ARE 5.0 건축사 시험 지반공학 완벽 가이드: 토양 혼합, 지지대 설치, 배수 시스템 - 건축사 시험 합격을 위한 필수 지식

토양 혼합 (Soil Mixing)

토양 혼합은 토양에 개량제를 첨가하고 수직 축 끝에 달린 오거(auger) 또는 패들(paddle)을 회전시켜 현장에서 혼합하는 기술입니다 (그림 2.19 참조). 이 기술은 여러 용도로 활용되는데, 그 중 하나는 화학 물질이나 생물학적 물질로 오염된 토양을 정화하는 것입니다. 이는 무해한 화학 물질을 혼합함으로써 이루어집니다.

또 다른 용도는 포틀랜드 시멘트와 물을 토양과 혼합하여 지중에 저강도 콘크리트 기둥을 만드는 것입니다. 이러한 기둥들을 일렬로 배치하면 물의 침투를 막는 차수벽이나 굴착 지지대 역할을 할 수 있습니다 (그림 2.20 참조). 토양 혼합은 또한 연약 지반을 안정화하고 강화하는 데에도 사용될 수 있습니다.

 

지지대 (Bracing)

모든 형태의 사면 지지대와 굴착 지지대는 굴착이 깊어짐에 따라 토압과 수압에 대해 버팀목으로 지지되어야 합니다 (그림 2.21 참조). 크로스롯 브레이싱(crosslot bracing)은 임시 강철 H형강을 사용하며, 이는 지지대가 교차할 지점에 파일 드라이버로 지중에 박습니다. 흙을 파내고 차수벽과 기둥 주변을 굴착해 나가면서, 보통 강철로 만든 수평 버팀대를 층층이 추가하여 웨일러(waler)를 지지합니다. 웨일러는 차수벽 면을 가로질러 뻗은 보입니다.

굴착 폭이 크로스롯 브레이싱을 사용하기에 너무 넓을 경우, 대신 경사진 레이커(raker)를 사용합니다. 이는 힐 블록(heel block) 또는 기타 임시 기초에 기대어 지지력을 제공합니다.

레이커와 크로스롯 브레이싱, 특히 후자는 굴착 과정에 방해가 됩니다. 지지대 사이의 흙을 제거하려면 크레인에 달린 클램셸 버킷(clamshell bucket)을 사용해야 하는데, 이는 개방된 굴착에서 셔블 도저(shovel dozer)나 백호(backhoe)를 사용하는 것보다 훨씬 비효율적이고 비용이 많이 듭니다.

지반 조건이 허용한다면, 개방된 굴착을 유지하면서 차수벽을 지지하기 위해 브레이스 대신 타이백(tieback)을 사용할 수 있습니다. 각 웨일러 높이에서, 차수벽과 주변 토양을 통과해 암반이나 안정된 토층까지 구멍을 일정 간격으로 뚫습니다. 그런 다음 강철 케이블이나 텐던(tendon)을 이 구멍에 삽입하고, 그라우팅하여 암반이나 토양에 고정시킨 후, 유압 잭으로 팽팽하게 당겨 (포스트 텐션) 웨일러에 고정합니다 (그림 2.22-2.24 참조).

 

균열이 있는 암반에서의 굴착은 종종 차수벽을 완전히 피할 수 있습니다. 이는 암반의 이음부에 그라우트를 주입하여 안정화하거나, 암반에 구멍을 뚫고 록 앵커(rock anchor)를 삽입하여 암괴를 서로 고정시키는 방법으로 가능합니다 (그림 2.25 참조).

일부 경우에는 수직 벽면의 입상 토양을 소일 네일링(soil nailing)으로 안정화할 수 있습니다. 소일 네일은 록 앵커와 유사합니다: 이는 토양 깊숙이 거의 수평으로 뚫은 구멍에 삽입되는 길이의 철근입니다. 그라우트를 구멍에 주입하여 소일 네일을 주변 토양에 결합시킵니다. 많은 수의 조밀하게 배치된 네일을 사용하여 큰 토괴를 함께 묶어, 입상 토양보다는 약한 암반처럼 거동하도록 합니다.

굴착에 사용되는 브레이싱과 타이백은 대개 임시적입니다. 이들의 기능은 영구적으로 건물 지하층의 바닥 구조물이 대신하게 되며, 이 구조물은 일반적인 바닥 하중뿐만 아니라 주변 토양으로부터의 측방 하중도 저항할 수 있도록 특별히 설계됩니다.

배수 (Dewatering)

건설 중에는 굴착 현장에 고인 물이 없도록 해야 합니다. 이러한 물은 강수로 인한 것일 수도 있고, 다양한 원인으로 인한 지하수 유입일 수도 있습니다. 예를 들어, 토양을 통해 스며드는 지표수, 지하 하천, 불투수성 토층 위를 이동하는 고립수, 또는 굴착이 지하수면 아래로 확장될 때 인접한 영구 포화 토양 지역 등이 원인이 될 수 있습니다.

비교적 건조한 토양 조건에서의 얕은 굴착은 별도의 조치 없이도 고인 물 없이 유지될 수 있습니다. 하지만 대부분의 굴착은 어떤 형태로든 배수, 즉 굴착 현장이나 주변 토양에서 물을 제거하는 과정이 필요합니다.

가장 일반적인 배수 방법은 굴착 현장의 낮은 지점에 만든 구덩이(sump)에 모인 물을 펌프로 퍼내는 것입니다. 굴착 현장으로 유입되는 지하수의 양이 많거나, 특히 모래나 실트와 같이 지속적인 침투로 연화될 수 있는 특정 유형의 토양의 경우, 지하수가 굴착 현장으로 전혀 들어오지 않도록 해야 할 수도 있습니다.

이는 주변 토양에서 물을 펌핑하여 수위를 굴착 바닥 아래로 낮추거나, 슬러리 월(slurry wall)[슬러리 월에 대한 이전 글 참조]과 같은 방수벽을 굴착 주변에 설치하여 달성할 수 있습니다 (그림 2.26 참조).

웰 포인트(well point)는 수위를 낮추는 데 흔히 사용됩니다. 이는 바닥에 토양 입자는 걸러내고 물만 통과시키는 구멍이 뚫린 수직 파이프 섹션입니다. 조밀하게 배치된 웰 포인트를 굴착 전체 주변의 토양에 박습니다. 이들은 수평 헤더 파이프로 연결되어 펌프로 이어지며, 펌프는 지속적으로 시스템에서 물을 뽑아 건설 현장에서 멀리 배출합니다. 펌핑으로 굴착 지역의 수위를 낮추면 "건조한 상태"에서 작업을 계속할 수 있습니다 (그림 2.27과 2.28 참조).

지상에 설치된 흡입 펌프로 배수할 수 있는 약 6m (20피트) 이상 깊이의 굴착에는 두 줄의 웰 포인트가 필요할 수 있습니다. 이때 안쪽 줄을 바깥쪽 줄보다 더 깊게 박거나, 수중 펌프가 있는 깊은 우물 한 줄을 설치해야 할 수 있습니다.

경우에 따라 웰 포인트가 실용적이지 않을 수 있습니다: 굴착을 건조하게 유지하기에 용량이 부족할 수 있고, 지하수 처리에 대한 제한으로 사용이 제한될 수 있으며, 정전으로 인한 신뢰성 문제가 있을 수 있습니다. 또한 수위를 낮추면 인접 건물 기초 아래 토양의 압밀과 침하를 일으키거나, 이전에 물에 완전히 잠겨 보호되던 미처리 목재 기초 파일이 부패에 노출될 수 있어 심각한 부작용을 초래할 수 있습니다.

이러한 경우, 대안으로 방수벽을 사용할 수 있습니다 (그림 2.26 참조). 슬러리 월과 토양 혼합 벽은 우수한 방수벽이 될 수 있습니다. 시트 파일링(sheet piling)도 사용할 수 있지만, 이음새에서 누수가 발생하는 경향이 있습니다.

토양 동결도 가능한 방법입니다. 이 방법에서는 웰 포인트와 유사한 수직 파이프 배열을 사용하여 굴착 지역 주변의 토양을 얼릴 만큼 낮은 온도의 냉각제를 지속적으로 순환시킵니다. 이로 인해 임시적이지만 신뢰할 수 있는 지하수 차단벽이 형성됩니다.

방수벽은 주변 물의 정수압을 견뎌야 하며, 이 압력은 깊이가 깊어질수록 증가합니다. 따라서 더 깊은 굴착의 경우 브레이싱이나 타이백 시스템이 필요합니다. 방수벽은 또한 점토와 같은 불투수성 토층까지 도달해야만 효과적으로 작동합니다.

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

오거(Auger):
나선형 날이 달린 드릴 같은 도구입니다. 토양을 파거나 혼합할 때 사용됩니다. 마치 큰 나사와 비슷한 모양으로, 회전하면서 토양을 파고 들어갑니다.

차수벽(Cutoff wall):
물의 흐름을 차단하기 위해 지중에 설치하는 벽입니다. 주로 지하수의 이동을 막거나 오염물질의 확산을 방지하는 데 사용됩니다.

웨일러(Waler):
굴착 현장의 벽면을 따라 수평으로 설치되는 긴 보입니다. 토압을 분산시키고 차수벽을 지지하는 역할을 합니다.

크로스롯 브레이싱(Crosslot bracing):
굴착장 양쪽 벽면을 가로질러 설치하는 지지 구조물입니다. 주로 H형강을 사용하며, 벽면이 안쪽으로 밀리는 것을 방지합니다.

레이커(Raker):
경사진 지지대로, 굴착 벽면과 바닥 사이에 비스듬히 설치됩니다. 벽면을 지지하고 토압을 바닥으로 전달하는 역할을 합니다.

클램셸 버킷(Clamshell bucket):
조개껍데기 모양의 굴착 도구로, 크레인에 매달아 사용합니다. 위에서 내려 토양을 집어 올리는 데 사용되며, 좁은 공간에서 유용합니다.

타이백(Tieback):
굴착 벽면을 지지하기 위해 벽면에서 지반 깊숙이 설치하는 케이블이나 로드입니다. 벽면에 작용하는 토압에 대항하여 인장력을 제공합니다.

포스트 텐션(Post tension):
구조물에 미리 압축력을 가하는 기술입니다. 타이백의 경우, 설치 후 유압 잭으로 당겨 팽팽하게 만드는 과정을 말합니다.

소일 네일링(Soil nailing):
토양 안정화 기술의 하나로, 철근(소일 네일)을 토양에 삽입하고 그라우팅하여 토양 덩어리를 보강하는 방법입니다.

슬러리 월(Slurry wall):
벤토나이트 진흙과 물의 혼합물(슬러리)을 이용해 만드는 지중 연속벽입니다. 주로 지하수 차단이나 오염 물질 확산 방지에 사용됩니다.

웰 포인트(Well point):
지하수위를 낮추기 위해 사용되는 작은 우물 같은 장치입니다. 여러 개를 설치하여 넓은 지역의 지하수를 뽑아냅니다.

시트 파일링(Sheet piling):
강철 판을 이어 박아 만드는 임시 벽체입니다. 주로 흙막이나 차수를 위해 사용되지만, 이음새에서 누수가 발생할 수 있습니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: 토양 안정화 및 굴착 기술 퀴즈: ARE 5.0 지반공학 섹션 준비

깊은 굴착 현장에서 지하수 관리를 위해 가장 적합한 방법은?
a) 크로스롯 브레이싱
b) 웰 포인트 시스템
c) 레이커
d) 소일 네일링

토양 혼합(Soil Mixing) 기술의 주요 용도가 아닌 것은?
a) 오염된 토양 정화
b) 연약 지반 강화
c) 차수벽 형성
d) 지반 융기 유도

굴착 현장의 벽면 지지를 위해 사용되며, 지반 깊숙이 설치되어 인장력을 제공하는 요소는?
a) 웨일러
b) 타이백
c) 오거
d) 클램셸 버킷

슬러리 월(Slurry wall)의 주요 장점은?
a) 설치 비용이 저렴하다
b) 지하수 차단 효과가 우수하다
c) 설치 후 즉시 제거가 가능하다
d) 토압에 대한 저항력이 낮다

소일 네일링(Soil nailing) 기술에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
a) 토양을 보강하는 기술이다
b) 수직 벽면의 안정화에 사용된다
c) 그라우팅 과정이 포함된다
d) 주로 암반 굴착에 사용된다

 

정답 및 설명:

정답: b) 웰 포인트 시스템
설명: 웰 포인트 시스템은 지하수위를 낮추는 데 효과적인 방법입니다. 여러 개의 웰 포인트를 설치하여 넓은 지역의 지하수를 뽑아내어 굴착 현장을 건조하게 유지할 수 있습니다.

정답: d) 지반 융기 유도
설명: 토양 혼합 기술은 오염된 토양 정화, 연약 지반 강화, 차수벽 형성 등에 사용되지만, 지반 융기를 유도하는 데는 사용되지 않습니다.

정답: b) 타이백
설명: 타이백은 굴착 벽면을 지지하기 위해 벽면에서 지반 깊숙이 설치되는 케이블이나 로드로, 벽면에 작용하는 토압에 대항하여 인장력을 제공합니다.

정답: b) 지하수 차단 효과가 우수하다
설명: 슬러리 월은 벤토나이트 진흙과 물의 혼합물을 이용해 만드는 연속벽으로, 지하수 차단 효과가 매우 우수합니다. 그러나 설치 비용이 비교적 높고, 영구 구조물로 사용되어 제거가 어렵습니다.

정답: d) 주로 암반 굴착에 사용된다
설명: 소일 네일링은 주로 토양을 보강하는 기술로, 수직 벽면의 안정화에 사용되며 그라우팅 과정이 포함됩니다. 그러나 이 기술은 주로 토양에 사용되며, 암반 굴착에는 일반적으로 사용되지 않습니다.