한국지반공학회논문집제 31 권 5 호 2015 년 5 월 pp. 35 ~ 46 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.31, No.5, May 2015 pp. 35 ~ 46 ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2015.31.5.35 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 Numerical Analysis of Self-Supported Earth Retaining Wall with Stabilizing Piles 심재욱 1 Sim, Jae-Uk 정상섬 2 Jeong, Sang-Seom 이준환 3 Lee, Jun-Hwan Abstract In this study, the behavior of self-supported earth retaining wall with stabilizing piles was investigated by using a numerical study and field tests in urban excavations. This earth retaining wall can provide stable support against lateral earth pressures through its use of stabilizing piles that provide passive resistance to lateral earth pressures arising due to ground excavations. Field tests at two sites were performed to verify the performance of instrumented retaining wall with stabilizing piles. Furthermore, detailed 3D numerical analyses were conducted to provide insight into the in situ wall behavior. The 3D numerical methodology in the present study represents the behavior of the self-supported earth retaining wall with stabilizing piles. A number of 3D numerical analyses were carried out on the self-supported earth retaining wall with stabilizing piles to assess the results stemming from wide variations of influencing parameters such as the soil condition, the pile spacing, the distance between the front pile and the rear pile, and the pile embedded depth. Based on the results of the parametric study, the maximum horizontal displacement and the maximum bending moment significantly decreased when the retaining wall with stabilizing piles is used. Moreover, the horizontal displacement reduction effect of influencing parameters such as the pile spacing and the distance between the front pile and the rear pile is more sensitive in sandy soil, with a higher friction angle compared to clayey soil. In engineering practice, reducing the pile spacing and increasing the distance between the front pile and the rear pile can effectively improve the stability of the self-supported earth retaining wall with stabilizing piles. 요 지 본연구에서는최근국내에서사용이증가하고있는 2열자립식흙막이공법에있어서안정성에영향을미치는주요설계인자들을분석하고설계기준을제안하기위하여현장적용결과의분석및 3차원유한차분해석을수행하였다. 지반특성에따른본공법의거동을분석하기위하여사질토가지배적인현장과점성토가지배적인 2개의현장에적용을수행하였으며, 굴착에따른흙막이벽체의수평변위및휨모멘트를분석하였다. 3차원유한차분모델링기법의타당성을검증하기위하여현장적용결과와비교 분석을수행한결과, 본연구의수치해석모델링기법은본공법의 1 정회원, 연세대학교토목환경공학과박사과정 (Member, Ph. D. Candidate, Dept. of Civil and Environmental Eng., Yonsei Univ.) 2 정회원, 연세대학교토목환경공학과교수 (Member, Prof., Dept. of Civil and Environmental Eng., Yonsei Univ., Tel: +82-2-2123-2807, Fax: +82-2-2123-8378, soj9081@yonsei.ac.kr, Corresponding author, 교신저자 ) 3 정회원, 연세대학교토목환경공학과교수 (Member, Prof., Dept. of Civil and Environmental Eng., Yonsei Univ.) * 본논문에대한토의를원하는회원은 2015년 11월 30일까지그내용을학회로보내주시기바랍니다. 저자의검토내용과함께논문집에게재하여드립니다. Copyright 2015 by the Korean Geotechnical Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 35
굴착에따른거동을합리적으로모사하는것으로나타났다. 또한흙막이벽체를구성하는전열말뚝 ( 엄지말뚝 ) 및후열말뚝 ( 억지말뚝 ) 의간격 (S), 전열말뚝과후열말뚝간의거리 (D), 굴착심도 (H) 및말뚝의근입깊이 (Z) 등, 본공법의주요설계인자들의영향정도를분석하기위하여다양한경우의 3차원유한차분모델링및해석을수행하였다. 그결과, 굴착에따라발생하는흙막이벽체의최대수평변위는전열말뚝및후열말뚝의간격의감소, 전열말뚝과후열말뚝간의거리의증가및말뚝근입심도의증가에따라감소하였으며, 이러한특징은점성토조건의지반보다는사질토조건의지반에서보다명확하게나타나는것을확인할수있었다. Keywords : Self-supported earth-retaining wall, Stabilizing pile, Three-dimensional finite differential analyses 1. 서론최근의건설환경은신도시개발사업및지방행정도시등개발사업의규모가확대되고있으나, 각종구조물건설을위한기초공사와지하구조물공사의작업여건은점차어려워지고있으며, 최저가공사발주확대로공사원가율상승및수익성이악화되고있다. 이에따라, 각종공사현장의안정성확보, 원가절감, 공기단축및구조물품질확보를위한신공법 신기술의개발및적용이점차확대되고있다. 흙막이가시설은지하구조물을건설할때지반이붕괴되는것을막기위하여지하공간에임시로설치되는구조물로써각종건설사업에서가장먼저시행되며, 전체작업공기에큰영향을미친다. 굴착심도 3~4m의얕은굴착의경우지보재가없이엄지말뚝과토류판으로이루어진자립식흙막이공법으로시공이가능하지만, 그이상의굴착심도를시공할경우추가적인지보재를설치하여시공하는것이일반적이다 (Clayton & Milititsky, 1986). 지금까지주로적용된흙막이가시설은지반굴착에따라지보재 (Strut, Earth Anchor, Raker 등 ) 를설치하여토압에저항하는구조체로, Strut 공법의경우강재가격상승에따른경제성확보에문제점이있으며, Earth Anchor 공법의경우정착지반이연약하거나대지경계를초과하는경우사용성이제한되고있다. 또한 Raker 공법의경우지반굴착에따른변위발생이크며, 최종구조물시공시이음시공및방수등품질확보에문제점을가지고있다. 이러한여러문제점을해결하기위하여개발된 2열자립식흙막이공법은저심도굴착에사용되는자립식흙막이공법과사면파괴방지용으로사용되는억지말뚝공법의원리를이용한공법이다. 사면안정에활용되는억지말뚝공법은 1950년대이후부터현재까 지도많은연구가이루어지는공법으로써, 사면의활동토괴를관통하여부동지반까지말뚝을일렬로설치함으로써사면의활동하중을말뚝의수평저항으로부동지반에전달시키는공법이다 (Dappolonia et al., 1967; Kitazima and Kishi, 1967; Ito and Matsui, 1975; Hassiotis et al., 1997; Chen et al., 2002; Jeong, 2003; Won et al., 2005). 현재국내에서다수현장에적용이완료되어그시공성과경제성이입증된 2열자립식흙막이공법은지반굴착에있어서필요한지보재 (Strut, Earth Anchor, Raker 등 ) 를사용하지않고적정심도 (8~9m) 까지지반굴착이가능한공법이다. 본공법은다수의현장에서적용되어지보재설치에따른굴착공사의시공성저하, 공기지연, 대지경계침범, 및최종구조물의품질저하등기존의흙막이공법이가지는여러가지문제점을해결하였다. 이러한여러장점에도불구하고 2열자립식흙막이공법에대한연구는한정된조건에서의실내모형실험 (Kim et al., 2012) 및현장적용결과의분석을통한적용성검토 (Sim et al., 2009) 에국한되어있었기때문에실제현장적용시명확한설계기준이확립되어있지않고있다. 이에따라, 본공법을현장에실제적용하기위해서는시간과비용이많이소요되는유한요소해석또는유한차분해석의반복적인검토를통하여설계단면을산정하고있는실정이다. 따라서본연구에서는 2열자립식흙막이공법의주요영향인자를분석하기위해현장적용결과의분석및 3차원유한차분해석을수행하였다. 지반특성에따른본공법의거동을분석하기위하여사질토가지배적인현장과점성토가지배적인 2개의현장에적용을수행하였으며, 계측관리를통하여굴착에따른흙막이벽체의수평변위및휨모멘트를분석하였다. 수치해석을통한 36 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호
영향인자분석에앞서, 본공법의거동을분석하기위한수치해석모델링기법의타당성을검증하기위하여현장적용결과와 3차원유한차분해석결과를비교 분석하였다. 마지막으로적용현장지반조건 ( 사질토, 점성토 ), 흙막이벽체를구성하는전열말뚝및후열말뚝의간격 (S), 전열말뚝과후열말뚝간의거리 (D), 굴착심도 (H) 및말뚝의근입깊이 (Z) 등, 본공법의주요설계인자들의영향정도를분석하기위하여다양한경우의 3차원유한차분모델링및해석을수행하였다. 는토류판과함께표면마감역할을하며, 굴착부전면에서일정거리를두고후면에설치되는후열말뚝은전열말뚝과후열말뚝간토괴내부와지중근입부의수동토압으로흙막이구조체에작용하는수평토압을감소시키며, 전 후열말뚝의상부를띠장과연결재로일체화하여지반굴착에따른전열말뚝의변위발생을억제하는기능을한다. 2.2 적용현장조건 2. 현장적용결과분석 2.1 공법개요 2 열자립식흙막이공법은 Fig. 1 에나타낸바와같이 얕은굴착 (3~4m 이하 ) 에주로적용되는일반적인자립 식흙막이벽체와사면파괴방지대책으로이용되는억 지말뚝공법을조합하여굴착심도의증가에도안정성 확보가가능한흙막이가시설공법이다. 굴착부전면에 위치하는전열말뚝은지반굴착시토사유실을방지하 Fig. 1. Components of self-supported earth-retaining wall with stabilizing piles 수치해석을이용한 2열자립식흙막이공법의영향인자분석에앞서, 본공법의거동분석및그에따른수치해석방법의검증을위하여현장적용및 3차원유한차분해석을수행하였다. 적용대상현장은지반조건의영향을분석하기위하여사질토 ( 풍화토 ) 가지배적인현장 (Site A) 과점성토 ( 퇴적토 ) 가지배적인현장 (Site B) 을선택하였다. 적용현장에서표준관입저항시험및시추조사를수행하여지층을확인한후, 현장원위치시험인공내전단시험을수행하여지반의강도정수 ( 점착력, 내부마찰각 ) 를산정하였다. 또한, 포아송비및탄성계수는기준문헌을참조하여각지층의지반조건및표준관입저항치 N에따라산정하였으며 (KGS, 2013), Table 1과 Fig. 2 및 Fig. 3은대상현장의지반조건및표준관입저항시험결과를나타낸것이다. 흙막이구조체에사용된 H빔은국내가시설공사에서일반적으로사용되는 H300 300 10 15 규격의형강을사용하였다. 각 Site의굴착심도 (H) 는각각 7.6m와 8.0m로서총 4단계의단계별굴착이이루어지는것으로설계되었으며, 말뚝간의간격 (S) 는 1.6m, 전 후열말뚝간의거리 (D) 는 2.5m, 그리고전 후열말뚝의근입깊이 (Z) 는 Site A의경우 4.4m( 최종굴착바닥면이하 ) 및 Site B의경우 4.0m를근입하는것으로설계및시공하였다. Fig. 4는지반굴착에따른흙막이벽체의수평변 Table 1. Soil properties in each site Site Site A (Sandy) Site B (Clayey) Soil condition Depth[GL(-)] z (m) Unit weight γ (kn/m 3 ) Cohesion c (kn/m 2 ) Friction angle, ϕ ( ) Poison s ratio, υ Young s modulus, E (kpa) Fill 0.00~ 3.00 16.01 0.00 25 0.35 10,000 GP Weathered soil 3.00~13.00 16.90 8.90 30 0.25 30,000 SM Weathered rock 13.00~ 17.79 26.69 33 0.25 100,000 - Fill 0.00~ 2.50 16.01 4.45 0 0.35 5,000 SC Silty clay 2.50~10.00 16.90 26.69 15 0.30 20,000 CL Weathered rock 10.00~ 17.79 17.79 33 0.30 50,000 - USCS 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 37
Fig. 2. Soil profile with borehole (site A) Fig. 3. Soil profile with borehole (site B) - Inclinometer - - Strain gauge - (a) Details of instruments Fig. 4. Instrumentation used in field tests (continued) 위및휨모멘트의변화를측정하기위해전열말뚝과후열말뚝에각각설치된지중경사계및변형률계를나타낸것이다. 3. 수치해석및결과분석 본연구에서는 2 열자립식흙막이공법의거동분석을 위하여 3 차원유한차분해석프로그램인 FLAC3D 를이 38 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호
- Plan view - - Section view - (b) Site A - Plan view - - Section view - (c) Site B Fig. 4. Instrumentation used in field tests 용한수치해석을수행하였다 (ITASCA Consulting Group, 2005). FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua) 은유한차분해석프로그램으로서소성변형을하는지반또는암반위의구조물의거동을모형화하기위한프로그램이다. 이프로그램은다양한요소와탄성모델과소성모델등다양한구성방정식을지원하며 2, 3차원해석이가능하다. 3.1 3 차원유한차분모델링 본연구에서수행한 3차원유한차분해석모델링에서는적용현장들을모사하여아래그림과같은해석모델을채택하였다. 먼저모델링요소망은 8개의절점을가지고있는 Brick 요소를사용하였으며, 구조물요소는 Fig. 5. Mesh geometry and boundary conditions 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 39
FLAC3D 프로그램내에서제공하는 Pile 요소 ( 전 후열말뚝 ), Beam 요소 ( 띠장및전 후열연결재 ) 및 Shell 요소 ( 토류판 ) 를적용하였다. 수치해석시지반은 Mohr-Coulomb 모델을적용하였고, Fig. 5에서나타낸바와같이좌우측경계면에서 z축방향으로변위를허용하기위해롤러구속조건을적용하였으며, 하부경계면에서는모든축방향으로변위가발생하지않도록힌지구속조건을적용하였다. 본수치해석의초기응력은깊이에따라 와같이증가하는것으로가정하였으며, 수평응력 ( ) 은수직응력에측압계수 ( ) 를곱한값으로사용하였다. 초기에는중력만으로고려하여전체적인외력과내력의불평형력 (unbalanced force) 을 10-5 이하로수렴시켰으며, 흙막이구조체시공에의한영향을무시하기위해구조체시공후 ( 굴착전 ) 에발생한변위를 0으로조절하였다. 또한현장실제시공조건을모사하기위하여 4단계의단계별굴착조건으로해석하였다. 각굴착단계는불평형력이 1 10-5 까지수렴하여안정화된후다음굴착단계로진행하게된다. 3.2 수치해석기법의타당성검증본절에서는앞서수행한현장적용사례를토대로 2 열자립식흙막이공법의굴착에따른거동특성을비교 분석하였으며, 본연구에서적용한 3차원유한차분해석기법의타당성을검증하였다. 수치해석시적용한흙막이구조체와지반의제원및물성은현장적용조건과동일하게적용하였다. Table 2는수치해석에사용된 구조물요소의물성을나타낸것이다. Fig. 6과 Fig. 7은지반굴착에따른흙막이벽체의수 평변위및휨모멘트에대하여현장적용결과와수치해 석결과를함께나타낸것이다. 그림에서보는바와같 이, 단계별굴착에따라발생하는수평변위는점차증가 하지만, 최종굴착시 site A 와 site B 의최대수평변위는 각각 14.34mm, 15.35mm 로써허용기준치이내에서수 렴함을확인하였다 (δ h,max <0.2%H, H : 굴착심도 ). 지반 굴착에따른가설토류벽의수평변위를측정하기위한 지중경사계는토류벽체또는말뚝 (H 형강엄지말뚝 ) 에 직접부착및설치되어있지않고전열말뚝및후열말뚝 에최대한근접하여지중에설치하였다. Fig. 4(a) 에나 타낸바와같이, 지중경사계는지중에수직으로설치된 Table 2. Structural properties in FDM analysis Front pile and rear pile H-300 300 10 15 pile element (elastic model) E = 1.00 10 8 kn/m 2 I x = 2.04 10-4 mm 4 I y = 6.75 10-5 mm 4 ν = 0.25 Wale and connection beam H-300 300 10 15 Beam element (elastic model) E = 1.00 10 8 kn/m 2 I x = 2.04 10-4 mm 4 I y = 6.75 10-5 mm 4 ν = 0.25 Timber-lagging Hardwood at 70mm thickness shell element (elastic model) E = 1.50 10 4 kn/m 2 ν = 0.35 Note : E = Young s modulus; I x = moment of inertia in x-axial I y = moment of inertia in y-axial; ν = Poissons s ratio (a) Horizontal displacement (front pile) (b) Horizontal displacement (rear pile) Fig. 6. Horizontal displacement and bending moment (site A) (continued) 40 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호
(c) Bending moment (front pile) (d) Bending moment (rear pile) Fig. 6. Horizontal displacement and bending moment (site A) (a) Horizontal displacement (front pile) (b) Horizontal displacement (rear pile) (c) Bending moment (front pile) Fig. 7. Horizontal displacement and bending moment (site B) (d) Bending moment (rear pile) 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 41
케이싱이지반굴착에따라변위가발생할때의각변위를측정하여수평변위로환산하고, 그값을누적하여계산하는원리이다. 전열말뚝 ( 흙막이벽체 ) 의경우, 지반굴착및토류판설치시토류판후면의토사가일부유실되어지중경사계의계측치에영향을주게되며, 이는지반굴착에따른흙막이벽체의실제변위보다큰수평변위가계측되는주요원인이다. 따라서, 이와같은현장의시공상황이지반굴착시전열말뚝과후열말뚝의최대수평변위에대한현장계측결과의차이에대한주요원인이라고판단된다. 또한 2개현장의지반조건및표준관입저항치에따라엄지말뚝의근입부의토압작용폭에는차이가있으며, 이에따라엄지말뚝근입부에작용하는수동토압의크기에도차이가있다 (KGS, 2002). 이러한특성이현장적용및수치해석결과에서도나타남으로써 2개의현장에서말뚝의근입부위의이동에차이가있는것으로판단된다. 최종굴착시말뚝에발생하는휨모멘트를비교한결과, 굴착에따른안정성을충분히확보할수있음을확인하였다. 또한, 그림에서보는바와같이 3차원유한차분해석결과가실제흙막이벽체의거동을적절히예측함을보여주고있으며, 이에따라본연구에서수행한수치해석기법의타당성을검증할수있었다. 뚝의근입깊이 (Z) 와같은주요설계인자들의영향정도를분석하기위하여다양한경우의 3차원유한차분모델링및해석을수행하였다. Fig. 8과 Table 3은본연구에서수행한영향인자분석의개요를나타낸것이다. 지반조건은실제현장조건을반영하기위하여상부에는매립토가존재하며, 하부에는각각풍화토 ( 사질토조건 ) 및퇴적토 ( 점성토조건 ) 가존재하는조건을적용하였으며, 수치해석에사용된지반물성값은 Table 4에나타내었다. 각각의영향인자들을조합하여총 600개의수치해석및영향인자분석이수행되었으며, 설계및시공안정성확보를고려하여굴착심도는최대 8.0m로제한하였다. 4. 영향인자분석결과 Fig. 9는사질토조건, 굴착심도 (H) 8.0m, 말뚝간격 (S) 3.3 영향인자분석을통한거동특성분석 본연구에서는 2열자립식흙막이공법의합리적인설계를위하여적용현장지반조건 ( 사질토, 점성토 ), 흙막이벽체를구성하는전열말뚝및후열말뚝의간격 (S), 전열말뚝과후열말뚝간의거리 (D), 굴착심도 (H) 및말 Fig. 8. Schematic diagram of the system Table 3. Outline of parametric study Parameters No. of variations Variations Soil condition 2 Sandy soil, clayey soil Excavation depth, H (m) 3 6.0, 7.0, 8.0 Excavation depth to pile embedded depth, H/Z 4 0.35, 0.50, 0.75, 1.00 Distance between front pile and rear pile, D (m) 5 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 Pile spacing, S (m) 5 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 Table 4. Soil properties examined in FDM analysis Soil Condition Depth[GL(-)] z (m) Unit weight γ (kn/m 3 ) Cohesion c (kn/m 2 ) Friction angle ϕ ( ) Poison s ratio ν Young s modulus E (kpa) Fill 0.00~ 2.00 16.01 0.00 25 0.35 10,000 Sandy soil 16.90 8.90 30 0.30 30,000 2.00~20.00 Clayey soil 16.90 26.69 15 0.30 20,000 42 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호
1.6m 및근입심도 0.5H(=4.0m) 조건하에서전 후열말뚝간격의변화에따른지반의횡변위분포를나타낸것이다. 그림에서보는바와같이, 후열말뚝이없는경우 (Fig. 9(a)) 의지반횡변위분포 ( 최대수평변위 δ h,max=31.08cm) 는삼각형형태의변위형상을나타내는것에비해, 후열말뚝을설치한경우는사다리꼴형태의변위형상 ( 최대수평변위 δ h,max=1.54~2.06cm) 이나타남을알수있었다. 또한후열말뚝의설치에따라발생하는최대수평변위의값은크게감소하며, 이는지반굴착에따른흙막이 벽체의안정성확보에후열말뚝의효과가큰것을확인할수있었다. 4.1 말뚝간의간격 (S) Fig. 10은굴착심도 (H) 8.0m 및근입심도 0.5H(=4.0m) 조건하에서말뚝간의간격 (S) 및전 후열말뚝간의거리 (D) 의변화에따른최대수평변위를나타낸것이다. 그림에서보는바와같이말뚝간의간격이증가할수록 (a) δ h,max = 31.08 cm (b) D = 1.0 m; δ h,max =2.06cm (c) D=1.5m; δ h,max =1.78cm (d) D = 2.0 m; δ h,max = 1.68 cm (e) D = 2.5 m; δ h,max = 1.58 cm (f) D = 3.0 m; δ h,max =1.54cm Fig. 9. Distributions of horizontal deformation (a) Sandy soil (ϕ =30, c = 8.90 kn/m 2 ) (b) Clayey soil (ϕ =15, c = 26.69 kn/m 2 ) Fig. 10. Effect of variation in pile spacing 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 43
최대수평변위는크게증가하였다. 그러나말뚝간의간격이일정간격이하일경우 (S<1.6m), 후열말뚝에의한최대수평변위의억제효과는수렴됨을알수있었다. 이는 Parkash(1962) 및 Liang and Zeng(2002) 의연구와유사한결과로써, 2열자립식흙막이공법에있어서후열말뚝의설치로인하여군말뚝효과및말뚝간의아칭효과에의한변위억제에효과가있는것으로판단된다. 4.2 전 후열말뚝간의거리 (D) 전 후열말뚝간의거리 (D) 변화에따른최대수평변위의영향은말뚝간의간격 (S) 에따른영향과유사함을 알수있다. Fig. 11에서보는바와같이전 후열말뚝간의거리 (D) 가증가할수록발생하는최대수평변위의값은감소하지만, 전 후열말뚝간의거리 (D) 가일정거리이상으로증가한이후에는변위억제효과가수렴됨을알수있다. 따라서, 굴착심도 (H) 8.0m, 말뚝간의간격 (S) 1.6m 및근입심도 (Z) 가 0.5H(=4.0m) 인경우, 안정성과시공성을고려한최적의전 후열말뚝간의거리 (D) 는 2.0m를적용하는것이합리적인것으로판단된다. 4.3 말뚝의근입장 (Z) Fig. 12는굴착심도 (H) 8.0m 및말뚝간의간격 (S) 1.6m (a) Sandy soil (ϕ =30, c = 8.90 kn/m 2 ) (b) Clayey soil (ϕ =15, c = 26.69 kn/m 2 ) Fig. 11. Effect of variation in distance between the front pile and the rear pile (a) Sandy soil (ϕ =30, c = 8.90 kn/m 2 ) (b) Clayey soil (φ =15, c = 26.69 kn/m 2 ) Fig. 12. Effect of variation in pile embedded depth 44 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호
일때말뚝의근입심도 (Z) 에따른최대수평변위를나타낸것이다. 그림에서보는바와같이, 굴착에따른최대수평변위는말뚝의근입심도 (Z) 가 0.5H 이상증가하여도크게변화가없으며, 이결과를바탕으로최적의근입심도는 0.5H를적용하는것이합리적일것으로판단된다. 4.4 지반조건 였으며, 굴착에따른흙막이벽체의수평변위및휨모멘트를분석하였다. 또한수치해석을이용하여흙막이벽체를구성하는전열말뚝및후열말뚝의간격 (S), 전열말뚝과후열말뚝간의거리 (D), 굴착심도 (H) 및말뚝의근입깊이 (Z) 등, 본공법의주요설계인자들의영향정도를분석하기위하여다양한경우의 3차원유한차분모델링및해석을수행하였다. 연구결과를정리하면다음과같다. Fig. 13은사질토조건과점성토조건에서굴착시발생하는최대수평변위에대한모든영향인자분석결과를나타낸것이다. Fig. 10, Fig. 11 및 Fig. 13에서보는바와같이, 각각의영향인자의변화에따른최대수평변위의영향은점성토조건에서보다사질토조건에서크게나타남을알수있었다. 이는사질토조건에서지반- 말뚝의상호작용이보다크게나타난다는 Ashour and Ardalan(2012) 의연구와유사함을알수있다. 5. 결론본연구에서는 2열자립식흙막이공법에있어서안정성에영향을미치는주요설계인자들을분석하고설계기준을제안하기위하여현장적용결과의분석및 3 차원유한차분해석을수행하였다. 지반특성에따른본공법의거동을분석하기위하여사질토가지배적인현장과점성토가지배적인 2개의현장에적용을수행하 (1) 2열자립식흙막이공법은지반굴착시발생하는토압과변위를사면안정용억지말뚝의사용을통한수동저항에의해흙막이구조체의토압경감및변위억제가가능한공법이며, 실제현장에적용한결과, 그효과를확인할수있었다. (2) 2열자립식흙막이공법의현장적용결과와수치해석을통한공법의거동분석을비교한결과, 본연구에서수행한수치해석기법이 2열자립식흙막이공법의실제거동을합리적으로모사하고있음을알수있었다. (3) 본공법의설계및시공에있어서주요영향인자인말뚝간의간격 (S), 전 후열말뚝간의거리 (D), 말뚝의근입장 (Z), 굴착심도 (H) 및지반조건에따른공법의거동을총 600 case의수치해석을통하여분석한결과, 말뚝간의간격이감소및전 후열말뚝간의거리가증가할수록흙막이벽체의변위는감소하는것을알수있었으나, 변위감소의영향은일정 (a) Sandy soil (ϕ =30, c = 8.90 kn/m 2 ) (b) Clayey soil (ϕ =15, c = 26.69 kn/m 2 ) Fig. 13. Variation of δ h,max with excavation depth 2 열자립식흙막이공법의거동특성에관한수치해석적연구 45
범위를넘어설경우미비해짐을알수있었다. 또한, 말뚝의근입장은 0.5H(H= 굴착심도 ) 이상이될경우변위억제에크게영향이없음을알수있었으며, 이러한주요인자들의영향은점성토지반에서보다는사질토지반에서보다뚜렷하게나타나고있음을알수있었다. (4) 본연구의결과는향후현장에서본공법을적용할경우, 굴착심도및지반조건에따라말뚝간의간격 (S), 전 후열말뚝간의거리 (D), 말뚝의근입장 (Z) 등의설계인자결정에활용할수있을것이다. 또한, 현장조건에따라각각의설계인자들의조합을통해최적의설계조건을제공할수있을것으로판단된다. 감사의글본연구는 2014년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단 (No. 2011-0030040) 의지원을받아수행되었으며, 이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 (References) 1. Ashour, M. and Ardalan, H. (2012), Analysis of Pile Stabilized Slopes based on Soil-pile Interaction, Computers and Geotechnics, Vol.39, pp.85-97. 2. Chen, C. Y. and Martin, G. R. (2002), Soil-structure Interaction for Landslide Stabilizing Piles, Computers and Geotechnics, Vol.29(5), pp.363-386. 3. Clayton, C. R. and Milititsky, J. (1986), Earth pressure and earthretaining structures, University of Surrey Press, London. 4. Clough, G. W. and O Rourke, T. D. (1990), Construction Induced Movements of in Situ Walls, Proceedings of Design and Performance of Earth Retaining Structures, Vol.25, pp.439-470. 5. Dappolonia, E., Alperstein, R., and Dappolonia, D. J. (1967), Behavior of a Colluvial Slope, Journal of Soil Mechanics & Foundations Div, Vol.93, pp.447-473. 6. Hassiotis, S., Chameau, J. L., and Gunaratne, M. (1997), Design Method for Stabilization of Slopes with Piles, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.123(4), pp.314-323. 7. ITASCA Consulting Group (2005), FLAC3D, Minneapolis, USA. 8. Ito, T. and Matsui, T. (1975), Methods to Estimate Lateral Force Acting on Stabilizing Piles, Soils and Foundations, Vol.15(4), pp. 43-60. 9. Jeong, S. S., Kim, B. C., Won, J. O., and Lee, J. H. (2003), Uncoupled Analysis of Stabilizing Piles in Weathered Slopes, Computers and Geotechnics, Vol.30(8), pp.671-682. 10. Kim, C. Y., Kwon, J. G., Im, J. C., and Hwang, S. P. (2012), A Method for Analyzing the Self-supported Earth-retaining Structure Using Stabilizing Piles, Marine Georesources & Geotechnology, Vol.30(4), pp.313-332. 11. Kitazima, S. and Kishi, S. (1967), An Effect of Embedded Pipes to Increase Resistance Against Circular Slides in Soft Clay Foundation, Technical Note of Port and Harbour Research Institute, Vol.29, pp.63-94. 12. Korea Geotechnical Sociry (2002), Excavation and Earth Retaining Structures (in Korean language), pp.152-153. 13. Korea Geotechnical Sociry (2013), Korea Specification for Substructures (in Korean language). 14. Liang, R. and Zeng, S. (2002), Numerical Study of Soil Arching Mechanism in Drilled Shafts for Slope Stabilization, Soils and Foundations, Vol.42(2), pp.83-92. 15. Prakash, S. (1962), Behavior of pile groups subjected to lateral load, Ph.D. Thesis, University of Illinois, USA. 16. Sim, J. U., Park, K. B., Son, S. G., and Kim, S. I. (2009), A Study on the Behaviour Analysis and Construction Method of the Self-Supported Earth Retaining Wall (SSR) using Landslide Stabilizing Piles, Korean Geotechnical Society, Vol.25(1), pp.41-54. 17. Won, J. O., You, K. H., Jeong, S. S., and Kim, S. I. (2005), Coupled Effects in Stability Analysis of Pile-slope Systems, Computers and Geotechnics, Vol.32(4), pp.304-315. Received : January 29 th, 2015 Revised : March 27 th, 2015 Accepted : April 10 th, 2015 46 한국지반공학회논문집제 31 권제 5 호