흙막이 해석 범위 : 3H 양쪽, 2H 하부까지 수치해석 모델 작성

흙막이 해석 내용
-       벽체 수평변위 : 허용변위량과 비교
-       벽체 응력 검토 : Strut (휨응력, 압축응력), 띠장 (휨응력, 전단응력), 측면말뚝 (휨응력, 전단응력), CIP (압축, 전단, 인장)
-       인접구조물 검토 : 변위 및 부등침하, 각변위 1/500
-       지하매설물 검토 : 침하량
-       인접도로 : 침하량

탄소성 해석 : SUNEX
-       발생응력과 허용응력 비교
-       굴착저면 안전검토 – 근입깊이, 히빙(5.7, 5.14cu 와 파괴면을 따라 비교), 파이핑(보일링) (한계유속, Terzaghi, 동수구배, 유선망)

Peck

지반의 특성에 따라 지하안전영향평가시 해당 지역의 범위를 설정.

Caspe

굴착영향거리, 45+pi/2 기준 settlement 측정 및 분석/계측/관리

3.6D 정도까지 변위수렴구간으로 판단하여 검토 필요.

항복 지점 이후에 탄소성 영역이 생기며,
해당지역에서는 탄성+소성 변형률을 함께 갖게 된다.

Flow rule (유동) : 소성 변형 내에서 응력이 증가함에 따라 회복 불가능한 변형이 연속적으로 진행. 소성변형 증분의 방향을 결정. 항복후의 거동을 모사하고 예측하기 위함.

항복 후 소성은 연속적으로 이어지며 변형이 증가한다.

Hardening rule (경화) : 등방성(Isotropic)/운동학적(Kinematic) 모델로 구분되며, 압축항복과 인장항복이 같은지 아닌지에 따라 다름. 영구변형.

흙막이

- 주열식 (Guide Beam 필요.)

1. SCW : Soil Cement Wall, 차수좋으나 강성 약함. 굴착(경화제쏘면서)-주입-교반-철근망(철골)삽입, 3열연속 시공, 연속시공 or 연결시공, 풍화암부터 시공 불가. 구조물과 연결불가 (Pile 과 다른 점). 공기 빠름. 배합 주의. 경화시간이 필요하여 유속이 빠른 구간 적용 불가.
- 벤토나이트 (클릭 참조)
https://huedor2.tistory.com/739

2. MIP : Mixed In place Pile, 1열씩 시공
3. CIP : Cast In place Pile, 굴착 후 공벽 안정 후 철근망(철골) 삽입 및 콘크리트 타설. 강성 확보. 차수 문제 발생. (SGR 등 차수공법과 병행), 불규칙 평면에 사용 가능. 공벽유지, Filter cake.
4. PIP : Packed In place Pile, 굴착속도 조절. Auger 인발 시 Cement, Mortar 주입. 주입 후 철근망 삽입. MIP 와는 흙과 교반하는지가 차이.

- 혼합처리 형식 흙막이/연약지반 개량

1. DCM (클릭 참조)

https://huedor2.tistory.com/711

2. SCF : Soil Cement Mixing Foundation, 천공기(2축) Cement-물 고화재를 주입 및 교반. DCM과는 시멘트 양이 많고, 강도가 크다는 차이. 저진동 저소음. 속도가 빠르고, 장심도 가능. D1000x2축.

(퍼옴 : 성구건설)

Mixer, Pump, Generator, Boring(augering) Machine(Screw type, Blade+Water, Jet+Agitator), Jet 쏘면서 Rod 삽입. (올라오면서도 쏜다.)

SCF 형성 후 PHC 를 삽입하여 마무리할 수도 있음. (PSCF)


3. DWM (Deep Wing Mixing Method) : 흙과 고화재 반응, 교반, 선단부 혼합 날개가 특징. 강도+차수(투수계수). 교반기 날개가 경사를 갖고 분출. 장비 대형이지만 경제성 우수.
DCM 공법에 비해 부상토 발생량을 줄이고, 균질한 개량체 조성이 가능. CGS 보다 침하량이 발생하지 않아 안정성이 우수.
성토사면 활동방지, 배면 차수벽/토류벽 설치, 댐 중심부 Core zone 설치, 매립장 침출수 방지용 차단벽 설치, 교대 측방유동 방지, 사질지반 액상화 방지.


4. FJS : Free Jet System, 자유단면형 다중관 고속분사교반공법 (JSP 는 2중관)

다른 연약지반 개량 (그라우팅) 공법은 여기로

https://huedor2.tistory.com/761

Strut 있는 경우(변형을 고려한 연성벽체) 경험토압 (계측을 통한 검증)
- 강성체는 삼각형분포 토압이론. (Rankine, Coulomb)
- 시공 중의 Cantilever 상태에서는 적용 불가.
- 6m 이상 굴착하고 흙막이 벽 설치가 완료된 경우.
- 간극 수압 고려되지 않은 경우.

1. 사질토
Peck : 0.65 r H Ka. 직사각형 (하부의 버팀보 하중이 중요. 하부가 배가 부를 확률이 커짐)
Tschebotarioff : 0.25 r H. 사다리꼴 (0.2 0.6 0.2 사다리꼴)
(숫자와 깊이는 지반의 상태에 따라 조금씩 달라질 수 있음.)

굴착저면은 마찰력에 의해 토압이 0으로 된다.

내부마찰각이 커지면 Ka 가 작아져 Peck 이 더 현실에 가까워짐.
Tschebotarioff : 내부마찰각을 반영하지 못해 토압이 과다평가될 수 있음 .(30도 이상), 30도 이하에서는 오히려 과소평가 가능성이 있음.

내부마찰각이 35도 보다 크면 Peck,
그렇지 않으면 Tschebotarioff 가 현실적임.

2. 점성토
Peck 도 사다리꼴. 0.3rH (0.25 0.75 or 0.25 0.5 0.25)

Tschebotarioff

흙막이 벽 설계 순서
- 조사/측량
- 구조형식 (차수여부)
- 구조물 크기 고려
- 단면가정
- 토압산정
- 안정검토 : Quick Sand (Boiling), Heaving
- 근입깊이 결정
- 지점계산
- 토압 최종 확정, 변위량 계산, 띠장/버팀보 확정.

BIM 은

4차산업혁명의
3D, Cloud, 실시간 등의 키워드가 들어간 새로운 패러다임.
Building Information Modelling
단순 3D model 이 아닌, 현황-설계-시공-유지관리 등 모든 것을 하나로 통합(Integration) 한다는 것이 중요.

- 설계시 기본적으로 사용하는 3D 에 (BIM) 터널의 보강패턴을 반영하여 시공 중 간섭이나 순서 등을 확인할 수 있다.
- 디지털 사진 기술(3D Laser Scan) 을 통해 굴착면 3D 모델을 생성하여 정량적으로 암판정을 하고, 기록을 DB 에 저장할 수 있다.

- 모든 사람이 Face mapping 에 참여할 수 없기 때문에 정확한 현장 상황을 많은 전문가들에게 쉽게 공유할 수 있는 것이 관건.
- 암질평가를 원활히 하여 적정한 보강 및 안전사고 방지 가능.
- 자동화된 공정관리와 모델을 활용하여 설계 뿐 아니라 시공/유지관리 단계에서도 BIM 의 장점을 활용할 수 있음.
- 굴착면의 Digital 3D mapping 을 통한 터널 시공 계획 관리
- 사업 계획 시 전체적인 3D model 을 통해 발주차/설계자/업체 등의 이해를 돕기 쉽다. (Error 발생, Miscommunication 최소화)
- 기본설계와의 비교, 실시설계의 검증을 통해 Re-work 을 줄이고, 업체와의 Claim 을 최소화 할 수 있음.
- 건물 내 Duct, Tray, Pipe 등 많은 시설물이 겹쳐서 이동하는 경우 간섭 확인에 용이함.

- 시방서 기준 이격거리 등을 사전에 확인하여 관련 규정 준수 여부를 확인할 수 있음.
- Cloud 작업을 통해 실시간으로 관리/공유할 수 있음.
- 공종이 다양해지고 서로간의 협의 (Integration) 가 중요해지는 만큼 2D 도면이 아닌 3D 로 서로의 상황을 확인하는 것은 도움이 됨.

- Function (기능) 과 Cost (비용) 의 함수인 VE 는 프로젝트 초기에 효과가 커지는 만큼 초기부터 BIM 을 통한 노력들은 Potential 원가절감에도 큰 도움이 됨.

연약지반은 물론 치환을 하는 것이 가장 Simple 하고 불확실성을 줄이는 길이기는 하지만,

여건 상 불가능하기 때문에 많은 방법 들이 고안되었다.

안정액의 사용은 이론 상으로는 이해하고 받아들이기 쉽지만,

실제 Guarantee Issue 가 항상 논란의 여지가 된다.

DCM 은 안정액, 교반, 주변영향 적음으로 대표되는 연약지반 개량 공법으로 

원지반을 그대로 활용한다는 특징이 있다.

시공순서는 조사 -> 혼합비 설정 -> 시공(굴진-교반-재굴진-고화재) -> 확인 시험의 순서가 되고,

시멘트와 물의 혼합비가 중요한 요소로 작용하며, (슬러리)

저압으로 주입하면서 원지반과 혼합재를 교반하면서 원지반을 경화시키는 원리를 이용한다.

확인 시험을 위해서는 시멘트가 경화되는 시간을 일부 고려하여 7~28일 사이에 할 수 있다.

공법 이름에서 확인할 수 있듯이, 심층혼합이 다른 공법과의 다른 점이고,

육상/해상 등 다양한 곳에 제약없이 적용할 수 있는 장점이 있다.

적용 대상 : 연약지반 개량, 차수, 액상화 방지 등.

그리고 연약지반을 원위치에서 교반하여 적용하면서 환경적인 문제나 골재/준설/사토 등의 문제가 적어진다.

어떻게 혼합을 하고, 주입/교반을 하면서 어떻게 분석을 하고, 변화된 적용을 시행할지가 중요하다.

다른 공법과의 비교

 - SCP : 모래라는 재료의 수급관련 문제.

 - 안정액 공법 (CGS, JSP, LW, etc.) : 주입량에 대한 확인 문제, 깊은 심도의 압력 관련 문제.

 - DCM : 30m 까지 가능. 지반에 대한 제약이 없고, 소음/진동/환경 문제로부터 자유롭고, 단시간에 소요의 강도를 얻을 수 있음.

흙-시멘트 (Soil Cement) 의 반응과 역할.

 - 함수비에 따라 강도의 발현, 응력-변형율, 탄성계수에 대한 연구에 따라 재료의 선택과 배합이 중요함.

 - 기본적으로 시멘트 양이 많아지면 강도 발현에는 효과가 있음.

 - 다양하고 객관적인 데이터 베이스를 통해 설계 기준 강도 및 배합비에 대한 기준 확립이 중요.

 - 주로 SCW 의 흙막이 용으로 많이 사용. (자립식 흙막이, 일체 효과가 좋음.

 - 해상 적용 시 고로 슬래그 시멘트를 이용해 내화학성, 장기강도 발현에 도움.

 - 토사의 함수비를 고려하여 W/C = 0.7~0.9 % 적용.

 - 물-시멘트 비가 큰 경우 잔류수의 블리딩 현상으로 인해 교반이 잘 되지 않음.

확인 시험

 - 실내 시험 : 일축압축강도시험, 삼축투수시험(투수계수), 동적 특성 확인 시험 등.

 - 현장 일축압축 강도의 50~60% 정도를 설계기준강도에 맞도록 설계 및 확인.

교반장비

 - 고압으로 심층혼합처리기 선단에 압송

 - 교반 날개를 이용한 슬러리를 연약지반과 혼합

 - DCM 에 고압 분사 방식도 있지만, 이는 다른 분사식 약액 주입 공법과 차이가 없다. (JSP, SGR, RIG 등)

 - 개량체 D1000 x 2 나, D1000 x 4 로 적용.

(여담) 저렇게 스트라이드 할 때까지 상체와 손이 움직이면 안되는데... 따라하기 너무 어려워요.

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.

지하수위가 높은 사질토 이상의 지반에 흙막이를 이용한 굴착을 하는 경우,

침투에 의한 간극수압이 흙의 무게보다 커지면서 발생하는 현상을 Boiling, Piping 이라고 함.

그에 대한 안정검토는

1) Terzaghi 방법

Fs = W/U (W 저면흙의 무게 (근입깊이까지), U 상향침투압, 간극수압)

Boiling 이 생기는 폭을 근입깊이의 반으로 봄 D/2

W = 수중흙의단위중량 x D x D/2

U = 물의단위중량 x h x D/2

(h 를 수두차의 반으로 가정하기도 함)

Fs = 2 rsub D / rw h

 - 근입깊이를 깊게하거나

 - 수두차를 줄이거나

 - 흙의 단위중량을 크게 하면

 흙막이 굴착 저면 Boiling 에 대한 안전율이 올라간다.

2) 한계동수경사를 이용한 방법

저면의 유효응력을 고려

 - 유효응력이 0이 되게 하는 동수경사를 ic 로 (ic = rsub/rw, 전응력 - 간극수압(침투))

   유효응력이 0이 되면 흙의 전단저항이 0이 되면서 액체처럼 변하여 끓어오르게 됨.

 - Fs = ic / i 로 관리하여 

 - Fs = rsub (D1 + 2D2) / rw h

   ( D1 수위 - 저면, D2 근입깊이, h 수두차)

 1번과 마찬가지로 안전율을 올릴 수 있음.

흙막이 벽체 검토 방법은

캔틸레버, 앵커식, 단순보식, 탄성식, 탄소성식 의 해석방법이 있으며,

흙막이 강성은 엄지말뚝+토류판 -> 널말뚝(Sheet Pile) -> CIP, SCW -> Slurry Wall 의 형태로 강성은 커지고, 공종과 공비는 증가한다.