1. 서론
우리나라에서 발생한 흙막이 가시설의 사고사례의 사고원인이 [그림 1]과 같이 분석되고 있으며, 이러한 사고원인은 우리 지반공학 기술자들의 부단한 노력으로 줄이거나 방지할 수 있다고 판단됩니다.1)이번으로 세 번째를 맞이하는 흙막이 가시설 관련 강좌에서는 흙막이 가시설 설계 시 간단한 사항이지만 공학적으로 중요한 부분이 다소 간과됨에 따라 흙막이 가시설의 안정성에 영향을 미치고있는 사항들에 대해 고찰해 보고자 합니다. 이와같은 사항들이 실무기술자들자과 상호교류되어 향후 보다 안정성 높은 흙막이 가시설이 계획될 수 있기를 기대합니다본 강좌에서 의견하는 사항들은 개인적인 기술적 경험과 소신에 따른 소견이 다소 있으므로 서로 다른 의견이 있는 경우 주저 없이 상호 질의 답변하는 과정과 충분한 논의를 거쳐 지반공학 기술자들이 발전하는 계기가 될 수 있기를 기대합니다.
2. 지반조사
[그림 1]에 의하면 흙막이 가시설 공사에 대한 사고사례 24건 중 지반조사의 불충분으로 인한 사고가 12건, 가시설 구조체의 불안정에 의한 사고가 9건, 지하수위 처리의 미흡에 의한 불안정사고가 9건으로 나타난 바가 있을 정도로 지반조사의 부실로 인한 흙막이 가시설의 불안정성을 초래하고 있어 지반조사의 중요도가 매우 높다고 할 수 있다.특히, 민간건축분야에서는 설계 또는 설계 및 시공의 일괄도급 후 도급자가 지반조사와 흙막이 가시설 설계를 별도 발주하는 방식으로 인해 저가에 의한 지반조사와 설계로 인해 부실공사가 되는 것이 일반적이다. 이로 인해 지반조사를 계획함에 있어 시추조사만을 계획하고 지층구성과 지층별 N치를 확인하는 수준의 조사가 이뤄져 locality가 강한 지반특성을 국외의 N치와 지반정수와의 관련식을 무분별하게 적용함으로써 지반정수의 결정에 큰 오류를 범하고 있다.부실한 조사로 인한 개략적인 지반조사와 추정된 지반정수에 의해 작성된 설계로 인해 흙막이 가시설 공사의 사고가 발생할 경우 이를 수행한 기술자뿐만 아니라 지반공학 기술자 전체에 대한 사회적 불신이 커지게 되므로 설계자는 자신의 문제가 아니라 지반공학분야 기술에 대한 신뢰의 문제가 될 수 있으므로 설계 전 지반조사야 말로 대단히 중요한 사항으로 판단된다.최근 지하안전법이 시행됨에 따라 지반조사가 시추 외에 공내재하시험, 공내전단시험 등을 포함한 현장시험, 실내시험 등이 비교적 충실히 수행되고 있어 향후 정도 높은 많은 자료가 축적되어 국내 지반에 대해서도 지반정수의 종합적 고찰이 이루어져 지반분야의 발전으로 이어질 수 있다고 생각된다. 그러기 위해서는 지반조사 계획부터 실시, 결과의 면밀한 분석 등 지반공학기술자들의 적극적인 노력이 요구된다.
3. 설계 시 주요사항에 대한 고찰
흙막이 가시설 설계에 있어서 검토하여야 할 사항은 [표 1]과 같이 단면설계, 주변영향성 검토, 평면배치설계, 주요시방 및 계측관리계획의 제시 등이다. 이들 사항 중 대부분 ①은 비교적 충실한 편이나 나머지 부분은 미흡하거나 다루지 않고 있는 경우가 많아 주의가 요구된다.
3.1 경사고임대(Raker)의 설계
경사고임대(Raker)는 사업부지 내에서 흙막이 버팀구조로 종종 사용되고 있으나, 내부 구조물 시공에 어려움이 크기 때문에 꺼리는 편이다. 그러나, 부지 외로 앵커를 할 수 없거나 버팀대로 하기 어려운 경우에는 어쩔 수 없이 계획할 수밖에 없는 구조이다. 경사고임대는 경사로 설치되는 구조부재이기 때문에 2방향의 힘이 작용하는 구조이나 수평력에 대해서만 고려하고 상향력에 대해서는 고려하지 않는 경우가 많아 주의가 요구된다.
[그림 2(a)]와 [그림 3(a)]를 비교해보면, 경사고임대의 상향력에 대한 저항구조체를 설치하여야 한다는 사항이며, [그림 2(b)]에서는 지지체로서 콘크리트 블록을 현장타설토록 하는 것인데 이 경우는 현장타설 콘크리트 블록이 완전 경화되기 전에는 지지구조가 되지 못하여 벽체의 변형은 불가피하므로 [그림 3(b)]에서와 같이 즉시 지지력이 발휘되는 지지말뚝으로 하는 것이 유리하다는 사항이므로 설계자는 이를 고려하여 현장여건에 맞게 검토할 것을 제안하는 것이다. 또한, 레이커 지지체의 변위 여부에 따라 지지능력에 큰 차이가 있으므로 계측계획에 지지체의 변위를 측정하도록 하여야 할 것으로 판단된다.
3.2 버팀대(Strut)의 설계
(1) 띠장의 폐합 여부
버팀대의 설계에 있어서 단면상 안정성 검토 후 그 결과에 따라 평면적인 배치를 계획함에 있어서 터파기 부지 형상에 따라 설계자의 고민이 크게 달라지게 된다. 그 주된 고민은 버팀대와 벽체 사이에 설치되는 띠장의 폐합 여부에 대한 고민이 매우 중요한 사항이라고 판단된다([그림 4], [그림 5] 참조).
(2) 장지간의 버팀대
터파기 면적이 넓어 장기간의 버팀대를 계획할 경우에는 안정검토에서 버팀대의 강도 이내의 축력이 발생하더라도 실제 시공에서 모든 버팀대의 길이가 도면과 같이 동일하게 설치될 수 있을 것인지에 대한 사항과 배면지반의 특성이 버팀대 위치마다 동일할 수 있을 것인지에 대한 고민이 요구된다. 이들 사항이 달라지면 특정 버팀대에 힘이 집중될 수 있어 전체 구조의 불안정으로 이어질 수 있기 때문이다.
(3) 경사버팀대(코너부)
[그림 5(a)]에 비해 [그림 5(b)]에서는 경사버팀대(corner strut)의 길이가 매우 긴 편이다. 경사버팀대는 맞버팀대(축력만 작용하는 버팀대)에 비해 2방향의 힘이 발생하기 때문에 모멘트의 발생이 필연적이다. 그러나, 안정성 검토에서는 이러한 모멘트에 대한 검토가 행해지지 않고 있다.
(4) 편굴착에 대한 문제
지하 터파기 과정에서 임의 위치에서 우선 굴착할 수밖에 없기 때문에 흙막이벽체 및 버팀대에는 편굴착에 의한 영향을 받을 수밖에 없다. 굴착과정에서 발생하는 편굴착 영향에 의해 구조안정성의 불안정측이 우려되는 정도의 약한지반, 깊은 굴착일 경우에는 단면 안정성 검토에서 버팀대에 발생하는 축력은 설계한도보다 충분한 여유를 두는 노력이 요구된다.예시로 평면배치계획에 대해 구조안정성 검토를 수행하고 발생모멘트를 확인한 결과 [그림 6]과 같이 경사버팀대의 휘어지는 현상과 모멘트 값이 크게 발생하게 되는 것으로 나타나므로 경사버팀대는 큰 힘이 발생하는 곳, 길이가 길어지는 곳에서는 지양하는 것이 바람직하다 판단되며, 부득이 필요할 경우에는 평면적 배치에 대해 구조안정성검토를 별도로 수행하여 추가 보강대책을 고민하는 것이 바람직하다 사료된다.
3.3 소일네일과 지반앵커의 설계
흙막이벽체의 지지방법으로 소일네일과 지반앵커를 사용하는 경우가 있는데, 이들 두 부재의 지지특성에 의한 차이를 명확히 알고 설계할 필요가 있다.
(1) 소일네일의 거동 특성
소일네일과 같이 천공 후 그라우트 충진 후 다음 단계 굴착을 반복하는 보강의 경우, 다음 굴착과정에서 변위가 발생하는 정도에 따라 기 설치한 소일네일은 저항능력이 발휘되기 시작한다. 즉, 소일네일은 변위를 허용하는 지지 부재이다. 이러한 사항은 [그림 8] 및 [그림 9]의 굴착단계를 고려한 해석예에서 알 수 있다. 따라서, 소일네일을 사용할 경우에는 굴착단계에 따라 주변 변위 영향에 대한 사항과 실제 발휘되는 저항력과 부재의 지지능력을 고려하여 안정성 검토를 수행하여야 한다.
또한, 굴착 완료된 상태에 대해서만 모든 소일네일이 부재능력 전부가 저항력으로 발휘되는 것으로 안정성을 검토하는 경우가 대부분인데 이러한 경우에는 안전율을 과대 평가하여 불안정측의 검토가 되기 때문에 주의가 요구된다.
그리고 소일네일(또는 강관)의 인발저항력과 전단저항력을 동시 도입하여 안정성을 검토하는 경우도 있어 안전율을 턱없이 과대평가하는 경우도 있는데, 통상적으로 그 저항력으로 보강재의 전단저항력과 인발저항력 중 작은 값만을 저항력으로 반영하여 안전율을 계산토록 하는 것이 바람직하다.
(2) 지반앵커의 거동 특성
소일네일의 변위 허용으로 인한 문제점을 보완하기 위해 계획되는 것이 지반앵커이다. 지반앵커는 변위를 허용할 수 없는 주변여건인 경우 굴착단계에서 앵커력을 도입하여 변위를 사전에 억제하는 역할을 갖도록 하는 것이다.현재 국내에 사용되고 있는 지반앵커에 있어서, 하나의 앵커에서도 강선의 길이를 달리하는 구조를 채택하는 경우가 대부분인데 이러한 방식은 지지구조에 있어서 설계기법이나 관리기법이 마련되어 있지 않기 때문에 그 사용에 주의가 요구된다([표 2] 참조).
[표 2]에서 알 수 있듯이 하나의 앵커는 강선의 길이가 모두 동일한 것을 전제로 하여 앵커의 구조계산이 수행되고 있으며, 하나의 앵커에서 강선의 길이가 다르게 되면 정착장도 최소정착장 기준(4.0m)을 만족하지 못하는 점, 강선길이별 하중-늘음량 관계도의 작성이 어려운 점, 개별인장기를 사용하더라도 개별정착구를 사용하지 않고 일체형 정착구를 사용하고 있어 개별인장이 무의미해지는 점 등 설계 및 시공관리기법에서 해소하여야 할 문제점이 많은 편이다.
(3) 기타 참고사항
지반의 강도를 설계에 적용함에 있어서 적용하는 지반강도는 변위를 전제로 하고 있음에 유의할 필요가 있다. 변위가 발생하지 않으면 지반강도는 발현(mobilized)되지 않는다. 즉, [그림 10(a)]의 응력-변형률 그래프에서 알 수 있듯이 설계에 사용하는 지반강도가 실제 현장에서 발휘되기 위해서는 변위가 발생되어야 한다는 것이다.다른 예로, [그림 10(b)]의 직접기초의 지지력 문제에 있어서도 마찬가지이다. 지지력이 충족된다고 해서 그 지지력이 발휘되기 위해 요구되는 침하가 검토되지 않아도 되는 것은 아니다. 그래서, 지지력과 침하를 동시에 고려하는 지내력(지지력, 침하)을 평가하여야 하는 것이다.
3.4 지중연속벽의 설계
지중연속벽(Diaphragm wall, Slurry wall)은 지반이 약하고 토압이 크게 작용하는 경우 H-pile 흙막이판, CIP, SCW, Sheet pile 공법 등으로는 저항할 수 없는 경우에 주로 사용한다. 벽체의 강성이 크고 벽체 공간에 벤토나이트 슬러리로 공벽을 지지한 상태에서 지반을 굴착하고 공벽 내에 철근망을 삽입하고 레미콘을 타설하여 철근콘크리트 벽체를 터파기 전에 미리 조성해두기 때문에 영구벽체로 사용하는 경우가 대부분이다.
지중연속벽 설계에 있어서 굴착측에서의 벽체 전면에 작용하는 저항토압은 수동토압으로 고려하도록 이론화되어 있다. 그러나, 수동토압을 저항토압으로 보게 되면 수동변위를 허용하는 개념이 되어 굴착 하부면에서 큰 수동변위가 발생하게 되어 벽체의 안정성에 매우 불리한 사항이 되므로 이에 대한 논의가 이루어져야 한다([그림 11] 참조).
또한, 지중연속벽에 대한 설계에 있어서 버팀방법에 따라 벽면에 작용하는 토압, 허용변위 기준 등이 달라져야 하는 점에 주목하여야 한다. 버팀방법은 크게 ①가설 버팀(버팀대, 앵커 등)으로 지지하는 방법, ②지하층 슬래브로 지지하는 방법의 2가지로 볼 수 있다. ①의 경우는 벽체의 변위가 어느 정도 발생하여도 굴착 완료한 후 굴착바닥으로부터 상향으로 기초바닥콘크리트, 슬래브를 타설하는 방법인 반면, ②는 지상1층 바닥 슬래브부터 하부로 굴착하면서 지하구조물 바닥 슬래브를 조성하면서 터파기해 가는 영구구조물을 형성하는 과정을 거치기 때문에 ①에 비해 변위의 허용량이 크게 제한되어야 한다([그림 12] 참조). ②의 과정([그림 12(b)]의 경우)으로 계획된 지중연속벽 설계, 시공을 ①과 같이 설계하고 관리기준을 적용하면 영구구조인 슬래브 등에 변위, 균열이 발생하여 올바른 구조물이 될 수 없음을 주지하여야 한다.
그러나, 현행 탄소성해석 설계 프로그램에서 정지토압을 적용하거나 주동토압을 적용하여도 벽체에 발생하는 토압에는 큰 차이가 없는 것으로 나타난다. ①의 시공방법에 초점이 맞춰진 해석과정을 제시하고 있기 때문이다.따라서, 지중연속벽에 대한 현행 설계기준이나 설계 프로그램에서는 이러한 구분을 두고 있지 않아 상기 2가지 버팀방법에 따라 다른 설계기준, 설계방법, 시공 시 변위 관리기준 등이 조속히 마련되어야 한다.
3.5 부상방지앵커의 설계
구조물의 부상(浮上)을 방지하기 위해 부상방지앵커를 시공하는 경우가 종종 있다. 앵커의 경우 두부는 정착구에 내에 강선과 쐐기가 고정되는 구조인데, 이 부분에 누수현상이 발생하면 강선의 부식으로 인해 앵커의 기능은 상실되게 된다. 강선의 부식을 방지할 수 있는 대책은 없다고 보아도 될 정도로 어려운 사항이다.이러한 현상을 고려해 볼 때 [그림 13]과 같이 철근다발(마이크로파일 개념)을 기초매트 철근과 결속하여 기초매트콘크리트에 매몰하는 방법도 고려해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.
3.6 기타 사항
(1) 최소지반반력계수
탄소성이론을 기반으로 하는 흙막이 해석 프로그램을 이용하여 흙막이 안정성을 검토할 경우, 프로그램에서는 최소지반반력계수를 디폴트(default)값으로 하여 100을 적용하도록 추천하고 있다. 이 값은 시험이나 이론식에 의해 구해지는 지반정수가 아니기 때문에 기술자가 임의로 정할 수 없는 값이다. 모든 지반정수를 동일하게 하고 이 값을 어떻게 설정하느냐에 따라 흙막이벽체에 발생하는 토압의 변화를 [그림 14]에 나타내었다. 프로그램에서 추천하는 값과 임의의 값의 비교에서 거의 2배의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다.
이 값을 설계자가 임의 조정할 수 있게 되면 동일한 지반조건에서 벽체에 발생하는 토압은 설계자마다 다른 안정성 평가를 하게 되어 시험을 통해 구한 지반정수나 경험에 의한 다양한 지반정수들은 무의미하게 된다.
따라서, 탄소성 이론적으로 해법을 구하는 과정에서 프로그램 내의 탄소성해석 수행 기법상 제시되어 있는 최소지반반력계수는 해석을 수행하기 위한 프로그램 자체의 기능수행값으로 보아야 하고, 이 값이 토압의 크기에 미치는 민감도가 상당히 큰 편이므로 이 값을 임의 조정하는 등의 행위로 흙막이벽체의 안정성을 추구해서는 안 된다고 판단되므로 주의를 요한다.
(2) 안정해석의 검토한계에 대한 극복
연약지반에서 굴착을 계획함에 있어서 설계시 탄소성이론에 의한 안정성 검토만을 수행할 경우, [그림 15(a)]와 같이 굴착바닥면보다 더 깊은 곳에서 큰 변위가 발생하고 그 영향범위가 매우 넓어지는 등 이론과는 크게 다른 양상의 이상변위가 나타나는 사례가 많은 편이다.
상기에서 기술한 바와 같이 탄소성이론을 기반으로 하는 안정해석에서 굴착측에서의 수동토압을 전부 지반지지능력으로 보는 이론적 한계의 문제와 버팀방법을 구분하여 굴착과정에서 벽체에 작용하는 토압으로 정지토압을 적용한 결과와 주동토압을 적용한 결과에는 큰 차이가 없는 것으로 나타나 버팀방법의 차이에 따른 해석 수행이 불가한 문제점 등이 공존하고 있음에 기인하는 것으로 판단된다. 이러한 문제점을 안정성 검토만으로는 극복하기에는 현실적으로 어렵다고 판단되므로 이러한 변위양상이 우려되는 연약지반에서의 굴착에 있어서는 [그림 15(b)]와 같이 유한요소법 등과 같은 수치해석을 수행하여 변위영역과 부재력을 검토하여 설계에 반영토록 하는 것이 바람직하다 판단되므로 설계시 주의할 필요가 있다.
(4) 경사지 시공중 물관리 문제
경사지에서 굴착을 계획할 경우 배면의 경사지에서 발생하는 지표수 및 지하수 처리계획에 대해 매우 신중히 대처할 필요가 있다. 최근 강우패턴은 일일 몇 백 mm의 강우도 발생하는 양상이므로 설계자는 시공 후 유지관리 측면에서 뿐만 아니라 시공중 배수관리에도 각별히 유의하여야 할 것으로 판단된다([사진 2] 참조).
