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.
※ 유체의 중량을 W=7.49ton이라고 말하던데 이것은 중량이아니라 질량으로 불러야되는게 아닌가? 문제에서 유체의 중량을 W = 7.49 ton 이라고 말했습니다. ton은 질량의 단위이지만, 일상생활에서는 중량을 의미하는 경우가 많습니다. 따라서 문제에서 W = 7.49 ton은 유체의 중량을 의미한다고 해석하는 것이 타당합니다
저도 옛날에 기사공부할때 이부분이 너무 헷갈렸습니다.
2. 중량
1.1 정의
물체에 작용하는 중력의 크기를 의미합니다. 즉, 물체가 지구에 의해 얼마나 강하게 끌어당겨지는지를 나타내는 지표
1.2 사용기호
W = mg = wV
1.3 특성
단위:중량의 단위는N(뉴턴)입니다.
질량 및 중력 가속도 변화:중량은 질량과 중력 가속도에 따라 변합니다.질량이 증가하거나 중력 가속도가 증가하면 중량도 증가합니다.
지구상에서의 중력 가속도:지구상에서의 중력 가속도는9.81 m/s²입니다.
유체 흐름: 유체 흐름은 유체의 중량에 의해 영향을 받습니다. 구조물 설계: 구조물 설계에는 구조물이 받는 중량을 고려해야 합니다. 침식 및 운반: 침식 및 운반은 유체의 중량에 의해 영향을 받습니다.
※ 수리수문학에서 중량은 매우 중요한 개념입니다. 중량의 정의, 사용 기호, 특성, 그리고 중요성을 이해하는 것은 수리수문학 문제를 해결하는 데 필수적입니다.
밀도와 중량은 서로 밀접하게 관련되어 있습니다. 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 지표이고, 중량은 질량에 작용하는 중력의 크기를 나타내는 지표입니다. 밀도와 중량은 모두 수리수문학에서 중요한 개념입니다. 이 두 개념을 이해하는 것은 수리수문학 문제를 해결하는 데 필수적입니다.
3. 단위중량(=비중량)
3.1 정의
단위 부피당 물질의 중량을 의미, 물질이 얼마나 빽빽하게 채워져 있는지를 나타내는 지표
3.2 사용기호
일반적으로 γ (그리스 문자 감마)로 표시
3.3 특성
단위: 단위중량의 단위는N/m³(뉴턴/세제곱미터)입니다.
밀도 및 중력 가속도 변화: 단위중량은 밀도와 중력 가속도에 따라 변합니다. 밀도가 증가하거나 중력 가속도가 증가하면 단위중량도 증가합니다.
물의 단위중량: 4℃의 순수한 물의 단위중량은9810 N/m³입니다.
예시)
4. 비체적
4.1 정의
비체적은 단위 질량당 물질의 부피를 의미합니다. 즉, 물질이 얼마나 희게 채워져 있는지를 나타내는 지표입니다.
4.2 단위
비체적의 단위는 m³/kg , m³/t , c m³/g
단위중량이 있는데 굳이 비체적을 쓰는 이유가 뭘까?
단위중량은 단위 부피당 물질의 중량을 나타냅니다. 즉, 물질이 얼마나 무겁고 빽빽하게 채워져 있는지를 나타냅니다. 단위중량은 다음과 같은 상황에서 유용합니다.
유체 정압 계산:유체 정압은 유체의 단위중량,유체의 깊이에 의해 결정됩니다.
부력 계산:부력은 물체가 받는 단위중량에 의한 힘입니다.부력은 물체의 단위중량과 물의 단위중량 차이에 의해 결정됩니다.
구조물 설계:구조물 설계에는 구조물이 받는 하중을 고려해야 합니다.하중은 단위중량과 물체의 부피를 이용하여 계산할 수 있습니다.
비체적은 단위 질량당 물질의 부피를 나타냅니다. 즉, 물질이 얼마나 희게 채워져 있는지를 나타냅니다. 비체적은 다음과 같은 상황에서 유용합니다.
유체 흐름:유체 흐름은 유체의 비체적에 의해 영향을 받습니다.일반적으로 비체적이 높을수록 유체 흐름은 더 쉽게 발생합니다.
침식 및 운반:침식 및 운반은 유체의 비체적에 의해 영향을 받습니다.일반적으로 비체적이 높을수록 침식 및 운반이 더 쉽게 발생합니다.
토양 수분:토양 수분은 토양의 비체적에 의해 영향을 받습니다.일반적으로 비체적이 높을수록 토양 수분 보유 능력이 높아집니다.
단위중량과 비체적은 서로 상호 보완적 관계를 가지고 있습니다. 단위중량은 물질의 무게와 밀도에 대한 정보를 제공하고, 비체적은 물질의 부피와 밀도에 대한 정보를 제공합니다. 두 개념을 함께 사용하면 물질의 특성을 더욱 정확하게 이해할 수 있습니다.
예를 들어, 강을 흐르는 물의 유량을 계산하기 위해서는 단위중량과 비체적 모두 필요합니다. 단위중량은 물의 무게를 나타내고, 비체적은 물의 부피를 나타냅니다. 두 정보를 이용하여 단위 시간당 흐르는 물의 부피를 계산할 수 있습니다.