흙막이 구조물 개요
1.1 일반사항
지하차도 건설을 위해 수행하는 터파기공사
는 구조물이나 기초설치를 위해 장비를 이용하
여 지하부분의 흙을 굴착하는 작업을 말하며,
흙막이 공사는 터파기 공사를 하는 경우 공간
을 보다 효율적으로 활용하기 위해 흙막이구조
물을 이용하여 굴착면을 안전하게 유지하는 것
을 말한다.
굴착면을 안전하게 유지하기 위해서는 흙막
이 구조물로서 현장내로 유입될 수 있는 굴착
배면의 토사나 지하수를 적절히 차단해야 하며
토압 및 수압 등의 측압에 대하여 흙막이 구조
물이 안정을 유지할 수 있어야 한다. 흙막이
구조물은 이외에도 주변 지반의 침하, 매설물
의 손상여부, 공사기간, 경제성뿐만 아니라 소
음, 진동, 분진 등 인근지역에 미치는 환경영향
까지도 고려해야 한다.
지하차도 굴착공법
1.2.1 일반사항
지하차도 건설을 위한 굴착공법으로 크게 개
착식에 의한 방법과 비개착식에 의한 방법, 역
타공법(Top Down)으로 구분할 수 있다. 지하
차도 공사에는 일반적으로 개착공법이 주로 이
용되고 있으나, 기존 도로 및 철도 하부를 횡단하는 등 개착식에 의해서는 시공이 곤란할
경우에는 비개착식 공법이 적용되고 있다.
지하차도 굴착공법을 구분하면 <그림 703.1>
과 같다.
개착공법
개착공법은 지반을 굴착하여 지하구조물을
구축하고 완성된 후 원상태로 복구하는 공법으
로 지하차도 건설에 널리 적용되고 있다. 최근
에는 지상 교통량의 증가, 환경적인 측면, 민원
등으로 인해 지하차도분야에 비개착공법을 적
용하는 경우가 증가하고 있으나, 평탄한 지형
의 얕은 구조물을 구축할 때는 안전성, 경제성
등의 면에서 개착공법이 가장 적합한 공법이
다.
이 때 흙막이벽으로는 강널말뚝(Sheet Pile),
엄지말뚝, 주열식 현장타설말뚝, 지하연속벽,
숏크리트 또는 콘크리트 벽체 등이 있다. 개착
공법에는 전단면을 동시에 굴착하는 전단면굴착공법과 굴착면적이 과대하거나 기타 안정을
위해 일부분만을 굴착하는 부분굴착공법으로
구분된다.
(1) 비탈면 개착공법 (Open Cut Method)
굴착하고자 하는 위치의 가장자리를 경사지
게 굴착하여 그 지반특성에 따른 안정구배에
맞는 경사면을 만든 다음 그 지반의 자립성에
의하여 지반의 붕괴를 방지하면서 굴착하는 공
법으로 공사기간 및 공사비가 절감되나, 굴착
깊이의 제한 및 굴착량과 되메움량이 많은 단
점이 있다. 또한 용지확보가 흙막이 개착공법
에 비해 추가로 필요하다.
(2) 흙막이 개착공법
굴착시 발생하는 지반의 토압과 수압을 흙막
이 벽과 지보공에 의해 지지하면서 굴착하는
공법으로 버팀보 공법, 어스앵커 공법, 쏘일네
일링 공법, 자립공법, 래커공법 등이 있다.
흙막이공은 토류벽과 지지구조로 구성되는
데, 이때 토류벽으로는 강널말뚝, 엄지말뚝, 주
열식 현장타설말뚝 및 지하연속벽체 등이 있
다.
(가) 자립 공법
수평버팀보나 띠장 등의 지보공을 가설하지
않고 흙막이벽 자체의 근입깊이에 의해 흙막이
벽을 지지하는 방식으로 흙막이벽의 휨저항 및
근입부분 흙의 휨저항에 의해 토압을 부담하고 굴착을 진행하는 공법이다.
비교적 지반이 단단하고 굴토깊이가 적은 규
모의 터파기에 주로 사용된다.
(나) 버팀보(Strut) 공법
엄지말뚝이나 강널말뚝으로 구성된 흙막이벽
을 띠장과 수평버팀보로 지지하며 굴착을 진행
하는 공법이다.
굴착면 상부에 통행 등을 위해 복공판 설치
유무에 따라 복공식과 무복공식으로 구분할 수
있다.
(다) 지반앵커(Earth Anchor) 공법
수평 버팀보 대신 지반앵커로 흙막이벽을 지
지하는 공법으로 지반내에 앵커체를 설치하고
여기에 인장력을 가함으로써 흙막이벽과 지반
을 결합시키는 방식이다.
내부 작업공간 확보로 터파기내의 공간을 자
유롭게 사용할 수 있으나, 인접대지에 앵커가
설치됨으로 민원발생소지가 있으므로 사전 점
검이 필요한 공법이다.
(라) 래커(Raker) 공법
먼저 흙막이벽을 시공한 다음 그 내측에 비
탈면을 남기며 굴착을 실시하여 먼저 시공한
기초구조물에 반력을 가하고 흙막이벽에 래커
(경사 버팀보)를 설치하여 굴착을 진행하는
공법이다.
버팀공이 적게 소요되나, 래커 내의 구조물
시공시 공간이 좁고 작업효율이 떨어지는 단점
이 있다.
(마) 쏘일네일링(Soil Nailing) 공법
쏘일 네일링 공법은 버팀보 공법에서 사용하
는 엄지말뚝과 버팀보를 사용하지 않고 굴착을
하면서 동시에 네일과 숏크리트 전면판으로 보
강하는 방법이다.
이 공법은 굴착시 굴착면으로 변형을 일으키
는 것을 그라우트체와 주변의 지반 마찰력이
저항하고 최종적으로 보강재에 전달되어 보강
재의 인장저항력으로 저항하는 개념이다.
원지반 자체를 벽체로 사용하기 때문에 비
교적 안정성이 높은 벽체를 형성할 수 있으며 소형기계로도 사용이 가능하여 좁은 장소나 경
사가 급한 지형에도 적용성이 높다.
비개착공법
비개착공법이란 도로 및 철도 등의 시설물을
현 상태 그대로 유지하면서 하부를 굴착하여
지하차도 구조물을 시공하는 방법이다. 일반적
으로 비개착공법은 강관, 각관, 프리캐스트 콘
크리트 패널 등을 지중에 삽입 보강 후 인력
또는 장비를 이용한 지반굴착 및 지하차도 구
조물을 시공한다. 다양한 공법이 특허등록 및
신기술 지정되어 현장에 적용되고 있으므로,
경제성, 안정성, 시공성 등을 면밀히 검토 후
현장여건에 적합한 공법을 선정하여 시공하는
것이 바람직하다.
1.2.4 역타(Top Down)공법
역타(Top Down)공법은 지하층의 외부옹벽
(Diaphragm wall, Slurry wall)을 본체구조물로
사용하고 지하층 기둥은 현장타설말뚝으로 시
공한 후 지하층의 슬래브와 빔을 연속벽과 연
결하며 토공과 병행하여 단계적으로 상부에서
하부로 시공함과 동시에 지상구조물을 축조하
는 공법이다
역타공법은 지중에 철근콘크리트 연속벽체를
형성하고 지지구조 대신 영구슬래브를 형성한
후 굴착을 진행하여 다른 공법에 비해 벽체변
위를 감소시킬 수 있는 공법으로 인접건물이
밀집된 도심지의 깊은 굴착에서 효과적인 공법
이나 공사비가 증가하는 단점이 있다. 그러나, 역타공법 적용시 기대효과가 큰 경
우는 다음과 같다.
▪연약지반이나 지하수위가 높은 지역
▪굴착심도까지 토사층이 분포하거나 지반상태
파악이 곤란한 지역
▪굴착깊이가 20m 이상 깊고 굴착면적이 넓은
경우
▪굴착면과 인접하여 건물이 위치해 지반침하
를 억제해야 할 경우
흙막이 구조물 설계
2.1 개요
2.1.1 일반사항
굴착공사를 위한 흙막이구조물 설계시에는
지형, 하천, 도로의 상황, 환경조건, 토질조사
시험결과, 구조물의 형식 및 규모, 시공의 안전
성을 충분히 고려한 후 정확한 자료에 의해 합
리적이고 경제적으로 설계해야 한다.
일반적으로 흙막이 구조물 설계시에는 다음
과 같은 항목에 대하여 검토한다.
이 중 흙막이벽체의 안정성, 지보공의 안정
성, 굴착저면의 안정성은 반드시 검토해야 하
며, 주변구조물에 대한 안정성과 지하수처리에
관한 문제도 고려한다.
각 조건에 따라 적용되는 안전율은 발주처의
기준을 우선하되, 별도의 기준이 없는 경우 다
음 <표 703.1>을 참조한다.
흙막이 구조물 설계절차
구조물 시공을 위한 흙막이공 설계에 있어
안정성과 경제성을 토대로 구조물 시공을 위한
지반특성, 주변현황, 현장여건, 예상 공기 및
공사비 등을 세밀히 고려하여 현장에 가장 적
합한 공법을 선정한다. 굴착 및 흙막이공법을
결정하는 순서는 <그림 703.9>와 같다.
2.1.3 흙막이 구조물의 구조
흙막이 구조물은 굴착지반을 직접 지지하는
벽체부분과 벽체의 변형을 적절히 제어하기 위
한 벽체지지 시스템으로 구분할 수 있다. 버팀
보 형식으로 지지되는 흙막이 구조물의 일반적
인 구조는 <그림 703.10>과 같다.
하중
2.2.1 하중의 종류
흙막이 구조물 설계에서 고려해야 하는 하중
에는 고정하중, 활하중, 충격하중, 토압 및 수
압, 기타외력 등으로 구분할 수 있으며 설계
시 이들을 고려해 구조검토를 수행한다. 흙막
이 구조물의 종류나 시공시점의 제반조건에 따
라 하중조합은 달리 적용될 수 있으나 일반적
으로 적용되는 흙막이 구조물의 부재별 하중조
합은 <표 703.2>와 같다.
고정하중
고정하중은 보와 복공판 등의 자중이다. 이
때 고정하중 산출에 사용되는 단위중량은 H-
형강, 복공판 등을 제작하는 제작회사의 표시
값을 사용하고, 실 중량이 분명한 것은 그 값
을 사용한다. 일반적으로 사용되는 재료에 대
한 단위중량은 다음과 같다.
활하중
활하중은 자동차하중, 군집하중 등을 고려하
며 필요에 따라서는 시공 장비의 중량, 중기에
의한 편심하중 등을 고려한다.
(1) 자동차하중
자동차 하중은 [도로교 설계기준, 국토해양
부, 2010]에서 규정하는 DB하중을 도로여건에
따라 선택하여 적용한다.
(2) 군집하중
보도부분에는 5.0kN/㎡ 군집하중을 재하한
다.
(3) 지표면 상재하중
(가) 흙막이 구조물 범위 외에 10.0kN/㎡의 과
재하중을 고려한다.
(나) 자동차, 중기 및 건축물 등이 인접하는 경
우에는 별도의 적절한 값을 적용한다.
(다) 기타 건설용 중기자중, 크레인 작업하중
등을 필요에 따라 고려한다.
2.2.4 충격하중
활하중은 충격을 고려해야 하며, 군집하중은
충격을 고려하지 않는 것으로 한다. 흙막이 구
조물에는 충격계수 i=0.3 를 적용한다.
토압
흙막이 벽체는 건물의 지하벽 혹은 옹벽에
비해 강성이 작고, 시공 중에 일정수준의 변형
이 허용되므로 옹벽과는 토압분포가 다르며,
시공방법 및 지지상태 등에 따라 토압분포가
변화한다. 따라서 지반조건, 지하수 및 주변 상
황을 고려하고 시공 중에 계측 및 관측을 통해
굴착진행에 따른 토압분포의 변화를 면밀히 주
시하는 것이 중요하다.
흙막이 벽체에 작용하는 토압은 지지구조물
의 설치 위치와 간격 및 시기에 따라 토압 분
포가 다르므로 시공법과 연계하여 시공 단계별
토압분포를 검토한다.
흙막이 구조물 시공이 완료된 경우의 토압분
포는 지지굴착에 대한 실측결과를 토대로 사각
형, 사다리꼴 및 삼각형 분포형태의 경험토압
분포를 Terzaghi와 Peck(1967), Peck(1969) 및
Tschebotarioff(1973) 등이 제안하였다. 굴착단계별 토압, 근입깊이 결정 및 자립식
강널말뚝의 단면 계산은 Rankine-Resal,
Caquot 및 Kerissel 등의 삼각형 토압을 적용
하는 것이 안정적이다.
흙막이 벽체를 설계함에 있어 굴착단계별 검
토에는 삼각형 토압분포를 적용하고 굴착 및
버팀구조가 완료된 후의 장기적 안정해석에는
경험토압을 적용하며 안정성 검토 및 부재단면
검토시 두 가지 경우의 해석을 모두 병행한 후
그 결과를 종합하여 설계를 수행한다.
단계별 굴착에 적용되는 토압은 이론식, 경
험식 계측결과에 의한 토압 등 다양한 제안식
이 있으나 실측자료 및 최악의 조건 등을 고려
하여 펙(Peck)의 제안식 또는 Tschehotaroff의
식이 적용될 수 있다.
경험식 적용시 굴착심도가 깊은 경우에는 토압적
용에 대해 상세한 검토와 함께 주의가 필요하다.
지층이 다층으로 구성되거나 암반층이 포함
된 굴착심도가 매우 깊은 구간, 단층파쇄가 인
접 위치하거나 통과하는 경우에는 별도의 토압
적용에 대해 검토한다.
(1) 사질토 지반
사질토 지반에서 주로 사용되는 토압분포는
개수성 흙막이벽체인 경우 수압을 고려하지 않
은 <그림 703.11(a)>와 같고, 차수성 흙막이벽
체의 경우 토압과 함께 수압을 고려한 <그림 703.11(b)>와 같다.
이때 흙막이벽이 다음 공법인 경우 차수성
흙막이로 분류한다.
▪강널말뚝 (sheet-pile)
▪지중연속벽 (diaphragm wall)
▪주열식말뚝(soil cement wall)
(2) 점성토 지반
점성토 지반에 일반적으로 적용되는 토압분
포는 <그림 703.12>와 같다. 지반조사를 통해
지반상태를 평가하고 그 결과를 토압분포식에
대입하여 토압을 산정할 수 있으며, 상재하중의 영향도 고려하고 있다.
<그림 703.12(a)>는 연약~중간 정도의 굳기
를 가진 점토에 적용하고, <그림 703.12(b)>는
균질의 견고한 점토에 적용한다. 견고한 점토
에 적용하는 토압식은 일시적인 토압에 해당되
므로 시공기간이 짧은 경우에 한하여 적용할
수 있으며, 점성토지반에서는 투수계수가 작아
굴착이 진행되는 동안 주변으로부터 지하수의
유입이 적기 때문에 수압은 별도로 고려하지
않는다.
(3) 기타 경험 토압분포
경험 토압분포중 Peck의 수정토압의 경우에
는 사각형
또는 사다리꼴
형태이나
각형 형태의 경험
Tschebotarioff의 경우에는 삼
토압을 제시하였다.
<그림 703.13>은 Tschebotarioff의 토압분포도를 나타낸 것이다.
경험토압분포는 지지구조의 설치가 완료된 후, 파괴 시에 발생하는 벽체의 변위를 측정한 결과와 벽체에 분포하는 토압분포임을 확실히 알아야 하며, 설계자가 경험토압 분포이론 적용ㅇ시 설계현장 조사자료를 비교하여 지하수위가 굴착면 상부에 있을 경우 토압 외에 수압을 고려하여 설계한다. 사질토나 자갈층에서 흙막이벽이 차수를 겸할 경우에는 이들 토압분포에 수압을 별도로 고려한다.
(4) 다층으로 구성된 지반의 경우
점토층 위에 모래층이 있는 경우와 같이 다
층으로 구성된 지반의 경우 개념을 근
거로 제형분포토압을 사용할 수 있는데, 이때
의 흙의 점착력과 단위중량은 평균점착력 Cav
와 평균단위중량(ra)을 적용한다.
(가) 점토층위에 모래층이 있는 경우
(나) 이질의 점토층이 다층으로 있는 경우
(다) 이질의 모래층이 다층으로 있는 경우
각층별 마찰각 및 단위중량을 고려하여 수평
토압을 계산한다.
(5) 암반층의 경우
견고한 암반의 경우 토압은 발생하지 않으나
지반조사결과 절리 및 단층 등의 불연속면이
관찰될 경우 불연속면의 방향성과 경사각의 파
괴면을 고려하여 토압을 산정하여 적용한다.
수압
흙막이 벽체를 설계할 때 적용되는 수압은
흙막이 벽체의 차수성, 배면측의 지층 구성상
태 등을 고려하여 산정한다. 일반적으로 굴착
공사시 주동 및 수동부의 수두차가 발생하면
배면지반에서 굴착면으로 지하수의 흐름이 발
생하게 된다. 굴착시 차수벽체가 불투수층에
이상적으로 관입된 경우에는 배면의 지하수는
굴착면으로 흐르지 않아 지하수위의 변화가 없
으므로 흙막이 벽체에 작용하는 수압도 정수압
과 같다.
그러나 실제 굴착시에 이와 같이 이상적인
차수상태가 존재하기 어려우므로 정수압보다
감소된 수압을 적용하는 것이 실제적이나 안전
을 고려하여 정수압을 적용하는 것이 일반적이다. 흙막이 벽체의 하부로 흐름이 발생하는 경
우 수압은 깊이에 따라 증가하다가 수두손실로
인해 다시 감소하여 흙막이 벽체의 하단에서는
0으로 된다.
<그림 703.14>는 지하수 흐름에 의한 수압
변화를 나타내고 있다.
지하수위는 지반조사 등을 통해 조사된 실제
지하수위 조사결과를 면밀히 검토하여 결정해
야 한다.
우기시 지하수위가 조사시 확인된 지하수위
에 비해 크게 상승되지 않거나 별도의 지하수
위 저하대책을 강구할 경우에는 그에 따르도록
한다.
재료 및 허용응력
2.3.1 재료
흙막이공 재료는 강재, 목재 및 콘크리트가
주로 사용되며, 흙막이 구조물은 공사 목적물
을 만들기 위한 가설재로 설치되는 경우가 대
부분이므로 강재에 대한 허용응력은 할증된 허
용응력을 쓰는 것이 일반적이다.
2.3.2 허용응력
가설 흙막이 구조물의 단면설계는 허용응력
설계법을 적용한다. 다만, 지하연속벽과 같은
강성벽체는 강도설계법으로 설계할 수 있다.
흙막이 구조물은 가설구조물로서 허용응력
값은 [도로교 설계기준, 국토해양부, 2010] 허
용응력 값의 1.5배를 사용한다. 이 경우 신강재
에 관한 것으로 부재의 반복 사용에 따른 응력
감소와 단면의 크기가 작아짐에 따른 응력감소
는 별도로 고려한다.
공사기간이 2년 미만인 경우에는 임시구조물
로 간주하여 가설구조물로 설계하지만, 2년 이
상인 경우에는 영구구조물로 설계한다.
(1) 강재의 허용응력
현장의 자재수급계획에 따라 재사용 강재를
사용할 경우, 재사용 강재의 허용응력은 반복
사용정도, 부식정도, 변형상태, 볼트구멍 등 종
합적으로 검토하여 강재종류별, 용도별로 응력
보정계수를 설정하여 사용한다.
(2) 목재의 허용응력
목재는 엄지말뚝공법에서 토류판으로 사용되
며, 목재의 허용응력은 목재의 종류와 섬유방
향에 따라 허용응력 값이 다르게 적용된다.
노면복공
노면복공은 복공판, 주형, 주형의 지지보로
구성되며 차량의 원활한 주행에 지장이 되지
않도록 기존 노면과 평탄성을 유지하고 일반차
량이나 중기 등의 하중을 지지하고 교통의 안
전을 확보할 수 있는 구조여야 한다.
또한 교통을 통제하는 짧은 시간에 시공해야
하므로 설계시 시공이 용이한 구조로 계획되어
야 하며, 통행차량의 미끄럼 및 소음 등의 대
책도 고려하여 설계한다.
2.4.1 복공판 설계
(1) 복공판의 규격
주로 사용되는 강재 복공판 규격은 길이
2.00m, 폭 1.00～0.75m, 높이 20cm인 것을 표
준으로 하고 설계시 자중은 2.0kN/㎡로 한다.
그러나 특수복공을 제작하는 경우는 실 중량으
로 한다.
(2) 하중의 적용
활하중에 대한 것은 자동차하중, 군집하중
등을 고려한다.
자동차 하중은 도로교 설계기준에서 규정하
는 DB하중을 사용하고, 군집하중은 5.0kN/㎡
의 등분포하중으로 한다.
크레인 등 건설용 중장비의 하중은 그 자중,
적재하중, 작업시의 편심하중 등을 고려하여
결정한다. 활하중은 충격을 고려해야 하며, 군
집하중은 충격을 고려하지 않는다. 자동차하중
등 활하중의 충격계수는 도로교설계기준에 의
i≤15/40+l 로 정해져 있으나 복공판
의 경우에는 충격을 직접 받으므로 충격계수는
i = 0.4 로 하는 것이 바람직하다.
(3) 복공판의 구조계산
구조계산은 <그림 703.15>와 같이 복공판을
지점으로 하는 단순보로 생각한다.
기성제품의 복공판을 사용할 경우 형상, 재
질, 허용응력도, 재하시험결과 등을 충분히 파
악하고 현장의 상황이나 설치기간, 시공성 등
을 검토하여 안전성을 확인한 후에 가장 적합
한 제품을 선택한다.
주형보 설계
(1) 일반사항
주형보는 상부 복공판으로 부터 진동이 계
속 전달되므로 지하매설물을 주형에 직접 매달
지 않는 것을 원칙으로 한다. 주형은 재하되는
하중에 대해 충분한 강도와 강성을 가져야 한
다. 주형에는 전도방지시설(브레이싱 등)을 설
치한다.
(2) 하중의 적용
고정하중은 복공판의 자중과 보의 자중으로
하며 활하중은 차도부에 표준트럭 하중을 재
하하되 연행 이동하여 최대 단면력이 발생하도
록 한다.
(3) 주형보의 구조계산
주형보의 응력계산은 엄지말뚝전면을 지점으
로 하는 단순보로 계산하고, 도로의 구배가 있
는 곳은 수평하중에 의한 보의 안정을 검토하
고 교차점 등에 있어서는 자동차 진행방향이
평행 또는 직각의 두 경우에 대하여 검토한다.
주형보의 변형이 크면 복공면의 단차에 의해
충격이 크게 발생하므로 허용변형은 발주처 기
준 또는 설계기준, 시방 등 관련 기준을 참조
한다.
주형보는 직접 윤하중을 받기 때문에 교통량
이 많은 장소나 장시간 재하되는 경우는 피로
의 영향에 의한 허용응력도의 저감 등을 고려
하며, 도심지 등에서 지간이 긴 경우 주형보의
변형에 따른 진동, 소음 문제가 발생할 수 있
다.
흙막이 공법 설계
2.5.1 일반사항
흙막이벽은 기초 터파기 공사에서 토압 수압
등의 측압을 받는 가설구조물에서 시작하였으
나, 근래에는 소음․침하방지 효과가 우수한
연속벽 형태가 적용되면서 건물 본체의 일부로
도 이용되고 있다. 따라서 흙막이 구조물은 토
질조건, 대지조건 및 주변에 미치는 영향 및
공사비, 공기, 시공성 등을 고려하여 가장 유리
한 공법을 선정한다.
공법 선정시 일반적으로 고려사항은 다음과
같다.
▪굴착심도 및 형상
▪지층상태와 지하수의 상황
▪주변구조물 및 매설물 상태
▪소음, 진동 등 환경영향 평가
▪시공 시 배수 및 굴착방법
▪가설 및 영구 지하구조물의 안전관리
▪주변의 유사조건에서 실시된 시공사례
흙막이공법별 특징
가설 흙막이의 구조형식은 흙막이 벽체의 재
질과 벽체를 지지하는 방식으로 구분할 수 있
다.
(1) 흙막이 벽체 재질에 의한 분류
흙막이 벽체의 재질에 따라 굴착 가능 깊이,
지하수위와 인접건물에 미치는 영향 및 공사비
등에 차이가 크게 발생하므로 현장여건을 정확
히 판단하여 흙막이 벽체를 선정한다.
(2) 흙막이 벽체의 지지방식에 의한 분류
가설 흙막이벽체의 강성만으로 토압 등의 하
중을 지지할 수 없는 경우 지지구조를 설치하
여 굴착벽면을 안정시킨다. 흙막이 벽체의 지
지방식에 의한 분류는 <그림 703.19>와 같다.
흙막이공법 선정
(1) 흙막이 공법별 특징
흙막이 벽체 공법 선정시 고려되는 사항은
다양하나 그 중 벽체안정을 위해 요구되는 흙
막이 벽체의 강성과 배면 지하수 유출방지를
위한 차수성 필요 여부가 흙막이 벽체 선정에
서 중요한 항목이다.
(가) 엄지말뚝과 토류판
굴착 전에 천공에 의하여 설치한 엄지말뚝
사이에 단계적 굴착중 토류판을 끼워서 벽체를
형성시키는 공법으로, 일반적으로 H-형강, 레일(Rail)강, 강관 등이 엄지말뚝으로 사용되며
흙막이벽으로는 주로 목재를 사용한다(그림
703.20 참조).
가장 경제성 있는 공법으로 알려져 널리 이
용되고 있는 공법이나, 벽체의 강성이 약하여
벽체의 변형가능성이 크고, 지하수에 대한 별
도의 차수대책이 필요하다. 또한, 흙막이벽을
기존지반과 밀착하여 설치할 수 없으므로 토류
판과 절취면 사이의 공간에 충실한 되메우기가
필요한 특징이 있다.
(나) 널말뚝
널말뚝은 강판 등으로 제작된 기성품을 현장
으로 운반하여 이용한다. 굴착 이전에 널말뚝
을 지반에 박아 벽체를 형성함으로 굴착시 배
면 토사유실을 방지할 수 있고 재료강도에 대
한 신뢰성이나 차수성이 비교적 우수하다.
벽체의 강성이 엄지말뚝 흙막이벽 보다는 크나 지하연속벽, SPW, 주열식 흙막이 벽보다는
작다. 널말뚝을 지반에 박을 때, 해머로 타입하
거나 진동하중으로 지반에 근입하므로 전석층
이나 풍화암층 이상의 암반에는 설치하기가 어
려운 면이 있으나, 이를 보완하기 위하여 물을
고압분사하여 시공하기도 한다.
널말뚝 공법은 가설벽체 해체시, 즉 널말뚝
인발시 진동에 의해 주변지반의 침하가
발생할
수 있으므로 주의가 필요하며 해체작업 중에
널말뚝이 이탈된 구멍을 메우는 작업이 요구된다.
(다) 주열식 흙막이벽
주열식 흙막이벽이란 천공장비로 지반을 천
공하고 그 곳에 H-형강이나 철근을 삽입한 후,
현장타설 모르터를 부어 콘크리트말뚝을 형성,
흙막이벽으로 이용하는 공법이다(그림 703.22
참조). 말뚝을 단순히 접촉시켜 시공하는 경우
는 시공시 말뚝과 말뚝사이에 공간이 생기기
쉬우므로 투수성 지반의 경우에는 토사가 유출
되지 않도록 말뚝과 말뚝사이에 그라우팅 등의
보조공법을 병행한다.
(라) SPW( Secant Pile Wall)
SPW 공법은 <그림 703.23>과 같이 천공장비
로 굴착전에 지반을 천공하고 천공구멍에
H-Pile이나 철근망을 삽입한 후 콘크리트를 타
설하여 현장타설말뚝 벽체를 형성시키는 공법
이다.
마) SCW
SCW (Soil-Cement Wall)공법은 천공장비로
지반을 천공하고 그 곳에 현장타설 시멘트페이
스트를 타설하여 현장 흙과 시멘트페이스트를
혼합시킨 후 H-형강을 삽입하여 벽체의 강성
을 증진시키는 공법으로 차수효과가 우수하다.
(바) 지하연속벽
크럼쉘이나 유압식 드릴 등의 장비에 의하여
흙막이 벽체부분의 지반을 굴착하고 철근망을
삽입한 후, 콘크리트를 타설함으로써 지중에
철근 콘크리트 연속벽체를 형성하는 공법이다
(그림 703.24 참조).
굴착시 옹벽의 붕괴를 방지하기 위하여 안정
액을 사용한다. 이와 관련된 부분은 [구조물 기
초 설계기준해설, 국토해양부, 2010] 7.7절 지하
연속벽을 참고한다.
(2) 흙막이 굴착공법의 선정
굴착에 따른 대표적인 지지 방법은 버팀보
(Strut)와 지반앵커(Earth Anchor)로 구분할 수
있다. 이 밖에 쏘일네일링 공법이나 래커 지지
방식에 의한 굴착이 있으며, 암반지역에서는
지반앵커 대신 록볼트가 사용되기도 한다. 흙막이 벽체를 지하연속벽(Diaphragm Wall)으로
시공할 경우에는 슬래브에 의해 벽체를 지지하
며 상부에서 하부로 구조물을 완성하는 역타
(Top-Down) 공법의 적용도 가능하다. 각각의
주요 지지구조물에 대한 종류와 특성을 정리하
면 <표 703.9>와 같다.
(3) 흙막이 굴착공법의 적용성
굴착공법은 현장 여건 및 지반상태를 감안하
여 적절한 공법을 선정한다. 지반 및 현황특성
에 따른 각종 흙막이 굴착공법의 적용성은 <표 703.10>과 같다.
굴착저면의 안정 검토
(1) 지반융기(Heaving)에 대한 검토
점성토 지반은 융기에 대한 검토를 한다. 지
반융기에 대한 검토방법은 하중-지반지지력에
의한 방법과 모멘트 평형에 의한 방법 등은
[구조물기초 설계기준, 국토해양부, 2008]에 따
라 검토한다.
(2) 파이핑(Piping)에 대한 검토
사질지반에서 차수성 흙막이를 설치할 때는
파이핑에 대한 검토한다. 파이핑에 대한 안정
성 검토는 한계동수경사 방법 및 Terzaghi 방
법에 의하며 구조물기초 설계기준에 따른다.
근입장 검토
굴착바닥면의 안정을 위한 흙막이벽의 근입
깊이 계산은 다음 조건을 검토한다.
▪상재하중에 대한 말뚝의 지지력
▪근입부에 작용하는 주동토압과 수동토압에
대한 안정
▪연약 점토지반은 히빙현상에 대한 안정
▪모래지반은 보일링 현상에 대한 안정
(1) 지반지지력의 검토
(가) 허용지지력
최대축방향력은 말뚝의 허용 지지력 내에 들
어야 한다. 최대 축방향력(P)은 주형 지점의 반
력 + 주형의 지지보 자중 + 버팀보지점의 반
력(자중에 의한 반력) + 띠장의 자중 + 말뚝의
자중 + 흙막이 앵커의 수직분력 + 부마찰력(필
요시)으로 한다.
(나) 허용지지력 산정
엄지말뚝의 허용지지력 산정은 말뚝 재하시
험을 하지 않을 경우 정역학적 공식으로 계산
하며 시항타에 의해 동역학적 공식으로 확인한
다. 정역학적 공식 또한 현장시험 결과에 의한
극한 지지력으로 부터 허용지지력 산정시 안전
계수는 2.0을 채택한다.
엄지말뚝 배면흙이 배수 등으로 침하할 우려
가 있을 때는 부마찰력을 엄지말뚝의 축하중에
가산하여 검토한다.
천공말뚝에 대하여는 선단부의 침하가 되지않도록 시공하며, 말뚝주변 지반과의 마찰력(또
는 부착력) 발현이 다양하므로 마찰지지력 산
정시 주의한다.
흙막이 앵커의 수직분력을 최대 축방향력에
고려할 경우는 흙막이 앵커의 수평분력 및 버
팀보의 반력에 의한 마찰력을 허용지지력에 고
려한다.
(2) 말뚝의 근입깊이
관용적인 힘의 평형조건에 의한 안정은 최하
단 버팀보 위치를 중심으로 안전율 2.0이 적용
된 수동토압에 의한 저항모멘트가 버팀보 하단
의 주동토압에 의한 활동 모멘트의 1.2배 이상
이어야 하며, 탄소성법을 적용하는 경우에는
전체적인 지보재의 발생변위에 의한 응력이 허
용치를 초과하지 않도록 한다.
엄지말뚝에 작용하는 수동토압의 작용폭은
<표 703.11>에 따르며, 주동토압의 작용폭은
굴착저면 이상에서는 말뚝의 간격, 굴착면 이
하는 플랜지 폭만을 적용한다.
엄지말뚝의 최소 근입깊이는 선단폐쇄 효과의
발생 깊이를 고려하여 토사지반을 지지층으로
하는 경우는 말뚝직경(폭)의 5배 이상, 암반을
지지층으로 하는 경우는 1.0m 이상으로 한다.
흙막이 가시설 구조계산
흙막이 구조물은 굴착의 진행에 따라 띠
장, 버팀보의 설치, 철거 및 되메우기가 차례로
진행되므로 그 순서에 맞게 각 공사단계마다의
하중, 외력, 지지조건을 대상으로 흙막이 구조
물을 검토한다. 현재 이용하고 있는 흙막이벽
의 응력과 변형의 계산방법을 분류하면 <그림 703.25>와 같다.
지반의 침하, 파괴 등의 상태가 불분명하고
그 성질이 복잡하기 때문에 흙막이 구조물 계
산방법은 아직 명확히 제시되어 있지 않으나
일반적으로 사용되는 계산법은 근입깊이
1.0~2.0m인 곳에 가상지점을 생각하여 버팀보
를 지점으로 해서 연속보 또는 단순보로 흙막
이벽의 휨모멘트를 계산한다.
(1) 관용계산법
굴착이 종료되고 버팀구조가 설치된 후 경험
토압분포를 하중으로 사용하여 버팀보의 반력
과 흙막이벽의 응력을 구하는 계산방법으로 지
반은 단일 토층에 있으며 간극수는 없고 점토
지반은 간극수압을 무시한 상태를 전제로 한
다.
벽체는 연성이므로 지지점 사이를 단순보로
가정하여 경험토압을 적용하여 해석하는 방법
으로 계산은 간단하나 굴착 및 지지구조 설치
완료 후의 해석만이 가능하고 벽체거동을 무시하므로 흙-구조물 상호작용이 반영되지 않는다.
벽체를 앵커나 버팀보 지점에 지지된 연속보
로 가정하여 경험토압을 적용한다. 휨모멘트나 전단력은 단순보법보다 정도가 높으나 벽체 배
면지반에 대한 변위해석(흙-구조물의 상호작용)
은 반영되지 않는다.
(2) 탄성보법
연속보 해석법(Beam on Elastic Foundation)
은 캔틸레버 또는 앵커로 지지된 널말뚝(다층
앵커 포함) 및 버팀보로 지지되는 흙막이 구조
등 모든 경우의 흙막이구조에 적용 가능하다.
벽체를 적당한 절점으로 분할하여 벽체의 횡방
향 변위, 벽체 전면 수동영역의 절점토압, 각
절점에서의 휨 모멘트 및 앵커 지지력(또는 버
팀보 지지력) 등을 구하여 설계에 반영한다.
<그림 703.27>는 탄성지반상 연속보 해석을
위한 구조도로 벽체 배면의 토압을 사각형의
고전적 토압을 적용하여 해석함에 따라 벽체
배면지반에 대한 거동분석이 곤란한 단점이 있
다. <그림 703.28>에서 앵커(또는 버팀보) 강성
계수( Kb )와 지반강성계수( )는 다음과 같이
구한다.
(가) 앵커 또는 버팀보의 강성계수( Kb )
(나) 지반의 수평방향 강성계수(Ks)
(3) 흙-구조물 상호작용을 고려한 해석법
굴착공사 중 연성벽체 배면지반의 변위를 계
측을 통하여 알아내고, 유한요소법이나 유한차
분법등의 수치해석모델과 연속체모델에 근거한
해석기법을 적용하여 굴착벽면을 중심으로 주
변지반에 대한 변위를 정량적으로 추정할 수
있는 방법이다.
Clayton et al.(1993)은 이러한 모델들을 적용
할 때에 흙과 흙막이 구조물이 변화하는 양상
을 적절히 해석하기 위한 방법으로 하중-경로
기법(Load-Path Techniques)을 응용한 수치해
석 모델을 사용하였다.
Schweiger(1991, 1997, 1998, 2000)는 수치해
석방법에 대한 신뢰성 외에 해석결과의 신뢰성
확보를 위하여 해석의 목적과 입력 정수를 알
기 위한 지반조사 계획과 방법, 그리고 조사결과의 해석 등의 중요성을 강조하였다. 즉, 해석
결과의 신뢰성이 확보되기 위하여 해석을 위해
이론식을 만드는 과정에서 가정한 여러 가지
사항들이 적용현장에 대한 적합성 여부의 판단
외에 이론식에 대입되는 지반정수가 적용현장
의 토질을 정확하게 나타내어야 해석결과에 대
한 신뢰성도 증가할 수 있다.
가시설 부재별 설계
(1) 벽체말뚝 설계
벽체말뚝은 시공단계별로 계산하여 가장 불
리한 경우에 대하여 설계한다. 특히, 노면복공
을 시행하는 구간에서는 노면복공에 의한 축력
을 조합하여 검토한다.
굴착면은 버팀보 설치 예정지점에서 0.5m 아
래로 취한다. 최상단 버팀보 상부는 외팔보로
계산하고, 경우에 따라서는 주형 하면을 지점
으로 보아도 좋다.
수압은 말뚝선단에서 0(Zero)으로 하며, 토류
벽 종류, 지반조건(지층상태, 지하수위, 투수계
수) 등을 고려한다.
엄지말뚝 및 강널말뚝의 계산방법은 다음과
같다.
(가) 엄지말뚝
버팀보 위치를 탄성지점으로 하는 연속보로
계산한다. 지반상태에 따른 토압의 작용폭은
<표 703.11>의 규정을 따른다.
관용 계산시 지중 가상지지점의 위치는 다음
과 같다.
▪굴착도중 : 굴착저면하 0.5m로 취하되 연약
지반일 경우에는 그 이상으로 한다.
▪굴착완료후 : 평형근입장을 계산하여 수동토
압의 합력의 작용점으로 취한다.
(나) 강널말뚝(연속벽)
강널말뚝에 작용하는 주동토압과 수동토압의
분포폭은 강널말뚝 전폭으로 하고 버팀보는 탄
성지점으로 취급한다.
근입부의 수동토압 작용측에 수평지반 반력
계수를 적용하고, 지반반력계수로부터 구한 지
반반력이 수동토압을 초과할 경우에는 수동토
압을 적용한다.
엄지말뚝에 작용하는 하중은 복공판을 지지
하는 보의 최대반력과 토압에 의한 모멘트를
사용하여 검토한다.
엄지말뚝의 수평변위는 배면지반 침하량 및
부등침하 경사각을 검토하여 판정하되, 최대수
평 변위는 최종 굴착깊이(H)의 0.2%로 한다.
암반구간에서 엄지말뚝에 작용하는 측압을
무시할 수 있는 경우에도 말뚝의 좌굴 영향을
검토하며, 록볼트와 숏크리트 등으로 좌굴 및
변형을 방지하여 안전을 확보한다. 다만, 암반
의 심도가 깊어 록볼트의 설치가 3～4단 이상
계속될 경우 암반의 특성을 감안하여 중간에
버팀보 및 앵커방식으로 보강한다.
(2) 중간말뚝 설계
(가) 하중의 적용
중간말뚝에 작용하는 연직하중은 주형 또는
매설물 전용빔에 재하된 하중에 의해 생기는
최대 반력으로 한다.
▪고정하중 : 노면복공(복공판, 주형등) 자중,
매설물 자중(빔 자중 포함), 말뚝의 자중, 버
팀보의 연직하중
▪활하중 : 충격을 포함한 노면하중 최대반력
중간말뚝의 종방향 강성을 증가시키기 위해
중간말뚝 사이에 사보강재 등의 보강부재를 조
립시킨 경우에는 하중분배를 고려할 수 있다.
다만, 트러스 형태의 보강이 없는 중간말뚝은
단독으로 연직하중을 지지하는 것으로 한다.
작업공간 확보 등으로 중간말뚝 간격을 넓게
할 경우에는 주형지지보의 규모를 크게 하고
중간말뚝에 작용하는 편심하중과 좌굴에 대하
여 검토한다.
(나) 허용지지력
허용지지력 산정은 본 장의 2.5.5의 (1)항을
따르며 중간말뚝에 작용하는 연직하중이 그 허
용지지력을 넘지 않도록 한다.
(다) 중간말뚝 배치계획
중간말뚝이 본체구조물의 거더 등을 관통하
지 않도록 가시설 계획을 수립한다.
(3) 토류판 설계
(가) 토 압
토압은 토류벽에 작용하는 토압을 적용한다.
(4) 띠장의 설계
(가) 일반사항
띠장은 흙막이벽에서의 하중을 받아 이를 버
팀보 등에 평균하여 전달시키기 때문에 충분한
강성을 확보하여야 한다. 각단의 띠장설계에
쓰이는 하중은 굴착 및 지하차도 구조물 시공
등의 각 단계의 최대하중으로 하고, 띠장은 버
팀보 또는 앵커 위치를 지점으로 하는 단순보
로 계산한다. 다만, 양호한 이음구조로서 휨모
멘트 및 전단력이 충분하게 전달되는 경우에는
연속보로 계산할 수 있다.
띠장과 버팀보 또는 앵커의 접합위치에서는
띠장 복부에 보강재를 설치하여 복부의 국부좌
굴과 플랜지의 변형을 방지한다.
띠장의 길이 및 연직간격에 대해서는 하중의
크기, 흙막이 부재의 강도, 강성 및 작업성 등
을 고려하여 충분히 안전하도록 결정 한다.
버팀보 위치에서의 띠장 횡변위를 구하고 그변위가 버팀보 축력에 미치는 영향을 검토한
다. 엄지말뚝 구조의 경우에는 강제 패킹재, 강
널말뚝 구조의 경우에는 콘크리트 충전 등으로
띠장과 흙막이벽을 밀착시킨다.
띠장에는 노면으로부터의 진동, 안전통로 등
의 하중, 버팀보의 연직하중, 흙막이 앵커의 연
직성분 등의 영향에 의하여 떨어지지 않도록
브라켓을 확실하게 지지시키도록 설계한다.
(나) 띠장의 설계
흙막이벽이 토류판과 엄지말뚝으로 된 경우
토압에 의한 띠장 위치의 엄지말뚝지점 반력을
집중하중으로 하고 버팀보 위치를 지점으로 하
는 3경간 연속 혹은 버팀보 수평거리를 지간으
로 하는 단순보로 계산한다.
띠장이 연속하지 않는 경우는 단순보로 계산
하든가 연속보로 계산한다.
흙막이벽의 토류공이 강재 널말뚝으로 된 경
우 토압에 의한 띠장 위치의 반력을 등분포 하
중으로 하고 버팀보 위치를 지점으로 하는 3경
간 연속보 혹은 버팀보의 수평간 거리를 지간
으로 하는 단순보로서 계산한다.
띠장의 구조계산은 다음표의 간략식으로 계
산할 수 있다.
(5) 버팀보의 설계
(가) 일반사항
버팀보는 압축재로서 좌굴하지 않도록 충분
한 단면과 강성을 가져야 한다. 또, 버팀보가
긴 경우에는 중간말뚝 등을 설치하여 보강한
다. 버팀보 위에는 자중이외에 재하해서는 안
되나 부득이 재하할 경우에는 축력과 휨이 작
용하는 부재로 설계한다.
버팀보에는 이음을 설치하지 않는 것이 바람
직하나 부득이 이음을 설치할 때는 보강을 하
여 충분한 강도를 확보한다. 이음의 위치는 중
간말뚝, 띠장 등으로 구속된 부근(1.0m 이내)에
설치하는 것이 바람직하며 이음부분에 대한 상
세도를 작성한다.
버팀보 설치위치는 가능한 슬래브, 거더 등
구조물 위치와 중복되지 않게 배치한다.
버팀보에서는 흙막이 벽체의 변위를 억제하
고 띠장과 흙막이벽체의 밀착을 위하여 설계축
력의 50～80%를 초기 지압력으로 도입한다.
(나) 좌굴길이
버팀보는 압축부재로 계산하며 좌굴길이는
다음과 같이 취한다.
수직방향(강축방향)의 경우 엄지 말뚝 또는
중간말뚝에 연결된 버팀보의 전체 길이(ℓ 또
는 ℓ′)를 고정점간 거리로 한다.
수평방향(약축방향)에서 수평방향 좌굴에 대
해 효과적으로 구속되어 있지 않을 경우는 엄
지 말뚝 또는 중간 말뚝에 연결된 버팀보의 전
길이(ℓ 또는 ℓ′)를 고정점간 거리로 한다.
수평방향 좌굴에 대하여 효과적으로 구속되어
있으면서 중간말뚝이 없는 경우는 1.5ℓ₁, 1.5
ℓ₃및 2.0ℓ₂중 큰 것을 고정점간 거리로 하
나, 이 값이 전장 ℓ을 넘을 경우에는 ℓ로 한다. 수평방향 좌굴에 대하여 효과적으로 구속되어 있으면서 중간말뚝이 있을 경우는 1.5ℓ4
, 1.5ℓ5 (다만, 이 값이 ℓ 4 + ℓ 5를 넘을 때는 ℓ 4 + ℓ 5)와 ℓ 6 중 큰 것을 고정점간 거리로 한다.
(라) 세장비의 규정
세장비 λ는 100이하로 하고, 현장의 공사여건
상 부득이하게 좌굴에 대하여 효과적으로 구속
시킬 수 없는 경우라도 120을 초과할 수 없다.
(마) 버팀보의 보강
버팀보는 가시설구조물 전체의 강성을 확보
할 수 있도록 일정간격으로 인접 버팀보와 수
평브레이싱을 설치하여 보강한다.
브레이싱의 설치는 좌굴해석에 의해 위치 및
부재규격을 결정한다.
지반앵커 설계
(1) 일반 사항
흙막이 앵커는 구조물의 규모, 형상, 지반조
건 및 환경조건에 적합한 것을 선정하고,
설계하중에 대해서 인발저항력을 갖도록 설계
한다. 흙막이 앵커는 양호한 지반에 정착하는
것으로 하고, 그 길이 및 배치는 토질 조건, 시
공조건, 환경조건, 지하매설물의 유무, 흙막이
벽의 응력, 변위 및 구조계의 안정을 고려하여
결정한다.
(2) 허용정착력(Ta)
(가) 극한인발력(Tug), 허용인발력(Tag)
앵커체 단위면적당의 지반과의 주면마찰저항
( τ u )은 시험을 통해 산정하지 않은 경우 <표 703.13>을 참고하여 정한다. 다만, 표층에 가까
운 위치에 앵커를 설치할 경우에는 마찰저항력
을 기대하기 어려우므로 모래, 자갈지반에서는
특히 주의한다.
<표 703.13>에서는 암의 종류 및 상태를 세
분화하고 있지 않으므로 풍화상태나 균열, 절
리 등의 상태를 감안해서 주면마찰저항값을 결
정한다.
(나) 허용인장력 (Tas)
허용인장력은 인장재 극한하중(Tus), 인장재
항복하중(Tys)에 대해 <표 703.15>의 값 중에서
작은 값을 사용한다.
(다) 설계정착력(Td), 허용정착력(Ta)
설계정착력(Td) ≤ 허용정착력(Ta)의 관계가
성립되어야 하나 특별한 규정이 없으면 설계정
착력(Td) = 허용정착력(Ta)을 사용한다. 허용정
착력(Ta)은 허용인발력(Tag)과 허용인장력(Tas)
중 작은 값을 사용한다.
(라) 앵커의 정착길이
앵커의 정착길이( L a )는 설계정착력으로부터
산출되는 앵커의 정착길이( L’a )와 인장재의 부
착길이( Lsa ) 중 큰 값을 적용하며, 진행성파괴
가능성을 고려하여 토사층인 경우 4.5m 이상,
최대 10m 이하 범위에서 사용한다.
(마) 앵커의 자유장 길이
앵커의 자유장 길이는 프리스트레스를 유효
하게 작용시킬 수 있도록 해야 하며, 앵커체가
설계정착력을 충분히 발휘할 수 있는 양호한 지반에 위치하도록 지반조건, 기상조건(동상
등), 구조조건 등을 고려하여 결정한다. 통상적
으로 가상활동면으로부터 1.5m 또는 굴착깊이
의 0.15H(H=굴착깊이)를 더한 값 중 큰 값으
로 하되 토사지반의 경우 최소 4.5m 이상으로
한다.
주변구조물 영향 검토
(1) 구조물의 침하 및 손상한계
굴착에 의한 배면 지반의 변위를 산정한 후
설계지침이나 건축기준 등에 규정되어 있는 허
용변위량을 기준으로 주변구조물의 손상여부를
분석하고 필요시 대책을 강구한다.
<그림 703.31>은 Bjerrum(1981)이 제안한 주
변구조물의 각변위 한계를 나타낸 것이고, <표 703.17>과 <표 703.18>은 Sowers(1962),
Skempton(1955)이 각각 제안한 구조물 종류별
허용침하량과 구조물의 손상한계를 나타낸 표
이다.
(2) 배면지반의 침하예측 방법
흙막이벽의 변위에 따른 주변 지반의 침하에
대한 예측은 흙막이벽 변위의 실측, 또는 계산
에 의하여 구한 값으로부터 주변지반 침하를
추정하는 방법과 버팀구조와 주변 지반을 일체
로 고려하는 수치해석적 방법이 있다.
(가) 수치해석에 의한 방법
배면지반의 침하나 수평 변위를 정량적으로
파악하기 위해서는 유한요소법을 사용할 수 있
다. 유한요소법은 지반 전체와 가시설 전체를
일체로 모델화하여 굴착 단계별로 배면지반 침
하나 수평변위 등을 구한다.
이는 흙막이벽체와 지지구조 등을 동시에 고
려하여 지반-구조물 상호거동을 고려한 해석이
된다. 그러나 이 해석방법은 벽체와 흙의 관계
를 나타내기 위한 경계면요소(Interface Element)
가 고려되어야 한다. 또한 대상 지반 및 흙막
이 구조물의 거동을 정확히 나타낼 수 있는 응
력-변형률 관계를 파악하는데 필요한 제반 정
수들의 정확한 추정이 요구된다.
(나) 이론적 및 경험적 추정방법
Peck(1969)은 서로 다른 지반에 대하여 강널
말뚝을 설치한 결과를 계측하여 굴착깊이에 따
른 인접지반의 이격거리와 침하량 관계를 도시
하였고, Caspe(1966)는 강널말뚝의 변위와 포아
송비를 사용하여 굴착심도에 따른 벽체배면의
지반침하량의 관계를 도시하였으며, Clough et
al.(1990)는 여러 가지 지반에서 굴착깊이와 배
면지반 침하량과의 관계를 측정하고 이를 유한
요소법으로 해석하였다.
Fry et al.(1983)는 지반을 완전탄성 및 포화
된 것으로 가정하여 실시한 유한요소해석 결과
값을 지반조건에 따라 확장시켜 수식을 산출하
였다.
그 외에도 Tomlinson(1986)의 유한요소 적용
을 위한 제안, 상대밀도 등을 고려한 Bauer의
방법 및 Roscoe와 Wroch 등의 소성론 개념에
의한 추정방법 등이 있다.
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