지반 개량

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1. 개요
2. 연약 지반 개량 공법의 분류
3. 유동화 처리 공법 (LSS 공법)
4. 결론 및 제언
참조

1. 개요

지반 개량은 연약한 지반의 지지력을 향상시키기 위한 기술로, 치환, 고결, 압밀, 배수, 다짐, 말뚝 공법 등으로 분류된다. 치환 공법은 연약 지반을 제거하고 양질의 흙으로 대체하는 방식이며, 고결 공법은 시멘트나 석회 등을 주입하여 지반을 굳힌다. 압밀 공법은 하중을 가해 간극수를 배출시켜 지반을 다지는 방법이며, 배수 공법은 지하수위를 낮춰 지반을 안정화시킨다. 말뚝 공법은 말뚝을 박아 상부 구조물의 하중을 지지층에 전달한다. 유동화 처리 공법은 건설 잔토를 재활용하는 공법이다. 지반 개량 기술은 사회 기반 시설 구축에 필수적이며, 지속적인 기술 개발과 친환경적인 공법 적용이 중요하다.

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지반 개량

2. 연약 지반 개량 공법의 분류

연약 지반 개량 공법은 연약한 지반의 강도와 안정성을 높여 구조물을 안전하게 지지할 수 있도록 만드는 기술이다. 연약 지반 개량 공법은 크게 치환, 고결, 압밀, 배수, 다짐 공법 등으로 분류할 수 있으며, 각 공법은 적용 지반 조건, 개량 목적, 경제성 등을 고려하여 선택된다.

치환 공법: 연약한 지반을 파내고 양질의 흙으로 바꾸는 방법이다.
고결 공법: 지반에 시멘트, 석회 등을 주입하거나 혼합하여 굳히는 방법이다.
압밀 공법: 흙 속의 물을 빼내고 압력을 가해 흙을 단단하게 만드는 방법이다. 샌드 드레인 공법, 페이퍼 드레인 공법, 프리 로드 공법 등이 여기에 속한다.
배수 공법: 흙 속의 물을 빼내어 지반을 안정시키는 방법이다. 웰 포인트 공법, 딥 웰 공법, 버티컬 드레인 공법 등이 있다.
말뚝 공법: 말뚝을 박아 상부 구조물의 하중을 지지층에 전달하는 공법이다.

2. 1. 치환 공법

연약한 지반을 굴착·제거하고, 지지력을 기대할 수 있는 양질의 흙으로 치환하는 공법이다. 시공이 광범위하게 이루어지는 경우가 많고, 그 전부를 잔토로 처리해야 하기 때문에 비용이 많이 든다. 최근에는 발포 우레탄·발포 스티로폼 등 인공 재료를 섞거나, 인공 재료만으로 마치 배처럼 건축물을 얹는 공법(부동 기초)도 존재한다.

2. 2. 고결 공법

지반에 고화재(시멘트, 석회 등)를 주입하거나 혼합하여 지반 강도를 증가시키는 공법이다.
종류

공법	설명	특징
표층 개량 공법	얕은 깊이의 지반을 개량	시공 후 지반 표면이 매우 단단해져 초목 생육이 어려움
심층 혼합 처리 공법 (기둥형 지반 개량 공법)	깊은 깊이까지 기둥 또는 벽 모양으로 지반을 개량. 습식 공법이 주로 사용됨.	부식토 지반 적용 시 고화 불량 문제 발생 가능. 주면 마찰을 기대하기 어려운 극단적으로 연약한 지반에서는 적용이 어렵거나 비용이 증가
흔들림 교반 공법	심층 혼합 처리 공법과 유사하나, 사각형 모양의 개량체를 생성하여 전면 개량.	부식토 지반 적용 시 고화 불량 문제 발생 가능. 주면 마찰을 기대하기 어려운 극단적으로 연약한 지반에서는 적용이 어렵거나 비용이 증가. 지지층이 깊은 경우 적용이 어려울 수 있음.

장점

다양한 지반 조건에 적용 가능하다.
비교적 경제적이다(표층 개량, 심층 혼합 처리 공법).

단점

부식토 지반 적용 시 고화 불량 문제가 발생할 수 있다.
주면 마찰을 기대하기 어려운 극단적으로 연약한 지반에서는 적용이 어렵거나 비용이 증가할 수 있다(심층 혼합 처리 공법, 흔들림 교반 공법).

2. 3. 압밀 공법

샌드 드레인(sand drain) 공법은 점성토 지반의 압밀을 촉진시키기 위해 모래 말뚝(sand pile)을 박는 공법이다. 모래 말뚝을 일정한 간격(d)으로 박을 때, 유효 직경(

d_e

)은 다음과 같이 계산한다.

배치 형태	유효 직경 ( $d_e$ )
정삼각형 배치	$d_e=1.05d$
정사각형 배치	$d_e=1.13d$

페이퍼 드레인(paper drain) 공법은 샌드 드레인 공법에서 사용하던 모래 말뚝 대신, 합성 수지로 된 card board를 땅 속에 박아서 점성토 지반의 압밀을 촉진시키는 공법이다. paper drain의 등치 환산원 지름(D)은 다음 식으로 구한다.

: $D=\alpha \frac{2(A+B)}{\pi}$

:여기서 A, B : drain paper의 폭과 두께, $\alpha$ : 형상 계수 0.75

프리 로드 공법, 성토 하중 재하 공법은 원래 도로의 지반 보강·침하 억제에 많이 사용되었으며, 대규모 택지 조성에도 사용된다. 주로 하중을 가해도 즉시 침하하지 않는 점성토 지반의 압밀 침하를 촉진하여 사전에 침하시켜 놓고, 침하 종료 후 또는 여성토를 철거한 후에 목적하는 건축물을 올린다.

침하량과 시간을 정확하게 예측할 수 있다면, 대규모로 시공했을 경우 경비를 낮게 억제할 수 있다. 침하량과 시간의 추정에는, 압밀 대상의 하부 지반에서 토질 샘플링을 실시하고, 압밀 시험을 실시하여 e-logp 곡선·압밀 지수 등의 값을 얻어 산출한다.

2. 4. 배수 공법

; 웰 포인트 공법

: 웰 포인트 공법은 흡입관 하단에 설치된 직경 약 5 - 6cm, 길이 1m의 구멍 뚫린 관(웰 포인트)을 선단 노즐에서 분사되는 물로 지반을 연화시키면서 관입하여 우물을 축조하고, 진공 펌프 등으로 배수하여 지하수위를 저하시키는 동시에, 대기압이 재하중으로 작용하여 지반을 다짐으로써, 지하수를 저하시켜 굴착 작업을 용이하게 하는 방법이다.

; 딥 웰 공법

: 딥 웰(심정) 공법은 지반이 모래, 자갈층으로 투수성이 높고, 한 곳의 우물로 광범위하게 지하수위를 낮추고 싶을 경우나 투수성이 매우 낮은 굴착 바닥면 아래에 높은 수압을 가진 지하수대가 있어, 이 수압에 의한 굴착 바닥면의 히빙을 방지하기 위해 지하수대의 감압을 측정하는 경우에 사용한다.

; 버티컬 드레인 공법

: 버티컬 드레인 공법은 연약 지반에 배수층을 설치하고, 구조물의 하중에 의해 흙 속의 수분을 배수층으로 짜내어 지반 강화를 도모하는 공법이다.

2. 5. 말뚝 공법

말뚝 공법은 말뚝을 지반에 설치하여 상부 구조물의 하중을 지지층에 전달하는 공법이다.

; 나무 말뚝

소나무 말뚝은 기원전부터 사용되었다. 말뚝 본체가 항상 지하수면 아래에 있으면 부패하지 않고 상재 하중을 계속 지탱한다. 옛 마루노우치 빌딩도 소나무 말뚝으로 지탱되었다.^[1]

; 소구경 강관 말뚝

지지 지반이 얕으면 기둥형 지반 개량과 비슷하거나 약간 높은 비용으로 큰 지지력을 발휘한다. 강관 두께가 6mm 이상이면 지자체의 안식각 심사에도 대응할 수 있다. 지반 액상화가 발생하더라도 큰 측방 유동이 발생하지 않는 한 영향을 받지 않는다. 단독 주택에 적용되는 소구경 강관 말뚝은 엄밀히는 "말뚝 공사"가 아닌 "지반 보강 공사"로 시공된다.^[1]

; 기성 콘크리트 말뚝 [PC 파일・RC 파일]

기성 콘크리트 말뚝을 전용 시공기로 말뚝 머리에 압력을 가하여 지중에 말뚝을 압입하고, 말뚝 선단의 지지력과 주변면의 마찰력으로 건물 하중을 지지하는 공법이다. PC(프리스트레스트 콘크리트) 말뚝, RC(철근 콘크리트) 말뚝 등이 있다. 과거에는 소규모 건축물에 잘 채택되지 않았지만, 콘크리트 2차 제품 업계가 주택용 PC 말뚝 공급에 참여하여 수요가 늘고 PC 말뚝의 비용이 점차 내려갔다. 따라서 최근에는 연약 지반의 보강 대책 공법으로 일반 주택이나 집합 주택에도 많이 채택되고 있다.^[1]

PC 말뚝은 인증 공장에서 제조되는 기성 콘크리트 말뚝으로, 고강도 콘크리트로 제조되어 PC 강연선을 넣어 보강되어 충격이나 휨에도 강하다. 심층 혼합 처리 공법(기둥형 지반 개량 공법)에서는 고화 불량이 우려되는 부식토층이나 지하수가 있는 연약 지반의 보강 공사에 많이 채택되고 있다.^[1]

말뚝의 단면은 원통형, H형, 팔각형, 삼각형, 사각형 등의 모양이 있다. 최근에는 H형 PC 말뚝이 많이 사용되고 있으며, 200mm×200mm 단면으로, 말뚝 길이는 2.5m~(0.5m씩 길어져) 10.0m이지만, 운송 및 시공상의 이유로 2.5m~7.5m가 사용된다. 지지 지반이 깊은 경우에는 말뚝을 이어 17.5m까지 대응할 수 있다. 지지 지반의 깊이가 2.0m~17.5m의 폭넓은 범위에서 사용할 수 있다.^[1]

전용 시공기로 시공하며, 미리 마킹된 지점에 오거를 놓고, 오거를 회전시켜 필요한 깊이까지 구멍을 뚫는다. 역회전하여 오거를 빼내기 때문에 잔토가 매우 적다. 다음으로, 타설할 PC 말뚝을 와이어로 매달아 PC 말뚝을 구멍에 삽입하고, 수평기로 수직 확인을 하고, 시공기의 유압으로 압입을 한다. 전체 말뚝 수의 관입량을 측정하므로, 말뚝 타설 깊이를 모두 확인할 수 있다. 또한, 시공기에 탑재된 관리 장치에 의해, 타설된 PC 말뚝 전체의 압입력(지지력)을 확인할 수 있다.^[1]

타설 후에는 기초 형상에 맞춰 전용 커터로 말뚝 머리를 절단한다. 공사 기간은 건축 면적 50~70㎡에서 약 2일(타설 1일, 말뚝 절단 1일)이다. PC 말뚝은 심층 혼합 처리 공법(기둥형 지반 개량 공법)의 개량체처럼 고화될 때까지의 양생 기간이 필요 없기 때문에, 시공 완료 후 바로 기초 공사를 할 수 있다.^[1]

단독 주택에 적용되는 PC 말뚝은 엄밀히는 "말뚝 공사"가 아닌 "지반 보강 공사"로 시공된다. 말뚝의 설계는 보링 조사 또는 오토매틱 램 사운딩 시험 등으로 확인하여 실시하게 되어 있지만, 보링 조사 등의 비용이 고액이므로, PC 말뚝 공법은 일반 주택의 지반 보강 공사에 채택되기 어려웠다. 그러나 최근에는 건축 기술 성능 증명을 취득한 PC 말뚝 공법이 있으며, 스웨덴식 사운딩 시험(조사료가 저렴)으로 실시하는 지반 조사 결과로부터 말뚝 설계를 할 수 있게 되었으므로, 일반 주택이나 집합 주택 등의 지반 보강 공사로 채택되고 있다. 지지 지반까지 PC 말뚝을 타설하는 경우에는 액상화 대책 공법으로도 기대할 수 있다.^[1]

; 기타 민간 각사 개발 말뚝 공법

천연 쇄석 파일 공법에는 다음과 같은 것들이 있다.

HySPEED 공법: 천연 쇄석으로 지반에 쇄석 파일(쇄석 말뚝)을 만들어 연약 지반을 튼튼한 지반으로 바꾸어 건물을 확실히 지탱하고, 지진 시 액상화로부터 지반을 보호하는 공법이다.^[1]
스크류 프레스 공법: 굴착 시 배토하지 않고 주변을 압밀하여 구멍을 만들기 때문에 스크류 체적분의 흙이 주변을 압밀하여 주변 지반 강도가 상승한다. 잔토 처리 비용이 들지 않아 제조 비용을 줄일 수 있다. 4m 굴착이 2분 정도로 시공 속도가 빠르며 공기를 단축할 수 있다. 특수 스크류로 4m까지 연속 압밀 삭공이 가능하며, 삭공 중에 하단에서 가압 에어를 송기함으로써, 가압 공법의 원리로 지하수를 배제할 수 있으므로, 정체수 사층을 케이싱 없이 굴착 가능하며, 매우 저비용의 액상화 대책 공사의 시공이 가능하다.^[1]
아쿠파드 공법 (지반 안심 조공법): 액상화 대책에서 유일하게 특허를 취득한 공법으로, 전용 중장비를 사용하여 쇄석과 물을 결합함으로써 연약한 지반을 견고한 지반으로 개량하는 것이 가능하다.^[1]
에코지오 공법 (쇄석에 의한 지반 개량): 전용 케이싱(철관)을 사용함으로써, 굴착한 구멍의 벽면 붕괴를 방지하고, 고품질의 쇄석 파일을 구축할 수 있는 공법이다. 현재는 주로 주택에서 사용되고 있으며, 대부분의 경우 잔토를 배출하지 않고 시공할 수 있다. 향후 반환이 필요한 임대지에 건설하는 편의점 등의 지반 개량으로도 이용되고 있다.^[1]

3. 유동화 처리 공법 (LSS 공법)

건설 공사 등에서 발생한 잔토에 시멘트와 물을 혼합한 '''유동화 처리토'''(流動化処理土|류도카쇼리도^일본어)를 이용하여 되메우기하는 공법이다.^[1] 1980년대 중반 중앙대학의 구노 고로 명예교수가 고안한 새로운 공법으로, 다른 지반 개량과 달리 개량 공사를 할 필요가 없고, 공사 기간도 단축할 수 있으며, 비용도 저렴하게 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해 지하철 공사의 되메우기나 방공호 등 지하 공동의 되메우기 공법으로 이용되고 있다.^[2]

4. 결론 및 제언

연약 지반 개량 공법은 사회 기반 시설 구축에 필수적인 기술이며, 지속적인 기술 개발과 친환경적인 공법 적용이 필요하다. 대규모 재해에 대한 대책으로 시행되는 지반 개량에는 재정적 지원이 논의되고 있다.^[3]

참조

_[1] 웹사이트 流動化処理工法について http://www.lss-kiko.[...] 流動化処理工法機構公式HP 2016-11-16
_[2] 웹사이트 コトバンク https://kotobank.jp/[...] 2016-11-16
_[3] 문서 2011年5月2日の参議院災害対策特別委員会におけるの[[田村智子]]参議院議員は[[東日本大震災]]による液状化被害問題に関する発言