KR102315382B1 - 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 위한 선행하중의 감압크기를 결정하는 수치해석 방법 - Google Patents

Abstract

지하구조물을 지중에 축조하기 위해서 흙막이벽체를 설치하고 버팀대로 지지하면서 지반굴착을 할 때 발생되는 흙막이벽체의 수평변위는 흙막이벽체의 부재력을 증가시키고, 배면지반의 침하를 발생시키므로 흙막이벽체와 주변구조물의 안정성이 감소된다. 따라서 부재력과 배면지반의 침하를 감소시키기 위해 '특허문헌 1'과 같이 굴착깊이가 깊어질수록 증가하는 수평응력과 흙막이구조물에 사용된 강재의 허용응력을 고려하여 결정된 큰 선행하중을 굴착단계별로 버팀대에 가압하면 흙막이벽체의 수평변위를 억제시키면서 흙막이벽체의 모멘트와 주변구조물의 침하를 감소시키기 때문에 안전성을 유지시킬 수 있다. 굴착완료 후에는 버팀대에 가했던 선행하중의 크기에 비례하여 증가된 수평응력이 흙막이벽체에 하중으로 작용하고 있다. 즉, 큰 선행하중을 가하면 흙막이벽체의 수평변위를 억제되어 배면지반의 침하가 감소되고, 큰 선행하중이 흙막이벽체 배면에 작용하는 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트가 감소되어 버팀대 설치 간격이 넓어(3.5~4.5)지므로 버팀대 시공단수가 감소되며, 버팀대를 지하 슬래브 상부 1.2~1.5m에 설치하면 버팀대 해체시 지하벽체 중간을 끊어서 시공하지 않아도 흙막이벽체 만으로 안정성을 유지하므로 벽체 중간을 끊어서 시공하는 개소가 없어지든지 감소된다. 따라서 공사비와 공사기간을 감소시키면서 흙막이벽체와 주변구조물의 안정성을 유지시킬 수 있다.
그러나 굴착시 단계별로 선행하중을 가압하여 커진 수평응력(증가토압)이 흙막이벽체에 작용되고 있는 상태에서 굴착을 완료하고 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체할 때 추가로 외력이 증가하면 흙막이벽체의 지간이 길어지므로 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 부재력이 증가되어 허용범위를 초과할 수 있다. 이 경우 이미 시공된 흙막이벽체을 보강할 방법이 없으므로 지하구조물 벽체 중간을 끊어서 시공해야 안정성을 유지시킬 수 있기 때문에 지하구조물 벽체 중간을 끊어서 시공하는 공사비(철근, 거푸집, 철근연결비용 등)공사비와 공사기간(끊어 시공하는 기간)이 증가된다.
본 발명은 이러한 문제가 거의 발생하지 않도록, 굴착완료 후 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체할 때 1차적으로 버팀대 해체구간 중 흙막이벽체의 최대 부재력이 발생되는 위치 상부에 설치된 버팀대에 가해진 선행하중을 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용함으로써 버팀대 해체구간 흙막이벽체 배면에 작용하는 수평응력을 감소시키고 흙막이벽체의 모멘트를 검토한 후 감소된 흙막이벽체의 모멘트가 허용범위 이내이면, 그 상태로 흙막이벽체나 주변구조물의 안정성이 유지된다. 그러나 1차 감압 결과, 흙막이벽체의 모멘트가 허용응력을 초과하면 1차로 감압시킨 버팀대 선행하중의 감압크기를 변경시키거나 감압시킨 버팀대의 상부에 위치된 버팀대에 가해진 선행하중을 추가로 2차 감압하여 흙막이벽체의 모멘트와 배면침하가 허용범위 내가 되도록 버팀대의 감압 크기를 결정한다. 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 모멘트가 허용응력을 초과하는 모든 구간은 1차 혹은 2차 방법을 사용하면 대부분 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어져도 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하거나 보강 버팀대를 설치하는 등의 공정을 추가시키지 않고 흙막이벽체만으로 안정성을 유지시키는 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법에 관한 것이다.

Description

버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 위한 선행하중의 감압크기를 결정하는 수치해석 방법{Numerical Analysis Method for Determining the Decompression Size of Preload for Stability of Securing Wall}

본 발명은 굴착완료 후 버팀대 해체시 길어진 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법에 관한 것으로, 특히 지하구조물을 시공하기 위해 버팀대를 해체하기 전에 굴착시 버팀대에 가해진 선행하중의 일부를 감압시키면 흙막이벽체에 수평변위가 발생되어 주동토압계수가 작아지기 때문에 버팀대 해체구간 흙막이벽체에 작용하는 수평응력(토압)이 감소된다(그림 1 참조). 또한 굴착시 가압한 선행하중의 일부를 감압시키고 남은 선행하중이 감소된 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트를 감소시키므로 흙막이벽체의 부재력은 허용범위 이내가 되어 안정성이 유지된다. 흙막이벽체의 전단력은 띠장의 강성을 증가시키면 집중하중형태의 선행하중이 분포응력형태로 변해 흙막이벽체에 전달되는 전달율이 작아진다. 따라서 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지시키면서 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하는 문제를 없애기 위해 해체 예정 상부 버팀대의 선행하중과 필요에 따라 그 위에 설치된 버팀대의 선행하중의 일부를 감압하여 수평응력(토압)을 감소시킴으로써 보강 없이 버팀대 해체구간의 흙막이벽체만으로 안정성을 유지시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 흙막이벽체에 작용하는 수평토압은 지반 내에서의 수평응력을 말하며, 다음 식에 의해 연직토압과 수평토압계수로부터 구할 수 있다.

수평토압(수평응력)은 깊이의 함수이므로 최대주응력의 방향이 변하지 않으면 깊이에 선형비례하며, 토압의 분포형태는 삼각형분포가 된다.

그러나 [그림 1]과 같이 벽체가 수평으로 변위를 일으키면 주응력의 방향이 변하고, 주동토압계수가 작아지므로 배면에 작용하는 토압의 크기와 분포형태가 달라진다. 즉, 벽체가 하단을 중심으로 회전하더라도 최대주응력이 변하지 않으면 수평토압은 삼각형분포를 나타내지만 변위형태가 달라 주응력의 방향이 변하면 수평토압의 분포는 삼각형분포의 형태가 되지 않고 토사의 종류와 변위발생 크기에 따라 여러 형태로 나타난다.

또한, 지반이 주동 및 수동의 한계평형상태가 되려면 즉, 지반이 절토될 때 절토면으로 변위가 발생하여 붕괴되거나 배면측으로 밀려나 지반이 파괴되려면 [표 1]과 같이 일정한 크기의 벽체변위가 생겨야 한다.

[표 1] 한계상태의 벽체변위 (

) (단, :

수평변위,

:벽체높이)

[그림 1] 벽체변위와 토압계수 관계

(1) 흙막이벽체에 작용하는 토압 (토질역학 제 4판 이상덕 씨아이알)

한편, [그림 2]는 지반굴착시 배면지층 조건에 따라 흙막이벽체에 발생하는 수평변위에 의해 변하는 여러 가지 벽체변위에 따른 주동토압의 분포형태를 나타낸 것이다.

a) 하단중심 회전 (b) 수평이동 (c) 상단중심 회전 (d) 중앙부 변위

[그림 2] 벽체의 변위와 주동토압의 분포 (Ohde, 1938)

흙막이벽체의 강성은 철근콘크리트보다 강성이 작은 연성벽체이다. 따라서 굴착시 배면에 작용하는 토압이 동일하다고 가정할 때 철근콘크리트 벽체보다 수평변위가 크게 발생하므로 토압의 분포형태는 [그림 3]과 같이 변하는 것으로 가정할 수 있다.

(d) 모래(Peck) (e) 연약점토(Peck) (f) 단단한 점토(Peck)

[그림 3] 굴착토류벽의 전이토압분포

(2) 증가토압

증가토압이란, 굴착시 발생된 흙막이벽체의 수평변위를 억제시키기 위해서 굴착 단계별로 버팀대에 가하는 선행하중에 비례하여 커지면서 흙막이벽체에 작용하는 토압을 말한다. 또한, 증가토압은 주동토압보다 크고 정지토압보다 작은 토압이다.

보다 자세하게, 증가토압은 지반을 굴착할 때 침하에 민감한 주변구조물을 보호하기 위해 버팀대나 앵커를 설치하여 흙막이벽체의 변위를 강력히 억제할 때에 적용된다. 특히, 도심지에서 근접굴착 할 때는 현장주변에 근접한 구조물의 침하에 대한 변형을 예방하기 위해 주동토압 대신 증가토압을 적용하여 흙막이구조물을 설계한다.

Weissenbach(1976)는 주동토압에 도달하는 변위 Sa를 기준으로 한 벽체변위 S의 크기에 따라 토압을 다르게 적용할 것을 제시하였다. 주동토압 및 수동토압의 크기는 한계평형상태에서 정의한 흙의 강도정수(

)를 적용해서 구한다.

[표 2] 벽체변위에 따른 증가토압 (

: 주동토압,

: 정지토압)

주동토압과 수동토압은 지중 구조물에 직접 하중으로 작용하므로 토압에 대한 구조물의 안정성을 검토할 때에는 토압을 하중으로 작용시킨다.

또한, 흙막이벽체 배면에 작용하는 수평응력의 분포형태와 크기는 수평변위 발생크기에 따라 달라진다. 즉 흙막이벽체에 수평변위가 발생하면 주동토압계수가 작아지므로 수평응력의 크기가 작아지며, 수평변위가 커질수록 주동토압계수가 더 작아져 수평응력이 작아지지만 수평변위가 한계상태가 되면 붕괴된다.

흙막이벽체의 수평변위를 억제시켜 배면지반의 변형을 억제시키기 위해서 외국에서 실험과 수치해석을 수행하여 연구한 결과, 설계축력의 50~100%를 선행하중으로 가하면 배면지반의 변형을 억제되어 흙막이벽체의 부재력과 배면지반의 침하를 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

여기서 설계축력이란 굴착완료 후에 흙막이벽체를 지지하기 위해 설치된 각 버팀대에 작용하는 축력이며, 각 버팀대의 축력은 수평응력분포의 해당면적이므로 수평응력이 커지면 버팀대 축력도 커진다. 따라서 버팀대에 선행하중을 크게 가할수록 흙막이벽체의 수평변위가 억제되지만, 선행하중의 크기에 비례하여 커진 수평응력이 흙막이벽체 배면에 하중으로 작용하게 되며, 이 하중으로 흙막이벽체의 안정성을 검토한다.

보다 자세하게, 흙막이벽체에 작용하는 토압은 굴착심도가 깊어질수록 커지기 때문에 지반굴착시 단계별로 증가시킨 선행하중을 각 버팀대에 가압하여 흙막이벽체의 수평변위를 억제시킬 경우 흙막이벽체를 지지하는 압축부재인 버팀대의 축력은 점점 증가하게 되므로 압축변형이 추가되어 흙막이벽체의 수평변위는 더 크게 발생되지만 압축변형에 의한 수평변위는 예상보다 작다.

따라서 지반굴착시 버팀대에 가압한 선행하중에 의해 커진 토압이 지반굴착이 완료된 후 지하구조물을 축조하기 위해 버팀대를 해체하여 지간이 길어진 흙막이벽체에 수평응력이 하중으로 작용하고 있어서 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과할 수 있다. 이런 경우 일반적으로 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지하기 위해 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하는 방법으로 흙막이벽체의 강성과 콘크리트인 지하벽체의 강성을 조합하여 강성을 증가시켜서 흙막이벽체의 안정성을 유지시켰다.

한편, 설계시 버팀대에 큰 선행하중을 가압하면 수평응력과 반대방향으로 작용하므로 흙막이벽체의 모멘트가 감소하여 감소된 모멘트만큼 버팀대의 수직간격을 넓게 설치시킬 수 있어 버팀대의 시공단수를 감소시킬 수 있었고, 굴착시 발생되는 흙막이벽체의 수평변위를 충분히 억제시킬 수 있었으므로 배면지반에 발생되는 침하를 감소시킬 수 있는 것은 누구나 아는 기본상식이다.

그러나 종래에 버팀대 선행하중공법에서는 버팀대를 흙막이벽체에 사용되는 일반적인 강재(H-300x300)로 사용하면서 띠장에 직접 설치했기 때문에 70ton 보다 큰 선행하중을 가하면 띠장이 허용전단응력을 초과하므로 큰 선행하중을 가하지 못했기 때문에 흙막이벽체에 수평변위와 배면지반의 침하가 예상보다 많이 발생하였다. 이를 방지하기 위해서는 띠장과 흙막이벽체에 사용되는 H형강의 규격을 대폭 증가시켜야 하지만, 이는 공사비를 증가시킨다.

이러한 문제는 한국등록특허 제10-0812338호 “흙막이벽체의 선행하중 재하 시스템"(이하 '특허문헌 1')이 개발되면서 해결되었다.

'특허문헌 1'은 지반을 지지하는 흙막이벽체(110)와, 흙막이벽체(110)에 직교방향으로 띠장(120)이 2줄로 설치되며, 선행하중 재하 전달체(200)를 설치할 수 있도록 띠장(120)의 전방에 설치되며, 흙막이벽체(110)측으로 가해지는 선행하중을 띠장(120)에 고르게 전달하는 선행하중 재하 전달체(200)와, 선행하중 재하 전달체(200) 중앙에 설치되는 버팀대(140)와 연결되는 유압잭(130)과, 선행하중을 가압하는 유압잭(130)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 갖는 '특허문헌 1'은 H-300x300 규격의 버팀대에 띠장을 2줄 설치하여 강성을 대폭 증가시켰고, 수직강재 양쪽에 경사강재를 설치하여 큰 선행하중을 분배시키므로 기존에 가하던 선행하중(보통 50~60ton)보다 훨씬 큰 선행하중(200ton 이하)을 가할 수 있었어 흙막이벽체의 수평변위를 충분히 억제시킬 수 있었다.

일반적으로 흙막이에 사용되는 강재는 흙막이벽체용으로 H-300x200x9x14, H-300x300x10x15 강재가 주로 사용되고, 버팀대와 띠장에용으로 H-300x300x10x15, H-300x300x15x15 강재가 주로 사용된다.

강재의 허용응력은 규격별로 다르기 때문에, 버팀대에 가할 수 있는 선행하중의 크기도 강재의 규격에 따라 달라진다. 보다 자세하게, 강재의 규격이 커지면 단면성질 또한 커져 외력에 대한 저항력이 커지므로 큰 선행하중을 가할 수 있고, 강재의 규격이 작아질수록 외력에 대한 저항력이 작아지므로 강재에 가할 수 있는 선행하중은 작아지게 된다.

'특허문헌 1'의 효과에 대해 보다 상세히 설명하면, 띠장의 강성이 대폭 증가되었기 때문에 큰 선행하중을 가해도 띠장에 발생되는 응력은 분포응력상태가 되므로 흙막이벽체에 전달되는 선행하중의 전달율이 작아져 기존 선행하중보다 훨씬 큰 선행하중을 굴착단계별로 가할 수 있었다. 따라서 흙막이벽체의 모멘트를 감소시킬 수 있어서 감소된 모멘트 만큼 버팀대 수직간격을 넓게 설치할 수 있으며, 굴착시 발생한 흙막이벽체의 수평변위를 충분히 억제시킬 수 있기 때문에 배면지반의 침하를 감소시킬 수 있었다.

이러한 '특허문헌 1'의 흙막이구조물은 단계별로 굴착을 진행하므로 수평응력이 버팀대에 가하는 선행하중에 비례하여 커지더라도 선행하중을 수평응력과 반대방향으로 가하기 때문에 흙막이벽체의 모멘트가 감소되므로 크게 과굴착하여 지간이 길어지지 않으면 흙막이벽체의 모멘트는 대부분 허용범위 내에 있어 흙막이벽체의 안정성이 유지된다.

'특허문헌 1'을 현장에 적용시켰을 때 다음과 같은 사항이 크게 향상되었다.

첫째, 굴착단계별로 큰 선행하중을 가하여 흙막이벽체(11)의 수평변위를 충분히 억제시키면 배면지반의 변형(느슨해짐)이 억제되어 배면지반의 침하가 감소되므로 지하구조물공사가 완료될 때까지 주변구조물(지하철 터널과 BOX, 주변건물, 지하매설물 등)의 안정성을 유지시킬 수 있었다.

둘째, 버팀대에 가한 선행하중을 토압(수평응력)과 반대방향으로 가하여 감소시킨 흙막이벽체(11)의 모멘트만큼 버팀대(1)의 수직설치간격을 1.0~1.5m 더 넓게 설치할 수 있어서 흙막이벽체(11)의 강성을 거의 증가시키지 않고도 버팀대(1)를 종래의 수직 설치간격인 2.5~3.0m보다 더 넓은 3.5~4.5m 간격으로 설치할 수 있었다. 따라서, 종래에는 지하 한 개 층(슬래브 평균간격 3.6~4.1m)에 버팀대(1)가 2단씩 설치되는 경우가 종종 있었는데, 이때 지반굴착이 완료된 후 지하구조물을 축조하기 위해 버팀대(1) 2단을 동시에 해체하면 버팀대가 해체된 구간의 흙막이벽체(11)의 지간이 길어지기 때문에 흙막이벽체(11)의 부재력이 증가하여 허용범위를 초과했다. 그러나 '특허문헌 1'에 따르면 지하슬래브 상부 1.2~1.5m에 버팀대(1)를 설치한 후 큰 선행하중을 가하면 굴착완료 후 지하구조물 축조를 위해 버팀대(1) 해체시 해체구간에 흙막이벽체(11)의 지간이 길어져도 선행하중이 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체(11)의 모멘트를 감소시키므로 지하벽체 중간을 끊어서 시공하지 않아도 흙막이벽체의 안정성을 유지시킬 수 있었다. 따라서 버팀대(1)의 설치 및 해체 단수 감소와 버팀대(1)를 설치 및 해체할 때 소요되는 잡자재 등도 감소될 뿐만 아니라 지하벽체의 중간을 끊어 시공하는 개소가 감소되거나 거의 발생되지 않으므로 그만큼 공사비와 공사기간이 감소되었다.

여기서 버팀대의 수직설치 간격 3.5~4.5m는 버팀대와 버팀대 간에 순수한 설치간격이다. 지반을 굴착할 때 흙막이벽체는 굴착면에서 배면에 작용하는 수평력에 의해 굴착측으로 변위가 발생하며, 이 변위는 어느 깊이가 되면 더 이상 발생하지 않는다. 이처럼 굴착면 하부에서 토압(수평응력)에 의해 굴착측으로 발생된 변위가 지중에서 영(0)이 되는 지점을 가상지지점이라고 하며, 버팀대의 수직설치간격 3.5~4.5m는 가상지지점이 포함되지 않은 순수한 버팀대 간격이다.

한편, 가상지지점이 발생하는 위치는 굴착지반 바닥면 지반의 강도에 따라 다르지만 평균 1.0~1.5m 정도이다. 따라서 흙막이벽체의 강성을 증가시키지 않고 흙막이벽체가 안정성을 유지할 수 있는 버팀대 지간은 안전측으로 4.5m~5.5m 이하가 되며, 허용범위 내로는 5.0m~6.0m까지 가능하다.

따라서, 지반굴착이 완료된 후 지하구조물을 시공할 때, 지하층의 슬래브를 양생시킨 후 슬래브 위의 버팀대(1)를 해체하면 양생된 슬래브 지간을 3.6~4.1m로 가정할 때 슬래브 상부 1.2m에 버팀대가 설치되면 슬래브 상부부터 다음에 해체될 예정인 버팀대(1)까지의 지간이 4.8~5.3m가 되므로 흙막이벽체(11) 자체의 강성만으로 안정성이 유지된다.

셋째, 버팀대(1)의 설치간격이 넓어지므로 과굴착을 하지 않고도 작업공간을 넓게 활용할 수 있어 장비의 작업공간과 강재작업(제작 및 조립 등)이 수월해졌다.

넷째, 버팀대(1)의 설치 및 해체단수가 감소되어 공사기간이 감소되면 시공에 사용되는 장비들의 사용기간도 감소되므로 건설공해(소음, 진동, 분진)와 환경공해(이산화탄소)가 감소되었다. 따라서 '특허문헌 1'은 굴착현장에서 실무자들이 가장 부담스러워 하는 안정성은 증가시켰고, 공사비와 공사기간 감소 및 민원은 감소시킬 수 있었으며, 기존 버팀대 선행하중공법보다 환경공해를 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이상에서 설명한 것을 정리하면, '특허문헌 1'은 기존 버팀대 선행하중공법보다 훨씬 우월한 공법을 만들기 위해 많은 실험(대형, 소형)과 수치해석을 수행한 결과로 흙막이벽체(11)의 수평변위를 억제시킬 수 있는 큰 선행하중의 범위를 결정하였고, 이를 가할 수 있는 선행하중 재하시스템을 개발한 것이다. 따라서 '특허문헌 1'은 기존보다 훨씬 큰 선행하중을 가하여 버팀대의 단수와 배면지반의 침하 및 흙막이벽체(11)의 부재력 감소, 그리고 버팀대 해체구간 흙막이벽체(11)의 안정성 유지를 위해 지하벽체 중간을 끊어서 시공하는 개소 등을 감소시켜 안정성과 시공성 및 경제성을 증가시킨 개량된 버팀대 선행하중공법이다.

하지만 '특허문헌 1'뿐만 아니라 모든 흙막이벽체는 지반굴착을 할 때보다 굴착이 완료된 후 버팀대를 해체할 때가 더 위험하다.

그 이유는 버팀대(1)의 해체시 해체구간 흙막이벽체의 수평변위가 허용되어 수평응력이 감소되어도 지간이 길어진 상태에서 배면 지층조건의 변화 및 지하수위가 상승하여 증가된 수평응력이 하중으로 작용하면 버팀대(1) 해체구간 흙막이벽체(11)의 부재력이 증가되어 허용응력을 초과할 수 있기 때문이다.

보다 자세하게, 굴착시 버팀대에 가했던 큰 선행하중에 비례하여 커진 수평응력이 흙막이벽체(11)에 하중으로 작용하고 있는 상태에서, 버팀대(1)를 해체하면 버팀대(1) 해체구간 흙막이벽체(11)의 지간이 길어지게 된다. 따라서 흙막이벽체(11)의 지간이 길어져 부재력은 증가하지만 수평변위가 증가하기 때문에 배면에 작용하는 수평응력이 감소한다. 그러나 흙막이벽체의 수평변위가 한계상태가 되지 못했기 때문에 흙막이벽체(11)의 배면에 작용하는 토압은 주동토압과 수동토압 사이에 있는 증가토압이 되며, 이는 흙막이벽체(11)의 배면에 하중으로 작용한다.

이때 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체하면 흙막이벽체의 지간이

길어져 흙막이벽체(11)의 부재력이 증가하며, 설계시의 부재력보다 크게 되어 허용응력을 초과한다. 이러한 경우 이미 시공된 흙막이벽체(11) 자체를 보강하는 것은 실질적으로 불가능하다. 따라서 기존공법에서는 버팀대 해체구간 흙막이벽체(11)의 안정성을 유지시키기 위해 지하구조물의 벽체중간을 끊어서 시공하며, 끊어서 시공하더라도 흙막이벽체(11)의 부재력이 허용범위를 초과하면 보강버팀대를 설치하므로 공사비와 공사기간이 증가하는 문제점이 발생했다.

한편, '특허문헌 1'의 버팀대 설치간격이 넓어져도 지하수위 증가 등에 의해 수평응력이 증가하면 버팀대에 가한 선행하중이 흙막이벽체의 모멘트를 감소시켜도 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과할 수 있으며, 이런 경우는 기존방법과 동일하게 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지를 위해 지하벽체의 중간을 끊어서 시공해야 한다.

한편, 한국등록특허 제10-1222026호 "길이조절 가압 스트러트를 이용한 버팀보 시공방법"(이하, '특허문헌 2')에는 종래의 흙막이구조물을 시공하는 방법의 일 실시예가 게재되어 있다.

'특허문헌 2'는 상기 지지대의 일측에 버팀보를 연결하고 상기 개방부를 통해 작업자가 상기 제2설치공간 내의 상기 제1고정너트를 회전시킴에 의해 상기 길이조절로드를 벽체쪽으로 위치 이동시켜 벽체에 접촉시키는 단계, 상기 개방부를 통해 상기 제1설치공간 내에 상기 가압잭을 설치하고, 상기 가압잭을 작동시켜 상기 가압로드를 벽체쪽으로 가압함에 의해 상기 제1고정너트로 인해 상기 길이조절로드가 벽체쪽으로 가압되면서 벽체에 밀착되는 단계, 상기 제2고정너트를 상기 길이조절로드 상에서 회전시켜 상기 지지대의 타측에 밀착시킴에 의해 상기 길이 조절로드의 위치를 고정시켜 상기 길이조절로드의 위치변화를 방지하는 단계, 상기 위치변화 방지단계 후 상기 가압잭을 상기 개방부를 통해 상기 지지대로부터 분리하는 단계로 구성된다.

이러한 '특허문헌 2'는 기존의 흙막이구조물의 구성을 그대로 사용하지 못하고 새로운 부품이 필요하기 때문에 비용이 증가되고, 추가된 부품들의 조립과정으로 인해 공사기간이 증가되는 문제점이 발생됐다.

한편, 한국등록특허 제10-0648409호 "가설 흙막이 공법"(이하 '특허문헌 3')에는 흙막이벽체에 선행하중을 가압하는 공법의 일 실시예가 게재되어 있다.

'특허문헌 3'은 기존 흙막이 부재들의 구조를 변경하지 않고 이들을 그대로 사용하면서도 버팀목의 설치간격을 넓혀 줄 수 있도록 하기 위해서 수직파일(10)의 외측에 작용하는 흙벽의 측압에 상응하는 크기의 하중을 수직파일(10)과 보강용 횡가목(16) 사이에 수직파일(10)의 외측에 작용하는 흙벽의 측압에 상응하는 크기의 하중을 실린더(22)와 피스턴(24)으로 이루어진 유압잭과 같은 가압수단(26)으로 미리 도입시키고, 도입된 하중을 가압수단(26)주위에 삽입되는 간격유지부재(28)로 지속시킨다.

이러한 '특허문헌 3'은 수직파일(10)과 보강용 횡가목(16)사이에 미리 도입시킨 하중에 의해서 보강용 횡가목(16)에는 내측으로 처짐이 발생하는 반면에 수직파일(10)은 외측으로 변위되려고 하기 때문에 흙벽과 밀착되어서 공사장 주변의 지반이 침하되지 않도록 해주고 버팀목의 설치간격을 넓혀줄 수 있어서 터파기 공사기간 단축과 공사비 절감효과를 얻을 수 있다.

이러한 '특허문헌 3'은 버팀대 해체시 선행하중의 크기를 조절할 수 없으므로'특허문헌 1'과 동일한 문제점을 갖고 있다.

상기의 문제점들을 개선하기 위한 선행하중 조절 기술이 중국공개특허 제2015-10194561호(이하 '특허문헌 4')에 게재되어 있다.

'특허문헌 4'는 흙이 무너지지 않게 지지하는 지지보호 말뚝과, 지지보호 말뚝을 지탱하도록 연결된 경사 버팀대와, 경사 버팀대에 설치되어 변형량을 측정하는 스트레인 게이지와, 경사 버팀대에 연결되어 선행하중을 가하는 유압 잭과, 스트레인 게이지와 유압 잭에 연결되어 설계 파일 중의 계산 결과와 굴착시의 모니터링 데이터의 차이가 비교적 클 때 선행하중의 크기를 조절하는 스마트 제어 부품을 포함하여 구성된다.

'특허문헌 4'에서 선행하중의 크기를 조절하기 위한 기준이 되는 측정값은 지지보호 말뚝의 수평변위, 경사 버팀대의 변형량, 지표 침하, 구덩이의 바닥의 융기량(부풀어 오름), 구덩이 밖의 진흙 내부의 공극수압 등이 있다.

이러한 '특허문헌 4'는 선행하중의 크기를 조절하여 굴착시 구덩이 밖의 진흙이 무너지는 것을 보호할 수 있지만, 구덩이의 바닥과 구덩이 바깥쪽의 바닥에 복수개의 경사계관을 삽입해야 되므로 공사기간과 비용이 증가되고, 구덩이 바깥쪽에 건물이 있을 경우에는 경사계관을 사용할 수 없으며, 공극수압을 측정할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 지하구조물을 설치하기 위하여 굴착공사를 할 때 토사의 붕괴를 방지하기 위한 선행하중 조절방법의 또 다른 기술이 한국공개특허 제10-2006-0110130호(이하 '특허문헌 5')에 게재되어 있다.

'특허문헌 5'는 토사굴착면에 연하여 일정한 간격으로 수직파일을 설치하고 토사를 수직으로 굴착하면서 발생되는 토압이나 변위를 지지 하기 위하여 상기 수직파일의 내측에 일정한 간격을 두고 횡으로 띠장을 설치하고, 상기 수직파일의 상부에 설치된 띠장에 레이커거더의 상부와 접하게 설치하면서 일정한 각도를 유지하도록 하여 레이커거더를 경사지게 설치하고, 상기 레이커거더의 하부는 최종 터파기선의 굴착면에 기초를 설치한 후에, 그 위에 설치하도록 하고, 상기 레이커거더상에는 단계별 굴착에 따라 설치되는 수직파일에 횡으로 설치된 띠장과 직각되는 위치에 수직재를 설치하고, 그 수직재 길이는 토압의 크기와 비례하여 증가 또는 감소하게 수직재를 설치하고, 수직재의 끝단부에 하중변위연동 및 고정장치를 각각 설치하고, 상기 장치에 접하여 인장케이블을 설치하고, 상기 인장케이블은 레이커거더의 양단부에 설치된 고정장치에 정착하여 인장케이블의 설치형상은 모멘트분포도와 유사하게 설치하여 싱크로나이즈지지시스템을 설치하고, 상기 수직파일을 중심으로 아이슬랜드 공법으로 1단계, 2단계등 다단계로 굴착하면서 각각 횡띠장을 설치하면서, 단계적으로 상기 횡띠장과 상기 시스템의 거더에 설치된 수직재와 직각으로 스크류잭이 부착된 하중전달버팀대를 힌지연결하고, 상기 수직재 끝단부에 설치된 하중변위연동 및 고정장치에 유압잭을 삽입하고, 상기 잭의 스트로크를 변위 및 하중 설계관리치와 상기 거더 및 수직재에 부착된 변위계와 하중계의 계측결과를 컴퓨터에 연동시켜 직접복귀 및 상쇄하도록 하고, 상기 유압잭의 스트로크를 인장케이블에 연동시킬 때 잭은 반력대 역할을 하면서 인장력이 작용하도록 하여 흙막이벽을 지지하도록 한다.

이러한 '특허문헌 5'는 기존보다 레이커거더와 인장케이블 등의 부품이 필요하며, 하나의 인장케이블을 수직재 전체와 연결해야 하므로 공사기간과 공사비용이 증가하는 문제점이 있다.

한편, 한국등록특허 제10-1132640호(이하 '특허문헌 6')에는 '특허문헌 1' 내지 '특허문헌 3'과 같은 흙막이구조물이 적용되면 붕괴될 위험이 있는 흙막이 공사현장의 붕괴 안정성을 평가하는 기술이 게재되어 있다.

흙막이벽체의 안정성 검토(수평변위, 모멘트, 전단력 등)는 배면에 작용하는 수평응력(토압+수압)을 하중으로 적용하여 검토하는 것이다. 보다 자세하게, 흙막이벽체 강성, 굴착심도, 버팀대 설치단수가 동일해도 흙막이벽체 배면에 작용하는 수평응력이 커질수록 흙막이벽체의 수평변위가 증가하여 부재력(모멘트, 전단력)이 증가하고, 주변구조물은 침하가 발생하므로 안정성이 감소한다. 즉, 흙막이벽체의 부재력(모멘트, 전단력)은 수평변위에 비례적으로 증가하므로 굴착과 버팀대 해체시 흙막이벽체의 안정성을 유지하기 위해서는 수평변위를 허용범위 내에서 관리하는 것이 매우 중요하다.

'특허문헌 6'은 흙막이 공사현장에서 발생할 수 있는 붕괴사고를 미연에 방지하기 위하여 공사현장에 설치된 다양한 계측기들로부터 흙막이벽이나 지반, 각종 구조물 등 의 현장에 대한 정보를 취득한 뒤 취득한 계측 정보로부터 공사현장의 붕괴 안전성을 평가하고 붕괴 징후를 정확 히 예측할 수 있는 붕괴 안전성 평가 방법에 관한 것이다.

이러한 '특허문헌 6'은, a) 타 공사현장에서 지중경사계에 의해 계측된 흙막이벽의 수평변위 데이터를 수집 및 축적하여 데이터베이스화하고 축적된 흙막이벽의 수평변위 데이터로부터 흙막이 공법별로 흙막이벽의 수평변위 관리기준치를 산정하는 단계와, b) 붕괴 안전성 평가 대상이 되는 해당 공사현장에서 각 굴착 단계마다 지중경사계에 의해 계측되는 흙막이벽의 수평변위 데이터와 축력계에 의해 계측되는 지보재의 축력 데이터를 취득하는 단계와, c) 상기 해당 공사현장에 서 취득된 상기 수평변위 데이터와 축력 데이터의 상관관계를 실시간으로 분석하되, 수평변위와 축력의 상관관계 에 따른 경향으로부터 붕괴위험도를 나타내는 붕괴위험등급을 실시간 산정하는 단계와, d) 산정된 붕괴위험등급으로부터 붕괴가중지수 β를 산정하는 단계와, e) 상기 붕괴가중지수 β를 사용하여 a) 단계에서 산정된 해당 흙 막이 공법의 수평변위 관리기준치를 수정하는 단계와, f) 상기 b) 단계에서 계측된 수평변위 데이터를 상기 e) 단계의 수정된 수평변위 관리기준치와 비교하여 붕괴 안전성을 판정하는 단계를 포함하여 구성된다.

'특허문헌 6'에서 실시간으로 계측된 데이터는 통상의 통신모듈로 이루어진 송수신부에 이해 감시 컴퓨터에 전송된다. 상기 감시 컴퓨터는 송수신부로부터 수신되는 수평변위 및 축력 등의 데이터를 붕괴 안전성 평가에 사용 가능한 데이터로 가공한 뒤 데이터베이스에 저장하는 동시에, 후술하는 바와 같이 계측 데이터(수평변위 및 축력)의 경향 분석, 붕괴위험등급 산정, 붕괴가중지수 산정, 공법별 관리기준치 산정(관리기준치 수정), 계측 데이터와 관리기준치의 비교, 위험 경보 등의 단계를 거치는 안전성 평가를 수행하게 된다.

한국 등록특허 제10-0812338호 한국 등록특허 제10-1222026호 한국 등록특허 제10-0648409호 중국 공개특허 제2015-10194561호 한국 공개특허 제10-2006-0110130호 한국등록특허 제10-1132640호

본 발명은, 굴착시 버팀대에 큰 선행하중을 가하여 굴착을 완료 후에 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체하기 전, 해체 예정 버팀대 상부에 설치된 버팀대에 가해진 선행하중의 일부를 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용시킴으로써 수평응력을 감소시키고, 감압시키고 남은 선행하중이 수평응력과 반대방향으로 가하고 있어서 흙막이벽체의 모멘트가 감소되므로 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성이 유지시킬 수 있다. 따라서 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하지 않아도 되므로 공사비와 공사기간을 감소시키면서 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이 목적이다.

또한 본 발명은, 버팀대를 해체시키기 전, 해체될 예정인 버팀대 상부에 설치된 버팀대나 그 위에 버팀대에 굴착시 가해진 선행하중을 감압하여 흙막이벽체나 주변구조물의 안정성이 보다 잘 유지되도록 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법을 제공하는 것이 목적이다.

또한 본 발명은, 버팀대를 해체시키기 전, 버팀대마다 유압잭으로 가압한 버팀대의 선행하중을 감압하여 안정성을 보다 잘 유지 하는 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법을 제공하는 것이 목적이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 흙막이벽체에 선행하중을 가하는 복수개의 버팀대가 상부부터 하부로 설치되어 지반굴착을 완료하는 단계와, 지하구조물을 시공하기 위해서 하부 버팀대부터 버팀대 해체시 해체예정 버팀대 상부 및 그 위의 버팀대에 가해진 선행하중을 감압하는 단계와, 굴착바닥부터 역순으로 버팀대를 해체하는 모든 해체과정을 포함한다.

또한, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 해체 예정 버팀대를 해체하기 전, 해체예정 위의 버팀대와 그 위에 위치되면서, 해체예정 버팀대에 가장 근접한 버팀대에 가해진 선행하중을 감압하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 상기 지반을 단계별 굴착할 때 유압잭이 부착된 버팀대를 상부부터 도면에 제시된 간격대로 설치하여 선행하중을 가하면서 굴착을 완료하며, 해체 예정 버팀대는 지하구조물의 시공순서에 의하며 선행하중을 감압하는 버팀대는 해체예정 버팀대 상부에 설치된 버팀대인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 흙막이구조물을 설계할 때, 굴착이 완료된 후 지하구조물을 축조하기 위해 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 검토시 버팀대의 해체단계에서 해체예정 상부에 위치한 버팀대에 가해진 선행하중의 감압크기를 조절하는 방법에 관한 것으로, 지반을 굴착하는 조건에서 발생되는 흙막이벽체의 부재력과, 버팀대가 해체될 때 흙막이벽체의 지간이 길어져 증가되는 흙막이벽체의 부재력과 수평변위 등의 값을 비교검토하여 각 값들이 허용범위 내에서 흙막이벽체가 최적의 안전상태를 유지시킬 수 있도록 선행하중의 적절한 감압크기를 결정하는 방법이다.

또한, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 시공 중에 측정된 계측결과치를 이용하는 방법에 관한 것으로, 구조계산시 수행한 수치해석 결과에서 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지를 위해 감압될 선행하중의 크기를 정한 것에 토대를 두고, 계측결과치를 분석한 후에 수치해석 결과와 비교한다. 또한 계측 결과치를 수치해석으로 역해석하여 버팀대 해체구간 흙막이벽체가 현장여건상 최적의 안전상태를 유지시킬 수 있도록 선행하중의 적절한 감압크기를 결정한 후에 그 크기만큼 버팀대 선행하중을 감압하여 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 강성만으로 안정성을 유지시키는 방법이다.

본 발명의 굴착시 버팀대에 가한 선행하중을 굴착완료 후 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체할 때 해체예정 버팀대 상부 버팀대와 그 위 상부 버팀대의 선행하중을 감압하여 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지시키는 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 굴착완료 후 지하구조물 축조를 위해 버팀대를 해체할 때, 버팀대에 가해진 선행하중의 일부를 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용시키면, 흙막이벽체 배면에 하중으로 작용하는 수평응력의 크기가 감소되고, 선행하중을 일부 감압시킨 버팀대에도 감압 후 남은 선행하중이 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트를 감소시켜 모멘트가 허용범위 이내가 되면 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성이 유지된다. 또한 선행하중을 감압시킨 버팀대에도 감압시키기 전보다는 작아졌지만 감압된 선행하중보다 훨씬 큰 선행하중이 배면지반의 변형을 억제시키고 있어서 배면지반의 침하는 허용범위 이내가 되므로 주변구조물의 안정성이 유지된다.

따라서 본 발명의 해체단계에서 버팀대 선행하중의 감압기술은 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 강성만으로 안정성을 유지시킬 수 있기 때문에 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하거나 보강버팀대를 추가로 설치시키지 않아도 되므로 그 만큼 공사기간과 공사비가 감소된다.

도 1은 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법 플로어차트.
도 2는 종래의 선행하중 재하전달체의 평면도.
도 3은 종래의 선행하중 재하전달체의 측면도.

이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

지반을 굴착할 때는 상부부터 단계별로 버팀대를 설치하면서 선행하중을 가하기 때문에 안정성이 유지된다. 그러나 굴착완료 후 지하구조물을 설치하기 위해서 버팀대 해체시 변하는 외력조건에 증가되는 수평응력과 지반굴착시 버팀대에 가해진 선행하중에 의해 증가된 수평응력이 모두 합하여 하중으로 작용하고 있는 상태에서 버팀대를 해체하면 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어지기 때문에 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과할 수 있다.

위의 외력조건이란, 공사 중 게릴라성 폭우나 수도관 등의 파열로 지하수위가 상승하는 경우, 현장에 자재 수급이 원할 하지 않거나 중차량에 의한 진동, 배면지반조건의 변화 등에 의해 지반에 수평응력이 증가되는 경우이다.

보다 자세하게, 토압은 굴착시 버팀대에 가하는 큰 선행하중에 비례하여 커지고, 상기 외력조건에 의해 추가로 증가된 수평응력이 흙막이벽체에 작용하고 있을 때 버팀대를 해체하면, 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어진 상태에서 설계 당시보다 커진 수평응력이 버팀대 해체구간 흙막이벽체에 작용하고 있기 때문에 흙막이벽체의 부재력이 증가하여 허용범위를 초과할 수 있다.

이러한 본 실시 예의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 수평응력이 설계시점과 동일하거나 외력에 의해 증가했을 때, 버팀대 해체시 지간이 길어져 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 부재력이 증가하여 허용응력을 초과하면 흙막이벽체나 주변구조물의 안정성을 유지시키기 어렵다. 이럴 경우에 효과적으로 적용시킬 수 있다.

본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 굴착시 흙막이벽체에 상부부터 하부까지 복수개의 버팀대를 설치하면서 선행하중을 가하는 지반굴착단계와, 굴착완료 후 지하구조물을 축조하기 위해 버팀대 해체시 해체예정 버팀대의 상부에 위치한 버팀대나 그 위에 버팀대의 선행하중을 감압하는 단계와, 버팀대를 해체하는 단계를 포함하여 구성된다.

한편, 지반굴착시 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 지반굴착 단계에서, 상부부터 유압잭이 부착된 버팀대를 상부부터 순차적으로 설치하였다. 이때 유압잭은 서로 띠장과 버팀대가 서로 평행하게 설치하며, 굴착단계별로 버팀대에 선행하중을 가하면서 굴착을 완료한다.

본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 지반굴착이 완료된 후, 매트기초와 각 지하층별 슬래브로 구성된 지하구조물을 설치하기 위해 버팀대를 해체할 때에도 굴착시 버팀대에 가해진 선행하중이 그대로 유지되고 있으므로, 선행하중에 의해 증가된 수평응력이 버팀대의 해체구간 흙막이벽체에 하중으로 작용하고 있다. 따라서 버팀대 해체시 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어져 부재력이 허용범위를 초과하게 되면, 흙막이벽체의 부재력이 최대로 발생되는 위치에 설치된 버팀대나 그 위에 설치된 버팀대의 선행하중을 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용범위 내로 허용한다.

보다 자세하게, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법에 따르면, 선행하중이 가해진 버팀대의 선행하중을 일부 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용하면 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 배면에 작용하는 토압이 감소하고, 감소된 토압이 흙막이벽체에 하중으로 작용하게 되며, 감압시키고 남은 선행하중이 감소된 수평응력과 반대방향으로 작용하고 있어서 흙막이벽체의 모멘트를 감소시키므로 흙막이벽체의 모멘트는 허용범위 이내가 된다. 따라서 본 발명에 의해 버팀대 해체구간 흙막이벽체만으로 안정성을 유지할 수 있기 때문에 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 위해 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하지 않아도 되므로 공사비와 공사기간이 증가되는 것이 방지된다.

한편, 버팀대를 해체하면 흙막이벽체의 지간이 길어져 수평변위가 발생하여 감소된 수평응력이 흙막이벽체에 하중으로 작용될 때 흙막이벽체의 부재력이 허용범위 이내라면 해체예정 상부 버팀대에 가해진 선행하중은 감압할 필요가 없다.

본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법의 핵심인 버팀대에 가해진 선행하중의 감압크기는 버팀대가 해체된 흙막이벽체의 지간, 현장여건, 배면지층, 지하수 위치, 진동, 계측결과치 등을 종합적으로 고려해야 한다.

이때 선행하중 감압크기의 결정은 설계 당시는 수치해석으로 감압크기를 결정하고, 시공 도중에는 지중 수평변위계와 버팀대 축력계 등에 측정된 계측결과를 분석하고 역해석하여 최종 감압크기를 결정한다. 즉 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어져도 안정성이 유지될 수 있도록, 버팀대에 가해진 선행하중을 일부 감압하여 수평응력을 감소시키고, 감소시키고 남은 선행하중이 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트를 감소시킴으로써 허용범위를 초과하는 흙막이벽체의 모멘트가 허용범위 내에 있도록 하는 것이다.

보다 자세하게 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 지하벽체 중간을 끊어서 시공하거나 보강 버팀대를 설치 등의 추가적인 시공 없이 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 유지시키는 것이다.

이하에서는 선행하중의 감압크기를 결정하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.

첫 번째 방법은, 설계시에 수치해석을 수행하여 굴착이 완료된 후 지하구조물을 축조하기 위해 버팀대를 해체할 때 해체예정 상부 버팀대나 그 위의 버팀대에 선행하중의 감압크기를 결정하여 감압시키는 방법이다.

이 방법은 흙막이벽체의 강성과 지반 굴착조건에서 발생하는 흙막이벽체의 부재력과 수평변위 등의 해석 값을 버팀대 해체시 흙막이벽체의 지간이 길어짐에 따라 증가되는 흙막이벽체의 부재력과 수평변위 등의 값을 비교 및 검토한다.

이때 비교 및 검토한 값을 토대로 흙막이벽체의 안전상태가 최적으로 유지되도록 해체될 예정 버팀대 상부에 설치된 버팀대에 가해진 선행하중을 적절한 크기로 감압시키는 방법이다.

두 번째 방법은, 시공 중의 방법으로 지중수평변위계와 버팀대 축력계 등의 계측 결과치를 토대로 버팀대가 해체되는 단계에서 해체될 예정인 버팀대 상부에 설치된 버팀대에 가해진 선행하중의 감압크기를 조절하는 방법이다.

이 방법은 우선, 구조계산시 수행한 수치해석 결과에 토대로 두고, 계측 결과치를 상세히 분석한 후에 수치해석 결과와 비교하고, 계측결과치를 역해석하여 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정상태가 현장여건상 최적으로 유지되면서 주변구조물이 침하에 대해 안정할 수 있도록 선행하중의 감압크기를 결정하는 방법으로 결정된 감압크기만큼 해체예정 버팀대 상부 버팀대의 선행하중을 감압시키는 방법이다.

상기 두 가지 방법의 공통사항은 아래와 같다.

버팀대에 가해진 선행하중을 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용하면 주동토압계수가 작아져 흙막이벽체의 배면에 작용되는 수평응력이 감소된다. 이때 수평응력이 감소된 상태[그림 1 참조]에서 해체예정 버팀대 상부 버팀대의 선행하중을 일부 감압시키고 남은 선행하중이 흙막이벽체에 수평응력의 작용방향과 반대방향으로 가압되므로 흙막이벽체의 모멘트가 감소되어 흙막이벽체의 부재력과 배면지반의 침하는 허용범위 내에 있게 되는 것이다.

만약 해체예정 버팀대 상부 버팀대의 선행하중을 감압시켰을 때에도 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과하면 감압시킨 버팀대 상부에 위치한 버팀대의 선행하중을 추가로 감압시키는 방법이 있다.

이하는 가정한 현장을 예로 들어 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법을 설명한 것이며, 굴착공사 개요는 다음과 같다.

굴착면적 : A = 3743 (m2) 굴착깊이 : GL -14.98 (m), 지하 3층

버팀대 설치단수 : 5단

흙막이벽체 : CIP(D=500), H-300x300x10x15 ctc 1500

지하수위 : GL -5.0(m) 차수공법 : SGR공법

배면지층 : 매립토, 퇴적토 1, 퇴적토 2, 풍화토, 풍화암, 연암

주변건물 : 흙막이벽체로부터 3m 이격된 지상 3층 건물 근접

다음은 복수개의 버팀대가 5단으로 설치된 흙막이벽체의 단면도[그림 4]와 흙막이벽체의 상세도[그림 5]이다.

이하에서는 설명을 보다 쉽게 할 수 있도록, [그림 4]를 기준으로 최상단 버팀대를 1단 버팀대라고 하고, 최하단 버팀대를 5단 버팀대라고 하도록 한다.

[그림 4] 흙막이벽체 단면도

[그림 5] 흙막이벽체 상세도

[표3]은 상기의 현장에 굴착시는 굴착단계별로 흙막이벽체 배면에 작용하는 수평응력을 고려하여 버팀대에 적절한 크기의 선행하중을 가압하여 굴착을 완료하고, 해체시는 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 모멘트가 허용범위를 초과하므로 흙막이벽체의 모멘트가 허용범위 내에 있도록 하기 위해서 CASE별로 선행하중을 일정비율로 점차 감소시킨 즉, CASE별로 선행하중을 감소시킨 표이다.

[표3] 각 CASE별 가압 및 감압 선행하중

[표 3]에서 굴착시 버팀대에 가해지는 선행하중은 1단에서는 가장 작은 45, 2단에서는 1단보다 큰 110, 3단에서 5단까지는 2단보다는 큰 310이 가해진다. 1단과 2단의 선행하중이 작은 이유는 토압은 굴착심도에 비례하여 커지기 때문에 상부는 작고, 하부로 내려가면서 점점 커진다. 3단 버팀대부터는 토압이 점점 더 증가하기 때문에 흙막이벽체의 수평변위를 억제시켜 배면지반의 침하를 더 감소시키기 위해 단계별로 가압하는 선행하중의 크기를 깊이에 비례하여 증가되는 수평응력에 비례적으로 증가시켜야 한다. 그러나 3단부터 5단 버팀대까지 동일한 크기의 선행하중을 가압한 이유는, 흙막이벽체의 내부 응력재인 H형강, 띠장 및 버팀대에 그 이상의 선행하중, 즉 [표3]에서 310이상의 선행하중을 가하면 사용강재의 허용응력을 초과하기 때문이다. 물론 선행하중의 크기는 각 부재의 안전률을 고려하여 결정된 것이다.

한편 굴착현장 주변에 침하에 민감한 구조물이 있을 경우에는, 강재의 규격을 증가시키면 상기보다 더 큰 선행하중을 가압시킬 수 있어 침하가 더 감소되기 때문에 주변구조물의 안정성이 증가된다.

상기의 예시현장은 4단 버팀대를 해체할 때, 흙막이벽체의 부재력이 가장 크게 발생된다. 따라서 4단 버팀대를 해체할 때, 흙막이벽체의 지간이 길어져 증가되는 흙막이벽체의 부재력이 설계시의 부재력에 만족하도록 다음에 해체될 예정인 3단 버팀대에 굴착시 가해진 선행하중의 일부를 감압시킨 것이다.

그러나 해체될 예정인 버팀대에 가해진 선행하중을 감압하는 것만으로 흙막이벽체의 부재력이 허용범위 내에 있지 않는 경우, 흙막이벽체의 건축 구조물의 형태, 배면 지층조건이 달라지는 경우, 지하수위가 상승할 경우, 배면에 건물 등이 상재하중으로 작용할 경우에는, 선행하중의 감압크기와 감압시켜야 할 버팀대의 단수가 달라진다. 즉, 한 개의 버팀대만 감압시키는 것이 아니라 해체될 예정인 버팀대 상부의 버팀대 위에 설치된 버팀대도 선행하중을 추가로 감압시켜야 흙막이벽체의 부재력이 설계시의 부재력에 만족될 수 있는 경우가 있다.

이를 위해서는 설계 당시는 수치해석으로, 시공 중에는 현장 계측 결과치를 정확히 분석하여 이후의 버팀대를 해체할 때 지반과 흙막이벽체의 거동을 예측해야 하며, 지반공학 이론, 특히 벽체의 수평변위 증가에 따라 변하는 즉, 토압의 변화를 이해해야 한다. 따라서 버팀대 해체시 배면지반의 거동 예측이나 지반공학 이론을 이해하지 못하고 임의로 버팀대에 가해진 선행하중을 감압시키면, 다음 버팀대 해체 단계에서 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과하거나 흙막이벽체의 배면에 근접한 주변구조물에 침하가 발생하여 허용범위를 초과할 수 있어 흙막이벽체나 주변구조물의 안정성을 유지시키기가 어렵다. 즉, 허용범위를 초과하여 흙막이구조물과 주변구조물이 위험해 질 수 있다. 이 경우 흙막이벽체나 주변구조물의 안정성을 위해서 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하거나 보강 버팀대를 설치해야 하므로 공사비와 공사기간이 증가된다.

다음 [표 4]는 [표 3]의 조건으로 수치해석을 수행한 제1 실시예의 결과이다.

[표 4] 3단 선행하중만 감압시 각 CASE별 수치해석 결과

[표 4]에서 보는 바와 같이 지반이 굴착될 때 흙막이벽체의 안정성 유지를 위해 버팀대에 동일한 선행하중이 가해지기 때문에 흙막이벽체의 수평변위, 모멘트, 전단력 및 배면지반의 침하량은 선행하중의 감압에 관계없이 동일하다.

그러나 굴착이 완료된 후 버팀대를 해체할 때 CASE 2부터 CASE 5까지 수치해석 결과가 다르게 나타난 이유는, 각 버팀대의 선행하중을 순차적으로 감압시켰기 때문이다. 그 결과 각 CASE별로 흙막이벽체의 모멘트는 순차적으로 감소되었지만 선행하중을 감압시키면 흙막이벽체의 수평변위가 증가하기 때문에 배면지반의 침하는 미약하게 점점 증가하였다.

CIP 축철근량이 D29-6EA가 사용될 수 있는 흙막이벽체의 최대모멘트는 약 260 kNm/m 이므로, 버팀대가 해체될 때 CASE 2부터 CASE 4까지는 흙막이벽체의 모멘트가 309.11 kNm/m ~ 279.68 kNm/m로 CIP 축철근량이 D29-8EA가 사용돼야 안전하다.

그러나 CIP철근량이 D29-6EA로 시공됐기 때문에, 버팀대가 해체되는 구간에 위치된 흙막이벽체의 부재력이 증가되어 허용범위를 초과하더라도 흙막이벽체 자체를 보강시킬 방법이 없다. 따라서 4단 버팀대가 해체되는 구간에 위치된 흙막이벽체의 안정성을 유지시키기 위해서는 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하거나 보강버팀대를 시공하면 안정성을 유지시킬 수 있지만, 그렇게 하면 공사비와 공사기간이 증가된다.

한편, 본 예시의 현장은 3단 버팀대에 가해진 선행하중을 310에서 220으로 감압하면 CIP 축철근량이 허용치 내로 들어온다. 즉, 4단 버팀대를 해체시키기 전에 3단 버팀대에 가해진 선행하중을 90.0kN 감압하는 것으로 CIP 축철근량이 허용범위 이내인 당초 시공상태를 유지시킬 수 있다. 따라서 흙막이벽체만으로 안정성이 유지되므로 지하벽체 중간을 끊어서 시공할 필요가 없다.

상기 CASE 2에서 CASE 5까지 4단 버팀대를 해체시키기 전에 3단 버팀대에 가해진 선행하중을 순차적으로 감압시켰을 때 흙막이벽체의 수평변위는 최대 0.79mm, 배면지반의 침하는 최대 0.05mm로 작게 증가됐다. 즉, 모두 허용범위 이내에 있으므로 흙막이벽체와 주변구조물의 안정성이 유지된다.

이와 같이 3단 버팀대에 가해진 선행하중의 일부를 감압시키면 버팀대가 해체되는 구간에 위치된 흙막이벽체의 부재력이 감소되는 원인은 두 가지이다.

첫째, 버팀대에 가해진 선행하중을 감압시켜 수평변위를 허용시키면 흙막이벽체의 배면에 하중으로 작용되고 있는 수평응력이 감소된다.

둘째, 상기 수평응력의 감소만으로 흙막이벽체의 부재력이 감소되어 허용범위 내로 들어오는 것이 아니다. 3단 버팀대에 가해진 선행하중의 일부를 감압시켜 흙막이벽체의 수평변위를 허용하지만, 이는 굴착시에 가압했던 선행하중 전체를 감압시킨 것이 아니고 일부만 감압시킨 것이므로, 감압시키고 남은 선행하중이 수평응력의 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트를 감소시키기 때문이다.

정리하면, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 상기의 두 가지 효과에 의해 흙막이벽체의 부재력이 감소되므로 시공된 CIP벽체의 철근량을 만족시킬 수 있어 버팀대 해체구간 흙막이벽체는 지간이 길어져도 다른 보강 없이 안정성을 유지할 수 있는 것이다.

한편, [표 3]에서 3단 버팀대 가해진 선행하중의 일부를 감압시켰을 때, 오직 CASE 5에서만 설계 당시의 조건을 만족시킬 수 있었다.

그러나, 흙막이벽체의 수평변위와 배면지반의 침하가 허용범위 이내이면 해체될 예정인 3단 버팀대에 가해진 선행하중을 감압시켜 감소된 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 만족하더라도 [표 5]와 같이 3단 버팀대 위에 설치된 2단 버팀대에 가해진 선행하중을 추가로 감압시킨 뒤 버팀대를 해체시키는 방법이 있다. 실제 현장에서 이러한 상황이 종종 발생한다.

여기서, 상기 3단 버팀대를 임의의 버팀대라고 한다면, 상기 임의의 버팀대에 가장 근접한 버팀대는 2단 버팀대인 것이다.

[표 5]와 같이 3단 버팀대 선행하중을 감압시킨 후 2단 버팀대의 선행하중을 추가로 감압시키면 [표 4]에서는 CASE5에서만 CIP벽체의 철근량을 만족시켰지만 [표 5]에서는 CASE4와 CASE5에서도 당초 시공되었던 CIP철근량을 만족시킬 수 있어서 다른 보강 없이 흙막이벽체만으로 안정성을 유지시킬 수 있다.

[표 5] 3단 버팀대 선행하중 감압 후 2단 버팀대 선행하중 감압시의 결과값

[표 6] 3단 선행하중 감압 후 2단 선행하중 감압시의 결과값(3단 : 250 kN/m 기준)

[표 6]의 결과, 해체 예정 버팀대 상부 버팀대 즉, 3단 버팀대의 선행하중을 작게 감압하는 것은 CIP의 부재력에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.

[표 7] 3단 선행하중 감압 후 2단 선행하중 감압시의 결과값(3단 : 220 kN/m 기준)

[표 7]의 결과 버팀대 해체예정인 3단 버팀대의 선행하중을 310에서 220으로 90 감압시킨 후 2단 버팀대를 10씩 감소시켰을 때 모두 CIP의 허용응력 내로 안정성을 유지시킬 수 있었다.

[표 8] 3단 선행하중 감압 후 2단 선행하중 감압시의 결과값(3단 : 190 kN/m 기준)

[표 8]의 결과도 [표 7]과 같이 3단 버팀대 선행하중을 310에서 190으로 120 감소시킨 상태에서 2단 버팀대 선행하중을 10씩 감소시켰을 때 모두 CIP의 허용응력 내로 안정성을 유지시킬 수 있었다. 그리고 흙막이벽체의 수평변위는 16.14에서 16.46으로 0.32 아주 미약하게 증가하였고, 배면지반의 침하는 5.85에서 5.74로 0.11 거의 증가하지 않았다. 결국, 버팀대 선행하중을 감소시켜 버팀대 해체구간 흙막이벽체만으로 안정성을 유지시켜도 흙막이벽체는 허용범위 내로 들어와 안정성이 유지되면서 주변구조물은 침하에 대해 안정한 것으로 나타났다.

일반적으로 침하에 대한 주변구조물의 안전 정도 δ/L은 [그림 6]에서와 같이 균열을 허용할 수 없는 1/500을 1차 기준치로 하고, 칸막이 벽에 첫 균열이 예상되는 한계 또는 고가 크레인의 작업곤란이 예상되는 한계인 1/300을 2차 기준치로 한다.

[그림 6] 각 변 위 δ / L (Bjerrum,1963)

이하의 1)부터 5)는 침하가장 크게 발생하는 [표 5]의 수치해석 결과치로 주변건물의 안전도를 검토하였다. 여기서 부등침하량은 기둥의 거리 6.0m로 가정하였다.

[부등침하 산출 결과]

1) CASE 1 - 0.50m 침하량 : 5.17mm

- 6.50m 침하량 : 3.65mm

- 부등침하량(기둥간 거리) : 1.52mm (6.0m)

정도 = 1.52/6000 = 1/3947 < 1/500 OK

2) CASE 2 - 0.50m 침하량 : 5.43mm

- 6.50m 침하량 : 3.93mm

- 부등침하량(기둥간 거리) : 1.50mm (6.0m)

정도 = 1.50/6000 = 1/4000 < 1/500 OK

3) CASE 3 - 0.50m 침하량 : 5.48mm

- 6.50m 침하량 : 4.17mm

- 부등침하량(기둥간 거리) : 1.31mm (6.0m)

정도 = 1.31/6000 = 1/4255 < 1/500 OK

4) CASE 4 - 0.50m 침하량 : 5.57mm

- 6.50m 침하량 : 4.42mm

- 부등침하량(기둥간 거리) : 1.15mm (6.0m)

정도 = 1.31/6000 = 1/4580 < 1/500 OK

5) CASE 5

- 0.50m 침하량 : 5.70mm

- 6.50m 침하량 : 4.66mm

- 부등침하량(기둥간 거리) : 1.04mm (6.0m)

정도 = 1.04/6000 = 1/5769 < 1/500 OK

CASE 1부터 CASE 5의 침하에 대한 수치해석 결과인 1)부터 5)에 따르면, 침하에 대한 문제 즉, 버팀대에 가해진 선행하중의 감압에 의한 흙막이벽체의 수평변위 발생으로 배면지반에 침하가 발생하여도 그 값이 작기 때문에 흙막이벽체 또는 주변구조물에 대한 안정성은 전혀 문제가 없는 것으로 나타났다.

이러한 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법을 적용하여 흙막이벽체의 안정성을 유지시키면 지하벽체 중간을 끊어서 시공하지 않아도 되므로 공사기간과 공사비가 감소된다.

이때 지하벽체 중간을 한 번 끊어서 시공하는데 소요되는 공사기간은 현장크기와 지하구조물 형태 등에 따라 다르다. 일반적으로 작은 현장은 보통 15~20일 정도가 소요되고, 큰 현장은 보통 25~30일 정도가 소요되는 것을 감소시킬 수 있다. 물론 이에 따른 공사비도 같이 감소된다.

이때 공사기간은 철근을 절단하는 시간, 철근을 연결하는 시간, 거푸집 설치시간, 콘크리트 타설시간, 콘크리트 양생시간, 양생 후 거푸집을 해체하는 시간 등을 말한다.

뿐만 아니라 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 철근을 연결할 때 추가되는 철근량, 인건비, 거푸집 사용비 등의 공사비가 줄어든다.

또한, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은 굴착할 때 사용되는 방법이 아니라 굴착완료 후 지하구조물을 축조하기 위해서 버팀대를 해체할 때 사용되는 방법이다.

한편, 본 발명의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법에서 주의 할 사항은, 흙막이벽체의 수평변위를 과도하게 허용시키면 배면지반이 느슨해져 배면지반에 침하가 크게 발생되고, 흙막이벽체의 부재력이 증가된다. 특히, 공사현장 주변의 구조물은 종류에 따라 허용침하량이 다르므로 흙막이벽체의 부재력만 허용범위를 만족해서는 안되고, 주변구조물의 안전을 위해 발생하는 침하와 동시에 허용범위를 만족해야 한다.

이를 위해서는 흙막이벽체의 안정성을 유지시키면서 굴착시 버팀대에 가압된 선행하중을 구조물의 허용범위 내에서 감압시키기 위해서는 지반거동에 따른 지중응력의 변화를 예측할 줄 알아야 하고, 현장 계측결과를 정확히 분석할 줄 알아야 한다.

이하에서는 본 발명의 제2실시 예에 따른 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법에 대하여 설명하도록 한다.

제2실시 예의 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성 유지방법은, 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 지간이 길어져 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과하게 되면 지하슬래브 상부의 해체될 예정 버팀대 즉, 흙막이벽체의 부재력이 허용범위를 초과하는 흙막이벽체 구간의 버팀대에 가해진 선행하중을 순차적으로 감압하여 흙막이벽체의 수평변위를 허용시키면 [그림 1]과 같이 주동토압계수가 작아져 수평응력이 감소된 상태에서 1차적으로 선행하중의 일부를 감압한 상부에 위치된 버팀대, 즉 해체 예정 상부 버팀대에 가장 근접한 버팀대에는 감압시키고 남은 선행하중이 흙막이벽체에 작용하고 있는 수평응력과 반대방향으로 작용하여 흙막이벽체의 모멘트를 감소시키므로 부재력이 허용범위 내가 된다.

따라서 본 실시 예의 흙막이공사현장의 안정성 유지방법은 버팀대가 해체되는 구간에 위치된 흙막이벽체의 지간이 길어지더라도 흙막이벽체만으로 안정성을 유지시킬 수 있기 때문에 지하벽체의 중간을 끊어서 시공하거나 보강버팀대를 추가로 설치시키지 않더라도 흙막이벽체와 주변구조물의 안정성을 유지시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (2)

1. 선행하중이 작용하는 버팀대가 상부부터 하부까지 복수개 설치된 흙막이벽체의 강성과 지반굴착시 발생되는 상기 흙막이벽체의 부재력과 수평변위의 해석 값을 도출하는 단계;
   해체 예정 버팀대의 해체시 상기 흙막이벽체의 지간이 길어짐에 따라 증가될 상기 흙막이벽체의 부재력과 수평변위의 값을 도출하는 단계;
   상기 해체 예정 버팀대 해체시 증가될 상기 흙막이벽체의 부재력과 수평변위의 값을 상기 해석 값과 비교하고, 허용범위 이내임을 확인하는 단계;
   상기 해체 예정 버팀대 상부에 위치하며 선행하중을 감압시킬 버팀대와, 선행하중의 감압 크기를 결정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 버팀대 해체구간 흙막이벽체의 안정성을 위한 선행하중의 감압크기를 결정하는 수치해석 방법
   
2. 선행하중이 작용하는 버팀대가 상부부터 하부까지 복수개 설치된 흙막이벽체의 수치해석 결과를 도출하는 단계;
   지중수평변위계와 버팀대 축력계의 계측 결과치를 도출하는 단계;
   상기 수치해석 결과와 상기 계측 결과치를 비교하고, 상기 계측 결과치를 수치해석으로 역해석하여 허용범위 이내에서, 상기 복수개 버팀대 중 해체 예정 버팀대의 상부에 위치하며 선행하중을 감압시킬 상부 버팀대와, 상기 상부 버팀대에 가해진 선행하중의 감압크기를 결정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 흙막이벽체의 수치해석으로 선행하중의 감압크기를 결정하는 방법.

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