지하수와 부력

땅을 파 내려가면 거의 지하수가 나옵니다. 지대가 낮으면 조금만 파도 지하수가 나올 수 있습니다. 건축물을 설계할 때  지하층이 지하수위면 아래로 내려가게 만들면 지하 외벽과 바닥이 수압을 받게 됩니다. 지하수는 어떻게 생성되고, 또 지하수는 건축물에 어떻게 힘을 가하는지, 지하수 때문에 발생하는 부력에 어떻게 대응하는지 살펴보겠습니다.

 

지하수의 생성

지하수는 보통 지표면 아래쪽의 흙 입자 사이에 존재하는 물을 말합니다. 비나 눈이 땅에 내리면 중력이 작용하기 때문에 흙이나 암석 틈을 따라 땅속으로 스며들게 됩니다. 사실 비가 중력을 받아 땅으로 떨어지니까 빗물은 계속 지구 중심을 향해 갈 것입니다. 만일 땅 속에 물이 통과할 수 있는 틈이 있다면 이 물은 계속 아래로 흘러가겠지만, 땅 속을 어느 정도 내려가면 암반이 있어 물이 통과하지 못합니다. 암반과 같은 불투수층을 만나면 그 위로 물이 고이게 되고 일정한 높이가 유지되는데 이것이 지하수가 됩니다.

 

 

 

지하수의 유무나 지하수의 높이는 땅 속에 구멍을 파서 측정할 수 있습니다. 구멍을 판 후 48시간이나 72시간이 지나면 안정적인 수위로 물이 고이기 때문에 지하수위를 확인할 수 있습니다. 그러나 계절에 따라 강수량이 달라지니까  지하수위도 계절에 따라 달라지기 때문에 계절에 따른 차이를 고려해야 합니다.

 

피압수

지하수 중에는 매우 높은 압력상태로 있는 물이 있습니다. 이 지하수를 피압수라고 하는데 지표면 부근의 대수층과 심층의 불투수층 사이에 위치합니다. 위에 있는 불투수층과의 경계면에서 윗쪽 방향으로 수압이 작용하는 것처럼 압력이 높은 상태이며 수원쪽(높은 곳) 표고의 높이에 상응하는 수압이 작용합니다. 따라서 지하로 깊게 파서 피압대수층 가까이 가게되면 압력때문에 지반이 부풀어 오를 수 있습니다.

 

부력

부력은 물과 같은 유체에 어떤 물체가 담겨있을 때 유체가 그 물체를 밀어내는 힘을 말한다. 모든 물체는 중력을 받아 아래로 가라앉게 되는데 부력은 중력에 반하여 위로 밀어 올리는 힘으로 작용합니다. 

 

 

 

물속에 물체가 들어가면 그만큼 물이 밀려나게 되고, 밀려난 물은 원래 위치로 돌아 오려는 힘이 작용합니다. 농구공을 물 속에 넣고 밀어보면 물 속에 잠기는 부분이 커질수록 손에 느껴지는 압력도 커질 것입니다. 즉 밀려난 물의 양이 많으면 많을수록 부력이 커집니다. 물속에 많이 잠길수록 부력이 크게 작용하지요.

그럼 부력의 크기는 얼마나 될까요? 부력은 대략 물속에 잠긴 부분의 체적에 비례합니다. 예를 들어 단위면적(1m²)의 물체가 1m 정도 잠겼다면 부력은 잠긴 부분의 체적인 1m³의 비중과 같아집니다. 따라서 물은 이 물체를 1ton의 힘으로 밀어 올립니다. 만일 10m가 잠긴다면 10ton의 힘을 받게 됩니다.  지하수위 아래로 깊이 파내려 갈수록 밀어내는 힘은 더 커지게 되고 만일 건물이 충분히 무겁지 않다면 건물은 떠오르게 된다.

 

부력에 대응하는 방법

도심지에 있는 백화점을 가보면 주차장이 지하 2층부터 지하 5층이나 6층까지 깊게 내려가는 것을 쉽게 볼 수 있습니다. 이렇게 지하수면 아래로 깊숙하게 지하실을 설치하면 부력도 더 커지게 됩니다. 대지 주변이 강이나 바다에 가까워 지하수위가 높다면 부력의 위험은 더 커질 수 밖에 없겠죠.

 

부력이 크면 맨 아래 기초 바닥 슬래브가 부풀어 오르고 균열이 발생할 수 있습니다. 이 틈으로 지하수가 들어오는 하자(누수)가 가장 흔하게 발생하는 하자입니다. 부력이 건물을 밀어 올리면 기울어질 수도 있는데 부력에 대응하는 방법은 세 가지가 있습니다.

 

 

 

첫번째로 건축물의 자중에 비해 부력이 그렇게 크기 않다면 구조체를 더 크게 만들어 무게를 늘릴 수 있습니다. 안전을 감안해서 건축물의 자중이 부력의 1.25배 이상이 되도록 일부러 무겁게 만듭니다.

 

만일 부력이 상당히 크다면 건물이 뜨지 않도록 지반에 앵커(영구앵커)를 설치해서 고정할 수 있습니다. 건물이 비대칭이어서 부력이 불균일하게 작용하는 경우에 쓸 수 있습니다.

 

또 기초 아래 지하수를 계속 퍼내서 부력을 낮추는 방법을 쓰기도 합니다. 이 방법은 영구배수법이라고 합니다.

 

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