1. 서 론

일반적으로 적용되는 흙막이 벽체 공법의 종류로는 H-pile+토류벽, CIP, SCW (Soil Cement Wall), 널말뚝, 지하연속벽 등이 있는데 이들 흙막이 벽체 공법을 이용한 굴착공사에서 사고가 빈번하게 발생되고 있다. 이러한 사고는 지반이 갖는 불확실성, 설계, 계측 오류 및 과굴착 등에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다(Lee and Kim, 2008; Seong et al., 2011; Jeong et al., 2016).

흙막이 벽체를 설치하고 지반을 굴착하면 벽체에는 변형이 발생된다. 특히 도심지 구조물 근접 굴착 시 과도한 굴착으로 배면 지반 및 흙막이벽체에는 큰 변형이 발생된다. 과굴착은 흔히 버팀대 설치 위치보다 더 깊게 굴착하는 행위이다. 일반적으로 버팀대를 설치를 위한 최소 굴착깊이에 도달했을 때 버팀대는 신속하게 설치되어야 한다(Lee and Kim, 2015). 버팀대는 수평버팀대와 경사버팀대가 있다.

경사버팀대(raker)는 일단의 벽체에서 발생하는 주동토압을 타단의 지지체에서 발휘되는 수동토압(mobilizing passive earth pressure)으로 저항하는 부재이다(Fig. 1). 경사버팀대는 사보강재, 버팀대 등과 용어 혼선이 있어 이하 본 논문에서는 경사버팀대를 경사고임대(레이커, raker)로 칭하였다.

Fig. 1.

Schematic Diagram of Raker System and its Force Acting Direction & Photo of the Site Collapsed Temporary Wall

경사고임대의 지지체(지지블럭, 말뚝, 또는 복합)에서 발휘되는 수동토압은 지반종류에 따라 발휘되는 토압이 다르고 그에 따라 발생하는 변위의 크기가 달라진다(Budhu, 2010). 하지만 현재 설계기준에는 이러한 내용이 명확하게 서술되어 있지 않아 실제 발휘되는 수동측토압보다 과하게 수동토압 전부를 산정하여 불안전측의 설계를 하고 있고, 설계자 마다 서로 다르고 오적용하는 사례가 잦아 가설흙막이 현장에서 수시로 대변위가 발생하여 흙막이 붕괴로 인해 사회적(경제적 및 인명) 손실을 겪고 있는 것이 현 실정이다(Korea Expressway Corporation, 2012, 2013; Korea Rail Network Authority, 2015; Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012, 2013; Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014; Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016a, 2016b).

경사고임대가 적용된 가설흙막이 파괴 현장에서 원인을 살펴보면 좀 더 확실하게 지지블록(kicker block)에 대한 수동토압 적용의 문제점을 알 수 있다. Fig. 1의 현장을 예로 들면 아파트 신축공사장으로 굴착깊이는 약 5~6m, 흙막이 벽체 공법은 C.I.P 주열말뚝 공법, 지보공법은 경사고임대(raker)공법이 적용되었는데(NEWSis report, 2014), 사고 후 현장 조사에서 일부구간의 경사고임대가 흙막이 벽체와 같이 밀린 현상이 발생되었다. 이것은 경사고임대를 지지하는 지지블록이 활동하였기 때문이다. 지지블록의 경우 흙막이 벽체에서 발생하는 주동토압이 레이커를 통하여 전달되는 하중을 지지하는 것으로서, 지지블록에서 발휘되는 수동토압이 벽체에서 발생하는 주동토압을 저항하는 역할을 한다. 하지만 주동토압에 상응하는 수동토압이 발휘되기 위해서는 지지블록 측에서 주동변위보다 큰 변위가 발생되어야 한다. 그러나 실제 지지블럭 측에서는 주동변위보다 큰 변위가 발생하는 것은 매우 어려우므로 Rankine의 수동토압 전부를 보는 것은 지지블록측의 지지능력을 과대평가하는 것이 되어 블록이 밀리는 현상이 발생한 것으로 추정된다.

현재 설계 및 시방기준을 보면 경사고임대 지지블록의 수동토압 적용에 대한 내용을 기술하지 않고 있으나 옹벽의 경우는 다르다. 구조물기초 설계기준 해설(Korean Geotechnical Society, 2015)의 옹벽저판에서는 수동토압의 저항은 고려하지 않는 것으로 하여 안전측 설계로 유도하고 있는데 이유는 다음과 같다; 1) 수동토압이 발생하기 위해서는 상당한 옹벽의 변위가 필요하다, 2) 우수나 유수에 의하여 옹벽 앞굽 주변의 흙이 세굴 될 수 있다, 3) 옹벽 앞굽 주변은 되메움한 흙으로서 초기에는 충분한 강도를 기대하기 곤란하다. 이와 같이 수동토압을 고려하기 위해서는 변위도 함께 고려하여 신중한 판단이 필요하나, 경사고임대의 설계 시에는 지지블록에 작용하는 수동토압에 대한 신중한 고려가 이루어지지 않고 있다.

경사고임대 지지블록에 작용하는 토압, 특히 수동토압에 대한 설계기준이 제대로 정립되어 있지 않아 설계자 마다 검토사항이 서로 다르고, 이것에 대한 연구도 거의 이루어지지 않은 실정이다. 그래서 본 연구에서는 3차원 수치해석(Plaxis 3D)을 이용해 토사지반에서 경사고임대 지지블록에 발생되는 수동토압 산정과 변위가 연구의 주목적이다. 토사지반은 지지블럭이 사용가능한 연약지반과 풍화토지반을 선택하였으며, 각 지반별 어느 정도의 수동토압을 설계에 반영하는 것이 바람직한지 그 값을 제시하였다.

2. 기본 이론 및 기준

2.1 토압에 따른 변위

흙막이 벽체의 구조계산 시 일반적으로 안전측 설계를 위하여 Rankine 토압으로 계산을 수행한다. 주동토압은 벽체가 외측으로 이동할 때의 최소토압을 의미한다. 수동토압은 벽체가 내측으로 이동해서 지반을 측방으로 눌러서 상향으로 들어 올려 파괴시킬 때의 최대토압을 말한다. 이 토압도 소성평형상태 즉, 파괴상태의 토압을 의미하며 배면지반에서 무수히 많은 파괴면이 존재한다.

Fig. 2는 주동상태와 수동상태일 때의 변체의 회전 또는 수평변위에 따른 토압계수와의 관계를 나타낸 개념도이다. 정지상태로부터 최대 주동측 토압이 발생하는 변위의 크기는 최대수동측토압이 발생하는 변위의 크기보다 훨씬 작다는 것을 알 수 있다. 즉, 수동토압이 발휘되기 위해서는 주동토압이 발생하는 토압의 크기보다 훨씬 큰 힘이 벽체에 작용하여야 수동토압이 발휘된다는 것이 된다(Lim, 2013; Budhu, 2010). Table 1은 뒤채움 흙의 종류에 따른 주동 및 수동상태에서 벽체의 변위를 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Rotation Required to Mobilize Active and Passive Resistance (Budhu, 2010)

Table 1. Approximate Displacement of Retaining Wall to Stress State for Retained Soils (Budhu, 2010)

Note: Ho : Excavation depth, T : Translation, R : Rotation

2.2 설계 및 시방기준

Table 2는 기존 기준 및 시방서에서 수록된 경사고임대 관련 내용을 요약한 것이다. 이 표를 보면 경사고임대 지지블록의 수동토압 적용에 대한 내용은 기술하고 있지 않음을 알 수 있다.

Table 2. Relative Design Standards and Construction Specifications of Raker

3. 수치해석 조건

흙막이벽체의 주동토압에 의해 경사고임대 지지블록에 발생하는 수동토압을 산정하고 변위를 파악하기 위해 하중제어법에 의한 3차원 수치해석을 실시하였으며, 연구에서는 Plaxis-3D을 사용하였다(Ou et al., 1996; Lee et al., 1998; Lee, 2000; Jang et al., 2003; Finno et al., 2007; Yeow et al., 2006; Jeng and Kim, 2008; Dong et al., 2013).

3.1 해석단면 및 조건

경사고임대 지지블록에 발생하는 수동토압과 변위를 파악하기 위한 해석에 사용된 해석단면과 검토조건은 다음과 같다(Fig. 3). (a)는 지지블록의 수평변위에 따른 지지블록의 수동토압을 산정하기 위함이고, (b)는 실제 시공단계를 고려하여 굴착에 따른 지지블록 및 벽체의 수평변위를 산정하기 위함이다. 흙막이 공법은 Sheet Pile, 굴착심도는 8.69m이다. 지지블록의 제원은 높이 1.2m, 폭 1.8m로 적용하였다(Fig. 4).

Fig. 3.

Analysis Section : Kicker Block Installed in Soft Soil (or Weathered Soil)

Fig. 4.

Dimension and Shape of Kicker Block and its Installation Condition

해석종류는 Table 3에 나타낸 것처럼, 모델링 방법 및 지지블록의 지지층(연약지반, 풍화토)에 따라 총 4개의 해석을 실시하였다. 모델링 방법은 크게 2 가지(Case1, Case2)로 구분하였는데, Case1은 굴착면을 지표면으로 가정하여 지지블록의 수평변위에 따른 지지블록의 수동토압을 산정하여 Rankine의 수동토압과 비교하기 위함이고(Fig. 3(a)참조), Case2는 실제 시공단계를 고려하여 굴착직후 지지블록 및 벽체의 수평변위를 산정하기 위함이다(Fig. 3(b)참조).

Table 3. Type of Analysis

3.2 유한요소망 및 경계조건

본 해석에 사용된 단면은 Fig. 3과 같으며, 이를 반영한 유한요소망은 Fig. 5 및 Table 4와 같다. Case1의 경우 기초지반, 키커블록, 하중으로 모델링하였으며, Case2의 경우 기초지반, 지지블록, 흙막이벽(Sheet Pile), H-Pile 및 띠장을 고려하여 모델링하였다. 토압으로 인해 x방향 구속조건에 지반변위가 영향이 받지 않도록, x방향 길이는 충분히 적용하였다. 3차원 유한요소망에서의 변위경계조건은 x방향 및 y방향 좌우연직면은 수평변위를 구속하였고, z방향 최저면은 연직변위를 구속하였다. 각 재료에 적용된 요소와 해석모델은 지반 및 지지블록은 15절점 삼각형요소와 Hardening Soil 모델(쌍곡선모델)을, 띠장, 경사고임대는 3절점 Beam 요소와 Linear Elastic 모델(선형탄성모델)을, 흙막이판은 Plate요소와 Linear Elastic 모델을 각각 적용하였다. 유한요소 해석은 연속체 해석으로 이질 재료의 거동에서는 실제와 다소 차이가 발생할 수 있어서 인터페이스 요소를 사용하였다.

Table 4. Number of Elements and Nodes Used in Numerical Analysis

Fig. 5.

Mesh of Cases Adopted

벽체와 지반사이에 적용한 interface는 12절점 interface 요소로 구성되어 있다. 벽체와 지반사이에 적용된 interface 물성은 인접한 지반의 강도감소요소(Rinter)으로 정의하였다(Eqs. (1) and (2) 참조).

 (1)

 (2)

여기서, =interface의 점착력, = interface의 내부마찰각, = 인접한 지반의 점착력, = 인접 지반의 내부마찰각, = 강도감소요소()로 Plaxis3D Reference manual에서 제시된 값을 적용하였다.

3.3 해석적용 지반정수

본 해석에 사용된 지반모델인 Hardening Soil Model은 지반의 응력-변형관계는 Hyperbolic Model으로 모사하고, 지반의 파괴는 Mohr-Coulomb으로 정의된 모델이다. 따라서 해석적용 지반정수는 변형 및 파괴를 규정하기 위한 Parameter가 필요하다. 지반의 응력-변형률 거동은 파괴조건에 근접할수록 비선형으로 되는데, Hardening Soil Model은 지반의 변형계수(, , )를 변화함으로써 지반거동을 모사하는 모델이다. Hardening Soil Model의 기본 응력-변형 방정식은 Eq. (3)와 같다(Fig. 6 참조).

Fig. 6.

Stress-Strain Relation of Hardening Soil Model

 (3)

여기서, , : 축차응력, ,

      , 

      : 구속압 100kPa일 때 기준강성,

      , m=0.5~1.0

제하 및 재재하시 응력의존성 강성은 Eq. (4)와 같다.

 (4)

여기서,

수치해석에 필요한 해석 파라메타(Tables 5~7) 산정근거는 레이커 공법이 적용된 “OO지구 행복주택 건설현장” 지반조사 보고서 및 구조계산서를 참조하여 결정하였다.

Table 5. Soil Properties and Models Used in Numerical Analysis

where,  : Dilatancy angle

Table 6. Soil Properties and Models in Numerical Analysis

where, E : Elastic modulus of kicker block,: Secant elastic modulus of soil, : Tangential elastic modulus of soil,: Elastic modulus of soil for loading and unloading (),: Poisson's ratio for loading and unloading) (ur is assumed as 0.2 for hardening soil model)

Table 7. Properties of Earth Retaining Wall, Wale, and Raker

where, I3 : 2nd moment of inertia about 3 axis, I2 : 2nd moment of inertia about 2 axis

3.4 해석단계

이 해석에 이용된 해석단계는 모델링 방법(Case1, Case2)에 따라 구분하였는데, Case1은 굴착면을 지표면으로 가정하였고, Case2는 굴착단계 및 흙막이 벽체를 고려하였다. 흙막이벽 고려 시 해석단계는 “흙막이벽 설치 → 굴착 → 경사고임대 및 지지블록 설치 → 굴착”순서가 바람직한 해석단계이나, 이 해석의 목적이 배면토압에 의한 지지블록의 토압특성 평가에 주목적을 두므로, 지지블록 설치 전 굴착에 의한 토압영향을 고려하기 위해 “흙막이벽 설치, 경사고임대 및 지지블록 설치 → 굴착 → 배면하중 작용”순으로 적용하였다.

4. 수치해석 결과 및 분석

4.1 변위분석

Figs. 7 and 8은 3차원 수치해석에 의한 변형된 유한요소망을 보여주고 있다. 지지블록에 적용된 하중은 제시된 모델링 방법(Case1, Case2)에 따라, Case1은 Point load로, Case2은 굴착단계에 의한 배면토압이 경사고임대로 전이된 하중이 적용되었다.

Fig. 7.

Computed Mesh Deformation : Kicker Block Installed in Soft Soil

Fig. 8.

Computed Mesh Deformation : Kicker Block Installed in Weathered Soil

Point load 및 굴착단계에 의한 배면토압 영향으로 지지블록 수동측 지반은 지반 밀림현상과 융기가 크게 발생하고 있으며, 지지블록 기초지반 및 흙막이벽 배면에는 침하가 발생하고 있음을 알 수 있다. 지지블록의 변형특성은 경사고임대 하중이 45°로 작용함에 따라 지지블록의 변형이 부등변위로 나타났다.

4.2 응력분석

Figs. 9 and 10의 변형그림을 살펴보면 3차원 수치해석에 의한 주변형률 등고선( contour)을 보여주고 있다. 3차원 수치해석에 의한 주변형률 발생위치는 지지블록 기초지반과 수동측 지반에서 활동형상을 보이면서 발생하고 있음을 알 수 있다. 한 가지 특이한 사항은 지지블록에 작용하고 있는 Point load와 굴착단계에 의한 배면토압에 의해 지지블록이 수평으로 이동하는 것이 아니라, 원호활동특성을 보이고 있다는 것이다. 이것은 지지블록 안정성 검토를 원호활동해석을 통해서도 가능하다는 것을 보여주는 예이다. 특히, 지지블럭의 안정성은 지지블록의 수동토압 뿐만 아니라 지지블록의 기초지반의 전단강도(점착력 및 내부마찰각) 및 지지력과 깊은 관계가 있음을 알 수 있다. 이것과 관련된 연구는 향후 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Computed Strain Counter : Kicker Block Installed in Soft Soil

Fig. 10.

Computed Strain Contour : Kicker Block Installed in Weathered Soil

4.3 지지블록의 변위에 따른 수동측토압 특성

Fig. 11는 지지블록 설치지반이 연약지반일 때의 Point load에 의해 발생된 “지지블록 수평변위에 따른 지지블록의 수동측토압 곡선”을 보여주고 있다(이론적 수동토압()과 해석결과인 수동측토압()을 구분함). 그리고 점선은 연약지반에서의 Rankine 수동토압을 나타내고 있다. 여기서 산정된 수동토압은 경사고임대 설치간격이 3.5m이므로 지지블록 종방향 길이 3.5m에 대한 수동토압이다.

SC_1_1은 지지블록만 설치한 후 Point load에 의한 “지지블록 수평변위에 따른 수동측토압 곡선”이다. 이 곡선에서 수치해석에 의한 지지블록의 수동측토압은 Rankine의 수동토압보다 크게 나타나는 부분에 대해서는 이론적 논의대상이 아니다. 해석상 수평변위가 큰 폭으로 증가하는 파괴 이후로 단지 수동파괴 이후의 잔류저항에 의한 변위상태(무한변위 발생)로 볼 수 있을 뿐이기 때문이다. 즉, 수치해석에 의한 수평변위-수동측토압 곡선과 이론적 Rankine의 수동토압이 만나는 점을 수동파괴점으로 볼 수 있다.

하중-변위 곡선은 재료의 항복점, 극한강도 등 재료가 지니 성질을 나타내기위해 많이 사용한다. 본 연구에서는 수치해석 결과로 나온 지지측수평토압과-지지블록변위 관계 곡선에서 파괴점을 Rankine 수동토압선과의 교차점으로 정하였고(설계에서 수동파괴점 이후의 값을 다루는 것은 무의미하므로), 그 이하에서 발생하는 항복점은 해석결과 뚜렷한 변곡점을 정할 수 없어 Fig. 11과 같이 수평변위-수동측토압 곡선에 접선을 그어 그 교차점을 항복점(yield point)으로 선정하였다.

Fig. 11.

Relation between Horizontal Displacement and Passive Force of Kicker Block Installed in Soft Soil

본 연구에서 중요한 것은 어느 범위까지를 설계에서 경사고임대로 전달된 하중을 지지하는 지지블록의 수동측토압()으로 볼 수 있느냐 하는 것이다. 그래서 수평변위-수동측토압 곡선에서 항복점(yield point)을 그림과 같이 선정한 결과 항복점에서의 수동측토압은 Rankine 수동토압의 약 55.5%가 되는 것으로 나타났다.

Fig. 12은 지지블록 설치지반이 풍화토일 때의 Point load에 의해 발생된 “지지블록의 수평변위에 따른 지지블록의 수동측토압 곡선”을 보여주고 있다. 그리고 점선은 풍화토 지반에서의 Rankine 수동토압을 나타내고 있다. Fig. 11에서와 같은 방법으로 수평변위-수동측토압 곡선의 교차점으로 항복점을 아래 그림과 같이 설정하였다. 이 점까지는 경사고임대 지지블록의 저항지반에 항복이 발생하지 않도록 설계하여야 하므로 수동측토압은 이 항복점까지 논의되어야 한다. 이 때 수동측토압은 Rankine 수동토압의 약 66.6%가 되는 것으로 나타났다. 풍화토지반에서 수동측토압은 연약지반에서의 수동측토압(55%) 보다 약 10% 정도 증가된 것을 알 수 있다.

Fig. 12.

Relation between Horizontal Displacement and Passive Force of Kicker Block Installed in Weathered Soil

4.4 시공단계별 흙막이벽체 및 지지블록의 수평변위

4.4.1 단계별 흙막이벽체 수평변위

Fig. 13은 지지블록 설치지반이 연약지반이며, 굴착단계(Excavation- 1st, Excavation-2nd, Excavation-3rd 및 배면하중재하(13kPa))에 따른 심도별 흙막이벽체 수평변위를 보여주고 있다. 지반의 굴착심도가 깊어질수록(Excavation-1st → Excavation-2nd → Excavation- 3rd), 배면하중이 작용할수록(배면하중재하, 13kN) 흙막이벽체의 수평변위는 점진적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 흙막이벽체의 최대 수평변위는 시공단계가 증가할수록 증가하나, 대부분의 수평변위는 Excavation-2nd에서 발생하고 있음을 알 수 있다. Excavation- 2nd 굴착 후 벽체 수평변위(74.55mm 최상부 위치)는 매우 크게 증가하며, 지지블록 설치 후 Excavation-3rd 및 배면하중재하(13kPa)시 수평변위는 79.27mm 및 85.73mm으로 수평변위 증가량이 급격히 둔화하고 있음을 알 수 있다. 이 결과는 설치된 경사고임대가 벽체의 수평변위를 감소시키는 역할을 할 수 있음을 보여준다.

Fig. 13.

Horizontal Displacement of Earth Retaining Wall with Depth in Case of SC_2_1 : Kicker Block Installed in Soft Soil

Fig. 14는 지지블록 설치지반이 풍화토지반으로 연약지반에서와 유사하게 지반의 굴착심도가 깊어질수록 흙막이벽체의 수평변위는 점진적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 하지만 예상한 바와 같이 풍화토에 설치된 흙막이 벽체가 연약지반에 설치된 것보다 훨씬 벽체 변위가 작게 발생되는 것을 볼 수 있다. 최상부 수평변위를 기준으로 풍화토지반에서는 연약지반에 비해 약 80%의 변위가 감소되는 것으로 나타났다. 흙막이벽체의 최대 수평변위는 시공단계가 증가할수록 증가하나, 대부분의 수평변위는 Excavation-2nd에서 발생하고 있다. Excavation-2nd 굴착 후 수평변위(13.63mm)는 크게 증가하며, 지지블록 설치 후 Excavation-3rd 및 배면하중재하(13kPa)시 벽체 최상부 위치에서 수평변위는 15.93mm 및 18.18mm으로 수평변위 증가량은 둔화되고 있다. 연약지반에서와 같이 풍화토지반에서도 지지블록의 역할을 분명하게 알 수 있다.

Fig. 14.

Horizontal Displacement of Earth Retaining Wall with Depth in Case of WS_2_1 : Kicker Block Installed in Weathered Soft Soil

4.4.2 경사고임대 설치 후 지지블록의 수평변위

경사고임대 및 지지블록은 Excavation-2nd이후 설치되므로, 경사고임대 및 지지블록의 수평변위는 Excavation-3rd, 배면하중재하(13kPa)단계에서만 발생된다. Figs. 15 and 16는 앞의 결과 Figs. 13 and 14를 이용하여 연약지반과 풍화토지반에서 Excavation- 3rd와 배면하중재하(13kN)단계에서 지지블록과 경사고임대 연결지점(GL(-)2.0m) (Figs. 13 and 14에서 빨간색 원으로 표시) 흙막이 벽체에서의 수평변위를 보여준다.

Fig. 15는 연약지반에서 결과로, 지지블럭과 벽체의 변위를 비교해 보면, 3단계 굴착 후 지지블럭은 5.16mm 움직이고 경사고임대와 벽체의 접속부에서는 4.62mm의 움직임이 발생되었다. 배면하중 재하 단계에서는 지지블록에서 9.08mm 접속부에서 10.49mm가 각각 발생되었다. 서로 약간의 차이는 있지만 벽체의 변위와 지지블록의 변위가 거의 같게 발생된 것을 볼 수 있다. 이것은 경사고임대를 통해 지지블록에 하중 전달이 잘 되고 있음을 나타내는 결과이다. 풍화토 지반에 대한 결과(Fig. 16)도 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 15.

Horizontal Displacement of After 3rd Stage of Excavation at the Kicker Block and the Connecting Point of Raker to Wall in Case of SC_2_1 : Kicker Block Installed in Soft Soil

Fig. 16.

Horizontal Displacement of After 3rd Stage of Excavation at the Kicker Block and the Connecting Point of Raker to Wall in Case of WS_2_1 : Kicker Block Installed in Soft Soil

배면하중 재하 후 증가된 변위는 지지블록의 하중 지지 역할이 증가되었다는 것을 의미하는데, 이때 한 가지 주의할 점은 지지블록 배면하중의 지반이 항복점 이내 인지 확인이 필요하다.

4.5 지지블록의 변위와 수동측토압()의 관계

Fig. 17 연약지반에서 지지블록의 수동측변위(Fig. 15)와 수동측토압 곡선(Fig. 11)을 같이 표현한 것이다. 이 그림의 목적은 3단계 굴착 단계와 배면하중 재하에서 발생된 지지블록의 수동측변위와 Fig. 9에서 선정된 설계에 적용할 수 있는 지지블록의 수동측토압()에 해당되는 항복점(Rankine 수동토압의 약 55.5%)과 비교하기 위함이다. 지지블록의 설계에 있어 지지블록의 배면지반에 항복이 발생되지 않도록 해야 하므로 수동측변위가 어느 위치에 있는가는 매우 중요한 판단기준이 될 수 있다.

Fig. 17.

Relation between Horizontal Displacement of Kicker Block After 3rd Excavation and Surface Loading Imposing and Passive Force in Kicker Block () Installed in Soft Soil

그림에서 보면 3단계 굴착 후 지지블록의 변위는 항복점 위치보다 약간 크고, 배면하중 재하단계에서는 항복점 위치를 크게 벗어나 있음을 알 수 있다. 이 결과를 보면 3단계 굴착 단계에서 지지블록이 기능을 발휘하지만 지지블록 변위가 배면 지반의 항복점을 약간 상회하고 있으므로 주의가 요구된다. 배면하중 재하단계에서 지지블록의 변위가 배면 지반의 항복점을 크게 상회하므로 더 이상 경사고임대 지지 역할을 할 수 없다고 볼 수 있다.

Fig. 18은 풍화토지반의 경우로, 지지블록의 수동측변위(Fig. 16)와 수동측토압 곡선(Fig. 12)을 같이 표현한 것으로 3단계 굴착 단계와 배면하중 재하단계 모두 블록의 수평변위가 항복점 변위 이내에 존재한다. 이것은 지지블록이 배면하중 재하단계에서도 경사고임대 지지역할을 하고 있을 보여준다.

Fig. 18.

Relation between Horizontal Displacement of Kicker Block After 3rd Excavation and Surface Loading Imposing and Passive Force in Kicker Block () Installed in Weathered Soil

5. 결 론

(1)3차원 수치해석을 통해 연약지반과 풍화토 지반조건에서“지지블록 수평변위 - 수동측토압”곡선을 산정하여 설계에 적용할 경사고임대 지지블록에서의 저항력인 수동측토압()을 산정하였다.

(2)수동측토압()은 이론적 Rankine 수동토압()과 지지블록이 설치된 배면 지반에서 발생하는 토압이 지반의 항복상태를 초과하지는 않아야 된다는 조건을 전제로 수치해석결과 연약지반에서는 Rankine 수동토압의 55.5% (약1/2), 풍화토에서는 약 66% (약1/3)로 나타났다.

(3)굴착단계에 따른 지지블록의 수동측변위와 수동측토압() 비교 결과, 연약지반에서는 배면하중 재하단계에서 지지블록 배면 지반이 본 연구에서 정한 항복 이후이므로 더 이상 경사고임대 지지 역할을 할 수 없는 것으로 나타났고, 반면 풍화토지반에서는 배면하중 재하단계에서도 지지블록의 수평변위가 항복점 변위 이내에 존재하는 것으로 나타나 경사고임대 지지역할을 하는 것으로 나타났다.

(4)앞으로 다양한 지반에 대한 해석과 현장실험 등을 수행하여 경사고임대의 설계에 적용할 수 있는 적절한 안전율을 결정하여야 할 필요가 있다고 판단된다.