1) Poonglim Industry
H-pile로 보강된 Sheet pile 흙막이 벽체의 적용을 위한 수치해석
Numerical Study for Application of Sheet Pile Retaining Wall Reinforced with H-pile
조 광 준
1)
･ 전 상 현2)
･ 서 지 원3)
･ 유 남 재3)
･ 박 병 수†
Kwangjun Cho ･ Sanghyun Jun ･ Jeeweon Suh ･ Namjae Yoo ･ Byungsoo Park
Received: April 8
th, 2015; Revised: April 13
th, 2015; Accepted: May 28
th, 2015
ABSTRACT : This paper is results of numerical study for application of sheet pile retaining wall reinforced with H-pile as sheet piles are needed in field for a cutoff wall and are limited to use because of driveability in the ground condition of having a larger strength than a weathered rock. Extensive 101 cases of numerical approach were conducted to investigate the behavior of sheet pile retaining wall reinforced with H-pile, changing installing members of two types of sheet pile and three types of H-pile, the embedded depth of sheet pile and H-pile, the horizontal space between H-piles and excavation conditions. As the results of numerical analysis, combined use of the sheet pile SP-IIIA with H-Pile H250 and the sheet pile SP-IV with H-Pile H350 among precast products was found to be efficient since two members tended to reach allowable stresses simultaneously or have similar stress concentration ratios.
Increased stiffness in reinforced sheet pile showed reduction of lateral displacement of wall. Embedded depth of sheet pile did not affect stability of wall significantly so that driving the penetrable depth of sheet pile should be enough to maintain stability of wall and satisfy purposes of cutoff and stiffness increase of wall.
Keywords : Cutoff wall, Sheet Pile, Driveability, H-Pile, Earth retaining wall
요 지 : 본 연구는 차수가 요구되는 현장에 Sheet Pile을 적용하려고 하나 풍화암 등의 지반조건으로 인해 항타관입성의 제한이 있을 때 H-Pile로 보강된 Sheet Pile 흙막이 벽체를 적용하기 위한 수치해석 연구이다. Sheet Pile을 H-Pile로 보강한 S/H 복합파일의 거동을 규명하기 위하여 Sheet Pile의 규격 2종류와 H-Pile 3종류의 부재조건 변화, Sheet Pile과 H-Pile의 설치 근입심도 변화, H-Pile 의 설치간격, 굴착조건 등을 변화시킨 101개의 경우에 대해 광범위한 수치해석을 실시하였다. 수치해석 결과, Sheet Pile SP-IIIA와 H-Pile H250, Sheet Pile SP-IV와 H-Pile H350의 조합에서 두 부재가 동시에 허용응력에 도달하거나 같은 응력비를 갖는 것으로
나타나 이 기성제품 조합이 효율적임을 알 수 있었으며 , S/H 복합파일의 강성이 증가할수록 벽체의 수평변위가 감소하였고 S/H
복합파일 중 Sheet Pile의 근입심도가 안정성에 미치는 영향은 작은 것으로 나타나 Sheet Pile은 지지층 내 관입이 가능한 위치까지 만 설치하여도 차수 및 벽체강성 증가의 목적을 달성할 수 있을 것으로 분석되었다.
주요어 : 차수, Sheet Pile, 항타관입성, H-Pile, 흙막이 벽체 Journal of the Korean Geo-Environmental Society 16(7): 23～33. (July, 2015) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2015.16.7.23
1. 서 론
흙막이 공법은 안정성을 확보하는 것이 우선이며, 또한 경제성을 고려한 설계가 이루어져야 하기 때문에 두 가지의 요소를 감안하고 설계하여야 한다. 현재 많이 사용되고 있 는 흙막이 벽은 H-Pile과 토류판을 이용한 흙막이, Sheet Pile, CIP 및 SCW와 같은 주열식 흙막이, 지하연속벽 흙막 이 공법들이 있다. 이러한 공법을 적용하는 기준은 지반조 건과 지하수위 상태, 인접구조물 유무, 굴착규모와 깊이, 벽 체의 강성 등에 따라 결정되며 이외에도 경제성과 공사기간, 시공성 등도 고려되어 결정된다.
종래에는 주로 흙막이 벽체에 작용하는 토압분포와 변형 거동에 대한 연구(Caspe, 1966; Peck, 1969; Mana & Clough, 1981)가 많이 진행되어 왔으나 최근에는 안정성과 경제성을 만족시키기 위하여 흙막이 벽체의 강성을 증대시키고 차수 성을 향상시키려는 연구를 중심으로 많은 공법들이 개발되 고 있다.
Kang(1997)은 연약지반에서 많이 사용되는 Sheet Pile에 의한 흙막이 벽체는 단면의 강성이 한정되어 있어 시공성과 경제성에 문제가 많으므로 이를 개선시키고자 Sheet Pile에 H-Pile을 조합하여 합성형 강널말뚝 공법이라 명하고 현장 시험시공을 통해 설계치와 계측값을 비교하여 합성형 강널
Fig. 1. Conventional method of construction for sheet pile
말뚝의 설치간격에 따른 H-Pile의 제원을 제시하였으며, Seo(2010)는 버팀보 지지방식의 일반 Sheet Pile과 H-Pile로 보 강된 보강 Sheet Pile의 흙막이 벽에서 각각의 축력 및 수평 변위를 토대로 측방토압의 분포를 제안하고 굴착지면과 근 접하여 수평변위 억제효과가 있음을 발표하였다.
또한 Seo et al.(2004)은 가설구조물의 경제성과 안정성을 증대시키기 위하여 H-Pile을 RC 옹벽과 합성하여 합성 지하 벽 일체로 적용함으로써 흙막이 H-Pile의 설치 및 제거에 따 른 경제성을 향상시키고 지하벽체의 구조성능을 개선시켰 으며, Lee et al.(2010)은 사질토 지반에 진동타입되는 Sheet Pile의 항타관입성을 알아보기 위하여 Sheet Pile에 계측기 를 부착하여 현장시험을 시공한 결과 연결부 마찰이 Sheet Pile의 관입속도에 큰 영향을 미친다고 보고하였다.
한편 전술한 연구 이외에도 두 개 부재 이상으로 이루어 지는 흙막이 벽체에 대하여 등가의 벽체로 해석하기 위한 수치해석적 연구도 활발히 진행되어 왔다.
Lee et al.(1994)은 연약지반 교각기초인 강관말뚝을 등가 의 강널말뚝으로 환산하여 축력 및 강성, 지지조건의 변화 등으로부터 강널말뚝 벽체의 거동을 해석하였으며, Randolph (1981)는 흙과 말뚝의 강성을 평균하여 유한요소망에서 등 가의 강성을 갖는 널말뚝벽으로 환산하여 연약지반을 해석 하였고 Naylor(1982)는 흙과 널말뚝에 경계면 요소를 사용 하여 널말뚝과 흙의 상대변위를 허용하여 해석하였다. 이와 같이 수치해석적 연구는 대부분이 두 개의 부재를 하나의 등가부재로 환산하여 해석하는 2차원 해석이 주를 이루고 있으며 3차원 해석은 거의 전무한 실정이다.
일반적으로 하천 등 지하수위 아래 토사 및 풍화암이 위 치하는 경우 굴착 시 차수가 요구되므로 Sheet Pile을 설치 한 후 굴착을 실시하고 있다. 여기서 Sheet Pile은 풍화암에 소정의 깊이만큼 근입하도록 설계가 이루어지고 있으며, 풍 화암에 Sheet Pile을 근입시키기 위한 보조공법으로는 Water Jet을 사용하고 있다. 그러나 현장에서 시공 시 Water Jet을 병행하여 바이브로 해머로써 Sheet Pile을 풍화암에 항타 근 입시키기 위해서는 많은 시간이 소요되며 장시간의 항타로 마찰열이 발생하고 파일의 변형이 발생되어 손상을 입히게 된다. 또한 불규칙한 지형에 의하여 파일이 소요 깊이 만큼 관입되지 않아 굴착 시 파일의 끝 부분이 노출됨으로써 구 조상 불안정하게 되어 붕괴의 위험을 초래하게 된다.
따라서 본 연구에서는 차수가 요구되는 현장에 Sheet Pile 을 적용하려고 하나 풍화암 등의 지반조건으로 인해 항타관 입성의 제한이 있을 때 Sheet Pile과 H-Pile을 병행 사용하여 지하수위 아래 가시설 토류공을 적용하는 방법을 제안하고 자 흙막이 부재조건과 근입심도, 굴착심도 등을 변화시킨
매개변수적 3차원 수치해석을 실시하여 제안 공법의 안정성 과 흙막이 벽체의 거동을 알아보고자 하였다.
2. H-Pile로 보강된 Sheet Pile 흙막이 벽체
토사층에서 Sheet Pile 공법을 사용하는 경우에는 바이브 로 해머를 이용하여 계획 심도까지 근입하게 되나 암반층에 서는 Sheet Pile의 근입을 위한 타입은 불가능하기 때문에 Fig. 1과 같이 Water Jet을 병용하여 근입하거나 T-4 장비를 사용하여 천공한 후 Sheet Pile을 근입시키는 방법이 일반적 이다.
그러나 일반적으로 많이 적용되는 Water Jet을 병용하여 근입을 하는 경우라도 풍화암 이상 지반에는 관입이 어렵고 강제 진동 관입 시 선단부 변형이나 암반 균열로 누수의 원 인이 되기 때문에 암반에 근입해야 하는 경우 결국 천공을 해서 근입시켜야 한다. 또한 Sheet Pile은 연속적으로 서로 맞물려 벽체를 형성하는 연속벽체이므로 암반층 전체를 천 공해야 하고 이로써 발생하는 문제들이 공사비 증가뿐만 아 니라 벽체의 안정성 및 품질까지 떨어뜨릴 수 있어 막대한 비용에 비해 비효율적인 것이 현실이라 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 Sheet Pile을 암반층에 전체 천공하여 근입 시키던 기존의 방법을 개선하기 위해 Fig. 2에 나타낸 바와
Fig. 2. Proposed construction method for sheet pile with retaining wall reinforced with H-pile
Table 1. Physical properties of material for numerical analysis
Stratum Unit weight
(kN/m
3)
Cohesion c (kPa)
Internal friction angle ∅ (°)
Elastic modulus E (MPa)
Poisson’s ratio ν
Coef. of horizontal subgrade reaction
(kPa/m)
Soil 19 - 25 15 0.35 1,600～2,330
Weathered soil 20 10 32 50 0.32 3,000
Weathered rock 21 30 35 150 0.30 3,380
같이 Sheet Pile과 H-Pile을 합성시킨 S/H 복합파일 시공방 법을 검토하였다.
S/H 복합파일 공법에서 H-Pile은 흙막이 벽체에 대한 근 입장을 확보하기 위해 안정성 검토 후 일정간격(0.8, 1.6, 2.4, 3.2m)으로 천공하여 H-Pile을 근입시키고 Sheet Pile은 연속 벽 강성체로서의 차수벽 및 토류벽 역할을 하고 H-Pile 후면 에 암반층 상단까지 항타하여 약 0.5m 근입시킨 흙막이 벽 체를 형성한다. 따라서 이 두 부재는 배면측 토압에 의해 Sheet Pile과 H-Pile이 일체화 거동을 하게 된다.
Sheet Pile과 H-Pile의 장점을 결합한 S/H 복합파일 시공 방법은 지반조건이나 지형, 수심, 유수조건 변화 및 현장 상 황에 즉시 대응이 가능하며 Sheet Pile 흙막이 벽체 시공 시 가장 큰 비중을 차지하는 암반 천공 수량과 시간을 상당히 줄일 수 있기 때문에 기존 시공법에 비해 비용 및 공사기간 단축 효과가 우수할 것으로 생각된다.
3. 3차원 수치해석
3.1 Sheet Pile 및 H-Pile 제원
본 연구에 적용된 Sheet Pile은 국내에서 생산되는 일반제품 으로 SP-IIIA(400×150×13, 이하 S3A)와 SP-IV(400×170×15.5, 이하 S4) 2종류를 대상으로 하고, H-Pile은 250×250×9×14 (이하 H250), 300×300×10×15(이하 H300), 350×350×12×19 (이하 H350) 3종류를 대상으로 해석을 수행하였다. Sheet Pile 의 항복강도(
)는 300MPa로 장기허용응력(
)은 0.6×
=180MPa, 단기허용응력(
)은 1.5×
(장기)=270MPa을 해 석에 적용하였으며 H-Pile SS400의 항복강도(
)는 235MPa 이므로 장기허용응력(
)은 0.6×
=140MPa을 적용하였다.한편 H-Pile의 허용 휨응력은 206MPa이며 허용 압축응력 은 H-Pile의 종류와 유효 좌굴장(
), 단면회전 반지름(
)의 비(
)에 따라 달라지므로 구조물 기초설계기준 해설에 명 시된 조건에 의하여 적용하였다.3.2 지반조건
풍화암 상단까지 시공이 가능한 Sheet Pile과 풍화암 전체 에 대하여 시공이 가능한 H-Pile의 특징을 고려할 수 있는 실제 현장의 지반조건을 참조하여 토사, 풍화토, 풍화암을 해석대상 지반으로 하였으며 각 지층의 지반정수는 도로설 계요령 등을 참조하여 지층의 대표적인 값을 Table 1과 같이 적용하였다.
지반모형은 S/H 복합파일의 거동분석에 적합하도록 자립 에 적합한 구조로 반영하여 토사 3.0～6.0m, 풍화토 1.0～
3.0m, 풍화암 3.0～5.0m 순으로 설정하였다.
3.3 구성모델 및 요소 격자망
본 연구에 적용된 수치해석 프로그램은 ITASCA사의 FLAC 3D version 3.0이며, 수치해석에 적용된 지반의 구성모델은 Mohr-Coulomb model이고 Sheet Pile 및 H-Pile은 Elastic model을 적용하였다. 또한 지반은 Geometry 요소로 구성하 였고 Sheet Pile은 Shell 요소, H-Pile은 Beam 요소로 모델링 하였으며 흙-Sheet Pile, 흙-H-Pile과 같이 서로 다른 재료의
(a) Geometry of ground (b) FDM mesh after excavation Fig. 3. Geometry of ground and FDM mesh for numerical analysis
Table 2. Conditions of numerical analysis
Analysis cases
S/H complex pile member Pile embedded depth (m)
Excavation height (m)
Number of analysis
Sheet pile H-pile
Sheet pile H-pile
Specific Spacing (m)
Case 1 S3A, S4 H250, H300, H350 0.8, 1.6, 2.4, 3.2 2.0 2.0 6.0 24
Case 2 S3A, S4 H250, H300, H350 0.8, 1.6, 2.4, 3.2 0.5 2.5 6.0 24
Case 3 S3A, S4 H250, H300, H350 0.8, 1.6, 2.4, 3.2 0.5 2.5 3.0 24
Case 4 S3A H300 0.8 0.5 2.5 2.0～6.0 3
Case 5 S3A H300 0.8 0.5 1.0～2.5 3.0 3
Case 6 S3A H300 0.8 0～1.5 2.5 3.0 3
Case 7 Equivalent Section : 4 Conditions 0.8, 1.6 0.5～2.5 m 6.0 20
경계면에는 경계면요소(Interface Element)를 사용하여야 하 나 본 연구목적이 S/H 복합파일을 설치하였을 때 지반굴착 에 따른 두 부재의 모멘트, 전단력과 변위 등에 대한 정성적 거동을 보기 위함이므로 경계면 요소는 사용하지 않고 단순 화하여 수치해석을 실시하였다.
Fig. 3은 수치해석에 적용된 지반의 Geometry와 Sheet Pile 의 Shell 요소, H-Pile의 Beam 요소의 모델링 결과를 나타낸 것이다.
3.4 S/H 복합파일 부재변화에 따른 매개변수 분석 S/H 복합파일의 거동을 알아보기 위하여 S/H 복합파일의 부재변화, 개별 근입심도, 설치간격 등의 매개변수를 변화시 킨 수치해석을 실시하였다.
수치해석은 첫 번째로 Sheet Pile과 H-Pile의 부재조합을
알아보고자 Sheet Pile은 S3A와 S4 2종류, H-Pile은 H250, H300, H350 3종류를 대상으로 해석을 수행하였다. 설치간 격은 Sheet Pile의 경우는 연속적으로 설치하는 조건이며 H-Pile은 0.8m, 1.6m, 2.4m, 3.2m(이하 0.8d, 1.6d, 2.4d, 3.2d) 로 변경하면서 해석하였고 설치심도에 따른 거동을 알아보 기 위하여 먼저 두 부재를 동일한 깊이로 설치하는 경우, Sheet Pile은 풍화암 0.5m까지 근입하고 H-Pile은 풍화암 2.5m까 지 근입한 경우를 기본으로 하고 Sheet Pile과 H-Pile의 근입 심도 변화에 따른 해석을 수행하였다. 또한 3차원 해석의 어 려움과 시간적인 한계 등을 고려하여 실무에서 쉽게 접근하 여 해석하기 위하여 S/H 복합파일을 1개의 부재로 환산하여 모델링한 경우를 분석 비교하였다.
이와 같이 파일 부재조건과 매개변수 변화에 따른 해석한 조건을 정리하여 Table 2에 나타내었다.
(a) Moment of sheet pile (b) Moment of H-pile Fig. 4. Moment of sheet pile and H-pile according to the H-pile spacing (Case 1)
(a) H-pile spacing (b) H-pile category
Fig. 5. Moment ratio according to the H-pile spacing and category (Case 1)
4. 결과분석
4.1 동일심도의 S/H 복합파일 적용(Case 1)
Sheet Pile과 H-Pile의 부재규격과 설치간격을 변경하면 서 동일한 근입심도로 설치한 S/H 복합파일에 대한 거동을 분석하여 Fig. 4에 H-Pile의 설치간격에 따른 최대 부재력을 Sheet Pile과 H-Pile 규격별로 나타내었다. Fig. 4(a)에서 보 는 바와 같이 H-Pile의 설치간격이 증가함에 따라 Sheet Pile 의 모멘트가 증가하는 경향을 보이고 있으나 Sheet Pile 모 멘트의 증가경향은 H-Pile의 규격과 관계없이 유사한 경향 을 나타내었다. 또한 설치된 H-Pile의 규격이 커짐에 따라 Sheet Pile 모멘트는 감소하는 것으로 나타났고 Sheet Pile의 규격이 S3A에서 S4로 커짐에 따라 모멘트가 약 6.4～37.7%
크게 나타났으나 이때 H-Pile의 모멘트가 19.3～38.0% 감소 하여 H-Pile의 모멘트를 Sheet Pile이 부담하는 것을 알 수 있었다. 이는 복합파일의 어느 한 부재 강성이 커지면 그 부
재의 모멘트는 증가하는 반면 다른 부재가 받는 모멘트는 감소하는 것으로 Fig. 5의 부재별 모멘트 할당 비율로 자세 히 분석 설명하였다.
Fig. 4(b)에서도 H-Pile의 설치간격 증가에 따라 H-Pile 의 모멘트가 증가하는 경향을 보이고 있다. H-Pile 모멘트는 Sheet Pile과 달리 설치간격 증가에 따라 모멘트의 증가량이 규격별로 다르게 나타나고 있으며, H-Pile의 규격이 커질수 록 Sheet Pile의 규격이 작아질수록 H-Pile의 모멘트는 증가 하는 경향을 보이고 있다. 이러한 이유는 H-Pile의 설치간격 이 증가함에 따라 S/H 복합파일의 강성이 감소하게 되며 이 로 인하여 변위와 모멘트가 증가하기 때문에 발생되는 결과 이다.
Sheet Pile과 H-Pile의 모멘트 분담 비율을 분석하기 위하 여 Sheet Pile에 작용하는 모멘트를 H-Pile에 작용하는 모멘 트로 나눠 정규화한 부재 모멘트 비율(=Mmax_Sheet Pile / Mmax_H-Pile)을 설치간격별로 Fig. 5(a)에 나타내었다. Fig.
5(a)에서 보는 바와 같이 설치간격에 따라 조합된 부재별로
(a) H-pile spacing (b) H-pile category Fig. 6. Lateral displacement of wall according to the H-pile spacing and category (Case 1)
(a) Maximum settlement of ground (b) Angular displacement Fig. 7. Maximum settlement of backfill and angular dispacement according to lateral displacement of wall (Case 1)
모멘트의 할당 비율은 변화가 없는 것으로 분석되었다.Fig. 5(b)는 부재 모멘트 비율(=Mmax_Sheet Pile / Mmax_
H-Pile)을 H-Pile의 규격에 따라 나타낸 것으로, 휨 모멘트의 거동을 지배하는 탄성계수(E)와 단면 2차 모멘트(I)를 곱한 휨 강성(EI)을 Sheet Pile과 H-Pile로 나누어 정규화한 부재 휨 강성 비율(=EI_Sheet Pile / EI_H-Pile)을 함께 도시(Fig. 5(b) 의 점선)하였다. Fig. 5(b)에서 볼 수 있듯이 H-Pile 규격이 증가함에 따라 설치간격과 관계없이 부재 모멘트 비율이 감 소하는 것으로 나타났다. 이는 H-Pile의 규격이 증가함에 따라 Sheet Pile에 작용하는 모멘트가 감소하고 H-Pile에 작 용하는 모멘트가 증가하는 것으로 부재 모멘트 비율은 부재 휨강성 비율과 유사하게 나타남을 볼 수 있다.
이러한 결과로 볼 때 H-Pile의 설치간격과 관계없이 Sheet Pile과 H-Pile 규격의 조합에 따라 부재의 모멘트 비율이 결 정되며, 이는 Sheet Pile 또는 H-Pile 어느 한 부재가 먼저 항복하여 파괴되지 않고 두 부재가 동시에 항복에 도달할 수 있는 Sheet Pile과 H-Pile 규격의 조합이 정해질 수 있는
것으로 판단된다.
Fig. 6은 Sheet Pile과 H-Pile의 조건에 따른 변위를 분석하 여 나타낸 것으로 Fig. 6(a)는 H-Pile 설치간격에 따른 벽체 의 수평변위를 나타낸 결과이다. Fig. 6(a)에서 볼 수 있듯이 H-Pile의 설치간격이 증가함에 따라 벽체의 수평변위가 증가 하는 경향을 보이고 있으며 H-Pile 변화에 따라 나타낸 Fig.
6(b)에서는 H-Pile의 규격이 증가함에 따라 벽체의 수평변위 는 감소하는 경향을 보이고 있다. 즉 H-Pile의 설치간격이 증 가하거나 H-Pile의 규격이 작아지게 되면 S/H 복합파일의 강 성이 감소하여 벽체의 수평변위는 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 7은 벽체의 수평변위에 따른 배면침하와 각변위를 비교한 결과이다. Fig. 7(a)와 같이 벽체의 수평변위와 지반 의 침하를 비교한 결과, 벽체의 수평변위 증가에 의해 배면 지반의 침하가 선형적으로 증가하였으며, Fig. 7(b)의 벽체 의 수평변위에 따른 배면지반 침하에 의한 각변위 또한 대 부분 동일한 경향으로 수평변위가 증가함에 따라 각변위의 분모가 감소하므로 각변위는 증가하는 경향을 보였다.
(a) Moment of sheet pile (b) Moment of H-pile Fig. 8. Moment of sheet pile and H-pile according to equivalent moment of inertia (Case 1)
(a) Maximum lateral displacement of wall (b) Maximum vertical settlement of ground
Fig. 9. Maximum lateral displacement of wall and maximum V-settlement of ground according to equivalent moment of inertia (Case 1)
이와 같이 Sheet Pile 및 H-Pile의 규격이나 H-Pile 설치심도 등의 변화에 따른 해석결과에 의하면 S/H 복합파일의 강 성이 증가함에 따라 벽체의 변위가 일정하게 감소하는 경향 을 보이므로 자립식 흙막이에 있어 S/H 복합파일의 강성 증 가로 벽체의 변위 제어가 어느 정도는 가능할 수 있을 것으 로 판단된다.
S/H 복합파일의 산술적인 휨강성의 비교를 위하여 Eq. (1) 과 같이 Sheet Pile과 설치간격을 고려한 H-Pile의 단면 2차 모멘트를 하나의 환산 단면 2차 모멘트 값으로 환산하였다.
환산 단면2차 모멘트 환산
당 설치간격
본당
(1)
이와 같이 S/H 복합파일의 환산 단면 2차 모멘트와 각 부재에 작용하는 모멘트를 검토한 결과, Fig. 8(a)에 나타낸 바와 같이 환산 단면 2차 모멘트가 증가함에 따라 Sheet Pile 에 작용하는 모멘트가 H-Pile 규격과 관계없이 Sheet Pile의
규격에 따라 일정하게 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한 Fig. 8(b)에서 볼 수 있듯이 H-Pile에 작용하는 모멘트도 환 산 단면 2차 모멘트의 증가에 따라 동일한 H-Pile 규격에서 는 같은 경향으로 감소되고 있다.
한편 Fig. 9에 도시한 바와 같이 환산 단면 2차 모멘트에 따른 벽체의 최대변위를 분석한 결과, 벽체의 최대변위는 환산 단면 2차 모멘트에 따라 부재의 조합과 관계없이 동일 한 경향으로 감소하는 것으로 나타났다.
이와 같이 환산 단면 2차 모멘트와 부재별 모멘트 및 변 위를 분석한 결과에서 볼 수 있듯이 환산 단면 2차 모멘트에 따라 S/H 복합파일이 일정한 경향의 거동을 보이므로 S/H 복합파일을 1개 부재의 단면 2차 모멘트로 환산하여 그의 거동을 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
4.2 근입심도 변화에 따른 S/H 복합파일 거동분석 본 절에서는 S/H 복합파일을 구성하는 Sheet Pile과 H-Pile
(a) Moment distribution (b) Shear force distribution Fig. 10. Maximum moment and shear force according to embedded depth of H-pile (0.8d, Case 5)
(a) Moment distribution (b) Shear force distribution Fig. 11. Maximum moment and shear foce according to embedded depth of sheet pile (0.8d, Case 6)
각각의 지지층 근입심도의 변화에 따른 거동을 알아보기 위하여 Sheet Pile S3A에 H-Pile H300을 설치간격 0.8m로 적 용한 조건에 대하여 지지층 근입심도를 변화시키면서 수치 해석을 수행하였다. H-Pile의 근입심도 변화 해석은 Sheet Pile은 풍화암층 근입심도를 0.5m로 고정한 조건에서 H-Pile 의 근입심도를 1.0m, 2.0m, 2.5m, 3.0m로 변화하면서 검토 를 수행하였고, Sheet Pile의 근입심도 변화는 H-Pile을 설치 간격 0.8m로 적용한 조건으로 H-Pile은 풍화암층에 2.5m 근 입하고 Sheet Pile의 풍화암 근입심도를 0, 0.5, 1.0, 1.5m로 변화하면서 해석을 수행하였다.
Fig. 10, 11에 H-Pile과 Sheet Pile의 근입심도가 증가함에 따른 Sheet Pile과 H-Pile의 부재력을 도시한 바와 같이 근입 심도가 증가함에 따라 모멘트나 전단력 등의 부재력은 거의 변화가 없는 것으로 나타났으며, Fig. 12와 같이 근입심도 변화에 따른 흙막이 및 지반변위에서도 그 영향이 거의 없 는 것을 볼 수 있다.
이러한 경향은 현재 검토된 H-Pile의 근입 조건이 비교적
안정적인 조건이므로 근입심도의 변화가 영향을 크게 주지 못하는 것으로 판단된다. 따라서 H-Pile의 근입심도를 안정 성이 확보되는 수준 이상으로 증가하여도 별다른 효과는 없 을 것으로 보여진다.
4.3 S/H 복합파일 최적 조합 제안
Sheet Pile과 H-Pile에 작용하는 모멘트를 각 부재의 단면 을 고려하여 허용응력에 대한 작용응력을 기준(=작용응력/
허용응력)으로 검토한 결과로부터 S/H 복합파일이 합리적 인 흙막이 공법이 되기 위해서는 Sheet Pile과 H-Pile의 작용 응력이 허용응력을 넘지 않는 범위에서 유사한 비율을 나타 낼 때 안정성과 경제성이 모두 확보될 것이다. Sheet Pile에 응력이 집중되어 작용응력이 허용응력에 다다르지만, H-Pile 은 작용응력이 허용응력에 한참 미치지 못한다거나 그 반대 로 H-Pile의 작용응력이 Sheet Pile보다 상대적으로 큰 경우 라도 모두 비합리적인 공법이라 볼 수 있다. 따라서 Sheet Pile과 H-Pile 모두 작용응력이 허용응력에 유사하게 접근하
Fig. 12. Displacement according to embedded depth (0.8d)
(a) Sheet pile SP-III
A(400×150×13) (b) Sheet pile SP-IV (400×170×15.5) Fig. 13. Stress ratio according to S/H member category
는 조합이 S/H 복합파일 공법의 최적조합이라 할 수 있다.
Fig. 13에 Case 별로 분석된 S/H 복합파일에서 Sheet Pile 의 응력비와 H-Pile의 응력비를 Sheet Pile 규격에 따라 분류 하여 나타내었다. Fig. 13(a)에서 보는 바와 같이 Sheet Pile SP-IIIA(400×150×13) 적용 시에는 H-Pile 250×250×9×14가 가 장 유사한 허용응력비를 보이고 있으며, Fig. 13(b)의 Sheet Pile SP-IV(400×170×15.5) 적용 시에는 H-Pile 350×350×12×19 적용 시 두 부재가 유사한 허용응력비를 보이는 것으로 나타났다.
따라서 본 연구에서는 S/H 복합파일의 합리적인 최적의 부재조합으로 다음과 같은 Sheet Pile과 H-Pile의 조합을 제 안하고자 한다.
① Sheet Pile SP-IIIA(400×150×13) & H-Pile 250×250×9×14
② Sheet Pile SP-IV(400×170×15.5) & H-Pile 350×350×12×19
4.4 환산단면을 적용한 수치해석 및 비교(Case 7) 3차원 수치해석은 해석상 어려움과 시간적인 한계 등에
의하여 그 활용성이 매우 낮을 것으로 보여 실무에서 보다 쉽게 접근하여 해석하기 위해서는 1개의 부재로 환산하여 한계평형해석 등의 일반적인 해석방법으로 적용하는 것이 필요하다.
따라서 S/H 복합파일을 Sheet Pile과 H-Pile을 각각 모델 링하는 경우와 환산단면을 이용하여 모델링하는 경우를 비 교･분석하여 S/H 복합파일을 하나의 부재로 모델링하는 방 법에 대하여 검토하였다.
S/H 복합파일을 환산 단면 2차 모멘트를 사용하여 1개의 규격으로 환산한 결과, S/H 파일의 부재력과 변위 등의 거동 을 비교적 잘 나타낼 수 있는 것으로 나타났는데 이는 S/H 복합파일의 거동이 탄성적, 수평적 거동으로 적용하였기 때 문인 것으로 본 절에서도 환산 단면 2차 모멘트를 이용한 방 법을 적용하였다. 그러나 S/H 복합파일은 Eq. (1)을 이용하 여 환산단면 부재를 결정할 수 있으나 Sheet Pile과 H-Pile의 근입심도가 다른 S/H 복합파일 적용을 검토하기 위한 환산 단면 적용 시 어느 근입 심도까지 적용해야 하는 문제로써
(a) Maximum moment error (b) Maximum lateral displacement error Fig. 14. Comparison of numerical error for embedded depth of equivalent section (Case 7)
Table 3. Results of analysis for embedded depth of equivalent cross section (Case 7)
Cases Sheet
pile H-pile H-pile
spacing
Exca.
height (m)
Embedded depth (m)
Error (%) Maximum
moment
Max.
lateral disp.
Max. angular disp.
of ground
Case 2
S3A-H300-1.6d S3A H300 1.6 6.0 m
0.5 3.3 23.6 10.4
1.0 0.5 6.1 1.6
1.5 0.2 3.7 1.0
2.0 0.2 12.9 1.1
2.5 0.5 18.3 1.4
Case 2
S4-H350-0.8d S4 H350 0.8 6.0 m
0.5 3.5 40.5 18.7
1.0 2.7 9.9 2.9
1.5 0.3 5.6 5.4
2.0 0.5 15.0 7.6
2.5 1.8 22.4 9.2
Case 3
S3A-H300-1.6d S3A H300 1.6 3.0 m
0.5 0.8 15.2 1.5
1.0 0.5 6.5 0.9
1.5 0.1 1.7 0.2
2.0 0.2 9.1 1.1
2.5 0.3 18.6 1.9
Case 3
S4-H350-0.8d S4 H350 0.8 3.0 m
0.5 2.6 0.7 13.1
1.0 2.1 0.0 4.3
1.5 0.4 0.2 4.5
2.0 1.0 0.9 30.2
2.5 1.3 3.1 49.3
Sheet Pile은 지지층 근입이 짧게 이루어지고 H-Pile은 지지 가 가능하도록 비교적 깊이 근입되므로 1개의 흙막이 규격 으로 환산하여 적용할 경우 얼마의 근입심도로 적용해야하 는지 결정해야 한다.
환산단면의 근입심도 결정을 위하여 몇 가지 조건에 대하 여 Sheet Pile과 H-Pile을 각각 모델링한 경우와 S/H 복합파 일을 1개의 흙막이 벽체로 환산하여 적용하면서 근입심도 를 변경하는 경우에 대하여 비교･분석하였다. 근입심도 비 교를 위한 해석조건은 Sheet Pile은 풍화암 0.5m에 근입하고 H-Pile은 풍화암 2.5m에 근입하였다. 여기에 Sheet Pile과 H-Pile의 부재를 변경하고 H-Pile 설치간격과 굴착깊이를 변 경하면서 아래 4가지 조건을 선정하였다.
근입심도 비교 해석조건은 Sheet Pile S3A에 설치간격 1.6m 의 H-Pile H300을 조합하여 굴착을 3.0, 6.0m까지 진행하는 조건들과 Sheet Pile S4와 설치간격 0.8m의 H-Pile H350에서 굴착을 3.0, 6.0m로 진행하는 조건으로 검토를 진행하였다.
전술한 바와 같이 Sheet Pile과 H-Pile을 각각 모델링한 경우와 S/H 복합파일을 단면 2차 모멘트로 환산하여 1개의 흙막이 벽체로 가정한 경우를 해석하여 부재에 발생하는 최 대모멘트와 벽체의 수평변위, 배면지반의 각변위의 오차 분 석 결과를 Table 3과 Fig. 14에 정리하였다.
Table 3에서 보는 바와 같이 최대모멘트는 환산단면의 근 입조건에 따라 Sheet Pile과 H-Pile을 각각 모델링한 경우에 비하여 0.1～3.5%의 오차를 보이고 있으며 수평변위는 0～
40.5%의 오차를 보인다. 또한 배면지반의 각변위는 0.2～
49.3%의 오차가 나타나고 있다. Fig. 14는 환산단면 근입심 도에 대한 최대발생모멘트와 수평변위량에 대한 오차를 도 표로 나타낸 것으로써 1.5m 심도에서 3가지 검토조건의 오 차가 가장 낮아지는 것으로 나타나, Sheet Pile과 H-Pile 모 두 다른 근입심도를 갖고 있으나 지지층에 근입되었다는 조 건에서 Sheet Pile 근입심도와 H-Pile 근입심도의 산술적 평 균값을 적용하는 것이 검토 대상의 오차를 가장 줄일 수 있 는 방법으로 판단된다.
5. 결 론
본 논문에서는 Sheet Pile의 풍화암과 같은 지반에서 항타 관입성 한계를 극복하기 위하여 Sheet Pile과 H-Pile을 혼합 하여 흙막이 벽체로 사용할 수 있도록 S/H 복합파일 공법을 개발하고 그의 거동을 분석하기 위한 3차원 유한차분의 수 치해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) Sheet Pile의 암반 항타관입이 불가능하거나 관입을 위 하여 별도의 공법을 적용해야 하는 지층에 대하여 H-Pile 을 맞대어 지지층 관입을 H-Pile이 담당하게 함으로써 차수가 가능한 효과적인 흙막이 벽체로써 S/H 복합파일 공법을 제안하고 그의 사용이 가능함을 확인하였다.
(2) Sheet Pile과 H-Pile을 혼합한 S/H 복합 부재의 효율성을 위해 두 부재가 동시에 허용응력에 도달하거나 같은 응 력비를 갖는 것을 분석한 결과, 이 조건을 만족하는 기 성제품의 조합으로 아래와 같이 2개를 제안한다.
① Sheet Pile : SY-300의 SP-IIIA(400×150×13), H-Pile : SS400의 H-250×250×9×14
② Sheet Pile : SY-300의 SP-IV(400×170×15.5), H-Pile : SS400의 H-350×350×12×19
(3) S/H 복합파일에서 두 부재의 수평변위 거동은 동일하게 나타났으며, 수평변위와 배면지반의 침하량 및 각변위 는 일정한 관계를 갖는 것으로 분석되었다. 특히 복합파 일의 수평변위가 증가함에 따라 배면지반의 침하량은 지반조건이 동일한 경우 사용 부재의 규격에 관계없이 선형적으로 증가하는 관계로 나타났다.
(4) S/H 복합파일 중 Sheet Pile의 근입심도가 안정성에 미 치는 영향은 작은 것으로 나타나 Sheet Pile은 지지층 내 관입이 가능한 위치까지만 설치하여도 차수 및 벽체강 성 증가의 목적을 달성할 수 있을 것으로 분석되었다.
(5) S/H 복합파일의 해석을 위하여 Sheet Pile과 설치간격이 고려된 H-Pile의 단면 2차 모멘트를 산술적으로 합산한 단면 2차 모멘트로 환산하여 해석하는 방법은 최대모멘 트 및 수평변위, 배면침하량 등의 분석에 있어 동일한 결과를 분석할 수 있는 것으로 확인되었다.
이를 종합하면 S/H 복합파일 시공방법은 Sheet Pile 흙막 이 벽체 시공 시 가장 큰 비중을 차지하는 암반 천공 수량과 시간을 줄일 수 있으므로 기존 시공법에 비해 비용 및 공사 기간 단축 효과가 우수할 것으로 생각된다. 그러나 본 연구 가 S/H 복합파일의 거동분석에 적합하도록 지반모형을 구 성하였고, 수치해석 시 경계면요소(Interface Element)를 사 용하지 않은 제한적 연구결과이므로 실제 조건 적용 시 이 러한 점을 고려하여 기초자료로 활용해야 할 것이다.
References
