소단은 굴착 후 지지구조물이 설치되기 전 벽체의 강성과 더불어 가설벽체의 안정성을 좌우하는 역할을 한다. 특히 굴착지반이 느슨하거나 연약한 경우 소단의 역할은 매우 중요하다. 본 연구에서는 소단을 이용한 도심지 버팀굴착현장의 계측결과와 수치해석을 사용하여 가설벽체의 최대수평변위에 미치는 소단의 규모(폭과 경사) 및 굴착깊이, 지반물성의 영향을 분석하였다. 계측결과 소단 폭이 짧아질수록 벽체의 수평변위는 증가하는 경향을 보였다. 수치해석 결과 소단의 경사가 급해질수록, 소단폭이 짧아질수록 최대수평변위량은 크게 나타나 소단이 벽체의 변위를 억제하는데 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 굴착심도가 깊어질수록 소단폭과 경사의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 동일한 소단 조건에서 지반물성이 높을수록 벽체의 최대수평변위를 억제하는 것으로 나타났다.
소단은 굴착 후 지지구조물이 설치되기 전 벽체의 강성과 더불어 가설벽체의 안정성을 좌우하는 역할을 한다. 특히 굴착지반이 느슨하거나 연약한 경우 소단의 역할은 매우 중요하다. 본 연구에서는 소단을 이용한 도심지 버팀굴착현장의 계측결과와 수치해석을 사용하여 가설벽체의 최대수평변위에 미치는 소단의 규모(폭과 경사) 및 굴착깊이, 지반물성의 영향을 분석하였다. 계측결과 소단 폭이 짧아질수록 벽체의 수평변위는 증가하는 경향을 보였다. 수치해석 결과 소단의 경사가 급해질수록, 소단폭이 짧아질수록 최대수평변위량은 크게 나타나 소단이 벽체의 변위를 억제하는데 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 굴착심도가 깊어질수록 소단폭과 경사의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 동일한 소단 조건에서 지반물성이 높을수록 벽체의 최대수평변위를 억제하는 것으로 나타났다.
Together with the wall stiffness, a berm has the role of deciding the stability of a temporary retaining wall before structure installation after excavation. Especially in case of loose or soft soil excavated ground, the role of berm is very important. In this study, the measurement data obtained fr...
Together with the wall stiffness, a berm has the role of deciding the stability of a temporary retaining wall before structure installation after excavation. Especially in case of loose or soft soil excavated ground, the role of berm is very important. In this study, the measurement data obtained from the temporary retaining wall in the bermed excavation site in urban and numerical analysis are used to investigate the effects of berm's dimension (width and slope), excavation depth and ground property on the maximum horizontal displacement of the temporary retaining wall. The measurement data indicated that the wall displacement varied to the berm's width. That is, as the berm width decreased, the wall displacement increased. As a result of numerical analyses, the maximum wall displacement increased as slope increased and berm width decreased. This means that the berm is effectively restrained to the wall displacement. As excavation depth increased, the effect of berm's slope and width increased. In case of the same berm condition, the wall displacement restrained as ground property increased.
Together with the wall stiffness, a berm has the role of deciding the stability of a temporary retaining wall before structure installation after excavation. Especially in case of loose or soft soil excavated ground, the role of berm is very important. In this study, the measurement data obtained from the temporary retaining wall in the bermed excavation site in urban and numerical analysis are used to investigate the effects of berm's dimension (width and slope), excavation depth and ground property on the maximum horizontal displacement of the temporary retaining wall. The measurement data indicated that the wall displacement varied to the berm's width. That is, as the berm width decreased, the wall displacement increased. As a result of numerical analyses, the maximum wall displacement increased as slope increased and berm width decreased. This means that the berm is effectively restrained to the wall displacement. As excavation depth increased, the effect of berm's slope and width increased. In case of the same berm condition, the wall displacement restrained as ground property increased.
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문제 정의
이때 나머지 해석에 필요한 지반정수는 Table 1의 역해석 값을 적용하였다. 또한 지반정수의 변화가 소단 기능에 미치는 영향도 같이 검토하였다. 지반정수의 영향은 굴착 시 물의 유입과 기계장비 등에 의한 지반의 교란 및 이완의 영향을 알아보기 위함이다.
대신 계측이나 수치해석(Youssef, 2003; Wu & Duan, 2014)법이 많이 이용되고 있다. 본 연구는 기존연구의 연장으로 과도한 벽체 변위를 억제하기 위한 효율적인 소단에 대한 연구를 현장 계측자료와 수치해석을 통해 수행하였다. 수치해석에서는 소단형성, 지반물성 변화, 굴착깊이 이 세 가지 요소를 집중 연구 대상으로 한정하였다.
2이다. 이 연구는 점토지반과 사질지반에서 지반물성 변화에 따른 소단의 기능을 알아보기 위함이다. 먼저 점토 지반의 경우 내부마찰각을 0으로 두고 점착력 20～50kN/m2으로 변화시켰으며, 사질지반의 경우 점착력을 0으로 두고 내부마찰각을 23～29°로 변화시키는 경우에 대하여 소단의 상부폭과 굴착깊이를 변화시켜 해석한 결과는 Fig.
제안 방법
Table 1의 G.L. -5.2m 굴착시 역해석으로 산정된 지반 정수를 가지고 본 현장에서 진행될 다음 단계 굴착(G.L. -7.4m, -10.2m)시 소단에 따른 벽체변위에 영향을 좀 더 구체적으로 검토하였다. Fig.
본 연구에서는 도심지 버팀굴착현장의 계측결과를 이용하여 역해석에 의한 방법으로 가시설 벽체의 수평변위를 분석하였으며, 추가적인 수치해석을 통하여 소단의 규격 및 굴착깊이, 지반물성 변화에 따른 소단 폭과 벽체의 수평변위 관계를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
소단을 형성하는 지반의 점착력과 내부마찰각 변화가 벽체 수평변위량에 미치는 영향을 평가하기 위해서 변형 계수는 30,000kN/m2로 고정하고 Table 3과 같은 조건에서 해석을 실시하였다. 소단의 높이와 폭은 각각 2.
굴착 시 굴착하단면으로 부터 물의 유입과 기계장비 등에 의한 지반 교란의 영향으로 소단의 물성은 변화된다. 지반물성 변화 시 소단의 기능을 검토하기 위하여 굴착구간에 해당하는 풍화토층의 강도정수와 변형계수를 변화시켜 가시설벽체의 수평 변위량을 해석하였다. 이때 소단의 높이와 경사는 현장의 상황을 고려해서 각각 2.
, 2015). 지중경사계는 H-Pile 시공 후 굴착전 가시설벽체에서 약 2m 이격하여 설치되었으며, 주 2회의 빈도로 계측을 수행하였다. Fig.
6은 수치해석에서 재현할 단계별 굴착과 소단의 모식도이다. 현장의 상황을 고려하여 소단높이 2.5m에 대해 소단 폭(1, 2, 3, 4m)과 경사(1:1, 1:0.5, 1:0.2)를 변화시켜 수치해석을 수행하여 최대수평변위를 산정하였다. 이때 나머지 해석에 필요한 지반정수는 Table 1의 역해석 값을 적용하였다.
0)을 사용하였으며, Geo-x는 굴착면이 소단과 같이 단차진 경우와 비대칭단면에 대한 해석이 가능하다. 흙막이 벽체 및 버팀대와 중앙말뚝 등의 구조체는 beam요소로 시공간격을 고려하여 모델링하였으며, 시공단계는 흙막이 벽체 설치 후 단계별 굴착 및 지보재인 strut를 설치하는 것으로 설정하였다.
대상 데이터
본 현장은 부산광역시 00동으로 주거지역으로 상가, 학교, 아파트가 밀집한 도심지 구간이다. 현장의 지질은 신라통 안산암질암류를 기저부로 하고 동으로 화강섬록암 및 미문상화강암이 이를 관입하고, 서로 마산암류 아다멜라이트가 기저부를 관입하고 제 4기 충적층이 이들을 피복하고 있다.
본 연구는 기존연구의 연장으로 과도한 벽체 변위를 억제하기 위한 효율적인 소단에 대한 연구를 현장 계측자료와 수치해석을 통해 수행하였다. 수치해석에서는 소단형성, 지반물성 변화, 굴착깊이 이 세 가지 요소를 집중 연구 대상으로 한정하였다. 즉, 소단의 기능에 영향을 미치는 나머지 요소인 흙막이벽체의 강성 및 단부조건, 버팀방법, 굴착속도, 시공순서 등은 연구에서 제외하였다.
데이터처리
수치해석에 사용된 프로그램은 마이다스아이티에서 개발한 2차원 흙막이 가시설 해석 프로그램인 Geo-x(ver. 3.5.0)을 사용하였으며, Geo-x는 굴착면이 소단과 같이 단차진 경우와 비대칭단면에 대한 해석이 가능하다. 흙막이 벽체 및 버팀대와 중앙말뚝 등의 구조체는 beam요소로 시공간격을 고려하여 모델링하였으며, 시공단계는 흙막이 벽체 설치 후 단계별 굴착 및 지보재인 strut를 설치하는 것으로 설정하였다.
성능/효과
(1) 계측결과 소단 폭에 따라 벽체의 변위가 변화됨을 알 수 있다. 즉 소단 폭이 짧아질수록 벽체의 수평변위는 증가하는 경향을 보였다.
(2) 소단 폭, 경사 및 굴착깊이에 따른 수치해석결과 소단경사가 급해질수록, 소단폭이 짧아질수록 최대수평변위량은 크게 나타나 소단이 가시설 벽체의 수평변위를 억제하는데 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 굴착심도가 깊어질수록 소단폭과 경사에 의한 영향을 크게 받는 것으로 나타나났다.
(3) 굴착 시 지반교란 및 이완으로 지반물성은 변화될 수 있다. 똑 같은 소단 조건에서 지반물성이 높을수록 벽체의 최대수평변위를 억제하는 것으로 나타났다.
2로 변화 시 각각 104%, 109%로 증가한 것이다. 7.4m 굴차시 1:1.0경사와 비교하여 1:0.5, 1:0.2로 변화시 수평변위는 107%, 126%로 증가하며, 10.2m 굴착시 110%, 127%로 증가폭이 크게 나타나 굴착심도가 깊어질수록 경사에 대한 영향이 커지는 것으로 나타났다. 이 결과를 보면 소단의 경사가 벽체 수평변위에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며 그 영향은 굴착깊이가 깊어짐에 따라 점점 더 증가하는 것을 알 수 있다.
(2) 소단 폭, 경사 및 굴착깊이에 따른 수치해석결과 소단경사가 급해질수록, 소단폭이 짧아질수록 최대수평변위량은 크게 나타나 소단이 가시설 벽체의 수평변위를 억제하는데 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 굴착심도가 깊어질수록 소단폭과 경사에 의한 영향을 크게 받는 것으로 나타나났다.
89의 수평변위가 발생하는 것으로 나타나 굴착깊이가 깊어짐에 따라 수평변위가 소단으로 인해 억제되는 것을 알 수 있다. 또한, 소단 상부폭이 2m 까지는 최대수평변위 억제 효과가 크고, 2m 이후는 변화가 완만하여 소단의 영향이 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 굴착깊이가 10.
(3) 굴착 시 지반교란 및 이완으로 지반물성은 변화될 수 있다. 똑 같은 소단 조건에서 지반물성이 높을수록 벽체의 최대수평변위를 억제하는 것으로 나타났다. 이것은 Clough and O'Rourke(1990)의 연구 결과처럼 단단한 지반일수록 소단이 지보공을 보조하는 역할을 하기 때문이다.
소단 폭, 경사 및 굴착깊이에 따른 수치해석결과(Fig. 7), 소단경사가 커질수록, 소단폭이 작아질수록 최대수평변위량은 크게 나타나 소단이 가시설 벽체의 수평변위를 억제하는데 효과가 큰 것으로 확인되었다.
2m 굴착시 110%, 127%로 증가폭이 크게 나타나 굴착심도가 깊어질수록 경사에 대한 영향이 커지는 것으로 나타났다. 이 결과를 보면 소단의 경사가 벽체 수평변위에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며 그 영향은 굴착깊이가 깊어짐에 따라 점점 더 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 굴착깊이가 깊어질수록 소단의 경사를 완만하게 형성하는 것이 필요하다는 것을 의미한다.
점착력, 내부마찰각, 변형계수를 변화시켜 역 해석한 결과 실제 발생된 수평변위(Fig. 4)와 유사한 결과는 점착력 4.0kN/m2, 내부마찰각 27°, 변형계수 30,000kN/m2의 지반정수 조건에서 발생되 는 것으로 나타났다(Table 1).
10(b)) 굴착심도가 낮을수록 소단폭에 따른 최대수평변위량의 변화가 크게 나타났으며, 굴착깊이가 깊어질수록 소단폭에 따른 변위량차이는 감소하였다. 점착력만을 고려한 경우에 비해 소단폭에 따른 변위량의 변화가 작게 나타나 민감도 측면에서 점착력이 내부마찰각보다 큰 것으로 나타났다.
풍화토에 대하여 Table 2 지반물성 조건으로 해석한 결과 Fig. 9와 같이 강도정수 값과 변형계수 값이 작아질수록 최대수평변위 증가량이 크며, 지반정수가 높을수록 변위량이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 Clough and O'Rourke(1990)의 연구 결과와 일치하는 것으로 단단한 지반일수록 소단이 지보공을 보조하는 역할이 뚜렷함을 의미한다.
후속연구
(4) 현장계측 및 수치해석 결과, 소단이 가시설 변위 억제 효과가 있으므로 굴착 시 계측결과를 분석하고 현장의 지반특성 및 굴착깊이를 고려하여 적절한 소단 단면을 적용하면 경제적이고 효율적인 시공관리가 가능 할 것으로 판단된다.
즉 굴착깊이가 깊어질수록 소단의 경사를 완만하게 형성하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 소단의 경사는 굴착깊이와 지반조건에 따라 굴착 가능한 경사가 달라지므로, 설계 및 시공시는 이를 고려한 검토가 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소단은 어떤 역할을 하는가?
소단은 굴착 후 지지구조물이 설치되기 전 흙막이 벽체의 강성과 더불어 굴착벽체의 안정성을 좌우하는 역할을 한다. 특히 굴착지반이 느슨하거나 연약한 경우 소단의 역활은 상당히 중요한데 좋은 토사층에서는 1:1.
흙막이 벽체 공법의 종류는 무엇이 있는가?
일반적으로 적용되는 흙막이 벽체 공법의 종류로는 H-pile+토류벽, CIP, SCW(Soil Cement Wall), 널말뚝, 지하연속벽 등이다. 흙막이 벽체 공법을 이용한 굴착공사에서 사고가 빈번하게 발생되고 있다.
흙막이벽체의 과도한 변형을 억제하기 위해 실무에서는 어떻게 하고 있는가?
특히 도심지 구조물 근접 과도한 굴착 시 배면 지반 및 흙막이벽체에는 큰 변형이 발생된다. 벽체의 과도한 변형을 억제하기 위해 실무에서는 굴착 측에 어느 정도의 소단(berm)을 두어 시공하고 있다. 국내 도심지 버팀굴착 공사 시에는 Fig.
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