압밀도에 따른 굴착시 흙막이벽 수평변위에 관한 연구
A Study on the Lateral Deformation of Retaining Walls during Excavation with Degree of Consolidation
변 요 셉 1) ･ 최 동 찬 1) ･ 신 승 진 2) ･ 천 병 식 †
Byun, Yoseph ･ Choi, Dongchan ･ Shin, SeungJin ･ Chun, Byungsik
ABSTRACT : This paper holds three objects. The first is to analyze surveys of concerning zone and promotion department. The data were collected through an examination of construction excavated in coastal soft (marine) clay and measurements obtained during excavating construction. The second is to observe the appropriate selection and the application of support system on earth retaining wall in soft clay. Lateral deformation behavior during the excavating construction according to the differences in a soft ground pressuring degree was investigated. The third is to compare the results with those of numerical analysis. Therefore, the purpose of this study is to analyze the characteristics of lateral deformation when soft ground improvement for the expansion of infrastructure in object of study zone has been incompleted. Also, it is to identify the relationship between the degree of consolidation of soft ground and lateral deformation, in a method of displacement quantity in compliance with the numerical analysis and a quatitative analysis.
In conclusion, displacement of excavated section after consolidation was fewer 60% averagely than section under consolidation.
Keywords : Soft clay, Degree of consolidation, Lateral deformation, Excavation
요 지 : 본 연구에서는 해안인접지역에 위치하는 연약(해성)점성토지반에서 이루어지는 굴착공사의 조사, 설계 및 연약지반과 굴 착공사 시공 중 계측관리를 통하여 수집된 연구지역의 실측데이터를 분석하여, 연약점성토에 사용되는 흙막이벽과 지지공법의 선정 및 적용성, 연약지반 압밀정도에 따른 굴착공사 진행 중 변위크기와 형태 등을 관찰하고 이를 수치해석 결과와 비교하고자 하였다.
이를 위해 본 연구에서는 연구대상지역의 기반시설 확충을 위한 연약지반 처리가 완료되지 않은 상태에서 굴착공사가 진행될 때 발생된 수평변위의 특성을 분석하였으며, 이를 수치해석에 의한 변위량과 정량적인 비교를 통하여 굴착 공사시 연약지반의 압밀도 가 수평변위에 미치는 연관성을 규명하였다. 그 결과, 압밀이 완료된 후 굴착공사를 진행하는 경우가 압밀중인 구간에 비하여 평균 적으로 60% 이하의 변위만 발생하는 것으로 분석되어졌다.
주요어 : 연약지반, 압밀도, 수평변위, 굴착
1) 정회원, 한양대학교 공과대학 대학원 박사과정 한국지반환경공학회 논문집
제10권 제7호 2009년 12월 pp. 43～51
1. 서 론
연약지반은 일반 흙에서 관찰되지 않은 특별한 공학적 문제들을 보유한 지반으로서 압축성이 크고 그 현상 또한 시간 의존적이며 강도도 작고 교란에 의한 강도감소 현상도 크게 나타나는 특성을 가지고 있다. 연약지반에 대한 인식 이 생활속에서 현실화 되면서 이것에 대한 특성의 연구가 활발히 진행되어 기초적인 특성으로부터 고급의 이론적인 분야에 이르기까지 괄목할 만한 발전을 이루어왔다. 국내외 적으로 진행되고 있는 연약지반에 대한 최근 연구동향은 연 약지반의 공학적 특성 규명 분야, 연약지반의 이론개발 분 야, 연약지반의 개량분야로 나눌 수 있다. 최근들어 매립, 간척된 연약지반에 대단위 택지개발이나 기반시설들의 확
충이 빈번하게 이루어지는 여건에서 연약지반의 주성분인 해성점성토층이 매립 층 하부에 그대로 존재하므로 굴착 및 흙막이 시공시나 구조물 기초 생성시 연약지반이라는 취약 점을 안고 있다. 본 연구에서는 매립지의 도심화에 따라 연 약매립층에 대단위 도시개발사업이 진행 중인 인천 소래･
논현지구 연약지반처리와 흙막이 굴착공사에서 계측된 데
이터 및 자료, 시공 자료 등을 통하여 연약지반에서 압밀도
가 굴착과정 중 흙막이 벽체의 수평변위에 미치는 영향을
검토하여 합리적이고 경제적인 설계방안을 제시하고 적절
한 시공기준을 마련하고자 하는데 그 배경이 있다. 본 연구
는 연약점성토지반에 기반시설 확충을 위한 연약지반처리
공법과 흙막이벽을 설치하여 굴착공사를 시행한 현장을 대
상으로 하고 있다. 특히 흙막이구조물에 관한 토압작용, 변
그림 1. 모래와 점토의 압축곡선(김상규, 2006) 그림 2. 압밀도 구하는 방법(백영식, 2007) 위예측 등은 국내의 많은 연구에서 다루어졌으나, 배면지반
이 연약지반이면서 압밀과정 중인 상태에서 이루어지는 굴 착공사에 따른 흙막이벽의 수평변위나 배면지반에 미치는 영향을 이론적 배경으로만 예측하거나 산정하는 것은 타당 치 못한 결과를 가져올 것이다 . 그러므로 본 연구에서는 연 약지반에서 흙막이구조물의 설계시 연약지반 압밀상태를 고려한 합리적이고 경제적인 설계방안을 연구하여 제시하 고자 하였으며, 이를 위해 본 연구에서는 연약지반 현장으 로 부터 지반조사, 설계, 계측자료를 수집하여 압밀도에 따 른 흙막이구조물의 안정성을 판단할 수 있는 정량적인 기준 에 대하여 고찰하였다 .
2. 이론적 고찰
2.1 압밀이론
2.1.1 개요
일반적으로 모든 흙은 압축성물질이다. 즉 흙이 하중을 받으면 체적이 감소한다. 공학적으로 보면 흙 입자와 물은 비압축성이므로 이러한 체적의 감소는 흙 입자 사이의 간극 을 차지하고 있는 공기가 압축되거나 또는 간극속에서 물이 빠져나가기 때문이라고 할 수 있다. 만일 흙이 하중을 받기 전부터 물로 완전히 포화되어 있었다면 압축이 일어나기 전 에 먼저 물이 빠져나가야 한다 . 이때의 압축속도는 물이 얼 마나 빨리 빠져나갈 수 있느냐에 달려 있다 . 그림 1은 모래 와 점토의 압축곡선을 보이고 있다 . 이 두 곡선에 근본적으 로 차이가 생기는 것은 모래와 점토의 간극비와 투수계수가 각각 다르기 때문이다 . 모래는 점토에 비해 간극비가 작으므 로 압축량이 작을 뿐만 아니라 투수계수가 커서 물이 순간 적으로 빠져 나가기 때문에 압축이 빨리 끝난다. 실제로 모 래지반에서는 하중을 가하는 기간, 즉 건설 도중에 침하는 거의 모두 일어난다. 느슨한 모래 지반은 간극비가 크므로 침하량을 미리 줄일 수 있다 . 반면, 점토는 오랜 기간에 걸쳐
압축될 뿐만 아니라 , 침하량은 모래에 비해 대단히 크다. 이 것은 점토의 간극비가 크고 투수계수가 작기 때문이다.
위에서 언급한 바와 같이 사질토의 침하는 점토에 비해 대단히 작고 거의 순간적이기 때문에 일반적인 구조물에 있 어서는 이것을 별로 문제 삼지 않는다. 그러나 이것을 특별 히 고려해야 할 중요한 구조물에 대해서는 탄성론으로부터 유도된 공식에 의해 침하량을 산정할 수 있다.
2.1.2 압밀도
하중 작용 후 주어진 시간까지 압밀층내에 깊이 z의 압밀 진행 정도를 압밀도라 한다. 압밀의 진행정도는 과잉간극수 압의 소산정도로 나타낸다. 그리고 과잉간극수압 소산 정도 란 압밀 완료시까지 소산되어야 할 과잉간극수압에 대한 주 어진 시간까지 소산된 과잉간극수압의 비이다. 압밀 완료시 까지 소산되어야 할 과잉간극수압의 크기는 초기 과잉간극 수압과 같고 주어진 시간까지 소산된 과잉간극수압은 결국 초기 과잉간극수압에서 그때의 과잉간극수압을 뺀 값과 같 다. 따라서 압밀도는 다음의 식 (1)과 같이 정의된다.
(1)
여기서,
는 압밀도
압밀도는 어떤 시간 t가 경과한 후의 어떤 지층 내에서의 압밀의 정도를 표시한다. 여기서 식 (2)에서와 같이 압밀도 는 시간계수의 함수로 표시할 수 있다.
∞
(2)
를 식 (2)에서 직접 계산하는 것은 대단히 번거로우므
로 실용상으로는 그림 2에서
를 구한다 (백영식, 2007). 그
림 2는 점토층의 깊이에 따른 압밀도와 시간계수 사이의 관
계를 보여주고 있다.
그림 3. 평균압밀도 시간계수곡선 그림 4. 변위와 토압과의 관계(천병식, 1998) 식 (2)로 표시되는 과잉간극수압은 시간계수 T의 함수이
고 , 또한 시간계수는 압밀시간 t의 함수라는 것을 알 수 있 다 . 따라서 지표에 작용하는 하중으로 생긴 과잉간극수압은 Terzaghi(1967)의 모델로 설명한 바와 같이 시간의 경과에 따라 천천히 소실된다.
2.1.3 평균압밀도와 시간계수와의 관계
어느 시간 t에서 지층의 깊이에 따른 과잉간극수압의 분 포는 sin곡선을 보이므로, 압밀도는 지층의 깊이에 따라 다 르다 . 그러나 우리가 실제로 공학적으로 관심을 가지게 되는 것은 각 깊이에서의 압밀도이기 보다 이것을 합하여 평균을 취한 점토층 전체의 압밀도이며 , 이것을 평균압밀도(average degree of consolidation)라고 한다. 따라서 평균압밀도는 식 (3)과 같이 표시할 수 있다.
(3)
식 (3)에 식 (2)를 대입하면 식 (4)와 같다.
∞
(4)
식 (4)를 보면 평균압밀도는 시간계수 T의 함수로서 표시 될 수 있음을 알 수 있다. 이식은 과잉간극수압이 깊이에 따 라 일정하게 분포된 경우에 대한 해이며 , 이 관계는 그림 3 의 곡선 (1)로 나타낼 수 있다. 곡선(2)와 (3)은 경계조건이 이 와 다른 경우에 대해 얻어지는 것이다 .
식 (5)의 평균압밀도와 시간계수와의 관계식은 다음과 같 이 근사적인 식으로 표시 될 수도 있다.
(5)
(6)
한편, 과잉간극수압이 모두 소산되면 더 이상의 침하가 없고 또한 과잉간극수압의 소산에 비례하여 침하가 발생한 다고 가정하면 , 평균압밀도는 식 (7)에서 보는 바와 같이 침 하량의 함수로서도 나타날 수 있다 .
(7)
여기서, S
ct=어느 시간에서의 침하량 S
c=전압밀침하량
2.2 흙막이 이론
2.2.1 흙막이벽의 토압이론
흙막이 구조물의 거동을 예측하기 위해서는 벽면에 적용 하는 횡방향의 토압의 크기와 분포를 먼저 알아야 하고 변 위도 고려해야 한다 . 이를 위해서 흙의 응력과 변위 관계식 을 결정한 다음 주어진 경계조건에 따라 평형 및 적합조건 을 만족시키는 탄소성학적 해를 추구하여야 한다 . 그러나 대 체로 큰 변위를 전제로 하는 굴착 흙막이벽 문제에 있어서 이러한 완벽한 해를 얻기는 거의 불가능하다 . 실제로 굴착 흙막이벽에 있어서 주된 관심의 대상은 흙막이벽 앞 뒤쪽에 위치한 흙의 극한상태에서의 횡방향 압력분포이다.
흙막이 벽에 작용하는 토압의 크기는 그림 4와 같이 흙막
이 벽의 변위에 의해서 변한다 . 흙막이 벽에 응력변형이 발
생하는 것은 굴착에 의해서 흙막이 벽의 좌우토압이 불균형
하게 되기 때문이다. 즉 굴착 전 상태에 있어서는 흙막이 벽
의 양층에 동일한 크기의 정지 토압이 작용하고, 벽의 응력
변형은 0이 되지만 한쪽 면을 굴착하게 되면 굴착된 토괴로
부터 토압이 제거되기 시작해서 그림 4와 같이 굴착측(수동
측)과 굴착 배면측(주동측)의 응력상태가 동일화 되지 않으
그림 5. 지반굴착에 따른 각종 거동현상
그림 6. 견고한 점토, 잔류토, 모래지반에 형성된 흙막이 벽의 최대 수평 변위량(Clough et all, 1990)
그림 7. 점토지반의 흙막이 벽에 대한 최대수평변위 산정도표(Mana et all, 1981)
므로 변형이 발생하게 된다 . 굴착 전의 토압을 정지토압이라 하고 굴착에 의해 흙막이 벽에 변형이 발생하면 굴착 배면 측 토압은 흙막이 벽에 따라 감소하며 최종적으로는 주동토 압이 되고 , 굴착면측의 토압은 굴착에 의한 연직응력의 감소 에 따른 토압의 감소와 흙막이 벽의 변형에 따른 토압증가 의 합력으로서 변화하여 최종적으로는 수동토압이 된다.
2.2.2 흙막이벽의 지반거동
대부분의 지반굴착은 그 규모나 심도에 따라 정도의 차이 는 있겠지만 반드시 인접지반의 거동과 침하를 유발한다. 이 와 같은 지반거동현상은 지반조건과 지하수 변화 등의 영향 을 가장 크게 받지만 그 외에도 흙막이 구조물의 종류 및 강 성, 시공방법, 시공기술수준, 주변 지형지세 및 여건 등 복합 적으로 작용하고 있다 . 그림 5는 지반굴착에 따른 여러 거동 을 나타낸 것으로 흙막이 벽체의 주된 거동은 흙막이 벽체 변위에 따른 배면지반의 침하 , 굴착저면의 히빙과 파이핑 문 제 , 흙막이 벽 사이로 배면 지하수와 함께 유출되는 토사에 의한 지반손실 , 천공 및 굴착에 의한 진동에 따른 지반 침하 등을 들 수 있다.
또한 지반조건과 벽체의 강성 변화에 따라 상부 버팀이 시공된 후 벽체의 수평변위와 인접 지표면의 침하형태를 나 타낸다 . 벽체의 강성에 따라 벽체의 수평변위가 다른 크기로 일어나므로 결국 토압의 분포는 벽체 강성에 의하여 영향을 받는다 . 일반적으로 벽체가 강성하면 토압의 분포는 삼각형 분포로 된다 . 그러나 벽체가 연성이면 벽체의 수평변위는 굴 착 깊이가 깊어질수록 점차적으로 증가하며 그 변위량은 지 반의 종류와 굴착 깊이 및 작업 기술에 따라 다르다 . 굴착부 상단의 변형이 작으면 거의 정지토압이 되지만 굴착바닥부 분에서 벽체의 변형이 크면 바닥부근에서 정지토압보다 작
은 토압이 걸리므로 수평토압은 일정한 분포로 되지 않는다 .
2.2.3 흙막이벽의 거동
굴착에 따른 흙막이 벽의 최대 수평변위에 대한 연구는 지속적으로 이루어져 왔으며, 그 중 Clough(1990)등은 견고 함 점토 , 잔류토 및 모래지반의 경우에 대해 벽체의 최대 수 평변위와 굴착 깊이 사이의 관계를 그림 6과 같이 나타내었 다 . 그림 6에서 보는 바와 같이 평균적으로 벽체의 수평변위 는 굴착 깊이에 약 0.2% 정도이나 0.5% 이상 되는 특별한 경우도 있음을 밝히고 있다 . 또한 발생되는 수평변위의 크기 는 흙막이 벽체의 종류에는 그다지 상관없음을 알 수 있다.
또한 Mana(1981)등은 다양한 실제 시공 자료를 분석하여 저 부파괴(굴착저면 융기현상)에 대한 안전율과 벽체의 수평방 향 최대변위와의 관계를 그림 7과 같이 제시하였다.
3. 현장개요
본 연구는 서해안의 소래포구에 접하여 있어 평균 10m
내외의 해성점토층이 존재하며 그림 8에서와 같이 N치 6이
하인 연약층도 비슷한 층후로 분포하는 상태이다. 연약지반
처리를 위한 공법으로는 PBD 와 Pre-Loading 공법을 적용
하여 6~12개월의 처리기간을 가지도록 설계되었다. 굴착 및
중로2-17 중로2-10
중로2-12
대로2-1(3) 소로1-9(2)
소로1-10(1) 소로1-10(3)
소로1-5(1)
중로1-2
소로1-3(2)
소로1-1(1) 소로1-1(3)소로1-2(2)
중로2-2
중로2-2 중로1-1(3) 중로1-1(2) 중로1-1(1)
유1
문화2 단5
단6 단4
단8
단9 단10
초2 단3
중2
단11 단12 종2
청1
공동JBL
근3 근2
공동KBL 초4
유3 고3
완14-1 완14-2
주3
중4 근린5 초3
고2
중3
연립BBL 유2
공동DBL 공동CBL
근4-1 상2 상1
주1
상3
공동HBL 청2
초5 종3
초6 주2
근6 상4
상5 종4
완16 공동EBL
유4
완18-1 상10 완18-2
근8
근9 상8-1 근7
상7 상6
주4
상12
근10
상11 주6
중로1-1(4) 대로2-1(2)
소로1-20소로1-19
소로1-17소로1-18 중로3-4중로2-20(3)
중로2-20(2) 중로2-19
중로2-22(1)중로3-6 중로3-7 중로2-23
중로2-22(3)
중로2-22( 2)
중로2-20(1)
중로1-7
중로3-5
중로3-8
연립ABL 유원지2
유원지3 종1 초1
단13 중1
공동LBL 고1
단1 단2
단7
N
상8-3
주5
광장3상9-1 상8-2
상8-4
상9-2 공동FBL
공동GBL 공동IBL
근린공원3
근린공원4 어7
완15 완17
어8
광장2
완19 근4-2
광장1
어5
어2
완8 완9
완10 완12
완13
어6
완11-1 완11-2
어3 경1
경2
완3 완4
완5 완6 완7
어1 근린공원2 근린공원2
근린공원1
중로3-3
유수지
대로3-1
유원지 1-1
유원지 1-2
유원지 1-3
유원지 1-4
유원지 1-5 유원지 1-6 유원지 1-7 유원지 1-8 유원지 1-9 유원지 1-10 유원지 1-11 유원지 1-12
유원지 1-13 중로1-1(5) 중로1-1(5)
중로1-2 중로1-2
중로1-2
중로2-9
소로1-12
중로1-4
소로1-9(1)
대로2-1(1) 중로2-10 중로2-13중로2-15 중로2-12 소로1-13
소로1-14
소로1-15중로
2-11중로2-17
소로1-16
중로2-16
중로2-14
광로3-1
중로2-18
중로2-1
중로2-3
중로2-4중로3-1
중로2-5 소로1-4(2) 중로2-7 소로1-8
중로1-3
중로1-5
대로3-1
소로1-7
중로2-6 중로1-6
중로3-2
1단계
그림 8. 현장개요 및 연약지반 분포도
연구지역 A
연구지역 B
그림 9. 연구지역의 압밀도
흙막이공법은 부지여유폭이 많은 경우 오픈컷(Open Cut)과 H-Pile-흙막이판공법을 적용하였으며, 연약지반처리가 진행 중이거나 활용부지가 부족할 경우에는 H-Pile-흙막이판에 강널말뚝(Sheet Pile)공법을 추가 적용하였다.
4. 압밀도 및 계측결과
4.1 연구지역의 압밀도
그림 9에서 보듯이 연구지역의 압밀도는 A지역에서 89.7~
96.6%로 연약지반처리가 완료되었으며, B지역에서 압밀도 는 75.6~83.8%로 굴착공사가 진행 중인 시점에서 연약지반 도 처리 중인 상태임을 알 수 있다.
4.2 굴착에 따른 수평변위
A지역에서 4구간을 선정하여 굴착공사 중 측정된 지중수 평변위를 측정하였는데, 측정결과 19.90~36.24mm로 나타났
다. 변위 발생양상은 그림 10에서와 같이 계측기 설치 최하 단을 부동점으로 볼 때 최상단에서 최대변위값이 발생한 것 으로 나타났으며 , 이는 자립식 흙막이 형태로 시공된 흙막이 벽체가 구조적으로 캔틸레버와 같이 거동하였고, 굴착 대상 지층 또한 연약 점성토로 구성되어 있기 때문이다 . B지역에 서도 4구간을 선정하여 굴착공사 중 지중수평변위를 측정하 였고, 그 결과 지중수평변위는 그림 11에서 보는바와 같이 46.97~56.20 mm로 연구지역 A지역에서의 변위와 마찬가지 로 최상단에서 최대변위값이 발생하였다 .
4.3 압밀도가 수평변위에 미치는 영향
연구대상지역의 시공 중 실측데이타를 수집하여 분석한
결과, A지역의 경우 굴착심도가 G.L(-)2.91~5.20m로 더 깊
지만 누적최대수평변위는 19.90mm~36.24mm가 발생되었
다. 반면 B지역은 굴착심도가 G.L(-)2.51~2.56m로 얕은 데
누적최대수평변위는 46.97mm~56.20mm로 평균20mm 이상
이 더 발생되었다 . 이러한 결과는 A지역은 굴착 배면측 연
(a) A지역(1) (b) A지역(2)
(c) A지역(3) (d) A지역(4)
그림 10. A지역에서 지중수평변위 계측 결과 그래프
(a) B지역(1) (b) B지역(2)
(c) B지역(3) (d) B지역(4)
그림 11. B지역에서 지중수평변위 계측 결과 그래프
표 1. 수치해석에 적용한 지반물성치
구 분 A지역 B지역
원지반상태 압밀진행후 원지반상태 압밀진행후
압밀도(U)
(%) - 95 - 80
성토고(H)
(1단계, m) - 2.9 - 2.3
강도증가율(m) - 0.21 - 0.21
전단강도(Cu)
(kN/m
2) 2.5 12.9 2.5 9.4
내부마찰각(Ø) 20 20 20 20
표 2. 수치해석 결과
구 분 A지역 B지역
원지반상태 압밀진행후 원지반상태 압밀진행후
최대수평변위(mm) 38.1 23.7 50.1 34.5
(a) A지역 수평변위 (b) B지역 수평변위
그림 13. 수치해석 결과
A A
A B
B B
B A
