지반

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1. 개요
2. 지반의 정의 및 중요성
3. 지반 내 응력
4. 접지압
5. 인공지반
6. 지반 정보 확인 방법
7. 한국의 지반 관련 정책 및 제도
8. 비유적 용법
참조

1. 개요

지반은 구조물의 형태와 위치를 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 지진 발생 시 지반 상태에 따라 건축물의 안전에 영향을 미친다. 연약 지반은 지진 시 진도가 커지고 액상화 현상이 발생할 수 있으며, 강우로 인한 토사 재해, 지반 침하 등이 발생하기도 한다. 지반 내 응력은 흙의 무게에 의한 상재 압력과 외부 하중에 의한 응력 증가로 구분되며, 유효 응력과 공극 수압의 관계도 중요하다. 기초에 가해지는 하중에 의해 발생하는 접지압은 기초의 강성 및 지반 조건에 따라 다르게 나타난다. 인공지반은 건물 상층을 연결하거나 공원을 조성하는 데 활용되며, 쓰나미 대책으로도 사용된다. 지반 정보는 관련 데이터베이스, 토지 조건도, 과거 토지 이용 지도 등을 통해 확인할 수 있다. "지반"은 비유적으로 특정 세력권이나 지지 기반을 의미하는 용어로 사용되기도 한다.

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지반

2. 지반의 정의 및 중요성

일반적으로 지반이 지지하고 있기 때문에 비로소 다양한 구조물(건조물·건축물)은 그 형태와 위치를 유지하고 있다. 지진 발생 시 등에 지반의 좋고 나쁨에 따라 건조물·건축물이 별다른 영향을 받지 않고 오랜 세월 동안 안정적으로 존속하거나, 반대로 큰 영향을 받아 일시에 붕괴하기도 한다. 산사태 등 토사 재해를 포함하여, 재해의 피해 규모, 구조물의 명운을 크게 좌우하는 매우 중요한 요소이다.

지반이 연약한 지역은 지진 발생 시 지반이 단단한 지역보다 진도가 커진다는 것이 다양한 관측과 연구를 통해 밝혀지고 있다(표층 지반 증폭률).

연약 지반은 충적 평야에 넓게 분포하고 있으며, 해안 근처의 매립지도 마찬가지이다. 이러한 연약 지반에서는 지진 발생 시 등에 액상화 현상이 일어날 가능성이 있다. 그 외에도 과거에 하천이나 늪지, 논이었던 곳 등도 연약 지반이 되어 있으며, 설령 내륙부라 하더라도 액상화 현상이 일어날 수 있다.

강우가 계속되면 지반 중 흙 부분은 점차 물을 머금어 연약화되는 경향이 있다. 이러한 현상을 "지반이 헐거워진다"라고 표현한다. 경사지나 절벽과 같은 곳에서는 강우가 계속되면 먼저 지반이 헐거워지고, 더 나아가 강우가 계속되면 결국 지반이 미끄러져 떨어지거나 토석류가 되어 버리는 경우가 있다(토사 재해).

지반이 침하하는 현상(위치가 낮아지는, 해발고도가 낮아지는 현상)이 일어나는 경우가 있다. 이것을 '''지반 침하'''라고 한다. 발생 원인으로는 예를 들어, 지각 변동, 퇴적물의 자연 수축, 지하수의 과도한 취수 등이 있다.

3. 지반 내 응력

지반 내의 응력(지중 응력)은 흙 자체의 무게로 인한 압력인 상재 압력( $\sigma_0$ )과 지표면 위에 가해지는 하중으로 인한 응력 증가량( $\Delta \sigma$ )으로 구분된다.^[1] 땅 속 임의 지점의 응력은 대략 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $\sigma = \sigma_0 + \Delta \sigma$

지하수나 모세관 수의 영향을 받는 경우는 물에 의한 응력 변화도 고려해야 한다.^[2]

3. 1. 상재 압력

'''상재압력'''이란 지표면으로부터 임의의 깊이 z 지점에 있는 흙이, 그 위에 쌓인 흙기둥 무게 때문에 받는 압력을 말한다. 지표면의 흙은 z = 0이라고 볼 수 있고, 따라서 그 위에 흙기둥이 존재하지 않으므로 상재압력을 받지 않는다. 그러나 깊이 z가 증가하면 증가할수록 그 위에 쌓이는 흙의 양이 점점 늘어난다. 깊은 곳에 있는 흙일수록 지표면에 무거운 물체를 올려놓거나 땅을 누르지 않더라도 쌓인 흙의 두께만큼 받는 압력이 커진다. 이것은 간단히 상상해보아도 알 수 있다.

z 깊이에 있는 미소한 흙 요소에 작용하는 상재압력 σ_v는 미소 요소부터 지표면까지의 흙 기둥 무게만큼이 압력으로 작용하여

\sigma_v = \frac{\gamma z \Delta x \Delta y}{\Delta x \Delta y} = \gamma z

이다.^[1] σ_v로 쓰는 이유는 연직 방향(vertical)으로 받는 응력을 나타내기 때문이다. 앞서 상상으로 알 수 있었듯이, 땅속으로 깊이 들어갈수록(z가 증가할수록) 그 지점에 작용하는 연직방향 응력(σ_v)는 증가한다.

3. 2. 지표면 재하 하중에 의한 응력 증가

지반 위에 구조물이 축조되거나, 땅을 누르거나, 무거운 물체를 올려놓으면 지반에 하중이 가해지게 되고, 그 결과 지반의 응력이 증가한다. 지반의 응력 증가량은 땅 속 어떤 지점에서의 응력을 구하고자 하는가에 따라 값이 달라진다. 또한 하중이 어떤 형태로 재하되는지에 따라서도 구하는 방법이 다르다. 예컨대 작고 무거운 물체를 땅 위에 올려놓는 것은 집중하중으로 볼 수 있다. 또는 아파트를 땅 위에 짓거나, 땅 위에 흙을 대량으로 쌓아둔다거나, 원형의 물탱크를 짓는다거나(원형하중) 하는 등 여러 가지 형태의 하중이 있을 것이다.

응력 증가량을 계산하는 방법은 간이법(2:1법)과 평균법 두 가지가 있다. 만약 지표면 위에 기초가 있는 게 아니라 지표면을 굴착해서 기초가 설치되었다면 굴착된 부분만큼의 응력감소와, 지하수의 부력에 의한 응력감소분을 P에서 빼주어야 한다.^[1]

Boussinesq에 의하면 지반이 무한히 크고, 균질이며, 탄성, 등방성이라고 가정할 경우 연직응력, 방사선 응력, 접선응력, 전단응력은 다음 식으로 구할 수 있다. μ는 포아송비이다.

연직 응력증가 $\Delta \sigma_z = - \frac{3P}{2\pi R^2}\cos^3 \theta$
방사선방향 응력증가 $\Delta \sigma_r = \frac{P}{2\pi R^2} \left(-3\cos \theta \sin^2 \theta + \frac{1-2\mu}{1+\cos \theta} \right)$
접선방향 응력증가 $\Delta \sigma_t = \frac{P}{2\pi R^2}(1-2\mu) \left(\cos \theta - \frac{1}{1+\cos \theta} \right)$
전단 응력증가 $\Delta \tau = - \frac{3P}{2 \pi R^2}\cos^2 \theta \sin \theta$

그림에서

\cos \theta = \frac{z}{R}

,

R = \sqrt{r^2 + z^2}

이므로 연직응력

\sigma_z = - \frac{3Pz^3}{2\pi R^5} = - \frac{3P}{2\pi}\frac{z^3}{(r^2 + z^2)^{5/2}} = - \frac{3P}{2\pi z^2 \left[ 1+ \left(\frac{r}{z}\right)^2 \right]^{\frac{5}{2}}}

으로도 나타낼 수 있다.^[2]

반지름이 r₀인 원형 등분포하중에 의한 z 깊이에서의 연직응력 증가량

\Delta \sigma_z

는 접촉압(contact pressure)을

q_0 = \frac{P}{A}

라 할 때 다음과 같다. 이는 집중하중에 의한 연직응력 식을 적분하여 구한 것이다.^[3]

:

\Delta \sigma_z = q_0 \left\{ 1 - \left[ 1 + \left( \frac{r_0}{z} \right)^2 \right]^{ - \frac{3}{2}} \right\}

무한 길이의 연성 선하중이 작용하는 경우 지반 내 연직응력 증가량은 다음과 같다.^[4]

\Delta \sigma_z = \frac{2q z^3}{\pi (x^2 + z^2)^2} = \frac{2q}{\pi z \left[ \left( \frac{x}{z} \right)^2 +1 \right]^2}

간이법은 2:1법이라고도 부른다.

PBL = Q = \Delta \sigma_z (B+z)(L+z)

\Delta \sigma_z = \frac{PBL}{(B+z)(L+z)}

3. 3. 유효 응력과 공극 수압

전응력(total stress, σ)은 유효응력(effective stress, σ')과 공극수압(pore water pressure, u)의 합으로 나타난다. 유효응력은 흙 입자로 전달되는 압력을 말하고, 공극수압은 물로 전달되는 응력을 말한다. 그림에서 사각형으로 표시한 지반 내 미소 요소에 대한 응력을 식으로 나타내면 다음과 같다.^[1]

:

\sigma = \sigma' + u

:

\quad = h_1 \gamma_{sat} + h_w \gamma_w

:

u = (h_1 +h_w)\gamma_w

:

\sigma' = \sigma - u

:

\quad = h_1 (\gamma_{sat} - \gamma_w) = h_1 \gamma_{sub}

4. 접지압

기초에 하중이 작용할 때, 기초 저면에 접하는 지반에 발생하는 반력을 접지압(contact pressure)이라 한다. 접지압은 기초가 강성 기초인지 휨성(연성) 기초인지에 따라, 그리고 지반이 모래 지반인지 점토 지반인지에 따라 달라진다.^[11]^[12]

강성 기초
모래 지반: 중심에서 최대 접지압, 가장자리에서 최소 접지압
점토 지반: 중심에서 최소 접지압, 가장자리에서 최대 접지압
휨성(연성) 기초
모래 지반: 등분포 접지압
점토 지반: 등분포 접지압

5. 인공지반

구조물의 표층이나 상부에 인공적으로 만들어진 지반을 '''인공지반'''이라고 한다.

여기에는 완전히 새로운 토지를 조성하는 매립지나, 토지를 깎거나 성토를 하여 자연 토양과의 연결이 적어진 지표면·지반도 포함된다.^[3]

인공지반의 예로는, 상부 공간을 유효하게 활용(입체적 이용)하기 위해 복수의 건물 상층 레벨(2층 이상)을 인공지반으로 연결하는 경우^[4]나 인공지반에 의해 상부 공간에 공원을 조성하는 경우(옥상 공원과는 다름)^[5] 등이 있다.

또한, 쓰나미 대책으로서 인공지반에 의해 고지대를 구축하고, 그 위에 피난 장소를 마련하거나, 건물 등을 건설하는 것도 제안되고 있다.^[6]

6. 지반 정보 확인 방법

일반인이 주택 등을 구입하거나 이미 살고 있는 주택의 방재 대책을 검토할 때, 해당 물건의 지반 상태를 확인할 필요성을 느끼는 경우가 많다.

지반 정보를 확인하는 방법은 다음과 같다.

국토 지반 정보 데이터베이스: 일반 사단 법인・국토 지반 정보 센터가 2018년 9월부터 운용을 시작했다.^[7] 각종 기관・단체가 일본 각지의 지반 정보를 인터넷으로 공개하고 있다.^[8]
토지 조건도: 국토교통성이 감수하며, 연한 파란색, 주황색 등으로 색이 구분되어 있어 건축 및 건설 관점에서의 지반 관련 정보를 알 수 있다. 파란색은 과거에 "물과 관계가 있는 장소"(늪, 개울, 논 등)였음을 의미한다.
과거의 토지 이용을 나타낸 그림(지도): 농림수산성에서 공개하며, 메이지 시대에 택지, 논, 늪지였는지 등을 확인할 수 있다.
지명: 도면이나 지도를 확인할 수 없는 단계에서 힌트가 될 수 있다. 예를 들어 "～늪"은 이전 늪지, "〜개울"은 과거 개울, "〜웅덩이"는 웅덩이 (습지), "田"은 논이나 밭이었을 가능성이 높다.

7. 한국의 지반 관련 정책 및 제도

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8. 비유적 용법

"지반"이라는 단어는 비유적으로 '세력권'이라는 의미로도 사용된다.

예를 들어, 정치 분야에서는 "공화당의 지반", "노동당의 지반"과 같이 특정 정당이나 의원을 지지하는 유권자가 많은 지역, 또는 정당이나 의원의 지원 조직이나 지원 단체를 가리키는 경우가 있다^[9]. 의원의 지지자가 줄거나 지지율이 하락하는 것을 비유적으로 "지반 침하"라고 하기도 한다. 또한, 선거에서 당선되는 데 필요한 삼반(三バン) 중 하나로 꼽힌다.

또한, 특정 선거구에 어떤 후보자가 입후보했지만, 그 선거구가 그 후보자에게는 아직 지반이라고 할 수 없는 상태인 경우, 그러한 후보자를 확고한 지지 기반이 아직 없어 공중에 떠 있는 것 같지만, 머지않아 연착륙하여 지반을 확보하려는 상태로 간주하여 "낙하산 후보"라고 표현하기도 한다.

참조

_[1] 서적 学術用語集土木工学編増訂版土木学会
_[2] 웹사이트 地盤 https://kotobank.jp/[...] 2024-03-10
_[3] 웹사이트 人工地盤 https://kotobank.jp/[...] 2024-03-10
_[4] PDF 鋼製人工地盤の有効性について http://www.kawada.co[...] 川田工業
_[5] PDF "「立体都市公園制度の概要について」" http://www.uraja.or.[...] 국토교통성 도시・지역정비국후원녹지과
_[6] 웹사이트 人工地盤 http://www.pcken.or.[...] 一般社団法人プレストレスト・コンクリート建設業協会
_[7] 뉴스 "全国の地盤一覧新データベース来月運用開始" https://www.nikkei.c[...] 日本経済新聞 2018-08-30
_[8] 웹사이트 국토교통성／택지방재／데이터베이스 https://www.mlit.go.[...] 2018-09-18
_[9] 웹사이트 地盤 https://kotobank.jp/[...] 2024-03-10
_[10] 문서 표준국어대사전
_[11] 논문 토목기사 과년도 - 토질 및 기초 성안당
_[12] 서적 기초공학의 원리 씨아이알 2015

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