지반동결공법

정의

지반동결공법은 굴착 중 연약하거나 물을 많이 머금은 지반을 일시적으로 얼려 안정시키는 공법이다.

동결관으로 지반 속 간극수를 얼려 차수하고 지반을 고결시키는 임시 지반개량공법이다.

동결 상태는 공사 후 온도가 회복되면 원상으로 돌아가므로 임시 공법으로 분류된다.

동결 원리

동결관에 냉매를 순환시키면 주변 흙의 열이 관 쪽으로 빠져나간다.

그러면 흙이 0℃ 이하로 떨어지고 간극수가 얼어 얼음벽이 점점 커진다.

열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 성질이 이 모든 과정의 원리다.

얼음벽의 두께와 강도는 시간에 따라 커지며, 두께는 열 전달 해석으로 추정한다.

구성요소와 절차

동결 공법의 구성요소는 동결관, 케이싱, 냉동기와 냉매, 온도 측정 장치다.

동결관은 냉매를 흘려 지중 열을 흡수하고, 케이싱은 붕괴성 지반에서 공벽을 보호한다.

시공은 지반조사에서 시작해 냉매 순환과 온도 감시를 거쳐 굴착으로 이어진다.

공사 종료 후 해동 과정에서는 지반 변형과 침하를 계측한다.

계산 예제

가상의 예로 수직구 주변 동결벽의 체적을 계산해 본다.

동결벽 외경 8m, 수직구 내경 6m, 동결 깊이 15m를 대입한다.

단면적 차이 28에 높이 15를 곱하고 π/4를 곱하면 된다.

그 결과 체적은 329.9㎥이며, 상식 범위에 있는 값이다.

문제점과 대책

동결공법은 지하수 유속이 크거나 동결이 불균일하면 효과가 떨어진다.

지하수 유속이 크면 냉매가 열을 흡수당해 동결벽이 형성되지 않는다.

냉매 순환이 끊기면 동결벽이 녹아 강도가 떨어지므로 냉매를 이중화한다.

해빙 때는 융해 침하가 생기므로 해빙 단계에서 침하를 계측해야 한다.

문제점마다 원인, 영향, 대책을 한 묶음으로 적어야 채점에 대응하기 쉽다.

정리

지반동결공법의 핵심은 동결 두께, 온도, 시간을 열해석과 온도 감시로 확인하는 것이다.

동결관으로 지반을 얼려 차수와 지지력을 확보하고, 해빙 침하에 대비한다.

시험에서는 문제점마다 원인, 영향, 대책을 한 묶음으로 적으면 채점에 대응하기 쉽다.

지반동결공법의 핵심을 여기까지 정리했다.