[토질역학] 액상화 방지 공법

액상화(Liquefaction)란?

고체 물질이 압력이나 온도의 변화 없이 직접 액체 상태로 변하는 현상을 말합니다. 이 현상은 특히 지진으로 인한 지반 액상화 현상에서 잘 알려져 있으며, 이 경우 액상화는 포화된 토양이 갑작스러운 진동으로 인해 강도와 강성을 상실하고 액체와 유사한 상태로 변하는 것을 의미합니다.

 

1. 액상화 원리

액상화 현상은 물질의 상태 변화와 관련이 있으며, 고체 내부의 입자들이 외부로부터 에너지(예: 진동, 열)를 받아 이동성이 증가하면서 액체와 유사한 상태로 전환됩니다. 지반 액상화의 경우, 토양 입자 사이의 물이 진동으로 인해 압력을 받게 되고, 이로 인해 토양 입자 간의 접촉력이 감소하여 토양이 액체처럼 흘러갈 수 있게 됩니다.

 

2. 액상화의 영향

액상화는 건축물의 기초 안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 지반 액상화가 발생하면, 토양의 지지력이 급격히 감소하여 건축물이 기울거나 붕괴될 수 있습니다. 따라서 지반 액상화 가능성이 있는 지역에서는 건축 설계와 건설 과정에서 특별한 주의가 필요합니다.

 

3. 액상화 방지대책

 

3.1 Well Point

개요

정의: 일련의 작은 직경의 펌프(웰포인트)를 사용하여 지하수를 흡입하고 제거함으로써 지하수 수위를 낮추는 방법.

목적: 지하수 수위를 제어하여 지반의 안정성을 높이고, 액상화 가능성을 줄이며, 건설 작업을 용이하게 함.

 

공법의 원리

설치: 작은 직경의 필터가 달린 펌프(웰포인트)를 정해진 간격으로 지하에 설치합니다.

작동: 웰포인트에 연결된 진공 펌프를 사용하여 지하수를 흡입하고 표면으로 이동시킵니다.

수위 조절: 지하수가 제거되면서 주변 지반의 수압이 감소하고, 결과적으로 지반의 액상화 위험이 감소합니다.

공법의 응용

건축 기초 작업: 기초 굴착이나 터널링 작업 시 지하수 수위를 낮추어 작업의 안전성과 효율성을 향상시킵니다.

지반 개량: 지반 액상화 위험이 있는 지역에서 지반의 안정성을 높이기 위해 사용됩니다.

수리 공학: 댐, 제방, 수로 건설 시 지하수의 영향을 최소화하기 위해 적용됩니다.

장점 및 한계

장점: 비교적 간단하고 비용 효율적인 방법으로, 광범위한 건설 현장에 적용 가능합니다. 또한, 작업 중 지하수 수위의 빠른 조절이 가능합니다.

한계: 매우 투수성이 높은 지반에서는 웰포인트의 효율이 감소할 수 있으며, 대규모 지역에서의 지하수 수위 조절에는 한계가 있을 수 있습니다.

 

3.2 Deep Well

개요

정의: 깊은 지하수층에 직경이 큰 관정을 설치하고, 강력한 펌프를 사용하여 지하수를 지속적으로 퍼내어 지하수 수위를 낮추는 방법입니다.

목적: 건설 현장에서의 지하수 수위를 효과적으로 조절하여 지반의 안정성을 확보하고, 액상화 가능성을 줄이며, 깊은 굴착 작업을 가능하게 함.

공법의 원리

설치: 깊이와 직경이 큰 관정을 지정된 위치에 설치합니다. 이 관정들은 지하수층까지 도달하도록 설계됩니다.

작동: 관정 내에 설치된 펌프를 사용하여 지하수를 추출하고, 이를 통해 주변 지역의 지하수 수위를 낮춥니다.

조절: 추출된 지하수 양을 조절함으로써 필요에 따라 지하수 수위를 정밀하게 관리할 수 있습니다.

공법의 응용

대규모 건설 프로젝트: 댐, 터널, 지하철역 등 대규모 구조물의 건설에 적합합니다.

깊은 기초 공사: 고층 건물, 교량의 깊은 기초 공사 시 지반 안정성 확보에 필수적입니다.

장기간 지하수 관리: 장기 프로젝트에서 지하수 수위를 안정적으로 관리해야 하는 경우 사용됩니다.

장점 및 한계

장점: 깊은 지하수층까지 도달할 수 있어, 대규모 및 깊은 굴착 작업에 매우 효과적입니다. 또한, 장기간에 걸친 지하수 수위의 안정적인 조절이 가능합니다.

한계: 설치 및 운영 비용이 높을 수 있으며, 설치 과정이 복잡하고 시간이 소요됩니다. 또한, 지질 조건에 따라 적용성이 제한될 수 있습니다.

 

3.3 SCP 

개요

정의: 연약한 지반에 시멘트 기반의 결합재를 주입하여 혼합 및 경화시켜 토양의 강도를 향상시키는 지반 개량 방법.

목적: 지반의 강도와 안정성을 향상시키며, 액상화 위험을 감소시키고, 지지력을 증가시킵니다.

원리

시공 절차: 드릴링 장비를 사용하여 지반에 구멍을 뚫은 후, 시멘트와 물을 혼합한 결합재를 구멍 안으로 주입합니다.

혼합 및 경화: 결합재가 주변 토양과 혼합되면서 피어를 형성하고, 이 혼합물이 경화되어 지반을 강화합니다.

강화 효과: 혼합 및 경화 과정을 통해 생성된 소일시멘트피어는 지반의 강도를 증가시키고, 지반의 변형을 줄이며, 액상화 가능성을 감소시킵니다.

응용

액상화 방지: 지진 등의 자연 재해 시 액상화 위험이 있는 지역에서 지반을 강화하는 데 사용됩니다.

기초 강화: 건물, 다리, 도로 등의 구조물 기초 아래 연약한 지반을 강화하기 위해 적용됩니다.

경사면 안정화: 지반의 경사면을 안정화하고, 산사태 등의 지반 이동을 방지하는 데도 사용됩니다.

장점 및 한계

장점: 연약한 지반의 강도와 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 비교적 빠른 시공이 가능합니다. 또한, 현장 조건에 맞춰 유연하게 적용할 수 있는 장점이 있습니다.

한계: 시공 비용이 높을 수 있으며, 시공 시 주변 지역에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 또한, 특정 지질 조건에서는 기대한 효과를 얻기 어려울 수도 있습니다.

 

3.4 Vibro floatation

개요

정의: 강력한 진동을 이용하여 느슨한 토양 입자를 재배치하고, 필요에 따라 충전재(모래, 자갈 등)를 주입하여 지반의 밀도와 강도를 향상시키는 지반 개량 방법.

목적: 느슨한 토사 지반의 밀도를 증가시켜 지지력을 향상시키고, 지반 액상화 위험을 감소시키며, 전반적인 지반 조건을 개선합니다.

공법의 원리

진동 장비 사용: 바이브로플로트(vibroflot)라고 불리는 진동 장비를 토양에 삽입합니다. 이 장비는 강력한 진동을 발생시켜 주변 토양 입자를 재배치합니다.

입자 재배치: 진동으로 인해 토양 입자 사이의 공극이 재배치되어 밀도가 증가하며, 이는 지반의 지지력을 향상시킵니다.

충전재 주입: 필요에 따라 바이브로플로트를 사용하여 모래나 자갈과 같은 충전재를 주입하여 토양의 밀도를 추가로 증가시킵니다.

공법의 응용

액상화 방지: 지진 발생 시 액상화 위험이 있는 지역에서 지반을 강화하는 데 효과적입니다.

기초 강화: 건축물, 다리, 도로 등의 구조물 기초 아래의 지반을 강화하기 위해 사용됩니다.

경사면 및 둑 안정화: 경사진 지반 또는 둑의 안정성을 개선하는 데 적용됩니다.

장점 및 한계

장점: 빠른 시공 속도와 현장 조건에 대한 높은 적응성을 가지며, 특히 느슨한 토사 지반에서 효과적인 지반 개량을 제공합니다. 또한, 환경적 영향이 비교적 적은 편입니다.

한계: 진동으로 인해 주변 구조물에 영향을 줄 수 있으며, 매우 단단한 토양이나 암반에는 적용이 어려울 수 있습니다.

 

3.5 동다짐공법

개요

정의: 큰 무게의 충격체를 일정 높이에서 자유 낙하시켜 지반을 다지는 방법으로, 지반의 밀도를 증가시키고 안정성을 향상시키기 위한 지반 개량 기술입니다.

목적: 느슨한 토사 지반, 충전지, 매립지 등의 지반 안정성을 향상시키고, 액상화 위험을 감소시키며, 지지력을 증가시킵니다.

공법의 원리

낙하충격: 크레인이나 기타 중장비를 사용하여 무거운 충격체(보통 철제 또는 콘크리트 블록)를 지정된 높이에서 자유 낙하시킵니다.

다짐 효과: 충격체의 낙하로 인한 충격과 진동이 지반을 통해 전달되면서 토양 입자 사이의 공극을 줄이고, 공기와 물이 배출되어 지반의 밀도가 증가합니다.

다짐 패턴: 지반 개량이 필요한 전체 지역에 걸쳐 시스템적으로 다짐 작업을 수행하여 균일한 밀도와 안정성을 확보합니다.

공법의 응용

대규모 건설 프로젝트: 산업 단지, 공항, 도로 및 교량 건설 등 대규모 건설 프로젝트에서 지반 안정화를 위해 사용됩니다.

매립지 및 충전지: 폐기물 매립지 또는 충전지의 밀도를 증가시키고 안정성을 개선하는 데 적용됩니다.

지반 액상화 방지: 지진 발생 시 액상화 위험이 있는 지역에서 지반을 강화하고, 액상화 가능성을 줄이는 데 사용됩니다.

장점 및 한계

장점: 큰 면적의 지반 개량을 비교적 짧은 시간 내에 수행할 수 있으며, 경제적이고 효과적인 지반 개량 방법입니다. 또한, 환경적 영향이 상대적으로 적습니다.

한계: 충격과 진동으로 인해 주변 구조물에 영향을 줄 수 있으며, 매우 단단한 지반 또는 깊은 지반 개량에는 적합하지 않을 수 있습니다.

 

3.6 치환공법

개요

정의: 연약한 지반 또는 불량한 토양을 제거하고, 그 자리에 고강도의 재료를 채워 넣어 지반의 강도와 안정성을 향상시키는 지반 개량 방법.

목적: 지반의 지지력 강화, 액상화 방지, 수리적 성능 개선 등을 위해 연약한 지반을 우수한 재료로 교체합니다.

공법의 원리

지반 제거: 연약한 지반 또는 불량한 토양을 특정 깊이까지 제거합니다. 이 과정에서 굴착 장비를 사용할 수 있습니다.

재료 충전: 제거된 지반의 공간에 고강도의 충전재(예: 모래, 자갈, 암석)를 채워 넣습니다. 충전재는 지반의 물리적, 구조적 성질을 개선하는 데 도움을 줍니다.

다짐 및 정리: 충전재를 채운 후, 해당 지역을 다짐하여 밀도를 높이고, 지반의 균일성을 확보합니다. 필요에 따라 추가적인 정리 작업을 수행할 수 있습니다.

공법의 응용

기초 공사: 건물, 다리, 도로 등의 구조물 기초 아래 연약한 지반을 개량하기 위해 사용됩니다.

액상화 방지: 지진 등의 자연 재해 시 액상화 위험이 있는 지역에서 지반을 강화하는 데 사용됩니다.

수리적 성능 개선: 지하수 유동 특성을 개선하거나, 배수 성능을 향상시키기 위해 적용됩니다.

장점 및 한계

장점: 지반의 강도와 안정성을 명확하게 향상시킬 수 있으며, 구조물의 안전성과 내구성을 높일 수 있습니다. 또한, 액상화 방지 및 수리적 성능의 개선에도 효과적입니다.

한계: 대규모 굴착 및 충전 작업으로 인한 비용이 높을 수 있으며, 작업 과정에서 주변 환경에 영향을 줄 수 있습니다. 또한, 작업 지역의 접근성이나 지반 조건에 따라 적용이 제한될 수 있습니다.

 

3.7 Gravel Drain

개요

정의: 연약한 지반 내에 자갈 등의 배수 재료를 사용하여 세로 배수 채널을 설치하고, 지반 내 수압을 감소시키며 지반의 강도를 향상시키는 지반 개량 방법.

목적: 지반의 배수 능력을 향상시키고, 액상화 위험을 감소시키며, 지반의 전반적인 안정성을 개선합니다.

공법의 원리

배수 채널 설치: 연약한 지반에 수직으로 자갈배수 채널을 설치합니다. 이 채널들은 주로 자갈, 깨진 돌 등의 투수성이 높은 재료로 채워집니다.

수압 감소: 자갈배수 채널을 통해 지반 내의 수압을 효과적으로 감소시킵니다. 이는 지반 내에 축적된 물이 채널을 따라 수직으로 빠르게 배출되도록 합니다.

액상화 방지: 지반 내 수압이 감소함에 따라 지진 발생 시 액상화되는 위험이 크게 줄어듭니다.

공법의 응용

지진 대비: 지진 발생 시 액상화 가능성이 있는 지역에서 지반 안정화를 위해 사용됩니다.

기초 공사: 건물, 다리 등의 구조물 기초 아래 연약한 지반을 개량하기 위해 적용됩니다.

지반 강화: 다양한 건설 프로젝트에서 지반의 강도와 안정성을 향상시키기 위해 사용됩니다.

장점 및 한계

장점: 지반 내 수압을 효과적으로 감소시켜 액상화 위험을 줄일 수 있으며, 비교적 간단하고 경제적인 방법입니다. 또한, 배수 효율이 우수하여 지반의 빠른 개량이 가능합니다.

한계: 설치 과정에서 주변 지반에 영향을 줄 수 있으며, 매우 단단한 지반 또는 암반에는 적용하기 어려울 수 있습니다.