지반변형의 형태와 침하의 원인

 침하란 지반변형으로 인해 기초나 다른 구조물의 바닥면이 수직으로 내려가는 변위를 말한다. 지반변형을 발생시킬 수 있는 여러가지 메카니즘들이 있으며, 변형에 의해 저항하거나 압력을 받는 다양한 형태의 구조물들이 있다. 벽돌과 석조건물들은 부서지기 쉽고 균열을 갖고 있으며, 심지어 매우 작은 기초 변위에 따른 구조적 결함도 갖고 있다. 다른 구조물들은 심각한 손실없이 상당한 변형에 저항하도록 시공되기도 한다. 

 지반조건 역시 시공 전부터 시공과정 또는 시공 후에도 자주 변화되기 쉽다. 대부분의 건물손실은 예기치 않은 지반조건들이 생겨날 때 발생하고, 충분치 않은 지반조사와 지반거동의 이해 부족이 큰 문제이다. 이에 대한 대책방안들은 기초 침하량과 침하비가 평가되어야 유용하다.

 이들 평가들은 가정된 지반조건들이 실제상태를 나타낼 때 합리적으로 신뢰할 수 있다. 침하를 일우키는 일부 메카니즘들은 수학적으로 모델화하여 이론적인 접근을 제공한다(예를 들면, 탄성변위). 반면에 다른 메카니즘들은 실험적이거나 경험적인 방법들이 필요하다. 침하 연구를 시작하는데 있어 침하의 원인들은 여러 지반변형 메카니즘을 고려할 필요가 있다.

 

다짐

 다짐은 흙 입자들이 체적감소와 공기의 배제로 좀 더 근접한 상태로 채워졌을 때 발생한다. 역학적 에너지는 자중이나 지표 상재하중에 기인될 수 있다. 교통하중, 중량기계와 말뚝 관입과 같은 건설 작업들에 의한 진동 또한 다짐 침하의 원인일 수 있으며, 지진지대에서 지진 충격파는 비슷한 효과를 가져올 수 있다. 가장 다짐의 영향을 받기 쉬운 흙은 느슨하게 채워진 모래 특히, 충분한 다짐작업 없이 놓여진 자갈-모래와 뒤채움재들이다.

 

압밀

 포화된 점성토에서 재하의 영향으로 공극수는 배출된다. 이러한 과정을 소위 압밀이라 한다. 점차적인 체적감소는 내부 공극수압이 평형에 도달될 때 까지 계속된다. 흙이 포화되어 있다면 재하했을 때 팽창할 것이다. 압물과정에 대한 자세한 연구와 침하결과를 평가하는 방법들이 본 장에 언급되었다. 압밀정도는 흙의 투수계수에 좌우되며, 세립토에서는 매우 느릴 수 있다. 그러므로 최종 침하에 도달하는데 수년이 소요될 수도 있다. 가장 민감한 흙은 정규압밀이점토나 실트, 포화된 뒷채움재이다. 이탄과 이탄질 흙은 크지 않은 하중 하에서 20%만큼 층 두께에 변화를 초래할 정도로 매우 압축성이 있다.

 

탄성 또는 즉시 침하

 과압밀점토에서 항복점을 초과하지 않는 유효응력 증가는 거의 탄성압축을 일으킨다. 비선형(압밀) 침하는 항복점 이상에서 발생한다. 크게 과압밀된 점토에서 항복점은 매우 높을 수 있기 대문에 침하계산은 언급된 유효응력 변수들을 사용한 탄성이론에 근거할 수 있다.

 

물의 이동

 일부 점토는 합수비가 각각 증가되거나 감소됨에 따라 뚜렷한 체적변화의 증감을 보인다. 이러한 흙은 소위 수축성 점토이거나 팽창성 점토이다(예, 남서부 잉글랜드 일부와 리아스에 주요 지질층, 옥스퍼드 점토, 골트통 점토, 런던 점토, 일우 울위치와 리딩베드 wldur).

 영국에서, 함수비의 계절적인 변화의 영향은 지표면 아래 약 0.8m까지 확대된다. 잉글랜드의 매년 지표 움직임은 50mm가 될 정도이다. 이들 점토는 특징적으로 높은 액성임계와 소성지수를 갖는다. 오스트레일리아, 중앙 아시아와 중앙 아메리카의 일부지역에서 불충분하게 배수된 상태에서 발생한 소위 흑토는 매우 뚜렷한 정도의 함수비 변화로 수축하고 팽창한다. 그림1.은 Holtz와 Gibbs(1956), Holtz(1959), Williams와 Pidgeon(1982)와 Van de Merwe(1964)의 업적에 근거한 수축/팽창성의 분류와 BRE Digest 240(1980)에 주어진 유사 분류를 보여준다.

 

그림1.

식물의 영향

 나무 뿌리의 배수효과도 소성이 큰 점토와 관련된다. 일부 나무 뿌리 시스템의 반경범위는 나무의 높이보다 더 크다. 나무 뿌리는 또한 수 미터의 깊이에 달할지 모른다. 포플러로부터 25m 떨어진 주택 기초에 100mm의 움직임이 기록된다. 이러한 나무의 제거는 더 많은 물이 흙 속에 저장된다는 것을 의미하여 팽창이 발생한다. 잘 정돈된 나무와 관목이 제거되는 곳에서 평형에 도달되기 위해서는 겨울이 1회 또는 2회 지나야 한다.

 수축성 점토가 존재하는 곳에서는 건물에 인접한 묘목들을 주의 깊에 다루어야 한다. 적어도 건물로부터 나무의 성장높이의 1.5배 먼 거리에 항상 새로운 초목을 조성하는 것이 유용하다. 또한 정원수와 전지한 나무는 지반 함수비 손실에 영향을 줄 수 있고 팽창을 가져온다. 건조정도(팽창성)는 함수비와 기존(또는 최근 제거된) 나무에 인접해서 조사되거나 개착지반에 유사한 흙에서 조사된 액성임계를 비교함으로서 측정될 수 있다.