지하수의 부력 (출처 : 핵심구조상식)

지하수의 부력 (출처 : 핵심구조상식)

 

구조물 하부구조 설계시 제일 중요하게 다뤄지는 지하수의 부력 및 이에 대한 대응방안을 소개함


1. 설계용 지하수위란 무엇인가?

1)  지반조사 보고서에 표시된 지하수위(Ground Water Level)는 지반조사를 하기 위하여 뚫은 보링(Boring)공에 물을 채우고 24시간 후에 측정한 수위임.

2) 물이 잘 안빠지는 진흙이나 암반 등 경질지반을 파고 건물을 지은후  주변의 빈 공간을 흙으로 메우면 장마철이나 건물 주변 지표수가 메운 흙 사이에 스며들며 이 물은 외부로 빠져 나갈 물길이 없으므로 지하실 외벽과 바닥에 지속적으로 압력을 가하게 됨

3) 또한, 시공시에는 메말랐던 투수성이 좋은 모래질 지반에(지반조사보고서의 지하수위는 측정이 되지 않고 0 으로 나타남) 장마철이면 사방에서 물이 스며들어 높은 압력을 구조물에 가하게 됨.

4) 이와같이 설계용 지하수위는 지반조사 보고서에 표시된 지하수위가 아니라 그 외에 주변 지층이나 환경(주변 건설현장 등) 등을 잘 살펴서 결정되어야 함.


2. 부력은 얼마나 될까?

1) 물은 깊이가 1m깊어짐에 따라 수압이 1 tonf/m^2씩 늘어남. 예를 들어 10m깊이에서의 수압은 10 tonf/m^2, 건물 한층당 무게가 1 tonf/m^2이라고 한다면 10층 건물도 쉽게 들어 올릴 수 있는 부력이 됨.

2) 부력을 고려할 때, 한가지 주의해야 할 점은 고려할 사항이 수압이며, 수질이나 수량과는 관계가 없다는 것임.
   한강물 2m 깊이에서의 수압도 2 tonf/m^2이고, 옥상 물탱크나 우물물 2m깊이의 수압도 똑같은 2 tonf/m^2임.

   이를 다시 정리하면 수박을 한강에 띄우나 바가지에 넣으나 뜨는 모양이 마찬가지인 것처럼 지하실 바닥 밑이나 외벽주위에 몰려든 소량의 물로도 능히 거대한 구조물을 띄우거나 파손시킬 수 있다는 뜻임.


3. 지하수 부력 대응 방식

1) 고정하중 부가

- 부력의 크기가 별로 크지 않을 때 고정하중을 고의로 늘리는 방식

- 예 : 구조물 상부에 화단을 만들어 흙을 쌓아두는 방안, 2중 슬래브 사이에 모래나 잡성을 채워두는 방안


2) 앵커링 :

- 구조물을 지반에 앵커링하는 방식, 예 : Rock Anchor


4. 지하수 부력감소 방식

1) 자연배수 

- 지하실 외벽 밖에 배수로(유공관)을 설치해서 낮은 쪽으로 물을 유도하여 장마철 일시적인 푶면수 유입이 있다 해도 저절로 배수되게 만듬


2)  강제영수배수(De-Watering)

- 건물 지하실 외벽 밖에 배수로를 만들고 지하실 바닥에도 유공관을 묻어 어느 한 두곳에 있는 집수정에 모아 펌프로 배수하는 방법

- 펌프의 용량은 유입되는 물의 양보다 많도록 여유있게 책정해야 하며 정전 또는 펌프의 고장에 대비하여 예비 발전기와 펌프도 배치해야 함.


3) 시공중 배수 침수

- 구조설계시에는 완성된 상태에서의 힘의 평형조건을 감안하여 구조계산을 하지만 시공중 흙파기 공사로 파놓은웅덩이 속에 물이차면 구조물이 뜨게 됨

- 흙파기 공사로 파놓은 웅동이 속에 물이 차지 않도록 배수하거나 지하실 내부로 물이 자유롭게 들어갈 수 있는 가설 물구멍을 마련하여 지하실 내부에 찬 물로서 부력에 저항해야 함.


5. 현장 체크 포인트

1) 시공시 배수 및 침수관계

- 장마철과 같은 우수기에 흙파기 공사로 파놓은 웅덩이 속에 물이 차서 시공중인 구조물이 부력에 대해 저항할 수 있는 지 여부


2) 불균형하중 작용시

- 지하실 위에 지상층이 일부분에만 건축되고, 큰 부력이 주요하중으로 작용되는 경우, 지하실만 있는 부분에 작용하는 불균형 하중의 처리여부