흙막이 벽체에 작용하는 겉보기 토압 유발요인의 매개변수 연구 = A parametric study of apparent earth pressure inducing factors acting on earth retaining walls

국문 초록 (Abstract)

흙막이 벽체에 작용하는 겉보기 토압 유발요인의 매개변수 연구 상지대학교 일반대학원 스 마 트 시 티 공 학 과 장 현 석 지 도 교 수 이 승 호 급격한 사회발전에 따른 인구밀도 증가로 지하구조물 개발을 위한 지하 굴착공사는 증가 추세에 있다. 협소한 도심지 굴착 조건에서는 일반적으로 흙막이 가시설 공법을 적용하며 흙막이 벽체는 굴착이 진행됨에 따라 발생된 수평토압으로 인해 흙막이 벽체의 변형을 유발 시키고 주변 지반의 침하를 발생시킨다. 흙막이 벽체에 작용하는 토압은 벽체의 종류와 시공 방법, 지지 구조물의 종류, 설치 위치, 설치 시기 등에 따라 변화하므로 지반 조건, 지하 수위, 주변 상황 등을 고려하여 시공 단계별로 토압 분포를 검토한다. 굴착이 완료된 상태에서 흙막이 벽체에 작용하는 토압은 콘크리트 옹벽에 작용하는 삼각형 분포 토압 이 아닌 포물선 형태의 토압 분포를 나타내며 이러한 토압을 겉보기 토압(Apparent earth pressure) 또는 경험토압이라 지칭한다. 국내 설계기준에서는 Terzaghi & Peck(1967), Tschbotarioff(1973)가 제안한 겉보기 토압을 제시하고 있으나, 이는 1960~1970년대의 재래식 공법 에 대한 계측결과를 분석한 토압으로, 과거에 비해 강성이 커지고 있는 현재의 흙막이 가시설 벽체 공법에 상기 토압을 적용 할 경우 발생 가능한 토압을 저평가할 우려가 있다. Goldberg 등(1976)은 토압의 분포 형태는 흙막이 벽체의 강성과 관계가 있으므로 Peck(1972)이 제안한 감소계수의 적용은 논란의 여지가 있으며 연성벽체에서 강성벽체로 변화되는 구간에서의 겉보기 토압 분포는 정립되지 않음을 보고하였다. 따라서 겉보기 토압은 국내 지반 조건과 부합하고 자주 적용되는 흙막이 가시설 공법의 지지 조건을 고려한 연구가 수행되어야 하며, 그 결과로 부터 설계 토압의 조정이 필요하다. 본 논문은 도심지 지하구조물 설치를 위한 흙막이 가시설 벽체 시공 시 굴착이 완료된 시점에서 흙막이 벽체에 작용하는 토압을 평가하기 위하여 토압 발생 인자에 대해 수치해석을 이용한 매개변수 해석을 수행하고, 흙막이 벽체 공법별로 21개 현장 106개 단면의 계측자료를 수집하여 수치해석 결과와 현장계측 값을 상호 비교․분석하여 흙막이 벽체 공법별 겉보기 토압의 크기를 평가하였다. 수치해석 결과 흙막이 벽체의 휨강성(EI) 6,000kN･㎡를 기준으로 겉보기 토압이 급격히 증가 함을 확인하였으며, 이를 통해 흙막이 벽체 공법별로 벽체 강성에 따른 겉보기 토압 감소계수를 달리 적용할 필요가 있음을 확인하였다. 사질토 지반에서 겉보기 토압의 분포 형태는 Tschebotarioff(1973)의 토압 분포 형태와 유사하며, 굴착 심도 18m 이상의 대심도 굴착에서는 흙막이 벽체 강성이 비교적 작은 Sheet pile 공법과 H-pile+토류판 공법은 Tschebotarioff(1973)의 경험토압 적용이 적정한 것으로 분석 되었다. 벽체 강성이 큰 C.I.P 공법, 지중연속벽 공법은 수치해석 및 계측 결과 모두 겉보기 토압이 증가하는 경향이 나타났으며, 최대 겉보기 토압은 기존의 경험토압 보다 크게 발생하였다. 강성벽체 설계 시 겉보기 토압의 적용은 기존의 경험토압 보다 큰 토압을 적용하는 것이 안전측 설계를 유도할 수 있으며, 보다 많은 계측 DATA의 분석을 토대로 겉보기 토압 감소계수의 적용이 필요하다. 주요어 : 겉보기 토압, 경험토압, 흙막이 가시설, 수치해석, 계측

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 표 목 차 ⅵ
• 국 문 요 약 ⅶ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구 배경 1
• 1.1.2 연구 목적 2
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구 내용 및 방법 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 개 요 6
• 2.1.1 지반굴착에 따른 토압 분포의 변화 6
• 2.1.2 벽체 강성에 따른 토압 분포의 변화 8
• 2.2 흙막이 벽체에 작용하는 토압 이론 10
• 2.2.1 버팀보로 지지된 흙막이 벽체에 작용하는 이론 토압 11
• 2.2.2 겉보기 토압의 정의 17
• 2.2.3 겉보기 토압의 분포 19
• 2.2.4 겉보기 토압의 설계 적용 25
• 제 3 장 수치해석을 이용한 겉보기 토압 분석 30
• 3.1 개 요 30
• 3.2 수치해석 프로그램 31
• 3.2.1 해석프로그램 개요 31
• 3.2.2 해석모델 32
• 3.2.3 흙막이 구조물 수치해석 요소(Element) 35
• 3.3 수치해석 CASE 및 강도정수 선정 37
• 3.3.1 흙막이 벽체 강성 37
• 3.3.2 지반 강도정수 38
• 3.3.3 벽면마찰각 39
• 3.4 수치해석 모델링 41
• 3.4.1 해석 단면 41
• 3.4.2 해석 모델링 41
• 3.5 벽체 공법에 따른 수치해석 결과 43
• 3.5.1 Sheet pile 공법 43
• 3.5.2 H-pile+토류판 공법 45
• 3.5.3 C.I.P 공법 49
• 3.5.4 지중연속벽(Diaphragm Wall) 공법 53
• 3.6 수치해석 결과분석 57
• 3.6.1 느슨한 모래지반 57
• 3.6.2 조밀한 모래지반 58
• 3.6.3 점토지반 59
• 제 4 장 현장 계측자료 분석 61
• 4.1 개요 61
• 4.2 현장계측 DATA 61
• 4.3 겉보기 토압 분포 경향 63
• 4.3.1 Sheet-pile 공법 63
• 4.3.2 H-pile+토류판 공법 64
• 4.3.3 C.I.P 공법 65
• 4.3.4 지하연속벽 공법 66
• 제 5 장 결 론 67
• 참고문헌 69
• ABSTRACT 71