1. 서 론
2. PHC-W 흙막이공법
2.1 PHC-W 흙막이공법 소개
2.2 PHC-W 흙막이공법 특징
3. 대상사례선정 및 수치해석 결과
3.1 해석 대상 사례 선정
3.2 입력자료 산정
3.2.1 PHC-W흙막이용 말뚝의 특성치 산정
3.2.2 대상 사례별 지반 특성치 산정
3.2.3 수치해석 시 고려사항
3.4 수치해석 결과
4. PHC-W흙막이 벽체의 거동분석
5. PHC-W흙막이공법의 경제적인 시공법 제안
6. 결론 및 제언
1. 서 론
흙막이 가시설은 지하구조물이 축조되기 전 지반굴착 시 토압에 의한 지반붕괴를 막는 역할을 하는 임시구조물이며 최근 도심지에서 깊은 굴착작업이 많이 이루어지고 있는 추세이다. 깊은 굴착에 사용되는 흙막이 벽체 공법으로는 지하연속벽 및 C.I.P(Cast in placed pile)공법이 주로 많이 적용되고 있다. 그러나 지하연속벽 공법의 경우 넓은 작업부지를 필요로 하고 공사비가 다소 높은 편이다. C.I.P공법은 로터리보링기 또는 오거 등의 천공장비로 천공을 하고, 안정액 또는 케이싱을 이용하여 공벽을 보호하여 철근망과 콘크리트를 타설하여 한 개의 현장콘크리트 말뚝을 만들고 연속적으로 시공하여 흙막이 벽체를 형성하는 공법으로 자갈 및 암반지반을 제외한 대부분의 지반에 적용이 가능하며, 장비가 소형이므로 협소한 장소에도 시공이 가능한 장점이 있다. 하지만 기둥과 기둥사이의 이음부가 취약하고 중첩시공이 어려우므로 이음부의 보강 및 지하수가 있는 경우 별도의 차수공 시설이 요구되는 단점이 있다(Oh and Cho, 2004).
이러한 C.I.P공법의 문제점을 보완하기 위해 PHC-W 흙막이공법이 제안 되었으며(Choi, 2014), 이 연구에서는 3개 사례의 지반 주상도를 활용하여 PHC-W공법을 적용하였을 때 굴착 가능 깊이, 휨강도, 전단강도, 수평변위 등의 거동을 분석하였다.
2. PHC-W 흙막이공법
2.1 PHC-W 흙막이공법 소개
PHC-W 흙막이공법은 강성 흙막이 벽체를 주열식으로 형성하는 공법인데, PHC-W 흙막이용 말뚝은 기성 원심력 PHC말뚝을 흙막이 벽체용으로 개량하고 별도의 공정을 통하여 제작하였다. PHC말뚝을 평면화 하고 오목부와 볼록부로 형상함으로서 연속시공에 유리하게 개량하였으며(Fig. 1 참조) 겹침부에 지하수유출을 차단하기 위해 차수재 폼을 설치함으로서 별도의 차수공법이 필요하지 않게 되었다. 그리고 지반 및 굴착 깊이에 따라 제품을 선택하기 위하여 A 형과 B 형으로 구분하여 PC 강선의 수를 조정하여 제작하였다(Fig. 2).
중소기업청 산학연협력 기술개발사업(자율편성형 과제)으로 PHC-W 흙막이용 말뚝의 성능을 시험하였다 (Fig. 3). PHC-W 흙막이용 말뚝의 A 형과 B 형을 각각 2개 시험체에 대하여 시험을 실시하였으며 시험성적서를 Fig. 4에 표현하였다. PHC-W 흙막이용 말뚝은 KS F 4306 ‘프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝’ 방법에 의한 시험을 실시하였으며, 그 결과 PHC-W흙막이용 말뚝 A, B 형은 균열 휨 모멘트, 파괴 모멘트, 전단강도의 강성이 우수한 제품이며 그 결과를 Table 1에 정리하였다.
2.2 PHC-W 흙막이공법 특징
PHC-W 흙막이공법은 시공성, 경제성 및 안정성에서 여러 가지 특징을 가지고 있다. 시공적인 측면에서는 단면을 평면화 함으로써 지보공 설치가 용이하며, 형상의 개선을 통하여 오목부와 볼록부를 두어 중첩(Over-Lap) 시공이 용이하고 Fig. 1에 표현한 것과 같이 우선 시공된 PHC-W 흙막이용 말뚝의 오목부를 케이싱 천공시 길잡이로 이용하여 천공수직도를 향상시킬 수 있다.
경제적인 측면에서는 H 형강을 사용하지 않으며 별도의 차수공법을 적용하지 않으므로 경제적이고, 공정이 단순하여 공기가 빠른 장점이 있다. 그리고 천공시 발생하는 토사를 PHC-W 흙막이 벽체의 내부 홀에 되메우므로 사토발생량을 감소시킬 수 있으며, 벽체 전면부 형상의 평면화로 면정리 작업이 필요 없고 홈메우기량이 감소하여 경제적이다. 그리고 케이싱 천공 후 PHC-W 흙막이용 말뚝을 근입한 다음, 말뚝을 제외한 케이싱 안의 비어있는 공간에 Fig. 1의 오른쪽에 나타낸 것과 같이 토사를 물다짐공법을 이용하여 되메우고 케이싱을 인발한다. 이때, PHC-W 말뚝 후면부 및 전면부의 빈 공간에는 토사로 채워지게 되어 PHC-W 말뚝과 후변부 지반 및 PHC-W 말뚝과 전면부 지반 사이의 이격은 거의 발생하지 않는다.
강성이 큰 PHC 말뚝을 개선하여 사용하므로 내구성이 우수하고 균질한 품질확보가 가능하며 수팽창성 고무지수재를 사용하므로 차수성이 우수하여 안전한 공법이다(Choi, 2014).
3. 대상사례선정 및 수치해석 결과
3.1 해석 대상 사례 선정
이 연구를 위해 3가지 대상사례를 선정하였으며 각 사례의 지반개요를 Fig. 5에 나타내었는데 국내의 일반적 지층구조인 매립층, 퇴적층, 암반층으로 구성되어 있었다. 굴착가능 토사층의 평균 N치를 기준으로 대상사례를 구분하였는데, N치가 평균적으로 10내외인 사례(사례 A), 20내외인 사례(사례 B), 30내외인 사례(사례 C)로 구분하였다
3.2 입력자료 산정
3.2.1 PHC-W흙막이용 말뚝의 특성치 산정
가시설구조물의 수치해석 시 필요한 PHC-W 흙막이용 말뚝의 특성치를 Table 2에 나타내었다.
3.2.2 대상 사례별 지반 특성치 산정
지반 특성치는 일반적으로 사용하고 있는 제안식과 문헌자료 등을 참조하였으며 N치를 이용하여 각 지층의 지반정수를 추정하였다. 각 지층의 수평지반반력계수는 Hukuoka 제안식(
kN/m3)을 이용하였고, 점착력은 Table 3(Korea Expressway Corporation, 2009)을 참고하여 추정하였으며, 내부마찰각은 Dunham의 제안식(Korean Geotechnical Society, 2016)으로 추정하였으며 Table 4에 나타내었다. 각 사례의 추정된 지반특성치를 Table 5에 나타내었다.
Table 4. Proposed correlations between N values and friction angles (Dunham, 1954: quoted in Korean Geotechnical Society, 2016)
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3.2.3 수치해석 시 고려사항
해석 프로그램으로는 MIDAS GEOX를 사용하였으며 탄소성보법으로 해석 하였다. 모든 사례에서 지하수위는 GL(-)3.0m로 적용하였다. 배면하중으로는 도로하중(13 kPa)을 적용하였고 모든 사례에서 근입 안전율이 1.2∼1.8사이에 존재하도록 흙막이 벽체를 근입시켰으며, 보일링과 히빙에 대한 근입깊이는 고려하지 않았다.
흙막이 벽체 안전성은 휨응력, 전단강도 그리고 수평변위에 대한 안전율로 평가하였으며, 여기서 PHC-W말뚝의 허용 휨응력과 전단강도는 흙막이용 PHC-W의 품질고도화 및 사업화(Choi, 2015)에서 실시한 PHC-W 말뚝의 실험값(Table 1 참조)으로 하였다.
3.4 수치해석 결과
각 사례에 대하여 PHC-W의 A 형과 B 형을 적용하여 수치해석을 실시하였다. 그리고 3가지 사례별 2차원 수치해석모델과 수평변위, 전단력, 휨모멘트의 분포도를 Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8에 나타내었다. 해석모델에서 설정한 굴착깊이에 대한 시공단계별로 전단력과 모멘트가 계산되어지며 이것을 PHC-W말뚝의 전단강도와 허용휨강도(Table 1)(Choi, 2015)와 비교하여 최대굴착가능 깊이를 정할 수 있다.
Fig. 6.
2D finite element modeling, distribution of horizontal displacement, shear strength, and flexural strength at maximum excavation depth for Case A
4. PHC-W흙막이 벽체의 거동분석
3가지 대상사례에 대하여 PHC-W흙막이 A 형과 B 형의 수치해석을 실시하였으며, 그 결과에 기초하여 굴착 가능 깊이, 휨강도, 전단강도 그리고 수평변위거동을 분석 하여 Table 6에 요약하여 나타내었다. 여기서 H는 최대굴착가능 깊이, d는 수평변위를 나타내었다.
사례 A와 사례 B는 N치가 30미만의 연약한 지층으로써 A 형, B 형 각각에서 10.5m, 11.0m정도 굴착 가능한 것으로 나타났다. 이는 2 사례 모두 연약층으로 구성되어 있으므로 비슷한 결과 값을 보이는 것으로 판단되었다. 하지만 사례 A 에서는 점토층이 존재하므로 사례 B보다 수평변위가 크게 나타났다. 사례 C는 N치가 30이상의 비교적 양호한 지반으로써 A형, B형 각각 17.0m, 19.5m정도 굴착 가능한 것으로 나타났다.
PHC-W 흙막이벽체에 대한 수치해석결과(Table 6)를 이용하여 각 사례별 평균 N치에 대한 최대 굴착 깊이, 휨강도 안전율, 전단강도 안전율, 수평변위에 대한 분석결과를 Fig. 9에 도시하였다. 지층조건이 양호할수록 굴착 가능 깊이가 커지는 것으로 나타났고 수평변위는 작아지는 것으로 나타났다. 휨강도 안전율은 N치의 증가에 따라 안전율이 낮아지는 것으로 나타났으며 전단강도 안전율은 N치의 증가에 따라 안전율이 다소 낮아지는 것으로 나타났다.
5. PHC-W흙막이공법의 경제적인 시공법 제안
PHC-W흙막이용 말뚝을 예상 굴착 깊이보다 0.5m 깊게 연속적으로 근입시킨다. 이때 일정한 수평간격(약 1∼3m)마다 엄지말뚝 역할을 할 수 있을 정도의 길이로 근입시킨다(Fig. 7 참조). 여기서, 엄지말뚝사이의 토류판 역할을 하는 구간에는 차수공법을 적용하여야 할 것이다. 엄지말뚝 사이의 PHC-W말뚝은 토류판의 역할만 하면 되므로 강성을 감소시켜 경제성을 제고할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 관련하여 테스트 베드를 계획 중에 있으며 그 결과를 활용하여 설계법 및 경제적인 시공법에 관한 연구도 추후 진행할 예정이다.
6. 결론 및 제언
이 연구에서는 선정된 3개 사례에 대하여 수치해석을 실시하였으며 그 결과를 이용하여 PHC-W공법의 굴착 가능 깊이, 휨강도, 전단강도 그리고 수평변위를 분석하였다.
(1)N치가 30미만의 연약한 지층에서는 PHC-W흙막이 A형, B형 각각에서 10.5m, 11.0m정도 굴착 가능한 것으로 나타났다. 이는 2 사례 모두 연약층으로 구성되어 있으므로 비슷한 결과 값을 보이는 것으로 판단되었다. 하지만 사례 A 지층은 점토층이 존재하므로 사례 B보다 수평변위가 크게 나타났다. N치가 30이상의 비교적 강성이 큰 지반에서는 A형, B형 각각에서 17.0m, 19.5m정도 굴착 가능한 것으로 나타났다.
(2)지층조건이 양호할수록 굴착 가능 깊이가 커지는 것으로 나타났고 수평변위는 작아지는 것으로 나타났으며, 휨강도 안전율은 낮아지는 것으로 나타났고 전단력 안전율도 낮아지는 것으로 나타났다.
(3)이 연구에서는 PHC-W말뚝의 허용 휨강도와 허용 전단강도의 실험값을 사용하도록 해석 및 설계법을 제안 하였는데 추후 실시될 테스트베드를 통한 실증 자료를 통하여 경제적인 시공법 및 설계법을 보완 및 정립하여야 할 것으로 생각된다.
