049. 흙막이 벽체에 작용하는 토압
건축시공기술사 기출해설
| 2015-04-10 오후 1:49:19
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049. 흙막이 벽체에 작용하는 토압
*71회-논술14. 흙막이 벽체에 작용하는 1) 토압의 종류 2) 토압 분포도 3) 지지방법을 기술하시오
[요약]
1. 토압의 종류
(1) 주동토압(Pa) ,수동토압(PP), 정지토압(Po)
2. 토압의 분포도 : 사질토, 점토질
3.흙막이 지지방식
(1)토류판공법
- 투수벽체(H-pile토류판 ) / 지수벽체(강널말뚝, 주열식벽체(SCW, CIP), 지하연속벽)
(2)버팀대식(Strut)-가설Strut공법, SPS공법, CWS공법
(3)강선인장방식 : 어스앵커 , 소일네일링, ISP공법
[해설]
1. 토압의 정의
-흙이 구조물에 미치는 압력 또는 흙속의 단면에 작용하는 압력을 토압이라 하며, 토압은 흙의 구조, 입도, 함수율 등에 따라 변화한다.
2. 토압의 종류
토압(earth pressure)이란 지반 내부에서 생기는 응력과, 흙과 구조물의 접촉물 사이에서 생기는 모든 힘
(1) 주동토압(active earth pressure, Pa)
: 옹벽이 뒤채움 흙의 압력에 의해 전방으로 전도하려는 경우에 작용하는 토압. 옹벽이 앞면으로 이동한 경우에 수평방향으로 작용하는 토압, 지표면이 가라앉는다.
①벽체가 전면으로 변위가 생길 때의 토압
②배면 흙이 가라앉음
③정지토압보다 토압이 감소
④주로 옹벽에서 발생
(2) 수동토압(passive earth pressure, PP)
: 벽체가 외력을 받아서 뒤채움 흙 쪽으로 눌려 뒤채움 흙이 파괴가 일어날 때 작용하는 토압. 즉, 옹벽이 뒤쪽으로 이동한 경우에 수평방향으로 작용하는 토압 으로 지표면이 부풀어 오른다.
①벽체가 배면으로 변위가 생길 때의 토압
②배면 흙이 부풀어 오름
③정지토압보다 토압이 증대
④흙막이벽에서 주로 발생
(3) 정지토압(earth pressure at rest, Po)
: 흙의 한 요소가 횡방향으로 변위가 없는 상태에서 수평방향으로 작용하는 토압. 즉, 흙막이 구조물에 항복을 일으키지 않고 수평방향 변이가 발생하지 않는 상태의 토압
①벽체의 변위가 없을 때의 토압
②지하구조물에 작용하는 토압
3. 토압의 관계
※ 토압의 크기 : PP(수동토압) > Po(정지토압) > Pa(주동토압)
4. 흙막이에 작용하는 토압분포
(1)일반토사
-------
I
III
IIIIII
IIIIIIIII
---------
(2)사질지반
-------
IIIIIIIII
IIIIIIIII
IIIIIIIII
IIIIIIIII
---------
5. 토류벽에 작용하는 토압...해설
-토류벽과 같이 변형이 허용되는 연성 구조물에 작용하는 토압 이론은 옹벽과 같은 강성 벽체에 작용하는 삼각형분포 토압 이론과는 큰 차이점이 있으며, 버팀굴착 시 항복상태도 다르다. 연성벽체에 작용하는 토압이론은 버팀지지 완료시의 토압분포와 근입깊이 결정, 자립식 널말뚝 단면계산 및 단계별 굴착 시 적용되는 토압분포로 분류할 수 있다(김두준, 1998).
-지금까지 강성 벽체구조물에는 Coulomb(1776)과 Rankine(1857)의 토압이론을 주로 사용해왔다. 그러나 토압이란 것은 궁극적으로 변위에 따라 변화하는 것으로 구조물이 어느 방향 및 정도의 변위냐에 따라 그 크기는 상당한 영향을 받는다.
-Terzaghi(1936)는 계측을 통하여 흙막이 벽체에는 벽체 변위와 기타의 다른 요인으로 인해서 기존의 Coulomb 또는 Rankine과는 상당히 다르다는 사실을 발견하였고, 흙막이 벽체, 띠장, 버팀보의 단면을 설계할 경우에 적용하는 토압을 계측결과를 종합적으로 분석하고 단순화한 결과를 발표하였다.
-그 후 Peck(1943), Terzaghi-Peck(1948), Tscebotarioff(1951) 등은 버팀굴착에 있어서 파괴 시 연성벽체의 거동이 옹벽(강성벽체)의 경우와 다르다는 점에 착안하여 버팀보에 작용하는 하중을 측정하고 그것을 환산하여 경험적인 설계토압 분포도를 제안하였다.
-이러한 경험토압 분포는 굴착과 버팀대의 설치가 완료된 경우 배면지반의 파괴 시 발생하는 벽체의 변위를 토대로 한 토압분포임을 주의하여야 한다. 한편, 버팀구조 설치가 완료되기 전 즉, 캔틸레버 단계에 적용하는 토압은 명확하지 않은데, 그 이유는 지반과 구조물의 상호작용에 대한 관계가 명확하게 규명되지 않았기 때문이다.
-Peck(1943), Terzaghi-Peck(1967), Tchebotarioff(1951) 등이 제안한 경험토압은 벽체와 버팀구조 설계를 위한 토압으로, 이는 아주 보수적인 것으로써 흙막이 벽체에 작용하는 실질적인 토압분포라기보다는 버팀보 각 단에서 나타날 수 있는 최대하중을 산정하기 위한 하나의 겉보기 토압이라 할 수 있다.
-특히, 이 토압을 이용하여 버팀보를 설계할 경우, 버팀보 축력은 지반침하나 크리프 때문에 이 겉보기 토압을 넘지 않으므로 과다설계측이 될 가능성이 크다. 따라서 예상 버팀보 축력이 최고 100%까지 차이가 발생할 수 있다.
-그러나 이상은 벽체 기초지반에 지지가 충분한 경우에 적용되는 것으로써, 만일 기초지반이 연약하거나 말뚝의 선단부가 고정단이 되지 않을 경우에는 말뚝 선단이 굴착면측으로 회전하게 되면, 버팀보에 작용하는 하중은 겉보기 토압분포도에서 결정한 값보다도 훨씬 커지게 된다.
-따라서, 엄지말뚝 등은 설계 시에는 충분한 근입깊이를 확보해야한다. 그러나, 흙막이벽체 중에서 지하연속벽의 경우에는 굴착 중에는 토류벽으로 사용하고 공사 후에는 본체 구조물의 외벽으로 사용하는 경우가 대부분이므로 이러한 지하연속벽의 단면 및 부재설계에 있어서는 시공 중 작용할 수 있는 모든 하중 조건을 만족시켜야 될 뿐 아니라 영구적인 조건으로 설계되는 지하연속벽의 경우에는 다르게 설계를 해야한다.
6. 토압의 분포도
가. 사질토지반
-Terzaghi-Peck(1967)은 베를린과 시카고의 지하철공사 시의 자료를 토대로 느슨한 사질토의 경우 및 조밀한 사질토의 경우에 대한 흙막이 구조물에 가해지는 토압분포도를 <그림 2.9>와 같이 제안하였다. 그 후 더 많은 버팀보 반력을 측정하여 <그림 2.10>과 같이 수정된 수평토압<그림 2.10>은 사질토의 경우로서 토압의 분포형상 및 토압계수(k)값이 수정되었으며 하부의 버팀보 하중을 중요시하였다(김두준, 1998)
Tschebotarioff(1951)의 경험토압분포는 1941년에 제안한 Terzaghi-Peck 토압을 기초로 해서 현장계측과 경험을 토대로 제안된 토압분포이다. 분포형태는 <그림 2.11>과 같이 토질조건에 따라 다르나 보통 직사각형, 사다리꼴 및 삼각형 분포의 변형이다. 이 토압 이론은 Swatek 등이 굴착깊이 21.3m인 시카고 현장에서 버팀대 보를 설계할 때 잘 맞는다는 것을 확인한 바 있다(김우식, 1999).
나. 점성토지반
Tschebotarioff(1951)의 경험토압분포는 <그림>사용하여 굴착깊이 까지 삼각형 분포의 형태를 이루다가 견고한 점토지반과 중간정도의 견고한 점토지반의 경우에는 어느 정도의 굴착 깊이에 도달하게 되면 토압이 선형적으로 감소하여 굴착 저면에서의 토압은 0 이 되는 것을 알 수 있다.
7. 흙막이 지지방식
(1)토류판공법- 토사의 자립
투수벽체 : Side pile + 토류판 (H-pile토류판 또는 엄지말뚝 가로널공법)
지수벽체 : 강널말뚝, 주열식벽체(SCW, CIP), 지하연속벽체
(2)버팀대식(Strut)-토사의 자립을 구조적으로 보강
가설Strut공법, SPS공법, CWS공법
(3)강선인장방식
어스앵커(영구앵커,제거식앵커), 소일네일링, ISP공법