1. 서 론
2. 현장적용 결과분석
2.1 공법 개요
2.2 적용현장 조건
3. 수치해석 및 결과 분석
3.1 3차원 유한차분 모델링
3.2 수치해석 기법의 타당성 검증
3.3 영향인자 분석을 통한 거동특성 분석
4. 영향인자 분석 결과
4.1 말뚝간의 간격(S)
4.2 전･후열 말뚝간의 거리(D)
4.3 말뚝의 근입장(Z)
4.4 지반조건
5. 결 론
1. 서 론
최근의 건설환경은 신도시 개발사업 및 지방 행정도시 등 개발사업의 규모가 확대되고 있으나, 각종 구조물 건설을 위한 기초공사와 지하구조물 공사의 작업여건은 점차 어려워지고 있으며, 최저가 공사 발주 확대로 공사원가율 상승 및 수익성이 악화되고 있다. 이에 따라, 각종 공사현장의 안정성 확보, 원가절감, 공기단축 및 구조물 품질확보를 위한 신공법･신기술의 개발 및 적용이 점차 확대되고 있다.
흙막이 가시설은 지하구조물을 건설할 때 지반이 붕괴되는 것을 막기 위하여 지하공간에 임시로 설치되는 구조물로써 각종 건설사업에서 가장 먼저 시행되며, 전체 작업공기에 큰 영향을 미친다. 굴착심도 3～4m의 얕은 굴착의 경우 지보재가 없이 엄지말뚝과 토류판으로 이루어진 자립식 흙막이 공법으로 시공이 가능하지만, 그 이상의 굴착심도를 시공할 경우 추가적인 지보재를 설치하여 시공하는 것이 일반적이다(Clayton & Milititsky, 1986). 지금까지 주로 적용된 흙막이 가시설은 지반굴착에 따라 지보재(Strut, Earth Anchor, Raker 등)를 설치하여 토압에 저항하는 구조체로, Strut 공법의 경우 강재 가격 상승에 따른 경제성 확보에 문제점이 있으며, Earth Anchor 공법의 경우 정착지반이 연약하거나 대지경계를 초과하는 경우 사용성이 제한되고 있다. 또한 Raker 공법의 경우 지반굴착에 따른 변위발생이 크며, 최종 구조물 시공시 이음시공 및 방수 등 품질확보에 문제점을 가지고 있다.
이러한 여러 문제점을 해결하기 위하여 개발된 2열 자립식 흙막이 공법은 저심도 굴착에 사용되는 자립식 흙막이 공법과 사면파괴 방지용으로 사용되는 억지말뚝 공법의 원리를 이용한 공법이다. 사면안정에 활용되는 억지말뚝 공법은 1950년대 이후부터 현재까지도 많은 연구가 이루어지는 공법으로써, 사면의 활동토괴를 관통하여 부동지반까지 말뚝을 일렬로 설치함으로써 사면의 활동하중을 말뚝의 수평저항으로 부동지반에 전달시키는 공법이다(Dappolonia et al., 1967; Kitazima and Kishi, 1967; Ito and Matsui, 1975; Hassiotis et al., 1997; Chen et al., 2002; Jeong, 2003; Won et al., 2005).
현재 국내에서 다수 현장에 적용이 완료되어 그 시공성과 경제성이 입증된 2열 자립식 흙막이 공법은 지반굴착에 있어서 필요한 지보재(Strut, Earth Anchor, Raker 등)를 사용하지 않고 적정 심도(8～9m)까지 지반굴착이 가능한 공법이다. 본 공법은 다수의 현장에서 적용되어 지보재 설치에 따른 굴착공사의 시공성 저하, 공기 지연, 대지경계 침범, 및 최종 구조물의 품질 저하 등 기존의 흙막이 공법이 가지는 여러 가지 문제점을 해결하였다.
이러한 여러 장점에도 불구하고 2열 자립식 흙막이 공법에 대한 연구는 한정된 조건에서의 실내모형실험(Kim et al., 2012) 및 현장적용 결과의 분석을 통한 적용성 검토(Sim et al., 2009)에 국한되어 있었기 때문에 실제 현장적용 시 명확한 설계기준이 확립되어 있지 않고 있다. 이에 따라, 본 공법을 현장에 실제 적용하기 위해서는 시간과 비용이 많이 소요되는 유한요소해석 또는 유한차분해석의 반복적인 검토를 통하여 설계단면을 산정하고 있는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 2열 자립식 흙막이 공법의 주요 영향인자를 분석하기 위해 현장적용 결과의 분석 및 3차원 유한차분 해석을 수행하였다. 지반특성에 따른 본 공법의 거동을 분석하기 위하여 사질토가 지배적인 현장과 점성토가 지배적인 2개의 현장에 적용을 수행하였으며, 계측관리를 통하여 굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변위 및 휨모멘트를 분석하였다. 수치해석을 통한 영향인자 분석에 앞서, 본 공법의 거동을 분석하기 위한 수치해석 모델링 기법의 타당성을 검증하기 위하여 현장적용 결과와 3차원 유한차분 해석결과를 비교･분석하였다. 마지막으로 적용현장 지반조건(사질토, 점성토), 흙막이 벽체를 구성하는 전열말뚝 및 후열말뚝의 간격(S), 전열말뚝과 후열말뚝간의 거리(D), 굴착심도(H) 및 말뚝의 근입깊이(Z) 등, 본 공법의 주요 설계인자들의 영향 정도를 분석하기 위하여 다양한 경우의 3차원 유한차분 모델링 및 해석을 수행하였다.
2. 현장적용 결과분석
2.1 공법 개요
2열 자립식 흙막이 공법은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 얕은 굴착(3～4m 이하)에 주로 적용되는 일반적인 자립식 흙막이 벽체와 사면파괴 방지대책으로 이용되는 억지말뚝 공법을 조합하여 굴착심도의 증가에도 안정성 확보가 가능한 흙막이 가시설 공법이다. 굴착부 전면에 위치하는 전열말뚝은 지반굴착 시 토사 유실을 방지하는 토류판과 함께 표면 마감역할을 하며, 굴착부 전면에서 일정 거리를 두고 후면에 설치되는 후열말뚝은 전열말뚝과 후열말뚝 간 토괴 내부와 지중 근입부의 수동토압으로 흙막이 구조체에 작용하는 수평토압을 감소시키며, 전･후열 말뚝의 상부를 띠장과 연결재로 일체화하여 지반굴착에 따른 전열말뚝의 변위발생을 억제하는 기능을 한다.
2.2 적용현장 조건
수치해석을 이용한 2열 자립식 흙막이 공법의 영향인자 분석에 앞서, 본 공법의 거동 분석 및 그에 따른 수치해석 방법의 검증을 위하여 현장적용 및 3차원 유한차분해석을 수행하였다. 적용대상 현장은 지반조건의 영향을 분석하기 위하여 사질토(풍화토)가 지배적인 현장(Site A)과 점성토(퇴적토)가 지배적인 현장(Site B)을 선택하였다. 적용현장에서 표준관입저항시험 및 시추조사를 수행하여 지층을 확인한 후, 현장원위치 시험인 공내전단시험을 수행하여 지반의 강도정수(점착력, 내부마찰각)를 산정하였다. 또한, 포아송비 및 탄성계수는 기준 문헌을 참조하여 각 지층의 지반조건 및 표준관입저항치 N에 따라 산정하였으며(KGS, 2013), Table 1과 Fig. 2 및 Fig. 3은 대상현장의 지반조건 및 표준관입저항시험 결과를 나타낸 것이다.
흙막이 구조체에 사용된 H빔은 국내 가시설 공사에서 일반적으로 사용되는 H300×300×10×15 규격의 형강을 사용하였다. 각 Site의 굴착심도(H)는 각각 7.6m와 8.0m로서 총 4단계의 단계별 굴착이 이루어지는 것으로 설계 되었으며, 말뚝간의 간격(S)는 1.6m, 전･후열 말뚝간의 거리(D)는 2.5m, 그리고 전･후열 말뚝의 근입깊이(Z)는 Site A의 경우 4.4m(최종 굴착바닥면 이하) 및 Site B의 경우 4.0m를 근입하는 것으로 설계 및 시공하였다. Fig. 4는 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변위 및 휨모멘트의 변화를 측정하기 위해 전열말뚝과 후열말뚝에 각각 설치된 지중경사계 및 변형률계를 나타낸 것이다.
3. 수치해석 및 결과 분석
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Fig. 2. Soil profile with borehole (site A) | |
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Fig. 3. Soil profile with borehole (site B) | |
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- Inclinometer - | - Strain gauge - |
(a) Details of instruments | |
Fig. 4. Instrumentation used in field tests (continued) | |
본 연구에서는 2열 자립식 흙막이 공법의 거동분석을 위하여 3차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC3D를 이용한 수치해석을 수행하였다(ITASCA Consulting Group, 2005). FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)은 유한차분해석 프로그램으로서 소성변형을 하는 지반 또는 암반 위의 구조물의 거동을 모형화하기 위한 프로그램이다. 이 프로그램은 다양한 요소와 탄성모델과 소성모델 등 다양한 구성방정식을 지원하며 2, 3차원 해석이 가능하다.
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- Plan view - | - Section view - |
(b) Site A | |
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- Plan view - | - Section view - |
(c) Site B | |
Fig. 4. Instrumentation used in field tests | |
3.1 3차원 유한차분 모델링
본 연구에서 수행한 3차원 유한차분해석 모델링에서는 적용현장들을 모사하여 아래 그림과 같은 해석 모델을 채택하였다. 먼저 모델링 요소망은 8개의 절점을 가지고 있는 Brick 요소를 사용하였으며, 구조물 요소는 FLAC3D 프로그램 내에서 제공하는 Pile 요소(전･후열 말뚝), Beam 요소(띠장 및 전･후열 연결재) 및 Shell 요소(토류판)를 적용하였다. 수치해석 시 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 좌우측 경계면에서 z축 방향으로 변위를 허용하기 위해 롤러구속조건을 적용하였으며, 하부 경계면에서는 모든 축방향으로 변위가 발생하지 않도록 힌지구속조건을 적용하였다. 본 수치해석의 초기응력은 깊이에 따라 
와 같이 증가하는 것으로 가정하였으며, 수평응력(
)은 수직응력에 측압계수(
)를 곱한 값으로 사용하였다. 초기에는 중력만으로 고려하여 전체적인 외력과 내력의 불평형력(unbalanced force)을 10-5 이하로 수렴시켰으며, 흙막이 구조체 시공에 의한 영향을 무시하기 위해 구조체 시공 후(굴착 전)에 발생한 변위를 0으로 조절하였다. 또한 현장 실제 시공조건을 모사하기 위하여 4단계의 단계별 굴착조건으로 해석하였다. 각 굴착단계는 불평형력이 1×10-5까지 수렴하여 안정화 된 후 다음 굴착단계로 진행하게 된다.
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(a) Horizontal displacement (front pile) | (b) Horizontal displacement (rear pile) |
Fig. 6. Horizontal displacement and bending moment (site A) (continued) | |
3.2 수치해석 기법의 타당성 검증
본 절에서는 앞서 수행한 현장적용 사례를 토대로 2열 자립식 흙막이 공법의 굴착에 따른 거동특성을 비교･분석하였으며, 본 연구에서 적용한 3차원 유한차분해석기법의 타당성을 검증하였다. 수치해석 시 적용한 흙막이 구조체와 지반의 제원 및 물성은 현장적용 조건과 동일하게 적용하였다. Table 2는 수치해석에 사용된 구조물 요소의 물성을 나타낸 것이다.
Fig. 6과 Fig. 7은 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변위 및 휨모멘트에 대하여 현장적용 결과와 수치해석 결과를 함께 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이, 단계별 굴착에 따라 발생하는 수평변위는 점차 증가하지만, 최종 굴착시 site A와 site B의 최대 수평변위는 각각 14.34mm, 15.35mm로써 허용기준치 이내에서 수렴함을 확인하였다(δh,max<0.2%H, H : 굴착심도). 지반굴착에 따른 가설토류벽의 수평변위를 측정하기 위한 지중경사계는 토류벽체 또는 말뚝(H형강 엄지말뚝)에 직접 부착 및 설치되어 있지 않고 전열말뚝 및 후열말뚝에 최대한 근접하여 지중에 설치하였다. Fig. 4(a)에 나타낸 바와 같이, 지중경사계는 지중에 수직으로 설치된 케이싱이 지반굴착에 따라 변위가 발생할 때의 각변위를 측정하여 수평변위로 환산하고, 그 값을 누적하여 계산하는 원리이다. 전열말뚝(흙막이 벽체)의 경우, 지반굴착 및 토류판 설치 시 토류판 후면의 토사가 일부 유실되어 지중경사계의 계측치에 영향을 주게 되며, 이는 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 실제 변위보다 큰 수평변위가 계측되는 주요 원인이다. 따라서, 이와 같은 현장의 시공상황이 지반굴착 시 전열말뚝과 후열말뚝의 최대수평변위에 대한 현장 계측결과의 차이에 대한 주요 원인이라고 판단된다. 또한 2개 현장의 지반조건 및 표준관입저항치에 따라 엄지말뚝의 근입부의 토압작용 폭에는 차이가 있으며, 이에 따라 엄지말뚝 근입부에 작용하는 수동토압의 크기에도 차이가 있다(KGS, 2002). 이러한 특성이 현장적용 및 수치해석 결과에서도 나타남으로써 2개의 현장에서 말뚝의 근입부위의 이동에 차이가 있는 것으로 판단된다.
최종 굴착시 말뚝에 발생하는 휨모멘트를 비교한 결과, 굴착에 따른 안정성을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 그림에서 보는 바와 같이 3차원 유한차분해석 결과가 실제 흙막이 벽체의 거동을 적절히 예측함을 보여주고 있으며, 이에 따라 본 연구에서 수행한 수치해석 기법의 타당성을 검증할 수 있었다.
3.3 영향인자 분석을 통한 거동특성 분석
본 연구에서는 2열 자립식 흙막이 공법의 합리적인 설계를 위하여 적용현장 지반조건(사질토, 점성토), 흙막이 벽체를 구성하는 전열말뚝 및 후열말뚝의 간격(S), 전열말뚝과 후열말뚝간의 거리(D), 굴착심도(H) 및 말뚝의 근입깊이(Z)와 같은 주요 설계인자들의 영향 정도를 분석하기 위하여 다양한 경우의 3차원 유한차분 모델링 및 해석을 수행하였다. Fig. 8과 Table 3은 본 연구에서 수행한 영향인자 분석의 개요를 나타낸 것이다. 지반조건은 실제 현장조건을 반영하기 위하여 상부에는 매립토가 존재하며, 하부에는 각각 풍화토(사질토 조건) 및 퇴적토(점성토 조건)가 존재하는 조건을 적용하였으며, 수치해석에 사용된 지반물성값은 Table 4에 나타내었다. 각각의 영향인자들을 조합하여 총 600개의 수치해석 및 영향인자 분석이 수행되었으며, 설계 및 시공안정성 확보를 고려하여 굴착심도는 최대 8.0m로 제한하였다.
4. 영향인자 분석 결과
Fig. 9는 사질토 조건, 굴착심도(H) 8.0m, 말뚝간격(S) 1.6m 및 근입심도 0.5H(=4.0m) 조건 하에서 전･후열 말뚝 간격의 변화에 따른 지반의 횡변위 분포를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이, 후열말뚝이 없는 경우(Fig. 9(a))의 지반 횡변위 분포(최대 수평변위 δh,max=31.08cm)는 삼각형 형태의 변위형상을 나타내는 것에 비해, 후열말뚝을 설치한 경우는 사다리꼴 형태의 변위형상(최대 수평변위 δh,max=1.54～2.06cm)이 나타남을 알 수 있었다. 또한 후열말뚝의 설치에 따라 발생하는 최대 수평변위의 값은 크게 감소하며, 이는 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 안정성 확보에 후열말뚝의 효과가 큰 것을 확인할 수 있었다.
4.1 말뚝간의 간격(S)
Fig. 10은 굴착심도(H) 8.0m 및 근입심도 0.5H(=4.0m) 조건 하에서 말뚝간의 간격(S) 및 전･후열 말뚝간의 거리(D)의 변화에 따른 최대 수평변위를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 말뚝간의 간격이 증가할수록 최대 수평변위는 크게 증가하였다. 그러나 말뚝간의 간격이 일정간격 이하일 경우(S<1.6m), 후열말뚝에 의한 최대 수평변위의 억제효과는 수렴됨을 알 수 있었다. 이는 Parkash(1962) 및 Liang and Zeng(2002)의 연구와 유사한 결과로써, 2열 자립식 흙막이 공법에 있어서 후열말뚝의 설치로 인하여 군말뚝 효과 및 말뚝간의 아칭효과에 의한 변위억제에 효과가 있는 것으로 판단된다.
4.2 전･후열 말뚝간의 거리(D)
전･후열 말뚝간의 거리(D) 변화에 따른 최대 수평변위의 영향은 말뚝간의 간격(S)에 따른 영향과 유사함을 알 수 있다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 전･후열 말뚝간의 거리(D)가 증가할수록 발생하는 최대 수평변위의 값은 감소하지만, 전･후열 말뚝간의 거리(D)가 일정거리 이상으로 증가한 이후에는 변위억제 효과가 수렴됨을 알 수 있다. 따라서, 굴착심도(H) 8.0m, 말뚝간의 간격(S) 1.6m 및 근입심도(Z)가 0.5H(=4.0m)인 경우, 안정성과 시공성을 고려한 최적의 전･후열 말뚝간의 거리(D)는 2.0m를 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
4.3 말뚝의 근입장(Z)
Fig. 12는 굴착심도(H) 8.0m 및 말뚝간의 간격(S) 1.6m 일 때 말뚝의 근입심도(Z)에 따른 최대 수평변위를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이, 굴착에 따른 최대 수평변위는 말뚝의 근입심도(Z)가 0.5H 이상 증가하여도 크게 변화가 없으며, 이 결과를 바탕으로 최적의 근입심도는 0.5H를 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
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(a) Sandy soil (ϕ=30°, c=8.90kN/m2) | (b) Clayey soil (ϕ=15°, c=26.69kN/m2) |
Fig. 13. Variation of δh,max with excavation depth | |
4.4 지반조건
Fig. 13은 사질토 조건과 점성토 조건에서 굴착시 발생하는 최대 수평변위에 대한 모든 영향인자 분석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 10, Fig. 11 및 Fig. 13에서 보는 바와 같이, 각각의 영향인자의 변화에 따른 최대 수평변위의 영향은 점성토 조건에서보다 사질토 조건에서 크게 나타남을 알 수 있었다. 이는 사질토 조건에서 지반-말뚝의 상호작용이 보다 크게 나타난다는 Ashour and Ardalan(2012)의 연구와 유사함을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 2열 자립식 흙막이 공법에 있어서 안정성에 영향을 미치는 주요 설계인자들을 분석하고 설계기준을 제안하기 위하여 현장적용 결과의 분석 및 3차원 유한차분 해석을 수행하였다. 지반특성에 따른 본 공법의 거동을 분석하기 위하여 사질토가 지배적인 현장과 점성토가 지배적인 2개의 현장에 적용을 수행하였으며, 굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변위 및 휨모멘트를 분석하였다. 또한 수치해석을 이용하여 흙막이 벽체를 구성하는 전열말뚝 및 후열말뚝의 간격(S), 전열말뚝과 후열말뚝간의 거리(D), 굴착심도(H) 및 말뚝의 근입깊이(Z) 등, 본 공법의 주요 설계인자들의 영향 정도를 분석하기 위하여 다양한 경우의 3차원 유한차분 모델링 및 해석을 수행하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
(1)2열 자립식 흙막이 공법은 지반굴착 시 발생하는 토압과 변위를 사면안정용 억지말뚝의 사용을 통한 수동저항에 의해 흙막이 구조체의 토압경감 및 변위억제가 가능한 공법이며, 실제 현장에 적용한 결과, 그 효과를 확인할 수 있었다.
(2)2열 자립식 흙막이 공법의 현장적용 결과와 수치해석을 통한 공법의 거동분석을 비교한 결과, 본 연구에서 수행한 수치해석기법이 2열 자립식 흙막이 공법의 실제 거동을 합리적으로 모사하고 있음을 알 수 있었다.
(3)본 공법의 설계 및 시공에 있어서 주요 영향인자인 말뚝간의 간격(S), 전･후열 말뚝간의 거리(D), 말뚝의 근입장(Z), 굴착심도(H) 및 지반조건에 따른 공법의 거동을 총 600 case의 수치해석을 통하여 분석한 결과, 말뚝간의 간격이 감소 및 전･후열 말뚝간의 거리가 증가할수록 흙막이 벽체의 변위는 감소하는 것을 알 수 있었으나, 변위 감소의 영향은 일정 범위를 넘어설 경우 미비해짐을 알 수 있었다. 또한, 말뚝의 근입장은 0.5H(H=굴착심도) 이상이 될 경우 변위억제에 크게 영향이 없음을 알 수 있었으며, 이러한 주요 인자들의 영향은 점성토 지반에서보다는 사질토 지반에서 보다 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.
(4)본 연구의 결과는 향후 현장에서 본 공법을 적용할 경우, 굴착심도 및 지반조건에 따라 말뚝간의 간격(S), 전･후열 말뚝간의 거리(D), 말뚝의 근입장(Z) 등의 설계인자 결정에 활용할 수 있을 것이다. 또한, 현장조건에 따라 각각의 설계인자들의 조합을 통해 최적의 설계조건을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
