흙막이벽 변위에 따른 배면지반 침하 예측 방법

1. 개요

지반굴착 시 흙막이벽 횡방향 변위로 인하여 굴착 인접지반의 지반침하가 발생하고, 지반침하는 인접 구조물 또는 지하매설물 등에 침하를 유발하여 경제적 피해가 커질 수 있다.

흙막이벽의 변위에 따른 주변 지반의 침하는 흙막이벽 변위의 실측, 또는 계산에 의하여 구하고 이로부터 주변지반 침하를 추정하는 방법과 버팀구조와 주변 지반을 일체로하여 구하는 유한요소법 또는 유한차분법으로 해석하는 방법이 있다.

- 유한요소법 및 유한차분법에 의한 배면지반 침하 예측

- 이론적 및 경험적 추정 방법

▷ Peck(1969)의 방법

▷ Caspe(1966)의 방법

▷ Clough 등(1990)의 방법

▷ Fry 등(1983)의 방법

2. 유한요소법 및 유한차분법에 의한 배면 지반 침하 예측

굴착 공사에 있어 배면지반의 침하나 수평 변위를 정량적으로 파악하기 위하여는 유한 요소법을 사용할 수 있다. 유한요소법은 지반 전체와 가설 전체를 일체로 모델화하여 굴착 단계별에 따라 배면 지반 침하나 수평 변위 등을 구할 수 있는데 흙막이벽 및 지지 구조 등을 동시에 해석함으로서 지반-구조물 상호 거동을 고려한 해석이 된다.

유한요소법 및 유한차분법은 임의의 크기를 가지는 요소로서 해석에 요구되는 지반을 분할하고 여기에 흙막이벽을 설치한 후 단계별로 터파기하고 지보공을 설치하면서 각분할점의 X, Y 방향 변위와 각 요소의 응력을 계산하는 방법이다. 이 방법은 입력물성치와 경계조건 설정방법에 따라 해석결과의 편차가 크므로 유의해야 한다.

또한, 지하수위 저하에 의한 주변지반의 침하량 산정이 가능하다. 침투류 유한요소해석을 통해 산정된 배면측 지하수위 저하량을 이용하여 대상 지점의 지반침하량을 산정할 수 있으며 이 방법은 경계조건 설정이 중요하므로 적용 시 주의해야 한다.

이 방법은 흙막이벽의 수평변위와 지표면에서의 침하량뿐만 아니라 지반 내 임의의 분할점에서의 변위를 알 수 있는 장점이 있다. 반면에 해석결과는 입력되는 지반의 역학특성, 즉 내부마찰각 φ, 점착력 c 및 탄성계수 E에 큰 영향을 받는다. 또 해석방법, 즉 전응력해석인지 유효응력해석인지와, 탄성해석인지 탄소성해석인지에 따라서도 크게 영향을 받으므로 데이터의 입력과 해석방법의 선정에 유의해야 한다.

지반의 역학적 특성에 의문이 있을 때에는 작은 값과 큰 값을 각각 입력하여 결과에 어떤 차이가 있는지를 알아보는 민감도 해석이 판단에 도움을 줄 경우도 있을 것이다.

사질지반으로서 터파기 후 즉시 배수가 될 경우는 배수해석(또는 유효응력해석)이 적합하며, 점성토와 같이 지하터파기공사 진행속도에 비하여 배수속도가 느릴 때는 비배수해석(또는 전응력해석)이 적합하다. 비배수 해석시에는 지반이 변형하더라도 전체 체적 변화는 없으므로 체적탄성계수(Bulk Modulus)를 매우 큰 값을 입력한다. 지하터파기 문제에서 흙막이벽 주변의 지반 내 응력은 대부분의 경우 지반의 항복응력에 접근하여 비선형 거동을 함으로 탄소성 해석을 수행해야 한다. 단 두꺼운 콘크리트라든가 쏘일시멘트, 석회공법 등으로 개량되어 강도가 큰 지반은 탄성해석을 하여도 무방하다.

3. 이론적 및 경험적 추정방법

이 방법은 여러 사람이 제안하였으며 분석대상 지반조건과 흙막이 구조에 대하여 상세한 고려가 되지않는 개략적인 추정방법들이다. 이 방법은 앞에서 든 4가지 방법 이외에도 Tomlinson(1986)의 유한요소 적용을 위한 제안, 상대밀도 등을 고려한 Bauer의 방법 및 Roscoe와Wroth 등의 소성론 개념에 관한 추정방법이 있으나 Caspe 방법만 소개한다.

(1) Caspe 방법에 의한 침하 영향거리(D) 산정 방법

굴착심도 : Hw

굴착영향 심도 : Ht = Hp + Hw

굴착면 하부 영향심도(Hp)는 계측자료를 이용하는 방법(Hp : 굴착면 하부의 수평변위발생 심도)과 다음과 같은 개략 추정방법이 있다.

- 굴착 배면토가 Φ = 0 인 경우(점성토) : Hp = B

- 굴착 배면토가 Φ > 0 인 경우 : Hp = 0.5B×tan(45+Φ/2)

개략 추정방법은 균질한 지반조건에서 굴착심도와 굴착폭이 비슷한 경우에 적용성이 있으나, 다층지반조건 또는 좁고 깊은 굴착이나 넓고 얕은 굴착시에는 적용성이 떨어진다. 따라서 굴착면 하부 영향심도(Hp) 산정시 계측자료를 이용하는 것이 가장 바람직하다. 이 경우 지중경사계가 견고한 지층심도까지 매설되어 굴착면 하부의 변위발생 심도를 명확히 구분할 수 있는 계측자료를 사용해야 한다.

침하영향거리(D) 계산 : D = Ht×tan(45-Φ/2)