얕은기초 양압력

왜 배우는가: 얕은기초는 자중이 작아 지하수위 아래에 놓이면 양압력에 쉽게 들뜬다. 지하층 공사와 도심 지하공간 활용이 늘면서 이 문제가 실무에서 자주 생기고, 시공 중 기초 파손과 구조물 침하·들뜸 사고로 이어지므로 시험에서도 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 2교시 5번, 제101회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 얕은기초 양압력은 지하수위 아래 기초 저면에 작용하는 상향 간극수압의 합력으로, 구조물을 들어 올리려는 힘이다.

• 간극수압
• 부력
• 양압력(Uplift Pressure)
• 유효응력
• 지하수위
• 저면 면적
• 자중 대비 안전율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물속에 잠긴 물체는 위로 밀려 올라간다. 땅속에 놓인 얕은기초도 지하수위 아래에 있으면 흙 틈의 물이 기초 바닥을 위로 밀어 올린다. 이때 밀어 올리는 힘이 양압력이다.

정식 정의는 다음과 같다. 양압력은 지하수위 이하에 놓인 구조물 저면에 작용하는 상향 방향의 간극수압의 합력이다. 흙 입자 사이 공극을 채운 물이 만드는 압력이므로 간극수압이라고도 한다.

핵심 용어를 나누어 정리한다.

간극수압은 흙 입자 사이 공극에 찬 물이 주는 압력이다. 지하수위 아래에서는 정수압 분포에 가깝게 작용한다.

부력은 물에 잠긴 물체가 밀어낸 물의 무게만큼 받는 위쪽 힘이다. 구조물 전체가 물에 잠긴 경우의 부력과 기초 저면에 작용하는 양압력은 같은 원리를 쓴다.

유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이다. Terzaghi의 식으로 σ′ = σ − u 로 나타내며, 흙 입자가 받는 실제 응력을 뜻한다. 간극수압이 커지면 유효응력이 줄어 지반 지지력과 전단저항이 떨어진다.

원리는 다음과 같다. 기초 저면에서 지하수위까지의 높이를 h라 하면, 저면의 간극수압은 u = γw·h 이다. 여기서 γw는 물의 단위중량으로 약 9.81kN/m³이다. 저면 면적을 A라 하면 전체 양압력은 U = γw·h·A 이다.

구조물이 받는 힘은 자중 W와 양압력 U의 차이다. 자중이 양압력보다 작으면 구조물이 들뜬다. 양압력은 구조물의 유효중량을 줄이고, 그만큼 복원력도 줄인다. 따라서 얕은기초는 자중이 작을수록 취약하다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 지가 상승과 주차난으로 지하 공간 활용이 늘었다. 지하층은 점점 깊고 대형화되었고, 그 결과 기초 저면이 지하수위 아래에 놓이는 경우가 많아졌다. 지하수위 이하 구조물의 부력 방지가 설계와 시공의 중요한 과제가 된 배경이다.

얕은기초는 깊은기초에 비해 기초 자체의 무게가 작고 지지층의 마찰·지압 저항을 기대하기 어렵다. 그래서 같은 수위 조건에서도 양압력에 더 쉽게 영향을 받는다. 지하수위가 공사 중 일시적으로 상승하는 경우도 드물지 않다. 강우가 집중되거나 배수 설비가 멈추면 저면의 수압이 설계보다 커질 수 있다.

양압력을 무시하면 기초 들뜸, 바닥 슬래브 균열, 지하 방수층 파손, 시공 중 부상으로 인한 기초 변위가 생긴다. 특히 공사 중에는 구조물 자중이 완성 상태보다 작아 부상 위험이 더 크다. 따라서 시공 단계별로 양압력과 자중을 비교하는 검토가 필요하다.

이런 이유로 양압력은 지반 공학에서 간극수압, 유효응력과 함께 다뤄지는 기본 개념이다. 기초 형식 선정과 지하수 대책을 함께 정하는 근거가 되므로, 답안에서는 원리와 계산식을 먼저 제시하고 그다음 대책을 연결하는 것이 좋다.

실무에서는 전도·부상 검토 시 자중과 양압력의 비인 안전율을 두고, 그 값이 설계 기준 이상이 되도록 자중을 늘리거나 수위를 낮춘다. 이 수치는 설계 조건에 따라 달라지므로 답안에는 '일반적 실무 기준' 이라고 함께 밝히는 것이 안전하다.

4. 구성요소·원리·절차

양압력을 이해하려면 세 가지 구성요소를 나눠 본다. 첫째는 기초 저면을 위로 미는 양압력(Uplift) 자체다. 둘째는 그 수압을 받는 기초 저면의 면적이다. 셋째는 양압력에 맞서 구조물을 누르는 저항력이며, 구조물 자중과 기초 상부의 흙 중량이 여기에 해당한다.

표의 세 항목은 서로 따로 보지 않는다. 저면 면적이 커지면 같은 수위에서도 양압력 합력이 커지고, 저항력을 키우려면 자중이나 상부 흙 중량을 늘려야 한다. 그래서 검토는 항목별 점검이 아니라 양압력 합력과 저항력의 비교로 묶어 한다.

원리는 간극수압이다. 양압력은 지하수위 아래 흙 속 물의 수압이 기초 저면을 위로 미는 힘이다. 지하수위 아래의 물은 정수압 분포를 따르며, 그 크기는 수두(水頭)로 나타낸다. 기초 저면에 작용하는 수압은 물의 단위중량에 수두를 곱한 값이다. 물의 단위중량은 약 9.81kN/m³이다. 수두가 두 배가 되면 양압력도 두 배가 되므로, 양압력은 지하수위 높이에 비례해 커진다.

지하수가 흐르면 상류와 하류의 수두차가 생기고, 저면 수압은 정수 상태와 달라진다. 그래서 물이 고여 있을 때보다 침투 흐름이 있을 때 양압력이 더 커질 수 있다. 설계에서는 가장 불리한 수위를 쓴다. 우기 최고 수위와 공사 중 수위가 다르면 시공 단계마다 따로 검토한다.

검토식은 다음과 같다. 각 기호의 뜻과 단위를 함께 적는다.

u = \gamma_w h (u: 저면 양압력(kPa), γw: 물의 단위중량(kN/m³), h: 기초 저면에서 지하수위까지의 수직거리(m))

$U = u \cdot A$

(U: 양압력 합력(kN), A: 기초 저면 면적(m²))

$F_s = \dfrac{W}{U}$

(Fs: 부력 안전율, W: 저항 중량(kN), 구조물 자중과 상부 흙 중량의 합)

안전율은 저항 중량을 양압력 합력으로 나눈 값이다. Fs가 1보다 작으면 저항 중량이 양압력을 받치지 못해 구조물이 떠오를 수 있다. 1보다 큰 값이라도 여유가 부족하면 설계 기준에 미치지 못하므로, 안전율은 기준값과 비교해 판정한다.

절차는 여섯 단계로 정리한다.

• 지하수위 확인: 시추공과 관측정으로 우기 최고 지하수위를 정한다.
• 저면 수압 산정: 기초 저면 표고와 최고 수위의 차 h로 u를 구한다.
• 저항 중량 산정: 구조물 자중과 상부 흙 중량을 더해 W를 구한다.
• 안전율 검토: Fs를 구해 기준 안전율과 비교한다.
• 대책 선정: 안전율이 모자라면 배수, 차수, 중량 증가, 앵커 가운데 고른다.
• 시공 중 확인: 굴착 바닥의 용수와 융기를 관찰하고 수위를 계측한다.

침투가 있는 지반에서는 유선망(流線網)으로 저면의 간극수압을 구한다. 등수두선이 기초 저면과 만나는 위치에서 수두를 읽어 u를 정하는 방법이다. 차수벽이 있으면 흐름 경로가 길어져 저면 수두가 낮아진다. 반대로 배수가 막히면 수두가 그대로 남아 양압력이 커진다. 이 차이가 시공 중 바닥이 솟아오르거나 기초가 떠오르는 원인이 된다.

굴착 바닥에서는 상향 침투력도 함께 봐야 한다. 굴착면 쪽으로 물이 흐르면 흙 입자가 떠올라 바닥이 연약해지고, 보일링(Boiling)이나 히빙(Heaving)이 생길 수 있다. 이 현상은 저면 양압력과 같은 수두차에서 나오므로 대책도 함께 세운다. 굴착 깊이가 깊을수록, 차수가 불완전할수록 위험이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

얕은기초의 양압력은 지반·기초 설계기준에서 설계 하중과 안전율로 다룬다. 설계 단계에서는 저면 수압을 설계 수위 기준으로 산정하고, 저항 중량과 비교해 안전을 확인한다. 기준의 이름은 현행 체계로 적고, 조문 번호는 적지 않는다.

시공 중 굴착 바닥의 안전은 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 정하는 굴착 작업 기준을 함께 따른다. 굴착 작업에서는 지하수 처리와 흙막이 안정 기준이 함께 적용되므로, 한 기준만 보고 판단하면 안 된다. 「건설기술 진흥법」은 건설공사의 설계와 시공 기준을 두는 근거 법이며, 발주처 시방서와 설계기준이 여기에 따른다.

기준값은 다음 표로 모았다.

표의 첫 행은 물리 상수라 변하지 않는다. 둘째 행은 설계 여유를 정하는 값이다. 셋째 행은 수치가 아니라 산정 방식이므로 기준 수위를 적었다.

실무에서는 안전율을 설계 기준 이상으로 두는 경우가 많다. 이 값은 저항 중량이 양압력 합력을 충분히 넘도록 하는 여유다. 중요 구조물이나 지하수위 변동이 큰 현장에서는 기준보다 높은 안전율을 쓰고, 배수 계획을 함께 세운다.

수두 기준은 설계 수위에 따른다. 우기 최고 수위를 쓰는 것이 원칙이며, 배수 시설을 전제로 하는 경우에는 배수 후 수위도 함께 검토한다. 설계 수위와 실제 지하수위가 다르면 시공 중 계측 값으로 보정하고, 보정 결과는 설계 변경 절차를 거쳐 반영한다.

시공 중에는 지하수위와 굴착 바닥의 융기를 정기적으로 계측한다. 계측 결과가 설계 수위를 넘으면 배수 용량을 늘리고 굴착 진행을 멈춘다. 이 판단은 설계자와 감리가 함께 내린다.