연약 지반
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1. 개요
연약지반은 구조물의 하중을 지지하지 못하는 지반을 의미하며, 고층 건물 등 대형 구조물 건설 시에도 연약지반으로 분류될 수 있다. 일반적으로 정규압밀 점토층, 유기질 토층, 느슨한 실트 및 모래층, 느슨한 매립층 등이 연약지반에 해당하며, 우리나라의 경우 동해안, 남해안, 서해안, 하구 지역 등에 넓게 분포한다. 연약지반은 안정성, 침하, 액상화, 투수성 문제 등을 야기하며, 특히 지진 발생 시 액상화로 인한 피해가 크다. 이러한 문제 해결을 위해 프리로딩, 응결제 주입, 다짐 공법 등 다양한 연약지반 처리 공법이 사용되며, 시공 중에는 철저한 계측을 통해 문제 발생을 예방해야 한다.
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| 연약 지반 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 토질공학 |
| 정의 | 충분한 강도를 가지지 못한 지반 |
| 특징 | |
| 종류 | 점토 실트 느슨한 모래 화산재 유기질토 매립지 |
| 문제점 | 침하 활동 액상화 |
| 대책 공법 | |
| 개량 공법 | 치환 공법 다짐 공법 탈수 공법 고결 공법 주입 공법 동결 공법 생석회 말뚝 공법 심층 혼합 공법 샌드 드레인 공법 |
| 기초 공법 | 말뚝 기초 케이슨 기초 지반 개량 |
2. 연약지반의 정의 및 특징
연약지반은 구조물의 하중을 지지하지 못하는 지반을 의미한다.[1] 연약지반은 상대적인 개념으로, 구조물의 하중 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 상당한 지지력을 가진 지반이라도 상부에 고층 건물, 고성토부, 필댐과 같이 대형 중량 구조물이 건설될 예정이라면 기초 처리 관점에서 연약지반으로 분류될 수 있다.[1]
일반적으로 정규압밀 점토층, 유기질 토층, 느슨한 실트 및 모래층, 느슨한 매립층을 연약지반으로 분류한다.[1]
우리나라의 경우 동해안, 남해안, 서해안 지역(인천, 군산) 및 섬진강 하구, 낙동강 하구 지역(김해, 부산)에 연약지반이 넓게 분포한다.[1]
3. 한국의 연약지반 분포 지역
4. 연약지반으로 인한 문제점
:연약지반상에 구조물을 축조할 경우 기초의 지지력이 부족하거나, 원호활동이 발생하는등 지반의 전단저항력이 충분하지 못해서 안정과 관련된 문제가 발생할 수 있다.[1]
:연약지반의 압밀침하, 연약지반에 시공된 말뚝에 작용하는 부마찰력등 흙의 압축성으로 인한 침하의 문제가 발생할 수 있다.[1]
:지진, 진동, 발파등 여러 가지 원인으로 발생하는 동적하중으로 인해 액상화와 관련된 문제가 발생할 수 있다.
:연약지반 굴착공사에 있어 분사 현상, 파이핑과 관련된 투수성의 문제가 발생할 수 있다.
4. 1. 안정성 문제
연약지반상에 구조물을 축조할 경우 기초의 지지력이 부족하거나, 원호활동이 발생하는 등 지반의 전단저항력이 충분하지 못해서 안정과 관련된 문제가 발생할 수 있다.[1]
4. 2. 침하 문제
연약지반에서는 흙의 압축성으로 인해 압밀침하, 연약지반에 시공된 말뚝에 작용하는 부마찰력 등 침하 문제가 발생할 수 있다.[1]
4. 3. 액상화 문제
지진, 진동, 발파 등 동적 하중으로 인해 액상화와 관련된 문제가 발생할 수 있다.[1] 액상화는 지반의 지지력을 상실시켜 건물의 붕괴나 기울어짐을 유발할 수 있다.
4. 4. 투수성 문제
연약지반 굴착 시 분사 현상, 파이핑과 관련된 투수성 문제가 발생할 수 있다.[1]
5. 연약지반 분포 지형
연약 지반은 충적 평야 내의 제한된 지형에 분포하는데, 삼각주, 후배습지, 석호성 저지, 델타성 저지, 수몰 계곡(육상의 계곡이 해수면 상승이나 지반 침하로 해수면 아래로 잠겨 생긴 만), 소집수역 내의 소곡 저평지 등이 이에 해당한다.
6. 연약지반에서의 재해 사례 (일본 중심)
6. 1. 일본의 주요 지진 피해 사례
6. 1. 1. 홋카이도
쿠시로 해역 지진 1993년 1월 15일, 깊이 101km, M7.8, 사망자 2명, 부상자 967명: 쿠시로시 부근의 직하에 침강한 태평양 판 내의 깊은 곳에서 거의 수평적인 단층을 만들어 발생한 판 내부 지진. 쿠시로정 카츠라기・키바 지구에서 14기의 맨홀이 8~15cm 부상, 항만 시설에서 부두의 침하나 융기 등이 발생 하는 등 액상화에 의한 피해가 두드러졌다.
도카치 해역 지진 2003년 9월 26일, 깊이 42km, M8.0, 부상자 842명, 행방불명자 2명
: 도카치 해역에서의 태평양 판의 침강에 따른 해구형 지진. 액상화에 의한 지반 재해가 각지에서 관측되었으며, 방화 수조나 맨홀의 이탈, 항만 시설에 대한 피해 등이 발생했다.
6. 1. 2. 도호쿠・니가타
쇼나이 지진 1894년 10월 22일, M7.0, 사망자 726명, 부상자 987명쇼나이 평야 직하에서 발생한 내륙형 지진. 지반 액상화에 의한 토사 분출이 곳곳에서 관찰되었다.
니가타 지진 1964년 6월 16일, 깊이 34km, M7.5, 사망자 26명, 부상자 447명
니가타현 북부 해안의 동해 동부 해역의 판 경계 부근에서 발생한 역단층형 천발 지진. 동해에 떠 있는 아와시마는 서쪽으로 약 1도 기울어졌으며, 지진 발생 1년 후에는 10~15cm의 침강이 확인되었다.
일본해 중부 지진 1983년 5월 26일, 깊이 14km, M7.7, 사망자 104명, 부상자 163명
오가반도 해안의 동해 동부 해역의 판 경계 부근에서 발생한 역단층형 천발 지진. 평야부의 모래 지반 지역, 지하수위가 높은 지역에서 지반 액상화에 의한 건물 피해가 많이 발생했다.
6. 1. 3. 간토・이즈
1923년 간토 대지진 1923년 9월 1일, 깊이 23km, M7.9, 사망자 105,000명 이상사가미 만에서 보소 반도의 끝 부분에 걸쳐 일어난 필리핀해 판의 침강에 따른 해구형 지진. 도쿄도 남서부에서 가나가와현 북부 지역에서 약 10cm의 침강이 관측되었다.
1987년 지바현 동쪽 해역 지진 1987년 12월 17일, 깊이 58km, M6.7, 사망자 2명, 부상자 138명
구주쿠리 해안 부근 직하의 다소 깊은 곳에서 거의 수직적인 우측 횡이동 단층을 만들어 발생한 필리핀해 판 내부 지진. 구주쿠리 해안이나 도쿄 만 연안, 그리고 톤강 유역 연안 등 연약 지반 지역에서 액상화 현상이 두드러졌다.
6. 1. 4. 도카이・주부・호쿠리쿠
덴쇼 지진 1586년 1월 18일, M7.8 기후현 중부의 얕은 곳에서 발생한 내륙형 지진. 오와리, 이세 해안 부근에서는 액상화 현상이 있었던 것으로 보이며, 아와에서도 지반 균열이 발생했다는 기록이 있다.노비 지진 1891년 10월 28일, M8.0, 사망자 7,273명, 부상자 17,175명 기후현에서 아이치현에 걸쳐 얕은 곳에서 발생한 내륙형 대지진. 노비 평야에서 액상화 현상이 광범위하게 나타났다.
동해 지진 1944년 12월 7일, 깊이 40km, M7.9 구마노나다에서 엔슈나다에 이르는 해역에서의 필리핀해 플레이트의 침강에 따른 해구형 지진. 나가노현 스와시의 연약 지반 지역에서 부등 침하로 인한 공장 피해가 두드러졌다.
후쿠이 지진 1948년 6월 28일, 깊이 0km, M7.1, 사망자 3,769명, 부상자 22,203명 후쿠이현 평야의 직하에서 발생한 내륙형 지진. 연약 지반 지역의 곳곳에서 분수나 분사와 같은 액상화 현상이 나타났다.
6. 1. 5. 긴키
1995년 효고현 남부 지진 당시 고베시 부근에서 발생한 내륙형 지진으로, 액상화 현상으로 인해 고베 항의 해안 벽이 바다 쪽으로 이동하거나 기울어져 안쪽이 함몰되었다. 또한, 아와지섬에서도 각지에서 분수와 청니(靑泥) 분출 등이 관측되었다.6. 1. 6. 주고쿠・시코쿠
1943년 돗토리 지진 1943년 9월 10일, 깊이 0km, M7.2, 사망자 1,083명, 부상자 3,259명: 돗토리 평야 직하에서 발생한 내륙형 지진. 지반 액상화 현상이 각지에서 나타났다.
난카이 지진 1946년 12월 21일, 깊이 24km, M8.0, 사망자 1,330명, 행방불명 113명, 부상자 3,842명
: 시코쿠 해역에서 키이 반도 해역에 걸쳐 필리핀해 플레이트의 침강에 따른 해구형 지진. 액상화로 인해 기초가 불균등하게 침하하는 부등침하가 관찰되었다.
2000년 돗토리현 서부 지진 2000년 10월 6일, 깊이 9km, M7.3, 부상자 182명
: 돗토리・시마네현 경계 부근의 얕은 곳에서 발생한 내륙형 지진. 부두에서는 액상화에 의한 지반 함몰 및 분사 현상이 관찰되었다.
게이요 지진 2001년 3월 24일, 깊이 48km, M6.7, 사망자 2명, 부상자 288명
: 아키나다 부근 직하에 침강한 필리핀해 플레이트의 다소 깊은 곳에서 발생한 플레이트 내 지진. 히로시마시와 하쓰카이치시의 연안부에서는 액상화에 의한 분사가 관찰되었다.
7. 연약지반 처리 공법
모래지반, 실트질지반, 점토지반등 지반의 성질에 따라 적절한 연약 지반 처리 방법을 적용해야 한다. 연약 지반에서 건물이 붕괴되는 원인은 지반의 액상화와 건물의 공진이다. 지반의 액상화는 강한 지진동이 어느 정도 지속된 후에 발생한다. 처음 30초의 지진동을 견뎌도 액상화가 발생하면 지반은 지지력을 잃고, 건물은 갑자기 기울거나 붕괴된다. 극도로 연약한 연약 지반에서는 건물의 공진이 거의 반드시 발생하는데, 공진은 지진동이 시작될 때 동시에 발생하는 것이 아니라 진동이 5~10초 정도 지속된 후에 발생한다. 공진으로 흔들림이 커진 후에는 대피가 어려워진다. 따라서 지진이 발생하기 전의 대책이 필요하다.
연약 지반에서 액상화를 방지하기 위해서는 지하수위를 저하시키거나, 지반을 다짐하거나, 흙의 입도 분포를 변경하는 등의 방법이 있다. 흙의 입도 분포를 변경하는 것은 점토와 같이 미세한 흙은 점착력이 있어 액상화가 일어나기 어렵고, 반대로 물의 이동이 용이한 굵은 입자의 흙도 액상화가 일어나기 어렵기 때문이다.
한편, 구조물 측면에서의 대책으로는 액상화가 일어나지 않는 깊은 곳에 구조물을 정착시키거나, 그 깊이까지 도달하는 깊은 기초를 설치하거나, 액상화에 따른 부등침하에 저항할 수 있는 튼튼한 일체 구조로 하거나, 반대로 변위를 흡수할 수 있는 구조로 하거나, 지하 구조물이 부상하지 않도록 하는 등의 방법이 고려되고 있다.
7. 1. 프리로딩 (Pre-loading) 공법
구조물 축조 전에 미리 하중을 가하여 압밀을 완료시키는 공법이다.[2] 이 공법을 통해 잔류 침하를 제거하고, 지반 강도를 증가시켜 기초 지반의 전단 파괴를 방지할 수 있다.[2] 여성토 공법이라고도 불린다.[2]하지만 공사 기간이 길다는 단점이 있다.[2] 또한 연약층이 두껍고 공사 기간이 짧은 경우에는 적용하기 어렵다.[2]
7. 2. 응결제 주입 공법
응결제 주입 공법은 연약 지반을 안정화하는 공법 중 하나이다.7. 3. 다짐 공법
연약 지반을 다지는 데 사용되는 공법은 다양하며, 지반 조건, 공사 기간, 경제성 등을 고려하여 적절한 공법을 선택해야 한다.7. 4. 기타 공법
연약 지반에서 액상화를 방지하기 위해서는 지하수위를 저하시키거나, 지반을 다짐하거나, 흙의 입도 분포를 변경하는 등의 방법이 있다. 흙의 입도 분포를 변경하는 것은 점토와 같이 미세한 흙은 점착력이 있어 액상화가 일어나기 어렵고, 반대로 물의 이동이 용이한 굵은 입자의 흙도 액상화가 일어나기 어렵기 때문이다.구조물 측면에서의 대책으로는 액상화가 일어나지 않는 깊은 곳에 구조물을 정착시키거나, 그 깊이까지 도달하는 깊은 기초를 설치하거나, 액상화에 따른 부등침하에 저항할 수 있는 튼튼한 일체 구조로 하거나, 반대로 변위를 흡수할 수 있는 구조로 하거나, 지하 구조물이 부상하지 않도록 하는 등의 방법이 고려되고 있다.
8. 연약지반과 계측
연약지반에서는 안정, 침하, 액상화 및 투수성의 문제가 발생하므로 시공 중 철저한 계측을 통해서 사전에 발생 가능한 문제를 예방하여야 한다.[1]
참조
[1]
서적
살아있는 토목시공학
[2]
서적
살아있는 토목시공학
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