6장(지반굴착및흙막이구조물).
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Transcript 6장(지반굴착및흙막이구조물).
6장 지반굴착 및 흙막이벽체
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.1 개 요
기초구조물이나 지하구조물을 설치하기 위한 굴착공사에 사용되는 각종 공법
• 굴착설계 업무의 순서
사전조사
자료수집
기본계획
설 계
허가, 착공
도서 작성
시 공
그림 6.1 굴착 설계 실무 진행 흐름도
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.2 지반굴착공법의 종류
6.2.1 굴착공법의 종류
사면개착공법(Open cut 공법)
자립식 개착공법
전면 개착공법
지지식 개착공법
흙막이개착공법
아일랜드컷공법
굴착 공법
분할 개착공법
역타공법(Top-down 공법)
트렌치컷 공법
오픈케이슨공법
케이슨공법
뉴메틱케이슨 공법
그림 6.3 굴착공법의 종류
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.2.1 굴착공법의 종류
(a) 사면개착공법
(b) 흙막이자립식개착공법
(c) 흙막이지지식개착공법
(d) 역타공법
그림 6.4 굴착공법의 현장 적용 예
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.2.2 흙막이 벽체공법의 비교
표 6.1 주요 흙막이 벽체공법의 종류와 특성
H-Pile + 흙막이판
CIP
SCW
지하연속벽
공
법
상
세
도
장
점
단
점
안
정
성
• 공사비 저렴
• 자재 재사용가능
• H-Pile 규격에 따라
소형장비사용 가능
• 소요공기 적음
• 시공숙련도 높음
• 벽체강성이 좋음
• 불규칙한 평면형상에도
적응성 좋음
• 인접구조물에 영향 적고
장비 소규모
• 시공숙련도 높음
•
•
•
•
•
별도차수 불필요
토사 유실 적음
시공속도가 빠름
소음 진동이 적음
시공오차가 거의 없고
CIP에 비해 저렴
• 차수성이 낮음
• 토사유출 가능성 큼
• 흙막이판과 지반의
여굴로 주변지반 침하우려
• 민원발생빈도 높음
• 기둥간 연결 불량, 수직도
문제로 보조차수 필요
• 암반층은 천공곤란
• 깊이가 깊은 경우 수직도
불량
• 두꺼운 자갈 암반층에서
천공곤란
• 점성토에서는 강도가
낮고, 시멘트 소요량 증가
• 천공장비 높이 제한
• 벽체의 강성이 낮은편으로
흙막이벽체 역할을 할 수
있으나 벽체변형을 다소
허용해야 함
• 인접지반 침하발생
• 주열식 강성체로서 벽체
강성이 크므로 흙막이벽
역할을 충분히 할 수 있고,
도심지근접시공에 유리함
• 연속벽체 차수 및 흙막이
벽의 2중 역할을 충분히
할 수 있으며, 벽체강성은
H-pile과 CIP의 중간 정
도
•
•
•
•
•
벽체 강성이 우수
완전 차수 가능
건물벽체로 사용가능
대심도 굴착 가능
수평변형이 작아 민원에
가장 유리
•
•
•
•
공사비 고가
긴 공기 소요
장비 규모 큼
철저한 시공관리 및 정밀
시공이 필요
• 시공오차 수정곤란
• 단면강성이 커 흙막이벽
및 영구 구조체로 역할
• 배면부 지반의 이완을
최소화시킴
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.2.3 흙막이 지지공법의 비교
표 6.2 흙막이 지지공법의 종류와 특성
지지 공법
공법 개요
자립공법
(cantilever)
- 굴착대상 지반의 강성이 크고 주변에 보호하
여야 할 구조물이 없는 경우 흙막이 벽체만으
로 토압을 지지하면서 굴착함.
- 지반강성이 크고 얕은 굴착(2~3m)에서 활용
- 주동토압을 지지할 수 있는 근입장이 필요
역타공법
(top-down)
- 지중연속벽과 기둥을 지중에 먼저 시공한 후
지하층 슬래브를 상층부로부터 하부로 시공
하여 이를 지지구조물로서 활용하는 공법
- 지하, 지상구조물을 동시에 시공 가능
- RCD 기초로 기둥 설치
- 지하굴착 작업시 토공반출, 환기, 조명 등 유리
버팀보공법
(strut)
- 흙막이 벽체를 설치하고 일정심도까지 굴착
한 후 강재를 설치하여 토압에 저항하도록 함
- 규모가 작고, 사각형 평면에 효과적
- 재질이 균질하며 강성이 큰 지지구조물 형성
- 길이가 길 경우 좌굴 등으로 불안정 우려
앵커공법
(anchor)
- 지반을 천공한 후 미리 제작된 강선을 삽입하
여 자유장 부분과 정착부를 구분하여 주입한
후 정착부의 마찰저항에 의해 인장력을 지지
토록 함
- 굴착평민이 임의적이고 지표고가 상이한 현장에 효과적
- 작업공간이 넓어 공사 기간이 단축됨
- 정착부 마찰저항 확인 필요
소일네일링공
법
(soil nail)
- 앵커 대신에 소일네일을 설치하며 상부에서
하부로 와이어 메쉬를 대고 숏크리트로 벽체
형성하며 굴착함
- 소일네일 간격 : 1.0~1.5m
- 숏크리트 두께 : 15~30cm
- 벽체와 일체식 구조물을 형성
- 앵커공법시 필요한 벽체 강재 천공이 불필요하므로 소음 및
진동 유발 요인이 적음
- 공사비가 저렴
- 굴착면을 45°정도의 경사면으로 굴착한 후
강재를 기울여 흙막이 벽체와 지반의 지지체
에 고정되도록 설치함
- 깊이가 10m 이내로 깊지 않고 앵커, 버팀보의 설치가 어려
운
경우 적용
- 지반이 견고하여 블록 지지가 가능하여야 함
- 수동부를 사면 굴착하므로 초기 변형이 많이 발생
레이커공법
(raker)
공법 특성
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6.3 주입공법
6.3.1 개요
주입공법은 주반내에 주입관을 삽입시킨 후 이를 통해 주입재를 압송, 충진시켜
지반을 고결시키는 공법으로 주입공법의 목적은 지반의 차수, 지반의 보강 및
차수와 보강을 동시에 만족하도록 사용
6.3.2 주입공법의 목적
표 6.3 주입공법의 용도에 따른 분류
지반보강용
- 얕은기초의 지지력 증대
- 터널 천단부 보강
- 옹벽 토압 경감
기초용
- 고강도인 경우 말뚝으로
대체 사용
- 구조물 침하 복원
차수용
흙막이 보강용
- 굴착저면의 보일링 방지
- 흙댐 커튼 그라우팅
- 흙막이 배면차수
- 흙막이 벽체 강성 증대
- 고강도인 경우 자립벽체
형성
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6.3.3 그라우팅 주입재 종류
시멘트계
비약액형
점토계
가장 일반적 주입재, 조립토에 적용, 겔타임이 많이 소요
강도가 낮아 차수용으로 적용
아스팔트계
주입재
물유리계
약액형
물유리+시멘트+
벤토나이트
점성이 커 블리딩 감소, 강도가 낮아
차수용으로 적용
물유리+시멘트
(LW주입재)
적용범위가 높고 비율에 따라 겔타
임 및 강도 조정
경화제
알카리, 비알카리계로 구분, 점성 낮
고 침투효과 크나 강도 낮음
우레탄계
유속 빠른 지하수의 차수효과 우수,
강도증대, 주입재 고가
아크릴아미드계
고분자계
요소계
점성 낮아 침투성 우수, 강도증진효과,
독성으로 특수목적에만 사용
리그닌계
그림 6.8 주입재의 일반적인 분류 및 특징
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6.3.4 주입공법의 종류
주입공법은 주입형태에 따라 충전, 맥상, 경계 및 침투주입으로 분류하고 주입재의
혼합방식 및 겔 타임에 따라 1.0, 1.5, 2.0 shot방식으로 구분
표 6.4 주입공법의 따른 분류
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6.3.5 국내의 대표적 주입공법
1 SGR(space grouting rocket)공법
2
LW(labiless wasser glass) 공법
3
JSP(jumbo special pattern)와 SIG(super injection pile)공법
4
RJP(Rodin jet pile) 공법
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6.3.5 국내의 대표적 주입공법
◆ SGR(space grouting rocket)공법
이중관 로드에 특수 선단 장치와 3조식 교반장치를 갖추고 지반내에 유공관
을 형성하여 급결성과 완결성의 주입재를 저압에 의해 복합 주입하여 지반
을 그라우팅하는 공법
그림 6.10 SRG공법
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◆ LW(labiless wasser glass) 공법
그라우팅재로서 주재료는 물유리 용액을 사용하고 경화재로는 시멘트 현탄액
과 벤토나이트를 사용하여 지반 속에 침투시켜 지반을 강화시키는 공법
그림 6.11 LW공법
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◆ JSP(jumbo special pattern)와 SIG(super injection pile)공법
고압으로 경화재를 에어제트와 함께 복수의 노즐로 분사시켜 지반의 토립자
와 교반하여 그라우팅체를 형성하는 공법으로 지반보강과 차수벽 공사, 기
초 등에 이용하는 저진동, 저소음 공법
그림 6.12 JSP공법
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◆ RJP(Rodin jet pile) 공법
RJP공법은 초고압수 분류체와 공기 분류체, 초고압 경화 분류체와 공기 분
류체를 다중관 로드의 성단에 정착된 다중관로드의 선단에 장착된 모니터
를 통해 합류시키는 2단계 분할방식 분사 공법
그림 6.13 RJP공법
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6.4 흙막이공법의 설계
6.4.1 흙막이 구조물의 설계 시 검토사항
흙막이 구조물의 설계는 먼저 현장의 주변여건과 지반조사 자료를 충분히
분석하여 적합한 공법을 선정한 후에 표 6.6의 검토사항들을 고려하여
흙막이벽체 및 지지체의 단면을 결정
표 6.6 흙막이 구조물 설계 시 검토사항
항 목
세부항목
흙막이 벽체의 안정성
응력(축력, 모멘트, 전단력), 변위, 지지력
지지체의 안정성
응력(축력, 모멘트, 전단력), 앵커길이
굴착바닥의 안정성
boiling, heaving
주변 구조물의 안정성
침하, 수평이동
지하수 처리에 관한 문제
간극수압 변화에 따른 침하, boiling
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6.4.2 지반의 공학적 물성값
설계과정에서 가장 선행되는 주요사항은 굴착지반의 공학적 물성값을 현장
여건에 적합하게 선정하는 것
◆ 시추조사
지층 종류 및 심도측정, 표준관입시험, 실내 토성시험, 암석일축강도시험,
현장투수시험, 지하수위 측정 등
◆ 굴착 깊이 20m이상일 시 보다 정밀한 조사결과를 위해 수행되는 시험
공내재하시험, 공내전단시험, 시추공영상촬영(BIPS, borehole image
processing system)
◆ 점성토 지층이 두껍게 분포하는 경우
삼축압축시험, 콘관입시험, 압밀시험 등 지반의 변형-응력 특성을 파악하
기 위한 시험 추가적으로 수행
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6.4.3 토압
◆ Peck(1969)의 수정토압
◆ 제한사항
1
제안된 토압분포는 겉보기 상한값이라고 함. 그러나 실제 토압분포는
시공 과정 및 흙막이벽의 상대적인 유연성에 따라 변함
2
제안된 토압분포도는 굴착심도가 6m이상일 때 적용
3
지하수위는 굴착면 하부에 있다는 가정하에 사용
4
사질토 지반은 간극수압이 0인 배수상태로 가정
5
점성토 지반은 비배수 상태로 간극수압은 고려하지 않음
6
토압증가를 직사각형 분포로 고려
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◆ Peck(1969)의 수정토압
그림 6.14 Peck의 수정토압 분포도
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◆ Tschebotarioff(1973)의 토압
시공 후 시간경과에 따라 함수비 변화와 인장균열 등에 의하여 횡토압이
증가하는 것을 고려하여 버팀대에 작용하는 하중을 산정
그림 6.15 Tschebotarioff 토압 분포도
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◆ NAVFAC DN(1982)의 토압
• 버팀보 지지벽
점성토 지반의 안정수, Ns가 4~6 사이인 경우는 (b)와 (c)중에서 더 큰 값을
사용하며, (c)에서 변위가 작고 공사기간이 짧은 경우에는 둘 중, 작은 값을
사용
그림 6.16 NAVFAC DM의 버팀보 지지벽 토압분포도
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◆ NAVFAC DN(1982)의 토압
• 앵커 지지벽
◆ 그림 6.17(a)의 경우: 변형이 심하게 발생하고 앵커 설계하중의 100%가
미리 가해지는 경우는 정지상태 조건으로 토압을 산정
◆ 그림6.17(b)의 경우: Ko=0.5~0.6 인 정지토압상태로 계산하며, 정규
압밀 점토에서 압밀이 발생될 가능성 때문에 과도한 앵커 인장력을 주어
서는 안됨
그림 6.17 NAVFAC DM의 앵커 지지벽 토압분포도
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6.4.4 수압
1
정수압 전체를 고려하는 방법(그림 6.19 (a))
2
개수식과 같이 굴착 진행에 따라 저하시키는 방법(그림 6.19(b))
3
토사층은 정수압을 적용하고 암반층부터 굴착바닥까지 직선으로 감소
시키는 방법(그림 6.19(c))
4
토사층만 정수압을 고려하는 방법(그림 6.19(d))
5
전체 정수압의 60~70%를 고려하는 방법(그림 6.19(e))
6
침윤(seepage)해석 결과로부터 수압을 고려하는 방법
그림 6.19 수압의 고려 방법
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6.4.5 상재하중
표 6.8 집중하중 및 선하중에 의한 토압증가량 산정(Terzaghi, 1954)
◆ 과재하중
• 탄성론적인 방법을 적
용하여 지반탄성계수가
깊이에 따라 선형적으로
증가하는 개념으로 접근
• 집중하중과 선하중이
작용할 때 강성벽체에 미
치는 횡방향 압력을 탄성
이론을 기초로 하여
Boussinesq(1883)가 시
험에 의해서 도표로 작성
하였으며, 연성벽체 설계
시 이를 수정한 표 6.8을
이용하여 토압증가량을
산정할 수 있음
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6.4.5 상재하중
◆ 인접건물 하중
◆ 그림 6.21(a)와 같이 인접한 구조물로 인한 추가 영향을 고려하기 위해
건물하중을 상재하중으로 그림 6.21(b)와 같이 작용
◆ 그림 6.21(c)와 같이 인접 건물의 기초심도를 지표로 고려하여 상부 흙
하중 및 건물하중을 상재하중으로 작용하여 안전하게 설계
그림 6.21 인접건물의 하중 고려 방법
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6.4.6 흙막이벽의 해석방법
◆ 간편 해석법 (지보재의 축력을 구하는 방법)
(a) 지보재와 지간의 ½에 해당하는 토압을 지지구조물이 분담하는 개념
(b) 굴착과정을 고려하여 다음 지보재 설치 이전까지의 토압을 상부 지보재
가 분담한다고 가정하여 축력을 구하는 방법
(c) 지보재의 축력뿐만 아니라 흙막이 벽체의 응력을 산정할 수 있는 방법
으로서 지보재에 의하여 구분되는 구간을 단순보로 가정하여 토압을
작용시키는 방법
그림 6.22 간편해석법
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◆ 탄소성보법
흙막이벽체는 탄성보, 지지구조물은 탄성스프링, 지반은 탄소성 스프링
으로 모델링하여 흙막이 벽체의 안정성 및 부재에 작용하는 하중을 계산
하는 방법
d 4 x AEt
EI 4
x Pi K s x
dy
L
(6.1)
E , I : 흙막이 벽체의 탄성계수 및 단면 2차모멘트
A, E t , L : 지보공의 단면적 , 탄성계수 , 길이
Pi :초기토압
K s : 지반의 수평방향 지반반력계수
x : 깊이 y지점에서의
( kN / m 2 )
벽체의 x 방향 변위
그림 6.23 탄소성보법을 이용한 모델링
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◆ 흙막이 벽체 근입부의 가상지지점
흙막이 벽체의 근입부에서는 배면에서 작용하는 토압에 의해 굴착면보다
깊은곳에서 변위가 0인 가상지점이 위치하게 되며, 그 깊이는 굴착면의 지
반 조건에 따라 결정
표 6.9 일본국철 동경제일공사국의 가상지지점 결정방법(철도설계편람(토목편), 2004)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 엄지말뚝 (H-PILE)
◆ 엄지말뚝은 주로 전단과 휨응력에 대한 안전을 고려
◆ 복공 하중이 작용하는 경우에는 축력도 고려해 줌
* 압축응력에 대한 검토
fc
fb
1.0
f ca f (1 f c )
ba
f cax
(6.2)
* 전단응력에 대한 검토
S max
s
a
t1 ( H 2t 2 )
(6.3)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 엄지말뚝 (H-PILE)
여기서, f c : 복공 및 자중 등에 의한 압축응력(MPa)
f ca , f ba
fb
f cax
s
a
: 허용 축방향 압축응력 및 허용 휨 압축응력(MPa)
: 외력에 의해 발생된 휨응력(MPa)
: 허용 오일러 좌굴 응력
: 외력에 의해 발생된 전단응력(MPa)
: 엄지말뚝의 허용 전단응력(MPa)
S max : 외력에 의해 발생된 최대전단력(kN)
As
: 엄지말뚝 유효 전단단면적(m2)
H
: 엄지말뚝 높이(m)
t1 ,t2
: 엄지말뚝의 웨브 및 플랜지 두께(m)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 흙막이 판
◆ 토류판이라고도 하며, 사질토지반과 연약점토지반에 따라 강성차이로 인한 아칭현상을
고려함
◆ 엄지말뚝 사이를 지간으로 하는 단순보로 고려하여 다음과 같이 계산
* 단순보 검토
f wb
M
M
6M
2 2 f wa t
Z
bt
bt
6
6M
bf wa
(6.4)
여기서,f wb : 토압에 의해 발생된 휨응력(kN/m2)
f wa
: 흙막이판의 허용 휨응력(kN/m2)
M : 최대토압에 의한 휨모멘트(kN/m2)
wmax : 최대토압(kN/m)
l
: 단순보 계산 지간(m)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 흙막이 판
그림 6.24 흙막이판에 대한 단순보 검토
L, b : 엄지말뚝의 중심간격 및 플랜지 폭(m)
t
: 흙막이판의 두께(m)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 강널말뚝
* 휨에 대한 검토
f sb
f sa
f sb
M max
f sa
0 .6 Z
(6.5)
: 외력에 의해 발생된 휨응력(kN/m2)
: 강널말뚝의 허용 휨응력(m)
M max: 흙막이판의 두께(m)
Z
: 흙막이판의 두께(m)
* 전단에 대한 검토
s
s
a
S max
S
S W
max max a
As
2th / W
2th
(6.6)
: 외력에 의해 발생된 전단응력(kN/m2)
: 강널말뚝의 허용 전단응력 (kN/m2)
S max : 외력에 의해 발생된 단위 폭당 최대전단력 (kN/m)
As : 강널말뚝 유효 전단단면적(m2)
h, t ,W : 강널말뚝 높이, 두께, 폭(m)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ 강널말뚝
그림 6.25 강널말뚝의 제원
◆ SCW (soil cement wall) 에 대한 검토
wl 2
wl
dH
PH
, PV
,f
8f
2
2
2
H B
N PH2 PV2 , A
2 2
N
f req( A)
A
2
(6.7)
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6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ SCW (soil cement wall) 에 대한 검토
f req ( S )
f req ( S )
V
,V
A
3
A
3
f req ( S )
wl w( L B)
w( L B)
V
,V
A
2
2
3
2
3w( L B)
f req ( S )
2A
(6.8)
그림 6.27 SCW의 전단 검토
그림 6.26 SCW의 축력 검토
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.4.7 흙막이 벽의 설계
◆ CIP (cast in-place pile)에 대한 검토
◆ 원형의 CIP를 등가의 사격형 단면으로 환산하여 검토
◆ 환산된 단면력인 휨모멘트 및 전단력에 대해 허용응력 이내에서 안전하도록 설계
* 휨에 대한 검토
휨 모멘트에 대한
CIP에 작용하는
τs >τa 일 경우
필요 철근량 As
전단력 검토
보강 전단철근 산정
S max
s
a
bd
( s a )bs
Av
f sa
M
As max
f sa jd
(6.9)
(6.10)
(6.11)
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 버팀보 설계
* 설계 개요
◆ 버팀보에 작용하는 응력은 토압 및 수압에 의한 압축응력 외에 자중, 상재하중 등에
의한 휨응력 및 전단응력이 있음
◆ 흙막이벽의 초기 변위를 억제하고 띠장과 흙막이벽의 밀착을 위하여 잭킹력을 도입
◆ 세장비는 100이하로 하고 현장의 공사여건상 부득이 하더라도 120미만을 사용
◆ 강재 자중에 의한 휨 모멘트를 고려하여야 하며, 자중(wd)은 버팀보 강재의 단위
m당 중량에 보강재의 중량으로 50% 할증을 고려
◆ 강재의 자중에 의한 휨모멘트(Md)및 휨응력(fd)은 식 6.12로 산정
1.5wd l 2
M d 1.5wd l 2
Md
, fd
8
Z
8Z
(6.12)
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 버팀보 설계
* 좌굴길이 산정
◆ 버팀보는 일반적으로 H-beam을 90도 돌려 설치 하므로 축력이 작용할 경우 좌굴에
대해 강축과 약축이 존재
◆ 강축에 대해 그림 6.31(a)와 같이 중간말뚝이 없는 경우 전체를 좌굴길이로 함
◆ 약축에 대해 그림 6.31(b)와 같이 l4+l5와 l6중 큰 값을 좌굴길이로 함
그림 6.31 버팀보의 좌굴길이
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 버팀보 설계
* 응력 검토
◆ 토압에 의한 축력과 자중에 의한 휨모멘트가 같이 작용할 경우 엄지말뚝의 식과 동일
한 개념으로 산정
fc
fb
1.0
f ca f (1 f c )
ba
f cax
(6.13)
◆ 약축에 대해 그림 6.31(b)와 같이 l4+l5와 l6중 큰 값을 좌굴길이로 함
그림 6.32 버팀보의 응력 검토
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 앵커 설계
* 앵커의 허용응력
◆ 앵커의 허용응력은 0.80fyp, 0.65fup 중 작은 값으로 함
◆ 일반적으로 PS강선 1가닥 당 허용하중은 122kN
그림 6.34 하중지지방식에 따른 앵커공법의 종류
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 앵커 설계
* 앵커의 설계축력(T)
◆ 앵커의 설계축력은 반력을 기준으로 간격
과 각도를 고려하여 다음과 같이 산정
T
Fa
cos
(6.14)
◆ 40도 이상의 고각으로 설치하면 수평지지
효과가 크게 떨어지므로 주의 필요
* 앵커의 자유장 결정(그림 6.35참조)
◆ 앵커의 자유장은 가상파괴면으로부터
1.5m 또는 굴착깊이의 0.15H를 더한 값
중 큰 값을 적용
설계자유장
h cos
0.15H
tan(45 / 2)
그림 6.35 앵커의 자유장 결정
(6.15)
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 앵커 설계
* 앵커의 정착장 결정
◆ 그라우트체와 지반사이의 주면마찰저항력과 그라우트체와 PS강선 사이의 부착저항력
중 큰 값으로 결정(최소정착장 4.5m 이상)
◆ 그라우트체와 지반 사이의 마찰저항장, 그라우트체와 PS강선의 부착저항장은 다음 식
으로 산정
TFs
T
Lf
, Lb
D f
UN b
여기서,
(6.16) & (6.17)
T : 앵커의 설계축력(kN/ea)
L f : 앵커의 마찰저항장(MPa)
Lb : 앵커의 부착저항장(MPa)
U, N : PS강선의 주변장(m)및 가닥 수
f : 주변토층의 마찰저항력(MPa)
b : PS 강선의 부착력(kN/m ), 보통 500kN/m
2
2
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 앵커 설계
* 주변 토층의 마찰저항 (τf)
▶ 각 지층별로 관입된 앵커의 마찰저항을 합산하는 방법을 사용
표 6.11 지반 종류에 따른 마찰저항
지반의
암
종류
반
마찰저항(τf)
경
암
1,000 ~ 2,500
연
암
600 ~ 1,500
풍 화 암
자
모
갈
래
N 값
N 값
점 성 토
400 ~ 1,000
10
100 ~ 200
20
170 ~ 250
30
250 ~ 350
40
350 ~ 450
50
450 ~ 700
10
100 ~ 140
20
180 ~ 220
30
230 ~ 270
40
290 ~ 350
50
300 ~ 400
100 c (점착력)
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6.4.8 버팀보 및 앵커 설계
◆ 앵커 설계
* 앵커 긴장력 및 늘음길이 산정
▶ 정착 장치에 의한 긴장력 감소
( f p ) E p L / L, ( Pp ) ( f p ) AN
(6.19)
▶ Relaxation에 의한 긴장력 감소
( f pr ) Tk f pt , ( Ppr ) ( f pr ) AN
(6.20)
▶ 긴장력 및 늘음량
J f T ( Pp ) ( Ppr )
(6.21)
J f L /( EP A)
(6.22)
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6.4.9 굴착 저면의 안정성
◆ 토압에 의한 근입장 검토
▶ 근입부 안정검토는 식 6.23과 같이 모멘트평형법에 의해 검토
M P PpYp
Fs
1.2
M A PaYa
(6.23)
표 6.11 근입부 안정 검토 시 엄지말뚝의 토압 작용폭
사질토
30<N≤50
10<N≤30
N≤10
점성토
N>8
4<N≤8
N≤4
플랜지폭의 3배
플랜지폭의 2배
플랜지폭
지반상태
수동토압
굴착면 상부
엄지말뚝의 간격
굴착면 하부
엄지말뚝의 플랜지 폭
주동토압
그림 6.36 근입부의 모멘트 평형 검토
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6.4.9 굴착 저면의 안정성
◆ 점토지반의 히빙에 대한 안정성 검토
◆ 연약한 점토지반에서 굴착할 경우에 굴착 배면토의 중량 및 재하중이 굴착저면의 지반
지지력보다 커져 지반내의 흙이 미끄러지면서 바닥면이 부풀어 오르는 현상
P HB1 cH
HB
2
cH
(6.24)
그림 6.37 굴착 바닥면의 히빙에 대한 안정성 검토
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6.4.9 굴착 저면의 안정성
◆ 모래지반의 파이핑에 대한 안정성 검토
◆ 일반적으로 지하수위가 있는 모래지반을 굴착할 경우에는 굴착면과 굴착배면의 수두
차에 의해 지하수의 흐름이 발생하며, 굴착면 근처에서는 상향의 흐름이 발생
◆ 상향의 침투수압에 의한 동수경사가 모래지반의 한계 동수경사보다 커지면 지반은 유
효응력을 잃게 되어 저항력을 상실하게 되므로 전체 안정성에 문제가 발생
그림 6.38 파이핑 검토를 위한 유선망
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6.4.10 근접시공시 인접지반 침하영향검토
◆ Peck 의 침하도(1969) 이용
◆ 현장 측정 결과를 이용, 점토지반을 크게 3영역으로 분류
◆ 토류벽으로부터의 수평거리에 따라 인접 지반의 침하 크기 및 분포를 굴착깊이에 대해
표시
◆ 벽체의 강성이나 지하수위의 영향은 고려하지 못하는 단점
그림 6.39 지반특성, 굴착깊에 따른 침하해석도
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6.4.10 근접시공시 인접지반 침하영향검토
◆ Caspe의 방법
◆ 수평변위와 지반의 포아송비를 사용하여 굴착에 따른 인접지반의 침하량을 산정
◆ 지하수위 저하와 유효응력증가로 인한 침하는 별도로 고려
1
굴착깊이(Hw)와 굴착폭(B) 계산
2
굴착영향거리(Ht)계산
Ht H p H w
H p 0.5B tan( 45 / 2) ( 0)
Hp B
(6.32)
( 0)
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6.4.10 근접시공시 인접지반 침하영향검토
◆ Caspe의 방법
1 침하영향 거리 계산
D H t tan( 45 / 2)
(6.33)
2 굴흙막이 벽체 배면의 지표침하량(Sw)계산
4Vs
Sw
D
(6.34)
3 흙막이 벽체에서 d만큼 떨어진 위치의 침하량 Si 계산
Dd
Si S w
D
2
그림 6.40 거리별 침하량 산정 예
(6.35)
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6.4.10 근접시공시 인접지반 침하영향검토
◆ 굴착으로 인한 인접 구조물 영향평가 기준
◆ 최대허용침하량, 부등침하로 인한 허용 각변위를 제시한 Skempton, MacDonald,
Sower, Bjerrum 등의 기준
◆ 지반의 수직침하와 수평변위를 동시에 고려하는 기준으로 Boscardin, Cording,
Burland의 기준
표 6.12 여러가지 구조물의 최대허용 침하량(Sowers,1962)
침하형태
전체침하
전 도
부등침하
구조물의 종류
최대침하량
배수시설
15.0~30.0cm
출입구
30.0~60.0cm
비고
부등침하의 가능성
석조 및 벽돌구조
2.5~5.0cm
라멘구조
5.0~10.0cm
굴뚝, 사일로, 매트
7.5~30.0cm
탑,굴뚝
0.004 S
물품적재
0.010 S
크레인 레일
0.003 S
빌딩의 벽돌 벽체
0.0005~0.002 S
철근콘크리트 뼈대구조
0.003 S
강 뼈대구조(연속)
0.002 S
강 뼈대구조(단순)
0.005 S
S:기둥 사이의 간격 또는 임
의의 두 점 사이의 거리
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6.4.10 근접시공시 인접지반 침하영향검토
◆ 굴착으로 인한 인접 구조물 영향평가 기준
그림 6.41 여러가지 구조물에 대한 각변위 한계(Bjerrum,1963)
그림 6.42 구조물 손상도 평가기준(Boscardin,Cording,1989)
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.5 흙막이 설계 시 주의사항
6.5.1 흙막이 구조계산시 주의사항
◆ 버팀보와 레이커의 선행굴착심도
* 버팀보 및 E/A는 0.5~1.0m, 레이커는 1.0~1.5m
그림 6.43 버팀보와 레이커의 선행 굴착심도
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.5.2 평면계획 수립시 주의사항
◆ 코너버팀보 구간
* 양쪽의 토압을 경사지게 지지하므로 벌림 현상에 취약
* 가급적 좌우 대칭 구조로 설치
그림 6.45 돌출 코너부 버팀보
그림 6.46 코너 버팀보 설계시 유의사항
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.5.2 평면계획 수립시 주의사항
◆ 장대지간 버팀보
* 30.0m 이상인 경우 좌굴에 취약한 구조로서 유압잭을 사용하여 하중을 가함
그림 6.47 장대버팀보 적용시 유의사항
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.6 계측관리
6.6.1 계측관리의 필요성
◆ 흙막이 공사에서의 계측관리는 실제 지반조건, 시공조건, 시공순서 등의
현장여건을 반영한 재분석을 통해 공사의 안정성을 예측하고 적절한 대책
을 강구하는 기술관리 자료를 제공하기 위해 실시
◆
경제성 및 시공성을 우선적으로 고려한 설계의 확인 및 개선과정을 통하여
공학적인 한계성을 극복하게 하는 피드백 작업을 통해 향후의 기술발전을
도모할 수 있음
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6.6.2 계측관리 흐름
그림 6.49 계측관리 흐름도
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6.6.3 계측계획
◆ 계측항목의 선정
표 6.13 흙막이 계측관리 항목
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.6.3 계측계획
◆ 계측항목의 선정
(a) 지중경사계
(b) 지하수위계
(c) 하중계
(d) 변형률계
(e) 건물경사계
(f) 균열측정계
그림 6.51 흙막이 계측에 이용되는 대표적인 계측기
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.6.3 계측계획
◆ 계측위치의 선정
1
원위치시험 등에 의해서 지반조건이 충분히 파악되어 있는 곳
2
현장적용 공법을 대표할 수 있는 곳
3
중요 구조물이 인접하여 있는 곳
4
적용공법이나 지반이 특수해 공사에 영향을 미칠 것으로 예상되는 곳
5
교통량이 많은 곳
6
하천주위 등 지하수위 분포가 다량이고 수위의 상승,하강이 빈번한 곳
7
가능한 한 공사에 의해 계측기의 손상이 적은 곳
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.6.3 계측계획
◆ 계측빈도
표 6.14 흙막이 계측관리 빈도(계측품질확보를 위한 현장기술지침서, 2002)
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
6.6.5 계측값 관리기준
◆ 지중 수평 변위
표 6.15 벽체변위 관리기준 예(계측품질확보를 위한 현장기술지침서, 2002)
◆ 앵커 축력
표 6.16 앵커 축력 관리기준 예(계측품질확보를 위한 현장기술지침서, 2002)
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.
◆ 버팀보 축력
표 6.17 버팀보 축력 관리기준 예(구조물 기초설계기준 해설, 2003)
◆ 지하수위
표 6.18 수위 변화 관리기준 예(구조물 기초설계기준 해설, 2003)
Yonsei Univ. Geotechnical Engineering Lab.