그라우팅 보강에 의한 흙막이 벽체의 거동 특성

Abstract

최근에 도심지내 가용 토지가 급격히 감소하면서 노후 구조물의 재건축 및 토지이용의 극대화를 위하여 대심도, 대규모의 근접 굴착시공이 활발히 이루어지고 있다. 특히 도심지에서의 대심도, 대규모 굴착공사는 인접 구조물의 침하 및 다양한 제약사항으로 인해 흙막이 벽체를 이용한 굴착공사가 일반화 되어 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 약액주입공법을 비롯한 여러 가지 종류의 지반보강공법이 적용되고 있으며 더욱 댐, 하천제방, 토류구조물, 지하철 및 터널 공사 등에서 차수를 목적으로 각종 그라우팅 공법이 실시되고 있다. 그러나 그라우팅 공법은 여러 가지 장점에도 불구하고 지반조건에 부합되는 주입압력 및 주입량 등에 대한 설계기준이나 그라우팅 효과에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 그라우팅에 의해 지반 보강된 흙막이 벽체 설계 시에 안전하고 경제적인 설계를 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 실내모형실험, 수치해석 및 기 시공된 현장의 계측자료를 수집·분석하였다. 실내모형실험 결과 상대밀도 50%와 80%일 때 모두 그라우팅 보강전에 비해 보강후에 벽체의 수평변위 및 지반침하는 감소하는 것으로 나타났으며, 주입시험 시 각각의 상대밀도의 사질토 지반에서는 주입압 350kPa로 주입할 때 형성된 구근의 부피 및 구근형성비가 가장 크게 나타났다. 또한 주입량을 2, 4, 6, 8, 10, 12로 변화시키면서 시험을 실시한 결과 10일 때 까지는 주입량의 증가에 따라 구근 부피의 증가량이 뚜렷하였으나 10이상일 경우 주입량의 증가에 따른 구근 부피는 영향이 없는 것으로 나타났다. 수치해석을 통해 다양한 시공조건에 따른 벽체와 지반의 거동을 분석하여 지반거동에 영향을 미치는 매개변수를 확인한 결과, 흙막이벽체의 휨강성이 클수록 수평변위가 작고 변위억제에 대한 신뢰도가 높은 것으로 나타났으며, 휨강성이 작은 경우라도 그라우팅으로 보강된 경우 벽체의 변위구속효과는 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 흙막이벽체 시스템강성()이 증가할수록 굴착깊이에 대해 정규화시킨 최대수평변위()의 상한값은 쌍곡선의 형태로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 최대수평변위와 흙막이벽체 시스템강성은 쌍곡선의 관계로 가정될 수 있으며, 이것을 기초로 시행착오법을 통해 계수를 결정하여 그라우팅 보강전과 후에 대한 관계식을 도출하였다. 도출된 관계식을 기존 연구자의 계측자료를 통해 검증해 본 결과, 수치해석에서 얻어진 경험식 범위 내에 있는 것으로 나타났다. 또한, 지표침하를 분석해 본 결과 그라우팅 보강후가 보강전에 비해 침하 감소가 큰 것으로 나타났다. 국내 10개 현장의 계측자료(12개 단면)을 통한 변위 거동특성의 경향을 파악한 결과, 암반을 포함한 다층지반에서 시공되는 흙막이 벽체의 최대수평변위는 평균적으로 0.15%H로 나타나 기존 연구자들이 제안한 위험기준인 0.5%H 이내에 분포하는 것으로 나타났다. 한편, 계측자료에서 분석된 결과들을 도출된 관계식에 적용해 본 결과 적용성이 있는 것으로 나타났다.