1. 서 론
현재 국내 도심지 건설공사는 교통 혼잡, 소음⋅진동 등의 문제로 인해 지하 공간 활용의 필요성이 대두되고 있으며, 굴착 대심도화, 도심지 근접시공 등의 특성으로 지반굴착 및 흙막이 공사의 비율이 증가하고 있다. 이에 따라 지하 공간 굴착 및 시공 시 안전관리에 대한 관심이 높아지고 있을 뿐만 아니라, 가시설 등의 지보재 시공에 따른 터파기 내부 공간 활용이 어려운 기존 흙막이 가시설 공법을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되었다.
먼저, 저심도 지반굴착시 억지말뚝을 이용하여 버팀대 및 띠장이 필요없는 자립식 흙막이 공법이 개발되었으며(Sim et al., 2006), 2열 H-파일을 이용하여 억지말뚝과 흙막이 벽체의 일체화를 통해 지반앵커 등의 지보재가 불필요한 자립식 흙막이 공법, Self-Supported Retaining wall (SSR)의 거동분석을 통해 현장의 시공관리 및 흙막이 벽체거동이 허용기준을 만족하는 것을 확인하였다(Sim et al., 2009). 또한, SSR 공법 이외에 다양한 2열 자립식 흙막이 공법들에 대하여 분류하고 공법별로 대표적인 특징 및 현장 적용사례에 대하여 비교⋅검토하였으며, 2열 자립식 흙막이 공법 적용 시 벽체와 연결재 시공 중 구조 검토에 대한 개선점을 제시하였다(Park et al., 2018). 내부 지보재를 제거하고 2열 엄지말뚝과 브레이싱을 이용한 자립식 흙막이 공법을 개발하였다(Kim., 2019). 굴착공사 시 전단강도가 낮은 연약지반 조건에서 내부격벽 및 수동격벽을 활용하여 근입부의 수동저항력을 향상시키는 BSCW공법을 개발하였다(Kim et al., 2021).
이에 본 연구에서는 기존 시공방법이 가지고 있는 별도의 가시설 설치로 인해 인접구조물 및 도로의 교통 혼잡, 흙막이 부재의 해체 등으로 인한 비용 문제를 개선을 하고, 저토피 굴착 시 토압 및 수압에 대한 안정성 확보를 하기 위해 2열 강관파일을 전⋅후열 벽체로 활용하여 벽체 자체의 강성을 확보하며, 굴착 후 지반의 안정이 확보된 영역의 강관벽체를 회수하여 전진 굴착 시 재사용함으로써 경제성을 향상시킬 수 있는 강관벽체 회수 방안을 검토하고자 하였다. 이에 본 개발공법에 대한 안전성을 검토하기 위해 2차원 유한요소해석 및 3D 프린팅 기술을 접목한 실내모형실험을 수행하여 굴착 심도별 강관 벽체의 거동 특성을 비교⋅검토하였으며, 3차원 유한요소해석 및 실내모형실험을 통해 강관벽체 회수 시 인접한 벽체의 거동을 검토하며 강관벽체 회수 방안에 대하여 검토하였다.
2. 2D 수치해석을 통한 개발공법의 거동 특성 분석
2.1 2D 수치해석 개요
유한요소해석은 지반굴착 시 가시설 및 보강토 옹벽 등 인접구조물의 안정해석 프로그램으로 널리 활용되고 있는 2D PLAXIS를 사용하였다(Brinkgreve et al., 2006). 기존의 2열 자립식 흙막이 공법을 적용한 도심지 시공현장 자료(Sim et al., 2015)를 바탕으로 본 개발공법의 강관벽체 안정성에 영향을 미치는 주요 설계인자로 지반조건, 벽체 연결재 유⋅무, 전⋅후열 벽체 간격을 고려하여 유한요소해석 모델을 Fig. 1과 같이 구성하였다.
수치해석 상 전⋅후열 벽체(Steel piles) 및 벽체 연결재(Pile connector)는 프로그램에서 제공하는 Plate 요소를 적용하여 고정단으로 연결하였으며, 각 부재의 제원 및 물성치는 Table 1과 같고 지반조건은 도심지 시공현장을 고려하여 Table 2와 같이 설정하였다. 전⋅후열 벽체 간격은 0.5~2.5 m로 0.5 m씩 늘려가며 검토하고자 하였다. 해석단계 상에서 전⋅후열 벽체를 10 m 관입한 후 벽체 연결재를 체결하여 벽체의 강성을 확보하였으며, 3단계에 걸쳐 5 m (2 m-1.5 m-1.5 m) 심도까지 지반굴착을 진행함에 따라 나타나는 강관 벽체의 거동을 분석하고자 하였다.
Table 1
Properties of Steel Piles and Pile Connector
| EA (kN/m) | EI (kNm2/m) | ν | E (GN/m2) | |
|---|---|---|---|---|
| Steel pile | 3.095 * 106 | 5.280 * 104 | 0.15 | 210 |
| Pile connector | 2.080 * 106 | 2.300 * 104 | 0.15 | 210 |
Table 2
Soil Properties of Numerical Analysis
2.2 2D 수치해석 결과
2.2.1 지반조건
지반조건에 따른 강관 벽체의 거동특성 분석 결과를 Fig. 2에 정리하였다. 본 해석에서는 전⋅후열 벽체 간격은 1.0 m로 하였고 벽체 연결재를 설치하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 최종 굴착 완료 후 점성토 조건에서보다 사질토 조건에서 최대 수평변위가 벽체 상단에서 크게 나타났으나, 벽체 깊이에 따른 수평변위는 사질토 지반에서 점차 감소하였다. 최대 수평변위는 흙막이 벽체 수평변위 허용기준(δH = 0.0025H)을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 벽체의 휨모멘트 분포 역시 점성토에서 전체적으로 크게 산정되는 것을 확인하였다. 이는 지반조건에 따른 말뚝의 거동특성 분석에 관한 기존의 연구(Ashour and Ardalan, 2012; Sim et al., 2015)와 유사한 경향으로 확인되었다.
2.2.2 전⋅후열 벽체 설치간격
전⋅후열 벽체 설치간격에 따른 수치해석 결과는 Fig. 3과 같이 전⋅후열 벽체 설치간격이 증가함에 따라 강관 벽체의 수평변위가 증가하는 것을 확인하였다. 전⋅후열 벽체 설치간격이 1.0 m 이상인 경우에는 지반조건에 관계없이 흙막이 벽체 수평변위 허용 기준(δH = 0.0025H)을 만족하는 것을 확인하였다. 다만, 본 공법은 도심지 저토피 굴착 시 적용하고자 하는 것으로, 도로교통 혼잡도를 고려하여 벽체 간격을 1.0 m로 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 전⋅후열 벽체 설치간격이 0.5 m인 경우, 사질토 지반 및 점성토 지반에서 강관 벽체의 최대 수평변위가 각각 14.72 mm, 12.23 mm로 가장 크게 발생하였다. 이는 전⋅후열 벽체 간격이 너무 가깝기 때문에 전열벽체의 토압 분담 효율이 감소하여 후열벽체에 작용하는 토압이 상승함에 따라 강관 벽체의 최대 수평변위가 크게 나타나는 것으로 판단되며, 강관말뚝 흙막이 벽체의 토압 분담효과에 관한 연구(Lee and Park, 2022) 결과와 유사한 경향으로 확인되었다.
2.2.3 벽체 연결재 유무
본 해석에서는 전⋅후열 벽체 간격을 1 m로 설정하여 벽체 연결재 유무에 따른 지반조건별 강관 벽체의 최대 수평변위를 Figs. 4, 5와 같이 정리하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 벽체 연결재를 미설치한 경우, 굴착심도가 깊어질수록 후열벽체 배면이 급격히 붕괴되어 전열벽체의 최대 수평변위가 사질토 지반 및 점성토 지반조건에서 각각 54.80 mm, 34.49 mm씩 발생하는 것을 확인하였다. 반면, 벽체 연결재를 설치할 경우, 강관 벽체의 최대 수평변위는 각각 11.42 mm, 10.49 mm로 약 79%, 69% 감소하여 벽체 연결재의 수평변위 억제 효과를 확인하였다.
3. 3D 수치해석을 통한 강관벽체 회수 방안 검토
3.1 3D 수치해석 개요
본 개발공법은 흙막이 벽체로 2열 자립식 강관을 사용하기에 토압 및 수압에 대한 안전성 확보 및 가시설 미설치로 인한 공기 단축에 유리하다. 다만, 최근 건설자재 원가 상승에 따라 강관 파일을 굴착 시공 시 재활용할 수 있는 방안을 검토하고자 하였다.
이에 시공단계를 2열 자립식 강관파일 벽체 형성 후 굴착완료 및 지하구조물 시공 후 복토로 인해 벽체 배면토압이 안정화된 구간의 강관을 인발하여 굴진방향으로 재관입해 전진 굴착해 나가는 순서로 설정하였으며, 이러한 공정을 형상화하기 위해 3차원 유한요소해석 범용프로그램인 MIDAS- GTS NX를 사용하였다(MIDAS, 2016). 지반 조건은 Fig. 6과 같이 매립층, 점성토, 풍화암으로 설정하였으며, 전⋅후열 벽체 및 연결재는 3차원 해석 프로그램에서 제공하는 Beam 요소를 적용하였고 2차원 수치해석에서 적용한 물성치를 적용하여 모델링 하였다. 또한, 도심지 시공현장을 고려하여 굴착부에 인접하여 교통하중 DB-24를 적용한 도로폭 3 m에 대한 면하중 12.7 kN/m를 재하하였다.
시공성 증진을 고려하여 강관벽체 회수량은 300 mm 직경 강관 5본을 1 set로 설정하였으며, 토피고(3, 6 m), 강관벽체 회수량(2, 4, 6 set)을 영향인자로 설정하여 각 영향인자를 달리하며 강관을 회수하였을 시 Fig. 7과 같이 나타나는 인접한 강관벽체의 최대 수평변위를 검토하고자 하였다.
3.2 3D 수치해석 결과
3.2.1 토피고
강관 벽체 2 set 회수 시 토피고 변화에 따른 심도별 수평변위는 Fig. 8과 같이 나타났다. 토피고 3.0 m에 비해 6.0 m 조건에서 최대 수평변위가 약 70% 증가 하였으나, 두 조건에서 각각 6.5 mm, 22 mm로 벽체 수평변위 허용 기준(δH = 0.0025H)을 만족함을 확인하였다.
3.2.2 강관벽체 회수량
강관벽체 회수량 증가에 따른 수평변위는 Fig. 9와 같이 토피고 별로 벽체 회수량이 증가할수록 수평변위 또한 증가하였으며, 최대 수평변위는 최종 6 set 회수 시 토피고 3.0 m, 6.0 m 조건에서 각각 6.8 mm, 22 mm로 나타났다. 벽체 회수량 2 set에서 6 set까지 수평변위는 약 27% 증가하였는데, 이는 벽체 회수량이 증가할수록 복토후 안정화가 필요한 구간이 길어짐에 따라 나타나는 결과로 보인다.
3D 수치해석 결과를 종합하여 볼 때, 토피고 6 m의 경우에서 벽체 수평변위가 크게 증가하는 결과를 바탕으로 본 개발공법은 저토피 시공현장 적용 시 효율성이 높을 것으로 보인다. 또한, 지반굴착 및 지하구조물 설치후 복토가 완료된 영역까지 벽체를 회수할 시 수량에 관계없이 강관을 회수 및 재사용함으로써 개발공법의 경제성이 향상될 것으로 판단된다.
4. 3D 프린팅 기술을 활용한 실내모형실험
4.1 실내모형실험 개요
실내모형실험은 2차원 수치해석과 마찬가지로 시공단계에 따라 벽체 연결재 유⋅무, 전⋅후열 벽체 설치 간격을 달리하며 흙막이 벽체의 거동특성을 파악하고 개발공법의 적용성을 검토하고자 하였다. 또한, 도심지 시공현장을 고려하여 교통하중을 모사한 무게추와 지중 구조물을 추가하여 벽체 회수에 따른 벽체 수평변위 측정을 통해 개발공법의 강관벽체 회수방안을 모색하고자 하였다.
Sim et al. (2009)은 2열 H-파일을 이용한 자립식 흙막이 공법(SSR)의 거동 분석을 위한 실내모형실험에서 아크릴판으로 제작한 토조와 강사 장치를 이용하여 지반상태를 모사하였으며, 실험상 주요 자재인 전⋅후열 벽체는 PC (폴리카보네이트)판을 사용하여 제작하였다. 그러나, PC판은 비교적 절삭이 용이하나, 성형에 있어 전문가의 수가공에 의해 제작되기에 정밀 성형에 불리하며, 별도의 장비를 활용하여 제작되기에 시간과 공간의 제약이 따른다. 또한, 전문가 고용에 의한 의뢰비, 운반비 등 비용 측면에서도 불리한 한계점이 있다.
상기한 SSR 공법의 벽체 형태는 널말뚝과 유사한 형태로 PC판을 사용하여도 벽체 형태를 모사하는데 무방한 반면, 본 개발공법의 강관을 이어 붙인 형태의 흙막이 벽체는 0.1 mm 단위의 관 두께 변화에 의한 벽체 강성 및 강도가 크게 좌우되기에 자재 제작에 있어 더욱 작은 오차 범위를 갖는 정밀 제작이 필요하였다.
이에 본 연구의 주요 실험 구성요소인 벽체 및 연결재는 3D 프린팅 기술을 활용하여 실제 현장의 건설자재의 크기에 상사율 1/25.9를 적용한 크기로 출력하여 실제의 강관벽체와 유사한 형태로 모사하고자 하였다. 출력에 활용한 3D 프린터는 Fig. 10(a)와 같은 Makerbot사의 Replicator Z18 모델이며, 이는 기존의 깎아내는 방식을 통해 조형물을 제작하는 절삭가공 방식의 CNC (Computerized Numerical Control, 컴퓨터 수치제어기술)가 아닌 최소 0.1 mm 높이로 조형물을 층층히 쌓아 올리는 적층 가공 방식을 사용하기에 복잡하고 난해한 형상의 제품의 정밀 제작이 가능하며(No, 2017), 비숙련자도 사용이 용이해 제품 제작에 있어 전문가의 노무비가 불필요하며, 별도의 성형 장비를 필요로 하지 않아 비교적 시간과 공간의 제약이 적은 이점이 있다.
출력물에 사용한 재료는 강관 및 연결재 재질과 유사한 연성재료로 일반적으로 사용되는 Filament에 비해 강도가 4배 이상 우수한 Tough PLA Filament를 사용하였으며(Paeng, 2022), 이를 통해 Fig. 10(b)와 같이 직경 115 mm, 길이 310 mm 강관 5개를 1 set로 한 강관벽체와 전⋅후열 벽체를 일체거동 하도록 체결하는 연결재를 출력하였다.
실험은 Fig. 11(b)와 같이 전⋅후열 벽체를 수직으로 관입한 뒤 전열벽체 중앙부에 LVDT를 설치하여 지반굴착 시 굴착 깊이에 따라 벽체 배면 토압에 의해 발생하는 강관 벽체의 수평변위를 측정하였으며, 1회 굴착 깊이를 30 mm로 일정하게 설정하여 벽체 배면이 붕괴될 때까지 진행하였다.
4.2 실내모형실험 결과
4.2.1 벽체 연결재 유무
연결재를 설치한 경우는 상기 Fig. 11(c)와 같이 연결재를 벽체 2 set 간격(300 mm 직경 강관 10본)으로 1개씩 설치하였으며, 전⋅후열 벽체 간격은 2.5 m로 설정하여 간격 내부 흙 증가로 인해 토압을 증대 시킴으로써 수평변위 억제 측면에서 연결재 설치에 따른 확연한 효과를 확인하고자 하였다. 실험 결과는 Fig. 12와 같이 정리하였으며, 상기 벽체 연결재 유무에 대한 수치해석 결과와 유사한 경향을 보였다. 연결재를 설치 및 미설치한 두 경우에서 지반 굴착에 따른 벽체 수평변위는 벽체 높이의 중단 지점인 150 mm를 기점으로 하여 발생하였다.
그러나, 연결재를 미설치한 경우는 벽체 중단 지점 이후 굴착부터 벽체 배면이 급격히 붕괴한 반면, 연결재를 설치한 경우는 최대 270 mm 굴착이 가능하였고 벽체 수평변위가 약 6.5 mm로 나타나 흙막이 수평변위 허용 기준(δH = 0.0025H)을 만족하였다. 이에 본 개발공법의 시공현장 적용시 전⋅후열 벽체간 연결재 설치는 필수적인 것으로 판단된다.
4.2.2 전⋅후열 벽체 설치간격
전⋅후열 벽체 설치간격에 따른 실험 결과도 마찬가지로 상기 수행한 전⋅후열 벽체 설치간격에 대한 수치해석 결과와 유사한 경향으로 Fig. 13과 같이 나타났다. 설치간격 1.0 m 이상의 경우는 Fig. 13의 연결재 설치에 따른 굴착 심도별 벽체 수평변위 결과와 같이 270 mm 굴착이 가능하였다. 반면, 설치간격 0.5 m의 경우는 90 mm 굴착 과정에서 벽체의 수평변위가 급격하게 증가하였으며, 210 mm 굴착 이후 벽체가 완전히 붕괴하였다.
이는 설치간격 0.5 m의 경우, 간격이 너무 좁아 흙막이 벽체가 2열로 배면 토압을 분담하지 못하고 단일벽체의 형태로 거동함에 따라 나타난 결과로 보인다.
실내모형실험 결과를 종합하여 볼 때, 각 영향인자에 따른 수치해석 결과와 유사한 경향이 나타남을 확인하였다. Choi et al. (2015)은 Filament를 이용하여 모형축소실험을 진행하는 것은 실험 결과가 상사법칙이 성립하는 구조적인 거동을 보인다면 Filament를 철로 구성된 탄성체와 같은 구조물을 대상으로 한 구조실험재료로 사용하는 것이 타당하다고 제안하였다. 이를 바탕으로 3D 프린터 출력물을 활용한 실내모형실험은 수치해석 결과와 상응하는 실험 결과 도출에 있어 유용함을 확인하였다.
4.3 실내모형실험 통한 강관벽체 회수방안 검토
본 절에서는 개발공법의 벽체 회수방안을 모색하고자, 도심지 지중 BOX 구조물 시공현장을 가정하고 실험 단계는 총 4단계(강관벽체 설치 - 지중 BOX 구조물 설치 - 복토 - 강관벽체 회수)로 설정하였으며, 교통하중 DB-24를 약 8 kg 무게추로 재하하여 실험을 수행하였다.
3차원 수치해석 결과를 바탕으로 Fig. 14와 같이 계측기를 복토가 완료된 지점과 미완료된 지점 각각 1개씩 설치하여 전진굴착 및 3 m 복토 후 전⋅후열 벽체를 1 set씩 총 6 set 회수 시 발생하는 벽체 수평변위를 단계적으로 측정하여 계측기 설치 지점의 벽체 거동을 확인하였다.
실험 결과는 Fig. 15와 같다. 6 set 벽체 최종 회수 시 복토 완료 지점에 발생하는 수평변위는 최대 1.0 mm 이내의 매우 작은 값으로 나타났으며, 상대적으로 벽체 안정성이 낮은 복토 미완료 지점 수평변위는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이는 상기 수행한 3차원 수치해석 결과와 마찬가지로 복토가 완료된 영역까지 벽체를 회수할 시 남아있는 벽체에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
5. 결 론
본 연구에서는 도심지 지반굴착 시공 시 기존 2열 자립식 공법의 경제성 및 교통혼잡을 개선하기 위해 강관파일을 활용한 2열 자립식 흙막이 공법을 개발하고자 하였으며, 주요 설계 영향인자를 고려한 2차원, 3차원 수치해석 및 실내모형실험을 통해 본 개발공법의 안전성과 경제성 향상을 위한 강관벽체 회수방안을 검토하고자 하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
강관파일을 활용한 2열 자립식 흙막이 공법은 강관파일을 2열로 배치하여 전⋅후열 벽체를 형성하고 벽체간 연결재를 설치하여 벽체의 강성을 증가시키는 공법으로 기존의 2열 자립식 흙막이 공법이 가지고 있는 교통 혼잡 및 흙막이 해체로 인한 비용 문제를 개선하고 길이가 긴 구조물 시공에 적용할 수 있는 흙막이 공법이다.
본 개발공법의 안전성을 검토하기 위해 지반굴착 시 강관 벽체 거동특성을 분석하고자 주요 설계인자로 지반조건(사질토, 점성토), 벽체간 연결재 유무, 전⋅후열 벽체 설치간격을 고려하여 2차원 수치해석 및 실내모형실험을 수행하였다. 실내모형실험은 3D 프린팅 기술을 활용하여 전⋅후열 벽체와 벽체 연결재를 현장의 건설자재와 유사하게 모사하였으며, LVDT를 활용하여 일정한 높이의 지반굴착 시 발생하는 벽체의 수평변위를 단계적으로 계측하였다.
2차원 수치해석 결과, 지반조건에 따른 벽체 수평변위는 점성토 조건보다 사질토 조건에서 크게 나타나는 것을 확인하였다. 벽체간 연결재 설치에 따른 벽체 수평변위는 사질토 및 점성토 지반에서 미설치한 경우에 비해 각각 79%, 69% 감소하여 본 개발공법 시공 시 벽체 안정성을 위해 연결재는 반드시 필요한 것으로 확인되었다. 마지막으로, 전⋅후열 벽체 설치간격이 증가함에 따라 지반 굴착에 의한 벽체 수평변위가 감소하며, 1.0 m 이상 이격되어 설치할 경우 흙막이 수평변위 허용 기준(δH = 0.0025H)을 만족하는 것을 확인하였다.
또한, 실내모형실험 결과는 2차원 수치해석 결과와 유사한 경향으로 나타났으며, 이를 바탕으로 3D 프린터의 재료로 현장의 건설자재와 유사한 재질의 Filament를 사용하고 상사법칙을 적용하여 제작한 출력물로 실내모형실험을 수행할 시 수치해석 결과와 상응하는 실험 결과 도출이 가능함을 확인하였다.
개발공법의 강관벽체 회수방안 검토를 위한 3차원 수치해석 및 실내모형실험 결과, 개발공법은 저토피 시공 현장 적용 시 효율성이 증대할 것으로 보이며, 벽체 회수 시 수량에 관계없이 복토가 완료된 영역까지 강관벽체를 회수하는 방안은 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
본 연구 결과는 개발공법의 현장 적용성 검토 및 설계 영향인자 결정에 활용할 수 있을 것으로 보이며, 본 개발공법의 강관 벽체 회수 및 재사용에 대한 현장 시험 시공 등 향후 연구의 기초 자료로써 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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