1. 서 론

최근 도심지 건축물들의 대형화, 초고층화 추세에 따라 지하굴착공사의 규모도 대형화, 대심도화 되고 있다. 특히, 도심지에서의 수직굴착공사는 인접 건물과 근접한 위치에서 이루어지는 경우가 많고 그로 인해 지하수 저하, 지반함몰(싱크홀 등)의 발생 위험과 발생 시 예상되는 피해 규모도 크게 증가하고 있다. 또한, 대심도 굴착 시에는 지반을 지지하는 흙막이 구조물에 작용하는 토압과 수압의 크기가 커져 벽체 변위의 충분한 억제와 차수를 통한 지반 안정성 확보가 매우 중요한 문제가 된다.

현재 국내에서는 깊은 굴착 시 흙막이 공법으로 지하연속벽(Diaphragm Wall)이나 주열식 말뚝 벽체인 Soil Cement Wall(SCW), Cast-In-place Pile(CIP) 공법 등이 많이 사용되고 있다. 지하연속벽 공법은 굴착 부분에 벤토나이트 안정액(Bentonite Slurry)을 채워넣고 지중에 연속된 철근 콘크리트 벽을 형성하는 현장타설말뚝 공법으로 대부분의 지반에 시공이 가능하고 다른 흙막이 구조물에 비해 벽체의 강성이 매우 크고 내수성이 높다는 장점 때문에 대심도 수직굴착현장에서 가장 많이 적용되고 있다(Noh et al., 2011). 그러나, 벤토나이트 안정액을 사용하여 지반을 굴착하기 때문에 굴착토와 분리가 곤란하고 굴착토 분리를 위해서 추가적으로 침전설비 및 기계적 설비가 요구된다는 점과 일반적으로 굴착에 사용되는 고가의 장비 등으로 공사비가 비교적 높고 협소한 현장에서는 시공이 어렵다는 단점이 있다. 한편, SCW 공법은 지중 토사에 시멘트 용액을 주입 혼합, 연속벽을 조성하여 지수벽(Cut-off wall) 역할과 동시에 횡방향 저항력 증대를 위해 벽체 내에 H-Pile을 삽입하여 주열식 말뚝으로 벽체를 형성하는 공법으로 연속성이 높은 일체 타원 구조물로 형성되기 때문에 차수성이 뛰어나고 삼축 오거에 의한 시공으로 공기의 단축을 꾀할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 상대적으로 강성이 크지 않아 적용 굴착 심도에 제약이 큰 점이 단점이라 할 수 있다. 반면, CIP 공법은 계획심도까지 Steel Casing을 삽입함과 동시에 Casing 내부의 토사를 완전히 천공하고, 철근망 또는 H-Pile을 근입한 뒤 콘크리트를 타설하여 주열형태의 콘크리트 말뚝을 형성하는 공법(Jang et al., 2012)으로 SCW보다는 강성이 커 지반 변위 억제에 효과적이다. 그러나, 말뚝 시공시 수직도를 유지하지 못할 경우 말뚝 간 틈새를 따른 누수 위험이 있고 굴착 심도가 커질 경우 배면 그라우팅으로도 차수가 어렵게 되는 단점이 있다. CIP의 이러한 단점을 보완할 수 있는 유사한 주열말뚝공법으로 미국이나 유럽 등 해외에서 주로 사용되는 겹침주열말뚝(Secant Pile Wall, SPW) 공법이 있다. 이는 현장타설 콘크리트를 이용하여 1차말뚝(primary pile)과 1차말뚝을 절삭하여 시공하는 2차말뚝(secondary pile)을 번갈아 설치하여 강성토류벽을 형성하는 공법인데, CIP와 다른 점은 시공 후 단면이 1차와 2차 말뚝 간 겹침 구간의 존재로 SCW와 같이 연속성이 높은 단면이 되어 차수성이 크게 증대한다는 점이다. 이 때 1차 말뚝은 10∼20MPa의 무근콘크리트, 2차 말뚝은 35MPa 이상의 철근콘크리트를 주로 사용하여 2차 말뚝 설치를 위한 1차 말뚝의 절삭이 용이하게 하며, 강성이 커 시공 중에는 가시설벽체로, 그리고 시공 후에는 내부벽체와 결합하여 영구벽체로 사용하기도 한다(Won et al., 2016).

위에 기술한 흙막이 공법 중 강성 주열벽체의 단면 성능(휨 강도, 차수성 등)이나 기존 공법을 개선하기 위한 연구로 최근에는 주로 CIP를 대상으로 한 연구가 많았으며, 그 중 Lee(2012)는 CIP 단면의 휨 강도 시험 결과를 기반으로 새로운 단면 설계 방법을 제시하고 휨 강도 산정 시 변형률 적합법을 사용한 구조설계기준을 적용할 것을 권고하였다. 또한, Sim et al.(2008)은 홈형 강관파일과 가이드바가 부착된 천공기를 이용한 주열식 흙막이벽체 형성기술(EJ-Pile ; Excellent-Joint Pile)을 제시하며 기존 CIP 벽체에 추가적인 차수 대책이 불필요한 개량형 CIP 공법을 선보였다. 해당 연구에서는 EJ-Pile 부재에 대하여 휨 강도 및 모형토조 내 가압실험을 수행하여 현장 적용성과 안정성 등을 평가하였다. 또한, 개량형 CIP 공법에 대하여 Jang et al.(2012)은 실내 실험과 수치해석을 통하여 차수성 향상과 휨 강성 증대 효과를 확인하였다. 그리고, Noh et al.(2011)은 CIP 공법의 가장 큰 문제점인 개별 말뚝의 독립 시공으로 인한 수직도 불량 및 이로 인한 연속성 확보의 문제를 개선하고자 특수 제작한 케이싱을 이용하여 4∼5공을 연속해서 천공한 후 동시에 일체 타설함으로 연속된 하나의 판넬을 형성시키는 Uni-wall 공법을 활용한 지하 영구벽체(Permanent Uni-wall System, PUS)의 전단성능을 평가하는 연구를 수행하였고, 상세 해석을 통하여 효율적으로 구조시스템을 결정할 수 있을 것으로 판단하였다. Hong(2012)은 PUS 공법에 의하여 형성되는 원형케이싱과 특수케이싱의 단위 단면에 대한 휨 성능을 평가하고자 실험 및 해석적 연구를 진행하고 PUS 단위 단면의 종류에 따른 효율적인 휨 강도 및 단면 설계 방법을 제시하였다. 한편, SCW 공법 개선에 관한 최근 연구로는 Chung and Na(2017)이 강성을 증대시키기 위해 기존 SCW 벽체 내부에 이형철근망이 배치된 MSRC(Modular Steel-plates Reinforced Concrete) 강재 블록을 삽입하고 블록 내부에 콘크리트를 주입하여 시공하는 개량형 SCW 벽체에 대해 휨 성능 연구를 수행한 바 있다. 요약하면, 주열말뚝벽체에 관하여 기존 공법별로 각각 벽체의 강성이나 차수성이 부족한 단점을 보완하기 위한 개량 벽체에 관하여 최근의 연구들이 진행되어 왔음을 확인 할 수 있다. 그러나, 현재까지 주열말뚝타입으로 대심도 적용이 용이한 고강성의 벽체인 동시에 별도의 차수대책도 필요 없는 흙막이 벽체에 대한 연구는 부족한 편이며, 아직 연구가 많이 필요한 상황이다.

본 연구에서는 30m 이상의 대심도에 적용 가능한 고강성의 주열말뚝으로서 연속성 확보로 동시에 차수벽이 되는 흙막이 벽체의 개발을 목표로 현재 연구개발 중인 2열 겹침말뚝벽체에 대하여 벽체의 단면 구조에 따른 휨 강성 분석을 이론적 검토와 수치해석을 통하여 수행하였다.

2. 2열 겹침말뚝벽체 공법

2.1 공법 개요

Fig. 1(a)∼(c)에 보는 바와 같이, 2열 겹침말뚝벽체는 현재 개발 중에 있는 다축 오거(multi-axis auger)를 이용해 지반을 굴착 후 콘크리트를 타설, 양생하여 조성되는 벽체를 의미하며, 이 때 벽체의 단면은 주열말뚝이 지그재그식(Zigzag type)으로 2열로 되어 있는 형태가 된다. 이 때 말뚝 간 겹침부의 크기는 오거 축 간의 거리에 따라 달라질 수 있으며, 오거 간 날개의 겹침 폭이 최대가 되는 조건에서 조성된 말뚝 간 겹침부 크기가 최대가 되게 된다. 오거의 축 수는 2축 혹은 4축이 될 수 있고 또한, 오거 굴착과 동시에 오거 축 내부를 통해 보강재를 삽입할 수 있도록 함으로써 다공 굴착과 보강재 동시 시공을 통해 벽체 조성 속도를 더욱 높일 수 있도록 계획하고 있다. Fig. 1(c)는 오거 개당 508강관에 150mm 날개를 부착해 만든 4축 오거와 말뚝 개당 51mm 이형철근을 보강재로 사용해 1회 오거 굴착에 의해 시공된 단면 구조를 예시로 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Two-row overlap pile wall (Multi-axis Auger Pile (MAP) wall) method

벽체 단면은 말뚝 겹침부의 크기를 어떻게 할 것인지, 또는 어떠한 종류의 보강재를 사용할 것인지 결정되어야 그에 적합한 오거를 제작할 수 있고, 무엇보다 단면 구성과 형태에 따라 달라지는 강성의 크기를 결정할 수 있게 된다. 이미 밝힌 바와 같이 현재 개발을 목표로 하고 있는 위 공법은 현재 개념 정립 단계를 거쳐 시공 벽체의 적절한 단면 조건을 결정하는 단계로서 본 연구는 그러한 개발 과정의 일환으로 벽체의 단면 조건에 따른 휨 강성을 비교, 분석한 연구이다.

3. 해석 방법

본 연구에서는 2열 겹침말뚝벽체의 최적 단면을 결정하는데 필요한 기초 데이터를 확보할 목적으로 여러 조건으로 가능한 시공 단면에 대하여 이론적 방법과 수치해석적 방법을 통해 각각의 휨 강성 특성을 조사하고, 이를 기존의 전형적인 CIP 및 SPW 단면의 휨 강성과 비교, 분석하였다. 검토된 2열 겹침말뚝의 단면 조건은 말뚝 간 겹침부의 크기와 보강재 종류, 그리고 보강재 개수에 따라 구분하여 각각의 영향을 조사하고자 하였다.

3.1 이론적 검토

이론적 방법에 의한 벽체 단면의 휨 강성은 검토 단면별로 산정한 단면2차모멘트와 탄성계수를 이용하여 아래 기술한 방법과 같이 도출하였다.

우선, 임의의 단면에 대해 축에 대한 단면의 도심() 및 단면2차모멘트()는 다음 적분식 (1), (2)와 같이 정의된다.

  (1)

 (2)

여기서, : 단면의 면적, : 단면의 미분 요소 의 축 좌표

또한, 평면상에 있는 임의의 축에 대한 단면2차모멘트 계산은 Fig. 2와 같이 임의의 축과 평행한 도심축과의 거리 관계를 이용한 평행축정리(Parallel-Axis Theorem)를 사용하여 다음 식 (3)과 같이 정의할 수 있다(Gere and Goodno, 2013).

 (3)

Fig. 2.

Definition of second moment of area and parallel axis theorem

여기서, : 축에 대한 단면2차모멘트, : 축으로부터 평행축(축)까지의 거리

위의 원리에 따라 계산된 단면2차모멘트를 이용하여 철근콘크리트 부재 단면의 휨 강성은 다음 식 (4)과 같이 구할 수 있다.

 (4)

여기서, : 콘크리트의 탄성계수, : 콘크리트의 단면2차모멘트 : 철근의 탄성계수, : 철근의 단면2차모멘트

위 식에서 콘크리트의 탄성계수()는 다음 식 (5), (6)을 사용하여 산정할 수 있다(ACI 318, 2008).

 (5)

 (6)

여기서, : 콘크리트의 압축강도(MPa)

이상 위에 기술한 이론적 방법에 따라, Fig. 3과 Fig. 4에 보인 바와 같이 동일 보강재 사용 조건에서 겹침부의 크기를 달리한 3종류 단면과 보강재 영향을 파악하기 위해 동일한 말뚝 겹침 조건에서 보강재 종류를 달리한 2종류 단면, 그리고 보강재 사용 개수를 절반으로 줄인 단면과 마지막으로 주열개수의 영향을 보기 위해 1열로만 시공한 단면 등 총 6개 단면에 대하여 휨 강성을 산정하였다. 여기서, 말뚝 간 겹침부의 크기는 겹침부 최대길이를 기준으로 0mm, 70mm, 140mm를 적용한 경우에 대하여 그리고, 보강재는 철근을 사용한 경우와 H-pile을 사용한 경우로 검토하였다. 또한, 위 검토 단면들의 휨 강성과 기존 공법인 CIP와 SPW의 휨 강성을 비교하기 위하여 Fig. 5와 같은 CIP와 SPW의 전형적인 단면에 대해서도 동일 방법으로 휨 강성을 산정하였다.

Fig. 3.

Cross-section of piled wall for calculation of flexural rigidity (different overlap length)

Fig. 4.

Cross-section of piled wall for calculation of flexural rigidity (different types of reinforcement)

Fig. 5.

CIP and Secant Pile Wall (SPW) cross-section for calculation of flexural rigidity

단면 조건별 휨 강성 산정을 위한 단면2차모멘트 계산 시 정확한 면적 계산을 위하여 Matlab을 이용하여 수치 적분을 수행하였다. 겹침길이 0mm인 경우 벽체 단면의 전체 면적에 대한 단면2차모멘트와 철근 면적에 대한 단면2차모멘트를 계산하고 (:전체 면적에 대한 단면2차모멘트)로 하여 콘크리트의 단면2차모멘트를 산정하였고, 겹침길이 70mm, 140mm의 경우에는 겹침길이를 고려하여 Fig. 6(a), (b)와 같이 단면의 구간을 나누어 전체 면적에 대한 단면2차모멘트를 산정하였다. 한편, 콘크리트의 압축강도 값은 24MPa를 적용하여 식 (5)에 따라 콘크리트 탄성계수() 값을 산정하였고, 철근의 탄성계수() 값은 KCI(2012)를 따라 의 값을 적용하였다.

Fig. 6.

Example of the calculation of flexural rigidity

3.2 수치해석

앞서 기술한 이론적 방법 이외에 수치해석을 통해 벽체 단면의 휨 강성을 도출하고자 하였으며, 이를 위해 검토 단면 별 벽체에 대하여 중앙점 재하법(ASTM C293, 2010)에 의한 휨 시험을 모사한 유한요소해석을 수행하였다. 중앙점 재하시험을 통한 탄성보의 휨 강성은 Fig. 7 및 식 (7)에 보는 바와 같이 양단지지 탄성보 중앙에 하중을 재하시켜 하중-처짐의 관계로부터 도출할 수 있다. 본 연구에서는 해당 원리를 이용하여 벽체를 탄성보로 모델링하고, 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하여 벽체의 중앙점 재하시험에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 모델링 벽체 단면은 동일한 보강 조건(말뚝 개당 철근 보강)으로 겹침길이가 각각 20, 70, 140mm인 2열의 말뚝 단면과 겹침길이가 140mm인 1열의 말뚝 단면으로 하여 겹침길이의 영향과 말뚝주열수의 영향을 검토하고자 하였다.

 (7)

여기서, P   : 하중 ()L  : 부재의 축방향 길이 () : 부재의 최대 처짐 ()

Fig. 7.

Flexure test using center-point loading method

이론적 방법에 의해 검토된 단면들과 같이 단면 형태가 비대칭일 경우 중앙점 재하시 편심이 생기는 것을 피하기 위하여 수치해석 단면은 Fig. 8에 보는 바와 같이 대칭 단면으로 하였다. Fig. 9는 중앙재하시험을 모사한 3차원 해석 모델(메쉬)을 나타낸다.

Fig. 8.

Cross-section of piled wall for finite element modelling

Fig. 9.

Finite element analysis of flexure test

한편, 해석에 적용한 겹침말뚝벽체의 콘크리트 및 철근의 물성은 Table 1에 나타낸 바와 같이 이론적 방법에서 적용한 물성과 동일 혹은 근사한 값을 적용하였다.

Table 1. Material Properties for Numerical Analysis

4. 해석 결과

4.1 이론적 검토 결과

이론적 방법을 통하여 단면 조건에 따라 산정된 겹침말뚝의 휨 강성을 Table 2에 나타내었다. 그리고 비교를 용이하게 하기 위하여 겹침길이 변화와 보강재 종류, 주열개수에 따른 휨 강성의 차이를 각각 Fig. 10과 Fig. 11, Fig. 12에 각각 나타내었다.

Table 2. Results of Flexural Rigidity by Theoretical Approach

Fig. 10.

Comparison of flexural rigidity for different overlap length

Fig. 11.

Comparison of flexural rigidity for different types of reinforcement

Fig. 12.

Comparison of flexural rigidity for different types of wall

단면 조건별 휨 강성의 크기는 전체 검토 단면에 대해서 겹침길이가 0인 말뚝 개당 철근 보강재(D51)를 사용한 2열 겹침말뚝의 휨 강성이 가장 크고, 반면 CIP의 휨 강성이 가장 작은 것으로 나타났다. Fig. 10에 보인 바와 같이 겹침길이 0인 2열 겹침말뚝의 휨 강성값을 기준으로 비교 단면들의 휨 강성값을 상대 비율로 표시하였을 때 겹침길이 140mm인 1열 말뚝의 휨 강성은 겹침길이 0인 2열 말뚝 휨 강성의 8.3%에 지나지 않는 것으로 나타났다. 그리고, 2열 겹침말뚝 간의 비교 시 겹침길이 차이에 따른 휨 강성의 차이는 겹침길이 70mm, 140mm인 경우에 대해 각각 90.4%와 83.5%로 나타나 겹침길이 증가에 따라 감소하나 그 차이는 상대적으로 그리 크지 않게 나타났다. 겹침길이가 커질수록 벽체 단위폭당 면적이 감소하고 따라서, 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타난 것이나, 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 휨 강성간의 현저한 차이에 비해서는 겹침길이의 영향이 미미함을 알 수 있다. 또한, Fig. 11에 보인 바와 같이 보강재 종류와 사용개수의 차이에 따른 휨 강성의 차이는 매우 작음을 알 수 있다. 특히, D51 이형철근과 H-pile(100×100×6×8) 사용의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 한편, Fig. 12에 보는 바와 같이 겹침길이 가장 큰 140mm 단면에 대해 1열을 기준으로 하여 기존의 CIP와 SPW의 휨 강성과 비교 시 CIP와 SPW의 휨 강성은 각각 1열 140mm 겹침말뚝 휨 강성의 47.2%, 63.0%에 그치는 것으로 나타났다.

4.2 수치해석 결과

Fig. 13은 유한요소해석 결과로서 겹침길이(20, 70, 140mm)와 말뚝 주열수(즉 1열 및 2열)가 다른 단면들에 대하여 하중 재하에 따라 단면 내 발생하는 축방향 단면 응력(그림에서 Y축)을 나타낸 것이다. 검토 단면들에 대하여 공통적으로 하중이 직접 작용하는 단면 중앙 상부에 압축응력이 가장 크게 발생하고 그 지점을 따라 단면 하부로 이동할수록 그 크기가 감소하며, 최하단부에는 인장응력임이 작용하고 있음을 알 수 있다. 2열 말뚝 간 겹침길이에 따른 차이를 보면, 겹침길이가 커질수록 인장응력 발생 영역이 점차 감소하였고, 또한 2열에서 1열로 말뚝 주열수가 감소하였을 때 그 감소폭은 보다 큰 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체 단면의 전체 면적이 감소할수록 단면 내 압축응력 부위가 증가함을 확인하였다.

Fig. 13.

Results of finite element analysis

Fig. 14는 수치해석 결과 겹침말뚝의 하중-처짐 관계를 나타낸 것이다. 이론적 방법에 의한 결과와 마찬가지로 겹침길이가 커질수록 동일 하중크기에서 처짐이 크게 발생하여 강성이 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 겹침길이 차이에 따른 강성의 차이는 주열수 차이에 따른 강성의 차이에 비해서는 매우 작음을 알 수 있다. 수치해석을 통해 산정한 단면 조건별 휨 강성 값은 Table 3에 나타내었다. 그리고, Fig. 15에 상대 비율로 단면 조건별 휨 강성 크기를 나타낸 바와 같이, 2열 겹침말뚝의 휨 강성은 20mm에서 70mm, 140mm로 겹침길이가 증가함에　따라 90.7%, 76.8%로 각각 휨 강성의 크기가 감소하였고, 1열 말뚝(겹침길이 140mm)의 경우는 동일 겹침길이 2열 말뚝의 휨 강성(76.8%)에 비해 그 크기가 매우 작은 것(5.3%)으로 나타났다.

Table 3. Results of Flexural Rigidity by Finite Element Analysis

Fig. 14.

Relationship between load and displacement obtained from FE analysis

Fig. 15.

Comparison of flexural rigidity

4.3 이론과 수치해석 결과 비교

Fig. 16은 이론적 방법과 수치해석을 통해 산정한 겹침말뚝의 단면 조건별 휨 강성 결과를 비교를 위해 함께 나타낸 것이다. 방법 간 전체적인 경향은 일치하는 것으로 나타났고 수치해석을 통해 산정한 값이 이론적 방법으로 도출한 값보다 전체적으로 작으나 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 16.

Comparison of results by theoretical approach and numerical analysis

이상의 결과를 종합해보면, 말뚝 주열수에 따른 휨 강성의 차이는 매우 큰 반면, 상대적으로 동일 주열수 말뚝에 대해서 겹침 크기와 적용 보강재 등의 차이가 휨 강성 변화에 미치는 영향은 작다고 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 벽체의 구조 성능 관점에서 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝의 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류에 크게 상관없이 대심도용 흙막이벽체로 유리한 단면 조건을 갖추고 있다고 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 이론적 방법과 수치해석을 통하여 2열 겹침말뚝벽체의 단면 구조에 따른 휨 강성 특성을 조사하고 기존 주열말뚝공법과 비교, 분석을 수행하였다. 이론과 수치해석 간 유사한 결과를 도출하였으며, 그 결과는 말뚝 간 겹침길이가 커질수록 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타나나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미함을 나타내었다. 또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝 개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체의 구조적 성능 관점에서 본다면, 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝 간 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류, 갯수에 크게 상관없이 대심도용 흙막이 벽체로 기존 공법인 CIP나 SPW 등에 비해 월등히 우수한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.