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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 표준관입시험, 공내재하시험 및 평판재하시험을 실시 후 기존의 다양한 경험식 등에 대입하여 각 수평지반반력계수의 상호관계성에 대하여 비교･분석하였다. 또한, 현장 계측과 수치해석을 통하여 수평응력-변위 및 소성거동을 분석하여 현장에 가장 적합한 식을 제안하고자 시공 굴착단계 중 발생하는 각 단계별 수평지반반력계수 저감식 및 제안식을 제안하여 흙막이 벽체 설계 시 지반정수관련 한 합리적으로 적용할 수 있는 최소한의 가이드라인을 제안하고자 한다.
- 본 연구는 수평응력-변위 거동의 주요 파라미터인 수평지반반력계수 산정에 관한 다양한 추정식 간의 상호연관성을 검토하고, 흙막이 벽체의 거동을 분석하기 위해 현장계측결과와 탄소성 해석법과 유한요소해석법을 수행하였다. 또한, 굴착에 따른 수평지반반력계수의 상관성 및 그 적용성을 분석하여, 이를 토대로 새로운 식을 제안하였으며, 이에 따라 본 논문에서 도출된 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
- 특히 풍화토 구간의 지층조건을 4층으로 풍화암을 2층으로 세부적으로 나누어 해석에 적용시켜 기존 설계방법에서 문제가 되었던 풍화 정도에 따른 지반강성도 평가 즉, 지반 스프링정수를 적용하는 것을 보완하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 공내재하시험은 pre-boring 후 시추공 내에 삽입한 원통모양의 프로브를 팽창, 수축시켜 공벽에 방사방향으로 재-제하 조건으로 3회 반복하여 시험을 수행하였고, 탄성계수 및 변형계수를 Table 5와 같이 도출하였다.
- 이러한 조건을 만족시키기 위한 가장 좋은 방법은 현장시험 및 실내시험, 경험 값 등을 다각적으로 비교･분석 후 엔지니어의 정확한 판단에 의해 합리적인 수평지반반력계수를 산정해야 하나, 이는 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 따라서 본 논문에서는 표준관입시험, 공내재하시험 및 평판재하시험을 실시 후 기존의 다양한 경험식 등에 대입하여 각 수평지반반력계수의 상호관계성에 대하여 비교･분석하였다. 또한, 현장 계측과 수치해석을 통하여 수평응력-변위 및 소성거동을 분석하여 현장에 가장 적합한 식을 제안하고자 시공 굴착단계 중 발생하는 각 단계별 수평지반반력계수 저감식 및 제안식을 제안하여 흙막이 벽체 설계 시 지반정수관련 한 합리적으로 적용할 수 있는 최소한의 가이드라인을 제안하고자 한다.
- 그러나 많은 연구에도 불구하고 정확한 굴착저면의 응력상태 및 변위 등을고려한 거동 분석이 미흡하다. 따라서 본 연구에서 굴착저면 즉, 수동토압이 발현되는 영역에서의 거동을 유한요소해석으로 적용하여 비교･분석하였다.
- 본 연구는 수평응력-변위 거동의 주요 파라미터인 수평지반반력계수 산정에 관한 다양한 추정식 간의 상호연관성을 검토하고, 흙막이 벽체의 거동을 분석하기 위해 현장계측결과와 탄소성 해석법과 유한요소해석법을 수행하였다. 또한, 굴착에 따른 수평지반반력계수의 상관성 및 그 적용성을 분석하여, 이를 토대로 새로운 식을 제안하였으며, 이에 따라 본 논문에서 도출된 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한, 유한요소해석 같은 경우 탄소성해석과 달리 해석 재료모델의 결정 결과 산정에 중요한 영향을 주는 관계로 본 연구에서는 유한요소해석프로그램인 PLAXIS의 적용가능 모델 중에서 적절한 재료모델을 각 부분에 적용시켰다. 지반모델에서는 실무에서 가장 통상적으로 사용하고 있는 morhr-coulomb 모델을 사용하였고, 스트럿은 node to node anchor 모델을 사용하였다.
- 본 연구대상에서의 평판재하시험은 굴착 깊이에 따른 허용변위를 Clough & O’Rourke(1990)가 제안한 방식과 공내재하시험의 수평지반반력계수 결과값을 이용하여 Fig. 4와 같이 각 심도별 Kv(PBT)에 따른 Kh(PMT)을 도식화하여 화강풍화토의 수평지반반력계수에 대한 상호관계식을 산정하였다.
- 본 연구의 역해석은 실제 현장의 계측결과를 고려한 trial and error법으로 하였으며, 풍화암-풍화토 특성상 기존 설계방법의 한계를 극복하기 위해 지층을 총 9개로 나누었다.
- 2(Basis Soft Inc, 2010)를 이용하여 수평방향의 지반반력계수와 변형계수를 평가하였다. 실제 연구현장의 계측 결과를 토대로 각각의 수치해석 프로그램을 이용한 역해석을 수행하여 탄소성법해석에서는 직접적인 지반스프링정수인 수평지반반력계수를 산정하고, 탄소성법의 해석적 단순함을 보완하기 위하여 유한요소해석법에 의해 변형계수를 산정한 후 굴착저면에서의 수한평지반반력계수를 도출하고, 결과적으로 실제 계측결과에 부합된 수평지반반력계수를 평가하였다.
- P 복합 벽체와 H-Pile로 구성된 연속벽체에 5단 strut으로 설계되었고, 지층의 구성 및 형태는 Table 1과 같으며 Table 2와 같이 원위치 실험을 수행하였다. 원위치 시험 위치 및 계측기 설치위치는 Fig. 1과 같으며, 계측은 지중경사계 2곳을 설치하여 흙막이 벽체의 수평변위를 주기적으로 확인하였다.
- 유한요소해석프로그램에서 산정된 수평토압과 변위의 비에 관해 수평력에 영향을 미치는 깊이를 산정한 후 그 깊이까지의 수평지반반력계수의 평균값을 산정하였다. 이러한 유한요소 해석결과를 비교해 볼 때, Chang(1937)이 제안한 수평력에 영향을 미치는 깊이인 1/β보다 상대적으로 더 깊게 나타났다.
- 이를 위해 앞서 표준관입시험의 N값 약 50회 이하의 화강풍화토에서의 검토된 추정식 이외에 Table 8과 같이 추가적으로 공내재하시험을 이용한 Chen & Poulos(1997)의 제안식, 직접전단시험의 강도정수 (c,∅)를 통한 Soletanche(1982)제안식 등을 추가하여 심도에 따라 다양한 수평지반반력계수를 Fig. 5와 같이 서로 상호･비교하였다.
- 평판재하시험은 반력재하 형태로 직경 30cm 원형재하판으로 수행하였으며, 수직지반반력계수인 K30을 산정하기 위하여 p-y 곡선을 산정하고 Clough & O’Rourke(1990)가 제안한 굴착깊이에 따른 최대수평변위를 1/300, δH<0.15% H 및 δH<0.35% H로 산정 후, 허용변위에 따른 수직지반반력계수K v(allow)를 Table 6과 같이 도출하였다.
- 흙막이 모델링으로 필요한 경계조건 및 범위를 각각 전면부는 15.0m, 배면 경계부는 굴착깊이의 2.7배인 약 40.0m로 하였으며, 저면부 25.0m 깊이까지로 경계범위를 설정하였다. 경계조건은 수직면에 대해서는 수평방향의 변위를 구속시켜 모델링을 하였으며, Table 10과 Fig.
대상 데이터
- 현장 시험 위치는 부천 00 흙막이 공사현장으로 C.I.P 복합 벽체와 H-Pile로 구성된 연속벽체에 5단 strut으로 설계되었고, 지층의 구성 및 형태는 Table 1과 같으며 Table 2와 같이 원위치 실험을 수행하였다. 원위치 시험 위치 및 계측기 설치위치는 Fig.
이론/모형
- 또한, 변형계수를 이용한 추정식들은 Yoshida & Komada(1965) 제안식을 적용하여 수평지반반력계수를 산정하였다.
- 본 연구에서는 탄소성법인 SUNEX ver 5.74(Geogroup Eng, 2006)와 유한요소해석법인 PLAXIS ver 8.2(Basis Soft Inc, 2010)를 이용하여 수평방향의 지반반력계수와 변형계수를 평가하였다. 실제 연구현장의 계측 결과를 토대로 각각의 수치해석 프로그램을 이용한 역해석을 수행하여 탄소성법해석에서는 직접적인 지반스프링정수인 수평지반반력계수를 산정하고, 탄소성법의 해석적 단순함을 보완하기 위하여 유한요소해석법에 의해 변형계수를 산정한 후 굴착저면에서의 수한평지반반력계수를 도출하고, 결과적으로 실제 계측결과에 부합된 수평지반반력계수를 평가하였다.
- 또한, 유한요소해석 같은 경우 탄소성해석과 달리 해석 재료모델의 결정 결과 산정에 중요한 영향을 주는 관계로 본 연구에서는 유한요소해석프로그램인 PLAXIS의 적용가능 모델 중에서 적절한 재료모델을 각 부분에 적용시켰다. 지반모델에서는 실무에서 가장 통상적으로 사용하고 있는 morhr-coulomb 모델을 사용하였고, 스트럿은 node to node anchor 모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 탄소성해석법은 수치해석상의 한계로 굴착에 따른 굴착저면에서 지반강성도의 변화를 반영할 수 없으나, 흙과 구조물의 상호작용으로 해석한 유한요소해석법에 의한 수평지반반력계수를 도출한 결과, 굴착에 따른 유효상재압의 저감으로 인해 수동영역에서의 지반반력이 저감된 것으로 확인되었다.
- (2) 흙막이 시공 특성상 굴착면에서의 지반강성도 및 특성변화를 고려한 수평지반반력계수의 추정식은 공내재하시험에 의한 수평지반반력계수와 굴착에 따른 유효상재압 제거 효과를 저감함수식로 구성하였으며, 이는 탄소성상태의 변형을 고려한 것으로써 본 연구의 SPT N값을 이용한 Kh(proposed) =1,952.51 KN0.864 e–0.036Hex과 직경 30cm PBT에 Kh(proposed) =[0.7497 Kv(PBT, 1/300) - 1,416.33]e–0.036Hex의 제안식을 도출하였다.
- (3) 유한요소해석결과 굴착저면에서 수평력에 저항하는 깊이는 지반강성에 따라 그 깊이가 변하며, 지반이 연약할수록 지반반력은 벽체 하단으로 전가되어 그 결과 영향심도는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Chang(1937)의 수평력 영향 심도인 β-1보다 크게 나타났으며, 심도별 수평지반반력계수는 일정하다는 가정의 오류와 벽체-지반 사이의 응력집중구간에서의 소성거동상태를 반영하지 못한 결과라 판단된다.
- (4) 국내의 중･소형 현장에서 가장 많이 적용하고 있는 SPT에 의한 수평지반반력계수 평가는 시험 특성상 분산성이 큰 반면에 정적인 응력-변위 조건인 PMT와 PBT는 분산성이 적어 상대적으로 그 신뢰성이 높다고 판단된다.
- 7 step∼11 step에서 지반강성이 커짐에 따라 국부적 소성영역과 이에 따른 1.0에 가까운 상대전단응력 분포가 상당히 줄어드는 것으로 나타났다.
- 그 결과 각 심도별 변형계수, 탄성계수 및 수평지반반력계수가 증분을 나타냈으며, 변형계수와 탄성계수 비는 약 1.7배～2.5배를 보여 지반의 초기 릴렉세이션 현상을 보여준다. 또한 수평지반반력계수는 풍화토 17,349～60,050kN/m3, 풍화암 66,829～82,083kN/m3의 범위를 나타내었다.
- 그 결과 수직지반반력계수는 각 심도별 증분을 보였으며, 풍화토 구간 22,952～113,259kN/m3, 풍화암 구간 87,976～149,833kN/m3를 나타내었다.
- 그 결과 심도 1.5m에서 느슨한 상대밀도의 매립 혹은 퇴적층의 분포를 보이며, 3.0～7.5m에서는 보통조밀에서 조밀한 상대밀도를 보였다. 또한, 9.
- 따라서 본 연구에서도 알 수 있듯이 원지반의 상태에서 화강풍화토와 같은 경우 심도 및 풍화 정도에 따라 지반강성 또한 증가하나 이를 흙막이 굴착설계 시 그대로 반영하면 수동영역방면의 수평지반반력을 상대적으로 과대하게 평가할 수 있다. 특히 심도가 깊은 연약지반구간에 굴착 깊이가 깊은 경우 이러한 특징은 더욱 구현될 것이라 판단된다.
- 본 연구 대상 지역은 파쇄에 약한 화강풍화토로써 상기 제안된 식들과 현장에서 측정된 탄성계수 및 변형계수와 비교･분석한 결과 제안식과는 다소 차이가 나는 결과를 나타내었다. 그중 일본토목학회(Japan Society of Civil Engineers, 1990)에서 제안한 Ed/N=17의 경우 현장에서 측정된 변형계수와 0.
- 본 연구 대상지 중 주요 굴착층인 화강풍화토 중 심도 3.0, 6.0 및 9.0m 지점에서 시료를 취득한 뒤 심도별 물성시험(통일분류법) 및 직접전단시험(KS F 2343:2007, 2007)을 수행한 결과 Table 3과 같으며, 심도 3.0m, 6.0m에서 통일분류법상 SW-SM이며 심도 9.0m에서는 SM으로 나타나 실트질 모래로 구성된 화강풍화토의 전형적 특성을 나타내었으며 심도별 강도의 증분을 보인다.
- 분석결과 화강풍화토는 굴착심도에 따라 점차 저감된 반면, 암반과 같은 경우 0.9 정도 일정하게 저감된 것으로 나타났다. 이는 암반과 같은 경우 제거된 유효상재압의 영향에 비해 암반 자체의 강도와 근입된 구간의 변형상태에 따른 수평토압의 영향이 더 큰 영향으로 기인한 것으로 판단된다.
- 이를 통해 볼 때 탄소성해석법은 심도에 따라 1.0∼1.24배까지 유한요소해석 결과에 비해 크게 산정되었으며, 이는 심도에 따라 즉, 굴착단계에 따라 단계적으로 유효상재압이 저감된 효과와 유한요소해석은 프로그램 특성상 지반-구조물 간의 소성상태 및 지반의 불확실성 등을 더욱 섬세하게 고려한 것으로 인한 결과라 판단된다.
- 14와 같다. 추정식에 의해 산정된 각 원위치 시험별 Kh(proposed)는 유한요소해석법에 의한 역해석 결과인 Kh(FEM)과 비교적 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
- 10과 같다. 탄소성해석법은 유한요소법에 비해 심도마다 차이는 있지만 화강 풍화토 구간에서는 평균적으로 약 0.83 정도 저감되었으며, 풍화암 구간인 심도 10.0m 이상에서는 약 0.90 정도로 저감된 수평지반반력계수가 산정되었다.
- 프로그램을 이용한 수치해석은 기본 해석프레임이 역해석 조건이기 때문에 전반적으로 비슷한 수평변위거동을 나타냈으나 굴착저면과 같은 경우 탄소성해석 프로그램에서의 수평변위 결과가 거의 약 2.0mm 이하로 형성되었으며, 비교적 지반이 연약한 상부지층에서 이러한 경향은 더욱 뚜렷하였다. 그러나 유한요소해석법에 의한 수평변위결과는 실제 현장계측결과와 거의 비슷한 굴착저면부의 수평변위결과를 나타냈다.
후속연구
- 본 연구는 국내의 화강풍화토(표준관입시험 N값 타격횟수 50 이하)구간에 대하여 지반반력계수 및 저감식을 제안하였으며, 제한된 자료와 수치해석에 의한 결과를 근거로 이루어졌으므로 향후 다양한 현장 및 지층에 대한 상호관계가 더욱 필요하며, 그 결과를 바탕으로 본 연구와 비교･분석하여 굴토 및 지층에 따른 적정한 거동 특성 파악 등의 연구가 수행되어져야 할 것이다.
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