히빙·보일링 현상

왜 배우는가: 히빙과 보일링은 흙막이 굴착에서 지반이 무너지는 대표 파괴 형태로, 연약 점토와 사질토의 차이를 구분해 원인과 대책을 짝지어 답해야 하는 문제로 자주 출제된다. 실무에서는 굴착 저면 안정성 검토와 지하수 처리 계획의 근거가 된다.

출제 이력: 제117회 1교시 11번, 제93회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

히빙은 연약한 점토지반 굴착 시 흙막이 배면 흙의 중량이 굴착저면 이하 지반의 지지력을 초과하여 굴착저면이 부풀어 오르는 현상이고, 보일링은 사질지반에서 굴착 저면과 배면의 수두차로 상향 침투수가 모래를 분출시켜 유효응력이 0이 되는 현상이다.

핵심 키워드

• 히빙(Heaving)
• 보일링(Boiling)
• 연약 점토지반
• 사질토 지반
• 유효응력 0
• 동수경사
• 한계동수경사
• 근입장

2. 개념 풀이

쉬운 말로 먼저 보면, 흙막이 벽 안쪽을 깊게 파면 바깥 흙이 벽을 타고 안쪽 바닥을 밀어 올리는 것이 히빙이고, 물이 벽 아래로 돌아 들어와 바닥 모래를 물과 함께 솟구치게 하는 것이 보일링이다. 두 현상은 모두 굴착 저면이 불안정해져 흙막이 벽체가 기울고 주변 지반이 침하하는 사고로 이어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 히빙은 연약한 점토지반을 굴착할 때 흙막이 벽 배면 흙의 중량과 지표 적재하중이 굴착 저면 아래 지반의 점착력(지지력)을 넘어서, 굴착 저면 흙이 안쪽으로 부풀어 오르는 소성 파괴다. 점토는 배수가 느려 굴착 중에 물이 빠지지 않으므로 비배수 전단강도(c_u)가 파괴 저항을 결정한다. 따라서 히빙은 흙의 자중과 점착력의 대소 관계 문제다.

보일링은 투수성이 큰 사질토에서 굴착 저면과 배면 사이에 수두차가 생겨 상향 침투류가 발생하고, 그 힘이 흙 입자 사이의 유효응력을 0으로 만들어 모래가 솟아오르는 현상이다. 굴착 저면의 흙이 액체처럼 거동하므로 전단저항이 사라진다. 보일링은 물의 흐름 문제이고, 히빙은 흙의 중량 문제다.

파이핑(Piping)은 보일링이 진행되어 침투 경로가 굳어지며 지하에 관로 모양의 수로가 형성되고, 그 안으로 토사가 계속 빠져나가는 현상이다. 두 현상의 대책은 대체로 같다.

유효응력은 간극수압을 뺀 응력이며, 상향 침투의 동수경사 i가 한계동수경사 i_c에 이르면 유효응력이 0이 된다. 한계동수경사는 다음과 같이 쓴다.

$i_c = \frac{\gamma'}{\gamma_w}$

여기서 \gamma'는 흙의 수중단위중량(kN/m³), \gamma_w는 물의 단위중량(kN/m³)이다. 흙의 수중단위중량과 물의 단위중량의 비로 정해지며, 대부분의 흙에서 i_c는 1 안팎이다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 지하공간 개발이 깊어지면서 흙막이 공사의 굴착 깊이가 늘고, 연약한 해성 점토나 매립층이 많은 지역에서 굴착이 반복되었다. 이 조건에서 굴착 저면의 안정성 확보가 설계의 핵심 과제가 되었다.

히빙과 보일링은 굴착 저면이 한꺼번에 무너지므로 사고가 나면 인접 건물의 침하와 흙막이 붕괴로 이어진다. 그래서 설계 단계에서 굴착 저면 안전율을 검토하고, 시공 단계에서 계측으로 저면 융기와 지하수위를 감시하도록 요구된다.

히빙은 점토의 점착력이 관여하는 문제이므로 연약 점토 지반 굴착에서 우선 검토하고, 보일링은 지하수위가 높은 사질지반에서 우선 검토한다. 두 현상의 구분은 지반 종류와 물의 흐름 중 어느 쪽이 지배하는지로 판단한다. 시험에서는 이 구분을 정확히 쓰는 것이 감점을 막는 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

히빙과 보일링은 굴착 저면의 지반이 힘의 균형을 잃어 솟아오르거나 모래가 끓듯 분출하는 현상이다. 두 현상은 원인 지반과 작동 힘이 다르므로 구분하여 원리를 이해해야 한다. 흙막이 벽 배면의 흙 중량과 저면 아래 지지력의 대소 관계, 그리고 피압수에 의한 상향 침투압이 핵심 원리다.

히빙은 연약 점토지반에서 발생한다. 흙막이 배면의 흙 중량이 굴착 저면 이하 지반의 지지력보다 커지면, 점토가 안쪽으로 밀려들어 저면이 부풀어 오른다. 점착력이 자중과 상재하중을 버티지 못하는 것이 원인이다.

히빙은 점토지반에서 배면 흙 중량이 저면 지지력을 초과할 때 발생한다.

보일링은 사질토 지반에서 발생한다. 굴착 저면과 배면의 수위차로 상향 침투류가 생기고, 유효응력이 0이 되면 모래가 솟아오른다. 이 조건을 한계동수경사 상태라 하며 흐름 방향의 동수경사가 임계값에 이르렀을 때다.

보일링은 상향 침투력으로 유효응력이 0이 되어 사질토가 솟아오르는 현상이다.

파이핑은 보일링이 진행되어 흙막이 벽 틈이나 하단을 따라 물길이 생기고 토립자가 함께 유출되는 현상이다. 발생 순서는 침투수 집중, 세굴, 물길 확대 순이다.

히빙·보일링 판정은 다음 절차로 수행한다.

• 지층 구성과 점토·사질토 여부를 조사한다.
• 굴착 저면 이하 지반의 지지력과 배면 토압을 산정한다.
• 히빙 안전율을 계산하고 기준과 비교한다.
• 굴착 저면과 배면의 수위차로 동수경사를 구하고 한계 동수경사와 비교한다.
• 기준에 미달하면 근입장 연장, 지하수위 저하, 지반 개량 등을 적용한다.

히빙 안전율은 다음 식으로 검토한다.

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

여기서 N_c는 지지력 계수, c는 저면 아래 점토의 점착력(kPa), \gamma_t는 흙의 단위중량(kN/㎥), H는 굴착깊이(m), q는 지표면 상재하중(kPa)이다.

보일링 검토는 동수경사 i와 한계 동수경사 i_c를 비교한다. 한계 동수경사는 다음과 같다.

$i_c = \frac{\gamma'}{\gamma_w}$

여기서 \gamma'는 흙의 수중단위중량(kN/㎥), \gamma_w는 물의 단위중량(kN/㎥)이다. 사질토에서 i_c는 약 1.0 부근이다.

도식으로 두 현상의 발생 흐름을 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

히빙·보일링 검토의 기준은 흙막이 설계기준과 가시설 안전 지침에 근거한다. 아래 표는 검토 기준값을 정리한 것이다.

기준 체계는 다음과 같다.

• 흙막이 가시설의 구조 검토는 건설공사 가시설 설계기준을 따른다.
• 안전 관리 의무는 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에 따른다.
• 굴착 공사의 설계·시공 관리는 「건설기술 진흥법」의 기준을 따른다.

표의 값은 학습 기준이며, 실제 설계는 적용 설계기준의 최신 개정판과 지반조사 결과로 확정한다.

히빙 안전율 1.2 이상은 점토지반 검토의 대표 기준이다. 보일링은 동수경사가 한계값 이하여야 한다.

흙막이 벽의 근입장은 히빙·보일링 모두의 방지에 직접 영향을 준다. 점토층에서는 경질지반까지 근입하고, 사질토에서는 불투수층까지 근입하여 침투 경로를 늘린다.

6. 유형과 비교

히빙과 보일링은 굴착 저면이 솟아오르는 공통점이 있어 자주 혼동된다. 발생 지반, 원인 힘, 대표 대책이 다르므로 아래 표로 구분한다.