한국에서 살아가는 사람

그렇게 지반조사를 마치고 건물을 지을 수 있는 토지라고 결정이 되면, 흙을 파서 흙막이를 설치하거나 지반을 개량하거나 등의 방법을 통해 기초를 설치하기 위한 지반으로 만든다.

■ 토공사

1. 흙파기 일반사항

흙막이, 기초를 설치하고 건물을 올리기 위해 흙을 파는 것을 흙파기라고 한다. 우선 흙을 굴삭하고 이후 성토, 배토의 과정을 거친다. 그리고 기초 구조물 등이 설치된 후에 되메우기를 한다. 되메우기를 모래로 할 경우에는 물다짐을 하는데 30cm마다 95% 이상의 밀도로 다짐을 해주어야 한다. 

사람이 할 경우에는 1인당 1일에 2.8~5m^3가 적합하지만 토공장비를 이용하면 효율적으로 할 수 있다. 대략적으로 흙파기량이 1000m^3 이상일 경우에 인력 대신 토공 장비를 사용하다.

1) 굴삭용 기계 : 높은 곳을 굴착하기 위한 파워셔블, 낮은 곳을 굴착하기 위한 백호(드래그셔블)이 있다. 그리고 낮은 곳에서 넓은 면적을 파기 위한 드래그라인과 낮은 곳에서 깊은 굴착을 위한 클램셀이 있다.

2) 배토 정지용 기계 : 땅을 평평하게 하고 정지시키는 것을 배토라고 한다. 이를 위해 대표적으로 불도우저가 사용되며, 운반거리 최대 100m에서 배토작업을 하는데 굴착으로 사용되기도 한다. 그리고 산간지역에서 사용되는 앵글 도저가 있다. 흙을 깍으면서 동시에 흙을 까는 스크래이퍼, 토지 정리와 정지작업에 사용되는 그레이더가 있다.

3) 다짐용 기계 : 굴삭과 배토 정지를 마치면 다짐을 한다. 이때 전압식, 진동식, 충격식 장비로 나눌 수 있는데 전압식과 진동식은 롤러를 사용하고 충격식은 폭발력을 사용하는 램머를 이용한다.

2. 흙파기 공법

흙을 파는 방법은 순서와 공법에 따라 나뉜다. 우선 가장 자주 무제로 출제되는 대표적인 두 가지는 아일랜드 컷 방식과 트렌치 컷 방식이다. 아일랜드 컷 공법은 중앙부분을 먼저 터파기한 후에 기초를 축조하고 주변흙을 굴착하여 지하구조물을 완성하는 것이고 트렌치 컷은 주변부를 먼저 굴착한 후 기초를 축조하고 중앙부를 굴착하여 기초구조물을 완성하는 방법이다. 가장 일반적인 공법은 수평버팀대 공법으로 널말뚝(흙을 막는 수직기둥같은 것)을 박고 흙을 파면서 수평버팀대를 대는 공법과 흙의 안식각을 이용하여 흙막이 벽을 설치하지 않는 오픈 컷 공법이 있다.

추가적으로 구체흙막이를 구성하는 지보공공법으로 깊은 우물기초공법, 개방잠합공법, 용기잠함 공법이 있는데 이는 흙을 파는 공법이면서 동시에 흙막이를 구성하면서 그 흙막이가 기초가 되는 공법이다. 그래서 이후 기초공사에서 함께 정리했다.

3. 흙막이 일반사항

흙을 파고 나면 흙막이를 설치해서 공사가 진행되는 면적을 확보한다. 흙막이를 설치할 때는 토압을 고려하여 흙막이의 강성, 깊이 등을 정한다. 대표적인 흙막이 공법인 수평버팀대식 흙막이는 수직재인 널말뚝을 설치하여 흙의 유입을 차단하고 수평재인 버팀대를 널말뚝과 널말뚝 사이에 설치하여 토압으로부터 안전하게 저항할 수 있도록 한다. 일반적으로 버팀대는 밑바닥에서 1/3 지점(토압이 제일 적은 지점)에 설치하고 띠장이음은 버팀대 간격의 1/4 위치에 설치한다(모멘트가 제일 적은 부분).

4. 흙막이 공법

흙막이 공법은 주위 환경과 지반에 따라 달라진다. 간단한 흙막이로는 줄기초 흙막이, 연결재를 당겨매어 설치하는 흙막이, 그리고 위에서 설명한 버팀대식 흙막이가 있다. 이때 사용하는 흙막이벽 재료로는 철재널말뚝, 강관 말뚝, 철근콘크리트 널말뚝, 목재널말뚝 등이 있다.

다른 공법으로는 어스앵커공법(지반 정착공법)이 있다. 흙막이 벽은 보통 수평 버팀대로 지지되는데 버팀대 대신 흙막이벽에 구멍을 뚫고 원통형 앵커체를 설치하여 모르타르로 그라우팅을 해 지반을 지탱하는 공법이다. 버팀대가 없기 때문에 작업 공간을 넓게 사용할 수 있으나 앵커체가 흙막이벽 너머로 뚫고 공간을 차지하다보니 주위 건물에 영향을 줄 수 있으며 지하 매설물에 대한 검토가 필요하다.

그리고 도심지에서 주로 사용하는 지하에 벽을 설치하는 공법이 있다. 이러한 지하연속벽은 기초공사 시의 기초로도 사용되기 때문에 CIP, MIP, PIP 등의 지하연속벽 공법은 이후에 다루고 여기서는 흙막이벽의 역할을 주로 하는 공법 두가지를 정리했다. 그 두가지는 말뚝을 주열식(기둥을 열로 세움)으로 나열하는 방법인 ICOC 과 연속적인 벽체를 만드는 슬러리월 공법이다. 이 공법들의 장점은 연속적인 벽체로 흙막이를 만들기 때문에 인접건물이 있어도 근접해서 시공할 수 있으며 저소음, 저진동 공법이다. 또한 지하수 등 물에 대한 차수성이 높아 모든 지반에서 적용이 가능하며 벽체의 강성이 크다. 당연히 그럴 것이 콘크리트 등으로 땅에다가 벽을 만들었기 때문이다. 다만 시공비가 고가이고 고도의 기술이 필요하며 내부의 결함을 찾기가 어렵다는 단점이 있다. 그리고 벤토나이트라는 특수한 용액을 사용하여 지반을 고결시키는데 오염의 원인이 된다.

흙을 파서 흙막이벽 설치까지 완료했다면 이제 측정을 통해서 잘 설치되었는지 확인한다.

1) 경사계(tilt meter)을 통해 인접 구조물의 기울기를 측정하여, 설치된 흙막이가 기울어졌는지 확인한다

2) 지중 수직변위계측(extension meter)을 통해 지중침하가 발생했는지 확인한다.

3) 간극수압계(piezometer)을 통해 수압을 측정한다 (water level meter = 지하수위계측 : 지하수위 측정)

4) 하중계(load cell) : 흙막이벽, 버팀대의 하중을 측정한다

5) 변형계(strain gauge) : 버팀대의 응력과 변형을 측정한다.

토공사가 끝나면 이제 건물의 기초부를 설치할 준비가 끝난다. 그리고 기초공사를 이어서 진행하게 된다. 다만 흙막이벽을 설치하는 과정에서 그 자체로 구조물이 되기도 하고, 기초부분이 되기 때문에 유기적으로 연결해서 공사의 순서를 이해하는 것이 좋다.

토공사~ 건물은 흙 위에 짓는다. 그렇기 때문에 흙에 대한 조사도 해야되고 밑에 지하수가 흐르는지도 확인해야되고 등등 조사를 한 후에 파내어서 기초를 만든다. 흙의 종류도 다양하고, 조사를 했는데 약해서 보강을 해야할 수도 있고, 파내는 방법도 다양해서 알아야 할게 많다.

■ 지반조사

1. 흙?

흙은 크게 점토질과 사질로 나뉜다. 쉽게 생각하면 모래사장과 갯벌을 생각하면 편하다. 모래사장은 압밀속도가 단기적으로 빠른 반면 갯벌은 천천히 압밀되고 내부마찰각, 전단강도는 사질이 점토질보다 크다. 입자의 거칠기가 더 크기 때문이다. 갯벌은 투수계수는 작지만 물 함유량이 많아 건조수죽이 크다.

이렇듯 사질과 점토질로 크게 종류를 구분하고 나면, 건물을 올릴 중요한 흙의 여러 가지 성질이 있다. 그 중 건물이 안전하게 지어질 수 있는 지반인가를 확인하기 위해서 필요한 흙의 특성을 정리했다. 먼저 지반의 허용 지내력도, 지내력도란 침하하는 것을 버틸 수 있는 능력이다. 아무래도 점토나 모래 같은 건 우리가 올라가도 내려앉기 때문에 낮을 가능성이 크고 돌같은 건 지내력이 높을 가능성이 크다. 큰 순서대로 나열하면 경암반(= 화성암) 4MPa > 연암반(=퇴적암) 1~2MPa > 자갈 0.3MPa > 모래 0.1MPa > 점토 0.1MPa 이다.

허용 지내력도가 지반침하에 대한 능력이라면, 예민비는 흙의 전단강도(일축 압축강도)를 나타낸다. 구체적으로 기초의 극한 지지력을 파악할 수 있는 흙의 역학적 성질이다. 흙은 함수량을 변화시키지 않고 흐트러뜨리면 강도가 감소하게 되는데 이때 압축강도의 감소비를 예민비라고 한다. 예민비를 구하는 방법은 '자연시료의 강도 / 이긴시료의 강도' 이다. 아무래도 모래는 알갱이가 따로 있는 느낌이기 때문에 자연상태나 흐트러진 상태나 차이가 별로 없으며 예민비가 거의 1에 가깝다. 점토의 경우에는 4~10 정도이다.

지내력, 지지력으로 흙의 직접적인 강도를 구했다면, 그 다음 물과 관련된 성질들이 있다. 바로 흙의 투수성이다. 투수성은 입자들 사이에 물이 침투하는 성질로 모래가 점토보다 입자가 크기 때문에 투수계수가 크다. 입자들 사이의 공간을 간극비라고 하며, 입자가 머금을 수 있는 물의 양을 포화도라고 한다. 이러한 투수성은 터파기시에 배수공사와 지하수 처리에 영향을 준다. 투수성와 관련된 지표로는 간극비, 함수비, 포화도가 있다.

2. 지반조사

위에서 나열한 흙의 성질을 알기 위해서는 시험을 해야한다. 시험을 하기 위해서는 흙을 채취하거나 지반에 힘을 하거나 등 흙에 대한 토질조사와 채취한 흙 등을 이용하여 시험하는 토질 시험이 있다. 토질조사를 통해 지층경연, 지하수위 등을 조사하는 토지 주상도를 작성하고 토질조사를 통해 공사를 해도 되는지 등을 판단한다.

토질조사 방법은 사전조사, 예비조사, 본조사, 추가조사의 순서를 거치며 다양한 방법이 있다. 지하탐사하는 방법에는 대지 일부를 파기해서 지층상태를 조사하는 터파보기, 철봉을 땅속에 박으면서 지층의 깊이를 추정하는 사운딩 로드, 그리고 광대한 지하 구성층을 대략적으로 탐사하는 물리적 지하탐사방법, 지반에 구멍을 내어(천공) 시료를 채취하거나 조사하는 보링 등이 있다.

1) 보링 : 지반을 천공하여 토질의 시료를 채취, 지층 도면을 작성하는 가장 정확한 방법이다. 굴삭용 칼날인 Bit와 지지연결대의 로드를 선단 끝에 설치하여 작업한다. 보링의 종류로는,

- 얕은 지반에서 인력을 이용할 경우 : 오거보링

- 연약한 토사에서 수압을 이용할 경우 : 수세식 보링

- 깊은 지반에서 낙하충격을 이용하는 경우 : 충격식 보링

- 지층의 연속적 변화를 알고 싶은 경우 : 회전식 보링

2) 샘플링 : 보링, 터파보기 등을 통해 지반 속의 시료를 채취하는 방법이다. 연약한 점토에서는 딘월 샘플링(Thin Wall)을 이용하며 얇은 살로 되어있다. 굳은 점토나 모래에서는 콤포지트 샘플링을 이용하며 살이 두꺼운 샘플러를 사용한다.

3) 사운딩 : 막대 끝에 저항체(무거운 거)를 설치하고 땅속에 관입, 회전, 인발 등을 통해 토층을 탐사하는 방법이다. 연약한 점토 지반에서는 베인테스트를 이용하며, 사질지반에서는 표준 관입 시험기를 이용하여 밀도를 측정한다. 이 두가지가 대표적이지만 그 외에도 스크루 포인트를 이용한 스웨덴식 사운딩 시험 등이 있다.

토질시험에는

1) 직접 전단 시험 : 사질, 점토지반의 점착력, 마찰력을 구하기 위한 것으로 1면전단, 2면전단시험, 베인테스트 등이 있다. 

2) 일축 압축 시험 : 점토지반(사질 지반)의 일축압축강도, 예민비, 탄성계수 등을 구하기 위한 것으로 공시체 시험이 있다.

3) 삼축 압축 시험 : 지반의 배수조건 변화에 따른 점착력, 마찰각 등을 측정하는 것, 자연상태와 비슷한 조건으로 시험이다.

4) 지내력 시험 : 평판재하시험으로 기초가 설치될 부분(저면, 밑면)에 직접하중을 가하여 시험하는 것이다.

토질조사와 토질시험을 거쳐 지반의 안전성을 확인하는데 지반이 연약하거나 지하수 수위가 높은 경우에는 보강할 필요가 있다. 지반개량을 통해 지반의 지지력을 높이고 기초의 안전성을 확보하는데 탈수법, 치환법, 다짐법, 약액주입법 등이 사용된다. 

연약한 지반에서 발생할 수 있는 문제점
1) 히이빙 파괴 : 하부 지반이 연약하여 흙막이 밖에 있는 흙의 중량이 흙막이 안쪽(공사해야되는 부분)으로 밀려들어와 불룩하게 되는 현상

2) 보일링 파괴 : 사질지반에서 지하수가 얕을 경우 모래입자가 부력을 받아 흙막이 안쪽으로 밀려들어오며 불룩해지고 물이 침투하며 지지력이 낮아지는 현상

3) 파이핑 파괴 : 흙막이 벽이 부실하고 지반이 약한 경우, 흙막이 벽의 뚫린 구멍으로 물이 침투하며 흙의 지지력이 낮아지는 현상

1) 배수공법 : 지하수가 유입되는 것을 방지하기 위해 지하수 수위를 낮추는 방법이다. 크게 점토질에서 사용하는 샌드드레인 공법과 사질에서 사용하는 웰포인트 공법이 있다. 샌드드레인 공법은 지반에 철관을 박고 그 속에 모래말뚝을 형성하고 지표면에 하중을 가하여 점토질의 수분을 모래말뚝을 통해 배출시키는 방법이다. 웰포인트 공법은 강제로 배수시키는 공법으로 파이프를 일정 간격으로 박고 펌프를 이용하여 지하수를 빼내고 압밀하는 방법이다. 다만, 압밀되는 과정에서 인접지반의 침하를 일으킬 수 있다는 우려가 있다. 이외에도 점토질 지반에서 모래말뚝 대신 흡수지(paper)을 이용하여 물을 빼내는 공법, 전기를 침투시켜 간극수를 탈수하는 방법, 중력을 이용하여 지반이 낮은 곳으로 물을 모이게 하는 집수정 공법 등이 있다.

2) 점토질 지반 개량공법 : 점토질에서는 치환공법, 재하공법, 동결공법, 화학적공법 등이 사용된다. 치환공법이란 굴착, 폭파 등을 이용해서 토층을 사질토로 치환하는 방법이다. 재하공법은 하중을 가하여 점토지반의 압밀을 촉지시키는 방법이며 동결공법은 액체질소, 프레온 가스, 드라이아이스 등을 통해 동결시킨다. 화학적 공법으로는 생석회 말뚝을 이용한 방법이 있는데 화학반응을 통해 건조시키고 강도를 증진하는 효과를 준다.

3) 사질 지반 개량공법 : 모래는 간극이 많기 때문에 압밀하거나 다지는 것이 중요하다. 그래서 나무나 콘크리트를 다수 타입하는 다짐말뚝법, 샌드 컴팩션 파일로 다짐 모래말뚝을 설치하고 컴포저로 다는 방법이 있다. 그리고 진동을 일으키며 빈큼에 모래나 자갈을 채워넣는 Vibro-flotation 공법, 폭파 및 동결다짐법과 흙에 시멘트, 아스팔트, 물유리 등을 통해 고결시키는 약액주입법이 있다.

이렇게 조사, 시험 그리고 보강작업을 마치면 흙을 파고 흙막이를 설치할 준비가 된다. 물론 같이 병행하거나 상호작용하면서 공사가 이루어진다.