지반침하

왜 배우는가: 지반침하는 도로, 건물, 지하철 등 도심 시설의 붕괴와 인명 피해로 이어지는 대표적인 지질재해이므로 실무에서 조사와 대책 수립이 필수이다. 시험에서는 원인, 형태, 조사, 대책을 묶어 묻는 문항이 반복 출제되므로 침하의 원인과 형태를 구분해 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 2교시 6번, 제131회 3교시 3번, 제102회 2교시 6번, 제93회 4교시 1번, 제90회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지반침하는 지반을 이루는 흙이나 암반이 자연적 또는 인위적 원인으로 체적이 줄어 지표면이 원래보다 낮아지는 현상이다.

지반침하는 넓은 면적이 고르게 내려앉는 경우와 지하 공동이나 연약층 때문에 국지적으로 꺼지는 경우를 모두 포함하는 상위 개념이다. 지반 함몰과 싱크홀은 지반침하가 국지적이고 급격하게 나타난 형태로 볼 수 있다. 구조물 입장에서는 기초지반이 침하하면서 구조물의 각 부분이 서로 다르게 내려가는 부등침하로 나타나므로, 설계와 유지관리에서 함께 다뤄야 하는 문제이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 지반침하: 지반의 체적 감소로 지표가 낮아지는 현상이다.
• 지반 함몰: 지하 공동이 무너져 지표가 국지적으로 꺼지는 현상이다.
• 압밀침하: 간극수가 빠져나가면서 체적이 줄어 생기는 침하이다.
• 즉시침하: 재하 직후 전단변형으로 생기는 침하이다.
• 부등침하: 구조물 각 부분의 침하량이 달라 생기는 침하이다.
• 부마찰력: 주변 지반이 말뚝보다 많이 내려갈 때 말뚝에 아래 방향으로 작용하는 마찰력이다.
• 지하수위 저하: 지하수 양수나 굴착으로 흙의 유효응력이 증가하게 만드는 원인이다.
• 지하 공동: 지반 내부에 생긴 빈 공간으로 함몰의 주요 원인이다.

2. 개념 풀이

지반침하는 하중의 증가, 지하수 변화, 지중 공극 발달 등으로 지반을 이루는 흙 입자가 재배열되거나 간극이 줄어 지표면이 내려앉는 현상이다. 지반은 흙 입자와 간극으로 구성되어 있으므로, 간극이 줄어 지반의 체적이 감소한 만큼 지표의 하강으로 나타난다. 침하는 체적 변화를 동반하는지에 따라 전단변형에 의한 침하와 체적 변화를 동반하는 침하로 나뉜다.

지반의 거동은 유효응력 원리로 설명된다. 흙 속의 전응력 σ는 간극수가 받는 간극수압 u와 흙 골격이 받는 유효응력 σ′로 나뉘며, 식으로 쓰면 σ′ = σ - u이다. 여기서 σ′는 유효응력, σ는 전응력, u는 간극수압이다. 지하수를 과다하게 양수하여 간극수압 u가 낮아지면 흙 골격이 받는 σ′가 증가하고, 그 결과 입자가 재배열되며 간극이 줄어 압밀침하가 발생한다.

즉시침하는 재하 직후 흙 입자의 전단변형으로 생기는 침하이며, 투수계수가 큰 사질토에서 주로 나타나고 짧은 시간에 끝난다. 포화된 점토에서도 즉시침하가 생기지만 이때는 하중 방향으로 줄어들면서 옆으로 부풀어 전체 체적은 변하지 않는 형태로 나타나므로 압밀침하와 구별해야 한다.

압밀침하는 공극 내 물과 공기가 빠져나가며 체적이 줄어 생기는 침하이며 상당한 시간이 걸린다. 공극수압이 소산되는 동안 발생하는 1차 압밀침하와 공극수압 소산 이후 흙 골격의 재배열로 계속되는 2차 압밀침하로 나뉜다. 압밀침하는 간극수 유출에 따른 체적 감소이며 시간이 오래 걸린다.

부등침하는 구조물의 기초지반이 침하하면서 구조물 각 부분이 불균등하게 내려가는 현상이다. 연약층의 두께가 장소마다 다른 경우, 서로 다른 지반에 걸쳐 축조된 경우, 인접 터파기로 지하수위가 낮아지는 경우, 옹벽이나 사면 상부에 축조된 경우에 주로 발생한다.

부마찰력은 주변 지반의 침하량이 말뚝의 침하량보다 클 때 말뚝 주변 마찰력이 아래 방향으로 작용하는 현상이며, 영문으로 Negative Skin Friction이라 한다. 부마찰력은 지반과 말뚝이 함께 내려가 상대 이동이 없어지는 중립점 위에서만 발생하며, 말뚝의 지지력 검토에서는 말뚝에 하중을 더하는 요인으로 고려한다.

지반 함몰은 지하 공동이 상부 하중을 견디지 못하고 무너져 지표가 국지적으로 꺼지는 현상으로, 완만한 침하와 달리 급격하게 일어나는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

도시 기능이 지하로 확장되면서 지반침하의 위험이 커졌다. 지하철, 지하도로, 지하 주차장, 공동구처럼 지하 공간을 굴착하는 공사가 늘어나면 주변 지반의 응력과 지하수 흐름이 바뀌고, 그 과정에서 연약층 압축이나 지반 이동이 발생한다. 특히 도심에서는 굴착 공사와 지하수 변화가 겹쳐 지표 침하가 빠르게 나타나는 사례가 많다.

지하수 이용도 주요 배경이다. 도시화와 인구 증가로 생활용수와 공업용수 수요가 늘어 지하수를 과다하게 양수하면 지하수위 저하가 생기고, 이전에 간극수압이 지지하던 상재 하중이 흙 골격으로 옮겨져 압밀이 진행된다. 이런 원인으로 넓은 범위에서 완만하게 내려앉는 광역적 침하가 나타나므로, 지반침하 조사에서는 지하수 이용 현황을 함께 살펴야 한다.