위해서 기초에 말뚝을 시공하는 방법입니다. 큰 전도 모멘트를 받는 구조물인 높은 굴뚝 송신탑 또는 부두의 기초의 경우 말뚝을 이용해서 양압력에 저항해야 합니다. 양압력 저항하기 위해 말뚝과 흙 사이의 마찰력을 높이는 방법을 사용하는데요. 천공 말뚝의 경우 말뚝 하부를 크게 확대하거나 모양을 종으로 만들 수 있습니다. 또한 현장 타설 말뚝은 구근 선단을 만들어서 전단 저항력을 높일 수 있습니다. 메이어 호프와 아담스가 확대 선단부 말뚝의 상향 저항력 계산하는 방법을 정립하였는데요. 여러 가지 실험 결과가 발표되었는데 상향 하중에 대한 말뚝의 주면 마찰력은 압축하중에 저항할 때 발휘되는 것보다 훨씬 작다고 합니다. 그리고 토질에 대해서도 제안하였는데 사질토에 대해서 50%를, 점토 지반의 장기 지속 하중에 대해서도 같은 정도로 감소하도록 제안하였습니다.

3) 암반 앵커 말뚝
말뚝을 암반에 시공할 시에는 높은  지지 저항력을  가졌다  하더라도 암반에 관입 전 연약지반을 지난다면 상향 압력에 대한 저항력이 크지는 않을 것입니다. 그렇기 때문에 암반에 말뚝이 적게  타입 된 경우에는  말뚝 주위  물질이  깨져서 상향 하중에 대한 저항력은  무시할  정도입니다. 또한 상향 압력에 대한  저항력은  거의  모두  암  부스러기와  위에 있는  흙의  마찰력에  의존될 것입니다.  상향 압력에 대한 저항력을  증가시키기  위해서는  암반에 구멍을  깊이  굴착해야 하고  이 구멍에 콘크리트를  치거나 그라우트 해야 합니다. 중공인 상자형  말뚝  또는 천공 말뚝의 경우에는 강봉이나 강선 등의 케이블을 이용하여 굴착고에 설치하고 콘크리트를 타설 할 수 있습니다.
이러한  유형의 앵커의 상향 저항력을  결정하는 요인은 ① 앵커 로드나 케이블의 인장강도,  ② 강봉(rod)이나 케이블 및 이를 둘러싼 콘크리트나 주입재 사이의 부착 저항력, ③ 콘크리트나 주입재 및 둘러싼 암반 사이의 부착 저항력 등이 있습니다.

말뚝 설치 시에는 실제 현장에서 설치하려고 하는 지름과 그리고 같은 공법을 고려하여 허용 부착 응력을 결정해야 합니다. 또한 지름 150센티미터까지의 강봉이나 케이블에서는 0.3～0.7, 그리고 지름 300 밀리미터까지 앵커에서는 0.15～0.3의 값을 허용치로 사용해도 좋다. 
암반 굴착 작업으로 표면이 약해지면 주입재와 암반 사이 부착력은 약해지게 됩니다. 이런 현상은 백악이나 이암과 같은 실트질이나 점토질 풍화암에서 발생할 수 있는데 파괴 시 부착 응력은 풍화된 백악, 이암 및 혈암에서는 0.15～0.3, 그리고 풍화되지는 않았지만 절리가 있는 단단한  암에서는 1.0～2.0의 범위에 있습니다. 

4) 배수처리 방법
구조물  기초 바닥에 발생하는 양압력을 배수에 의해 감소시키는 즉, 지하수위를 낮추는 방법입니다. 이는 양압력에 대해 앞에 소개한 공법처럼 앵커를 시공하지 않아도 되고 기초 슬래브의 두께를 늘리지 않아도 되는 장점이 있습니다.
▷ 조사 
보링 조사 : 지반에 대한 시추 주상도를 작성해 지반 전체 구조를 조사합니다.
실내시험 : 시주 조사 중 채취된 시료를 이용하여 체 분석 시험, 포화도 시험 및 투수 시험 등의 실내시험을 시행합니다.
현장 투수시험 : 양수 시험과 수압 시험 등의 투수 시험을 통하여 지반 투수 계수를 구한다.
▷ 분석
지반조사 결과를 분석해 각 지층에 대한 대표 투수계수를 결정하고 유선망을 사용하여 전체 예상 유입량을 산정합니다.
▷ 평가
예상 배수량에 대한 배수 설계 타당성을 평가합니다.
▷ 배수시스템 비교
① 외부 배수 시스템

외부 배수 시스템의 경우는 지하 벽에 배수층을 만들어서 유공관을 이용해 집수정으로 지하수를 모읍니다. 그리고 지하수를 펌프에 의해 외부로 배수하여 지하수위를 낮추는 방법입니다. 이 공법은 양압력을 감소시켜 지하구조물 전체 안정에 효과적인 장점이 있습니다. 단점으로는 구조물에 따라서 외부에 배수 시스템을 설치할 수 없는 상황이 발생할 수 있다는 것입니다. 또한 유공관이나 집수정의 연결부위 시공 시 시공관리를 철저히 하여 외부로 물이 새 나가는 것을 방지해야 합니다. 또한 강제 배수시 지하수위 조절하는 인공 수위 저하 방법은 대량은 배수로 인하여 인접 구조물의 침하와 균열을 발생할 수 있는 Risk가 있기에 철저한 검토가 필요합니다.
 
② 기초바닥 영구 배수시스템 

이는 외부에 배수 시스템을 두는 게 아닌 구조물 기초 슬래브 아래에 배수층을 만드는 것입니다. 이 배수층에 유공관을 시공하고 그 유공관과 집수정을 통해 물을 모으게 되는 것입니다. 그리고 물을 펌프에 의해 최종 강제 배수처리 함으로써 양압력을 감소시킬 수 있습니다.  이 시스템을 이용하면 구조물 기초 바닥 양수처리에 효과적이며 주변 침하문제를 해결할 수도 있습니다. 또한 시공이 간편하며 공사비가 저렴하여 범용적으로 시공 가능한 공법입니다.

 

③ 내, 외부 영구 배수시스템
①, ②의 부분적 장점을 취해 양압력에 저항하는 공법입니다. 이를 통하여 앵커 설치가 절감되고 기초 슬래브 단면을 두껍게 할 필요가 없어서 공사비를 저렴하게 할 수 있지만, 현장 주변 조건과 적용성을 고려해 공법을 선정해야 합니다.

 

부력과 양압력