1. 서 론
흙막이 벽체의 수평변위 및 굴착배면 지반침하는 굴착공사 과정에서 필연적으로 발생되는 현상이며, 굴착 대상 지반조건(지하수위 조건 포함), 흙막이 벽체의 종류, 지보재의 강성, 시공순서(단계), 시공숙련도 또는 시공품질, 배수작업, 온도변화, 시간효과, 굴착평면 조건의 정형 또는 비정형 구조와 굴착배면 구조물 규모(하중 및 굴착면으로부터의 상대적 위치) 등의 기하학적 경계조건의 복합적인 요소들의 영향을 받게 된다. 그러나, 이러한 모든 영향인자가 충분히 반영된 상태에서 흙막이 벽체의 수평변위 및 굴착배면지반의 침하경향을 사전에 정량적으로 평가하는 것은 상당히 어려운 일이므로, 굴착대상 지반조건(지층분포, 지반강도, 지하수위 등)을 포함한 굴착규모 및 현장여건이 유사한 설계(흙막이 벽체 및 지보재 강성 등) 및 시공사례에 대해 사전에 충분히 숙지하는 것이 필요하다. 또한, 유사현장조건에서 측정된 계측분석 결과를 토대로, 특히, 흙막이 벽체의 수평변위, 굴착배면 지반의 거리별 침하특성 및 영향범위를 파악한 다음에 흙막이 벽체, 지보재 공법, 배면 차수공법, 굴착배면 지반 구조물의 중요도 및 상대적 위치에 따라 필요한 경우에 굴착공사 전 굴착내측 지반의 적절한 보강설계와 더불어 면밀한 계측계획을 수립하는 일련의 과정이 매우 중요하다.
지하안전관리에 관한 특별법이 2018년 시행된 이후, 몇 년 동안 지하안전영향평가서의 검토 및 협의과정을 거치면서 겪게된 시행착오 및 축적된 데이터를 기반으로 지하안전평가서 표준매뉴얼(Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, 2020)이 발간되었으며, 연약지반과 관련된 내용이 일부 추가되어 개정본(Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, 2023)에 반영되었다. 그러나, 시공 중 안전한 지하굴착공사의 진행과정을 모니터링하기 위해 계측결과의 분석 등을 통해 실시되는 착공후 지하안전영향평가(구, 사후지하안전영향평가)는 현재까지 충분한 정량적인 데이터가 축적되어 있지 않으며, 특히, 해안가와 인접하여 위치하는 부산, 광양 및 인천 등 해성 점성토가 두껍게 분포된 연약지반의 굴착공사 중 축적된 계측데이터는 거의 없는 실정이다. 따라서, 해외 연약지반 굴착공사 현장에서 얻어진 데이터베이스 자료를 통해서 가시설 벽체 및 배면지반 변형특성을 분석하고, 굴착공사시 지반변형의 최소화라는 관점에서 접근방법을 모색하고자 한다.
연약지반에서의 깊은 굴착공사시 발생된 흙막이 벽체의 수평변위 및 굴착배면지반의 침하특성에 대한 광범위한 데이터베이스 자료에 대해 집중적으로 분석할 연구사례는 먼저, 특정 지역에 국한되지 않고 전세계 300여 개의 연약지반 현장에서 수행된 굴착공사 중 실시된 계측결과를 토대로 흙막이 벽체의 수평 변위 및 배면지반의 침하정도를 분석한 Long (2001)의 연구가 있으며, 두 번째로, 전세계 530여 개 연약지반 굴착공사의 계측사례분석으로 Moormann (2004)의 연구가 있다. 세 번째로, 해안가에 위치하며 부산 점성토 지반과 유사한 강도분포 및 지층특성을 나타내는 중국 상하이 점성토 지반에서 수행된 300여 개의 깊은 굴착공사의 계측결과를 토대로 분석된 흙막이 벽체의 최대수평변위, 굴착배면 최대침하량, 굴착영향 범위의 연구결과를 분석하도록 한다(Wang et al., 2009). 이를 토대로 지하안전평가서 작성시 적용되고 있는 흙막이 벽체 수평변위 관리기준치, 즉, 흙막이 벽체의 강성 및 두께(t)에 따라 강성 흙막이벽(t ≥ 60 cm 콘크리트 연속벽)인 경우 0.2%H (최종굴착깊이의 0.2%), 보통 흙막이벽(t ≒ 40 cm 콘크리트 연속벽)인 경우 0.25%H, 연성 흙막이벽(H-Pile + 흙막이판)인 경우 0.3%H와의 비교를 통한 적정성 분석을 수행하였다. 또한, 굴착공사 중 배면지반 침하량의 크기는 흙막이 벽체의 수평변위량과 연동하여 발생된다, 즉, 흙막이 벽체의 수평변위가 증가하면 배면지반의 침하량도 증가하며, 부수적으로 굴착공사 중 배면지반의 지하수위의 저하량이 증가하게 되면 부력을 받고 있던 배면지반의 수위조건 변화에 따라 단위중량의 증가(γsub : 수중단위중량 → γt: 전체단위중량)로 인한 유효상재압의 증가효과로 인해 배면지반의 연직침하량도 증가되는 경향(대표적으로 말뚝기초에서의 부마찰력 유발)을 나타낸다. 이는 다시 수평변위의 증가를 유발하는 원인이 되게 된다. 특히, 연약지반 개량 공사로 인해 조성된 지반조건의 경우, 잔류침하 및 2차 압밀침하의 영향을 추가로 받게 되므로, 지하안전평가서 작성시 적용되고 있는 굴착배면 지반의 허용잔류 침하량 25 mm 기준의 적정성을 분석하고자 하였다.
2. 연약지반 굴착시 흙막이 벽체의 수평변위 및 배면지반 침하분석
Clough et al. (1989)은 Oslo, Chigago, Boston과 San Francisco의 연약지반에서 깊은 굴착공사가 진행된 현장에서 계측데이터의 분석을 통해, 흙막이 벽체의 수평변위 발생량의 크기는 굴착저면의 히빙안전율과 직접적으로 매우 깊게 관련되어 있으며, 굴착저면 히빙안전율(Terzaghi and Peck, 1948; Bjerrum, 1954)이 1.5보다 작을 경우, 흙막이 벽체의 수평변위는 급격히 증가되는 것으로 제시하였다.
Goldberg et al. (1976)의 데이터베이스를 확장하여 Clough and O’Rourke (1990)은 굴착공사로 인한 변위발생 정도에 대해 지반조건에 따라 두 가지 카테고리로 분류하여 제시하였는데, 견고한 점토, 잔류토 및 모래(stiff clay and sand) (CategoryⅠ)의 경우, 흙막이 벽체의 최대수평변위는 흙막이 벽체의 형식에 관계없이 대체적으로 평균 0.2%H 정도, 굴착배면 최대침하량은 평균 0.15%H의 범위에서 분포되어, Goldberg et al. (1976)의 계측결과 분석에 비해 훨씬 작은 값을 나타냈다.
연약 내지 보통정도의 연경도를 갖는 점토(soft to medium clays)지반 조건(Category Ⅱ)에 대해 Clough et al. (1989)은 유한요소해석결과를 토대로 굴착저면 히빙안전율과 흙막이 벽체강성 및 지보재 평균수직 설치간격을 고려한 system stiffness (K1)와 직접적인 관계를 고려하여 흙막이 벽체의 최대수평변위를 예측할 수 있는 도표를 제시하였다. 또한, 흙막이 벽체의 최대수평변위 계측값과 굴착저면 히빙안전율(FOSbase) 계산값을 도표에 나타낸 결과에 비교한 결과, 유사한 경향성을 나타내어 적용성을 검증하였다. Fig. 1과 같이, Clough et al. (1989) 도표는 국내 흙막이 설계 환경과는 다르게 해외에서는 상세설계를 진행하기 전단계에서 굴착공사로 인한 흙막이 벽체의 수평변위량을 사전에 파악하여 합리적인 흙막이 계획을 수립하기 위한 수단으로 폭넓게 활용되고 있다. 여기서 H는 굴착고, B는 굴착폭, Cu, Cu1, Cu2는 각층에 대한 점착력, γ는 흙의 단위중량, Nc는 지지력계수, D는 흙의 활동폭, EI는 흙막이 벽체의 휨강성, γw 는 물의 단위중량, h는 지보재의 평균수직 설치간격이다. 굴착저면 히빙안전율이 1.0에 근접하면 급격한 굴착저면 히빙발생으로 인해 흙막이 벽체의 수평변위가 크게 증가되면서 흙막이 구조체의 붕괴 위험성이 커지게 되는 것을 알 수 있다. 굴착저면 히빙안전율이 증가될수록 system stiffness, 즉, 흙막이 벽체의 강성 및 지보재 설치간격의 영향이 줄어들지만 굴착저면 히빙안전율이 1.5보다 작아지면 점토 지반조건에서 system stiffness의 영향이 매우 커지는 것을 알 수 있다. Mana and Clough (1981)의 연구결과에 따르면, 연약 점토지반에서 sheet pile 벽체가 적용된 경우, 굴착저면 히빙안전율이 1.4로 평가되었을 때, 흙막이 벽체의 최대수평변위는 약 2% 정도로 예상된 반면에, 동일한 지반조건에서 지하연속벽으로 변경되면 흙막이 벽체의 최대수평변위는 약 0.5% 정도로 크게 줄어들 수 있다는 것을 제시하였다.
Long (2001)은 전세계 300여 개 현장의 데이터베이스를 기반으로 흙막이 벽체의 최대수평변위 및 배면지반 침하분석을 실시하였는데, 이때 굴착대상 지반의 비배수전단강도가 100 kPa 이상이면 stiff soil, 비배수전단강도가 25 kPa 이하이면 soft soil로 분류하였다. 또한, 현장 데이터베이스를 통해 얻어진 FOS 값을 기준으로 굴착저면 히빙안전율 3.0과 1.3을 기준으로 각각 High FOS, Low FOS로 구분하였다. 이를 통해 Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 굴착지반 조건에 따라 히빙안전율을 구분하기 위해 크게 3가지 경우로 구분하여 분석하였는데, 첫 번째로, 굴착대상 지반이 주로 견고 내지 중간정도의 조밀한 지반이면서 굴착고(H) 대비 연약지반 두께(h)가 60% 미만으로 굴착지반 조건이 비교적 양호한 경우, 두 번째로 굴착고(H) 대비 연약지반 두께(h)가 60%를 초과하지만(h > 0.6 H), 굴착저면 위치에 견고한 지층이 분포하여 히빙안전율 3.0 이상이 확보되는 경우, 세 번째로, 굴착고(H) 대비 연약지반 두께(h)가 60%를 초과하면서 굴착저면 낮은 히빙안전율을 갖는 경우로 분류된다.
Fig. 3과 같이, 먼저, 굴착 지반 조건이 가장 양호한 첫 번째의 경우에 대해 Clough et al. (1989) 도표에 데이터를 나타낸 결과, 전체적으로 데이터의 분산도가 크며 일정한 경향성이 확인되지 않지만, 흙막이 벽체의 최대 평균 수평변위량은 0.16%H~0.19%H 사이의 범위에서 분포하는 것을 알 수 있다. 여기서, system stiffness가 증가함에 따라 흙막이 벽체의 수평변위가 약간 감소되는 경향을 나타내지만, 실무적인 관점에서 system stiffness가 크게 증가된다 하더라도 흙막이 벽체의 수평변위의 감소 정도는 미미한 수준인 것을 알 수 있는데, 굴착지반 조건이 견고한 지층 조건을 나타낼 경우, 지반의 아칭효과 및 원지반 자체의 지보능력(self support)이 충분히 확보되므로 소요 system stiffness에 도달되면 추가적인 강성 증가의 효과가 나타나지 않기 때문인 것으로 추정할 수 있다.
Fig. 3
Walls with h < 0.6H – Normalized Maximum Lateral Movement vs Clough et al. (1989) System Stiffness (Long, 2001)
두 번째로, Fig. 4와 같이, 굴착고(H) 대비 연약지반 두께(h)가 60%를 초과하지만(h > 0.6 H), 굴착저면 위치에 견고한 지층이 분포하여 히빙안전율 3.0 이상이 확보되는 경우, 흙막이 벽체의 최대 평균 수평변위량은 0.15H~0.39%H 사이에 분포하는 것을 알 수 있다. 이 때, 굴착저면 히빙안전율 3.0 line이 대체적으로 데이터의 평균값 정도에 해당되며, 전반적으로, system stiffness 증가에 따라 흙막이 벽체의 수평변위가 감소되는 경향을 알 수 있다.
Fig. 4
Walls with h > 0.6H – Stiff Soil at Dredge Level – Normalized Maximum Lateral Movement vs Clough et al. (1989) System Stiffness (Long, 2001)
세 번째로, Fig. 5와 같이, 굴착고(H) 대비 연약 지반 두께(h)가 60%를 초과하면서 굴착저면 히빙안전율이 낮은 경우, 굴착저면 히빙안전율이 증가될수록 흙막이 벽체의 최대수평변위가 약간 감소하는 경향을 나타내지만, 이 값이 1.0과 1.5 사이에 범위에서는 흙막이 벽체의 수평변위와의 직접적인 연관성이 높지 않은 경향이 확인된다. 굴착저면 히빙안전율이 0.9인 경우에 흙막이 벽체의 수평변위가 3.2%H 만큼 크게 발생되는 경우도 있으며, 대부분의 데이터가 Mana and Clough (1981)가 제시한 두 경계선 범위 내에 위치하는 것을 알 수 있다. Long (2001)에 따르면, 흙막이 벽체의 수평변위에 대한 데이터의 분산도가 크지만, system stiffness와 굴착저면 히빙안전율이 증가할수록 변위가 감소되는 대체적인 경향성은 파악할 수 있으므로, 예비 검토단계에서 흙막이 계획 수립시 흙막이 벽체의 최대수평변위를 예측하는데 있어서 Clough et al. (1989) 도표의 활용 가능성이 높은 것으로 언급하고 있다.
Fig. 5
Propped Walls – Low FOS against Base Heave – Normalized Maximum Lateral Movement vs FOS (Long, 2001)
Moormann (2004)은 굴착공사시 흙막이 벽체 및 배면지반의 변위 분석시, 비배수전단강도 25 kPa을 기준으로 구분한 Long (2001)의 경우에 다르게, 비배수전단강도 75 kPa을 기준으로 연약지반과 견고한 지반을 구분하였다. Fig. 6과 같이, 연약점토 지반조건(soft clays)의 경우 흙막이 벽체의 최대수평변위량의 분산도가 가장 크게 나타났으며, 전체 데이터 중 40% 정도가 0.5%H~1.0%H에, 27%의 데이터가 이보다 훨씬 큰 수평변위 분포를, 33%의 데이터만 0.5%H보다 작은 흙막이 벽체의 최대수평변위량이 발생되었고, 전체적인 흙막이 벽체의 최대평균 수평변위량은 0.87%H로 분석되어, 대체적으로 Long (2001)의 연구결과와 유사한 경향을 나타냈다.
Fig. 6
Maximum Horizontal Wall Displacement vs. Excavation Depth H for Soft and Stiff Clay, Respectively (Moormann, 2004)
한편, 견고한 점토지반(stiff clays) 조건의 경우, 연약지반(soft clays) 조건과 비교할 때, 흙막이 벽체의 수평변위가 크게 감소된 것을 알 수 있는데, 이 중에서 8%의 데이터만 1.0%H 보다 큰 값의 범위에 분포되었고, 흙막이 벽체의 최대 평균 수평변위량은 0.25%H로 분석되어, Long (2001)의 견고한 지반조건의 최대수평변위 분포범위인 0.05%H~ 0.25%H 보다 다소 큰 경향을 나타냈다.
한편, Fig. 7과 같이, 연약점토 지반(soft clays)과 견고한 점토지반(stiff clays) 조건에서 발생된 흙막이 벽체 배면지반의 최대평균 침하량은 각각 1.07%H과 0.18%H로 분석되어, 현장 계측사례의 데이터베이스 분석을 토대로 놓고 볼 때, 견고한 점토 지반 조건의 굴착공사 중 발생되는 굴착배면 지반의 침하량은 연약 점토지반 조건과 비교할 때 현저히 작은 값을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 대체적으로, Clough and O’Rourke (1990)의 견고한 점토지반(stiff clays) 조건의 배면지반 최대침하량의 평균값 0.15%H와 Moormann (2004)의 평균값 0.18%H가 유사한 경향을 나타낸 것을 알 수 있다.
Fig. 7
Maximum Settlement Measured behind Retaining Wall vs. Excavation Depth H for Soft and Stiff Clay, Respectively (Moormann, 2004)
Fig. 8과 같이, Clough et al. (1989) 도표, 즉, 흙막이 벽체 및 지보 시스템과 관련된 system stiffness와 굴착저면 히빙안전율에 따른 흙막이 벽체의 최대수평 변위와의 관계에 대한 적용성을 살펴보면, 연약점토 지반(soft clay)의 경우, system stiffness의 증가, 즉, 흙막이 벽체의 강성 증가 및 지보재 간격 축소만으로 굴착저면 히빙안전율 1.5 이하 조건에서 흙막이 벽체의 수평변위의 일부 감소 효과는 확인되지만, 이러한 보강만으로는 굴착공사 중 흙막이 벽체의 수평변위 및 배면지반 침하 억제 효과의 한계가 뚜렷하게 확인되는 것을 알 수 있다.
Fig. 8
Normalized Maximum Lateral Movement vs Clough et al. (1989) System Stiffness for Soft and Stiff Clays, Respectively (Moormann, 2004)
한편, 견고한 점토지반(stiff clay) 조건의 경우, 굴착저면 히빙안전율 3.0 이상의 값이 확보되면, 굴착공사 중 흙막이 벽체의 변위가 크게 감소되는 것을 알 수 있다.
여기서 주목해야할 점은 국내 해성점성토가 두껍게 분포된 부산 및 인천 지역에서 굴착공사를 진행할 때, 연약점토 지반이므로 단순히 흙막이 벽체의 강성을 키우고 지보재 간격을 좁히는 방법만으로는 지하안전평가시 적용되는 흙막이 벽체의 수평변위 관리기준치 0.2~0.3%H를 만족시키기 어려울 수 있으므로, 앞에서 살펴본 바와 같이, 굴착 지반의 전단강도가 크면, 발생 변위가 작아지므로, 굴착측 지반의 보강 그라우팅을 통해서 충분한 강도를 확보하고, 이러한 조건에 부합되는 흙막이 벽체의 지보 시스템을 적용하는 것이 발생 변위 제어 측면에서 훨씬 유리한 방법이 될 수 있다. 따라서, 굴착저면 히빙안전율이 최소 3.0 이상 확보될 수 있도록 굴착측 지반보강 계획을 수립하는 방법을 고려해 볼 수 있다.
Wang et al. (2009)은 해안가에 위치하며 부산 점성토 지반과 유사한 강도분포 및 지층특성을 나타내는 중국 상하이 점성토 지반에서 수행된 300여 개의 깊은 굴착공사의 계측결과를 토대로 분석된 흙막이 벽체의 최대수평변위, 굴착배면 최대침하량의 크기 및 상대적 비율을 분석하였다. 특히, 중국 상하이 해안가의 해성점성토가 두껍게 분포된 단일 지역의 현장계측 결과만을 토대로 분석한 결과이므로 국내 연약지반에서의 흙막이 굴착설계 및 시공 중 안전관리 확보 측면에서 주목할 점이 많다고 할 수 있다.
Fig. 9와 같이, 중국 상하이 토층의 두께는 약 150~400 m 정도이며, 제 4기층으로 구성되어 있다. 여기서 γ는 단위중량, ωn 는 함수비, ωp 는 소성한계, ωl 는 액성한계, In 는 소성지수, e 는 간극비, su 는 현장베인 전단강도,c’ 는 유효점착력, φ’ 는 유효내부마찰각이다. 통상적으로, 지표면으로부터 135 m 정도까지의 심도에 분포된 지층에 대해 “얕은 지층(shallow soils)”으로 정의하고, 굴착공사를 포함한 일련의 건설공사의 관점에서 고려되어야 할 중요한 지층인 것으로 언급하고 있다. 협회를 지칭함으로 그대로 상하이 전역에서 지반조사시 채취된 42,000여 개의 시료에 대해 수행된 물리 및 역학적 시험결과의 통계분석결과를 토대로, 심도방향의 지층분포 및 두께, 각각의 해당지층에 대한 단위중량, 함수비, 액소성한계, 간극비, 전단강도 등의 대표적인 설계정수를 제시하였다. 국내 해성점성토가 두껍게 분포된 부산, 광양 및 인천지역에 대해서도 중국 상하이 지역을 벤치마킹하여, 지반조사 결과에 대한 데이터 베이스가 구축된다면, 대표적인 지층 분포 및 두께, 설계정수와의 비교분석을 통해서 후속 설계자의 입장에서 해당 지반조사결과의 적정성을 판단하는데 상당한 도움이 될 것이므로, 추후 이에 대한 방향성에 대해서 검토가 이루어져야 할 것이라 판단된다.
Fig. 10과 같이, 굴착공법으로 역타공법(Top-Down Method)과 순타공법(Bottom-Up Method)를 적용했을 때, 흙막이 벽체의 최대평균 수평변위량을 살펴보면, 각각 0.27%H와 0.40%H로 분석되어, 연약 점토지반 조건에서 역타공법(Top-Down Method) 적용시, 흙막이 벽체의 수평변위 감소 측면에서 일정 부분 효과가 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 10
Maximum Lateral Displacement of Wall vs Excavation Depth Depending on Excavation Construction Method (Wang et al., 2009)
Fig. 11과 같이, 상하이 해성점토 지반의 300여 개 현장의 데이터베이스를 통해서 분석된 굴착배면 지반의 최대평균 침하량은 0.42%H 이며, 이 값은 흙막이 벽체 최대수평변위량의 0.9배 정도로 대체적으로 연약 점토지반의 굴착시 발생되는 수평변위량의 크기만큼 굴착배면 지반에서 최대 침하량이 발생되는 것을 알 수 있다. 여기서 DW는 지중연속벽(Diaphragm Walls), CPW는 연속식 말뚝벽체(Contiguous Pile Walls), CDSM는 합성주열벽체(Compound Deep Soil Mixing)이다.
Fig. 11
Maximum Ground Settlement vs Excavation Depth and Maximum Lateral Displacement of Wall (Wang et al., 2009)
Fig. 12와 같이, 굴착배면 최대침하량의 발생 위치와 침하영향 범위에 대해 Wang et al. (2009), Clough and O’Rourke (1990), Hsieh and Ou (1998) 및 Kung et al. (2007)의 연구결과를 통해, 굴착고(H) 만큼 이격된 거리 이내의 배면지반 위치에서 대체적으로 굴착공사 중 최대침하량이 발생되며, 굴착공사로 인한 배면지반의 침하에 대한 최대 영향 범위는 굴착고(H)의 3.5~4.0배로 볼 수 있지만, 굴착고(H)만큼 이격된 위치까지 최대값을 나타낸 다음에 굴착고(2H) 정도의 위치까지 급격히 감소되는 경향을 확인할 수 있다. 여기서 y측은 굴착배면 최대침하량(δvm) 대비 굴착배면에서 이격된 임의의 위치에서의 침하량(δv)이며, x축은 굴착깊이(H) 대비 굴착배면 이격거리(d)이다.
Fig. 12
Relationship between Ground Settlement Normalized by Maximum Settlement and Normalized Distance from Wall (Wang et al., 2009)
3. 연약지반 굴착시 흙막이 벽체의 수평변위 관리기준치 및 굴착배면 침하기준의 적정성
Clough and O’Rourke (1990)에 따르면, 견고한 점토, 잔류토 및 모래 지반 조건에서의 굴착공사시 흙막이 벽체의 최대수평변위는 흙막이 벽체의 형식에 관계없이 대체적으로 평균 0.2%H 정도, 굴착배면 최대침하량은 평균 0.15%H의 범위에서 분포하는 것으로 제시하고 있다. 또한, Long (2001)에 따르면, 굴착저면 히빙안전율 3.0 이상으로 대체적으로 견고한 지층 조건에서의 굴착공사시, 흙막이 벽체의 최대수평변위는 0.05%H~0.25%H 사이에서, 굴착배면 최대침하량은 0.2%H 이하의 값을 갖는 것으로 제시하고 있다. Moormann (2004)에 따르면, 견고한 점토, 사질토 및 다층지반 조건에서의 굴착공사시 흙막이 벽체의 최대수평변위는 각각 0.25~0.27%H 사이에서, 이에 대응되는 굴착배면 최대침하량은 0.18~0.33%H 사이에서 분포하는 것으로 제시하고 있으며, 대체적으로 흙막이 벽체 최대수평변위의 0.5~1.0배 정도의 범위에서 굴착배면 최대침하량이 발생되는 것을 알 수 있다.
따라서, 지하안전평가 매뉴얼(Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, 2023)에 제시된 흙막이 벽체 강성 및 직경에 따른 수평변위 관리기준치 0.2~0.3%H는 대체적으로 사질토가 주로 분포된 국내 육상토 지반 조건의 경우, 지하안전 관리측면에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
한편, Long (2001), Moormann (2004) 및 Wang et al. (2009)의 총 1100여 개 현장계측 분석결과를 토대로 놓고 볼 때, 연약 점성토 지반 조건에서의 굴착공사시, 흙막이 벽체의 최대수평변위의 크기와 대체적으로 유사한 정도의 굴착 배면 침하량이 발생되는 경향이 확인되었다.
한편, 흙막이 굴착배면 침하량의 영향범위는 연약점토 지반의 경우, Hsieh and Ou (1998), Kung et al. (2007) 및 Wang et al. (2009)의 연구결과에 따르면, 대체적으로 굴착고(H) 대비 3.5~4.0배 정도에 도달되는 것을 알 수 있으며, 굴착고(H) 만큼 수평방향으로 이격거리 정도 이내에서 최대침하량이 발생되는 것을 알 수 있다. Hsieh and Ou (1998)는 굴착배면 침하량의 분포 특성을 기준으로 세 개의 Zone, 즉, ZoneⅠ (0 ≤ d/He ≤ 0.5), ZoneⅡ (0.5 ≤ d/He ≤ 2) 및 ZoneⅢ (2 ≤ d/He ≤ 4)으로 구분하였고, 특히, ZoneⅠ과 Ⅱ를 primary influence zone, ZoneⅢ를 secondary influence zone으로 정의하였다.
따라서, 연약지반에서의 굴착배면 지반의 계측관리를 위한 지표침하계 및 건물경사계 등을 배치할 때, 굴착고(H) 이내의 침하특성을 파악하는데 주안점을 두면서, 굴착고의 2배 정도의 이격거리까지를 주요 관리 영역(지반침하 취약구간)으로 구분하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
현재 지하안전영향평가서 작성시, 굴착배면 침하량의 관리기준치 25 mm를 적용하고 있는데, 앞에서 기술한 바와 같이, 연약 점성토 지반 조건에서의 굴착공사시, 흙막이 벽체의 최대수평변위의 크기와 대체적으로 유사한 정도의 굴착 배면 침하량이 발생되며, 굴착고가 증가할수록 흙막이 벽체 및 굴착배면 침하량의 크기도 증가되는 경향을 나타내므로, 허용침하량 25 mm 이내로 굴착 배면 최대침하량을 관리한다는 것은 현실적으로 어려운 측면이 있다.
한편, Table 1과 같이, 건축기초구조설계지침(Architectural Institute of Building Foundations, 2001) 및 소규모건축물기초설계지침(Architectural Institute of Japan, 2008)에 따르면, 즉시침하가 발생되는 사질지반 조건의 경우, 연속기초와 매트기초 형식에 대해 부등침하에 의한 균열발생 가능성이 낮은 한계치에 대한 각각 허용침하량의 표준치로서 25 mm, 30 mm, 괄호값은 강성이 큰 매트기초에 대해 40 mm 까지 적용할 수 있는 것으로 제시하고 있다. 약간의 부등침하 균열은 발생될 수 있지만, 구조물의 손상까지 도달되지 않은 한계치를 의미하는 최대치로서 연속기초 및 매트기초에 대해 각각 40 mm, 60 mm (강성이 큰 매트기초 80 mm)를 제시하였고, 점성토 지반조건에 대해 허용침하량의 표준치로서 연속기초 및 매트기초에 대해 각각 100 mm, 강성이 큰 매트기초에 대해 150 mm 까지 적용할 수 있도록 제시하고 있다. 특히, 사질토 지반조건에 비해 점성토 지반조건에서 구조물의 허용침하량 기준을 100 mm로 크게 적용할 수 있는 근거로, 점성토 지반에서의 침하속도가 상대적으로 느려서 크리프 침하의 경향을 나타내므로, 콘크리트 기초가 침하에 순응하는 형태로 반응하므로 사질토 지반의 침하형태에 따른 구조물의 손상과 구별되는 거동이 나타나기 때문인 것으로 언급하고 있다.
Table 1
Reference Value for Settlement Limit Value (Small Building Basic Design Guidelines (Architectural Institute of Japan, 2008))
또한, 근접시공으로 인한 주택파손 정도를 파악하는데 이용되는 “주택의 품질확보의 촉진 등에 관한 법률(일본)”에서는 근접시공으로 인한 손상정도를 3단계로 구분하여 제시하고 있는데, 인접구조물의 경사각이 3/1000 이하로 관리되면 구조물의 손상 가능성이 낮은 것으로 판단하고 있으며, 일본건축학회(Architectural Institute of Japan, 2008)에서도 부등침하의 설계목표치에 대한 참고치로서 경사각 3/1000 이하, 변형각 2.5/1000 이하를 각각 제시하고 있다.
따라서, 국내의 부산, 광양, 인천, 군산 지역과 같이 해성점성토가 두껍게 분포된 지역에서 굴착공사를 진행할 경우에 굴착공사를 진행하기 전에 굴착측 지반보강이 충분히 진행되지 않은 상태에서 단순히 벽체 강성을 키우고 지보재 간격을 좁히는 방법을 적용한다고 할지라도, 흙막이 벽체의 수평변위 및 배면지반 침하를 억제시키는데 한계가 있으며, 지하안전평가시 적용되고 있는 흙막이 벽체에 따른 수평변위 관리기준치 0.2~0.3%H 이내로 관리한다는 것은 상당히 어려운 일이라고 할 수 있다. 따라서, 해성 점성토 지반 조건에서의 굴착공사를 진행할 때, 굴착측 지반보강을 통하여 굴착저면 히빙안전율이 3.0 이상 확보되도록 보강계획을 수립한 후, 흙막이 벽체의 최대수평변위 관리기준치 0.3%H 정도를 한계치로 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 다만, 굴착배면으로부터 굴착고(H) 정도로 이격된 위치 이내에 중요 구조물이 존재하는 경우, 해당 구조물의 부등침하 또는 각변위를 고려한 손상한계를 판단하여 흙막이 벽체의 최대 수평변위 관리기준치 0.3%H 보다 강화된 값의 적용 필요성은 설계자의 공학적 판단에 따라 결정되어야 할 것이다.
또한, 흙막이 벽체의 최대 수평변위 관리기준치 0.3%H를 기준으로 굴착고 10 m, 20 m, 30 m에 대해 수평변위는 각각 30, 60, 90 mm로 계산되며, 이 값에 연동해서 배면지반 침하도 발생되므로 해성 점성토가 두껍게 분포된 부산, 광양, 군산 및 인천 지역에서의 굴착공사시, 배면침하량 25 mm 이내로 관리한다는 것은 현실적으로 상당히 어려운 측면이 있다. 따라서, 일본건축학회(Architectural Institute of Japan, 2008)에서 제시하고 있는 허용침하량 100 mm 이내와 추가적으로 구조물의 경사각 1/500 이내 정도를 목표치로 놓고 적용성에 대해 논의해볼 필요성이 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 연약지반 굴착공사가 수행된 총 1,100여 개 현장계측결과 토대로 굴착공사 중 흙막이 벽체의 수평변위 및 배면지반 침하특성을 분석하여, 지하안전평가시 적용되는 관리기준치의 적정성을 분석하였다.
(1) 견고한 점토, 잔류토 및 모래지반, 사질토 및 다층지반 조건에서의 흙막이 벽체의 수평변위에 대한 기존 연구사례를 놓고 볼 때, 지하안전평가 매뉴얼(Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, 2023)에 제시된 흙막이 벽체 강성 및 직경에 따른 수평변위 관리기준치 0.2~0.3%H는 대체적으로 사질토가 주로 분포된 국내 육상토 지반 조건의 경우, 지하안전 관리측면에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
(2) 해성 점성토가 두껍게 분포된 부산 및 인천 등과 같은 지반 조건에서 굴착공사를 진행할 때에는 지반의 전단강도가 매우 작아서 굴착공사 중 과다 변위발생이 예상되므로, 굴착저면 히빙안전율이 3.0 이상 확보되도록 굴착측의 보강 그라우팅을 적용하여 지반개량을 완료한 후, 지반 조건에 부합되는 system stiffness의 적용, 즉, 적정 흙막이 벽체의 강성 및 지보 시스템을 반영한 흙막이 계획을 수립하는 방법을 적용하는 것이 굴착공사 중 흙막이 벽체의 발생 수평변위 및 배면지반 침하를 최소화시킬 수 있는 방법이라고 판단된다. 이러한 방법을 적용한 후, 흙막이 벽체의 최대수평변위 관리기준치 0.3%H 정도를 한계치로 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 다만, 굴착배면으로부터 굴착고(H) 정도로 이격된 위치 이내에 중요 구조물이 존재하는 경우, 해당 구조물의 부등침하 또는 각변위를 고려한 손상한계를 판단하여 흙막이 벽체의 최대 수평변위 관리기준치 0.3%H 보다 강화된 값의 적용 필요성은 설계자의 공학적 판단에 따라 결정되어야 할 것이다.
(3) 흙막이 벽체의 최대 수평변위 관리기준치 0.3%H를 기준으로 굴착고 10 m, 20 m, 30 m에 대해 수평변위는 각각 30, 60, 90 mm로 계산되며, 이 값에 연동해서 배면지반 침하도 발생되므로 해성 점성토가 두껍게 분포된 부산, 광양, 군산 및 인천 지역에서의 굴착공사시, 배면침하량 25 mm 이내로 관리한다는 것은 현실적으로 상당히 어려운 측면이 있다. 따라서, 일본건축학회(Architectural Institute of Japan, 2008)에서 제시하고 있는 허용침하량 100 mm 이내와 추가적으로 구조물의 경사각 1/500 이내 정도를 목표치로 한 적용성에 대한 논의가 필요할 것으로 판단된다.
향후, 국내 연약지반 굴착공사에서 얻어진 현장계측결과의 데이터베이스 구축을 통하여 국내 관리기준치의 적정성 분석이 이루어져야 하며, 후속 논문에서 연약지반 흙막이 굴착공사시 발생된 구체적인 사고사례 분석을 통한 흙막이 벽체의 변위 분석을 실시하고자 한다.
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