1. 서 론
2. 부력방지 대책 공법 이론적 배경
2.1 영구배수공법
2.2 부력앵커공법(Rock anchor)
2.3 연직배수공법
3. 실내 모형토조 시험
3.1 실내 모형토조실험 장치
3.2 시험방법
4. 실험 결과 및 비교·분석
4.1 실내모형토조실험에 의한 양압력 측정결과
4.2 SEEP/W 유한요소 해석에 의한 계측점의 양압력 분포도
5. 결 론
1. 서 론
최근 도심지는 더 많은 주거 공급, 도로 인프라, 수도 및 설비, 하수도 시스템, 대기 및 소음 공해 및 기타 인구 증가와 같은 문제들을 초래하고 있어 이를 해결하고자 건물의 고층화와 지하공간의 활용도가 높아져 이에 대한 개발의 중요성이 야기되고 있다. 일반적으로 지하구조물을 설계하는 경우에는 지하수위를 상정해 구조체의 안전을 고려해야 한다(Hong, 2020). 대규모 건축·토목 공사는 지하층의 깊이 및 면적 증가에 따른 설계와 시공공법에 대한 경제적이나 주변 지반침하 같은 문제가 새롭게 부각되고 있는 실정이다.
지하공간은 전기 및 가스공급, 상·하수도 매립, 폐기물 매립 등 단순한 공간이 아닌 도시기반을 다지는 구조물로써 인프라 및 녹지 공간 확보에 따른 지상공간을 대체가능한 공간으로 떠오르고 있다. 따라서 지상과 지하의 공간은 교통 인프라, 시설물, 문화시설 등이 연계될 수 있는 입체적 설계 및 시공이 필요하다(Oh, 2022).
지하공간에 관심이 높아짐에 따라 지하구조물에 작용하는 상재하중, 토압, 수압 등의 안정성 확보가 요구되고 있다. 이러한 하중 외에 상재하중이 충분하지 않거나 지하수위를 충분히 고려하지 않을 경우 부력 및 양압력에 의해 지하구조물이 커다란 손상을 입을 수 있다. 특히 집중호우에 의한 갑작스러운 지하수위 상승은 지하구조물에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 야기되는 피해를 방지하기 위해 설계 및 시공단계에서 충분한 검토가 필요하다. 이를 방지하기 위한 국내에서 적용하고 있는 대책들을 살펴보면 영구배수공법, 부력앵커공법, 연직배수공법 등이 주 공법들이다. 기존 공법 시 빈번하게 나타나는 과대한 펌핑문제는 주변 지반침하, 공사비 증대 등의 문제로 연결되기에 연직배수공법이 최근 선호되고 있다.
본 논문에서는 부력방지공법인 연직배수공법에 대해 모형실험결과와 수치해석결과를 비교·분석하여 구조체의 안정성을 판단하는 기준으로 활용하고자 한다.
2. 부력방지 대책 공법 이론적 배경
지하구조물에 발생하는 수압 및 양압력에 의한 구조체의 부력방지 대책을 살펴보면 Table 1과 같이 다양한 방법들이 고안되어 적용되고 있다(Jeong, 2004). 이와 같은 다양한 공법 중 현재 국내에는 영구배수공법과 부력앵커공법 및 연직배수공법이 주로 적용되고 있다.
Table 1.
Buoyancy prevention method
2.1 영구배수공법
영구배수공법은 기초슬래브 하부에 인위적인 배수층을 설치하여 유공관을 통해 집수정으로 지하수를 유도한 후 일정 수위 이상이 넘으면 펌프에 의한 배수처리로 수압을 감소시키는 방법으로 Fig. 1과 같다. 이 방법은 하부지층이 견고한 지반일 경우 적당하며, 또한 지하벽체 하단이 투수성이 작은 지반까지 시공되었을 때 이 지층을 통하여 부지 내로 유입되는 지하수의 처리에 효과적이다. 단점으로는 투수계수가 큰 지반에서 유입량을 잘못 판단할 경우 부력으로 인해 구조물에 치명적인 손상이 발생될 수 있으며 수압감소를 위한 펌핑량이 과다하여 주변 지반의 침하 등 민원이 발생할 수 있다.
2.2 부력앵커공법(Rock anchor)
부력앵커공법은 구조물의 사하중과 균형을 이루지 못하는 부력 부분에 대하여 기초바닥과 하부 암반층에 영구앵커를 설치, 양단부를 고정하여 구조물에 발생하는 과대한 응력, 변형, 변위 등에 대해 구조물을 안정시키기 위해 설치하는 공법으로 Fig. 2와 같다. 이 방법은 구조물의 부력에 대한 안정성과 앵커의 내적안정, 인장재의 설계하중에 대한 안정, 그라우트와 암반의 부착력에 대한 안정, 하중과 시간에 따른 응력 보유능력 등은 면밀히 검토해야 하며, 특히 시간에 따른 앵커의 응력 보유능력과 인장재의 부식방지에는 세심한 주의가 필요하다. 앵커공법은 부력과 구조물 자중 차이가 큰 경우, 부력중심과 구조물 자중의 중심이 일치하지 않는 경우, 지하수위의 인위적 변경이 어려운 경우, 강제배수로 인접구조물의 영향이 발생할 우려가 있는 경우에 사용한다. 단, 공사비가 고가이므로 적용 시 면밀한 검토가 요구된다.
2.3 연직배수공법
연직배수공법은 앞서 언급한 기존공법들에서 나타난 연중무휴 과다한 펌핑, 주변 지반침하, 과다한 공사비용발생을 해소하기 위해 지하수 배수시스템에 다음과 같은 새로운 개념을 도입하였다.
연직배수공법은 건물이 부력에 저항할 수 있는 부력안정수위선까지 상단개방 연직관을 기초저면 집, 배수시스템과 연결하여 일정위치에 설치하는 개념을 적용하여 침투유입수의 수두차를 감소시켰다(Fig. 3).
이 연직관의 적용으로 침투유입수의 유입량이 감소되는 동시에 외부수위의 변동 폭에 따라 우기 시에만 월류수가 유출는 효과를 얻을 수 있어 유지관리비용 절감 및 주변지반 침하감소 등의 효과가 가능해 진다.
상단개방 연직관의 단순 설치는 기존 영구배수공법과 달리 구조물의 부력저항 요소를 배수시스템에 일정 역할을 하도록 유도한 것으로 부력저항 수위만큼 설치된 연직관은 지하수의 상향이동을 유도하여 침투수두가 감소되도록 한다. 즉, 연직관을 거쳐서 상향 이동한 지하수는 부력안정 수위선에서 집수정으로 배수되므로 건축물의 자중을 이용하여 구조체의 부력에 안정적인 지지가 가능하고 기존공법에 비해 지하수 펌핑량의 절감량 및 이에 따른 주변 지반침하 감소 등의 효과를 얻을 수 있다.
위와 같은 개념을 도입함으로써 연직배수공법은 효율성, 안정성, 경제성 측면에서 기존공법들과 구별되는 특·장점을 가진다.
3. 실내 모형토조 시험
3.1 실내 모형토조실험 장치
연구를 위한 모형토조를 제작하였다. 크기는 폭 43cm, 길이 72cm, 높이 51cm로 제작하였으며, 모형토조 상부에는 물을 공급하기 위한 입수구를 설치하여 수위 상승에 따라 굴착배면이 포화되고, 그로 인한 흙 속의 역학적 특성을 파악할 수 있도록 Fig. 4, Fig. 5와 같이 제작하였다.
모형토조 외측에 양압력 계측을 위해 수위계가 설치가 되었다. 물탱크에서 펌프를 통해 토조상단으로 물을 공급하면 토제를 통하여 연직배수공법에 작용되며 일정수압이 형성되면 수위계를 통하여 침수투압을 측정된다. 본 실험에서는 실제 현장에서 시공되는 설계도서를 모사하여 부직포를 재단 설치하였으며, 연직관 및 부직포의 직경과 폭의 기준은 설계기준(Ministry of Land, 2015)을 검토하여 1/100의 축척으로 연직관 직경 1.4cm, 부직포 폭 0.8cm로 제작하였고 설치간격은 연직관 30cm, 부직포 7cm로 설치하였다.
3.2 시험방법
시험방법은 6단계로 분류되고, 시험순서는 다음과 같다.
(1) 모형토조, 인공 실험수배수장치와 수평 입수공 제작
(2) 모형토조 내부 ‘L’ 자형 토체 조성
(3) 양압력 측정장치 연결설치 후 실험수 수입
(4) 수직 토조 높이 별 양압력 측정
(5) 동일조건에 대한 수치해석실시
(6) 실험결과와 수치해석결과의 비교·분석
모형 실험장치를 이용한 양압력계측실험은 Fig. 6과 같이 토체고 20cm, 25cm, 30cm, 35cm에 대하여 각 3회 실시하였으며 상단개방 연직관은 30cm 간격으로 Fig. 7과 같이 설치하였다. 양압력 계측위치는 7개소이며 수위계측용 수위계는 토조외부에 7개소를 설치하였다.
우선 모형토조 내부에 인공지반을 조성하기 전 방수 작업을 시행하였다. 실험대상지반은 단위중량 14.0kN/m3~14.6kN/m3의 주문진 표준사를 이용한 표준사질토 지반으로 구성하였다.
물 공급 장치를 이용하여 물을 공급하면 토조상단을 통해 실험수가 공급되고 모형평면에 설치된 개방 연직관을 통하여 물이 상향 배수되면서 양압력을 재현하게 된다. 모형장치 외부에 설치된 수위 측정장치를 통하여 실험수에 의한 양압력이 측정된다. 모형토조 전면에 설치된 연직 투명 파이프를 통하여 각 지점의 양압력을 육안으로 관찰하여 측정한다.
다양한 수두를 재현 할 수 있도록 제작이 되었으며, 저수조로부터 유입이 되는 시험수는 토조를 가득 채운 후 동일 배수구를 통하여 배수되어 일정수위를 형성하도록 한다.
실험토조는 두께 1cm의 사각 아크릴상자로 제작되었다. 실험계획에 따라 굴착모형에 지하수를 공급하여 오랜시간 동안 방치하여 계측치의 변화가 거의 없는 장상상태(Steay-state)를 구현한다. 그 뒤 실험결과와 수치해석 결과를 비교한다.
4. 실험 결과 및 비교·분석
4.1 실내모형토조실험에 의한 양압력 측정결과
계측점의 최대값에 대한 경우별 측정결과 굴착깊이 20cm 양압력의 경우 No. 1의 계측치는 1.7cm, No. 2의 계측치는 2.0cm, No. 3의 계측치는 2.7cm로 튄 값인 No. 3를 제외한 평균 1.85cm의 양압력이 측정되었다. 굴착깊이 25cm 양압력의 경우 No. 1의 계측치는 2.3cm, No. 2의 계측치는 2.7cm, No. 3의 계측치는 3.0cm로 평균 2.66cm의 양압력이 측정되었다. 굴착깊이 30cm 양압력의 경우 No. 1의 계측치는 2.4cm, No. 2의 계측치는 3.0cm, No. 3의 계측치는 3.5cm로 평균 2.96cm의 양압력이 측정되었다. 굴착깊이 35cm 양압력의 경우 No. 1의 계측치는 1.5cm, No. 2의 계측치는 2.7cm, No. 3의 계측치는 2.8cm로 튄 값인 No. 1를 제외한 평균 2.75cm의 양압력이 측정되었다. Table 3은 양압력 계측결과 최대치를 나타낸 것이다. Case 1의 No. 3은 그 수치가 No. 1, No. 2 대비 큰 변위를 나타내 제외하였으며, Case 4의 No. 1은 Case 1 보다 작은 수치가 나와 제외하였다.
Table 3.
Positive pressure measurement maximum tesults
계측점별로 계측결과 분포를 Fig. 8과 같이 나타났다. Case 1, Case 2는 중앙부에 양압력이 집중되는 경향을 보여준다. Case 3의 경우 중앙부를 중심으로 삼각형 분포를 보이는 것으로 계측되었다. Case 4의 경우는 포물선에 가까운 사다리꼴 형태의 분포양상을 보이고 있다.
4.2 SEEP/W 유한요소 해석에 의한 계측점의 양압력 분포도
모형실험단면과 동일조건을 만들기 위해서 Fig. 9의 모델링을 통하여 해석하였다(Geo-studio, 2018). 연직관 설치 저면기준 상부높이 20cm, 25cm, 30cm, 35cm에 따라 Total head에 20, 25, 30, 35를 케이스별로 입력하였으며, 연직관 상단 경계치는 연직관이 개방된 상태이므로 0으로 하였다. 연직 부직포설치지역은 환산 단면적에 의한 투수계수 k=0.5cm/sec를 적용하였다. 물성치는 표준사의 실내 실험 투수계수 값을 사용하였으며, 개방 연직관의 투수계수는 저부면 환산투수계수의 3배 이상의 값을 사용하였고, 개방 연직관과 토층 사이의 값은 빈공간 null로 하였다. Case 별 계측점의 위치 수치해석결과는 Fig. 10과 같이 포물선형태의 양압력 분포를 보이고 있다.
모형실험에 의한 계측치와 수치해석에 의한 양압력 분포를 비교하면 굴착 깊이가 높은 Case 4는 실험결과와 수치해석결과가 유사한 양압력 분포를 보여주는 반면, 굴착깊이가 낮아질수록 중앙부를 중심으로 양압력이 집중되는 종모양의 정향을 보여주고 있으며, 이는 Fig. 11과 같다. 따라서 양압력 최대치를 기준으로 실험결과와 수치해석결과를 비교하게 되면 높이가 낮을수록 실험의 계측치가 높게 나오고 높이가 높을수록 실험과 수치해석의 계측치가 비슷해지는 경향을 보여주며, 이는 Fig. 12와 같다.
5. 결 론
본 연구에서는 수압이나 양압력에 의한 지하구조물의 안정성을 확보하기 위한 부력방지공법 중 연직배수공법에 대한 실내모형실험을 수행하였다. 토체높이를 변화시키며 양압력을 측정하였고, 관련 수치해석데이터를 비교·분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 굴착깊이에 따른 침투수의 양상을 파악하기 위하여 20cm, 25cm, 30cm, 35cm의 굴착면을 모사한 후 실험수를 주입하여 실험을 진행하였다. 각 토체높이에 따른 양압력을 Case 별 3회씩 진행하여 총 12회를 측정한 결과 Case 1 ~ 3 은 수치해석결과를 약 19.3~33% 상회하는 양압력을 보였으며, Case 4 인 경우만이 수치해석과 유사한 분포를 보였다.
(2) 모형실험과 수치해석결과를 비교한 결과 모형실험의 양압력이 수치해석에 비하여 20cm 굴착 시 약 19.3%, 25cm 굴착 시에는 약 33%, 30cm 굴착 시에는 약 23.3% 증가하였다. 단 35cm 굴착 시에는 1.78% 감소하는 것으로 나타났다. 굴착 깊이가 깊어질수록 양압력이 커짐에 따라 수압이 분산되어 수치해석결과와 유사한 양상을 보이나 굴착 깊이가 낮아질수록 연직관과 연직관 사이의 중앙부에 대한 양압력 집중현상이 나타나는 것으로 보인다.
(3) 모형실험의 결과가 수치해석만큼의 값이 나오지 않았더라도 연직관의 효과 자체는 볼 수 있는 유의미한 데이터이다.
(4) 모형실험과 수치해석의 결과 차이가 보이는 이유는 실험의 규모가 작게 진행됨에 따라 물의 인력이 예상한 것보다 큰 영향을 나타난 것으로 판단되어 모형실험의 규모를 더욱 키워서 진행 시 수치해석에 가까운 결과가 나올 것으로 예상된다.
(5) 연직배수공법 설계 시 수치해석결과에 실험결과를 적절히 보완하여 구조체의 안전성 증대를 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
