수치해석을 이용한 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법의 안정성 검토에 관한 연구

Numerical Analysis of the Stability of a High-Strength Joint Buried Pile Retaining Wall Method

Abstract

일반적으로 흙막이 공법은 지하구조물 시공시 주로 사용되는 공법이다. 본 연구에서는 대상현장지반에 대한 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법의 안정성을 검토하였다. 실험내용으로는 유한요소해석법을 통한 지반의 침하량 검토를 수행하였으며, 공법이 적용된 지반의 계측 데이터와 수치해석 결과를 비교·분석하여 안정성 및 현장 적용성을 확인하고자 하였다. 수치해석상 침하량 결괏값과 현장 계측을 통한 침하량 측정값을 비교한 결과, A-A'~G-G' 단면의 수치해석상 침하량 결괏값은 최소 13.42 mm~최대 13.65 mm, 현장계측을 통한 침하량은 최대 2.00 mm로 확인되었다. 각각의 오차는 미미한 차이를 보였으며, 모든 구간에서 설계 예상치를 벗어나지 않음을 확인하였다. 굴착주변의 배면에 대한 계측기 설치결과, 지중경사계의 경우 누적수평변위는 -0.40~0.60 mm로 나타났고, 지하수위계 계측결과 초기측정치 대비 -0.21~0.28 m로 미소한 변위를 확인할 수 있었다. 또한 지표침하계의 경우 초기측정치 대비 최대 -2.00 mm로 매우 미소하게 확인되었고, 관리기준 내 안정적인 상태로 확인되었다.

Retaining walls are widely used in the construction of underground structures. This study reviews the stability of the high-strength joint buried pile method at a site in Korea. [Consider giving details of the location.] The method is assessed by considering the amount of ground settlement, as calculated by finite element analysis and measured at the site. Comparison of the measured and numerical results confirmed the method's stability and field applicability. Settlement of 13.42~13.65 mm was calculated for seven cross-sections [The Abstract should be comprehensible without reference to the main text. The labels A-A' to G-G' should not be introduced here without explanation.] using numerical analysis, and the measured settlement reached a maximum of 2.00 mm. The observed differences and variations [Please state what differed/varied.] did not exceed the design expectations in any section. Instruments installed at the back of the excavation area were used to assess the conditions. An underground gradient meter recorded a cumulative horizontal displacement of between -0.40 and 0.60 mm, and an underground water meter recorded slight displacements of between -0.21 and 0.28 m compared with the initial measurements. A surface settlement meter observed very little movement, with a maximum of -2.00 mm compared with the initial measurement, thereby confirming the establishment of a stable state within the management criteria.

서론

우리나라의 경우 좁은 국토와 도시개발에 따라 국토이용에 대한 효율성이 중시되고 있다. 도심지의 생활환경에 따라 도시개발이 수행되고 있으며, 이러한 경우 각 현장여건에 맞는 공법의 적용성이 중시되고 있는 실정이다. 조밀한 생활반경에 따른 영향으로 고심도 굴착을 필요로 하는 지하공간 확장에 대한 공사가 활발히 진행되고 있으며, 가시설 흙막이 공법이 그 중 하나이다.

가시설 흙막이 공사의 경우 흙막이 벽체의 안정성에 대한 관리와 공학적인 해석을 위하여 국내외 많은 연구자들에 의해 연구가 수행되어왔다. 국내의 경우 대부분 현장타설을 통한 흙막이 공법(cast in place prepacked pile, 이하 C.I.P 흙막이공법)을 주로 사용하여 있으나, 현장타설시 발생되는 품질관리 문제와 콘크리트 양생기간에 따른 공사기간의 문제가 거론되고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 기성 흙막이 공법인 PHC(prestressed high-strength concrete) 말뚝공법의 반영도 진행중이나, 띠장을 통해 매립볼트를 연결하는 부분에서 구조적인 문제가 발생되고 있다.

흙막이 공법에 대한 연구는 Hong(1985)을 시작으로 활성화 되었다. 이후, Lee and Kim(1990)이 지하 굴착공사시 흙막이 공법 선정에 관한 연구를 수행하였다. Jang(2006)은 주열식 흙막이 벽체가 시공되는 해안 매립 연약지반에서의 연구를 수행하였으며, 그때 발생되는 주열식 흙막이 벽체의 거동특성에 관하여 연구를 수행하였다. Choi and Yoon(2007)은 C.I.P 공법의 시공성을 보완하고자 차수성 및 연직방향에 연속천공방법을 개선한 연구를 수행하였다. Choi(2010)는 개량형 구조의 흙막이 공법이 적용된 벽체의 구조적 및 차수 특성을 분석하고 현장 적용성에 대한 검토를 수행하였다.

근래 흙막이 공법에 관한 연구는 Lee(2020)에의해 대심도 지반 굴착시 주열식 흙막이 벽체에 관한 안정성 연구가 수행되었으며, Yang(2019)은 내진설계 특성을 고려하여 벽체와 버팀보 강성에 따른 흙막이 구조물의 검토를 수행하였다. Jin(2020)은 흙막이 가시설에 대하여 고강도 콘크리트 말뚝을 적용하는 연구를 수행하였다.

이처럼 가시설 흙막이 공법의 경우 국내에서 지속적으로 사용되는 공법으로, 꾸준한 연구가 수행되어 왔다. 하지만 대부분의 연구는 기성말뚝이 반영된 흙막이 공법과 C.I.P 흙막이 공법이 주 연구소재로 사용되었다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 상용화되는 기성말뚝 흙막이 공법과 C.I.P 흙막이 공법의 취약점을 개선한 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법을 개발하여 그에 따른 안정성을 검증하고자 하였다.

본 연구에서는 특허공법인 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법이 적용된 연구대상지역에 대하여 수치해석 프로그램인 MIDAS Geo-XD를 통한 공학적 검토를 수행하였다. 수치해석을 통해 도출된 참하량은 굴착주변의 계측기 매설을 통해 계측된 계측침하량과의 비교 ‧ 분석하여 결과의 신뢰도를 확인하였다.

고강도 결함 매입말뚝 흙막이 공법

본 연구에서 적용한 고강도 결합 매입말뚝의 경우 기존의 C.I.P 공법과 유사한 방법으로 시공된다. 하지만 본 공법은 Fig. 1과 같이 1열과 5열은 H형강을 삽입하고 2~4열은 현장타설말뚝을 병행시공하여 기존공법의 취약점을 보완하고자 하였다.

Fig. 1. Cross-section of the high-strength joint buried pile retaining wall method.

본 공법을 적용함으로써 C.I.P 공법의 콘크리트 양생기간에 대한 문제점을 보완하였고, 기성말뚝의 볼트체결에 따른 구조적인 문제점을 해결함으로써 원지반 벽체의 공학적 안정성을 향상하고자 하였다. 벽체의 강성이 증대됨에 따라 수평 변위의 감소와 인접지반의 침하량을 감소시킬 수 있다.

Fig. 1은 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법의 흙막이 벽 단면도를 상세히 나타내었다.

굴착구간의 안정성 검토 및 현장계측

개요

본 연구에서는 앞장에서 검증된 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법의 현장 적용성을 확인하고자 굴착대상지역에 대하여 계측기(지중경사계, 지하수위계, 지표침하계)를 매설하여 흙막이 공사 후 현장지반의 거동특성을 확인하고자 하였다.

Fig. 2는 서울시 OO구에 위치한 현장대상지반이며, 굴착규모는 약 가로 116.6 m, 세로 67.5 m가 되는 지하 3층의 굴착 현장이다. 현장 특성상 사방이 모두 도로에 인접하고 있으며, 동쪽으로는 지하철노선이 인접하고 있다.

Fig. 2. Aerial photograph of the study area.

지층조건 및 설계 지반정수 산정

Table 1은 검토에 사용된 지층 구성 및 설계 지반정수를 나타낸 것이다. 최상부증인 매립층은 1.3~1.5 m 심도에 위치하고 있으며, 자갈섞인 실트질모래로 구성되어 있다. 표준관입시험 결과 N치는 4/30~7/30(회/cm)로 느슨한 상태로 분석되었다.

Table 1. Ground properties for numerical analysis

퇴적층은 유수, 바람, 비 등의 물리적 작용에 의해 형성된 지층으로써 3.4~5.0 m의 층후로 분포하고 있으며, 퇴적층은 0.9~6.5 m심도에 분포하고 있으며, 자갈섞인 모래로 이루어져 있다. 표준관입시험 결과 N치는 5/30~25/30로 느슨~조밀한 상대밀도로 확인되었다. 풍화암은 0.9~1.9 m, 연암층은 3.2~12.8 m 층후로 확인되었다. 설계 토질정수는 참고문헌을 기초로 하여 각 지층별 강도정수의 범위를 산정하였으며, 직접적으로 강도정수의 산출이 어려운 경우는 안전측 산출범위의 최솟값을 선정하였다. 산정된 토질정수는 지질주상도를 이용하여 기존의 경험식 자료와 N값과의 관계를 이용하여 결정하였다.

검토구간 현황

검토구간의 경우 대상 현장지반에 대하여 A-A′~G-G′ 단면까지 총 7개의 구간으로 나누어 굴착에 대한 지반의 단면력 검토하고자 하였다. 해당 연구지역의 경우 지하 2층까지의 시공이 이루어져야 하기 때문에 상부에서부터 굴착을 수행하면서 시공을 수행하였다.

Fig. 3a는 굴착계획 단면도를 나타낸 것이고, Fig. 3b and c는 굴착 1, 2단계의 시공전경을 나타낸 것이다.

Fig. 3. Excavation plan cross-section and construction processes.

탄소성해석법에 따른 흙막이 가시설의 안정성 검토

굴착구간의 경우 앞서 언급한 것처럼 7개의 구간으로 나누어 굴착공법의 현장적용성을 확인하고자 하였고, 수치해석 프로그램인 Geo-XD를 사용하여 탄소성보법에 의한 굴착단계별 지보공에 따른 흙막이 벽의 변위, 전단력, 휨모멘트 및 지보공의 축방향력을 확인하고자 하였다. 침하량의 경우 각 단면별 침하량을 검토한 후에 계측침하량과의 비교를 수행하였다.

Fig. 4는 해당사업구간의 해석단면을 나타낸 것으로 탄소성해석법을 적용하여 검토를 수행하였다. Coulomb의 토압을 고려하여 적용하였고 지하수위 또한 모두 고려된 상태이다.

Fig. 4. Interpretation sections.

탄소성해석을 위한 입력데이터는 지층조건, 흙막이 제원, 지보재, 벽체와 슬래브 등이 있으며, Tables 2~5와 같다. 본 절에서는 대표단면인 A-A′ 단면에 대한 탄소성해석 검토 내용만을 수록하였다.

Table 2. Characteristics of the retaining wall

Table 3. Characteristics of the supporting materials

Table 4. Characteristics of the walls and slab

Table 5. Characteristics of adjacent structures

검토모델 및 입력데이터

침하량 검토시 사용된 지반의 모델은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. Mohr-Coulomb 모델은 Fig. 5와 같이 대부분의 지반을 모사하는데 사용되는 모델로 일반적인 지반 비선형 해석에 대해 충분히 신뢰성 있는 결과를 확인할 수 있다.

Fig. 5는 Mohr-Coulomb 모델의 응력경로를 나타낸 것이고 Table 6은 해석시 사용된 입력데이터를 나타낸 것이다.

Fig. 5. Mohr-Coulomb model.

Table 6. Results of calculation of the ground constant by stratum

유한요소 해석에 따른 굴착주변 침하량 검토

현장계측은 다양한 거동을 확인할 수 있도록 많은 위치를 선정하는 것이 합리적이나, 토류구조물 공사가 본체 구조물을 축조하기 위한 가시설 구조물이므로 합리적, 경제적인 측면에서 토류구조물 및 배면지반의 거동을 대표할 수 있는 최소한의 측점을 선정하는 것이 효과적이다.

계측지점을 선택함에 있어서 일반적으로 고려해야 할 사항은 원위치 시험 등에 의해 지반조건이 충분히 파악되어야 하는 곳이며, 토류구조물을 대표할 수 있는 장소여야 한다. 토류구조물이나 지반에 특수한 조건이 있어 공사에 영향을 미칠 것으로 예상되는 장소이거나 중요구조물이 인접된 곳이 좋다.

하천 주위 등 지하수의 분포가 다량이고 수위의 상승, 하강이 빈번한 곳이나 가능한 공사에 의해 계측기의 훼손이 적은 곳을 선정하는 것이 합리적이다.

Fig. 6은 계측기별 매설위치도를 나타낸 것이다.

Fig. 6. Instrumentation location.

굴찰구간의 안정성 검토 결과 및 현장계측 결과

탄소성보법 해석결과

Table 7은 흙막이 가시설의 시공단계별 부재력을 나타낸 것이다.

Table 7. Calculation of retaining wall’s structural stability

근입장 검토

Table 8은 모멘트 균형에 의한 근입깊이를 검토 결과를 나타낸 것이다. 근입깊이의 검토는 최종 굴착단계와 최종굴착 전단계에서 검토하였으며, 배면에 작용되는 주동토압과 전면에 작용되는 수동토압의 모멘트 균형으로 산정하였다.

Table 8. A study on the entrance depth of earth retaining wall

굴착주변 침하량 검토 결과

Fig. 7은 각 단변별 굴착주변의 침하량을 검토한 것으로 A-A′ 단면의 굴찰주변 침하량을 검토한 것으로 최대 10.6 mm로 확인할 수 있다. B-B′ 단면부터 G-G′ 단면의 경우 9.3 mm, 9.3 mm, 14.5 mm, 10.2 mm, 14.7 mm, 10.3 mm로 확인할 수 있다.

Fig. 7. Review of the amount of settlement around excavation.

고강도 결합 매입말뚝 흙막이 벽의 설계

휨에 대한 검토

본 공법의 휨에 대한 검토는 기성말뚝인 ePHC공법에 작용되는 발생 최대 휨모멘트(M_max)와 균열 휨모멘트(M_cr)를 비교하여 검토하였다. 이는 일반적인 흙막이 벽의 설계방법과 동일하다. 발생 최대 휨모멘트의 경우 시공단계에서 검토된 최대 휨모멘트에서 PHC 말뚝의 중심간 간격을 나누어 다음 식 (1)과 같이 분석하였다.

M_max = Maximum bending moment × C.T.C       (1)

균열모멘트(M_cr)는 Table 9에 제시된 기성말뚝의 균열휨모멘트에서 흙막이 가시설 세부설계기준(KEC, 2005)과 도로 교설계기준해설(MOLIT, 2015)에 제시된 허용응력증가계수 1.5(가시설구조물 기준)를 적용하여 검토하였다.

M_cr = Crack moment on the wall of the earth barrier × Additional coefficient       (2)

Table 9. Cracking moments and shear strengths of PHC piles

Table 10은 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 벽의 PHC 말뚝의 휨에 대한 검토 결과를 나타낸 것이다. 발생 최대모멘트(M_max)는 183.0 kN‧m로 산정되었으며, 균열 휨모멘트(M_cr)는 228.8 kN‧m로 산정되었다. 따라서 기성말뚝은 탄성영역 내에서 최대 휨모멘트가 발생되므로 안정한 것으로 나타났다.

Table 10. Bending behaviors of PHC piles for a high-strength joint buried pile retaining wall

전단에 대한 검토

고강도 결합 매입말뚝 흙막이 벽의 전단에 대한 검토는 휨에 대한 검토와 동일한 방법으로 검토한다. 기성말뚝에 작용되는 발생 최대 전단력(S_max)와 전단강도(S_cr)를 비교하여 검토한다. 이는 일반적인 ePHC 흙막이 벽의 설계와 동일하다.

발생 최대 전단력은 시공단계에서 검토된 최대 전단력에서 PHC 말뚝의 중심간의 간격을 나누어 식 (3)과 같이 검토하였다.

S_max = Maximum shear force × C.T.C       (3)

전단강도(S_cr)는 Table 11에 제시된 PHC 말뚝의 전단강도에서 도로교설계기준해설(MOLIT, 2015)에 제시된 허용응력증가계수 1.5(가시설구조물 기준)를 적용하여 검토한다.

S_cr = Crack moment on the wall of the earth barrier × Additional coefficient       (4)

Table 11. Shear behavior of PHC piles for a high-strength joint buried pile retaining wall

Table 11은 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 벽의 PHC 말뚝의 전단에 대한 검토 결과를 나타낸 것이다. 발생 최대전단력(S_max)는 147.0 kN로 산정되었으며, 전단강도(S_cr)는 432.60 kN로 산정되었다. 따라서 PHC 말뚝은 탄성영역 내에서 최대 전단력이 발생되므로 안정한 것으로 나타났다.

계측결과 종합

본 연구에서는 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법의 현장 적용성을 확인하고자 현장시공시 계측기를 매설하였으며, 수치해석을 통한 침하량 결과와 비교하고자 하였다.

Fig. 8은 수치해석을 통해 확인된 침하량과 계측기 설치를 통해 도출된 침하량을 비교한 것이다. 비교한 검토단면은 A-A′ 단면부터 G-G′ 단면까지 7개소에 대한 내용을 비교하였으며, 침하계의 경우 각 위치당 매설된 3개 계측기의 평균값을 적용하였다.

Fig. 8. Comparison of the amounts of settlement obtained from measurements and numerical analysis.

A-A′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 9.94 mm, 계측기 측정값은 1.0 mm로 8.94 mm의 차이가 확인되었으며, B-B′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 9.24 mm, 계측기 측정값은 0.0 mm로 9.24 mm의 차이를 나타내었다. C-C′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 8.71 mm, 계측기 측정값은 2.0 mm로 6.71 mm의 차이가 확인되었으며, D-D′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 13.54 mm, 계측기 측정값은 1.0 mm로 12.54 mm의 차이를 나타내었다. E-E′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 8.41 mm, 계측기 측정값은 1.0 mm로 7.41 mm로 차이가 확인되었으며, F-F′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 13.71 mm, 계측기 측정값은 1.0 mm로 12.71 mm로 차이가 확인되었고, G-G′ 단면의 경우 수치해석 침하량은 9.58 mm, 계측기 측정값은 1.0 mm로 8.58 mm의 차이가 나타났다.

수치해석 침하량 및 계측기 측정값 비교분석 결과, 수치해석 침하량과 계측기 측정값의 차이가 0.0~12.0 mm로 수치해석 결과와 현장 계측결과의 차이가 미미한 것을 확인하여 7개소 모두 설계 예상치를 크게 벗어나지 않음을 확인할 수 있다. 이를 통해 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법이 기존의 C.I.P 공법 및 PHC 말뚝공법과 동일하게 현장적용성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

결론

본 연구에서는 고강도 결함 매입말뚝 흙막이 공법의 현장시공을 통하여 C.I.P 흙막이 공법과 차이를 확인하고자 하였다. 검증을 위하여 현장시공시 연구대상지역에 대한 유한요소해석을 통한 검증 수행하였으며, 현장계측을 통한 침하량 결과를 확인하여 실제 시공시 발생되는 침하량과의 차이를 확인하고자 하였다.

본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 현장지반을 대상으로 유한요소해석법 중 하나인 탄소성보법을 적용하여 구조적 안정성을 검토하였으며, 수치해석 결과를 통해 도출된 최대 휨모멘트와 전단력을 적용하여 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 벽체를 설계하였다. 검토결과 두 부재력 모두 탄성영역 내에서 하중이 발생되어 안전한 것으로 나타났다.

(2) 굴착주변의 배면에 대한 계측기 설치결과, 지중경사계의 경우 누적수평변위는 -0.40~0.60 mm로 나타나 관리기준 내 매우 안정적인상태로 확인되었다. 지하수위계 계측결과 초기측정치 대비 -0.21~0.28 m로 미소한 변위를 확인할 수 있었다. 지표침하계의 경우 초기측정치 대비 최대 -2.00 mm로 매우 미소하게 확인되었고, 관리기준 내 안정적인 상태로 확인되었다.

(3) 각 단면별 수치해석상 침하량 결괏값과 현장 계측을 통한 침하량 측정값을 비교한 결과, A-A′~G-G′ 단면의 수치해석상 침하량 결괏값은 최소 13.42 mm~최대 13.65 mm, 현장계측을 통한 침하량은 최대 2.00 mm로 확인되었다. 각각의 오차는 6.71~12.54 mm로 미미한 차이를 보였으며, 7개소 모두 설계 예상치를 벗어나지 않음을 확인하였다.

(4) 상기 내용을 종합적으로 분석한 결과, 본 연구의 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법은 기존의 C.I.P 흙막이 공법대비 높은 부재력과 낮은 변위 및 침하량을 확인할 수 있고, 현장 침하량 계측값 또한 미미한 수준으로 확인되었다. 이는, 고강도 결합 매입말뚝 흙막이 공법이 기존의 흙막이 공법들과 동일하게 현장적용성을 충분히 확보할 수 있음을 뜻하며, 연구적으로는 기성공법들과 동일하게 흙막이 공법의 연구시 비교본으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.