앵커로 지지가 되는 흙막이벽의 설계

3.1 앵커로 지지가 되는 흙막이벽의 설계

3.1.1 서론

경제성장과 더불어 도시로의 인구집중은 교통정체, 환경오염, 주택지 및 도심지의 용지 부족 등 여러 가지 문제점들을 발생시켰다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 학자 및 엔지니어들은 도심지 내의 고층빌딩의 지하공간, 지하철, 지하차도, 상하수도 확충 등 각종 지하공간의 개발에 관심을 갖게 되었으며 시공 시 발생하는 여러 가지 문제와 보다 경제적이고 공기가 빠른 도심지 지하공간 개발 방법에 대하여 많은 연구가 활발히 진행되어 왔다.
도심지 지하공간 개발 방법 중 가장 널리 쓰이는 방법은 개착식 흙막이 가설공법이다. 이 공법은 굴착 공사 중에 발생하는 지반의 붕괴와 토류벽의 과도한 변위를 방지하기 위해서 흙막이 토류벽에 스트럿이나 앵커와 같은 지보를 사용하여 시공하는 방법으로 특히 경제적으로나 시공의 간편함에 있어 기타 공법에 비해 장점이 많아 도심지 공사 중에 주로 사용되고 있다. 개착식 흙막이 토류벽의 설계와 시공을 함에 있어 과거에는 주된 관심사는 토류벽의 안전에 관한 것이었으나 근래에 들어 토류벽의 변형으로 발생하는 주변의 침하, 인접 구조물의 안전, 주민들의 민원 등과 같은 굴착으로 발생한 복합적인 문제에 관심도가 증가하고 있다. 따라서 토류벽의 안전은 물론이고 토류벽의 변형으로 발생하는 여러 가지 문제를 해결하기 위해서 토류벽의 거동을 정확하게 예측할 필요가 있다.

3.1.2 앵커 토류벽의 설계 방법

3.1.2.1 앵커 토류벽의 설계 검토 사항 및 절차

토류벽의 설계는 크게 토류벽체 및 지보공의 단면을 결정하고 토류벽체의 거동을 예측하여 이에 따르는 문제점을 검토하여야 한다. 굴착공사에서 이용되는 가설 구조물 설계시 고려하여야 한다. 과거에는 토류 구조물의 안전성이 굴착공사에 주 관점 사항이었으나 요즘 들어 도심지의 근접 공사가 빈번해짐에 따라 굴착공사로 발생하는 지하수위의 변화나 주변 지반의 침하 등 토류벽에 관한 문제가 아니라 근접 구조물의 안전성에 더욱 관심이 증대되고 있다. 따라서 설계 시 고려하여야 할 사항은 토류벽 자체의 안전은 물론이고 토류벽의 거동으로 방생되는 지반의 변형에 따르는 여러 가지 문제 또한 항상 염두에 두어야 한다.

3.1.2.2 토류벽에 작용하는 겉보기 토압

앵커토류벽의 단면을 결정하기 위해서는 외력인 토압을 산정하는 것이 우선 중요하다. 앵커 토류벽에 작용하는 토압 분포는 토류벽의 횡 방향 변형과 토압 분포에 영향을 받는다. Sheet pile과 같은 연성 비중력 켄틸레버 토류벽은 전체 굴착 깊이에서 토압이 주동 토압 상태로 변환됨에 따라 토류벽 전체에 Rankine과 Coulomb 토압의 형태로 발생하여 토류벽의 횡 방향 거동을 예측할 수 있다. 그러나 앵커 토류벽과 같이 지보류의 지지가 된 토류 구조물에서는 변형 pattern이 매우 복잡하고 토압의 분포가 Rankine과 Coulomb이 제시한 토압과 일치하지 않는다. 이러한 이유는 흙의 전단강도, 토류벽의 강성, 흙의 아칭현상, 앵커의 설치 기울기, 앵커의 연직 설치 간격, 앵커의 선행하중 등의 영향 때문으로, 이러한 것들의 영향으로 토압 분포가 달라지고 지반이 상당히 복잡하게 거동한다. 따라서 연성 토류벽의 설계 시에는 일반적으로 Rankine과 Coulomb의 토압 이론이 아닌 겉보기 토압을 사용하여 설계하여야 한다. 겉보기 토압은 Terzaghi와 Peck(1967)에 의하여 처음으로 제시된 반 경험적인 토압으로 Braced Excavation 설계 시 스트럿의 역계산으로 추정한 것으로 다음과 같은 조건에서 적용될 수 있다.
(1) 굴착 공사 시 굴착 폭은 상대적으로 너비가 넓으며, 굴착 깊이는 6m 이상이라고 하였으며 토류벽의 횡 방향 변위는 충분하여 흙의 전단강도가 모두 발생하였다고 가정하였다.
(2) 사질토의 경우 지하수는 배면의 주동토압 쐐기 밖에 존재하여 배수 상태로 가정하였다. 점토의 경우는 비배수 상태로 가정하였다. 따라서 지하수로 발생한 하중은 겉보기 토압에서 고려 되지 않았다.
(3) 지반 조건은 흙의 종류가 동일하다고 하였으며 설계 시 점토의 경우는 해석 조건이 전응력 해석조건이다.
(4) 겉보기 토압은 굴착 면 상부에서 분포한다.
토류벽의 겉보기 토압은 사각형이나 사다리꼴의 형태의 토압 분포로서 점토의 경우, 점토의 강도에 따라 heaving으로 인한 영향으로 토압이 달라진다. 따라서 점토 지반에서의 겉보기 토압을 결정하기 위해서 안정수 Ns를 사용하였다. 안정수 Ns는 점토에서 사용하는 것으로 만약 4 이상의 경우는 연약하거나 중간강도의 점토의 겉보기 토압을 사용하며, 4 이하일 경우는 단단한 점토의 겉보기 토압을 사용한다. 또한 Henkel(1971)은 Peck(1969)에 제시한 방법 중 연약하거나 중간 정도의 강도를 갖는 점토의 최대 토압을 계산하는 식을 수정 변경하였다. Henkel은 파괴 거동이 실제 경우에 Peck의 방법으로 계산한 것과 일치하지 않다고 중장하고 안정수 Ns가 6보다 큰 경우 Tezaghi와 Peck이 제안한 식은 과소평가가 되므로 식을 사용하여 직접적으로 주동토압계수 Ka 값을 구하여 최대 토압을 구하는 데 사용한다.

3.1.2.3 겉보기 토압을 이용한 토류벽의 설계

앵커 토류벽에서 앵커의 설계하중을 구하는 방법으로 겉보기 토압을 이용하는 방법과 Rankine 토압을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 일반적으로 겉보기 토압을 이용한 방법을 많이 사용하며 설계 방법으로 분할법으로 나누어진다. 이 방법을 통하여 토류벽을 설계할 때 앵커의 하중과 토류벽의 단면을 간단히 계산할 수 있다.