연약지반 처리

왜 배우는가: 연약지반은 도로·공항 기초의 침하와 안정 문제를 가장 먼저 일으키는 지반이라 설계와 시공 전반의 출발점이 된다. 판정기준과 처리공법은 도로및공항기술사 시험에서 반복해서 출제되는 핵심 주제이므로 정의와 판정 체계를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제133회 2교시 2번, 제131회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연약지반은 구조물을 지지할 충분한 지지력과 침하 안정성이 없어 지반개량 또는 보강이 필요한 지반이다.

• 연약지반(soft ground)
• 압밀침하(consolidation settlement)
• 판정기준(criteria for soft ground)
• 표준관입시험(SPT, N값)
• 지반개량(ground improvement)
• 부마찰력(negative skin friction)
• 액상화(liquefaction)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흙이 물러서 그 위에 도로나 활주로를 올리면 무너지거나 오랜 기간 가라앉는 땅이다. 이런 땅은 함수비가 높고 전단강도가 작은 점토, 실트, 유기질토로 이루어진 경우가 많다.

정식 정의는 구조물의 지지지반으로서 충분한 지지력을 갖지 못하고, 압축성이 커서 침하나 활동 문제를 일으킬 우려가 있는 지반이다. 판정은 원위치시험인 표준관입시험과 콘관입시험 결과로 한다.

핵심 용어를 이해하면 다음과 같다. 압축성은 하중을 받을 때 간극이 줄어들며 부피가 줄어드는 성질이다. 압밀은 간극수가 천천히 빠지면서 시간에 따라 일어나는 침하다. 전단강도는 흙이 미끄러짐에 저항하는 힘으로, 안정 검토의 기준이다.

점성토와 사질토는 판정 방식이 다르다. 점성토는 압밀이 느리게 진행해 장기 침하가 문제이고, 사질토는 느슨할 때 지진에 의한 액상화가 문제이다. 그래서 판정기준도 두 지반을 나누어 적용한다.

점성토와 사질토의 연약 판정은 본 기준의 표에 따른 N값 기준으로 한다. 이 값은 층두께와 액상화 검토 여부에 따라 더 엄격하게 판단할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 연약지반은 서해안 인천·군산 지역과 낙동강 하구에 넓게 분포한다. 이 지역에서 도로와 공항을 건설하려면 연약지반을 피하거나 처리해야 한다. 지반이 약한 채로 성토하면 원호활동 파괴나 과도한 침하가 생긴다.

연약지반 문제는 크게 네 가지로 나뉜다. 첫째, 안정 문제는 기초 지지력 부족이나 원호활동으로 생긴다. 둘째, 침하 문제는 압밀침하와 말뚝의 부마찰력으로 생긴다. 셋째, 액상화 문제는 지진이나 진동으로 지반이 순간적으로 강도를 잃는 현상이다. 넷째, 투수 문제는 굴착 시 분사현상과 파이핑으로 생긴다.

따라서 설계 단계에서 연약지반을 미리 판정하고 처리 방법을 정하는 것이 공사비와 공기를 줄이는 길이다. 판정이 늦으면 시공 중 침하가 누적되어 포장 파손과 유지관리비 증가로 이어진다.

연약지반 처리의 목적은 지지력 확보, 침하 저감, 액상화 방지를 동시에 달성하는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

연약지반 처리는 지반 개량과 지반 보강으로 나뉘며, 목적에 따라 공법을 고른다. 공법의 원리는 연약층의 압밀을 빠르게 하거나, 지반의 전단강도를 높이거나, 지반 자체를 구조물 역할을 하도록 바꾸는 세 방향으로 정리된다.

표의 배수 공법은 침하 기간을 줄이는 데 쓰고, 강성체 공법은 지지력을 직접 올리는 데 쓴다. 한 현장에서 두 공법을 조합하는 경우가 많다.

원리는 유효응력 원리로 설명한다. 외력이 가해지면 간극수압이 먼저 상승하고, 시간이 지나 간극수가 빠지면서 유효응력이 증가하여 압밀이 진행된다. 연직배수재는 배수 거리를 짧게 하여 이 과정을 빠르게 한다. 배수 거리 H_{dr}은 배수층까지 최대 배수 경로 길이(m)이며, 압밀시간은 t \propto H_{dr}^2 관계로 짧아진다.

연직배수재는 배수 거리를 줄여 압밀시간을 단축하는 공법이다.

절차는 다음과 같이 진행한다.

• 지반조사와 연약지반 판정으로 연약층 두께와 특성을 확인한다.
• 구조물 허용침하량과 공기를 기준으로 공법 후보를 고른다.
• 시험시공으로 설계 값과 개량 효과를 검증한다.
• 본시공 중 간극수압과 침하를 계측한다.
• 개량 효과를 확인하고 잔류 침하량을 산정한 뒤 성토 또는 포장을 시공한다.

5. 관련 법령·기준·표준

연약지반 판정과 처리의 기준은 건설 분야 설계기준과 시방서에 있다. 내진 측면에서는 「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」이 적용된다. 이 기준은 기초의 내진성능과 설계 조건을 규정하며, 지진 시 액상화 평가는 KDS 17 10 00 의 방법을 따른다고 정한다.

「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」의 주요 기준은 다음과 같다.

연약지반 판정기준은 「연약지반 조사·처리」 관련 설계기준의 표 1.6-1 에 따른다. 점성토 및 이탄질 지반은 N값 4 이하, 사질토 지반은 N값 10 이하를 기준으로 판정하고, 층두께는 점성토 10m 미만·10m 이상으로 나누며 10m 이상의 점성토 N값 기준은 6 이하이다. 판정은 원위치 시험 결과로 하며, N값만으로 판단할 때는 신중을 기한다.

개정 연혁으로는 「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」이 2019-01-02 자료로 확인된다. 소방·전기 기준과 달리 본 기준은 상위 기준인 KDS 17 10 00 을 참조하는 구조다.

6. 유형과 비교

연약지반 처리공법은 개량 원리에 따라 크게 배수·압밀 촉진 공법, 치환·경량화 공법, 고결·강성화 공법, 보강 공법으로 나눈다. 같은 목적이라도 적용 지반(점성토·사질토)과 공기, 잔류 침하 허용 조건에 따라 선택이 달라지므로 원리별로 비교해 둔다.