94. 지반침하(ground settlement)

 지반침하는 문자 그대로 지표면의 상대적인 침강현상을 가리키며, 원인으로 보아 지구 내부 운동에 의하여 생기는 지각변동에 포함되는 것과 인공적 또는 자연적인 원인에 의하여 지구 표층부 물질의 출입에 의하여 생기는 것이 있다.

여기서 지각변동은 수백만 년 이상의 지질시대에 걸처 완만하게 진행하는 분지운동 및 대륙지역의 전반적인 침강운동이 포함된다. 한편 지표 표층부의 물질출입에 의하여 생기는 지표면의 침강현상은 표 94-1과 같이 여러 가지 원인이 있는데, 일반적으로 지반침하는 이들의 현상을 가르키며, 지각변동과 구별된다.

  가. 침하메커니즘으로 본 지반침하 현상

 각종 원인에 의하여 생기는 지반침하 현상을 주요 발생 메커니즘별로 정리하면 다음 5개의 형으로 분류할 수 있다.

1) 핵체 추출에 의한 지반침하

이 침하는 미고결 퇴적물 중에서 각종 개발목적에 따라 지하수 및 석유 등의 간극유체를 추출하기 때문에 간극압이 현저하게 저하되고 유효응력이 증가하여 압밀이 촉진되는 경우의 침하를 말한다.

이러한 침하는 석유개발에 의한 미국 텍사스주, 캘리포니아주 및 베네주엘라의 각 유전지대에서 분지상의 침하가 나타나고 있는데 캘리포니아의 롱비치에서는 60cm 이상 침하된 지역이 1962년에는 65km2 에 달하고 중심부는 8m 이상의 침하가 기록되었다.

수용성 가스개발에 의한 것은 이탈리아의 포천하구부, 화란의 크로닌겐지구, 일본에서는 천엽, 신사지구의 예가 있다. 충적평야 등에서 지하수의 광잉 양수로 인한 지반침하는 東京, 大板 및 左　평야 등 일본의 각지에서 일어나고 있으며, 미국의 캘리포니아, 독일의 북해연안, 태국의 뱅콕, 홍콩 등지에서도 발생하고 있다. 멕시코시티는 200∼500%라는 고함수비를 나타내는 몬모릴로나이트질 점토의 압밀에 의하여 1880년 이후 9m가 침하되어 건물 및 양수시설에 큰 피해를 주고 있다.

금속, 비금속광상의 개발에 따른 갱 내의 물을 배수하기 때문에 광상부근의 미고결 퇴적물이 압밀침하되는 경우도 있고 석탄채굴에서는 오스트랠리아, 독일 및 일본의 탄광에 그 예가 나타나고 있다.

남아연방의 요하네스버그 서남방의 세계 유수의 금속광상은 상부의 두꺼운 도로마치트층 중에 있는 다량의 동혈수를 배수하여 지반침하가 생기고 있다.

터널 및 심초공사에 따른 지하수 배수에 의하여 주변지역의 압밀침하가 일어난예도 있다. 이러한 지반침하의 경우 유체배출 중지, 억제 또는 주수에 의하여 간극압을 회복시키면 전침하 중의 탄성압축부분이 회복되어 지표에 리바운드현상이 나타난다.

2) 고체물질 채취에 따른 지표침하

지하 암염층을 지하수에 용해시켜 양수시켜 암염을 채취할 경우에 암염 용질에 따라서 지반침하가 생긴다.

3) 물다짐(hydro-compaction)

북미 및 중앙아시아에서 유럽 동부에 걸처 반건조기후 하에 분포하는 풍성 황토는 높은 간극비를 가진 건조상태로 충분한 입자간 결합력을 가지고 있으나 일단 물을 먹으면 이 결합력을 잃고 급격히 압축된다.

미국 캘리포니아에는 건조기후 하의 특수한 이류퇴적물로 같은 성질을 나타내는 것이 있다. 이들 퇴적물은 관개에 의하여 함수된 부분이 갑자기 압축되어 풍성 황토지대에서는 침하량이 1∼2m에 달하는 경우가 있고 캘리포니아의 이류 퇴적물에서는 5m 이상의 침하가 생기고 있다.

4) 부식토, 이탄의 산화분해에 의한 침하

부식토 및 이탄 등을 포함한 유기질토 지대를 농지화할 경우에 지하수위를 저하시키면 초기에 급격한 탈수에 의하여 수축 및 압밀침하가 계속되고 미생물에 의한 산화분해작용으로 침하가 계속된다.

캘리포니아주의 삼각주지대에서는 유기질토의 분해를 포함하여 침하가 7cm/년의 속도로 진행되고 플로리다주에서는 수백 평방킬로미터의 농지가 매년 3cm 전후의 비율로 침하하여 최대침하량은 2.4m에 달한다.

구소련의 백러시아공화국은 매년 7∼8만 ha의 이탄지가 배수되어 농지화되고 있다. 이 배수에 의하면 년간 30.6tf/ha의 비율로 유기물이 분해되고 있으며, 화란의 간척지에서도 배수에 의한 침하량 중에 유기물 분해에 의한 것이 20% 정도로 보고되고 있다.

5) 함몰공

석회암, 도로마이트 지역에서는 지하수에 의하여 용식된 공동이 지하에 발달한다. 이 공동의 입구가 불안정한 아치구조 등에 의하여 막혀지거나 그 위에 연약퇴적물이 퇴적되어 있다.

이러한 조건의 경우에 이상의 지하침투규가 생기면 공동이 불안정하게 파괴되고 표층이 공동 중으로 붕괴하여 함몰공이 생기는데 미국의 아리조나, 알리바마, 캘리포니아 및 남아연방 등의 건조지대에서 발생한다.

  나. 관측방법과 대책

 완만하게 진행하는 지반침하의 관측은 정밀한 반복 수준측량 및 연안지역에서는 검조의에 의한 방법이 있다. 심부에 원인이 있는 지각변동과 구별하기 위해서는 비수축성 기반에 고정, 설치한 파이프에 의하여 표층수축량을 관측한다. 그리고 각 심도에 침하계를 설치하면 주요 수축부분을 검출할 수 있다.

침하방지 대책은 그 원인제거가 필요한데 자원 유체 추출의 경우는 추출규제 및 물을 주입하면 간극압이 유지된다. 미국 롱비치 등의 유전에서는 주수, 일본 신사등의 수용성 개스전에서는 개스 분리수의 지하환원 효과를 들 수 있다.

지하 양수의 경우는 저수지에 의한 지하수의 함양 강화 및 정호를 사용하여 지표수를 주입하는 등의 방법이 실용화되고 있다. 지하수의 경우는 양수와 함양을 균형시키기 위한 지하수위 관측망이 필요하며, 이들을 사용하여 지하수의 물수지를 명확히 할 필요가 있다.

유기질토의 분해에 의한 침하의 경우도 지하수위 조절이 중요하다. 한편 물다짐을 일으키는 지역에서는 충분히 주수를 하여 미리 다짐을 하는 것이 효과적이다.

함몰공 지대에서는 중력탐사에 의한 공동 등의 저밀도지대 및 위험지점의 예측, 지표의 누수방지, 지하수위의 조절을 하고 있다. 최근에는 침하된 지반 중에  이토를 압입하여 융기시키는 매우 흥미있는 실험이 행해지고 있다.