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양압력 처리방법 대안별 비교
1. 개요
양압력 처리방법 검토를 위한 기초바닥 및 외벽에 작용하는 수압은 계측(Piezometer, 간극수압계)을 통한 장기적인 관측이 되지 않는 한 실제 작용하는 설계수압의 명확한 정량화는 어려우며, 대심도의 굴착일수록 기초바닥에 작용하는 과대한 수압처리 문제는 기초단면 증대, 부력 앙카수의 증가로 시공성, 경제성 및 안정성 등에서 여러 가지 문제를 안고 있다. 따라서 깊은 굴착에 따른 지하구조물의 시공은 필연적으로 지하수압에 의한 문제가 야기된다. 그러므로 시공 및 영구조건하에서 지하수 흐름에 따른 양압력(Uplift Pressure)에 대한 모델링을 요약하면 다음과 같다.
1) 시공 중의 지하수압은 가설(또는 본체벽) 흙막이 벽에 외력으로 작용하게 되고, 기초지반의 지층상태(암반층은 제외)에 따라 지하수의 흐름에 의해 지반의 융기(Heaving), 파이핑 현상 등을 유발하게 된다.<그림1>
2) 또한 영구조건하에서 기초바닥 Slab에 작용하는 양압력(Uplift Pressure)의 문제는 대체로 <그림 2>의 형태로 요약될 수 있다.
①은 건물전체 무게와 지하외벽과 흙과의 상호작용에 의한 마찰력(Friction)에 대하여 기초 바닥에 작용하는 양압력(Uplift Pressure)의 균형 문제로서 지하벽체를 지하연속벽으로 시공하는 경우 시공 중 또는 영구조건을 만족하는 구조체로 시공되어 양압력에 대한 안정성은 크다.
②는 지하 저층부의 경우 양압력에 의한 모멘트와 건물자중에 의한 저항모멘트의 균형에 대한 문제로 저층부에 있어서 양압력에 대한 안정성은 낮다.
③은 기둥 주위가 충분히 양압력을 견딜 수 있는 자중일지라도 대단면 스팬일 경우 중앙부에서 발생될 수 있는 양압력에 대한 안정성은 낮아진다. 따라서 이와 같은 경우에 대해 영구배수시스템을 적용할 경우 부력저항이 큰 기둥의 기초 아래에는 별도로 부력저항 시설인 자갈 배수층을 생략할 수 있으나, 일반 기초Slab 구간의 경우는 인위적인 배수층을 중점적으로 배치하므로 양압력에 대한 안정성을 높일 수 있다.
따라서 ①,②,③ 모든 경우 양압력에 대한 안정성이 유지될 수 있도록 방법이 강구되어야 한다.
일반적으로 주요 고층구조물은 대지 전체에 같은 규모로 세워지는 것이 아니며, 또한 건축물 자체가 양압력에 저항할 수 있는 충분한 자중일지라도, 건축물 기초바닥에 작용하는 양압력 문제는 남는다. 따라서 양압력을 극복하기 위한 대책이 필요하며, 양압력에 저항하는 방법을 대별하면 다음과 같이 대별된다.
① 사하중에 의한 방법
② 영구앙카 (Holdding Down Anchor)에 의한 방법
③ 배수에 의한 방법
④ 조합형 및 기타 방법
2. 양압력에 저항하는 방법
1) 사하중 (Dead Weight or Pre Loading)에 의한 방법
본 방법은 건물의 순수하중과 건물 외벽에 작용하는 마찰력이 양압력보다 크도록 설계하는 방법으로서, 특히 하중의 균형 검토를 위한 하중 산정시 건물에 실제로 작용하는 하중만을 순수자중으로 고려한다. 사하중에 의한 지하수압의 저항은 일반적으로 건물 기초형식에 대하여 흔히 이중매트, 단일매트 형식을 이용하는 것으로서, 국내에서 지하수위가 낮고 얕은 지하 굴착을 하는 경우에 건물 기초바닥 Slab의 양압력 처리방법으로 가장 널리 적용하고 있다.
또한 이 방법은 구조물의 사하중만을 증가시켜 양압력을 극복할 수 있도록 하는 방법이며, 이러한 방법은 저층부의 구조체 및 기초의 두께를 증가시키거나, 하중균형을 위한 비중이 큰 재료(자갈, 잡석 등)를 계획된 공간에 채움으로써 추가 하중을 부가함으로서 이루어진다. 그러나, 굴착 깊이의 증가와 기초 및 지하바닥 MAT의 단면 증가에 따른 공사비의 증가가 단지 양압력을 극복하기 위한 용도로만 사용되는 단점이 있다.
2) 영구앙카 (Holdding Down Anchor)에 의한 방법
건물의 순수자중과 건물 외벽에 작용하는 마찰력이 양압력보다 적은 경우에 그 차이만큼의 양압력을 기초바닥의 하부 암반층에 스트랜드 강선(Anchor Cable or Tendon)을 긴장 설치하여 저항하는 방법이다. 경우에 따라서는 록볼트도 사용한다. 이러한 영구 앙카에 의한 방법은 Anchor Root의 안정, Friction Cylinder의 안정, Anchor Steel의 인장파괴, Anchor Steel과 Grouting과의 Slip 파괴에 대해 모두 안정해야 한다.
또한 영구앙카를 이용한 방법은 양압력의 크기에 대응하여 앙카의 저항능력 및 간격의 선택이 자유롭고 Slab 바닥을 관통하여 지지층에 설치된 앵커는 Slab에 작용하는 휨모멘트를 감소시키는 효과가 있다. 그러나 이 방법의 단점은 국내에서 영구 앵커설치를 위한 장비동원이 용이하지 않고, 공사비의 부담이 크다. 그리고, 장기적인 관점에서 긴장된 강선의 부식 및 스트레스 감소에 의한 위험요소를 배제하기 위해서는 전문 업체의 참여가 요구되며, 일정 기간의 간격을 두고 재 긴장 및 유지 관리에 유의해야 한다.
3) 배수에 의한 방법
① 외부배수 시스템(Exterior Drainage System)
외부 배수 시스템은 지하벽체 외부 소정의 심도에 배수층을 만들어 유공관 또는 다발관을 통하여 집수정으로 지하수를 모은 후 양수에 의한 배수처리로 지하벽체에 작용하는 수압을 감소시켜 지하 구조체(벽체 및 바닥 Slab)의 단면을 조절 할 수 있는 방법이다.
또한, 이 시스템의 장점은 외부 지하수위의 조절로 지하실 바닥에 걸리는 양압력을 감소시키므로 지하구조물 전체의 안정에는 효과적이나 단점으로는 건축대지 상황에 따라 설치가 불가능한 부분이 발생할 수 있으며, 배수로나 집수정 부위의 Joint에 대한 시공관리에 주의를 기해야 한다. 이 방법은 외부에 배수관(Drain Pipe)및 일정수위(설계가정 지하수위)를 유지시키는 인공수위 조절 불투수막(Impervious Plug), Sump Pit등을 설치할 수 있는 최소 공간(1.0m이상)이 유지되어야 하기 때문에 건축 지하벽이 합벽 처리되는 경우에는 별도의 수직배수 방법이 강구되어야 한다. 이것은 강제로 배수를 시켜 지하수위를 조절하는 인공수위 저하 방법으로서 인접 구조물에 침하 등의 위해 사항이 발생할 수 있기 때문에, 건물밀집 지역에서는 적용성 여부를 신중히 검토해야 한다.
② 기초바닥 배수시스템 (Permanent Under Drainage System)
기초바닥 영구배수시스템은 기초 Slab 아래에 인위적으로 배수층을 만들고 유공관 또는 다발관을 통하여 집수정으로 지하수를 모아 양수에 의한 강제배수처리를 함으로써 양압력을 감소시키는 방법이다. 이 시스템의 장점은 지하벽체 선단이 투수성이 적은 지반까지 시공되었을 때 이 지층을 통해 지하바닥 Slab 하부로 유입된 지하수의 처리에 효과적이며, 건물 지하 외부의 지하수 처리를 위한 양수작업(Dewatering) 방법에서 야기되는 주변 침하문제는 발생되지 않는다.
그러므로, 특징으로는 지하수가 많고, 터파기 하부 지층이 견고한(풍화대 이상) 지반에서 양압력을 완화시키는 방법으로 널리 적용되고 있다. 이러한 시스템 설계시는 지층별 투수계수시험 자료를 이용하여 지반내로 유입되는 지하수량을 지반공학 및 수리학적인 계산과 분석을 통하여 적절한 유입수량 산정과 이에 따른 양수량 및 양수계획이 수립되어야 한다.
이 방법의 장점은 기초바닥 Slab의 경제적인 단면 설계가 가능하고 이로 인한 토공량 절감도 기대할 수 있을 뿐 아니라 시공이 간편하고 공기가 단축되어 공사비가 저렴하다.
③ 내, 외부 배수시스템
①, ②의 부분적인 장점을 취하여 현장조건에 맞게 지하수압을 조절하는 방법이다. 양호한 암반층이 조기에 출현하여 대심도 굴착에 따른 외력(토압, 수압, 암반거동)의 최소화를 기대할 수 있는 경우, 지하외벽 외부에 임의의 인위적인 지하수위(상수위보다 아래)를 선정하고, 지하외벽 단면을 감소시켜 전체적인 공사비 절감을 기대할 수 있다. 아울러 내부에는 ②와 같은 개념으로 기초바닥 영구배수시스템이 설치된다.
이 방법은 외부에는 인위적인 지하수위를 유지하고, 내부에는 최소의 부력 앙카를 설치하여 수압 및 부력에 저항하는 방법으로도 응용될 수 있다. 따라서 지하외벽 및 매트기초의 단면을 감소시켜 공사비 절감을 기할 수 있는 방법으로 이용될 수 있으나, 현장의 주변 조건을 고려하여 적용성 여부를 결정해야 한다.
④ 조합형 및 기타공법
①~③에 열거된 방법 중에서 현장의 지층구성, 시공조건, 신뢰성 (내구성, 안전성, 경제성)을 고려하여, 2 또는 3개 방법을 복합적으로 적용할 수 있다.
⑤ 양압력 처리방법 검토 및 선정
건축물 기초바닥에 작용하는 상향수압의 처리방법을 비교 검토한 결과 배수에 의한 장기 안정성 및 시공성이 양호하고, 경제적인 배수방법은 기본 배치의 장․단점에 따라 여러 형태가 있으나, 당 현장의 경우 기존 시스템의 문제점을 개선한 기초형식 및 상부구조물의 형식과 규모 등을 고려하여 통수속도가 빠르며, 토립자 및 부유물 등의 배수로 침투로 인하여 기능상실 염려가 없는 드레인매트 배수시스템공법을 적용하여 안정성을 높였으며, 비교 검토 결과 드레인매트 배수시스템반영함~!!!!!
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