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흙막이 공사 및 성토공사에 있어서 히빙과 보일링 검토가 필요합니다. 히빙과 보일링은 부풀어 오른다는 이미지로 인해서 같은 현상처럼 느낄 수 있습니다. 하지만 히빙과 보일링은 지반에 따라 그 반응이 따르기 때문에 꼭 그 차이를 숙지해야 합니다.
히빙이란
1. 히빙의 정의
히빙은 영어로 Heaving이라고 표현합니다. Heaving의 사전적 의미를 보면, Heave는 들뜬다는 표현이며 Heaving이라고 하면 들뜸이라는 한국식 표현이 될 수 있습니다. 히빙은 연약한 점토 지반을 굴착할 때 굴착 배면 토 중량과 재하 중이 지반이 가진 전단강도보다 크게 되면 배면 지반은 침하되고 그리고 굴착면은 부풀어 오르는 현상이 일어납니다. 이런 현상은 단지 흙막이 공사뿐만 아니라 현장타설 말뚝의 케이싱을 설치할 때나 케이슨 기초를 침설 할 때 발생하기도 합니다. 굴착 저면, 즉 굴착지점에 점토가 있으며 그 지반 아래쪽에 피 압수를 가진 투수층이 존재하게 되면 이 피 압수에 의해 지반이 부풀어 오르는 것입니다. 단순하게 생각하면 히빙은 진흙놀이할 때 한쪽 부분을 누르게 되면 다른 한쪽이 볼록 올라오는 현상이라고 보시면 됩니다.
2. 히빙의 검토 방법
히빙을 검토하는 방법은 2가지를 생각하면 됩니다. 첫 번째는 굴착에 의한 히빙을 검토하는 것이며 또 하나는 피 압수에 의한 히빙을 검토하는 방법입니다. 굴착에 의해서 일어하는 히빙의 경우에는 좀 더 세부적으로 모멘트 균형에 의한 방법과 지지력에 의한 방법이 있습니다.
3. 히빙의 방지 대책
1) 굴착 히빙을 방지하기 위한 대책으로는 근입 깊이를 연장하는 것입니다. 앞서 설명드렸듯이 히빙은 저면 굴착시 배면토의 토압의 이동에 의해서 저면이 부풀어 오르는것인데요. 이런 토압에 이동을 막기 위해서 Sheet Pile, CIP 파일 등 흙막이 구조물의 근입깊이를 길게 하여 깊이에 따른 지반의 전단강도를 높여줄수 있습니다. 하지만 이러한 방식을 검토할시에는 단순한 길이조절이 아닌 길이 증가에 따른 공사비 검토와 공기 검토를 기반으로 하여야합니다. 또한 근입깊이를 추가할 시 지반 상태를 고려하여 천공이 되는지 여부도 검토하여야 합니다. 깊이 증가 시 지반의 암이 존재한다면 천공기도 그 종류가 달라져야 하기 때문이 빈다
2) 지반개량에 의한 전단강도를 증가시키는 방법도 있습니다. 연약층이 얕은 경우 프리 로딩(Pre loading, 선청 공) 공법을 이용하여 선하중을 주어서 지반 전단강도를 증가시킬 수 있습니다. 굴착 저면의 지반의 연약층이 깊은 경우는 연약지반개량공법 중 압밀 배수 촉진 공법을 사용하여 연약층을 개량할 수 있습니다. 대표적인 압밀 배수 촉진 공법에는 PBD 공법, Sand Drain 공법, Pack Drain (팩 드레인) 공법 등이 있습니다. 국내에서는 일반적으로 PBD(Plastic Board Drain) 공법이 많이 쓰이는데요, 그 이유에는 경제성이 뛰어나고 시공성이 용이하기 때문입니다. Sand Drain 공법은 PBD 공법에 비해서 효과는 뛰어나나 Sand(모래) 단가가 높기 때문에 시공전 예산 검토가 필요합니다. 또한 그 외 연약지반 개량공법에는 시멘트, 약액 주입을 하여 고압 분사하는 그라우팅 공법이 있고 전기침투 공법(전기 배수 공법) 등이 있으니 참고하시기 바랍니다.
3) 피 압수에 의한 히빙 방지 대책으로는 Well Pont 공법과 Deep well공법, 강제 Deep well 공법 등이 있습니다. 이 공법은 굴착 저면의 피 압수를 배수하는 공법입니다.
보일링(Boiling)이란
1. 보일링의 정의
보일링이란 영어로 Boiling이라고 하는데요 이는 끓어오른다는 표현입니다. 히빙과 보일링을 생각할 때 그 차이가 나는 부분은 지반의 특성입니다. 히빙의 경우는 점토 지반에서 발생하며 보일리은 사질토 지반에서 발생합니다. 쉽게 생각하면 점토의 경우 물이 통과할 수 없으므로 지반을 부풀어오르게 하는 히빙현상이 되는것이고 보일링은 사질토 지반으로 큰 투수계수를 가지고 있기 때문에 통과를 할수 있으며 끓는 현상처럼 보이게 되는 것입니다. 즉, 히빙과 보일링의 용어는 결과에 의한 현상을 표현하는 용어로 생각하시면 됩니다. 공학적으로 보일링 현상을 살펴보면, 지반을 굴착하거나 제거할 시에 지하수압의 균형이 붕괴가 되고 지하수가 위로 유출이 됩니다. 이때 굴착면 부근 사질토의 유효 중량보다 지하수압이 높아지게 되면 사질토츠과 침투수가 끓어오르게 되는 보일링 현상이 생깁니다.
2. 퀵 샌드(Quick Sand)와 보일링
퀵 샌드 현상은 굴착 저면 부근 사질토 지반에 상향 침투수가 생겨 침투압이 흙의 유효 응력보다 크게 되면 모래입자가 유동화가 되는 현상을 말하는데요 이 현상이 발생하게 되면 지반이 지지력 잃고 물이 끓어오르는 상태가 되며 지반이 파괴 상태에 이르게 됩니다. 바로 그 상태를 보일링리아고 할 수 있습니다. 즉, 퀵 샌드와 보일링은 같은 맥락에서 보시면 되고 진행하는 과정 중 불리는 용어로 생각하시면 됩니다. 특히 공사 시 일어나는 경우는 깊은 굴착을 하는 공사에서 번번히 발생하게 되는데요. 지하수의 압력차가 크게 되면 보일링이나 퀵 샌드 현상을 일으키기에 시공 시 주의해야 합니다.
3. 보일링 검토
보일링을 검토하는 경우는 지하수위가 높은 사질토 일 때입니다. 보일링 검토는 Terzaghi에 의한 검토식을 사용합니다.
4. 보일링 방지대책
보일링을 방지하기 위해서는 표토를 제거하여 하중을 작게 하거나, 굴착면에 선하중을 가해서 전단강도를 높이거나 또는 연약지반 개량 방식을 이용합니다. 또한 배면 배수처리를 철저히 하며 그라우팅, 동결 공법, 약액 주입 공법을 통해 지반의 전단강도를 높일 수도 있습니다. 또한 뒤채움 시 토사의 재료를 양질의 통사를 사용하며, 굴착 후 오래 방치하지 않고 연속 시공하여야 합니다.