1. 서 론
2. 원심모형실험
2.1 실험시스템
2.2 흙막이벽체 굴착모사
2.3 실험조건
2.4 축소모델링
2.5 계측항목
2.6 모형지반 조성
2.7 원심모형실험 절차
3. 원심모형실험 결과
3.1 굴착과정에 따른 수평토압 변화
3.2 굴착에 따른 흙막이벽 휨모멘트 변화
3.3 굴착과정에 따른 흙막이벽 수평변위
3.4 굴착에 따른 배면지반 침하
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 도시화가 꾸준히 증가하면서 인구과밀화와 공간제약에 문제가 발생하고 있다. 특히 우리나라는 인구 90% 이상이 도시에 거주하고 있으며, 인구 밀집도만 해도 490명/km2으로 세계에서 3번째로 높은 수치를 보인다. 뿐만아니라 총인구의 약 49%에 해당하는 2,400만 명이 수도권에 거주하면서 부족한 공간 문제에 직면하고 있다. 이를 해결하기 위해 도심지 내 지하공간 확보를 위한 굴착공사가 증가하고 있으며, 이에 따라 다양한 지반공학적 문제가 급증하고 있다. 2018년 국토교통부 건설안전정보시스템 자료에 따르면 2018년 한 해 동안 지반굴착으로 발생한 피해사례만 108건으로, 이는 전체 건설사고의 33%에 달하는 수치이며 전체 피해금액의 14.5%에 달한다고 하였다. 지하굴착으로 인해 발생한 문제점은 주변 지반 및 구조물 침하, 인접구조물 지지력 저하, 침하로 인한 공공 매설물 피해, 지하수 유로 변화로 인한 수자원 고갈 등으로 조사되었다.
흙막이 공사는 안정된 지반을 굴착하여 불안정한 상태로 변화시키는 작업으로 대표적인 개착식 지반 굴착공사에 속한다. 개착식 지반굴착은 굴착심도가 깊고 평면 면적이 넓어 붕괴 및 지반침하 위험성이 높은 문제점을 안고 있다. 한국건설기술연구원(2021) 조사에 따르면 개착식 지반 굴착에 적용된 흙막이벽체에 의한 지반 붕괴사고의 원인은 지반조사부실 27%, 가설 구조체 불안정 20%, 지하수위 영향 20%, 시공 불안정 14%, 과다 굴착 7%, 히빙 및 보일링 5%로 조사되었는데, 이는 지반 붕괴가 단순한 시공 오류 문제를 넘어 복합적인 영향임을 시사한다. 이에 대응하여 2018년 지하안전관리에 관한 특별법(일명 지하안전법)을 시행하여 대응하고 있으나 여전히 지하굴착시 지반침하와 같은 문제가 빈번히 발생하고 있다.
흙막이 굴착공사 중 발생하는 지반 거동 평가에 관한 연구는 오랫동안 수행되어 왔다. 특히, 굴착에 의한 배면지반의 영향범위를 산정하는 연구는 다양한 실험적, 해석적 방법을 통해 제시됐으며, 배면지반의 거동은 지반조건, 흙막이 벽체 강성 및 지지시스템, 굴착단계 및 굴착깊이, 지하수위 변화에 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다.
Peck(1969)은 경험적인 방법을 통해 연약지반 및 점성토 지반에서 굴착깊이(H)에 따라 배면지반의 침하 분포를 정규화한 가우시안 곡선을 제시하였다. Peck(1969)은 사질토가 우세한 지반을 굴착 할 경우 점성토 지반에 비해 침하영역이 좁고 침하량도 비교적 작은 것으로 표현하였다. 또한, 굴착 위치로부터 침하가 발생할 수 있는 영향범위를 모래지반에서는 굴착깊이의 약 2배(2H), 점토지반에서는 굴착깊이의 4배(4H)까지로 보고하였다(Fig. 1). O’Rourke(1975), Clough and O’Rourke(1990)은 지하 굴착시 발생하는 최대 침하량은 굴착깊이(H)의 0.3%로 제시하였으며, 벽면에 가까울수록 급격한 침하가 발생한다고 하였다(Fig. 2). 또한, 굴착 시 발생할 수 있는 침하의 영향거리를 흙막이 벽체로부터 2H로 평가하였다.
해석적인 방법으로 배면지반의 거동을 평가한 연구사례도 상당수 보고되고 있다. Caspe(1966)은 대수나선형 활동면 해석을 통해 벽체 수평변위, 토압계수, 포아송비 등 지반역학적 변수들을 고려하여 침하량을 예측하는 방법을 제시하였다. 또한, Mana and Clough(1981)는 수치해석 결과를 토대로 흙막이벽체의 강성, 버팀보 강성, 버팀보에 작용하는 선행하중, 하부에 존재하는 단단한 층까지의 거리, 굴착 폭, 지반물성을 고려한 배면지반의 최대 침하량과 수평변위를 산정하였다. 그 결과, 최대 지표 침하량은 수평 변위의 0.6~1.0 배임을 확인하였으며, 영향범위는 모래지반에서 굴착깊이의 2배(2H), 점토지반에서 굴착깊이의 2~3배(2~3H)임을 제안하였다. 또한, 해석결과를 무차원화하여 다양한 조건에 적용할 수 있는 지표침하 예측 방법을 제시하였다. 최근에는 Wong(2022)이 PLAXIS 2D를 이용해 대만 메트로 공사에 적용된 굴착공법(지하연속벽 + 버팀보)을 대상으로 굴착과정에 따른 배면지반의 거동을 해석적으로 모델링하고 굴착폭, 벽체 두께, 굴착깊이에 따른 영향범위를 제시하였다. 해당 연구에서 굴착시 배면지반의 침하거동은 굴착깊이에 크게 영향을 받지만, 해석조건에 관계없이 유사한 침하형상을 나타낸다고 보고하였다. 특히, 굴착깊이가 깊어질수록 굴착깊이 대비 영향범위(굴착면으로부터 최대 지반침하의 20% 이내가 발현되는 구간까지 거리)는 감소한다는 것을 확인하였다. 또한 다양한 현장실험(Wong and Patron, 1993; Hsieh and Ou, 1998)과 원심모형실험 결과(Panchal et al., 2017; 2018)를 비교하여 결과의 신뢰성을 입증하였다.
Hsu et al.(2024)은 지하연속벽(Diaphragm Wall)을 적용한 깊은 굴착 시, 인접 지상/지하 구조물에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 3차원 수치해석(PLAXIS 3D)을 수행하였다. 이때, 구조물과 굴착면 사이의 이격거리에 따라 발생하는 침하, 수평 변위, 각변형률 등을 분석하였으며, 그 결과 굴착깊이(H)의 약 2배 거리(2H)에서 영향이 실질적으로 안정화되는 것으로 나타났다.
한편, 국내에서도 배면지반의 침하거동에 관한 연구가 보고되고 있다. Jeong et al.(2016)은 굴착문제에 있어 이차원 및 삼차원 유한요소 해석 간의 차이를 비교하였고, 벽체 수평변위 예측 시 2차원 해석이 과대평가하는 경향이 있음을 제시하였다. 또한 Park and Jeong(2020)은 지반조건별로 굴착 폭과 깊이에 따른 침하 영향범위를 분석하였으며, 벽체 강성과 지보재 간격이 주요 변수로 작용함을 확인하였다. 한편, Lee and Woo(2022)는 수직구 및 터널 구간 굴착시 영향범위를 실제 설계사례를 토대로 검토하였으며, Peck(1969)과 Clough et al.(1990)이 제시한 굴착시 영향범위 산정방법이 해석에 비해 보수적인 결과를 제공하고 있음을 확인하였다. Table 1은 선행연구에서 제시한 굴착시 영향범위를 요약적으로 보여준다.
Table 1.
Influence zone of ground excavation proposed in previous studies
| Literature | Soil type | Earth retaining structures type | Proposed range of influence |
| Terzaghi and Peck (1967) |
Loose sand Gravel |
H-Pile+Lagging wall Sheet pile | 2.5H ~ 3.0H |
| O’Rourke (1975) |
Midium~Dense sand Sand and interbedded stiff clay | H-Pile+Lagging wall | 2H |
| St_John (1975) | Stiff clay |
Slurry wall Top-down method | 3H |
| Goldberg et al. (1976) |
Soft~medium clay Stiff~hard clay | - | >2H |
| Clough and O’Rourke (1990) | Stiff clay |
Rigid wall Flexible wall | 3H |
| Sand, particulated soil | 2H | ||
| KSC 21 30 00 (2016) | Sand | - | 2H |
| Clay | 4H | ||
| Rock |
1H (2H when a discontinuity exist) | ||
| Wong (2022), Panchal et al. (2017, 2018) | Sedimentary soil |
Slurry wall Top-down method |
1H ~ 10H* (decreasing with depth) |
| Hhu et al. (2024) |
Layered soil (clay over sand) | Slurry wall | 2H |
| This study | Loose dry sand | Wall + Anchor | 1.83H |
| Loose dry sand over weathered rock | Wall + Strut | 0.55H |
2018년 제정된 지하안전법에 따라 10m 이상 20m 미만의 굴착공사는 소규모지하안전영향평가를 수행해야 하며, 굴착깊이 20m 이상 또는 터널 공사의 경우 지하안전영향평가를 시행하도록 의무화 하였다. 이때, 위험지역에 대한 실시간 안전관리를 위해 자동화계측을 의무화하며, 굴착시 영향범위 전체가 계측범위로 포함되어야 한다. 하지만, 지표 및 지하구조물이 밀집해 있는 도심지에서 영향범위를 보수적으로 설정할 경우, 과도한 계측비용이 발생하여 경제성을 저해할 수 있는 반면, 영향범위를 과소하게 설정할 경우 인접구조물에 심각한 피해를 초래 할 수 있다. 따라서, 굴착 과정 중 발생할 수 있는 지반변형과 영향범위를 정량적으로 평가하고, 설계에 반영하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 흙막이벽체 시공과정 중 배면지반의 거동과 영향범위를 평가하기 위해 현장조건을 현실적으로 모사할 수 있는 원심모형실험을 수행하였다. 이를 위해 단계굴착을 모사할 수 있는 실험시스템을 구축하고, 건조된 모래지반과 흙막이벽체가 풍화암에 근입된 조건에서 흙막이벽체의 거동과 배면지반의 침하거동을 관찰하였다. 이때, 흙막이벽체에 지지구조체로 앵커와 버팀보가 적용된 조건에 대해 실험을 각각 수행하여 지지부재에 따른 배면지반 거동특성을 실험적으로 평가하였다.
2. 원심모형실험
2.1 실험시스템
본 연구는 강원대학교 설치된 20g·ton급 원심모형실험기를 활용하였다(Yoo et al., 1994). 강원대학교 원심모형실험기 회전반경은 1.35m이며, 바스켓에 적재가능한 최대 토조 사이즈는 500×500×600mm이다. 본 연구에서는 내부 단면이 525mm(가로)×380mm(높이)×200mm(세로)인 토조에서 수행되었다. 본 토조는 알루미늄으로 제작되었으며, 전면이 Polycarbonate(PC) 재질의 판으로 제작되어 실험 중 지반의 변형을 확인할 수 있다.
모형지반은 점낙사법(point pluviation method)을 이용해 조성하였다. 이때, 모형지반 조성 전 과정은 SPS-F KOCED 0005-7383 “원심모형실험의 건조 사질토 지반조성을 위한 낙사 시험방법”을 준용하여 모형지반을 제작하였다(Ko et al., 2024). 점낙사기의 분사노즐은 직경 3.5mm 구멍(hole)이 10mm 간격으로 뚫린 철판을 사용하였다. 모형지반을 목표하는 밀도로 제작하기 위해 사전에 토조에 부피가 측정된 용기를 위치별로 배치하고 목표 밀도로 조성할 수 있는 낙하고를 선정하였다. 모형지반 축조시에는 낙하고가 일정하도록 매 3~4cm 흙이 쌓일 때 마다 낙사된 모형지반의 표면을 정제하고 점낙사기의 높이를 조절하여 낙하고가 항상 일정하게 유지되도록 했다.
2.2 흙막이벽체 굴착모사
원심모형실험에서 굴착을 모사하기 위해서는 높은 중력장이 작용하는 환경에서 흙을 굴착하는 과정이 모사되어야 한다. 하지만, 복잡한 굴착과정을 원심모형실험기 가속 중 모사하는 것은 현실적으로 어려운 작업이다. 따라서, 본 연구에서는 토조안에 흙막이벽체를 지반조성 전에 설치 한 뒤 유공압실린더를 이용해 흙막이벽체의 변형을 억제한 상태에서 목표 중력가속도에 도달하고, 이후 유공압실린더를 후진시켜 굴착과정을 모사하였다(Fig. 3). 이때, 유공압실린더에 압축공기를 적용할 경우, 벽체 변형에 의해 실린더가 압축될 수 있으므로 벽체를 미는 방향으로 비압축성의 물을 투입하여 굴착모사 전까지 벽체의 변위를 억제하였다. 사전 검토 결과, 190kg 하중 재하시 최대 0.33mm의 실린더 변형이 관측되었으며, 미미한 수준으로 판단되어 본 실험에 적용하였다. 굴착과정에서는 실린더가 후진하는 방향으로 공기압을 주입하여 벽체를 지지하던 실린더가 후퇴하는 방식으로 굴착이 모사되었다.
2.3 실험조건
본 연구에서는 건조된 모래지반에 설치된 흙막이벽체에 대해 굴착 과정 중 배면지반의 거동을 평가하기 위해 총 3회의 원심모형실험이 실시되었다. 각 실험에서는 배면지반의 건조밀도(느슨~조밀), 지지구조체 조건(앵커, 버팀보), 하부지반 조건(모래, 풍화암)에 따라 굴착과정 중 발생하는 배면지반 거동을 평가하였다. 대상 흙막이벽체는 Fig. 4와 같이 지하연속벽(slurry wall)으로 설정하였으며, 총길이 17.10m, 근입깊이 3.60m(총 굴착깊이 13.50m)로 설정하였다. 굴착은 총 3단계로 이루어지며, 1단계 4.725m, 2단계 3.15m, 3단계 5.625m굴착을 단계별로 모사하였다. 대상 구조물은 1/45의 스케일로 축소모델링 하였으며, 원심가속도 45g에서 실험이 수행되었다. 상세 실험조건은 Table 2와 같다.
Table 2.
Testing conditions
| Test No. | Soil type | Earth retaining wall | Excavation depth | g-level | Unit density (kN/m3) |
Supporting structure type |
| T1 | Dry sand |
Slurry wall (Total length: 17.1m, Embedded depth: 3.6m) |
1 step: 4.725m 2 step: 3.15m 3 step: 5.625m total 13.5m | 45g |
16.19 (Dr* = 89.7%) | Anchor |
| T2 | Dry sand |
15.27 (Dr* = 64.8%) | Anchor | |||
| T3 |
Dry sand Weathered rock |
16.23(Dr = 90.9%) for sand qu** = 10MPa for weathered rock | Strut |
** uniaxial compressive strength (Seo et al., 2018)
2.4 축소모델링
본 연구의 대상이 되는 흙막이벽체는 원형기준 높이 17.10m, 뒤채움 흙 총 높이 17.10m, 근입깊이 3.60m(총 굴착깊이 13.50m)의 지하연속벽(slurry wall)로 설정하였다. 이때, 흙막이벽체 선단부는 수평방향으로 변위가 억제되면서 회전거동은 자유롭게 발생할 수 있도록 역T형으로 제작하였으며, 흙막이벽의 연결부를 힌지(hinge)로 제작하여 회전거동이 자유롭도록 했다. 지지구조체가 앵커인 경우(T1, T2), 총 근입장 9m, 구근의 직경과 길이는 각각 0.45m와 3.15m로 설정하였으며, 앵커 간 간격은 가로 3.6m, 세로 3.15m로 하였다. 앵커는 흙막이 벽체에 지표면과 나란한 방향(수평방향)으로 총 3단 × 2열로 배치하였다. 한편, 버팀보 조건(T3)에서는 강관버팀보(steel pipe strut)를 대상으로 하였으며, 간격은 가로 3.6m, 총 4단 × 2열로 설정하였다.
대상구조물을 원심모형실험 상사비(1/45)를 고려하여 축소모델링을 실시하였다. 이때, 흙막이벽체와 지지구조체(앵커, 버팀보)의 경우 상사비와 축소모형 제작성을 고려하여 알루미늄으로 제작하였으며, 축 및 휨강성에 대한 원심모형 상사비[Eq. (1), Eq. (2)]를 고려하여 축소모델링을 실시하였다.
여기서, 와 은 각각 원형과 축소모형의 탄성계수, 와 은 각각 원형과 모형의 단면적, 은 원심모형 상사비를 나타낸다.
여기서, 와 은 각각 원형과 모형의 길이, 와 은 각각 원형과 모형의 단면2차모멘트, 은 원심모형 상사비를 나타낸다.
앵커의 경우, 직경 7.87cm의 강연선을 대상으로 축소모델링 하였으며, 4.8mm×0.5mm의 알루미늄판을 이용해 축강성이 실제 원형과 동일하도록 제작했다. 정착구는 실제 그라우팅을 통해 구근으로 형성되나, 축소모델링의 한계로 직경 10mm, 길이 70mm인 알루미늄으로 제작하였으며, 지반과의 결합력을 증진시키기 위해 정착구를 요철(groove) 형태로 제작하였다. 또한, 실제 앵커는 흙막이벽 시공 후 지반을 굴착하면서 시공하는 프로세스로 진행되나, 본 연구에서는 모형지반 조성단계에서 모형 앵커를 배치 한 뒤 실험을 수행하였다. 모형 앵커는 한쪽에 모형 정착구가 설치되며 반대쪽에 무두 숫나사(male bolt)로 제작하여 앵커와 벽체가 체결될 수 있도록 하였다. 모형 앵커는 지반조성 중 흙막이벽의 각 위치에 배치된 홀(hole)에 체결하였으며, 낙사 중 해당높이에 도달했을 때 각 앵커를 설치한 뒤 추가 낙사를 통해 뒷채움재를 조성하였다. 본 실험에서는 굴착 과정에서 앵커에 발생하는 축력을 측정하기 위해 알루미늄 판의 양면에 변형률계를 부착하였으며, 실험 중 발생한 축변형률과 축력은 다음 식을 통해 산정하였다.
여기서, = 앵커에 발생하는 축 변형률, , = 한 쌍의 변형률계에서 관측된 변형률, = 축력, = 부재의 단면적을 의미한다.
버팀보를 적용한 조건에서는 외경 406.4mm, 선단부 두께 9.2mm(단면적 0.01148m2)인 강관버팀보를 대상으로 축소모델링을 실시하였다. 이때, 버팀보는 흙막이벽 전면부에서 깊이방향으로 4개소(4단 × 2열)에 설치되는 조건을 가정하였다. 앵커 축소모델링과 마찬가지로 대상 강관버팀보와 동일한 축강성(axial modulus)을 가지는 알루미늄으로 제작하였다. 축소모델링 된 버팀보는 토조 벽면에 고정시키고 흙막이벽을 지지하는 방식으로 구성하였으며, 선단부를 구 형태로 제작하여 힌지조건(hinge)이 되도록 했다. Table 3과 Table 4는 각각 본 연구에 대상이 되는 앵커와 버팀보의 제원을 나타낸다.
Table 3.
Anchor model specifications
Table 4.
Strut model specifications
2.5 계측항목
굴착과정에서 발생하는 흙막이벽체의 수평변위는 비접촉식 레이져센서(IL-030, Keyence)를 활용하여 관측하였다. 이때, 흙막이벽체의 위치별 변위을 관측하기 위해 깊이방향으로 3개소에서 수평변위를 관측하였다. 또한, 흙막이벽체에 작용하는 휨모멘트를 측정하기 위해 깊이방향으로 흙막이벽체 전후면으로 대칭되도록 총 4개소에 변형률계(FLAB-2-350-23-1LE, Tokyo Measuring Instrument Laboratory Co. Ltd.)를 설치하였으며, 앵커 축력을 관측하기 위해 앵커의 양 면에 한 쌍의 변형률계를 설치하였다.
굴착과정에서 벽체에 발생하는 수평토압의 변화를 관측하기 위해 흙막이벽체 내부에 깊이방향으로 총 4개소에 토압계(MSP-5, ZIS I&C)를 수평방향으로 설치하였다. 또한 굴착모사과정에서 토조 경계면에 발생하는 토압변화를 확인하기 위해 3개의 토압계를 토조 벽체에 설치하였으며, 굴착과정 중 실험 경계면에서의 토압변화를 확인하였다. 굴착모사 중 토조 벽면에서 관측된 토압변화는 전 실험에서 최대 3kPa이내였으며, 경계면 효과는 미미한 것으로 판단하였다. 한편, 굴착 과정에서 발생하는 지표침하를 관측하기 위해 LVDT(0237, Transtek)를 6개소에 설치하였다.
2.6 모형지반 조성
본 연구에서는 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. 주문진표준사는 규암을 모암으로 하는 시료로 국내 모형실험에 널리 활용되고 있다. 주문진 표준사의 기본물성은 Table 5와 같다. 주문진 표준사를 이용해 목표하는 밀도의 지반을 조성하기 위해 점낙사를 실시하였다. 사전실험을 통해 획득한 낙사높이-모형지반 밀도 간 관계를 통해 목표 밀도를 조성할 수 있는 낙사높이를 결정하였으며, 지반 조성과정에서 가능한 낙사높이를 일정하게 유지하기 위해 낙사를 통해 매 4cm의 흙이 쌓일 때 마다 낙사를 종료하고 표면을 평탄화 한 뒤 낙사높이를 조정하고 낙사를 실시하였다. 낙사과정에서 앵커가 설치되는 위치까지 모래가 쌓이면 흙막이벽체에 앵커를 설치 한 뒤 추가 낙사를 실시하였다. 최종적으로 균질한 370mm 높이의 모형지반을 축조하였다(Fig. 5).
Table 5.
Basic soil properties (Jumunjin sand)
| Items | Properties |
| Soil classification (USCS) | SP |
| Specific gravity (Gs) | 2.67 |
| Friction angle (°) | 0.001Dr2 + 0.229Dr + 32.182 (Han et al., 2014) |
| Coeffiecient of uniformity, Cu | 1.0~1.93 |
| Maximum dry density (kg/m3) | 1,66 |
| Minimum dry density (kg/m3) | 1,33 |
모형암반의 경우, 실제 암반을 채취하여 모형실험에 적용하기 어려우므로 주문진표준사, 석고와 물을 혼합하여 모사 암반을 조성하였다. Seo et al.(2018)은 모래-석고-물을 혼합하여 목표하는 일축압축강도와 탄성계수를 가지는 모형 암반을 조성하고 축소모형실험을 실시한 바 있다. 본 연구에서도 선행연구 결과를 토대로 모래:석고:물을 2.2:1:0.97의 중량비로 혼합하여 최종 일축압축강도 10MPa 수준의 풍화암을 조성하였다.
2.7 원심모형실험 절차
모형지반이 담긴 토조를 원심모형실험기에 탑재한 후 센서와 굴착모사를 위한 유공압실린더를 설치하였다. 이후, 실린더 내부에 탈기수를 주입하였다. 이때, 실린더가 흙막이 벽을 과도하게 밀어 지반 변형이 발생하지 않도록 자연 수두차를 이용하여 실린더를 전진시켜 벽체에 자연스럽게 접촉하도록 하였으며, 밸브를 닫아 굴착 전 상태와 유사한 조건을 구현하였다. 이후, 목표 중력가속도인 45g까지 단계적으로 가속하고 목표 중력가속도에서 안정화를 거친 뒤, 유공압실린더를 단계별로 후진하여 굴착과정을 모사하였다.
3. 원심모형실험 결과
본 연구에서는 원심모형실험에서 흙막이벽 굴착 중 발생하는 배면지반 지반침하, 흙막이벽 수평변위, 흙막이벽 휨모멘트를 각각 측정하고 굴착에 의한 흙막이벽과 배면지반의 거동을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해, 1) 굴착과정에서 발생하는 흙막이벽체 배면 수평토압, 2) 휨모멘트 변화, 3) 흙막이벽체의 수평변위, 4) 배면지반 침하 양상을 관측하였다.
3.1 굴착과정에 따른 수평토압 변화
Fig. 6은 굴착단계에 따른 흙막이벽 배면지반의 수평토압 변화를 보여준다. 앵커가 설치된 조건(T1, T2)에서는 전체적으로 굴착이 진행되면서 벽체 배면의 수평토압이 점차 감소하였다. 1단계 굴착(4.725m)에서는 최대 6.9kPa~8.3kPa의 수평토압이 감소하였으며, 2단계 굴착(7.825m)에서는 6.7kPa~10.0kPa의 수평방향 토압감소가 발생했다. 마지막 3단계 굴착(13.5m)에서는 7.6kPa~7.8kPa의 응력감소가 발생했다. 전반적으로 굴착면 부근에서 수평토압 감소 크기가 큰 것을 확인할 수 있다. 한편, 굴착깊이의 약 2배 깊이까지 수평토압의 변화가 관찰되었다. 본 연구에서는 흙막이벽체가 지반에 근입된 조건에서 굴착을 실시하였으므로 굴착에 의해 벽체에 발생하는 휨거동이 토압변화를 유발한 것으로 판단된다.
실험 조건별 수평토압을 비교하면 모래지반에서 상대밀도가 낮은 경우(T2, Dr = 64.8%)가 높은 경우(T1, Dr = 89.7%)보다 큰 토압변화가 관찰되었다. 이러한 토압변화는 배면지반에 설치된 앵커의 저항력과 지반침하와 연관되는 것으로 상대적으로 느슨한 지반에서 큰 수평방향 변위와 지표침하가 발생할 우려가 있으며, Peck(1969)의 연구결과와 일치하는 경향을 보인다.
흙막이벽 전면부에 버팀보를 설치한 조건(T3)에서는 조밀한 지반에 앵커를 적용한 조건(T1)과 유사한 토압 변화를 보였다. 반면, 느슨한 지반에 앵커가 적용된 조건(T2)에 비해서는 상대적으로 작은 토압 변화를 나타냈다. 이러한 결과는 굴착에 따른 토압 변화가 지지 구조체의 형식보다 지반 조건에 의해 더 크게 좌우됨을 보여준다. 단계별로는 1단계 굴착시 지표 부근에서 최대 8.9kPa의 수평토압 감소가 관측되었으며, 2단계 굴착시 11.8kPa의 수평토압감소가 발생했다. 반면, 3단계 굴착에서는 감소되었던 토압이 일부 회복했는데(5.5kPa), 이는 최종 단계 굴착에 따라 전체 버팀보와 흙막이벽체에 힘이 재분배되어 발생하는 현상으로 판단된다.
3.2 굴착에 따른 흙막이벽 휨모멘트 변화
굴착시 흙막이벽체에 편토압(수평토압)이 발생하며, 이로 인해 흙막이벽체에 휨모멘트가 발한다. 굴착과정에서 흙막이벽체에 발생하는 휨모멘트를 확인하기 위해 벽체의 깊이방향으로 흙막이벽체 전후면에 변형률계를 설치하고 굴착에 따른 휨모멘트를 관측하였다(Fig. 7). 관측된 변형률을 통해 산정된 휨변형률은 아래와 같은 식으로 계산된다.
여기서, 은 해당 단면에 작용하는 휨모멘트이며, 와 은 단면의 전면과 후면에 대칭되게 부착된 변형률계를 통해 관측된 변형률을 의미한다. 관측된 변형률에서 휨모멘트는 다음 식을 이용해 산정할 수 있다.
여기서, = 휨모멘트, = 재료의 탄성계수, = 단면계수를 의미한다.
실험 결과, 굴착이 진행되면서 벽체에 작용하는 휨모멘트가 점차 증가하였으며, 특히 굴착면 부근에서 큰 휨모멘트가 관측되었다[양의 값(+)은 굴착면에 압축 발생, 음의 값(-)을 굴착면에 인장 발생을 의미]. 단계별로는 1단계 굴착시 지표부근에서 최대 5.61kN·m~5.66kN·m의 휨모멘트가 발생하였다. 2단계 7.825m 굴착시에는 최대 6.63kN·m~8.68kN·m의 휨모멘트가 발생하였다. 3단계 13.5m 굴착단계에서는 최대 3.97kN·m~11.19kN·m의 휨모멘트가 발생하였다. 실험 조건별로는 단일 모래지반의 경우(T1, T2) 건조밀도가 증가할수록 휨모멘트가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 조밀한 지반에서 앵커의 조기정착에 의해 지지성능이 향상되기 때문으로 판단된다. 한편, 굴착이 진행되면서 증가되었던 휨모멘트가 감소하는 경향(T1의 1, 2단계)도 나타나는데, 이는 설치된 앵커가 정착되면서 흙막이 벽체에 발생하는 휨모멘트를 저감시키기 때문인 것으로 판단된다.
흙막이벽체가 암반에 근입된 조건에서 버팀보가 적용되 조건의 경우(T3, 하부지반 풍화암 조건), 앵커가 적용된 조건(T1, T2: 하부지반 모래 조건)에 비해 상대적으로 작은 휨모멘트가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 굴착 전 과정에서 휨모멘트의 변화량 또한 앵커가 적용된 조건에 비해 현저히 작았다.
3.3 굴착과정에 따른 흙막이벽 수평변위
굴착과정에서 발생하는 흙막이벽 수평변위량은 Fig. 8과 같다. 실험 결과, 앵커가 설치된 조건(T1, T2)에서 굴착이 진행되면서 노출된 벽체에 수평변위가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단계별로는 T1와 T2 조건(앵커적용, 건조모래)에서 1단계 굴착(4.725m)시 흙막이벽 상단(3.15m 깊이)에서 5.53mm~7.00mm의 수평방향 변위가 발생하였다. 2단계 굴착(7.825m)시에는 흙막이벽 상단(3.15m 깊이)에서 7.85mm~20.77mm의 누적 수평변위가 발생하였다. 3단계 굴착단계(13.5m)에서는 흙막이벽 상단(3.15m 깊이)에서 19.78mm~32.28mm의 누적 수평변위가 발생하였다. 또한, 단계별 굴착과정에서 굴착깊이의 약 2배에 해당되는 깊이까지도 변위가 관측되었다. 이는 지반에 근입된 흙막이벽체가 회전거동을 하면서 발생한 현상으로 판단된다.
단일 모래지반에서 앵커가 적용된 흙막이벽 조건(T1, T2)을 분석한 결과, 상대적으로 느슨한 지반에서 더 큰 수평변위가 발생하였다. 한편, Fig. 9의 굴착 단계별 앵커 축력 변화를 보면 굴착깊이가 깊어질수록 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나, 지반 밀도에 따른 차이(T1, T2)는 뚜렷하지 않았다. 즉, 느슨한 지반(T2)에서는 흙막이벽의 수평변위가 조밀한 지반(T1)보다 크게 나타나, 최종 정착력이 발휘되기까지 더 큰 변위를 유발하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 지반 밀도는 앵커 정착력 자체에는 큰 영향을 미치지 않으나, 지반이 느슨할수록 정착력이 발휘되기까지 필요한 변위가 커지고, 이로 인해 흙막이벽의 횡변위가 증가하는 것으로 판단된다.
한편, 하부지반이 풍화암으로 구성된 지반에 버팀보가 적용된 조건(T3)의 경우, 1단계 굴착 후 최대 1.5mm, 2단계 굴착 후 1.95mm, 3단계 굴착 후 2.42mm의 누적 수평변위가 발생하였으며, 앵커가 적용된 조건(T1, T2)에 비해 최대 수평변위의 크기가 현저히 작았다. 본 실험에서는 실험 토조 공간의 제약으로 버팀보의 길이가 짧고(길이 4.1m, 원형강관 버팀보 조건), 한쪽 면이 고정단이면서 다른 면이 힌지조건(고정단-힌지)의 연결부로 구성되었기 때문에 전반적으로 굴착에 따른 변위가 작게 나타난 것으로 판단된다.
3.4 굴착에 따른 배면지반 침하
Fig. 10은 지하 굴착시 발생하는 배면지반의 지표침하를 나타낸다. 실험 결과, 전반적으로 굴착면에 인접한 지반에서 큰 침하가 발생하였으며, 굴착면에서 거리가 멀어질수록 침하량이 줄어들었다. 또한, 굴착깊이가 증가할수록 누적 침하량이 점차 증가하는 것을 확인하였다. 단계별로는 1단계 굴착(4.725m)시 흙막이벽에서 2.7m 이격된 지점에서 최대 침하량은 1.35mm~4.05mm로 확인되었다. 2단계 굴착(7.825m)시에는 동일한 위치에서 최대 2.25mm~10.8mm의 누적 침하가 발생하였다. 3단계 굴착(13.5m)에서는 동일 위치에서 최대 3.60mm~17.55mm의 누적 침하가 발생하였다. 누적 침하량은 굴착면에서 멀어질수록 감소하다가 토조 벽면 부근에서 최솟값을 나타냈다. 한편, 앵커가 적용된 조건(T1, T2)에 비해 버팀보가 적용된 조건(T3)에서 배면 지반 침하량이 상대적으로 작은 것을 확인하였다.
Peck(1969)은 경험적인 방법을 토대로 느슨한 지반에서 굴착깊이의 4배 거리(4H, 여기서 H는 굴착깊이), 조밀한 지반에서 굴착깊이의 2배(2H) 거리까지를 영향범위로 제시하였다. 하지만 본 원심모형실험에서는 모형토조 크기의 제약으로 굴착깊이의 4배에 해당하는 면적에 대한 침하를 직접적으로 관측하지는 못했다. 따라서, 침하량 관측값을 이용해 추세곡선을 도출하고 이에 영향범위를 근사적으로 추정하였다(Fig. 11). KALIS에서 발간한 지하안전영향평가서 검토사례집(KALIS, 2021)에서는 지하굴착에 의한 허용침하량을 25mm의 10%인 2.5mm로 제안하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 실험결과를 토대로 산정한 추세곡선이 2.5mm에 해당될 때를 기준으로 영향범위를 산정하였다. 그 결과, 굴착깊이 대비 영향범위(δ/H)는 앵커 적용 조건의 경우(T1, T2) 굴착단계에 따라 δ/H = 0.43~1.83, 버팀보 적용 조건(T3)의 경우, δ/H = 0.07~0.56으로 다양하게 나타나는 것으로 확인되었다(Table 6). 이러한 결과는 선행연구에서 수치해석 및 원심모형실험을 통해 확인된 영향범위(δ/H ≤ 2)와 유사한 경향을 보인다(Wong, 2022; Panchal et al., 2017, 2018; Hsu et al., 2024). 반면, 현업에서 널리 활용되고 있는 Peck(1969) 및 Clough and O’Rourke(1990)가 제시한 영향범위에 비해서는 다소 작은 값으로 나타났다. 이러한 차이는 Peck과 Clough and O’Rourke가 제시한 영향범위가 지하수위, 지지구조의 형식, 지반 조건 등 다양한 요소를 고려하고, 불확실성을 포함하여 보수적으로 설정되었기 때문으로 판단된다. 그러나 본 연구의 결과에서 확인된 바와 같이, 지지구조(앵커, 버팀보)의 형태나 흙막이 벽체의 암반 근입 여부 등 지반 조건에 따라 영향범위는 크게 달라질 수 있다. 따라서 경제적인 굴착공사를 위해서는 설계 조건에 부합하는 영향범위를 합리적으로 적용할 필요가 있다고 판단된다.
Table 6.
Influencing area of retained soil under different excavation conditions
| Test No.* | Soil/structure types | Excavation depth (m) (A) | Influencing area (m)** (B) | (B/A) |
| T1 |
Sand (Dr 89.7%) /Anchor | 4.725 | 2.02 | 0.43 |
| 7.825 | 5.11 | 0.65 | ||
| 13.5 | 16.66 | 1.23 | ||
| T2 |
Sand (Dr 64.8%) /Anchor | 4.725 | 5.72 | 1.21 |
| 7.825 | 14.3 | 1.83 | ||
| 13.5 | 20.88 | 1.55 | ||
| T3 |
Upper layer: sand (Dr 64.8%) Lower layer: weathered rock (qu=10MPa) /Strut | 4.725 | - | - |
| 7.825 | 0.57 | 0.07 | ||
| 13.5 | 7.59 | 0.56 |
한편, 2018년 시행된 지하안전법에서는 굴착깊이 10m 이상의 공사에 대해 자동화 계측을 포함한 지하안전영향평가의 실시를 의무화하고 있다. 영향범위는 이론식이나 경험식을 적용하거나, 수치해석 결과를 통해 검증된 허용침하량 이내로 산정된다. 그러나 이론식 및 경험식은 수치해석 결과에 비해 보수적인 결과를 도출하는 사례가 빈번히 보고되고 있다(KALIS, 2021). 이는 앞서 언급한 바와 같이, 경험식들이 다양한 현장 관측 데이터를 종합적으로 분석하여 보수적인 관점에서 영향범위를 산정하기 때문이다. 최근에는 지하굴착깊이가 증가함에 따라 토사층을 넘어 암반층까지 굴착이 이루어지는 사례가 많아지고 있다. 이러한 상황에서 기존의 이론식 및 경험값을 일률적으로 적용할 경우, 실제보다 과도하게 넓은 영향범위가 산정될 우려가 있다. 특히, 지하안전법에 따라 자동화 계측이 의무화되면서 시공 전후로 광범위한 지반 거동을 관측해야 하는데, 이는 경제적으로 상당한 부담을 초래할 수 있다. 따라서 굴착에 따른 영향범위를 산정할 때에는 흙막이벽 및 지지 구조물의 특성, 지층 구조, 지하수위 등의 요소를 종합적으로 고려한 합리적인 판단이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 지하굴착 중 흙막이벽체 배면지반의 거동 및 영향범위를 평가하기 위해 굴착과정을 모사할 수 있는 실험시스템을 구축하고 원심모형실험을 실시하였다. 또한 지반조건(모래지반, 상부 모래-하부 풍화암)과 지지구조체 형식(앵커, 버팀보)에 따른 흙막이벽체와 배면지반의 거동을 평가하였다. 원심모형실험을 통해 굴착 중 수평토압, 휨모멘트, 앵커 축력, 벽체 수평변위 및 지표침하를 관측하였다.
실험 결과, 굴착이 진행됨에 따라 벽체에 휨모멘트와 벽체 변위가 증가하였으며, 흙막이벽체에 인접한 지반의 토압은 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 흙막이벽체의 거동은 배면지반의 지반밀도에 따라 다르게 나타났는데, 밀도가 증가할수록 토압변화량, 지표침하, 벽체 휨모멘트, 벽체 수평변위가 증가하였다. 또한, 지지구조체로 버팀보를 적용한 조건이 앵커를 적용한 조건에 비해 배면지반의 거동을 제한하는 것으로 나타났다.
실험조건에 대해 굴착과정에서 발생하는 배면지반 침하 영향범위를 검토한 결과, 지지구조체로 앵커를 적용한 실험에서는 굴착깊이(H)의 최대 1.83배까지 영향을 받는 것으로 나타났으며, 버팀보를 적용한 실험에서는 이보다 작은 0.55배까지로 확인되었다. 전반적으로 기존 경험식에 비해 본 연구에서 도출한 영향범위는 좁게 나타났으며, 이는 기존 방식이 실험결과에 비해 보수적임을 시사한다. 다만, 굴착깊이, 지지구조체 형식(앵커, 버팀보), 지반조건(토사지지, 암반지지 등)에 따라 다양한 영향범위가 나타나므로 실제 현장에서도 보다 면밀한 영향범위 적용이 필요하다고 판단된다.
한편, 본 연구에서 제시한 결과는 지하수위의 영향을 고려하지 않았고, 건조한 단일모래지반에 대해서만 검토하였으며, 장기거동을 평가하지 않았으므로 본 연구의 결과는 특정 조건에 국한된다. 따라서, 추가연구를 통해 다양한 조건에서 굴착에 따른 배면지반 거동을 평가할 필요가 있다.
