지하구조물 부력대책

부력대책이란

지하구조물은 지하수위 아래에 놓이면 아래에서 위로 미는 수압을 받는다.

이 상향 수압을 양압력이라 하며, 구조물 무게보다 커지면 구조물이 떠오른다.

부력대책은 이 상향 힘을 자중·마찰·앵커 등 저항력으로 누르는 조치다.

부력과 안전율 계산식

부력은 물에 잠긴 체적만큼의 물무게와 같은 상향 힘이다.

저면 수두 h 로 수압을 구하고 면적 A 를 곱하면 전체 양압력 U가 나온다.

저항력 W+R 을 U 로 나눈 안전율이 기준 이상이어야 부상을 막는다.

기준에 못 미치면 대책을 고르고 다시 검토한다.

계산 예제

지하수위가 10 m, 저면이 12 m 인 가상의 구조물로 계산해 보자.

수두차는 2 m 이므로 양압력은 9.81 × 2 = 19.62 kN/m² 이다.

저면 면적 500 m² 를 곱하면 전체 부력은 9,810 kN 이다.

자중 9,000 kN 을 나누면 W/F 는 0.92 로 1.0 보다 작다.

1.0 미만이므로 부상 위험이 있어 앵커나 배수 대책이 필요하다.

부력 대책 세 가지

부력 대책은 크게 저항형, 저감형, 배수형으로 나뉜다.

저항형은 자중이나 앵커·말뚝으로 부력에 맞서며, 대심도 구조물에는 앵커가 적합하다.

저감형은 구조물 깊이와 규모를 줄여 부력의 근본 원인을 제거한다.

배수형은 양압력을 낮추지만 펌프가 멈추면 효과가 사라지므로 이중 설비가 필요하다.

앵커와 배수 비교

앵커와 배수는 부력을 막는 방식이 서로 다르다.

앵커는 인장력을 지반에 전달하고, 설치 후 독립적으로 작동한다.

배수는 펌프가 계속 돌아야 효과가 유지되며, 정전에 대비한 이중 설비가 필요하다.

이 점을 문제로 확인해 보자.

대심도 정거장과 시험 포인트

대심도 정거장처럼 깊은 구조물은 자중만으로 부력을 이기기 어렵다.

그래서 앵커나 마찰말뚝 같은 저항 수단을 배수와 함께 쓰는 경우가 많다.

공사 중 침수와 되메움 전 상태도 부력이 크게 작용하므로 따로 검토해야 한다.

영구 구조물과 공사 중 가설 상태를 구분해 쓰지 않으면 감점된다.

정리

정리하면 부력은 물무게로 계산하고, 양압력은 저면을 위로 미는 수압이다.

검토 순서는 수위 설정, 부력 산정, 저항력 비교, 안전율 확인이다.

대책을 억제, 저감, 구조로 나눠 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 채울 수 있다.