1. 서 론

최근 국내외의 시설물 공사에서는 지하공간의 확보를 위한 굴착공사가 우선하는 것이 일반적이다. 이때, 지형 변형이나 인접 구조물의 피해를 유념하여 시공하여야 하는데, 주로 사용되는 공법인 흙막이 가시설의 경우, 최근까지도 목재 흙막이 판을 이용하는 경우가 일반적이다.

목재 흙막이 시공 시 엄지말뚝으로 사용되는 H-pile의 경우, 대부분이 설치간격이 일정치 않아 목재 흙막이 판을 설치하는 경우, 간격을 맞추기 위해 절단을 하거나 덧대기를 하는 경우가 빈번하다. 이로 인한 배면의 토압에 대한 버팀 능력이 저하되기도 하며 흙막이 구조체도 토압을 견디지 못하는 경우도 발생한다. 특히, 다음의 그림에 나타낸 바와 같이 지중인력이 투입되는 해체시공에 있어서 흙막이 구조체의 해체와 함께 굴착 배면의 뒷채움 흙이 흘러내려 안전사고가 발생할 가능성이 높다.

또한, 목재의 재사용이 3회 이상으로 규정되어 있으나 안전사고 발생 등을 이유로 목재회수 공정을 생략하는 경우가 많다. 이러한 목재회수 공정의 생략은 환경문제 및 배면의 지반침하를 유발할 수 있을 뿐만 아니라 목재의 무분별한 낭비는 국가경제에도 적지 않은 손실을 가져다 줄 수 있다. 이와 관련하여 Choi et al. (1997)은 p-y 곡선을 이용한 굴착단계별 변위를 최적화이론과 결합하여 흙막이 벽의 거동을 해석하였고, Yoo et al. (2000)은 유한요소해석을 통한 매개변수를 가지고 깊은굴착 시 발생하는 벽체의 거동에 관한 연구를 하였다. 이와 비슷한 시기에 Seok et al. (2001)은 수치해석을 통한 굴착 시 주변 구조물의 침하 거동을 분석하였으며, Son (2009)은 지반굴착 단계에 따른 지반변위에 의한 인접구조물의 거동을 분석 하였다. 기술적인 연구 동향에는 Kim et al. (2010)의 연약지반에 그라운드 앵커를 사용하는 공법연구와 Hong (2010)의 인장재 제거형 앵커 정착제와 톱니를 사용한 어스앵커 브라켓과 같은 앵커에 관한 연구, 그리고 Kang (2010)의 제거식과 포스트 텐션 쏘일 네일링의 관한 연구와 Shin (2010)의 쏘일 네일링의 설치와 해체 보조 장치에 대한 연구가 있었다. 또한 Seo et al. (2010), Jin (2010), Jeong and Kang (2010), Yoo and Ko (2010)의 강관 또는 프리 스트레스를 이용한 스트럿의 관한 연구들이 있었다. 이 연구와 관계된 목재 흙막이 공법을 대체하는 기술에 대한 소재는 Choi et al. (2007; 2010; 2011)과 Son et al. (2011), 그리고 Hong (2011)의 연구발표가 있었다.

본 연구에서는 이와 같이 기존 목재 흙막이 판 이용 시 재사용 및 안전문제 등을 효과적으로 보완하기 위해 조립식 흙막이 공법을 제시하였다. 조립식 흙막이 공법은 기존 목재 흙막이 판 대신 자유 확폭성을 보유한 강재 흙막이 구조체와 강재요소를 연결하는 커넥터를 사용함으로써, 흙막이 구조체가 연속적으로 연결되는 것이 특징으로 일정부분 구조체의 자유확폭이 가능하여 기존의 H-pile간격의 불일치에도 대응이 가능하도록 고안되었다. 또한 연결요소인 커넥터는 흙막이 구조체의 양 끝단을 교차연결 하여 완전복토 후 해체시공 시 구조체의 전량회수가 가능하도록 고안한 것이 특징이다.

이 연구에서는 상기와 같이 제안된 강재요소의 조립식 흙막이 구조체에 대해 실내시험을 통하여 특성 분석 및 타당성 검토를 하고 다양한 지반조건하에서의 수치해석과 현장시험시공을 통하여 현장 적용성을 검토하고자 한다. 이상의 연구내용에 대한 순서도를 그림으로 나타내면 다음과 같다.

이 연구에서는 제안된 조립식 강재 흙막이 공법의 적용성 검토를 위해 우선적으로 구조체 요소에 대한 실내시험을 수행하였다. 수행된 실내시험은 강재 구조체를 대상으로 한 휨 강성시험과 재활용성을 검토하기 위한 피로강도시험, 그리고 해체시공 시 중요역할을 하는 연결부 커넥터의 인장강도시험이다. 또한, 이 실험결과를 기초로 하여 지반조건을 달리한 수치해석과 현장시험을 통한 현장 적용성 검토도 병행하였다.

2. 흙막이 구조체에 대한 구조특성 분석

조립식 강재 흙막이 공법은 목재 흙막이 공법의 시공방법과 거의 동일하나 설치에 있어서 굴착배면에 밀착되어 좌우확폭을 통해 설치되는 점이 특징으로 이를 통해 배면의 뒷채움 공정이 필요 없게 된다. 특히, Fig. 3의 왼쪽에 나타난 바와 같이 흙막이 구조체의 좌우 날개가 슬라이딩 방식으로 자유롭게 확폭이 가능하며 최소폭 1600mm에서 최대폭 2300mm까지로 H-pile간의 간격이 일정하지 않아도 구조체의 가공 없이 시공이 가능하다. 또한 Fig. 3의 오른쪽에 나타난 바와 같이 설치 시 상하부 흙막이 구조체의 양 끝단을 지그재그 방식으로 연결하여 해체 시 완전복토 후 인력의 투입이 없이 중장비만으로 인발이 가능한 점이 특징이다.

본 연구에서는 제안된 강재 흙막이 구조체의 구조특성을 파악하기 위해 먼저 휨 강성시험을 수행하였으며, 조립식 강재 흙막이 구조체가 자유확폭 특징을 보유하고 있는 점을 고려하여 실제현장에서 주로 사용되고 있는 1800mm, 1900mm와 최장지간인 2000mm까지 총 세 가지 길이에 대해 시험을 수행하였다. 또한 기존 흙막이 구조체로 사용되는 1800mm 길이의 목재 구조체에 대한 실험도 병행하여 제안한 강재 구조체와 비교분석을 하였다. 시험 방법으로는 현장에서 흙막이 구조체가 H-pile의 플랜지에 놓인 상태에서 하중을 받는 상황을 모사하여 두 장의 판으로 구성된 하나의 설치용 흙막이 구조체를 UTM의 하중재하점 중앙에 두고 양쪽 끝지점에 I형강을 두고 그 위에 속 찬 환봉을 놓은 뒤 그 위에 조립식 흙막이 구조체를 올려 재하시험을 수행하였다. 실험모습과 실험결과를 나타내면 다음과 같다.

휨 강성시험에서는 흙막이 구조체를 양쪽의 속찬 환봉위에 올려놓은 상태에서 2000KN 용량의 재하시험기를 이용하여 재하속도 1KN/min로 재하 하였다. 실험결과, 목재와 같은 조건의 1800mm 강재 흙막이 구조체의 결과는 목재의 약 15배 수준인 138.78KN인 것으로 나타났으며 확폭된 2000mm의 결과도 94.3KN로 목재보다 약 10배 정도 큰 것으로 나타났다.

또한, 제안된 공법은 해체시공 시 지중인력 투입 없이 완전복토 후 지중에서 흙막이 구조체를 인발하도록 고안된 공법으로 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 양끝의 구조체를 일자형태의 커넥터를 통해 연결하여 Fig. 3의 오른쪽 그림에서 나타낸 바와 같이 해체시공 시 흙막이 구조체를 전량 회수하는데 이용하게 된다. 만약, 이 커넥터가 파손이 되면 흙막이 구조체의 회수가 불가능하므로 이를 방지하기 위해 커넥터는 2중 구조로 되어 있다. 이 커넥터에 대한 인장강도시험은 2중 구조 중 한 개만을 대상으로 하여 시험하였으며 이때, 시험체는 실제 커넥터의 도금 전 상태로 크기 및 재질 등 기본 물성값은 동일하다.

커넥터에 대한 인장시험결과, 45KN부터 육안으로 확인되는 변형이 발생되었으며 최종적으로 최대인장력은 51KN인 것으로 나타났다. 이 값은 가상의 지반조건(단위중량 1.8t/m³, 수평토압계수 0.85적용)을 고려할 때, 굴착깊이 15m에서 작용하는 최대수평력 25KN의 약 2배 정도의 값으로 일정수준 이상의 안전성을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 특히, 실제 현장에서 사용할 커넥터는 2중 구조로 구성되어 예기치 못한 과도한 토압이 발생하더라도 해체시공 시 커넥터가 파손되는 사례는 거의 없을 것으로 판단된다. 

또한, 제안된 조립식 강재 흙막이 구조체의 특성은 목재와 달리 수십 회 재활용할 수 있는 점이 특징으로 이러한 점이 특화되기 위해서는 반복사용 시 큰 변형이 발생하지 않고 회수될 필요가 있다. 이 연구에서는 위와 같은 내용의 타당성 검토를 위해 반복 하중재하를 통한 피로강도시험을 수행하였다. 피로강도시험 시 하중재하는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 1장의 흙막이 구조체를 대상으로 하였으며 이때, 적용하중은 초기하중 14.7KN하에서 편진폭 5.9KN과 9.8KN을 각각 재하하고 주기는 0.5Hz로 하였다. 또한, 시험체의 지간거리는 목재의 휨 강성시험 시와 같은 조건인 1800mm로 하였다. 피로강도시험과 그 결과를 나타내면 다음과 같다.

반복하중에 대한 피로시험결과, 위의 결과에 나타낸 바와 같이 600회 이상 반복하중에도 흙막이 구조체의 변형이 일어나지 않는 것을 확인하였다. 이 점으로부터 제안된 강재 흙막이 구조체는 시공 후 재사용이 가능하여 재사용횟수가 증가할수록 시공 경제성 증진에 크게 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

이상의 실험결과들로부터 강재요소가 적용된 흙막이 구조체는 기존 목재 흙막이 구조체보다 강도특성이 훨씬 뛰어나고 재활용성도 매우 우수한 것으로 나타나 목재 흙막이 구조체의 문제점 해소 및 시공 안전성을 크게 증진시킬 수 있을 뿐만 아니라 재활용 여부에 따라서 경제적인 시공도 가능할 것으로 판단된다.

3. 수치해석을 통한 현장 적용성 검토

이 연구에서는 현장 적용성을 검토하기 위해 실내실험을 통해 획득한 구조체의 특성을 입력변수로 하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 위해 사용한 프로그램은 유한요소법을 이용한 Midas GTS로 지반 구조물 및 터널의 해석, 탄소성 문제를 포함한 범용 구조 해석에 널리 사용되고 있으며 진동하중, 지진하중 등에 대한 동해석 또한 수행이 가능하다. 또한, 시공단계를 고려한 2, 3차원 해석이 필요한 문제를 단시간에 해석할 수 있으며 복잡한 기하학적 조건의 문제를 Auto-Mesh 기능을 이용하여 간단하게 모델링할 수 있다.

수치해석에 있어서는 3차원 모델링을 실시하였고 다양한 지반조건을 고려하기 위해 세 가지 지반 조건을 대상으로 해석을 수행하였다. 지반조건은 사질토, 개량 후 연약지반, 개량한 연약지반과 매립토의 복합지층이며 지반해석 모델은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 입력변수로서 흙막이 구조체의 물성은 실제 실험결과로부터 입력하였으며 목재의 경우 Gere and Goodno (2011)가 추천한 물성을 사용하였다.

또한, 각 지반의 대표물성의 경우, 매립토는 Choi (2010)의 연구결과로부터 획득하였고 사질토는 Korean Geotechnical Society (2009)에서 제시한 대표적인 평균물성을 적용하였다. 그리고, 연약지반의 경우에는 Cho (2007)가 제시한 물성값을 적용하였으며 이를 요약한 것은 다음과 같다.

조립식 흙막이 벽에 대한 수치해석은 3차원 해석으로 수행하였으며 이때, 굴착 깊이를 6m, 8m, 10m로 변화해가며 해석을 수행하였다. 근입깊이의 경우, Shin (2008)이 발표한 엄지말뚝의 근입 깊이 효과에 따른 검토내용을 참고하여 6m와 8m에서는 2m로 하였으며 10m에서는 3m로 하였다. 또한, 각각의 경우에 있어서 버팀(strut)을 적용한 경우와 미적용한 경우로 나누어 해석을 수행하였다. 흙막이 벽체에 대한 안정성 검토는 수치해석을 통해 산정된 벽체 변위를 통하였으며 이때, 한국지반공학회가 국내 굴착공사에 대한 계측자료로부터 흙막이 벽체의 종류에 따른 벽체 안정도를 분석한 결과를 통해 제시한 Table 3을 참고하여 적용하였다.

Table 3에서 1차 관리 기준치는 공사관리를 위한 목표설정을 하기 위함이고, 2차 관리 기준치는 주변 구조물에 영향을 미칠 수 있으므로 대비하라는 의미로 이 연구에서는 위의 범위인 0.2-0.4% 범위에서 하한의 값인 0.2%를 적용하였다. 위와 같은 조건으로 수치해석을 한 결과 중 한 케이스를 그림으로 나타내면 다음과 같다.

Fig. 7은 조립식 흙막이 벽체에 다양한 조건에 따른 변위를 나타낸 것으로 전반적으로 주변지반이 안정적이며 주로 흙막이 주변에 변형이 집중되는 것을 알 수 있다. 또한, 스트럿 보강이 된 흙막이 벽체는 엄지 말뚝하단에 스트럿 보강이 없는 흙막이 벽체는 중간 깊이에서 영향을 주로 받는 것을 확인할 수 있다.

다양한 지반조건에 대한 수치해석결과들을 종합하여 스트럿에 의한 버팀 유무에 따라 구분하여 요약정리하면 다음과 같다.

Tables 4 and 5로부터 목재에 대한 수치해석결과와 비교해 보면, 조립식 강재 흙막이 구조체가 모든 조건에서 안전한 것으로 나타났다. 지반조건을 달리한 결과들을 분석해 보면, 사질토의 경우에는 10m까지도 스트럿 없이 자립이 가능한 것으로 나타났으며 복합지반의 경우에는 스트럿 없이 6m까지, 연약지반의 경우에는 마찰각의 다소 큰 경우에는 2m까지 자립이 가능한 것으로 나타났다. 스트럿을 사용한 경우, 사질토 지반과 복합지반에서는 강재와 목재 결과가 유사한 것으로 나타났으며 실제 변형의 크기는 강재 흙막이 구조체가 작은 것으로 나타났다. 이상의 내용을 요약하여 정리하면 아래의 Table 6과 같다.

4. 현장시험시공을 통한 현장적용성 검토

이 연구에서는 제안된 흙막이 구조체의 현장 적용성 검토를 위해 현장시험시공을 수행하였으며, 이에 대한 전경은 Fig. 8과 같다.

그림에 나타난 바와 같이 현장 시험시공을 통하여 배면의 뒷채움 없이 배면에 밀착하여 흙막이 구조체를 설치하였으며 해체시공에도 지중인력투입 없이 완전복토 후 흙막이 구조체를 인발하여 전량 회수하였다. 이 같은 현장 시험시공으로부터 제안된 흙막이 구조체 사용 시의 시공 편의성과 안전성, 그리고 재활용성이 입증되었으며 향후 이 구조체를 통한 시공이 계속될 경우, 재사용에 의한 경제성 증진도 가능할 것으로 판단된다.

5. 결 론

이 연구에서는 기존 목재 흙막이 공법을 시공함에 있어 빈번히 발생하는 문제점들을 보안하는 조립식 강재 흙막이 공법을 제안하고 이에 대한 구조적 특성분석 실험과 수치해석 및 현장시험시공을 통한 현장 적용성을 검토하였다. 제안된 공법은 강재의 자유확폭이 가능하도록 고안되어 H pile의 연직성 및 일정치 못한 간격에도 대응이 가능할 뿐만 아니라 다단굴착 시에도 배면에 밀착설치가 가능하여 배면의 뒷채움이 필요치 않은 기술이다. 또한, 흙막이 구조체 간 양끝단이 커넥터로 연결되어 해체 시 이 커넥터로 연결된 구조체를 지중에서 회수가 가능한 기술로 이때, 지중투입인력이 필요치 않아 해체 시 빈번하게 발생하는 안전사고를 방지할 수 있는 점이 특징이다. 이 연구를 통해 결론은 다음과 같다.

(1)조립식 흙막이 벽체의 휨 강성시험결과, 목재 흙막이 벽체보다 10배 이상 휨 강성이 큰 것으로 나타났으며 연결부에 대한 인장시험결과, 최대인장력이 51KN으로 일반적인 굴착고 15m에 작용하는 수평력 25KN의 2배가 되는 것으로 나타났다. 또한, 휨 강성시험결과의 65% 수준과 70% 수준을 최대하중으로 하여 500회 이상의 피로시험을 수행한 결과, 미소한 변형만이 계측되었다. 이와 같은 실험결과로부터, 강재요소를 적용한 조립식 흙막이 벽체가 기존 목재 흙막이 구조체보다 강성이 뛰어날 뿐만 아니라 해체 및 재사용을 위한 구조적 특성 또한 특화된 것으로 판단된다.

(2)다양한 지반조건 변화에 따른 수치해석 결과, 조립식 강재 흙막이 시공시의 결과가 기존의 목재 흙막이 시공시의 결과보다 구조체 및 지반변형이 더 작게 나타나 제안된 조립식 강재 흙막이 공법이 기존 공법보다 우수한 것으로 나타났다.

(3)현장시험시공을 통한 현장 적용성 검토결과, 조립식 흙막이 벽체 설치시 자유확폭이 가능하고 배면지반에 밀착되어 설치가 가능한 것을 확인하였으며 해체 시공 시에도 흙막이 구조체가 연결 커넥터를 통해 전량회수됨을 확인하였다. 특히, 해체 시공에 있어서 완전복토 후 지중인력 투입 없이 기계장비만으로 인발회수됨을 확인하였다. 이로부터 제안된 강재 흙막이 공법이 해체 시공시 빈번히 발생하는 안전사고를 사전차단 하는데 큰 효과가 있을 것으로 판단되며 배면의 밀착설치를 통해 뒷채움 공정이 생략된 점은 최근 문제시 되는 지반함몰의 주요 원인 중 하나인 배면의 뒷채움 불량을 원초적으로 해결하는 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

(4)연구결과, 제안된 조립식 강재 흙막이 공법이 확대 적용될 경우, 우선적으로 시공 편의성과 안전성이 크게 증진될 수 있을 뿐만 아니라 구조체의 재사용으로 인한 시공 경제성 증진과 함께 목재 수입 절감에도 크게 이바지하여 국가 경제에도 일조할 수 있을 것으로 판단된다.