앵커 토류벽의 해석기법

3.1.3 앵커 토류벽의 해석기법

3.1.3.1 지반 침하에 대한 경험적 기법

Peck(1969)은 모든 여타 조건들이 같다면 굴착으로 인한 침하는 시공 정도와 지보재의 종류에 따라 좌우되므로 침하량의 크기를 정확히 계산할 수 없으며 다만 신뢰할 수 있는 측정 결과로부터 보수적으로 침하를 예측할 수 있다고 하였다. 현장 측정 결과로부터 연약한 점토 지반을 중심으로 굴착에 따른 인접 지표의 침하 크기와 분포를 토류벽으로 부터의 수평거리에 따라 굴착 깊이에 의한 무차원량으로 표시하고 크게 3가지 영역으로 분류하여 나타냈다. 이것을 이용하여 굴착 공사 시 다양한 조건 아래에서 예지 영역으로 분류하여 나타냈다. 이것을 이용하여 굴착 공사 시 다양한 조건 아래에서 예상할 수 있는 침하에 대한 개략적인 산정 방법을 제시하고 있다.
Clough와 O'Rouke(1990)는 Goldberg(1972)등이 사용한 자료에 Soil Nail wall, Diaphram wall 등 새로운 공법에 대한 계측자료를 추가하여 굴착 깊이에 대한 흙막이 벽체의 최대 수평 변위와 최대 지반 침하와의 관계를 제안하였다. 여기서 최대수평 변위는 평균적으로 0.2%H, 최대 지반 침하는 평균적으로 0.15%H이며, 이때 침하량보다 수평 변위가 훨씬 큰 데이터의 분산을 보인다. 또한 최대 변위에 있어 soil nail wall, soil cement wall 등 토류벽의 형태가 상이해도 최대 변위는 별 차이가 거의 없다고 하였다.
모래와 조립토가 지배적인 지반에서의 최대 지표 침하량은 0.3%H이내, 최대 침하 영향 거리는 토류벽으로부터 2H이며, 단단한 점토 지반에서의 최대 지표 침하량은 0.3%H이내 최대 침하 영향 거리는 3H이며 침하량의 분포는 토류벽에서 떨어짐에 따라 감소하는 삼각형 분포로 뛴다. 연기서는 지하수의 배출이나 벽체의 설치 및 제거 단계에서의 침하는 별도로 한다.
일반적으로 굴착으로 발생하는 지반 침하는 균등하게 발생하는 것이 아니라 불균등하게 발생한다. 따라서 이러한 침하로 인하여 근접 건물의 기초가 지반에 균등하게 작용하는 하중이 불균등하게 작용하게 되어 건물이 위험하게 된다.

3.1.3.2 한계 평형 이론 해석

한계 평형 이론 해석에서 가장 기본적인 역학 개념은 토류벽 배면에서 흙이 가상의 파괴면을 따라 파괴된다는 것이다. 즉 잠재적인 파괴 면의 형상은 최하단이나 약한 부분, 지반에서 잘 발달한 경계면 등에서 발생하므로 한계 평형이론을 바탕으로 옹벽, 절토, 성토면의 사면 안정 등의 안전성 해석에 많이 사용된다.
앵커 토류벽의 경우, 일반적으로 지반의 파괴 면에 대한 활동 동기와 지반 전단 저항력의 평형을 만족하는 앵커 설계력을 구하는 데 주로 사용한다. 한계 평형 계산법은 상대적으로 동질의 지반 조건에서 건설된 토류벽에 작용하는 하중을 평가하면서 겉보기 토압과 마찬가지로 상당히 효과적이다. 그러나 겉보기 토압이 사용하는 데 더 편리하여 설계 시 주로 사용되고 있으나 토류벽의 거동을 예측할 수는 없으므로 제한적으로 사용된다.

3.1.3.3 유한요소(유한차분) 해석법

유한요소 또는 유한차분 해석법을 이용한 토류벽 해석은 최근 20년간 컴퓨터의 발전과 더불어 가장 활발히 연구되어온 방법이다. 이 해석법의 장점으로는 지반 구조물 상호 작용을 효과적으로 고려하고 지반을 연속체로 모델링 하여 토류벽의 변형, Bending 모멘트, 지반의 침하, 토압의 분포 등을 구할 수 있으며 모델링 시 토류벽의 모양과 강성에 관계없고 복잡한 시공과 다양한 지반에 충분히 고려할 수 있다. 또한 흙의 특성인 비선형 거동과 침투압 등 여러 가지 외부 조건을 모델링할 수 있다.
유한요소 해석법은 이러한 장점에도 불구하고 많은 입력 자료의 정밀도가 요구되고, 경계조건, 구조물과 지반 사이의 상호작용 및 지반의 거동 특성 모델링 등 적용하는 데 있어서 전문지식과 경험이 상당히 필요하다. 또한 출력 결과의 검증 또한 제한적이다. 따라서 문제점들의 해결을 위해 여러 조건의 토류벽을 검토하고 시공 계측 자료를 통한 많은 연구가 진행하고 있고 앞으로도 더욱 많은 연구가 필요한 분야이다.

3.1.3.4 탄소성 보 해석

탄소성 보 해석에 의한 지반 토류벽의 상호 작용 모델은 Heteyi(1966)가 처음으로 이론값을 구하면서부터 강성이 큰 토류벽, 전면 기초, 횡 방향 말뚝의 거동, 철도 등의 설계에 적용되어 왔으며 수치 해석 기법이 발달하면서 지반을 탄소성 모델로 단순화한 기법이 설계에 많이 적용되고 있다. (Briaud & Kim, 1998).
탄소성 보 해석법의 장점으로는 입력이 간단하고 토류벽의 변위, 모멘트, 토압, 연직응력, 토류벽체에서의 침하 등을 계산할 수 있으며 컴퓨터의 고급사양을 요구하지 않고 계산 시간이 작아 경제적이다. 하지만 단점으로는 배면토의 침하 또는 굴착 저면의 부풀림 등 지반의 거동을 예측할 수 없고 배면토 내에 지하 매설물 등이 있는 경우는 이용하기가 어렵다. 또한 주변의 구조물에 의한 영향을 고려하거나 토류벽의 수평 방향의 전이와 앵커의 creep으로 발생하는 변위로 인한 영향을 고려할 수 없다.