제원 : 400x125x13 (60kg/m), Wale, Strut : H300x300x10x15

근입깊이 : Min. 3m

Program : GEO-05, 한계평형법

마찰각 : Sheet Pile 과 N value 기준으로 마찰력을 구하기 위함.

Input : 안전율 1.5, Coulomb Earth Pressure
Layer 별 중량, 내부마찰격, 점착력, 탄성계수
Strut 위치, 지하수위 고려.

Calculation Step : Subgrade reaction of Soil (스프링계수, 지반반력계수) 계산(입력)
토압/변위 계산

SFD/BMD 계산

확인 : Allowable Deflection 확인 (L/360)

Piping Check : 수두차 i=h/L icr 1 로 가정. 안전율 2.0

Boiling Check : rsub 하중 / 정수압 = Effective Soil / Uplift. 안전율 1.5

Sheet pile 자체의 Bending/Shear check
Strut 의 Member check (Stress within allowable)

흙막이벽은 지중 굴착 전후 발생하는 횡토압에 저항하는 구조물을 말합니다.

토압은 정지토압, 인장변형시의 주동토압, 압축변형시의 수동토압으로 나뉘고, 지중 토사의 무게인 수직토압에 토압계수를 곱하여 계산합니다.

구조물의 지점 조건에 따라 토압분포는 삼각형, 포물선 등을 그립니다.

흙막이 해석은
SUNNEX,
EXCAV
WALLAP 과 같은 프로그램을 사용하는데,
지점 조건을 스프링으로 놓고,
각 스프링의 지반반력계수(kN/m3) 를 입력하고
그에 따른 응력, 변위를 관찰하며 안정성을 확보하는지 확인합니다.
토류벽 자체의 안정성은 물론 배면지반의 변위도 파악하여 안정성(주동상태인지)을 확인하고,
굴착 단계별 해석을 할 수 있다는 장점이 있습니다.

구조체의 강성을 구할 때, kN/mm 과 같은 값을 주고, 10kN/mm 이상의 강성을 가져라. 라고 하면 10kN (1tonf) 의 하중이 가해졌을 때 1mm 처짐이나 변위만 발생해야 한다는 의미인데,
지반반력 계수도 단위면적당 하중을 가했을 때의 변위를 계수로 판단합니다.
응력-변위 곡선에서의 기울기 (탄성쪽) 가 지반 반력계수가 되고, 평판재하시험이 떠오르네요.

탄소성은 이처럼 흙막이와 부재를 탄성 혹은 그를 벗어난 탄소성 재료로 보고 구속이 아닌 변위를 허용하는 해석법으로 보면 되고, 초기 지점 조건에 따라 변위를 계산하고 그에 따라 재분배되는 토압을 관찰할 수 있어, 취약부나 침하 예상부를 예측할 수 있습니다.

1.     토압론
A.    지지구조 없는 경우 (중력식) : Rankine, Coulomb 토압을 정규화(선형화) 하여 적용
B.     지지구조 있는 경우 (Anchor, Strut) : 지지 형식에 따른 구분 (자유단 지지, 고정단 지지)
최소 근입장 관리 필요.

2.     탄성법 (탄성보법)
기존 토압론은 앵커의 장력이나 최대모멘트가 지나치게 크게 산정되는 경향.
지지구조가 없는 경우/ 있는 경우로 구분
-       배면의 하중 분포
-       저면의 스프링설치 : 지반 모델 (스프링 계수, 지반변력계수 산정)

3.     탄소성법
-       흙막이 벽체 : 탄성보로 모델
-       지보재 : 탄성 스프링
-       지반 : 탄소성 스프링 (유한요소 해석), 항복기준까지는 탄성으로 가정, 그 이후는 소성으로 (변형발생) 판단.
-       초기 토압에 따른 발생 변위 계산, 변위에 따른 토압보정. 반복 작업을 통해 벽체 변위, 응력, 지보재 반력 계산

기본 벽체의 방정식을 통해 계산.

벽체의 변위는 Terzaghi 등의 한계 허용변위 값으로 구속하여 흙막이 설계.

계측에 따른 실제와 변위 모델간의 일치성 확인 필요

Mohr Circle 은 최대주응력과 최소주응력을 통해 응력-전단 그래프를 그려 2차원응로 응력상태를 확인할 수 있는 원리입니다.

주응력면은 전단이 발생하지 않고 수직력만 발생하는 면을 의미합니다.

수평구속압력을 달리 해가며 원을 여러개 그리고, 그것의 접선을 이은 것이 c, pi 파괴 포락선이 됩니다. 이를 통해 점착력과 내부마찰각을 알아내거나, 역으로 지질정수를 아는 경우에 현재 응력으로 파괴에 닿는지를 확인할 수 있는 방법입니다.

보강토 옹벽은 층층이 들어 있는 마찰력이 큰 강재 혹은 합성섬유재의 보강재가 마찰력을 일으켜 횡변위를 구속함으로서 파괴포락선을 들어올리거나, 응력원을 오른쪽으로 또 작게 만들면서 더 큰 수직응력 즉 더 높은 성토고에도 버틸 수 있게 만들어주는 원리입니다.
계란을 층층이 쌓았을 때의 느낌이라고 어디서 들은 바 있습니다.

보강토 옹벽의 안정검토는 외적해석, 내적해석으로 나뉘고,

내적해석은 절단 (항복강도와 횡토압의 비교를 통해 보강띠 두께 검토), 인발 (마찰강도와 횡토압을 비교해, 유효길이 산출)을 체크하며, 45+pi/2 위쪽은 자유길이로 보고 마찰에 포함시키지 않도록 한다.

외적해석은 기본적인 옹벽과 같이 전도, 수평, 지지력, 사면의 활동 (원호, 대수나선), 그리고 채움재의 성질/다짐 정도를 판단해 부등침하 여부도 체크해야 한다.

유의사항은
- 전면판 조립 시 유의. (수직도 검토)
- 뒤채움재, 보강재 시공 유의. (정위치, 올바른 재료, 올바른 다짐)
- 벽면에 평행하게 다짐, 급정지/급선회 금지, 벽면측부터 다짐.
- 침투 방지
- 보강재 시험 : 전단시험, 현장 입고시험.

말뚝은 콘크리트 말뚝 (Precast, CIP), 강관말뚝/H형강 말뚝, 복합말뚝 (하부 콘크리트, 상부 강관) 등으로 재료에 따라 구분될 수 있다.

말뚝을 강성으로 보느냐 탄성으로 보느냐에 따라 하부 모멘트 전달이나 횡방향 변위의 정도가 달라진다.
연성으로 보는 경우 모멘트가 두부는 정모멘트, 하부는 부모멘트를 받게 되기도 한다.

말뚝과 기초의 연결방식 : 강결합 (Fix) / 힌지결합 (Pin)
- 구조물의 형식, 기능, 확대기초의 형태와 크기, 지반조건, 시공성 등 고려 필요.

자유단/힌지/고정단
- 고정단 : 횡방향 강성과 모멘트 증대, 모멘트 전달
- 힌지 : 모멘트 전달 안됨. 수평력이 발생하는 경우 변위가 커짐.

깊이별 변위, 모멘트, 전단력 등을 그래프로 작성 가능.
(극한 평형에 근거한 응력-변형 확인, Broms)
(SFD, BMD 개념으로 Moment 최대 지점 등을 고려한 식으로 수평저항력 산정)

1. 극한 평형법 (Broms 등)
말뚝 파괴를 고려한 극한 평형 접근으로, 휨강성/근입깊이/지반강성에 따른 분류.

- 지반반력계수 셜정이 중요. (일축압축강도, 재질, 직경 등 고려한 후 2~4로 나누어 보정)
- Beta 값 설정 (점성토), 사질토 n

- 긴말뚝/짧은말뚝의 판별

짧은말뚝/중간말뚝은 지반이 파괴됨
긴말뚝은 말뚝하부를 힌지로 보고 상부만 지반이 소성화되어 파괴됨.

0.7H (바닥에서) 위치가 최대변위.
- 파괴시 발생하는 횡방향 토압은 Rankine 의 수동토압의 3배와 같음.
- 극한하중 /2.5~3 의 하중과 허용변위에 따른 최대하중을 비교하여 사용하중을 사용.

허용수평변위를 통한 수평하중 산정방법.

탄성지반반력법 : 말뚝을 탄성 지반에 지지된 스프링이 달린 구조체라고 가정. 수평지반반력계수, 탄성계수, 단면 2차모멘트 사용. (p-y 곡선 이용)
- pu 의 1/2 지점을 할선계수로 보고 선택하면 선형해석
- 초기 접선값으로 시작하여 비선형으로 보고, 변위에 따른 접선계수를 계속 재산정해가는 방법이 비선형 방법. (초기 변위와 재산정 변위가 허용치 안으로 들어오도록 반복해서 해석)

말뚝의 축력분포
- 고정/힌지 : 깊을수록 0으로 수렴

짧은 말뚝의 경우 예

말뚝의 모멘트분포
- 고정 : 두부에서 최대, 중간에서 한번 반대의 모멘트를 가졌다가 0으로 수렴
- 힌지 : 두부에서 0이지만, 축력에 의해 발생하는 모멘트가 상부에 최대를 갖고, 깊어질수록 0으로 수렴.

말뚝의 변위
- 고정 : 횡방향변위가 작고, LPile 을 통해 계산된 허용 변위 내로 관리
- 힌지 : 지속적으로 커짐

수직력만 작용하는 경우 힌지가 유리 (모멘트 전달을 안 되게 하여 말뚝의 철근량, 두부의 철근량 감소시킬 수 있음.)
수평력이 작용하는 경우 힌지에서는 따로 압축력/인장력에 따른 설계와 두부의 휨모멘트에 대한 보강도 필요.

횡방향 하중과 수직력이 복합하여 작용하는 경우 부등침하에 따른 힘의 전이현상이 발생할 수 있음.
고정단의 경우 부모멘트에 따른 철근 보강이 필요. 전면기초 단면 전단력이 커질 수 있음. (과다설계)
수평하중에 의한 변위를 Control 할 수 있다면 힌지구속이 경제적인 설계가 가능.