BOILING 현상과 HEAVING 현상에 대하여 알아보기

BOILING 현상과 HEAVING 현상 개요

보일링(Boiling)과 히빙(Heaving), 지하 굴착공사나 지반개량 작업에서 자주 거론되는 문제인데요. 두 현상 모두 연약지반에서 토압과 수압의 균형이 깨질 때 발생해요. 비슷해 보이지만 발생 원인과 결과가 조금씩 다르답니다. 이 두 현상이 발생하면 공사의 안전과 품질에 치명적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 제대로 이해하고 대책을 마련하는 게 아주 중요해요. 오늘은 보일링과 히빙 현상이 무엇인지, 각각의 특징과 원인을 비교하면서 해결 방안까지 쉽게 풀어서 이야기해볼게요.

BOILING 현상의 정의와 발생 원인

BOILING 현상이란?

Boiling 현상은 지하수가 상향 유동하여 흙의 입자 간 결합력이 상실되면서 마치 물이 끓는 것처럼 지반이 연약화되고 불안정해지는 현상입니다. 주로 하천 주변의 사질토나 지하수위가 높은 연약지반에서 발생하며, 굴착 공사 중 지하수의 과도한 유입으로 인해 나타납니다.

발생 원인

수압과 유효응력의 균형 붕괴 굴착공사 시 지하수위가 급격히 상승하거나 외부의 과도한 압력이 작용할 경우, 지반 내 유효응력이 감소합니다. 이로 인해 토립자가 수압에 의해 밀려 올라가며 Boiling 현상이 발생합니다. 굴착 깊이와 지하수위 차이 굴착 깊이가 깊어질수록 지하수위와의 차이가 커지고, 지하수가 굴착면으로 빠르게 유입되며 흙의 안정성을 저하시킵니다. 투수계수(K)가 높은 지반 사질토(Sandy Soil)처럼 투수계수가 높은 지반에서는 지하수의 이동이 활발하여 Boiling 현상이 더욱 빈번하게 발생합니다.

HEAVING 현상의 정의와 발생 원인

HEAVING 현상이란?

Heaving 현상은 굴착 시 토압과 지반 내 응력이 불균형을 이루면서 굴착면 아래 지반이 융기하거나 솟아오르는 현상입니다. 이는 주로 점성토(Clay Soil)에서 발생하며, 하중 불균형으로 인해 지반의 항복응력이 초과될 때 나타납니다.

발생 원인

굴착면 아래 과잉 간극수압 상승 굴착으로 인해 지하수와 흙 입자 간의 균형이 무너지고, 간극수압이 증가하면서 지반이 솟아오릅니다. 굴착면과 주변 지반의 압력 차이 굴착 작업으로 인해 주변 지반의 중력이 굴착면 아래로 전달되면서, 지반이 균형을 잃고 융기합니다. 점성토 지반의 저항 부족 점성토 지반은 상대적으로 전단강도가 낮아 하중 분산 능력이 떨어지며, 굴착 깊이에 따라 불안정한 상태가 초래됩니다.

BOILING과 HEAVING 차이점

구분	BOILING	HEAVING
발생 원인	지하수 상승으로 인한 유효응력 감소 및 흙 입자 유실	굴착면 아래의 간극수압 증가 및 하중 불균형
주요 발생지반	사질토 (sandy soil)	점성토 (clay soil)
발생 양상	지반이 끓는 듯한 형태로 연약화 및 유실	굴착면 아래 지반이 융기하거나 솟아오르른 현상
위험 요소	굴착면 붕괴, 지반 침하	지반 파괴 및 구조물 안정성 저하
대책 방법	지하수 배수, 흙막이벽 강화, 지하수 위 낮추기	굴착 단계 조절, 차수벽 설치, 간측 수압 감소 유도

 

BOILING 현상의 대책 방안

지하수 배수 공법 적용

Boiling 방지를 위해 가장 기본적으로는 지하수 배수 공법을 적용하여 지하수위와 수압을 효과적으로 낮춥니다. 웰포인트(Well Point) 공법: 지하수를 빠르게 배출하여 수위를 낮춥니다. 드레인 설치: 지하수의 흐름을 제어하고, 투수계수를 조절합니다.

흙막이벽(Shoring Wall) 강화

흙막이벽을 통해 굴착면과 지하수의 직접적인 접촉을 막아 지반 유실을 방지합니다. Slurry Wall(슬러리 월) 또는 강널말뚝 설치를 통해 안정성을 증대합니다.

지반 안정화제 사용

지반 내 안정화제를 주입하여 흙 입자 간 결합력을 증가시키고, 토양의 강도를 높입니다.

HEAVING 현상의 대책 방안

굴착 단계 조절

Heaving 방지를 위해 굴착 작업을 한 번에 진행하지 않고 단계적으로 시행합니다. 굴착 깊이를 조절하고, 주변 지반에 발생하는 응력을 지속적으로 계측합니다. 단계별 굴착 시, 각 단계마다 보강 작업을 병행합니다.

차수벽 설치

간극수압의 상승을 막기 위해 차수벽(Cut-off Wall)을 설치합니다. 콘크리트 벽체나 흙막이벽을 추가하여 지하수의 유입을 차단합니다. 차수벽 설치로 굴착면 아래로 전달되는 과잉압력을 분산시킵니다.

지반 개량 및 강화

지반 개량 공법을 통해 점성토 지반의 강도를 향상시킵니다. 진공압밀 공법: 간극수압을 제거하고, 지반 강도를 높이는 효과가 있습니다. 주입공법: 흙 입자 간 결합력을 증가시켜, 하중을 분산합니다.

BOILING과 HEAVING 발생 예방을 위한 종합적 관리

지반 조사와 분석

굴착 공사 전, 지반조사(Boring Test) 및 실내 시험을 통해 지반의 물리적·역학적 특성을 정확히 파악해야 합니다. 지하수위, 투수계수, 전단강도 등을 기반으로 설계와 대책을 수립합니다.

계측관리와 실시간 점검

지반 안정성 계측기기를 설치하여 굴착 중 발생하는 응력, 변위, 간극수압 등을 지속적으로 모니터링합니다. 문제가 발생할 시, 즉각적으로 굴착 작업을 중지하고 대책을 시행합니다.

경제적·안전성 균형 고려

공사비 절감과 공기 단축만을 목표로 하지 말고, 장기적인 안정성을 확보할 수 있는 설계와 시공법을 채택해야 합니다.

결론

Boiling 현상과 Heaving 현상은 각각 사질토와 점성토에서 주로 발생하며, 발생 원인과 대책이 다릅니다. 두 현상을 방치할 경우 지반 안정성과 구조물 안전에 치명적인 영향을 미치므로, 발생 조건을 명확히 이해하고 적절한 예방 및 대책을 시행하는 것이 중요합니다. 현장의 지반 특성에 맞춘 설계와 시공, 지속적인 계측과 관리로 이러한 지반 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.