1. 서 론
2. 지반굴착으로 발생하는 거동현상
3. 수치해석 조건 및 유형
3.1 수치해석 대상 설계사례
3.2 유한요소 수치해석 모델링
4. 해석결과
4.1 지중경사계 및 변형률계
4.2 계측기 설치위치
5. 결 론
1. 서 론
최근 경제발전으로 인구의 대도시 집중화로 주택난 해소 및 기반 시설 확충을 위한 토지의 효율적 활용방안 필요성이 증가하고 있다. 도심지에서의 인구밀도의 증가에 따른 교통 문제 해결을 위한 지하 주차장 확보, 지하철 등, 지하공간의 개발이 활발히 요구되고 있으며, 이에 따라 도심지 지하구조물과 사회 간접자본 시설에 대한 투자 또한 증가하고 있다.
점차 대심도화 및 기존 구조물과 접하여 지하굴착 하는 현장이 증가함에 따라 안전사고를 예방하고, 예측하여 피해를 최소화할 수 있는 공사현장 계측의 중요성이 더욱 커지고 있다. 따라서 시공 시 흙막이 구조물의 수평 변위로 현장에서 계측 관리하여 즉각적인 보강을 함으로써 붕괴사고를 미연에 방지하는 것이 중요하다. 이러한 점들을 고려하여 설계단계에서의 계측계획과 시공단계에서의 계측관리 및 대응 방안 등에 대한 계측 실무 매뉴얼을 수립하여 굴착 현장의 안전성을 확보하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
국내에서는 지하굴착공사에 있어서 현장계측의 역할(Kim, 2012) 연구와 흙막이벽에 발생하는 수평변위의 현장계측과 수치해석적 접근(Do et al., 2010) 연구를 통해 지하굴착 공사에서 계측의 중요성과 지반에 따른 흙막이 벽체의 거동분석 하는 선행연구들이 수행되었다. 또한, 국내의 지하굴착공사 기준으로 국토교통부에서 제정한 국가건설기준인 KDS 11 10 15-지반계측, KDS 21 30 00-가설흙막이 설계기준, KCS 11 10 15-시공중 지반계측, KCS 21 30 00-가설흙막이 공사, 지하안전평가 표준 매뉴얼(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021a, 2021b, 2022a, 2022b, 2022c), LH공사 시방서인 LHCS 11 10 15-시공중 지반계측, LHCS 21 30 00-가설흙막이공사 및 설계지침(Korea Land & Housing Corporation, 2020, 2021, 2022), 서울지하철 계측관리요령 개선(안) (Seoul Metropolitan Government Urban Infrastructure Headquarters, 2015) 등을 통해서 계측 실무에 활용되고 있다.
Lin et al.(2007)은 Taipei 101타워 건설에서 대심도 굴착에 따른 벽체의 변위에 대한 거동 연구에서는 3차원 변형 해석 결과 굴착 심도에 따른 벽체의 수평변위는 계측결과와 비교적 유사하게 나타나 거동 예측에 있어 적용성이 우수하였으나, 2차원 변형 해석 결과는 이들의 결과보다 거의 2배 정도까지 큰 수치의 변위를 보였다. Kim et al.(2007)과 Lee et al.(2008)는 현장 계측자료와 수치해석 결과를 비교 분석한 결과, 흙막이 벽체의 실제 거동 특성과 3차원 수치해석이 정확한 예측과 유사성을 가지고 있는 것을 확인하였다. Jeong et al.(2016)는 흙막이 벽체의 안정성 검토 및 거동 분석 시에는 지반의 비대칭성과 3차원 구조로 설치되는 흙막이 벽체 및 지보재의 특성을 고려한 3차원 수치해석 기법의 적용이 적절함을 확인하였다. Kim(2020)은 평면변형 해석은 3차원 해석의 고비용 및 시간 투자 대비 취약 구간을 좀 더 정확하고 빠르게 알 수 있다고 하였다. 이처럼 인접 굴착공사 및 지반에 따른 흙막이 벽체 거동분석에 관한 연구에 비해 계측기기 설치 위치 선정에 대한 연구가 미비하고, 계측기기 설치 위치에 대한 설계기준은 “굴착에 따른 지반 거동을 미리 파악할 수 있는 곳, 구조물의 전체를 대표할 수 있는 곳, 교통량이 많은 곳” 등과 같이 추상적으로 기술 되었을 뿐 공학적으로 구체인 위치를 제시하고 있지 않다.
현재 설계시 지중경사계와 변형률계의 위치를 결정하기 위해 수치해석을 반드시 수행해야 한다는 기준이 없어 설계기준에 명시된 추상적인 위치에만 설치하도록 설계하고 있다. 따라서 본 연구에서는 설계시 수치해석을 수행하지 않고 간편하게 지중경사계와 변형률계의 설치위치를 결정 할 수 있도록 평면변형 해석과 3차원 유한요소 해석법을 수행하여 공학적으로 지중경사계와 변형률계의 설치위치를 검토하였다.
2. 지반굴착으로 발생하는 거동현상
굴착에 따른 지반 거동을 나타내면 Fig. 1과 같다. 주된 지반 거동은 토류벽 변위에 따른 주변 지반의 거동, 굴착 저면의 Heaving과 Boiling, 토류벽 틈 사이의 토사 유출, 연약지반일 경우 벽체의 측방유동 발생 등이 있다. 토류벽 변위의 발생 원인으로는 토류벽의 좌굴 변형, 버팀대의 탄·소성 변형, 버팀대 설치의 시간적 지체, 토류벽 근입 깊이의 부족 등의 요인이 있다. 이에 대해 설계시 충분히 안전측으로 설계하였다 해도 예기치 못한 상황이 발생한다면 계측기의 중요성은 증가하게 되며 그에 따른 계측기의 설치위치에 대한 중요성도 증가 할 것이다.
3. 수치해석 조건 및 유형
3.1 수치해석 대상 설계사례
흙막이 가시설은 ○○시의 시공 완료된 설계도면을 참고하여 수치해석을 진행하였다. 적절한 계측기 설치 위치 결정을 위한 지반 및 구조물의 비교분석을 위해 Fig. 2와 같이 서로 다른 형상의 4가지 흙막이 가시설 구조물에 대하여 평면변형 해석과 3차원 해석을 수행하였다. 모든 Case의 전체 굴착 깊이는 10m 내이며, 버팀대 공법을 사용하였다. 지층의 심도별 분포는 Table 1과 같이 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 4가지로 구성되어 있다.
Table 1.
Ground type by depth
3.2 유한요소 수치해석 모델링
Kim et al.(2018)는 흙막이 가시설처럼 지반 내에 설치하는 구조물은 구조물 전체 체적의 단위체적 중량이 주변 지반에 비해 상대적으로 작아 주변 지반의 거동에 더 큰 영향을 받는다고 하였다. 따라서 본 연구에서는 유한요소해석법(FEM)을 이용하여 지반 및 흙막이 가시설을 모델링하여 지반-구조물의 상호작용(Soil Structure Interaction, SSI)을 통한 구조부재의 거동분석 연구를 수행하였다. 지반모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였다. 구조부재의 형상에 따른 거동을 객관적으로 분석하기 위해 지층구성에 지반정수는 모두 동일하게 적용하였고, 지반정수는 Park et al.(2020), Kim et al.(2018)의 문헌들을 참고하였다(Table 2). 흙막이 공법에 사용된 강재의 특성은 Table 3에 나타내었다. Case 1, 3은 H-Pile+토류판 공법이고, Case 2, 4는 C.I.P(Cast-In-Place pile)공법이다. Case 1~4의 3차원 수치해석 모델링의 규격(B : Breadth, L: Length, H: Height of excavation)은 Table 4에 정리하였다. 해석의 간편화를 위해 지하수위와 배면지반의 건물, 지하매설물 등은 설정하지 않았다. Fig. 3은 Case 1의 설계도면을 대표로 (a) 평면해석 모델링과 (b) 3차원해석 모델링의 모습을 (c)는 3차원 해석에서 배면지반의 솔리드 요소를 제외한 흙막이 가시설의 구조 부재로 만 이루어진 모형이다.
Table 2.
Properties of soil
Table 3.
Properties of steel
| Type | Moment of inertia (m4) | |
| Wall H-Pile | H-300X300X10X15 | 6.75225e-5 |
| Strut, wale H-Pile | H-300X300X10X15 | 6.75225e-5 |
| C.I.P | Circle-Hbeam (H-300X300X10X15) | 1.96258e-3 |
4. 해석결과
4.1 지중경사계 및 변형률계
Fig. 4에서 (b)는 최종 굴착후 3차원 해석 결과를 타나내며, Case 1~4 가시설의 중앙부에서 최대 변위가 발생하였고 우각부에서 최소변위가 발생한 것을 알 수 있다. 반면에 Fig. 4(a)인 평면변형 해석결과에서는 우각부에서 최대변위가 발생하였고 이는 3차원해석과는 반대되는 결과를 나타내었다. 하지만, Fig. 5에서 알 수 있듯이 Case 1과 Case 3의 경우 1차 굴착 완료시점에서 평면변형 해석의 결과와 같게 우각부에서 더 큰 변위가 발생하였다. 그리고 우각부와 중앙부의 변위 차이도 크지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 버팀대에 작용하는 모멘트와 배면지반 및 굴착저면의 전단응력 등을 보면 우각부에서 중앙부에 비해 비교적 많은 힘 또는 모멘트가 발생하였다(Fig. 6). 따라서 흙막이 가시설 공사에서 지중경사계의 설치시 우각부에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
변형률계의 설치 위치를 선정하기 위해 휨 응력, Y축에 대한(강축) 휨 모멘트, Z축에 대한(약축) 휨 모멘트를 분석하였다. 3차원 해석결과는 버팀대 1~4단 중 굴착 깊이의 중심인 2단 또는 3단의 버팀대의 응력결과를 나타낸다. Fig. 7는 평면변형 및 3차원해석의 휨 응력 결과를 타내내고 있다. Fig. 7(a)에서 경사버팀대 끝단 띠장과의 접속부에서 최대 인장·압축 휨 응력이 발생하였다. 이는 Case 1~4 모두 동일한 결과가 나타났다. Fig. 7(b)의 3차원해석에서는 평면변형해석과 달리 버팀대간의 뚜렷한 차이를 보이지 않고 대부분 버팀대에서 압축응력이 발생하였다. Fig. 8은 평면변형 및 3차원해석의 Y축(강축)에 대한 휨 모멘트 결과이다. Fig. 8(a)의 평면변형 결과에서는 접속부(경사버팀대와 맞버팀대 만나는 구간)의 띠장에서 최대휨모멘트가 발생하였다. 이는 Case 1~4 모두 동일한 결과가 나타났다. Fig. 8(b) 3차원해석에서도 접속부 띠장에서 휨 모멘트가 최대로 발생하였고, 추가로 우각부 중심 띠장에서도 휨 모멘트가 크게 발생한 것을 볼 수 있다. 띠장에서 주로 큰 휨 모멘트가 발생하는 것이 확인되었으며, 이는 경사버팀대는 수평으로 설치되는 반면, 띠장은 수직으로 설치되기 때문에 설치방향이 달라 크게 발생하는 것으로 판단된다. 띠장을 제외하고는 모든 버팀대의 끝단에서 휨 모멘트가 크게 발생하였다. Fig. 9은 평면변형 및 3차원해석의 Z축(약축)에 대한 휨 모멘트 결과이다. Fig. 9(a)의 평면변형 결과에서는 맞버팀대의 끝단인 까치발 부분에서 최대휨모멘트가 발생하였다. Case 1은 맞버팀대의 중앙부에서 크게 발생하였는데 다른 설계도면들에 비해 중간말뚝이 적기 때문에 이러한 결과가 나온 것으로 판단된다. Fig. 9(b)의 3차원 해석 결과에서는 평면변형 해석결과와 동일하게 까치발 부분과 경사버팀대의 끝단에서 최대휨모멘트가 발생하였다.
4.2 계측기 설치위치
Fig. 10에서는 기존의 설계지침 및 시방서에 제시된 계측기의 설치위치를 고려한 최초 설계시 제안된 지중경사계와 변형률계의 위치이다. 본 연구의 결과를 반영한 적정 위치를 Fig. 11과 같이 나타낼수 있다. 흙막이 구조물의 변형을 통해 지중경사계의 위치를, 구조부재 응력 및 휨 모멘트 분석을 통해 변형률계의 위치를 나타내었다.
지중경사계의 경우 최초 설계시의 면의 중앙부에 설치하는 것으로 설계되어 있으며, 3차원 해석결과 또한 중앙부에서 최대 변위가 발생하였다. 하지만, 2차원 평면변형 해석결과는 중앙부보다 우각부에서 더 큰 변위가 발생하였으며, 3차원 해석결과 중앙부에서 최대 변위가 발생하였지만 우각부와의 변위 차는 크지 않았다. 또한, 버팀대에 작용하는 모멘트와 배면지반 및 굴착저면의 전단응력 등을 보면 우각부에서 중앙부에 비해 비교적 많은 힘 또는 모멘트가 발생하였다. 이와 같은 이유를 근거로 지중경사계의 설치시 우각부에 대한 검토가 수반 되어야 할 것이다.
변형률계의 경우 최초 설계시의 위치에서 알 수 있듯이 맞버팀대와 경사버팀대의 양단에 설치하여 좌굴을 방지하게 된다. 평면변형 해석과 3차원 해석결과에서도 이를 확인하였다. 하지만 맞버팀대와 경사버팀대의 양단보다 경사버팀대와 띠장이 만나는 부분에서 최대 인장·압축 휨 응력이 발생하였고, 경사버팀대와 맞버팀대가 만나는 띠장에서도 큰 응력이 발생하였다. 또한, Z축(약축)에 대한 휨 모멘트는 맞버팀대 끝단 까치발 부분에서 크게 발생하였다. 수치해석 결과를 바탕으로 지중경사계와 변형률계의 설치 우선순위는 Table 5로 나타낼 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 평면변형 및 3차원 유한요소 수치해석 방법을 통해 흙막이 구조물과 지반의 상호작용으로 인한 흙막이 가시설의 거동을 분석하여, 지중경사계와 변형률계의 적정위치를 선정하기 위해 수치해석을 수행하였다. 평면변형 해석시 띠장에 직접적으로 등분포하중을 작용하는 경우와 3차원 해석시 가시설의 자중으로 인한 토압이 작용하는 경우에 대해 수치해석을 수행하였다. 그 결과 지중경사계는 우각부에 설치하는 것의 필요성을 확인하였으며, 변형률계의 경우 띠장에 설치하는 것의 필요성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 평면변형 & 3차원 유한요소 해석법을 이용하여 흙막이 가시설의 변위 및 응력, 모멘트를 종합적인 판단을 통해 계측기 설치 위치를 정립하고자 연구를 수행하였다. 하지만 수치해석에서 굴착이 완료된 시점에서의 변위와 응력 등을 확인하여 굴착 진행에 따른 위험 구간 고려하지 않았고, 해석의 간편화를 위해 배면지반 건물 및 매설물 등이 제외된 제한적인 결과이지만, 현재의 설계기준으로는 설치될 수 없는 위치이지만 반드시 설치가 필요한 위치를 제안함으로써 흙막이 가시설 피해방지에 영향을 줄 것이라 판단된다.
