분사현상

왜 배우는가: 분사현상(보일링)은 굴착 저면 아래 사질지반에서 상향 침투수압이 유효응력을 0으로 만들어 지반이 지지력을 잃는 현상이다. 흙막이 붕괴와 주변 지반 침하로 이어지므로 실무 굴착 설계에서 반드시 검토하고, 기술사 시험에서 1교시 용어와 2~4교시 안전율 계산 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제134회 1교시 9번, 제129회 3교시 2번, 제97회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분사현상은 굴착 저면 아래 흙에 상향 침투수압이 작용해 유효응력이 0이 되어 모래 입자가 물과 함께 솟아오르는 현상이다.

상향 침투수압에 의해 유효응력이 0이 되어 사질토의 전단강도가 소실되는 현상

• 핵심 키워드: 분사현상, 보일링(Boiling), 한계동수경사, 유효응력, 침투수압, 굴착 저면, 흙막이 근입장, 퀵샌드(Quicksand)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 땅속에서 물이 아래에서 위로 세게 밀어 올리면 흙알갱이가 떠서 모래가 끓는 것처럼 솟아오르는 현상이다. 흙은 입자끼리 누르는 힘(유효응력)으로 버티는데, 위로 미는 물의 힘이 그 누르는 힘과 같아지면 흙이 버틸 힘이 사라진다.

정식으로는 상향 침투흐름에서 침투수압(Seepage Pressure) 이 흙의 유효응력을 감소시켜 유효응력이 0이 되는 상태를 말한다. 이때의 동수경사를 한계동수경사(Critical Hydraulic Gradient, i_c) 라 하며, 사질토가 전단강도를 잃는 조건이다.

분사현상과 보일링(Boiling) 은 같은 현상을 가리키는 말로 쓰이며, 굴착 현장에서는 굴착 저면의 모래가 끓듯 솟는 모습을 보일링이라 부른다. 유효응력이 0이 된 상태를 퀵 컨디션(Quick Condition) 이라고도 하며, 흔히 퀵샌드라 부르는 것이 이 상태다. 퀵샌드는 모래의 종류가 아니라 상향 침투로 생긴 흐름 조건이다.

한계동수경사는 다음 식으로 구한다.

$i_c = \frac{G_s - 1}{1 + e}$

여기서 G_s는 흙입자의 비중(무차원), e는 간극비(무차원)다. 간극비가 0.67, 비중이 2.67인 느슨한 사질토에서는 i_c가 1이 된다.

안전율은 한계동수경사를 실제 동수경사로 나눠 구한다.

$F_s = \frac{i_c}{i}$

여기서 i는 굴착 저면에서 실제로 작용하는 동수경사다. 보통 F_s는 1.5 이상으로 검토한다.

3. 등장 배경과 필요성

지하 굴착은 지하수위보다 깊게 파는 경우가 많다. 굴착 배면과 저면의 수위차가 생기면 물이 흙막이 벽 하단을 돌아 저면 쪽으로 흐른다. 이 흐름이 상향으로 바뀌는 지점에서 유효응력이 줄어든다.

특히 투수성이 큰 모래·자갈 지반에서 지하수위가 높으면 짧은 시간에 현상이 진행된다. 저면 흙이 사라지면 흙막이 벽의 수동저항이 줄고, 벽체가 기울거나 주변 지반이 침하한다. 그래서 굴착 계획 단계에서 한계동수경사와 안전율을 확인하고, 필요하면 차수·배수 대책을 설계에 반영한다.

안전율 1.5 이상을 기준으로 검토하는 것이 일반적이다.

• 굴착 배면 수위와 저면 수위의 차이가 클수록 동수경사가 커진다.
• 흙막이 벽 근입장이 짧으면 침투 경로가 짧아져 동수경사가 커진다.
• 사질토는 점성토보다 투수계수가 커서 침투 속도가 빠르다.