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공종:건축공사:토공및흙막이:흙막이가시설:흙막이벽체

흙막이벽체

개요

최근에 터파기 현장의 굴착심도가 깊어지면서 굴착에 따른 문제점들이 많이 발생하게 된다. 지반굴착시의 주된 관심사항이 흙막이 벽체의 안전에서 주변지반, 구조물 및 인근에 거주하는 주민들에게 미치는 영향까지 고려해야 함에 따라 도심지에서 공사를 하게 되는 경우는 이러한 문제점들에 대한 중요성이 더욱 증대되고 있으며, 이에 대한 유의사항들을 아래에 정리하여 실무에 도움이 될 수 있기를 기대해 본다.

흙막이 벽체의 종류 및 개요

구분 H-PILE + 토류판 C.I.P S.C.W SHEET PILE
개요 - 단축오거 또는 T-4 장비로 천공
- H-PILE삽입
- 단계별로 굴착하면서 토류판설치
- Cast In Place Pile
- 시추기로 천공
- 철근 및 H-PILE 삽입 후 콘리트타설
- Soil Cement Wall
- 3축 오거로 천공
- H-PILE을 보강재로 삽입 토류벽 형성
- 강널말뚝으로 설치하여 차수벽과 토류벽의 역할을 동시에 하는 공법
장점 - 공사비 저렴
- 소음, 진동 영향
- 자재 재사용 가능
- 시공이 간단
- 벽체강성이 높음
- 불규칙한 평면형에 적응성 좋음
- 별도차수 필요 없음
- 토사유실 매우 적음
- 공기가 짧음
- 특별한 시공장비가 불필요하며 수밀성 높음
- 대규모 공사에 적용성이 좋음
단점 - 차수성 벽체시 별도의 차수 필요
- 벽체 변형 큼
- 토류판과 지반 여굴로 주변지반 침하 우려
- 기둥간 연결성 불량 및 수직도 문제로 보조차수 필요
- 암층은 공기 길어짐
- 강재회수 불가
- 자갈,암층 시공곤란
- H-PILE 사장
- 벽체로 이용불가
- 철저한 시공관리 필요
- 항타로 인한 소음 발생
- 연결부가 이탈할 경우 상당히 곤란
- 자갈,암층 시공곤란
- Water Jet를 병행할 경우 공사비 고가
시공순서 1. 천공
2. 케이싱 설치
3. H-PILE 설치
4. 토류판 설치
1. 천공
2. 케이싱 설치
3. 철근 설치
4. 자갈주입 타설
5. 시멘트페이스트 주입
6.케이싱 해체
1. 3축 오거천공
2. 안정제 주입 혼합 교반
3. H-PILE 삽입
1. Sheet Pile(직타)
2. 불가능 시는 천공 후 삽입
안전 강성체로서의 토류판 역할을 할 수 있다 주열식 강성체로서의 토류벽 역할을 충분히 할 수 있다 연속벽체 차수 및 토류벽의 2중 역할을 충분히 할 수 있다 연속벽체 강성체로서 토류벽 역할을 충분히 할 수 있다
차수 지하수위가 있는 지반에서는 별도의 차수공법의 적용이 필요함 공과 공사이의 연결부에 누수현상발생 가능성이 있어 공과 공 사이에 누수 방지용 보조 Grout를 시행 벽체가 10cm 중첩하여 시공되므로 벽체의 차수효과가 양호함 접촉부의 수밀성이 우월해 차수효과가 큼
장비 20TON CRANE
T-4
Vibro Hammer
보링기(또는 T-4) 80P Pile Driver
Cement Silo
안정제 Plant
30Ton Crane
Vibro Hammer

흙막이 시공 시 유의사항

줄파기

사업계획 시 매설물 조사를 실시하나 미발견 또는 도서상의 누락이 발생될 수 있으므로 굴착 전 흙막이 벽체 매설물 위치를 파악하기 위해 반드시 인력으로 1.5m 이상 또는 지하매설물 심도 이상을 굴착하여 확인할 필요가 있다

굴토

  • 기존 굴토 공사현장에 인접하여 굴토공사를 실시하는 경우 인접지역의 지보공 해체가 시기적으로 빠르고 되메우기가 불량하다면 변형에 따른 붕괴가 발생할 수 있다.
  • 굴착면에서 Boiling, Heaving등이 발생하지 않는지 확인해야 한다.
  • 단계별로 정해진 심도 이상으로 굴착하지 않아야 한다.
  • 사례에 의하면 과굴착으로 인하여 정상 수평변위의 3배 이상 수평변위가 발생할 수 있다고 한다. 따라서, 과굴착은 피하고 불가피한 경우 흙막이 벽의 변위와 지반침하에 대한 검토가 필요하다. 조사위치 선정은 지형특성을 고려하여 현장답사 후 계획 부지상에 조사지점 선정
  • 굴착 후 지지구조물이 설치되기 전 흙막이 벽체의 강성과 전면에 형성된 소단에 의해 안정성이 좌우된다. 특히, 굴착지반이 느슨하거나 연약한 경우 소단의 역할은 상당히 중요한데, 일반적인 토사층에서는 1:1 이상을 유지하는 것이 바람직하다.
  • 굴토면적이 넓은 경우에는 소단을 설치할 수 있으나, 이 경우에도 소단 상단의 폭은 과굴착 심도의 3배 이상이어야 한다.
  • 토류시설 없이 굴토면을 장기간 방치해서는 안 된다. 건축계획의 변경이나 배면 지반보강공사 등으로 장기간 방치해야 할 필요가 있을 때는 최 하단 지보공 이하 일정부분을 다시 되메우거나 별도의 지보공을 설치해야 한다.
  • 연약 점토지반의 굴착 시 굴착저면의 융기, 흙막이벽의 변형 및 주변지반 침하, 흙막이벽의 붕괴를 일으킬 수 있는 Heaving 에 대한 검토가 필요하다.
  • 사질지반의 굴착 시 침투류로 인한 Boiling 및 Piping 현상에 대한 검토가 필요하다.
  • 피압대수층에서 굴착 시 굴착면 하부에 점토층이 있고 그 하부에 대수층(모래층 또는 자갈층)이 있을 때에는 대수층내의 수압으로 인한 지반의 융기에 대한 검토가 필요하다.

되메우기

지하층 외벽과 흙막이 벽체 사이 공간에 되메우기를 시행할 경우 양질의 토사로 층다짐을 실시하여 침하요인을 최대한 배제시켜야 한다. 도심지 굴착공사의 경우 되메우기 공간이 부족하여 지표면에서 일반투기(dumping)형태로 되메우기 하면 장기적으로 침하가 발생할 수 있다. 되메우기를 시행할 간격 폭이 1.0m 이내일 때는 다짐이 곤란하므로 사질토를 사용하고 물다짐을 하거나 Soil Cement를 사용할 수 있다.

토류벽

H-PILE + 토류판

흙막이가시설037.jpg 흙막이가시설038.jpg

  • H-PILE
    • 이음은 Full strength welding으로 소정면적을 확보할 수 있어야 한다.
    • 전면 flange에 일정간격으로 심도를 표시하여 근입 정도를 지표면에서 확인할 수 있어야 한다.
    • 간격과 정열 상태는 설계도서상의 기준과 일치하는지 확인해야 하고 수직도는 1/200이하로 되는가 확인하여야 한다.
    • 설치 시 인접지반 시설물에 피해가 발생하지는 않는지 확인해야 한다.
    • 천공 후 엄지말뚝을 삽입하는 경우에는 엄지말뚝 주변에 Cement mortar나 콘크리트로 충진시킨다.
    • 되메우기 후 말뚝 철거 시에는 말뚝을 뺀 후 공극은 조속히 양질의 토사로 되메우기를 실시하여 함몰과 이로 인한 주변의 침하를 방지하여야 한다.
  • 토류판
    • 소요휨강도 시험, 옹이 등 취약부 형성상태, 뒷채움 재료 및 다짐상태를 확인해야 한다.(양질의 토사로 채운 후 다짐하거나, Soil cement로 채움)
    • 암반층의 뒷채움 시 배면지반과 밀착도(Shotcrete등 적용)를 고려하여 토류판 사이로 토사가 유출되지 않도록 밀착시켜야 한다.
    • 과응력 발생시 토류판 간을 브레이싱으로 보강해야 한다.
    • 일부 암구간에서는 감리자의 판단에 따라(암반의 절리방향 등 확인) 토류판을 생략할 수 있다.

Sheet Pile

흙막이가시설039.jpg

  • 부재의 강성이 적어서 변형이 커지는 경향이 있으므로 주변에 구조물이 있는 경우와 연약지반에 서는 변형과 주변지반 침하에 대한 검토가 필요하다. 또한, 시공 시 Pile연결부의 벌어짐으로 인해 차수효과가 떨어질 수 있으며, 강성의 증대를 위한 Box Type 선정 시 작업의 난이성을 고려해야 한다.
  • 시가지에서 시공 시 타입에 의한 시공은 소음, 진동에 의한 문제를 야기하므로 최근에 시공되고 있는 무진동 유압장비에 의한 시공이 바람직하다.
  • 자갈, 전석층 또는 암반 Sheet Pile 공법 채택 시에는 특수한 시공방법이 필요하므로 공기 및 시공방법에 대한 검토가 필요하다.
  • 주변에 주요 구조물이 위치할 경우에 Pile을 현장에 그대로 매설해 버리는 경우는 문제가 없으나 Pile을 인발할 경우에는 지반 내부 Pile 용적에 상응하는 공극이 형성되고 주변지반의 변위가 발생하게 되므로 주의를 요한다.
  • 소요의 근입 깊이까지 관입가능 여부에 대한 철저한 검토가 선행되어야 한다.

C.I.P 공법

  • 천공 시 수직도 유지대책이 필요(수평거치 Guide Wall/15m이내 시공)하다.
  • 잡석채움 후 그라우팅 시 하부슬라임이 완전 배출될 수 있도록 Overflow 확인한다.
  • 연결부가 중첩되지 않으므로 보조 그라우팅(L.W)을 C.I.P사이에 시공하여 연결효과를 증대시킬 수 있다.
  • 장비의 능력과 공법의 특성으로 최대 가능심도는 15m이내로 하는 것이 연직도와 품질관리 면에서 적당하고 일반적인 장비에 의한 시공가능 토층은 풍화암 정도이며, T-4 장비를 이용한 천공은 토층에 제약을 받지 않으나 말뚝과 말뚝의 연결성에 대한 문제가 있으므로 특별한 주의를 요한다.
  • 토사층의 C.I.P공법 적용과 암반층의 H-PILE+토류판공법을 적용할 경우 경계부근이 가장 취약한 상태로 될 수 있으므로 공법적용의 경계구간에서 주입몰탈, 자갈이 규격 및 혼합비가 특히 적정하도록 한다. 만약, C.I.P선단부에 재료 분리가 있을 시는 강판, 앵글 등으로 보강시킨다.

▶ 시공순서

흙막이가시설040.jpg

S.C.W 공법

  • 개요
    원위치의 토사를 골재로 간주하여 물-시멘트비가 100%를 넘는 시멘트밀크를 주입하여 지반을 혼합•교반 함으로써 토류벽이나 차수벽을 형성시키는 공법
  • 공법특징
    구 분 내 용 비 고
    장 점 - 굴착식으로 소음, 진동이 거의 없고 원위치 토사를 골재로 이용함으로써 발생 이토가 적어서 경제적임
    - 수직 정도가 높아서 차수성이 우수하며 강성이 커서 굴착 시 주변에 미치는 영향이 적다.
    - 암반까지도 굴착이 가능하다.
    단 점 - 전석이나 자갈의 직경이 오거 직경보다 큰 경우 시공이 어려워지며 정확도도 떨어짐
  • 시공순서
    • 장비 거치 : 천공할 위치에 장비를 고정시킴
    • 1차 교반 : 천공을 하면서 굴진안정제를 주입하여 지반을 1차 혼합•교반
    • 2차 교반 : 오거를 인발하면서 일반 안정제를 주입하여 지반을 2차 혼합•교반
    • 3차 교반 : 오거로 재천공하면서 지반을 3차 혼합•교반
    • 4차 교반 : 지반을 4차 혼합•교반시키며 오거를 인발하면 SCW 완성
  • 적용범위
    • 지하굴착 가시설용
    • 차수벽 및 누수방지용
    • 연약지반 개량
    • 항만, 하천 구조물의 세굴 방지용
    • 응력재를 삽입하여 다목적용으로 이용 가능
    • 토류벽
    • 구조물 기초 보강
    • 해안 매립지 침수 방지벽
  • 품질관리
    • 전석층이 분포한 조건에서는 삼축오거 사용이 어려워 일축오거로 반복 천공할 필요가 있다.
    • Soil Cement의 강도에 대해서는 원위치의 시료를 채취하여 강도시험을 실시토록 하며, 시험은 개략 500m2마다 실시한다.
    • H-Pile 설치 시 수직도를 유지해야 한다.(2열 Guide Beam 설치) 시공길이가 길어지면 수직도에 대한 시공관리를 철저히 해야하며, 굴착공사 중에 시공편차로 인한 벌어짐이 발생하였을 때는 배면에 J.S.P등으로 보완하여야 한다.만약 건물내부로 편심되어 건축공간이 부족할 때에는 배면에 J.S.P등으로 보완한 후 깎아낸다.
    • 이미 굴착이 진행되었을 때는 토류판을 끼우거나 인접한 엄지말뚝(응력 부담재) 사이를 철판으로 붙이고 콘크리트로 채움하는 등의 보완대책이 요망된다.
    • 선단부에 슬라임이 잔류하지 않도록 교반 횟수와 시멘트 주입량을 증가시킨다.
    • 시공장비가 대형이고 높이는 약 35m에 이르므로 충분한 여유공간이 있어야 한다. 지반이 경사진 경우는 수직도의 유지가 어려우므로 지반을 수평하게 정지해야 한다. 최대 시공가능 심도는 약 27m 정도이다.

보일링 검토

개요

  • 투수성이 좋은 사질지반에서 흙막이벽의 배면 지하수위와 굴착저면과의 수위차에 의해, 굴착저면을 통하여 모래와 물이 부풀어 오르는 현상을 말한다.
  • 모래입자가 부력을 받아 저면 모래지반의 지지력이 감소(수동토압 감소)되어, 흙막이벽이 밀려나게 된다.

발생원인

  • 흙막이의 근입장 길이가 부족할 때
  • 흙막이벽의 배면 지하수위와 굴착저면과의 수위 차가 클 때
  • 굴착하부 지반에 투수성이 큰 모래층이 있을 때

방지대책

  • 흙막이의 밑둥을 깊이 박는다.
  • 흙막이의 근입장을 불투수층까지 박는다.
  • Deep well 공법, well point 공법 등에 의해 지하수위를 저하시킨다.
  • Sheet pile 등의 수밀성 있는 흙막이를 설치한다.
  • 약액주입공법에 의해 지수벽 또는 지수층을 형성한다.

BOILING 검토

Boiling에 대한 안전검토(검토조건)

  • 지반조건
    토 층 포화단위중량
    γsat (t/㎥)
    수중단위중량
    γsub (t/㎥)
    내부마찰각
    Ø (°)
    퇴 적 토 1.8 0.8 20
  • 굴착완료 후 지하수위는 G.L.(-)7.50m에 위치하는 것으로 가정
  • 검토단면
    흙막이가시설042.jpg

Boiling에 대한 안정검토 방법

1. Terzaghi의 방법

흙막이가시설043.jpg

  • Boiling에 관한 안전율
    F_s~=~W/U~=~{gamma prime D_2}/{gamma_w h_a} ( ≥1.5 )
    • 여기서, W : 양 압력에 저항하는 토체의 중량 (ton/m)
    • U : 차수벽 하단에 작용하는 과잉간극수압 (ton/m)
    • γ' : 지반의 수중단위중량
    • γw: 물의 단위중량 (ton/m3)
    • ha : 차수벽 하단의 평균 과잉간극수압 (ton/m2)
  • 근사적으로 ha = hw / 2 로 간주할 수 있으므로 차수벽의 근입심도 D2는 다음과 같다.
    D_2 ~ >= ~ {F_s ⋅ gamma_w ⋅ h_w} / {2 gamma prime}
2. 한계 동수구배에 의한 방법

흙막이가시설047.jpg

  • Boiling에 관한 안전율
    F_s~=~i_c / i ( >=1.5 )
    • 여기서, ic : 한계 동수구배 = {G_s - 1}/{1 + e} ~=~ {gamma prime} / gamma_w
    • Gs: 토립자의 비중
    • e : 흙의 간극비
    • i : 동수구배 = h_w/{D_1+2D_2}
  • 따라서 차수벽의 근입심도 D2는 다음과 같다.
    D_2 ~>=~ h_w/2 ({F_s ⋅ gamma_w}/{gamma prime} - 1)

Boiling에 대한 안정해석 결과

Terzaghi의 방법
  • Fs = 1.5 적용
  • D2 ≥ (1.5 x 1.0 x 6.0) / (2 x 0.8) = 5.625 m
  • 설계근입장(11.0m) ≥ 5.625 m ——–> O.K.
한계 동수구배에 의한 방법
  • Fs = 1.5 적용
  • D2 ≥ (6.0 / 2) x (1.5 x 1.0 / 0.8 - 1) = 2.625 m
  • 설계근입장(11.0m) ≥ 2.625 m ——–> O.K.

※ 검토결과 S.C.W 차수벽체의 근입깊이를 11m로 시공 시 두 가지 Boiling 검토방법에 대하여 안전할 것으로 판단된다. 그러나 S.C.W 시공 장비의 천공한계 및 차수벽체의 균열 등에서 발생하는 누수 등으로 예상하지 못했던 Boiling이 발생할 수 있으므로 차수벽체(S.C.W)의 시공에 각별히 유의해야 한다.

히빙(Heaving)

개요

연약점토지반의 굴착 시 흙막이벽 내외의 흙이 중량 차이에 의해서 굴착저면 흙이 지지력을 잃고 붕괴되어 흙막이 바깥에 있는 흙이 안으로 밀려 굴착저면이 부풀어 오르는 현상을 말한다. Heaving현상은 흙막이의 전면적 파괴 및 주변지반의 침하를 일으키므로, 굴착 시에 세심한 주의를 요한다.

발생원인

  • 흙막이벽의 근입장 부족
  • 흙막이벽 내외의 흙이 중량 차이가 클 때

방지대책

  • 흙막이의 근입장을 경질지반까지 박는다
  • 부분굴착을 하여 굴착지반의 안전성을 높인다.
  • 아일랜드 컷 공법을 채용해서 흙막이벽 전면에 중량을 부여한다.
  • 약액주입공법, 동결공법 등으로 굴착저면을 고결시킨다.
  • 강성이 큰 흙막이를 사용한다.
  • 흙막이벽 배면 어스앙카를 시공한다.

HEAVING 검토

흙막이가시설054.jpg

안정검토방법

Heaving에 대한 안정검토 방법은 여러 가지가 있으나 2가지로 대별할 수 있다.

첫째는 지지력식에 입각한 검토방법으로 Terzaghi-Peck의 방법, Tschebotarioff의 방법, Bjerrum-Eide의 방법이며, 둘째는 모멘트 균형에 대한 검토방법으로 일본 건축 기초구조 설계기준 등이 있다. 이들에 관한 중요한 검토식을 요약하면 다음 표 1 과 같다.

표 1 Heaving 검토식의 비교

식의 종류 깊이에 대해서
흙의 비배수 전단강도 Su를
일정하게 한 경우
Heaving에 대한 안정수
F = 1.0
H/B, B/L→0
D > B
F : 각 식의 제안치
H/B : 0.5~2.0
D>B : (보통지반의 굴착)
Terzaghi & Peck {gamma_t~·~H}/S_m~=~5.7/F ~+~ sqrt{2H}/B 5.7 4.5 ~ 6.63
(F = 1.5)
Tschebotarioff의식
(국내설계기준)
{gamma_t~·~H}/S_m~=~5.14/F ~+~ H/B
(L/B>2)
5.14 3.07 ~ 4.57
(F = 2.0)
구규준식 {gamma_t~·~H}/S_m~=~6.28/F 6.28 5.23
(F = 1.2)
수 정 식 {gamma_t~·~H}/S_m~=~1/F(pi + 2a) 4.28
(a~=~pi/5)
4.4 ~ 5.1
(F = 1.2)
Peck의 식 {gamma_t~·~H}/S_m~=~N_b 5.14 6.5 ~ 7.5
Finn의 식 {gamma_t~·~H}/S_m~≒~10 1.0 10
(F = 1.2)

주)점토층은 상당한 깊이까지 균일한 상태로 퇴적된 것으로 한다. 또한, 굴착지반 흙의 전단강도와 굴착깊이와의 관계로서 굴착의 안정수(Stability Number)를 적용하도록 제안하였으며, 그 한계치를 6.5 ~ 7.5로 하였다.

N_s ~=~ {gamma ~·~ H}/C

  • Ns : 굴착의 안정수
  • γ : 흙의 단위체적중량
  • H : 굴착깊이
  • C :흙의 점착력

굴착의 안정수가 4이하이면 거의 한계자립고 이내에서 굴착주변의 지반은 안정하고 있지만, 4를 넘으면 굴착 배면토의 저부 부근에 소성영역이 발생한다. 안정수 Ns가 더욱 커지면 굴착배면의 파괴면과 저부의 파괴면이 합류하여 결국에는 Heaving 파괴를 일으키게 되지만 그 상태에는 근접한 만큼 토압도 커진다고 생각할 수 있다. 위와 같은 검토방법은 굴착 지반조건이 상부와 저면이 균질한 경우 고려될 수 있다.

그러나, 만일 굴착저면이 상부면 보다 연약하다면 굴착진행에 따라 배면 토류벽에는 유동토압이 발생될 수 있고 이 경우 Heaving에 대한 안정성 검토는 보다 엄밀하게 이루어져야 할 것이다.

안정검토방법(실례)

Heaving의 검토방법 중 몇 가지를 살펴보면 다음과 같다.

1. 일본 건축학회 수정식(그림 2참조)

F ~=~ M_r/M_d ~=~ X prime int{0}{pi/{2+a}}{S_u(X prime d Theta)} ~>=~ 1.2a ~<=~ pi/2

터파기 바닥면 아래 상당한 깊이까지 지층이 일정하다고 생각될 경우에는

F ~=~ M_r/M_d ~=~ {X prime (pi/2 ~+~ a) ~*~ X prime ~*~ S_u}/{(gamma_t H ~+~ q) ~*~ X prime ~*~ {X prime}/2} ~=~ {(pi ~+~ 2a) ~*~ S_u}/{gamma_t H ~+~ q} ~>=~ 1.2

F ~=~ M_r/M_d ~=~ {2pi S_u}/{gamma _t ~⋅~ H ~+~ q} ~>=~ 1.2

그림2
  • Mr : 저항 모멘트(t․m/m)
  • Md : 회전 모멘트(t․m/m)
  • F : 안전율
  • Su : 굴착저면 하부의 지반전단강도(t/m2)
  • W : (γt H + q) × X'(t․m)
  • H : 굴착깊이(m)
  • q : 지표면에 작용하는 등분하중(t/m2)
  • X', a : 그림 2참조

F ~=~ {2 ~*~ 3.14 ~*~ 2.5}/{1.7 ~*~ 6.0 ~+~ 1.0} ~≒~ 1.40 ~>~ 1.2 → O.K

토류벽 밑을 통과하는 미끄럼

F_s ~=~ M_r/M_d ~=~ {2c~·~Theta}/{gamma~·~H ~+~ q} ~=~ {2 ~*~ 2.5 ~*~ {163}/{360} ~*~ 2 pi}/{1.7 ~*~ 6.0 ~+~ 1} ~=~ 1.27 ~>=~ 1.2 → O.K

이상의 검토결과 HEAVING 에 대해서는 안전하다고 판단됨.

공종/건축공사/토공및흙막이/흙막이가시설/흙막이벽체.txt · 마지막으로 수정됨: 2016/05/31 12:43 저자 bluetree