지반굴착에 따른 흙막이벽 우각부 모서리 구간의 침하특성에 대한 실험 연구
An Experimental Study on the Settlement Characteristics of the Corner of Earth Retaining Wall According to the Ground Excavation
윤원섭1, 조철현2, 조영권3, 채영수4*
Won-Sub Yoon1, Chul-Hyun Cho2, Young-Kweon Cho3, Young-Su Chae4*
1Nonmember, Doctor of Philosophy, Dept. of Civil Engineering, The University of Suwon, Wau-ri, Bongdam-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, 445-743, Republic of Korea
2Nonmember, C.E.O, Bokang Engineering, Garak-dong, Songpa-gu, Seoul, 138-160, Republic of Korea
3Nonmember, Researcher, Korea Rural Community Corporation, Sa-dong, Sangnok-gu, Ansan-si ,Gyeonggi-do, 426-908, Republic of Korea
4Member, Professor, Corresponding author, Dept. of Civil Engineering, The University of Suwon, Wau-ri, Bongdam-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, 445-743, Republic of Korea
ABSTRACT
The experiment of model soil structures has been executed for the soil retaining wall in various conditions of excavation, in this study, to analyze the behavior of the corner of opening. The ground for experiment has been constituted with the sandy soil of relatively loose density, the construction condition has been divided into the opening length of corner, embedded depth, existence of strut, etc., and the excavation has been carried out for 4 stages in total. The behavior characteristics at the corner of opening area has been verified by concentrate analysis of the displacement of wall and the subsidence of ground surface, for each construction and excavation condition, using the measuring instrument mounted inside the model soil structure. In the result of experiment, it has been analyzed that the opening area of corner is unstable structurally compared to the linear area, as it shows that the wall displacement and subsidence of ground surface have been increased when the opening length of corner gets longer. The longer the embedded depth, ground surface settlement of coner was decreased 40%. To apply deeper embedded depth than designed estimate was an advantage in the safety. As a result of the analysis of coner behavior with added struts, maximum surface settlement and maximum horizontal displacement was evaluated 40% and 30%, respectively. Hence increased embedded depth with the added struts in coner edge was effective in the safety.
요 지
본 논문은 다양한 굴착조건으로 모형실험을 실시하여 흙막이 벽체 우각부 구간의 거동에 대해 분석하였다. 실험대상 지반은
느슨한 상태의 모래지반으로 구성되었다. 실험의 시공조건은 우각부 길이, 근입깊이, 버팀대의 시공 유 ․ 무 등으로 구분하고
굴착은 총 4단계로 굴착하였다. 각각의 시공 및 굴착조건에 대해 모형토조 내 설치된 계측기를 이용하여 벽체변위 및 지표침하
를 중점적으로 분석함으로써 우각부 모서리의 거동특성을 규명하였다. 실험결과 우각부의 길이가 길어질수록 벽체변위와 지표 침하가 증가되어 직선구간에 비해 우각부구간이 구조적으로 불안한 구간으로 분석되었다. 근입깊이가 길어질수록 우각부 모서 리구간의 지표침하가 약 40% 억제되는 것으로 나타나 설계 시 예상치보다 근입깊이를 증가시켜 적용하는 것이 안정성 확보에 유리하였다. 버팀대 추가 설치하여 우각부 모서리구간의 거동을 분석한 결과 최대지표침하는 약 40%, 최대수평변위는 약 30%의 감소효과가 있어 설계 시 우각부 모서리 구간에 근입깊이의 증가와 함께 버팀대를 추가 설치하는 방안이 안정성 확보에 효과적이었다.
Keywords : Retaining wall, Soil structure experiment, Coner area length 한국토목섬유학회논문집 제12권 2호 2013년 6월 pp. 55 ∼ 66
J. Korean Geosynthetics Society Vol.12 No.2 June. 2013 pp. 55 ~ 66
DOI: http://dx.doi.org/10.12814/jkgss.2013.12.2.055 ISSN:1975-2423(Print) ISSN: 2287-9528(Online)
Received 24 Apr. 2013, Revised 10 Jun. 2013, Accepted 11 Jun. 2013
*Corresponding author
Tel: +82-31-220-2318; Fax: +82-31-220-2522 E-mail address: [email protected] (Y. S. Chae)
1. 서 론
최근 고도의 경쟁성장과 도시로의 인구집중 현상은 도 심지 신축 구조물의 고층화와 조밀화를 유발하였고 기존 구조물에 인접한 근접시공을 불가피하게 하고 있으며 지 하공간의 활용이 반드시 필요한 실정이다. 대형건물의 주 차용 지하실 구축 및 지하철 건설에 따른 굴착공사가 그 대표적인 예인데 그 규모도 대형화되어 있을 뿐 아니라 굴 착 깊이도 매우 깊어 안전한 시공을 위한 흙막이 구조물의 설계에 대한 연구가 증가하고 있는 실정이다. 또한 인구와 고층건물이 밀집된 도심지에서 흙막이 벽체 및 주변지반 의 과도한 변형거동은 인접 건물의 균열, 지하 매설물의 파괴 및 시공 중 흙막이 벽체의 붕괴로 인한 막대한 인적 및 물적 피해를 야기시킬 수 있다. 따라서 토류벽체 및 인 접 구조물의 안정과 경제적인 시공에 대한 종합적인 계획 수립이 불가피하게 되었다.
흙막이 벽체에 작용하는 토압에 대한 연구는 오래 전부 터 매우 활발히 진행되어 왔다. Coulmmb과 Rankine 등은 강성벽체에 작용하는 토압이론에 대하여 연구하였고, 그 후 Terzaghi & Peck(1941)는 버팀굴착 시 활동면 및 벽체 변위에 따른 이론토압에 대하여 근사해석법을 제안하였 다. 흙막이 벽체의 변위 및 지반거동은 주로 Caspe(1966), Peck(1969), Goldberg et al.(1976), Mana and Clough(1981), Bauer (1984), Clough and O’Rourke(1990), Cording et al.(1994) 등 외국 여러 학자들과 Lee & Jun(1993) 등 국내 학자들이 제안한 경험, 반경험 및 수치해석 연구결과를 이 용하고 있다. Rowe (1952)는 벽체의 변형과 토압과의 상 관관계를 계산하는 방법을 제안하기도 하였으며, 흙막이 벽체의 굴착에 따른 토압분포에 대하여 많은 학자에 의해 연구되었으나, 초기 캔틸레버 상태 이후의 토압분포에 대 해서는 아직도 규명되지 않고 있다. Tschbotarioff(1973) 등은 굴착현장에서 버팀대 하중을 측정하여 역토압으로 환산한 연성벽체에 대한 경험토압을 제안하였다. 제안된 수정경험토압은 단지 버팀대 하중검토나 인접구조물이 없 는 현장, 굴착깊이가 얕은 경우에 한하여 제한적으로 적용 하여 왔다. Terzaghi는 대형 모형실험을 통하여 아칭효과 의 개념을 도입하였으며, 벽체변형조건에 따라 토압작용 점이 달라짐을 증명하였다. 또한 사질토 지반인 Berlin 지 하철 굴착현장의 버팀하중을 측정하여 Coulomb의 흙쐐기 이론을 정립하였다. 우각부 구간에 대한 연구로 Wong and Patron(1993)은 계측치를 분석하여 모서리로부터 떨어진
거리별로 배면의 지표침하에 대하여 연구하였고, Kim(1998) 는 모서리 효과를 고려한 지하연속벽의 거동에 대하여 2 차원 해석으로 3차원 해석결과와 동등한 결과를 얻을 수 있는 수식을 제안하였다. Yang(2004)는 수치해석을 이용 한 우각부구간의 거동특성에 대해 연구하였다. 하지만 이 와 같은 연구는 대부분 일 방향으로 토압이 작용할 경우에 대한 연구결과로 여러 방향의 토압이 작용하는 우각부의 모서리구간에 대한 연구는 미흡한 상태이다. 실제 흙막이 현장의 붕괴사고가 종종 발생되는 우각부 모서리구간에 대한 거동을 정량적으로 평가하여 미연에 사고를 방지할 수 있도록 집중적인 연구가 필요한 실정이다.
또한, 모형실험을 이용한 흙막이의 연구로 연성흙막이 벽체에 작용하는 토압에 대한 연구는 1900년대 토질공학 분야에 있어서 중요한 주제로 덴마크 토질학회에 의하여 경험적인 방법이 제안되었고, Krey가 처음으로 연성흙막 이 벽체에 대한 체계적인 연구를 시작하였다. Rowe(1952) 는 앵커의 항복에 따른 강널말뚝 배면 흙의 아칭효과를 고 려할 수 있도록 모형화하여 실험을 수행하였고, 연성벽체 의 휨 모멘트를 강성보로 가정하여 최대휨모멘트를 구하 는 경우 과다 평가되는 것을 확인하였다. Hansen(1953)은 벽체크기가 150mm×150mm인 모형실험을 통하여 벽체거 동에 따른 파괴면에 대하여 연구한 결과 서로 다른 벽체 변위형태와 벽마찰에 따라 파괴쐐기의 크기와 형태가 변 화됨을 지적하였으나, 배면지반의 토압을 측정하지는 못 하였다. Bransby and Milligan(1975)은 지반을 느슨 또는 조밀하게 조성하였고, 모형벽체는 Rowe의 유연계수로 정 의되는 다양한 벽체강성과 벽면마찰을 고려하여 캔틸레버 상태의 벽체 및 배면지반 거동을 규명하였다. Sherif et al.(1982)와 Fang & Ishibashi(1986)은 강성벽체의 변형형 태에 따른 토압분포에 대한 모형실험을 수행한 결과 벽체 저부를 중심으로 회전하는 경우 벽체회전각에 따른 각각 의 깊이에서의 작용하는 토압을 측정하였고, 벽체수평변 위는 벽체깊이 및 전단저항각의 크기에 관계없이 주동토 압에 이르는 값이 일정함을 규명하였다. 이상의 모형실험 연구결과에서는 우각부 모서리구간의 연구는 많지 않고, 대부분이 직선구간의 흙막이 벽체의 거동에 대한 실험 연 구가 대부분으로 우각부 모서리구간이 위험한 것은 인지 하지만 현장계측 및 모형실험에 대한 연구는 미흡한 실정 이다. 또한 지반굴착 시 흙막이 벽체와 주변지반 거동을 파악하는데 있어 현장계측 자료는 지반조건, 벽체강성, 벽 면마찰 상재하중 및 선행하중 등의 영향을 전반적으로 고
Table 1. The result of an particle size distribution test
Maximum grain size(mm) 4.75 60% grain size(mm) 0.90
30% grain size(mm) 0.39 10% grain size(mm) 0.22
Cu 4.09 Cg 0.77
No.10 passage(%) 87 No.40 passage(%) 34
No.200 passage(%) 1.2 Unified soil classification system SP
Table 2. The result of relative density test
Maximum dry unit weight( m ax) Minimum dry unit weight( m i n) Free fall() Relative density(Dr)
17.37kN/m3 13.9kN/m3 15.1kN/m3 39.8%
Fig. 1. Grain size accumulation curve of sample 려할 수 없는 제한적인 부분이 있기 때문에 현장 계측자료만
으로는 흙막이 벽체 및 주변지반 거동에 대한 예측기법을 얻 기는 어렵다.
따라서 본 연구에서는 굴착조건에 따라 모형 토조 실험 을 수행하여 흙막이 벽체 및 지반의 거동을 분석하였다.
실험은 느슨한 사질토지반으로 구성하였고 우각부 길이, 흙막이벽 근입깊이, 버팀대의 유 ․ 무 등으로 조건을 나누 고 총 4단계 굴착으로 시공하여 각각의 조건에 대한 벽체 변위 및 지표침하를 분석함으로써 굴착 시 우각부 모서리 구간에서의 거동을 연구하였다.
2. 모형실험방법
2.1 개 요
본 연구에서는 지반굴착으로 인한 흙막이 벽체 및 주변 지반의 거동에 영향을 미치는 근입깊이, 우각부 길이, 버 팀대의 유 ․ 무 등의 영향요인들에 대하여 규명하기 위해 실내 굴착모형실험을 수행하였다. 이를 위해서 모형지반 뿐만 아니라 지반의 굴착과정을 적절히 나타내어야 하며 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 변위와 주변지반의 거동 을 측정하는 것이 매우 중요하다. 따라서 굴착모형실험은 적절한 규모의 지반조건과 벽체강성 뿐만 아니라 기타 영 향요인들로 인한 흙막이 벽체와 주변지반거동의 변화를 굴착단계에 따라 관찰할 수 있는 장치가 필요하다.
2.2 실험지반 재료
모형실험에 사용된 재료의 입도분포특성을 분석하기 위 해 체가름시험을 하였고 시료의 밀도특성을 확인하기 위 해 상대밀도시험을 실시하였다. Table 1은 체가름시험을
통한 시료의 입도분포 결과이다. 체가름 시험결과 최대입 경은 4.75mm이며 균등계수는 4.09, 곡률계수는 0.77이었 다. 10번체 통과량은 87%, 40번체 통과량은 34%, 200체 통과량은 1.2%로 흙의 통일분류법으로 SP에 해당되었다.
모형토조의 지반조성 시에는 시료를 낙하지점에서 상부 약 1m 높이를 유지하며 자유낙하시켜 조성하였다. 모형실 험 토조내에 모래를 자유낙하해서 형성되는 지반은 동일 한 위치에서 낙하되더라도 자중에 의해 하부지반은 촘촘 해질 수 밖에 없는데, 이러한 부분은 모형실험으로 계획된 본 연구에서는 고려하지 않았다. 지반의 상대밀도 시험결 과는 Table 2와 같다. 시험결과 최소건조단위중량(min) 은 13.9kN/m3, 최대건조단위중량(max)은 17.37kN/m3로 시험되었다. 또한 실험에서 약 1m 높이에서 자유낙하에 의 한 방법으로 시료를 조성하여 실험조건과 동일한 조건으 로 3개의 몰드를 이용하여 낙하에너지에 의한 밀도실험을 실시하였다. 시험결과 자유낙하 시 단위중량은 15.1kN/m3 로 상대밀도를 계산하면 39.8%의 느슨한 상태로 계산되 었다.
2.3 모형실험 장치
2.3.1 모형토조
(a) Panorama of model soil structure (b) Data of model soil structure Fig. 2. Panorama and data of model soil structure
(a) Displacement meter of wall (b) Measuring settlement meter of ground surface (c) Data acquisition system Fig. 3. Measuring instrumentation
Table 3. Experimental kind of Measuring instrumentation and degree of precision
Measuring instrumentation Measuring item Measuring place Measuring range
Displacement meter Measuring settlement of ground surface 2 place 0.01mm ～ 50mm Measuring Displacement of wall 5 place 0.01mm ～ 13mm
본 연구의 실험을 위해 모형토조는 Fig. 2와 같이 폭 2m, 길이 2m, 높이 1.5m의 크기로 자체 설계, 제작하였다.
지반굴착에 따른 지반거동의 관측이 가능하며, 토조내의 측면효과를 최소화하기 위해 토조 내부에 10mm 두께의 투명 플라스틱은 견고하고, 매끄러운 재질인 투명한 아크 릴로 제작하였으며 토압에 의한 토조 벽체의 변위가 발생 하지 않도록 ㄷ-형강으로 보강하였다. 모형토조의 측면과 뒤쪽은 두께가 10mm의 강철판으로 제작되었는데, 토조의 변형을 확실하게 억제하기 위해 전체면에 두께 5mm의 강 철틀을 설치하였다.
2.3.2 계측장치
본 실험에서는 지반굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변 위와 배면지반의 침하 및 벽체에 작용하는 토압을 각 굴착 단계에 대하여 연속적으로 측정되어야 할 필요가 있다. 따
라서 굴착에 따른 흙막이 벽체의 수평변위는 변위계를 이 용하여 측정하였고, 변위측정은 지반이 조성된 후 정지상 태에서 초기치를 맞추고 굴착에 따른 변위를 200mm간격 으로 측정하였다. 벽체변위계의 경우 모형실험상 뒷배면 지반의 변위를 측정할 특별한 방법을 찾지 못하여 변위계 를 지중에 매설하였다. 지표침하는 지반굴착 전 지표면에 지표침하 측정계를 설치하고 각 굴착단계별 침하를 측정 하였다. 그러나 지표면에 지표침하 측정계를 그대로 설치 하는 경우 변위측정계가 지반에 관입될 수 있으므로 측정 계 단부는 적당한 크기의 아크릴 판을 부착하여 측정계 단 부가 관입되는 것을 방지하였다. 실험에 사용한 모든 계측 장치는 실험을 수행하기 전에 정확히 검증하였고, 계측기 기는 기기의 용도 및 정밀도에 의해 선정하였다. 확실한 데이터의 검증을 위해 본 실험을 수행하는 중에도 계측기 마다 검증 및 보정실험을 실시하였고 실험 시 사용된 계측
Timber
Strut
Fig. 4. Experimental strut
(a) Timber (b) H-pile
Fig. 5. Experimental structural wall
Table 4. Result of bending strength experiment Material Bending strength(kN) Note
H-pile 6.41
Timber(width direction) 6.33 Timber(axial direction) 0.61
기기의 정밀도 및 계측장비는 Table 3 및 Fig. 3과 같다.
2.3.3 버팀대
실험에 사용된 버팀대는 Fig. 4와 같다. 버팀대 장치의 연결부분이 나사식으로 되어있어 길이를 조절할 수 있으 며, 우각부 길이에 맞추어 철근을 절단하여 사용하였다.
실제 현장에서 버팀대는 유압잭이나 스크류잭을 이용하여 벽체에 압력을 가하는 방식으로 시공이 되는데, 본 연구에 서는 스크류잭 방식을 응용한 재료를 이용하여 하중을 벽 체에 압력을 전달해줌으로써 흙막이 벽을 지지하였다.
2.3.4 모형실험에 사용된 토류판 및 H파일
본 실험에서는 두께 1mm의 강판을 Fig. 5(a)와 같이 1000mm×200mm 크기로 절단하여 토류판으로 사용하고, 엄지말뚝은 Fig. 5(b)와 같이 폭 40mm의 철재를 200mm 간격으로 설치하였다. 근입장을 고려하여 길이는 1200mm, 1300mm, 1400mm를 사용하였다. 흙막이벽체 설치는 지 반조성 후 설치를 하여야 하나 수직도, 관입저항 등의 이 유로 실제 시공과 같은 방법으로 구현하기가 쉽지 않아 먼
저 흙막이 벽체를 설치한 다음에 배면과 굴착면에 동시에 흙을 쌓아 올리는 방식으로 시공하였다. 또한 실험에 사용 된 재료에 대해 휨강도실험을 실시하였으며, 실험결과는 Table 4, Fig. 6, Fig. 7과 같다. 휨강도의 측정은 재료의 파 괴강도까지 측정을 실시하였으며, H-pile 재료의 휨강도실 험결과 6.41kN, 토류판의 휨강도 결과 폭방향은 6.33kN, 축방향은 0.61kN의 결과를 보였다. 토류판의 폭방향은 H- pile 간격사이 방향이며, 축방향은 굴착방향으로 보았다.
폭방향의 경우 토류판의 길이가 200mm로 길이가 짧아 휨 강도 측정 지점 폭을 70mm로 하였으며, 축방향은 길이가 1m로 지점의 간격을 250mm로 하여 실험을 실시하였다.
H-pile의 휨강도 시 지점 간격은 토류판과 동일한 250mm
(a) Before experiment (b) After experiment Fig. 6. Bending strength experiment of H-pile
(a) Width direction (b) Axial direction
Fig. 7. Bending strength experiment of Timber
Table 5. Reduction rate of model experiment
A property of matter Dimension Reduction rate
Length 1/10
Density 1/3.12
Stress 1/31.24
로 고정하여 실험하였다.
2.3.4 모형실험의 축소율 산정
모형시험은 실제현장의 조건을 축소율로 적용하여 현 장의 모든 상태를 거의 흡사하게 나타낼 수 있어 시간, 사 용비용, 노력 등의 제반경비가 현장에서 측정하는 것보다 적게 산출되기 때문에 외국과 국내에서 시행하여 좋은 결 과를 얻은 바 있다. 모형실험에서 실험결과에 영향을 미치 는 요인 중 하나는 축소율로 축소율에 따라 결과의 차이가 크기 때문에 신중하게 고려할 필요가 있다. Hobbs(1966) 는 축소율을 산정하는 데 있어서 물체에 작용하는 중력가 속도는 항상 일정하다는 가정 하에 중력가속도의 축소율을 1.0으로 하고, 시간의 축소율을 산정하였다. 축소율을 산 정하기위해 먼저 길이에 대한 축소율을 정한 후 시간, 밀 도, 질량, 응력 등의 축소율이 차례로 산정되며, 상사법칙 에는 질량, 시간, 가속도 기준의 상사법칙이 있다. 본 연구 에서는 축소율이 1/10인 모형시험을 실시하였으며, 축소
율을 산정한 결과는 Table 5와 같다.
2.4 모형실험 방법
실험은 크게 지반조성, 벽체 및 계측기 설치의 실험 준 비단계와 실험 실시단계의 2단계로 나눌 수 있다. 실험준 비 단계에서는 벽체의 변화를 토조의 전면인 아크릴판에 서 관찰하기 위해 흙막이 벽체를 시공한 후 모래지반을 자 유 낙하에 의해 조성한 후 24시간 이상 방치하여 지반을 안정화하였다. 모형실험 지반조성과 병행하여 벽체변위계 5개의 계측기기를 설치하였으며, 이는 지반의 초기상태부
Table 6. Condition of model experiment
Conditions of excavation H-pile length(mm) Coner length(mm) Cantilever excavation 1200, 1300, 1400 0, 200, 400, 600 Strut excavation 1200, 1300, 1400 0, 200, 400, 600
(a) Cantilever excavation (b) Strut excavation
Fig. 8. Condition of supporting system
(a) Coner 0mm (b) Coner 200mm (c) Coner 400mm (d) Coner 600mm
Fig. 9. Condition of coner length
1 stage : GL(-)200mm excavation
2 stage : ST1 installation + GL(-)500mm excavation
3 stage : ST2 installation + GL(-)800mm excavation
4 stage : ST3 installation + GL(-)1,000mm excavation
Coner 60 Coner 40 Coner 20 Coner 0
(a) Cross section (b) Floor plan
Fig. 10. Installation place of excavation stage and strut 터 모든 거동을 확인하기 위한 것이다. 이후 실험지반 조
성이 끝난 후 지표침하계를 2개소 설치하였으며 결과분석 에서는 두 지점의 지표침하계의 측정값의 평균값을 지표 침하값으로 결정하였다. 실험 실시단계에서는 지반의 굴착 과 스트러트를 이용한 버팀대를 설치하는 단계로 Table 6 와 Fig. 8 및 Fig. 9의 모형실험 조건으로 실험하였다. 실험 을 수행하기 위한 굴착단계는 Fig. 10과 같이 총 4단계이 며, 각 단계에서의 굴착 깊이는 버팀대 설치 예정지점으로
부터 100mm까지 굴착하는 것으로 진행하였다. 캔틸레버 상태의 경우 버팀대 설치과정 없이 실험을 실시하였으며, 근입깊이와 우각부 길이에 따라 총 24가지 조건의 모형실
Fig. 11. Maximum settlement of ground surface of cantilever excavation
Fig. 12. Phased average of maximum settlement of ground surface of cantilever excavation
Fig. 13. Maximum settlement of ground surface of strut excavation
험이 실시되었다. 모형지반의 굴착방법은 모형토조의 아 크릴 외벽에 가이드 라인을 붙여 이 라인을 기준으로 시공 단계별로 굴착을 실시하였으며, H-pile 하부는 지반내에 관입되어 지반과 함께 거동하는 방식으로 실험을 실시하 였다. 벽체변위 및 지표침하를 측정하기 위한 변위계는 우 각부 모서리구간 흙막이벽체 배면에 설치하였고 수평변위 계는 지중에 200mm 간격으로 설치하여 깊이에 따른 벽체 거동을 측정하였다.
3. 우각부에 대한 모형실험결과 분석
3.1 우각부 길이에 따른 지표침하 분석
3.1.1 캔틸레버 굴착
Fig. 11은 근입깊이와 우각부 길이변화에 따른 최대지 표침하를 모서리구간 배면지반에서 측정한 결과이다. 버 팀대 설치가 이루어지지 않은 캔틸레버 구조에 의한 굴착 시 최종굴착단계인 1.0m까지 굴착할 경우 흙막이벽체가 붕 괴되므로 붕괴 전단계인 3단계 굴착과정의 결과를 분석하 였다. 분석결과 우각부가 없는 직선상태에서는 최대 5.89 mm의 침하량을 보였으며, 우각부 길이가 증가할수록 침 하량이 증가하여 우각부 길이가 600mm인 경우 직선구간 보다 약 35% 증가된 9.04mm가 발생되었다. 따라서 우각 부 길이가 증가할수록 배면지반의 지표침하량이 증가하였 는데, 이는 우각부 길이가 길수록 흙막이벽체에 작용하는 흙쐐기 영역이 증가되기 때문이다. 또한, 근입깊이가 길어 질수록 우각부 모서리구간의 지표침하가 억제되었다.
Fig. 12는 굴착단계별 최대지표침하()의 평균값은 각 굴착단계에서의 변위의 평균값의 추세선을 나타낸 것으 로 우각부가 없는 직선상태에서 0.72%H(H:굴착깊이)로 분 석되었으며, 우각부 길이 200mm, 400mm, 600mm에 따라 0.83%H, 0.98%H, 1.06%H의 값이 나타났다. 이러한 결과 는 Peck(1969)이 제안한 0.5%H보다 큰 결과로 버팀대가 설치되지 않은 캔틸레버 상태에서 굴착한 결과로 판단된다.
3.1.2 버팀굴착
Fig. 13은 버팀대를 설치하면서 단계별 굴착 시 우각부 모서리구간 배면지반에 발생된 최대지표침하를 측정한 결 과이다. 버팀굴착의 경우 버팀대 설치에 따른 흙막이벽체 의 거동을 억제하여 캔틸레버 형식보다 작은 침하량을 보 였다. 하지만 캔틸레버 형식과 동일하게 우각부가 없는 경
Fig. 14. Phased average of maximum settlement of ground surface of strut excavation
(a) Embedded depth 200mm (b) Embedded depth 300mm (c) Embedded depth 400mm Fig. 15. A retaining wall horizontal displacement of final excavation stage (cantilever condition)
(a) Embedded depth 200mm (b) Embedded depth 300mm (c) Embedded depth 400mm Fig. 16. A retaining wall horizontal displacement of final excavation stage (strut installation)
우 보다 우각부 길이가 길어질수록 최대지표침하량이 증 가하고, 근입깊이가 증가할수록 최대침하량은 감소하였
다. 따라서 우각부가 존재할 경우 우각부가 없는 직선구간 보다 근입깊이를 증가시켜 설계에 반영하는 것이 안정성 확보에 효과적이었다. 한편, 버팀대 설치 시 굴착단계별 최 대지표침하() 평균값은 Fig. 14와 같이 우각부가 없는 직 선상태에서 0.34%H, 우각부 길이 200mm, 400mm, 600mm 에 따라 0.43%H(H:굴착깊이), 0.49%H, 0.61%H의 값이 나타나 직선상태보다 우각부 600mm의 경우가 약 2배정 도 크며, Peck(1969)이 제안한 0.5%H와 유사하였다.
3.2 우각부 길이에 따른 흙막이벽체 변위 분석
Fig. 15, Fig. 16은 캔틸레버 상태와 버팀대를 설치하여 굴착한 경우에 흙막이벽체의 수평변위를 측정한 결과이 다. 캔틸레버 상태는 흙막이벽체가 붕괴되기 전단계인 3 단계 굴착과정의 결과이며, 버팀굴착의 경우는 최종굴착 단계의 측정결과이다. 측정결과를 살펴보면 우각부가 없
Fig. 17. Phased maximum horizontal displacement average of cantilever excavation
Fig. 18. Phased maximum horizontal displacement average of strut excavation
Fig. 19. Comparison of maximum horizontal displacement and maximum subsidence of ground surface (cantilever condition)
Fig. 20. Comparison of maximum horizontal displacement and maximum subsidence of ground surface (strut installation) 는 경우보다 우각부 길이가 600mm인 조건에서 굴착 시
약 2배～ 3배가 큰 최대수평변위를 보였다. 버팀굴착 시 흙 막이벽체의 붕괴가 발생되지 않았으나 캔틸레버 상태에서 최종단계까지 굴착한 경우 붕괴되었는데, 이 경우 흙막이 벽체의 붕괴는 우각부의 길이가 길어질수록 파괴면이 넓 어졌으며, 배면지반은 우각부 모서리쪽 방향으로 변형이 진행되었다. 이와 같이 우각부 길이가 길어질수록 우각부 모서리 구간이 직선구간에 비해 변위가 크게 발생되는 구 조적으로 불안정한 구간으로 판단되었다.
한편, 근입깊이가 증가할수록 벽체 변위는 감소하였으 며, 버팀굴착보다 캔틸레버굴착 시 이러한 경향이 더욱 뚜 렷하였다. 이는 지지구조가 없는 캔틸레버 형식의 공법적 용 시 우각부 모서리구간의 경우 근입깊이가 벽체의 안정 성에 영향을 주는 인자로 구조적으로 불안정한 우각부 설 계 시 예측값보다 근입깊이를 깊게 적용하여 지반거동을 억
제시켜야 할 것으로 분석된다. 또한 동일한 근입깊이와 우 각부 길이에 대해 버팀굴착이 캔틸레버굴착보다 약 70%
의 변위가 감소되어 토압이 집중되는 우각부 모서리구간 에 대한 변위 억제 효과가 크게 나타나 우각부가 존재할 경우 우각부 구간에 버팀대 설치가 필요하였다. Fig. 17, Fig. 18은 굴착단계별 최대수평변위 평균값으로 캔틸레버 조건과 버팀대 설치조건 모두 우각부가 없는 직선상태보 다 우각부 길이가 가장 긴 600mm가 2배 이상 큰 최대수 평변위를 보였다.
3.3 우각부 길이에 따른 최대수평변위와 최대지표침 하 상관관계
최대수평변위()와 최대지표침하()의 관계를 분석한
Fig. 21. Comparative result of subsidence of ground surface of added strut installation
Fig. 22. Comparative result of retaining wall of added strut installation
결과 캔틸레버 상태에서는 Fig. 19와 같이 우각부 길이가 길수록 최대수평변위와 최대지표침하가 동일하였다. 하지 만 버팀굴착은 Fig. 20과 같이 우각부 길이에 관계없이 최 대지표침하가 더 컸으며, 굴착 시 수평변위보다 지표침하 가 큰 것으로 나타났다. 이는 캔틸레버 상태와 달리 흙막이 벽체가 버팀대에 의해 지지되어 있고, 배면지반이 느슨한 상태이기 때문에 지표침하가 더 크게 발생된 것으로 분석 된다.
3.4 버팀대 보강에 따른 우각부 거동분석
버팀대 추가 설치 시 우각부 모서리구간의 거동억제 효 과를 알아보기 위해 가장 불리한 조건인 근입깊이 200 mm, 우각부 길이 600mm 조건에 대해 버팀대 1단을 추가 설치하여 총 4단으로 보강된 모형실험을 실시하였다. 모
형실험 결과 최종굴착단계에서 지표침하는 Fig. 21과 같 이 버팀대 3단일 때 8.416mm가 발생하였으나 버팀대 4단 의 경우 약 40%가 감소된 5.146mm의 최대지표침하량을 보였다. 또한 최종굴착단계에서 흙막이벽체 최대수평변 위는 Fig. 22와 같이 버팀대 3단일 때 3.548mm, 버팀대 1단을 추가한 4단 설치 시 2.352mm로 약 30% 감소효과 를 보였다. 따라서 근입깊이의 증가와 더불어 우각부 모서 리에 인접한 구간에 버팀대를 추가 설치하는 방안이 우각 부 모서리구간의 거동억제에 큰 효과가 있는 것으로 판단 되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 흙막이 시공현장에서 많은 사고가 발생 되지만 연구가 미흡한 우각부 모서리구간의 거동을 분석 하기 위해 1/10의 상사율에 의한 모형실험을 실시하여 우 각부 모서리구간의 거동 특성을 비교 분석한 결과는 다음 과 같다.
(1) 캔틸레버 상태에서 우각부가 없는 직선구간의 경우 최 대지표침하량이 5.89mm가 발생하였으나 우각부 길이 가 600mm인 경우 직선구간보다 35% 증가된 9.04mm 가 발생되었으며, 버팀굴착 시에도 캔틸레버 상태와 동일하게 직선상태보다 우각부 길이가 증가할수록 약 35%정도 지표침하가 크게 발생되었다.
(2) 흙막이벽체의 변위에 대한 모형실험결과 우각부가 없 는 경우보다 우각부 길이가 600mm인 조건에서 굴착 시 약 2배 ～ 3배가 큰 최대수평변위를 보였으며, 동일 한 근입깊이와 우각부 길이에 대해 버팀굴착이 캔틸레 버굴착보다 약 70%의 변위가 감소되었다.
(3) 우각부 길이가 길어질수록 흙막이벽체에 작용하는 흙 쐐기 영역이 증가되었고, 이로 인해 배면지반의 지표 침하량과 벽체변위가 증가되어 실험결과 흙막이 우각 부가 직선구간에 비해 변형이 크게 발생되는 구간으로 판단되었다.
(4) 캔틸레버 상태에서는 최대지표침하와 최대수평변위는 우각부 길어질수록 동일하였으나 버팀굴착에서는 흙 막이 벽체가 버팀대에 의해 지지되어있고, 배면지반이 느슨한 상태여서 우각부 길이에 관계없이 최대지표침 하가 크게 발생되었다.
(5) 근입깊이가 길어질수록 우각부 모서리구간의 지표침
하가 약 40% 억제되는 것으로 나타나 설계 시 예상치 보다 근입깊이를 증가시켜 적용하는 것이 안정성 확보 에 유리하였다.
(6) 버팀대 1단을 추가 설치하여 우각부 모서리구간의 거 동을 분석한 결과 최대지표침하는 약 40%, 최대수평 변위는 약 30%의 감소효과가 있어 설계 시 우각부 모 서리 구간에 근입깊이의 증가와 함께 버팀대를 추가 설치하는 방안이 안정성 확보에 효과적이었다.
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