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2009.02.10 15:54

연약지반의 공학적 문제점





연약지반의 공학적 문제점


1. 지반침하

지반공학적인 관점에서 보면, 어떤 특정지반을 연약지반이라 말하는 것은 불가능하다. 어떤 지반이 연약성 여부는 지반자체가 현재 갖고 있는 강도와 재하 외력의 상대적 관계에 의한 것이기 때문이다. 이 경우의 외력에는 재하속도가 포함되어 있다. 단, 물리적인 조건이 같은 경우에도, 그 곳에 건설하는 구조물의 설계조건 혹은 중요성에 따라서 상황이 달라지며, 같은 구조물이라도 침하나 변형에 대한 조건이 크게 다를 수 있다. 지반파괴에 의한 구조물의 파괴에 대해서도 그 구조물의 파괴가 주변에 미치는 영향에 큰 차이가 있을 수 있다. 따라서, 설계에 있어서는 물리적인 검토와 함께 사회적인 항목에 관해서도 배려하여야 한다. 지진의 경우를 제외하고, 가장 단순한 경우로서 지반에 하중을 가해 가는 과정을 생각하면, 먼저 최초의 침하가 일어난다. 하중이 작을 때는 이 침하량은 하중에 비례해서 증대하지만 일정 범위보다 크게 하중을 증가해가면 지반변형이 급격히 커져 지반전체가 파괴된다. 건설공사에 있어서는, 사전에 이러한 현상들을 예측해 둘 필요가 있고, 장래의 유지관리상 악영향을 미칠 수 있는 침하가 일어나지 않도록 시공계획을 세우는 것이 필요하다. 사질토의 경우에는 이 추정만으로 끝나지만, 점성토나 중간토의 경우에는 장시간에 걸쳐서 계속되는 압밀현상을 압밀이론을 이용해서 추정하게 된다. 이 압밀이론에 의하여 침하량의 크기와 함께 침하 기간도 추정할 수 있다. 지반파괴에 관해서는 지반의 지지력을 추정해서 안전하게 재하 할 수 있는 하중의 한도를 구해 둔다. 또, 사면의 붕괴를 방지하기 위해서는 사면안정계산을 해둘 필요가 있다.

침하와 지반파괴의 현상은, 지반에 가하는 하중을 증가시킬 때 연속적으로 발생하지만 실제 현장에서는 별개의 현상처럼 추정을 하는 것이 보통이다. 그 때 문에 실제에서는 그 지반을 지지할 수 없는 큰 하중에 대해서도 침하량의 계산을 실시하는 경우가 허다하다. 침하와 지반파괴의 추정에 있어서는 먼저 지반파괴의 검토를 수행하고, 지반파괴를 일으키지 않는 범위내의 하중에 대해서 침하의 추정을 하는 것이 바람직하다.

지반에 하중을 가하면 정도의 차이는 있지만 주위 지반에서도 침하가 일어난다. 사질토 지반의 경우에는 지반을 탄성체로 가정한 침하계산을 실시하면 일반적으로 그 침하량은 그다지 크지 않다. 탄성체라는 가정으로부터 이 침하는 재하순간에 일어난다고 하나 실제로는 일정 시간에 대해서 침하가 일어난다. 단, 그 시간은 시공기간에 비하여 짧기 때문에 침하 예측이 잘못된 경우에도 시공기간내에 수정할 수 있는 경우가 많다. 점성토지반의 침하는 사질토와 비교해서 상당히 중요한 문제를 내포하고 있다. 재하에 따른 탄성적 침하에 대해서는 사질토와 거이 같지만 그 후의 압밀에 다른 침하가 탄성침하량 보다 큰 것이 보통이고 침하기간이 상당히 길다. 따라서, 탄성침하는 시공기간내에 대처할 수 있어도 압밀침하에 대해서는 경우에 따라 후세까지 문제가 남을 수 있다.

점성토지반의 침하문제 중에서 가장 곤란한 것은 그 구조물의 표고 유지가 엄격하게 요구되는 경우이다. 이 경우에 실제침하가 예측보다 큰 경우에는 표고를 유지하기 위해서 최종침하량을 정확히 예측하여 대책을 수립하여야 한다. 일 본 간사이(關西) 국제공항은 인공섬 위에 만들어진 해상공항이며 침하문제가 심각하다. 간사이 국제공항의 침하에 관한 지반공학적 특징은 종래에는 무시된 심부 홍적점성토층군의 압밀이다. 일반적으로 충적점성토층의 하부에는 퇴적후 시간이 오래 경과되고 단단한 홍적층이 존재하며 이 층은 일반적으로 점성토층과 사질토층의 양층으로 되어있는 경우가 많다. 종래의 매립지조성에서의 재하에 있어서는 토층의 충적점성토의 압축에 대해서는 충분히 검토하지만 깊은 홍적점성토층의 압축은 생각하지 않는 것이 보통이었다. 그것은 지반심부의 홍적점성토층군의 표층의 충적점성토층과 비교해서 상당히 단단하며 상재하중의 응력 전하가 그다기 크지 않아 지반표면의 하중의 영향이 적게 미치기 때문이다. 그러나 이 현장의 결과로 향후 해상매립 등으로 상재하중이 매우 큰 경우에는 홍적점성토층의 침하에 대해서도 충분히 고려할 필요가 있음을 시사하고 있다.

2. 지반의 파괴

자연지반의 표면에 재하를 하면 지반중의 전단응력이 증가하다가 어느 한도를 넘으면 지반전체가 파괴한다. 지반의 파괴를 일으키는 하중의 강도는 재하의 조건에 따라서 결정된다. 이 조건이라는 것은 지반의 흙강도 즉 흙의 전단강도와 재하면의 형태와 크기이고 이러한 특정조건들 하에서 지반이 지지할 수 있는 최대하중이 지반의 지지력 또는 기초의 지지력이라 한다. 지지력은 단위 면적당의 하중 즉 하중강도로 표현된다. 흙의 전단강도가 깊이 방향으로 일정한 경우에, 사질토 지반의 지지력은 재하하는 면의 크기에 비례적으로 증대하는 것에 반해서 점성토지반에서는 전단강도만으로 지지력이 결정된다. 실제로 지반파괴가 일어나는 것은 흙자체의 중량에 의해서 지반중의 전단응력이 증가하는 경우이다. 이것은 수평지반위에 성토를 하거나 지반중에 굴착사면을 만드는 등 흙에 의해서 사면을 형성하는 경우에 지반파괴가 일어나는 것이다.

연약 점성토의 경우 재하에 따른 유효응력증가 속도는 상당히 작기 때문에 전단파괴 발생이 용이하며, 그 경우 유효응력은 급격히 감소하므로 예측강도 이하의 현장강도를 유지하고 있는 경우가 많기 때문에 주의를 요한다. 또한 점성토 지반을 대상으로 중장비 작업을 수행하면 중기 주행에 기인하여 교란이 발생되므로 이에 따른 강도의 저하가 크게 나타나므로 이에 대한 주의도 요망된다. 지반파괴와 같은 현상을 취급하는 것을 안정문제라 하며, 이 문제는 장기안정문제와 단기안정문제로 구별된다. 단기안정문제는 정규압밀상태의 점성토지반에 구조물 축조로 재하하는 경우에 발생하는 지반파괴를 취급하는 것이다. 이 경우 시공완료시에 하중에 의해서 지반속의 전단응력이 최대가 되는 것에 대해서 압밀의 진행이 매우 느리므로 흙의 전단강도의 증가는 미소하기 때문에 이 시기에 파괴가 일어나기 쉽다. 한편, 장기안정문제는 과압밀상태의 점성토지반의 굴착의 경우가 전형적인 것이다. 굴착후 시간의 경과와 함께 부(-)의 간극수압이 정상의 압력으로 환원되면 굴착으로 제거된 하중만큼만 유효응력이 감소하고 파괴에 대한 안정성은 최소가 된다. 즉 이런 상황에서는 굴착직후에는 안정하여도 장시간 경과한 후에 지반파괴가 일어날 수 있다. 점성토지반의 파괴는 기술자의 부주의에 의해서 일어나는 경우도 많으며, 일단 파괴가 발생한 점성토는 강도가 급속히 감소하기 때문에 그 복구에 많은 노력과 시간을 필요로 하기 때문에 취급에 세심한 주의를 요한다.


3. 물의 영향

지반의 문제 중에 물에 관련된 것은 지하수의 소산에 의한 지반의 침하와 투수력에 의한 지반파괴의 문제이다. 지하수의 소산에 의한 문제는 각각의 구조물 중량의 재하에 의한 침하와는 다소 차이가 있으며 일반적으로 광역지반침하라 부른다. 지하수를 소산시키면 지반 둥의 대수층의 수압은 저하하여 그 감소량만큼 흙의 유효응력이 내부적으로 증가하여 압밀현상이 발생하고 지반표면이 침하 한다. 또한 물의 영향으로서 고려해야 하는 것은 물이 흙속을 침투할 경우 침투력의 영향이다. 흙은 간극이 작기 때문에 그 속을 침투하는 물은 흙의 저항을 받지만 그 반작용으로서 흙은 침투하는 수압에 의해 밀리게 된다. 이것이 침투력이고 중력과 같은 성질을 갖는다. 굴착을 하는 경우에는 토류벽의 안정과 함께 굴착 저면의 팽창을 반드시 검토해야 하는데 이는 침투력에 의해서 굴착저면부근의 흙을 들어올리는 경향이 있기 때문이다. 따라서 이점에 대해서도 실무자는 유의할 필요가 있다.


4. 부마찰력

연약지반에 말뚝을 박을 때에는 부마찰력의 가능성을 검토해야 한다. 부마찰력은 주위의 지반이 말뚝보다 더 많이 침하할 때 생긴다. 연약한 지반에 말뚝을 타설한 후 그 위에 구조물을 설치할 경우 구조물하중에 의하여 지반 내에 압밀이 일어나므로 말뚝을 끌어내리며 침하하게 될 것이다. 또한 연약지반을 관통하여 견고한 지층까지 말뚝을 타설한다면 말뚝타설에 의하여 지반이 교란되어 압축성이 커지고 말뚝주위에는 과잉간극수압이 생기므로 압밀을 유발한다. 즉, 압축성이 커지고 말뚝주위에는 과잉간극수압이 생기므로 압밀을 유발한다. 즉, 연약층은 말뚝에 대해 하향하중으로 작용하므로 부찰력이 생기게 되는 것이다. 일반적으로 점토의 소성이 낮을수록 부마찰력의 값은 작다. 또한 부마찰력은 말뚝의 전체길이에 걸쳐서 일정하게 분포되지 않고 아래로 갈수록 줄어든다. 이 값의 크기를 알면 지지력은 선단지지력으로부터 이 값을 감하여 구할 수 있다. 따라서 지지력은 현저히 줄어든다. 그런데 여기서 한가지 유의해야 할 것은, 부마찰력이 생기면 지지력의 문제보다도 침하의 문제가 더 심각할 수 있다는 것이다. 만일 말뚝을 연약한 지반을 통하여 견고한 암반까지 타설한 경우는 부면마찰력은 0 또는 부(-)의 값이 되겠지만 선단에서 지지할 수 있는 능력이 충분히 크므로 지반이 지지할 수 있는 전체지지력은 감소되지 않을 것이다. 그러나 말뚝자체가 부마찰력이 추가된 축력에 저항할 수 없다면 말뚝자체의 파괴를 가져올 수 있다. 한편, 말뚝의 선단이 견고한 지반에 놓이지 않았을 때에는 부마찰력으로 말미암아 과도한 침하가 발생한다.


5. 액상화현상

느슨한 모래나 실트와 같은 포화된 연약한 지반이 지지하중, 파랑하중, 진동과 같은 동하중을 받으면 갑작스럽게 지반의 강도가 저하되어, 그 위에 있는 모든 구조물이 폐허화될 수 있다. 지진으로 액상화현상이 발생한 예는 1960년의 칠레의 발디비어, 1964년의 일본 니이가다, 1964년 알래스카 앵카리지 등이 있다. 다행히 우리 나라에서는 지진으로 인한 이러한 피해는 최근에는 보고되지 않고 있으나, 이러한 현상을 예방하기 위해 댐, 고층건물, 항만구조물과 같은 중요구조물에 대해서는 동하중의 영향을 충분히 고려할 필요가 있다.

액상화현상에 대해서는 좀 더 구체적으로 기술하면, 포화된 느슨한 모래가 진동을 받으면 순간적으로 다져지면서 체적이 감소된다. 비배수상태에서 체적이 감소된다면 간극수압이 유발될 것이다. 이 값이 그 위치 위에 있는 하중과 동일하게 된다면 유효응력이 0이 되므로 그 모래는 완전히 강도를 잃게 되어 액상이 되는 것이다. 따라서 느슨한 모래지반의 경우는 동다짐공법 등의 적용으로 구조물 시공 전에 충분히 개량해 두는 것이 바람직하다.

 



 

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