지반굴착 시 수압 고려 방법

8.6 지반굴착 시 수압 고려 방법

8.6.1 서론

흙막이벽에 작용하는 수압은 흙막이벽이 불투수층에 이상적으로 관입 되는 경우와 불투수층에 도달하지 못한 경우, 암반에 관입 되는 경우에 따라 서로 다름.

8.6.2 흙 지반에 작용하는 수압

1) 불투수층에 이상적으로 관입 된 경우
배면 측 지하수는 굴착 측으로 흐르지 못하므로 수압은 정수압으로 작용함.
대부분의 경우 완전한 차수벽, 불투수층의 존재 및 완전 관입 등의 조건이 되지 못하므로 정수압보다 감소한 수압이 작용하며 실제 현장에서 측정된 수압은 정수압의 70~80% 정도로 보고되고 있음.
2) 불투수층에 도달하지 못한 경우
흙막이벽이 불투수층에 도달하지 못한 경우의 수압은 깊이의 증가에 따라 증가하다가 다시 감소하여 흙막이 벽체의 하단에서는 0이 됨.
감소한 수압의 정량적 계산은 유선망의 작도 또는 유한요소법에 의한 침투류 해석에 의하여 구할 수 있음.
3) 투수계수가 다른 층인 경우
투수계수가 서로 다른 다층지반의 수압은 투수계수가 큰 상부토층에서는 손실이 없어 거의 정수압이 작용하나 투수계수가 작은 하부토층에서는 수두손실이 발생하여 수압이 정수압보다 감소함.

8.6.3 암반에 작용하는 수압

암반층의 절리 등에 따라 수압이 크게 달라질 수 있으므로 해석에 의한 수압계산은 해석에 적용한 지반 조건이 얼마나 실제와 부합되느냐에 따라 달라짐.
(1) 암반에서의 수압은 암반의 투수성에 따라 다음과 같이 구분되며, 암반의 투수성이 작은 경우 수압은 소산되어 작용함.
(2) 암질이 불량한 경우 암반의 투수성이 크므로 일반토사와 같이 정수압으로 작용
(3) 암반 내에 파쇄대가 발달하는 경우 파쇄대에 흐르는 지하수 특성에 따라 정수압 또는 피압수압이 작용함.

8.6.4 평가

흙막이벽에 작용하는 수압은 토층의 투수성에 따라 투수성이 크면 수압을 적용하고 투수성이 작으면 수압을 적용하지 않는 것이 일반적이며 모래, 자갈층은 수압을 적용하며, 점성토, 실트, 암반인 경우에는 수압을 적용하지 않음.

8.7 암 지반 흙막이 벽체의 수평토압 산정법

암 지반에 흙막이 공법 적용 시 벽체에 작용하는 지반의 절리 등 불연속면의 영향을 고려한 수평토압 산정법에 대하여 논하시오.

8.7.1 토사 지반과 암 지반의 토압

(1) 토사 지반은 경험 토압이나 탄소성법에 이용되는 Rankine-Resal 토압을 사용하여 벽체에 작용하는 수평토압을 구할 수가 있음. 지반을 연속체 Model로 하여 취급할 수 있음.
(2) 암반 지반인 경우는 절리, 층리와 같은 불연속면의 존재, 풍화 정도, 초기 지중 응력 상태, 지하수 용출 등에 영향을 받으며 특히, 불연속면의 규모나 거동이 큰 영향을 미치게 됨. 따라서, 단순히 토사 지반의 적용 토압을 사용하지 못할 수 있으며 특정 불연속면이 분포하는 경우는 토사 지반보다 수평토압이 크게 될 수 있음을 유의해야 함.

8.7.2 암 지반의 토압

암 지반의 토압은 불연속면과 관계가 깊으므로 다음과 같이 4가지 유형으로 구분하여 적용할 수 있음.
1) 불연속면이 많고 방향성이 없는 경우
암반 파괴 형상이 평사 투영법에 의했을 때 원형파괴에 해당하는 RQD가 거의 0인 상태, 파쇄대처럼 파쇄가 심한 경우는 토사와 같이 연속체 Model이 적용될 수 있고 견고한 지반이나 자갈 지반으로 평가하여 수평토압을 산정함.
2) 뚜렷하게 방향성의 불연속면 존재하는 경우
① 이런 경우는 대단히 위험할 수 있고 횡 토압도 상당히 크게 작용하며 붕괴사고 예의 많은 경우가 이에 해당함.
② 보통 점착력은 C=0으로 하고 전단저항각 Φ만 고려하게 된다.
③ 전단강도 평가를 위해 절리면 전단시험을 필히 실시해야 하며 개략적인 Φ 값은 퇴적암, 변성암에서 15~30˚, 화성암에서 25~35˚ 정도임.
3) 암반의 불연속면이 거의 없고 특정 방향이 아니고 신선함.
이런 경우는 암반의 횡 토압을 무시하고 Rock Bolt 등으로 보강할 수 있으며 보통 이 같은 경우는 드물게 분포됨.
4) 불연속면이 적당히 있고, 특정 방향성이 없는 경우.
① 전단강도는 암석보다 적고 절리 강도보다는 큰 상태로 암석 강도, RQD, 불연속면 간격, 상태와 지하수 상태에 대한 평점 분류인 RMR(Rock Mass Rating)을 이용하여 C, Φ 값을 사용할 수 있음.
② 암석 시험에 대한 강도를 감소비를 적용할 수 있음.
③ 변형 계수, 수평 방향 지반반력계수는 공내재하시험, RMR분류 이용할 수 있음.

8.8 흙막이벽에 설계 시 탄소성 해석법

8.8.1 해석방법

단순보법, 연속보법, 탄성보법 방법은 벽체 변위, 배면 지반의 침하, 굴착단계별 해석 및 굴착 깊이가 깊은 경우에 신뢰성이 떨어지므로 적용이 곤란함. 따라서 탄소성법에 의해 실시되어야 함.

8.8.2 탄소성법

(1) 탄소성법은 흙막이 벽체는 탄성보, 지보공은 탄성 Spring, 또 지반은 탄소성 Spring으로 모델링하고 초기토압을 가하여 발생하는 변위를 계산하고 그 변위에 상응하는 지반의 탄소성 상태를 판단하고 토압을 보정하여 다시 변위를 계산하는 반복과정을 통하여 흙막이 벽체의 변위, 응력 및 지보공의 반력을 계산하는 해석법이다.
(2) 계산 초기에 작용시킨 토압 P는 벽체의 변위에 1차적으로 비례하여 증감된다. 그러나 이 토압은 "변위-토압 관계"에서 와 같이 주동토압과 수동토압의 범위 이내에 있어야 하며 그 범위를 벗어나는 변위가 발생할 때는 한계 토압으로 되고 지반반력계수를 0으로 한 후 반복 계산이 계속된다. 그 전 반복 계산 시의 토압과 현재 계산 시의 토압의 차이가 미리 정해둔 오차 이내일 때 계산을 종료한다.