부등침하

왜 배우는가: 부등침하는 건축물 균열·누수와 구조 안전에 직접 영향을 주므로 실무에서 기초 형식과 지반 대책을 정할 때 반드시 검토해야 한다. 토공사와 도심지 공사 두 교시에 걸쳐 반복 출제되는 기초 분야의 대표 주제다.

출제 이력: 제109회 2교시 2번, 제90회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

부등침하는 기초지반이 불균등하게 침하하여 구조물의 일부가 다른 부분보다 더 내려앉는 현상이다.

핵심 키워드

• 부등침하(Differential Settlement)
• 전체침하와 부등침하량의 구분
• 압밀침하와 즉시침하
• 연약지반과 지반 이질성
• 부마찰력과 지하수위 변동
• 인접 굴착에 의한 지반 이동
• 지반개량과 복합기초

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 건물이 한쪽은 많이 가라앉고 다른 쪽은 적게 가라앉는 현상이다. 건물 전체가 같은 양만큼 내려앉는 것은 전체침하이며 큰 문제가 되지 않는다. 문제가 되는 것은 기초 사이의 침하량 차이다.

정식 정의는 다음과 같다. 구조물의 기초지반이 침하함에 따라, 구조물의 여러 부분에서 불균등하게 침하를 일으키는 현상을 부등침하라 한다. 부등침하는 부등침하량(두 기초 사이의 침하량 차)과 각변위(인접 두 점 사이 침하차를 거리로 나눈 값)로 평가한다.

부등침하를 이해하려면 먼저 침하의 종류를 구분해야 한다. 즉시침하는 재하 직후 흙 입자의 변형으로 짧은 시간에 생기며, 사질토와 건조 점토에서는 즉시침하가 전체침하와 같다. 압밀침하는 공극수가 빠져나가며 체적이 줄어드는 침하로, 포화 점토에서 시간이 오래 걸린다. 압밀침하는 다시 공극수압이 소산되는 동안의 1차 압밀침하와, 그 이후 계속되는 2차 압밀침하로 나뉜다.

부등침하는 이 침하들이 기초 위치마다 다르게 나타날 때 생긴다. 즉 지반이 균질하지 않거나, 하중이 고르게 전달되지 않거나, 외부 요인으로 지반이 한쪽만 변할 때 발생한다.

부등침하의 크기는 구조물 강성과 밀접하다. 강성이 큰 구조물은 침하차를 흡수하기 어려워 부재에 큰 응력이 생기고, 강성이 작은 구조물은 변형으로 흡수하지만 벽체 균열과 창호 불량이 나타난다. 따라서 답안에서는 침하량 자체보다 구조물 피해에 대한 허용 침하차를 함께 언급하는 것이 좋다.

부등침하는 두 기초 사이의 침하량 차이로 판단함

3. 등장 배경과 필요성

건축물의 대형화와 고층화는 기초에 전달되는 하중을 키운다. 또 도심지 토지 이용이 극대화되면서 연약지반 위에 건물을 세우거나, 인접 건물 근처에서 깊은 굴착을 하는 경우가 늘었다. 이런 조건에서 지반의 이질성과 외부 교란이 동시에 작용하여 부등침하 위험이 커졌다.

부등침하는 한번 발생하면 보수가 어렵다. 상부구조에는 강제변형이 작용하여 인장응력과 압축응력이 생기고, 균열은 인장응력 방향에 직각으로 나타나는 것이 보통이다. 공사 완료 후 균열이 생기면 누수와 단열 성능 저하로 이어져 건축물의 내구성에 영향을 준다. 따라서 설계 단계에서 지반조사와 기초형식 선정으로 예방하는 것이 중요하다.

또 부등침하는 원인이 여러 가지라 한 가지 대책으로 해결되지 않는다. 지반 원인, 하중 원인, 시공 원인, 인접 공사 원인을 구분해 원인별 대책을 세워야 하며, 이것이 기초공사의 계획 단계에서 부등침하를 다루는 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

부등침하는 기초 하부 지반의 압축량이 위치마다 달라서 생긴다. 기초판은 상부 하중을 지반에 전달하는 기초판과 지정으로 이루어지며, 두 요소가 지반의 압축성과 함께 침하를 결정한다. 침하 자체보다 침하량의 차이가 구조물에 해를 준다. 부등침하는 상부구조에 강제 변형을 주어 인장응력과 압축응력을 만들고, 균열은 인장응력 방향에 직각으로 생긴다.

원리는 다음과 같다. 지중응력은 하중 중앙부에서 크고 가장자리에서 작다. 연약층 두께나 압축성이 위치마다 다르면 같은 하중에도 압축량이 달라진다. 이 차이가 기초판을 기울게 하거나 비틀리게 한다. 침하는 즉시침하, 1차 압밀침하, 2차 압밀침하로 나뉜다. 즉시침하는 재하 직후 전단변형으로 생기고, 압밀침하는 공극수 소산으로 시간에 따라 생긴다. 부등침하는 이 세 침하가 위치별로 다르게 누적될 때 커진다.

절차로 보면 다음 순서로 진행된다.

• 사전 지반조사로 지층 분포, 연약층 두께, 압축성, 지하수위를 파악한다.
• 지반 조건에 맞는 기초 형식과 지정 공법을 선정한다.
• 침하량과 침하차를 계산하고 허용 침하량과 비교한다.
• 연약 지반은 개량하거나 말뚝으로 지지층에 지지시킨다.
• 시공 중 계측으로 침하를 관리하고, 하중 변화를 제어한다.

원리를 보이는 도식은 다음과 같다.

이 흐름에서 부등침하를 막는 지점은 a와 b 사이다. 지반 차이를 줄이거나 하중 분포를 균등하게 하면 뒤 단계의 균열을 막을 수 있다. 따라서 대책의 중심은 지반 개량과 하중 균등화에 있다.

Differential settlement는 영문 원어로 Differential Settlement 라 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

부등침하를 직접 규정한 단일 법령은 없다. 설계 기준은 기초 형식과 지반 조건에 따라 나뉜다. 건축 기초 설계는 구조기준과 지반설계기준을 따른다. 국내에서는 KDS 11 10 05(지반설계 일반)가 지반 설계의 기본 틀을 준다. 기초 침하의 허용 기준과 지지력 검토는 이 체계 안에서 다룬다.

침하량 산정은 다음 식을 쓴다. 기호는 뜻과 단위를 함께 적는다.

$S_i = \frac{p B (1-\nu^2)}{E} I_p$

여기서 S_i는 즉시침하(m), p는 하중 강도(kPa), B는 기초폭(m), \nu는 포아송비(무차원), E는 흙의 탄성계수(kPa), I_p는 침하 영향값(무차원)이다.

압밀침하는 다음 식으로 구한다.

$S_c = \frac{C_c H}{1+e_0}\log\frac{\sigma_0'+\Delta\sigma}{\sigma_0'}$

여기서 C_c는 압축지수, H는 압밀층 두께(m), e_0는 초기 간극비, \sigma_0'는 유효 초기응력(kPa), \Delta\sigma는 연직응력 증가량(kPa)이다.

기준 수치는 다음 표로 모은다.

허용 부등침하량의 세부 값은 구조 형식과 설계 기준에 따르므로 이 절에서는 고정 수치로 제시하지 않는다. 부등침하 판단은 전체 침하량과 두 지점 간 침하차를 함께 본다.