히빙·파이핑

왜 배우는가: 히빙과 파이핑은 연약지반 굴착과 흙막이 공사에서 지반 파괴를 일으키는 대표 현상이라 건설안전 실무 점검의 핵심이다. 1교시 용어 문제와 3교시 논술(흙막이 공법과 함께 출제)로 반복 출제된다.

출제 이력: 제120회 1교시 10번, 제111회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

히빙은 연약 점토지반 굴착 시 흙막이 배면 흙의 중량이 굴착저면 하부 지지력을 초과해 굴착저면이 부풀어 오르는 현상이고, 파이핑은 수위차로 흙막이 틈이나 지반 내에 수로가 생겨 사질토 입자가 물과 함께 빠져나가는 현상이다.

키워드: 히빙(Heaving), 파이핑(Piping), 연약 점토지반, 굴착저면 지지력, 수위차, 침투수(Seepage), 근입깊이, 지하수위 저하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 히빙은 구덩이 바닥이 위로 솟는 것이고, 파이핑은 구덩이 주변 물이 흙을 파고들어 구멍을 내는 것이다. 두 현상 모두 흙막이 공사의 안전을 해쳐 주변 지반 침하와 인접 구조물 피해로 이어진다.

정식으로 히빙은 연약한 점토지반을 굴착할 때 흙막이 배면 흙의 중량과 추가하중이 굴착저면 이하 흙의 지지력보다 커져, 굴착저면 흙이 밀려 올라오는 파괴 현상이다. 점착력이 지반의 자중을 버티지 못할 때 발생한다.

히빙 안전율은 굴착저면 하부 지지력과 배면 흙의 하중 비로 정의하며, 일반적으로 1.2 이상을 요구하며, 계산한 안전율이 1.2보다 크면 히빙에 대해 안전하다. 이 값 이하이면 히빙 대책이 필요하다.

파이핑은 흙막이벽 배면과 굴착저면의 수위차로 침투수가 흐르면서 세굴(Scouring) 과 침식(Erosion) 이 생기고, 흙막이벽 하단이나 이음부에 물길이 형성되어 흙 입자가 유출되는 현상이다. 사질토와 수밀성이 낮은 벽체에서 주로 발생한다.

보일링(Boiling)은 파이핑과 같은 침투 계열 현상이지만 굴착저면에서 모래가 솟아오르는 형태이므로 구분해서 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

도심지 대심도 굴착과 지하공간 활용이 늘면서 연약지반에서 흙막이 공사가 급증했다. 연약지반은 점착력이 낮고 압밀이 느려 히빙과 파이핑 위험이 크다.

흙막이 공사에서는 굴착 중 토압과 수압이 동시에 작용한다. 이 조건에서 지반 평형이 깨지면 흙막이벽 변위, 주변 지반 침하, 인접 건물 피해가 발생한다. 따라서 히빙과 파이핑은 설계 단계에서 안전율로 검토하고 시공 단계에서 계측으로 감시하는 대상이 된다.

건설 현장 재해 관점에서도 이 현상은 붕괴 사고의 전조가 될 수 있다. 작업자가 굴착저면에서 작업하므로 사고 피해가 직접 발생한다. 그래서 감리와 안전관리 측면에서 필수 점검 항目이다.

히빙과 파이핑은 흙막이 주변 침하 원인으로 함께 묻는 경우가 많다. 두 현상을 원인과 대책으로 구분해 설명할 수 있어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

히빙과 파이핑은 흙막이 벽체 아래 지반에서 힘의 균형이 깨질 때 생긴다. 두 현상은 원인과 지반 조건이 달라 구성요소와 판정식도 따로 본다.

히빙은 점성토의 전단강도 부족이 원인이고 파이핑은 투수계수와 수두차가 원인이다. 두 현상 모두 굴착저면 아래 지층 구조에 좌우되므로 지반조사 결과를 먼저 본다.

히빙 안전율의 원리는 다음과 같다. 흙막이 벽체 배면의 흙은 근입부를 따라 아래로 밀려 내려가려 한다. 굴착저면 아래 흙이 이 힘을 버티지 못하면 저면이 위로 솟는다. 이를 안전율로 나타내면 다음과 같다.

$F_s = \frac{N_c \cdot c}{\gamma_t H + q}$

N_c 지지력계수(무차원), c 점착력(kN/㎡), \gamma_t 흙의 단위중량(kN/㎥), H 굴착깊이(m), q 지표 재하하중(kN/㎡)이다.

계산 예(가상의 값)는 다음과 같다. 주어진 값은 c=60kN/㎡, \gamma_t=18kN/㎥, H=10m, q=20kN/㎡, N_c=5.7(가정값)이다. 분모는 18×10+20=200kN/㎡, 분자는 5.7×60=342kN/㎡이다. 따라서 F_s=342/200=1.71이며 1.2를 넘으므로 안전하다. 결과는 1.7 수준으로 상식 범위 안에 있다.

굴착저면 아래에 피압 투수층이 있으면 피압수가 저면을 밀어 올려 히빙과 같은 형상을 만든다. 이때는 지지력 식만으로 부족하므로 피압수압을 함께 검토한다.

파이핑 안전율의 원리는 다음과 같다. 수두차 \Delta h가 있으면 지반 속에 침투 흐름이 생기고, 동수경사 i = \Delta h / L (L 침투경로 길이, m)가 커진다. 동수경사가 한계 동수경사를 넘으면 토립자가 물과 함께 빠져나간다. 한계 동수경사는 i_c = \gamma'/\gamma_w로 구하며 약 1.0이다. 파이핑 안전율은 F_s = i_c / i로 둔다.

파이핑은 동수경사가 한계 동수경사를 넘을 때 토립자가 유출되는 현상이다.

흙막이 벽체의 누수 구멍이나 이음부는 침투 경로를 짧게 만들어 동수경사를 키운다. 그래서 차수성 확보와 근입장 연장이 파이핑 대책의 원리가 된다.

히빙 대책의 원리는 세 가지다. 근입장을 늘리면 힘이 지지층까지 전달된다. 지반개량은 전단강도 c를 키워 안전율의 분자를 늘린다. 배면 지표 과재를 금지하면 분모의 q가 줄어든다.

절차는 다음과 같다.

• 지반조사로 지층 구성, 투수계수, 지하수위와 피압 여부를 확인한다.
• 굴착저면에 대해 히빙 안전율과 파이핑 안전율을 계산한다.
• 안전율이 부족하면 근입장 연장, 지하수위 저하, 지반개량 중에서 대책을 고른다.
• 대책을 반영한 흙막이 설계를 확정하고 굴착을 단계별로 진행한다.
• 굴착 중 지하수위, 벽체 변위, 지표 침하를 계측하고 이상이 나오면 굴착을 중단하고 되메움 또는 보강한다.

5. 관련 법령·기준·표준

히빙과 파이핑의 직접 수치 기준은 법령보다 설계기준과 시공 관행에 있다. 법령은 굴착 작업 중 근로자 보호 의무와 흙막이 지보공의 설치·점검 의무를 정한다. 「산업안전보건법」은 사업주 의무를, 「산업안전보건기준에 관한 규칙」은 굴착면 기울기, 흙막이 지보공 설치, 계측 등 현장 기준을 둔다. 「건설기술 진흥법」은 가설구조물 설계와 안전 관리의 근거가 된다. 설계 기준은 KDS 체계의 지반·토공 분야를 따른다.

흙막이 지보공은 관련 기준이 정한 굴착깊이 이상에서 설치한다. 보통흙 건지 굴착면 기울기는 관련 기준이 정한 값 이하로 둔다. 파이핑 안전율은 설계 단계의 침투 해석 결과에 따라 정한다.

히빙 안전율 1.2 기준은 점성토 굴착에서 쓰는 설계 관행이다. 굴착면 기울기와 지보공 설치 기준은 흙막이를 쓰지 않는 굴착의 한계를 정한다. 파이핑 기준은 설계 단계에서 침투 해석과 함께 판정한다.

대책 적용 시에는 근입장 연장, 지하수위 저하, 지반개량의 효과를 각각 안전율로 다시 확인한다. 지하수위 저하는 배수 공법으로 하고 그 영향 범위를 인접 구조물 기준으로 검토한다.