[논문]지하구조물 하부에 작용하는 양압력 평가

김진만; 한희수

doi:10.5762/kais.2020.21.11.662

지하구조물 하부에 작용하는 양압력 평가
Evaluation of Uplift Force Acting on Foundation of Underground Structure 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.662 - 671

김진만 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 한희수 (국립금오공과대학교 토목공학과)

초록
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양압력은 최하층 기초 바닥 슬라브에 직접 작용하여 건물을 상부로 부상시키는 현상을 유발하여 구조물의 안정성을 저해한다. 양압력에 따른 구조물의 안정성을 검토하기 위해, 중부지방의 4개 현장(파주, 안양, 오산 및 강릉)을 선정하여 지하구조물 기초바닥에 계측기를 설치하여 현장계측시험을 수행하였다. 강우량의 영향을 용이하게 파악할 수 있는 6월~9월을 중심으로 계측현장의 강우특성을 분석하였으며, 지하구조물에 영향을 주는 요소 중의 하나인 강우량 이외에도 인접한 하천수위의 변화도 고려하였다. 계측현장에서 측정된 연중 최대양압력은 강릉을 제외하면 기존설계(지하수위가 지표까지 있는 경우)로 평가된 수압의 72%를 초과하지 않았다. 다만, 오산에서 측정된 최대양압력은 약 67%로 나타났지만, 타 현장과 비교할 때, 평균(46%)과의 차이가 커서 신뢰성이 다소 떨어졌다. 최소양압력은 안양(약 41%)을 제외하면 대개 10% 이내의 값을 보였다. 기초지반이 연암이고 계측 이전에 영구배수시설이 설치된 강릉 현장의 양압력의 최대값은 약 14%, 최소값은 약 3.5% 정도로 다른 현장에 비해서 양압력의 변화가 거의 없는 것으로 계측되었다. 계측결과를 토대로 볼 때, 지하수위가 지표면까지 있을 때 또는 지반조사에 의해 나타난 지하수위일 때의 조건으로 구한 정수압을 이용하여 설계할 때는 과다설계나 과소설계를 할 가능성이 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The uplift force acts directly on the foundation and causes a building to float to the upper ground. To examine the stability of a structure according to the uplift force, four sites (Paju, Anyang, Osan, and Gangneung) were selected, and sensors were installed on the foundations for the field tests. The rainfall characteristics were analyzed around June~September, and the changes in the water level of the adjacent river were considered. The maximum uplift force except for Gangneung did not exceed 72% of the water pressure when the groundwater level was up to the surface. On the other hand, the maximum uplift force in Osan was approximately 67%, but the reliability was slightly inferior because the difference from the average (46%) was large. The minimum uplift force was within 10% except for Anyang (~ 41%). At the Gangneung site on soft rock where the permanent drainage facility was installed before the measurement, the maximum and minimum uplift force was approximately 14% and 3.5%, respectively. Based on the measurement results, the possibility of overdesigning or underdesigning comes from the design by the hydrostatic pressure when the groundwater level is up to the surface.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Comparison of conditions by measurement site
그림 Fig. 1. Cross sectional diagram of measurement system for uplift seepage force
그림 Fig. 2. Controller & probe for uplift seepage force
표 Table 2. Average precipitation at the measurement site in 1999
그림 Fig. 3. Precipitation distribution, (a) Paju (b) Anyang (c) Osan (d) Gangneung
표 Table 3. Properties of the river adjacent to the measurement site
그림 Fig. 4. Uplift seepage force change measured by site (a) Paju (b) Anyang (c) Osan (d) Gangneung
그림 Fig. 5. Relationship between uplift force and rainfall
그림 Fig. 6. Uplift force change according to adjacent river (a) Paju (b) Anyang
표 Table 4. Water pressure assessed by conventional design at each site
표 Table 5. Maximum and minimum uplift force measured at each site
그림 Fig. 7. Comparison of the maximum and minimum uplift force and the hydraulic pressure evaluated by the existing design method

AI 본문요약
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문제 정의

본 절에서는 이러한 인접하천에 의한 영향을 파악하는데 중요한 요소인 인접하천수위 자료가 없기 때문에 하천수위와 양압력의 직접적인 관계를 분석할 수 없었다. 그러나, 하천수위로부터의 침투여향에 의해 하천으로부터의 거리에 따라 양압력 증가량 차가 발생할 수 있으므로 이를 통하여 간접적으로 인접하천의 영향을 파악하고자 하였다.
따라서, 강우량의 영향을 용이하게 파악할 수 있는 6월~9월을 중심으로 계측현장의 강우특성을 분석하고자 하였다. Fig.
따라서, 지하구조물에 작용하는 양압력을 계측한 결과와 기존 설계방식에 의해서 평가된 수압과 비교, 분석하고자 하였다. Table 4는 통상 설계에서 반영하는 수압, 즉 지하수위가 지표면까지 있는 것으로 가정하고 계산된 수압과 지반조사시의 지하수위로 인한 수압을 나타낸 것이다.

제안 방법

강우량에 따른 양압력의 정량적인 분석을 위해서, Fig. 5 (a)~(b)와 같이 최대 일 강우량을 보인 7월27일~8월3일 또는 9월18일~9월24일의 기간을 중심으로 구조물에 작용하는 양압력을 기존설계방법(지표까지 지하수위가 있는 것으로 가정)에 의해 평가되는 수압과 비교하였다.
첫째, 계측시험이 수행된 지역의 계절별 강우특성을 파악하고 이에 따른 양압력을 정량적으로 분석하였다. 둘째, 인접하천이 있는 지역에서의 계측을 이용하여, 인접하천으로부터 지하수의 지반침투영향을 분석하였다. 마지막으로, 기존의 양압력 평가방식 결과와 계측된 양압력의 최대 · 최소값을 비교함으로써, 지하구조물에 작용하는 양압력을 합리적으로 평가하였다.
따라서, 본 연구에서는 아파트 지하주차장에 현장계측 시험을 실시하여 다음과 같은 양압력의 특성을 분석하였다. 첫째, 계측시험이 수행된 지역의 계절별 강우특성을 파악하고 이에 따른 양압력을 정량적으로 분석하였다.
구조물바닥에 작용하는 양압력에 대한 위치별 영향을 파악하기 위해 계측기 배치시, 기초바닥 모서리부와 중앙부 등 여러 지점을 선정하였다. 또, 인접하천에 의한 침투 영향을 파악하기 위해서, 인접하천이 있는 현장(파주, 안양)에 하천으로부터 거리에 따라 계측기를 설치하였다.
마지막으로, 기존의 양압력 평가방식 결과와 계측된 양압력의 최대 · 최소값을 비교함으로써, 지하구조물에 작용하는 양압력을 합리적으로 평가하였다.
2는 각각 양압력 센서 설치도 및 시스템 장비를 나타낸 것이다. 본 계측 시스템은 크게 센서 부분과 컨트롤러로 구성되어, 양압력 및 센서위치의 온도를 자동으로 관측하는 시스템이다.
따라서, 본 연구에서는 아파트 지하주차장에 현장계측 시험을 실시하여 다음과 같은 양압력의 특성을 분석하였다. 첫째, 계측시험이 수행된 지역의 계절별 강우특성을 파악하고 이에 따른 양압력을 정량적으로 분석하였다. 둘째, 인접하천이 있는 지역에서의 계측을 이용하여, 인접하천으로부터 지하수의 지반침투영향을 분석하였다.

대상 데이터

구조물바닥에 작용하는 양압력에 대한 위치별 영향을 파악하기 위해 계측기 배치시, 기초바닥 모서리부와 중앙부 등 여러 지점을 선정하였다. 또, 인접하천에 의한 침투 영향을 파악하기 위해서, 인접하천이 있는 현장(파주, 안양)에 하천으로부터 거리에 따라 계측기를 설치하였다.
중부지방의 4개 현장(파주, 안양, 오산 및 강릉)을 선정하여 지하구조물 기초바닥에 계측기를 설치하여 현장 계측시험을 수행하였다. 지하구조물 2개소(지하2층, 지하3층)를 선정한 안양 현장을 제외하고는 나머지 3개 현장에서는 각각 지하구조물(지하2층) 1개소에 계측기를 설치하였다.
중부지방의 4개 현장(파주, 안양, 오산 및 강릉)을 선정하여 지하구조물 기초바닥에 계측기를 설치하여 현장 계측시험을 수행하였다. 지하구조물 2개소(지하2층, 지하3층)를 선정한 안양 현장을 제외하고는 나머지 3개 현장에서는 각각 지하구조물(지하2층) 1개소에 계측기를 설치하였다.

성능/효과

(2) 계측현장들이 위치해 있는 중부지방의 연평균강우량은 약 1,300mm 정도가 된다. 중부지방의 통상적인 장마기간과 최근의 기후특징상으로 보아 6월~9월은 연평균강우량과 비교할 때 많은 부분을 차지하는 것으로 나타났는데, 99년도에 발생된 최대강우량은 8월초(파주, 안양) 또는 9월말(오산, 강릉)에 발생되었다.
(3) 99년도 강우특성을 토대로 한 계측 결과를 분석하면, 대체적으로 강우량에 따라 양압력 변화가 뚜렷하였으나 거의 변화 없이 일정한 경우도 있었다. 7월27일~8월3일에 계측된 평균 양압력은 기존설계방법(지하수위가지표까지 있는 경우)으로 구한 수압 대비 최대 약 61%(파주), 59~68%(안양), 31%(오산)로 나타났다.
(5) 계측현장에서 측정된 연중 최대양압력은 강릉을 제외하면 기존설계(지하수위가 지표까지 있는 경우)로 평가된 수압의 72%를 초과하지 않았다. 다만, 오산에서 측정된 최대양압력은 약 67%로 나타났지만, 타현장과 비교할 때, 평균(46%)과의 차이가 커서 신뢰성이 다소 떨어졌다.
(6) 계측결과를 토대로 볼 때, 지하수위가 지표면까지 있을 때 또는 지반조사에 의해 나타난 지하수위일 때의 조건으로 구한 정수압을 이용하여 설계할 때는 과다설계나 과소설계를 할 가능성이 있는 것으로 나타났다. 연구대상 현장의 경우, 강우, 지하수, 인접 하천 및 배수시설의 유무에 따라 양압력의 계측결과가 크게 영향을 받는것을 확인하였으며, 최대 양압력은 설계값 보다 약 30%낮은 계측 값을 보여주었다.
(3) 99년도 강우특성을 토대로 한 계측 결과를 분석하면, 대체적으로 강우량에 따라 양압력 변화가 뚜렷하였으나 거의 변화 없이 일정한 경우도 있었다. 7월27일~8월3일에 계측된 평균 양압력은 기존설계방법(지하수위가지표까지 있는 경우)으로 구한 수압 대비 최대 약 61%(파주), 59~68%(안양), 31%(오산)로 나타났다. 평균양압력의 증가량은 연중 최대 일 강우량 발생이전인 7월 31일의 경우와 비교할 때 약 30%(파주), 52~60%(안양) 및 43%(오산)정도로 나타났다.
각 현장에서 계측된 결과를 보면, 강릉을 제외한 나머지 현장들에서 계측된 양압력은 집중호우 등 높은 강우 강도를 보인 8월초 또는 9월말에 최대값이 계측되는 등 뚜렷하게 변화하는 것으로 나타났다. 반면에 강우량이 많지 않은 6월 이전의 양압력은 8~9월의 경우와 비교할 때 양압력의 변화가 별로 없었다.
최소양압력은 안양(약 41%)을 제외하면 대개 10% 이내의 값을 보였다. 기초지반이 연암이고 계측이전에 영구배수시설이 설치된 강릉현장의 양압력의 최대값은 약 14%, 최소값은 약 3.5% 정도로 다른 현장에 비해서 양압력의 변화가 거의 없는 것으로 계측되었다.
기초지반이 연암이고 계측이전에 영구배수시설이 설치된 강릉현장의 최대양압력은 약14%, 최소값은 약 3.5%정도로 다른 현장에 비해서 양압력의 변화가 거의 없는 것으로 계측되었다. 따라서, 지하구조물 시공시의 조건이 포장이 되지 않아서 채움재 쪽으로 유입되는 강우침투량이 구조물에 위험을 줄 정도가 아니면, 기초지반이 연암이고 영구배수시설이 설치되는 조건에서 구조물에 미치는 양압력의 영향이 미비한 것으로 판단되었다.
계측현장에서 측정된 최대양압력은 기존설계수압 대비 약 72%를 넘지 않았다. 다만, 오산에서 측정된 최대 양압력은 약 67%로 나타났지만, 타 현장의 결과와 비교할 때 5개 지점 평균(46%)과의 차이가 커서 신뢰성이 다소 떨어졌다. 또한, 최소양압력은 안양을 제외하면(41%) 대개 10%이내의 값을 보였다.
5%정도로 다른 현장에 비해서 양압력의 변화가 거의 없는 것으로 계측되었다. 따라서, 지하구조물 시공시의 조건이 포장이 되지 않아서 채움재 쪽으로 유입되는 강우침투량이 구조물에 위험을 줄 정도가 아니면, 기초지반이 연암이고 영구배수시설이 설치되는 조건에서 구조물에 미치는 양압력의 영향이 미비한 것으로 판단되었다. 또한, 지반조사시점의 지하수위를 토대로 평가된 수압을 양압력 설계를 하는 경우, 양압력은 시기에 따라 범위가 달라지므로 지반조사 시점을 참고로 하여 설계에 반영해야 한다.
(6) 계측결과를 토대로 볼 때, 지하수위가 지표면까지 있을 때 또는 지반조사에 의해 나타난 지하수위일 때의 조건으로 구한 정수압을 이용하여 설계할 때는 과다설계나 과소설계를 할 가능성이 있는 것으로 나타났다. 연구대상 현장의 경우, 강우, 지하수, 인접 하천 및 배수시설의 유무에 따라 양압력의 계측결과가 크게 영향을 받는것을 확인하였으며, 최대 양압력은 설계값 보다 약 30%낮은 계측 값을 보여주었다. 그러므로 시공 시 양압력에 영향을 미치는 다양한 사항들을 고려하면 경제적인 시공이 될 것이다.
연평균강우량의 11~22%의 강우량을 보인 9월18일~9월24일 동안 계측된 1일 평균양압력은 최대 약 50%(파주), 52~60%(안양) 및 43%(오산)정도가 측정되었고, 그 증가량은 7일 강우기간 중 초기시점인 9월18일과 비교할 때 최대 약 22%(파주), 6~10%(안양) 및 19%(오산) 정도로 나타났다. 강릉현장에서는 계측이전에 이미 지하구조물 바닥에 작용하는 양압력을 인위적으로 조절 할 수 있는 영구배수시설을 설치된 상태였고 연암 상태의 기초지반조건으로 인해서 강우량과 관계없이 측정된 평균양압력은 거의 10% 이내로 나타났다.
우선, 7월27일~7월31일 사이의 강우량은 연평균강우량의 6~16%로 나왔으며, 이 때 계측된 양압력의 변화폭은 그다지 뚜렷하지 않았다. 이후에 연평균강우량의 13~46%의 강우량을 보인 8월1일~8월2일 동안의 1일평균양압력은 기존설계방법으로 구한 수압과 비교하여 최대 약 61%(파주), 69~68%(안양), 31%(오산)로 계측되었다. 평균양압력의 증가량은 연중 최대 일 강우량 발생이전인 7월31일의 경우와 비교할 때 최대 약 30%(파주), 8~19%(안양) 및 13%(오산) 정도였다.
10t/m² 정도로 나타났다. 전체적인 경향으로 볼 때 구조물의 양지점과의 차이는 크게 뚜렷하지 않지만 하천과 가까울수록 인접하천의 침투에 대한 영향을 좀 더 받고 있음을 확인할 수 있었다. 파주현장은 안양에 비해서 계측지점간 거리가 가깝기 때문에 양단간 계측값의 차이는 별로 없었다.
(2) 계측현장들이 위치해 있는 중부지방의 연평균강우량은 약 1,300mm 정도가 된다. 중부지방의 통상적인 장마기간과 최근의 기후특징상으로 보아 6월~9월은 연평균강우량과 비교할 때 많은 부분을 차지하는 것으로 나타났는데, 99년도에 발생된 최대강우량은 8월초(파주, 안양) 또는 9월말(오산, 강릉)에 발생되었다. 7월27일~8월3일 중에 내린 2일 강우량은 연평균강우량의 약 46%(591mm, 파주), 33%(425mm, 안양), 15%(188mm, 오산) 및 13%(172mm, 강릉)을 나타냈고, 9월18일~9월24일 중에 내린 2일 강우량은 약 11%(146mm, 파주), 17%(215mm,안양), 22%(290mm, 오산) 및 18%(236mm, 강릉) 정도 발생하였다.
최대 및 최소의 차이는 약 58%(파주), 22~31%(안양), 오산(66%) 정도로 나타났다. 타 현장에 비해 최소값이 크게 나온 안양현장은 차이가 상대적으로 작게 나왔고, 최대값에 대한 신뢰성이 다소 떨어진 오산현장은 그 차이가 매우 큰 것으로 나타났다.
해당 연구현장은 강우, 지하수, 인접하천과의 거리 및 배수시설 등의 조건에 따라 양압력의 계측 결과가 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 현장의 계측 결과 역시 설계 시 고려한 최대 양압력보다 약 30% 낮은 값을 보였다.

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원문보기 상세보기
A. Ghaly, A. Hanna, M. Hanna, "Uplift Behavior of Screw Anchors in Sand, II : Hydrostatic and Flow Conditions", Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 117, No. 5, pp.794-808, 1991b. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1991)117:5(794)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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