[논문]옹벽겸용 흙막이벽으로 PHC말뚝의 적용 사례 연구

한중근; 홍기권; 어윤원; 김상귀

문제 정의

해석에 적용된 지반조건은 현장조사결과를 이용하였고, 지반반력계수와 지반탄성계수는 표 2와 같이 적용하였다. PHC말뚝의 제원은 표 3에서 보는바와 같고 특히, Xpile을 이용한 해석에 사용된 말뚝의 제원은 2열의 말뚝을 1열로 환산한 단면(그림 10 참조)을 통하여 표 4와 같이 적용함으로서 해석의 가능여부를 확인해 보았다. 그리고 지지력을 보완하기 위하여 사용된 연직방향 Earth Anchor의 경우, Xpile에서는 연직Anchor의 해석이 불가능하여 말뚝에 작용하는 연직방향의 하중으로 고려하여 해석을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 경기도 OO지구 신축공사현장에 기존에 제시된 공법을 응용·적용한 시공사례를 통하여 적용공법의 시공성 및 안정성을 평가해보고자 한다.
본 연구에서는 굴착시공 시 일반적인 흙막이공법이 가지고 있는 굴착깊이에 대한 문제를 해결해 보고자 2열의 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽으로서의 시공성 및 안정성을 검토해보았다. 2열의 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽의 시공 시 Slopile 해석결과를 이용하는 경우 말뚝의 최대발생변위량의 예측이 가능하였으며 말뚝에 발생하는 응력을 이용하는 Xpile의 해석결과를 현장의 말뚝계측변위와 비교하면 현재 상태에서의 말뚝이 받는 응력조건 및 변위발생정도가 예측이 가능함을 알 수 있었다.
본 절에서는 굴착깊이가 다소 깊은 현장상태를 위해 기존의 설계법에서 응용된 설계방법을 제시하고자 한다. 응용설계법의 설계패턴은 그림 6과 같이 현장상태를 통해 굴착깊이가 깊은 경우 다열 PHC 말뚝으로 시공이 결정되면 말뚝의 치수, 강성 및 보조공법을 선정하게 된다.

제안 방법

옹벽겸용 흙막이벽 공법에 대한 일반적인 설계의 타당성 검증은 사질토지반과 점성토지반에 대하여 그림 3과 같은 대표단면에 대해 parameter 연구를 실시한 결과 객관적인 설계패턴이 제시된 바 있다(한중근 외, 2005). 굴착 깊이는 3m, 4m, 5m를 고려하고 지반특성에 대해서는 내부마찰각과 비배수전단강도를 적용하였고 말뚝과 지반사이의 상호작용 고려를 위해 말뚝변위에 따른 상대토압을 고려할 수 있도록 지반반력계수를 영향계수로 하였으며 배면지반의 주위환경을 고려하여 상재하중을 고려하였다.
본 현장은 말뚝과 배면지반의 거동을 계측하고 해석결과와의 비교를 위하여 그림 9와 같이 4개의 경사계가 설치되었다. 그리고 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽의 시공시 당시 현장의 지하수위를 고려하여 LW그라우팅 차수를 실시하였다.
PHC말뚝의 제원은 표 3에서 보는바와 같고 특히, Xpile을 이용한 해석에 사용된 말뚝의 제원은 2열의 말뚝을 1열로 환산한 단면(그림 10 참조)을 통하여 표 4와 같이 적용함으로서 해석의 가능여부를 확인해 보았다. 그리고 지지력을 보완하기 위하여 사용된 연직방향 Earth Anchor의 경우, Xpile에서는 연직Anchor의 해석이 불가능하여 말뚝에 작용하는 연직방향의 하중으로 고려하여 해석을 실시하였다. 또한 굴착배면에 구조물이 없는 점을 감안하여 상재하중은 해석시 고려하지 않았다.
5m～6m인 구간으로 구분되며 일반적인 자립식 흙막이벽이 설치되기에는 깊이가 다소 깊은 현장이다. 따라서 최초 H-Pile+토류판과 지보공으로 Earth Anchor로 계획되어 있었지만 공기단축의 필요성에 의해 2열 말뚝과 더불어 그림 8과 같이 연직 방향의 Earth Anchor를 이용하여 보강하는 옹벽겸용 흙막이벽 공법으로 변경하였다.
말뚝 자체의 거동과 배면지반의 거동을 모두 살펴보기 위하여 그림 9에서 나타낸바와 같이 두 열의 말뚝 중 1열 말뚝 뒤에 2개의 경사계를 설치하고, 배면지반에 2개의 경사계를 설치하였다. 말뚝의 발생변위는 굴착깊이 5.
말뚝 자체의 거동과 배면지반의 거동을 모두 살펴보기 위하여 그림 9에서 나타낸바와 같이 두 열의 말뚝 중 1열 말뚝 뒤에 2개의 경사계를 설치하고, 배면지반에 2개의 경사계를 설치하였다. 말뚝의 발생변위는 굴착깊이 5.5m 지점(YY-1)과 굴착깊이 5.0m(YY-2)지점에서 계측하였다. 굴착 시 발생된 2열의 말뚝변위는 -0.
사질토지반의 경우, 내부마찰각과 지반반력을 동시에 고려하여 해석을 수행하였다. 그 결과, 그림 4에서 보는바와 같이 안정성은 선형적인 증가를 보였고 5m 굴착시까지 모두 안정한 것으로 나타났지만 기준안전율(F_s =1.
연구대상 현장은 배면의 여유공간이 부족하여 지보공이 배면으로 설치될 수 없는 경우 및 기존 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽 시공조건보다 굴착깊이가 깊어지는 경우로서 PHC말뚝의 휨저항을 보다 향상시킬 수 있는 방법으로 그림 8에서 보는바와 같이 2열의 말뚝을 설치하고 말뚝사이의 연직Anchor를 통해 2열 말뚝이 동시에 거동토록 시공하였다.
한편, 사례현장의 지반은 상부로부터 매립층, 충적층, 풍화토층, 풍화암층 순서로 분포되어 있다. 지반특성조사는 SPT(표준관입시험)로 실시되었고, 표 1에서 보는바와 같이 매립층은 표층으로부터 3m 가량 분포되어 있으며 N치가 8～23 정도로 느슨한 실트질 모래층으로 구성되어 있다. 충적층은 2～3m의 두께로 N치는 44로 중간정도의 조밀한 사질토 층이며 풍화토층은 약 2m 두께의 실트질 모래층으로 N치가 50이상인 매우 조밀한 상태이다.
해석에 적용된 지반조건은 현장조사결과를 이용하였고, 지반반력계수와 지반탄성계수는 표 2와 같이 적용하였다. PHC말뚝의 제원은 표 3에서 보는바와 같고 특히, Xpile을 이용한 해석에 사용된 말뚝의 제원은 2열의 말뚝을 1열로 환산한 단면(그림 10 참조)을 통하여 표 4와 같이 적용함으로서 해석의 가능여부를 확인해 보았다.

대상 데이터

앞서 언급한바와 같이 연구대상 현장은 경기도 OO지구 신축공사현장으로서 공법적용 구간은 지하구조물 시공을 위한 굴착깊이가 4.5m이하인 구간과 4.5m～6m인 구간으로 구분되며 일반적인 자립식 흙막이벽이 설치되기에는 깊이가 다소 깊은 현장이다. 따라서 최초 H-Pile+토류판과 지보공으로 Earth Anchor로 계획되어 있었지만 공기단축의 필요성에 의해 2열 말뚝과 더불어 그림 8과 같이 연직 방향의 Earth Anchor를 이용하여 보강하는 옹벽겸용 흙막이벽 공법으로 변경하였다.

데이터처리

계측결과와 해석결과를 비교·분석하기 위하여 말뚝의 거동과 사면의 안정성을 동시에 해석할 수 있는 범용프로그램인 Slopile을 사용하였으며 말뚝의 거동을 파악할 수 있는 프로그램인 Xpile을 이용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 굴착시공 시 일반적인 흙막이공법이 가지고 있는 굴착깊이에 대한 문제를 해결해 보고자 2열의 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽으로서의 시공성 및 안정성을 검토해보았다. 2열의 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽의 시공 시 Slopile 해석결과를 이용하는 경우 말뚝의 최대발생변위량의 예측이 가능하였으며 말뚝에 발생하는 응력을 이용하는 Xpile의 해석결과를 현장의 말뚝계측변위와 비교하면 현재 상태에서의 말뚝이 받는 응력조건 및 변위발생정도가 예측이 가능함을 알 수 있었다. 또한 적용공법의 경우 기존의 주열식 공법에 비해 제한된 깊이를 갖는 굴착시공시 경제성 및 시공성이 좋음을 확인할 수 있었다.
사질토지반의 경우, 내부마찰각과 지반반력을 동시에 고려하여 해석을 수행하였다. 그 결과, 그림 4에서 보는바와 같이 안정성은 선형적인 증가를 보였고 5m 굴착시까지 모두 안정한 것으로 나타났지만 기준안전율(F_s =1.3)을 고려하는 경우에는 내부마찰각이 35° 이상의 지반에서만 안정한 것으로 나타났다. 이는 4～5m 이상의 굴착깊이가 요구될 경우, 지보공의 필요성을 의미한다.
또한, 발생변위량은 현장안전관리기준치인 1/200을 적용하였을 경우 지반반력이 500t/m² 이상인 경우에 안정함을 알 수 있었다. 그러나 이 경우는 Slopile의 프로그램 특성상 사면이 파괴되는 시점인 말뚝의 극한안정상태를 나타낸 것으로서 실제 발생하는 토압을 고려하여 말뚝의 허용강성을 낮추어서 보정을 하면 변위는 약 50%정도 감소하기 때문에 말뚝에 대한 안정성을 만족할 것으로 판단되었다.
0t/m² 이상이 되는 지반에 시공 가능한 것으로 나타났다. 그리고 말뚝의 변위상태로 볼 때 사질토지반에 비해 약 2배의 변위 발생이 예상되어 말뚝의 상태가 안정하지 못한 것으로 나타났지만, 실제작용토압을 고려하여 보정하게 되면 약 50%의 변위감소가 예상되므로 사면의 안전률을 만족하는 경우 말뚝의 안정 역시 만족하게 되는 것으로 판단되었다.
2열의 PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽의 시공 시 Slopile 해석결과를 이용하는 경우 말뚝의 최대발생변위량의 예측이 가능하였으며 말뚝에 발생하는 응력을 이용하는 Xpile의 해석결과를 현장의 말뚝계측변위와 비교하면 현재 상태에서의 말뚝이 받는 응력조건 및 변위발생정도가 예측이 가능함을 알 수 있었다. 또한 적용공법의 경우 기존의 주열식 공법에 비해 제한된 깊이를 갖는 굴착시공시 경제성 및 시공성이 좋음을 확인할 수 있었다.
이는 4～5m 이상의 굴착깊이가 요구될 경우, 지보공의 필요성을 의미한다. 또한, 발생변위량은 현장안전관리기준치인 1/200을 적용하였을 경우 지반반력이 500t/m² 이상인 경우에 안정함을 알 수 있었다. 그러나 이 경우는 Slopile의 프로그램 특성상 사면이 파괴되는 시점인 말뚝의 극한안정상태를 나타낸 것으로서 실제 발생하는 토압을 고려하여 말뚝의 허용강성을 낮추어서 보정을 하면 변위는 약 50%정도 감소하기 때문에 말뚝에 대한 안정성을 만족할 것으로 판단되었다.
풍화암층 역시 N치가 50이상의 조밀한 상태로 PHC 말뚝의 선단부와 연직Anchor를 지지하기에 적당한 상태로 조사되었다. 또한, 현장의 지하수위상태는 지표로부터 약 4.5m 가량의 깊이에 위치하고 있어 5m 굴착 후 안정화 기간을 거쳐 남은 깊이를 굴착해야 할 것으로 판단되었다.
본 연구를 통하여 배면의 여유공간이 부족한 현장의 경우 말뚝의 변위 및 굴착깊이가 다소 해결될 수 있는 공법으로서의 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이는 1열로 된 말뚝의 경우 해석결과의 50%정도를 적용한 결과와 거의 일치하고 있으므로 PHC 말뚝은 최대허용변위의 약 50%정도를 부담하고 있는 것으로 판단되었다. 그리고 계측결과로 예상컨대 현재 지반의 상태도 말뚝사이의 Mohr-Coulomb 소성파괴 거동을 보이지 않는 정도의 미소변위량을 나타내고 있어 안정한 상태를 유지하고 있고 말뚝의 발생수평변위는 7mm이하로 PHC말뚝의 균열이 발생될 수 있는 한계를 넘지 않고 있기 때문에 2열 말뚝과 연직Anchor 시공에 따른 약간의 PHC말뚝의 휨강성 증가 및 군말뚝체로서 거동함으로서 일반적인 흙막이벽이 갖는 굴착한계깊이를 다소 해결할 수 있는 방안이 될 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽은 시공 목적에 따라 무엇으로 나뉘는가?	PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽은 시공 목적 및 지지방식 유무에 따라 각각 두가지 유형으로 나눌 수 있는데, 먼저 시공 목적에 따른 유형은 그 목적이 지하구조물 설치일 경우의 흙막이공과 옹벽설치를 목적으로 하는 경우의 옹벽겸용 흙막이벽으로 구분될 수 있다. 이와 같은 경우 흙막이벽의 안정성은 흙막이공에서 확보하게 되고 옹벽겸용 흙막이벽은 흙막이공의 시공상황에 따라 치장옹벽이나 조경블록 등으로 마감처리를 하여 옹벽으로 사용하게 되는데 옹벽겸용 흙막이벽의 마감방식에 따른 단면도를 나타내면 그림 1과 같다.
	PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽에 연직방향 Earth Anchor는 어떤 경우에 사용하는가?	한편, 지지방식의 유무에 따라 분류를 할 경우는 완전 자립식으로 시공되는 경우와 연직방향 Earth Anchor로 보강된 경우로 나누어지는데 이는 굴착깊이나 지반 조건에 의해 결정된다. 즉, PHC말뚝 자체의 강성만으로 굴착면과 흙막이벽의 안정성을 확보하기 어려운 경우 연직방향 Earth Anchor로 보강을 하게 되는데 이는 인접대지를 침범하지 않기 위한 방법이며, 유효프리스트레스(σce)와 축하중의 작용에 따라 일반적으로 강관말뚝과는 다른 거동을 보이는 것으로 알려져 있는 PHC말뚝의 거동특성에 따른 것이다.
	PHC말뚝을 이용한 옹벽겸용 흙막이벽을 지지방식의 유무에 따라 분류를 하면 무엇으로 나뉘는가?	한편, 지지방식의 유무에 따라 분류를 할 경우는 완전 자립식으로 시공되는 경우와 연직방향 Earth Anchor로 보강된 경우로 나누어지는데 이는 굴착깊이나 지반 조건에 의해 결정된다. 즉, PHC말뚝 자체의 강성만으로 굴착면과 흙막이벽의 안정성을 확보하기 어려운 경우 연직방향 Earth Anchor로 보강을 하게 되는데 이는 인접대지를 침범하지 않기 위한 방법이며, 유효프리스트레스(σce)와 축하중의 작용에 따라 일반적으로 강관말뚝과는 다른 거동을 보이는 것으로 알려져 있는 PHC말뚝의 거동특성에 따른 것이다.

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