토공사 - 지반조사로 무엇을 알 수 있을까? 가설 흙막이공사의 종류?

지반조사로 무엇을 알 수 있을까?

토공사의 가장 큰 어려움은 지반을 정확하게 알 수 있는 방법이 없다는 점일 것입니다.

즉 땅 속을 다 파보기 전까지는 정확히 알지 못합니다.

병원에 가면 X-ray나 초음파 검사를 해서 내부를 들여다 볼 수 있지만, 지반은 워낙 두껍기 때문에 이런 방식으로

전체를 투과해서 볼 수 없습니다.

따라서 몇 군데 구멍을 파보는 것(시추, 보링)이 가장 효과적인 방법입니다.

지반조사는 건축물을 설계하기 위해 보링 등의 방법을 이용해서 지반전체를 모델화하는 것입니다.

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지반조사 순서

기본적으로 설계단계에서 지반조사를 실시하지만 구조물이 철거되지 않은 단계라면 철거된 후에 시추조사를 실시하게 됩니다.

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몇 가지 용어를 살펴보겠습니다.

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▶보링(Boring): 지반의 구성확인이나 원위치 시험을 하기 위한 구멍을 만드는 작업

▶사운딩(Sounding): 막대(ROD)에 붙은 저항체를 땅속에 삽입하여 관입, 회전, 인발 등의 저항으로부터 토층의 성상을 탐사

▶샘플링(Sampling): 흙의 밀도, 강도 및 압축성 등을 시험하기 위해 흐트러짐 없는 시료를 채취하는 것.

▶교란, 불교란 시료 샘플링

▶지내력시험: 구조물을 설치하는 지반에 재하판을 통하여 하중을 가한 후 하중-침하량의 관계에서

지반의 지내력을 구하는 원위치 시험

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지반조사의 가장 일반적인 방법은 대지의 몇 군데 지점에 구멍을 파보는 것(보링(Boring))입니다.

구멍을 파는 방법은 크게 4가지로 나뉩니다.

▶오거식: 오거에 의해 시료 채취. 깊이 10m 이하의 점토층에 적합

▶충격식: 타격에 의해 경지층을 파는데 이용

▶수세식: 내관 끝에 충격을 주면서 물을 뿜어내어 파진 흙과 지상의 침전통에 침전시켜 지층 토질을 판별

▶회전식: 지층의 변화를 정확히 알고자 할 때 드릴 로드(Rod)의 회전 손서대로 시료를 채취

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아래 사진처럼 규모가 크지 않은 현장이라면 대지 가운데와 대각선 두 군데를 포함해 3 지점을 파보거나

주요 구조물이 설치되는 지점을 파볼 수 있습니다.

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사운딩(Sounding) 시험 - 이렇게 구멍을 파들어가면 좁은 구멍이 만들어지는데, 이 구멍으로 막대(Rod)를 집어넣어서

찔러보면 지반이 어느 정도 단단한 지 감을 잡을 수 있겠죠?

이렇게 막대 형상의 시험체로 보링 구멍 아래쪽 지반을 조사하는 것을 통틀어서 사운딩(Sounding) 시험이라고 합니다.

대표적인 것이 표준관입시험(SPT; Standard Penetration Test)입니다.

이렇게 보링하면서 보통 1.5m마다 표준관입시험을 병행합니다.

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사운딩 시험으로 베인테스트(Vane test)가 있습니다.

주로 연약점토질에 적용하는데 보링의 로드에 십자(＋자) 날개형 베인 테스터를 회전시켜 점착력을 시험하는 것입니다.

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샘플링 - 보링과 함께 병행하는 것이 샘플링입니다.

아무래도 막대로 쑤셔보는 것도 좋지만 땅속 지반을 채취하고 실험실로 가져와서 더 자세하게 검사하면

더 많은 성질(물리적, 역학적 성질)을 파악할 수 있습니다.

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■토질시험

▶교란시료(BX Boring) : 물리적시험만 적용

▶불교란시료(NX Boring) : 흙의 물리적 성질시험. 역학적 성질시험이 모두 적용

아무래도 불교란시료 채취가 더 정확한 값을 얻을 수 있습니다.

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지내력 시험을 대지를 다 파고나서 기초가 설치될 지반에 직접하는 시험입니다.

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지반조사의 결과물

앞에서 정리한 지반조사로 알 수 있는 내용을 정리하면 다음과 같습니다.

▶지반의 종류와 분포 상태

▶지지지반의 분포

▶기초 설계를 위한 지반정수

▶지하수의 상태

▶액상화의 위험성

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▒ 지반의 종류와 분포 상태 - 보링으로 구멍을 파보면 지표에서 아래쪽으로 깊이에 따라 어떤 지반이 있는지 알 수 있습니다.

이 구멍을 서로 연결해서 보면 대지 아래쪽 지반이 깊이에 따라 어떻게 분포되어 있는지 알 수 있습니다.

다만 보링 간격을 넓게 하거나 대지 넓이에 비해 보링 개수가 적다면 불확실성이 커지게 됩니다.

보링 사이의 지층은 파보지 않았기 때문에 다른 분포를 보일 수 있습니다.

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▒지지지반의 분포 - 건축물에는 자중뿐 아니라 많은 하중이 가해집니다.

건축물이 안전하게 기능하려면 건축물에 가해지는 하중을 안정적으로 지반에 전달해야만 합니다.

따라서 건축물이 가하는 하중을 안정적으로 지지할 수 있는 지지지반 위에 건축물을 세워야 합니다.

지지지반의 분포는 표준관입시험의 N값으로 추정할 수 있지만, 건축물에 가해지는 하중의 크기와

지반의 지지력과 침하 등을 고려하여 설계자가 판단하게 됩니다.

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▒기초설계를 위한 지반정수 - 지반정수는표준관입시험의 N값, 전단강도, 수직·수평하중의 변형계수,

단위체적중량 등을 말합니다.

직접기초나 말뚝기초를 설계하기 위해서는 지반의 설계정수가 필요합니다.

연약 점토질 지반에서 문제가 될 수 있는 장기침하(압밀침하)에 대한 지반정수도 실내시험으로 파악할 수 있습니다.

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▒지하수의 상태 - 지반은 항상 일정한 높이로 물이 차 있습니다.

즉 땅속을 파서 어느 정도 깊이에 도달하면 그 아래쪽으로는 흙입자 사이가 항상 물로 차 있다는 뜻입니다.

이렇게 항상입자 사이에 물이 차 있는 최고높이가 지하수위입니다.

지하수위는 계절에 따라 현장상황에 따라 달라질 수 있기 때문에 주의해야 합니다.

지하수위가 높으면 구조물에 수압이 크게 작용할 뿐 아니라, 토공사를 진행하는 동안에도 현장에 많은 물이 고이기 때문에

이 지하수를 어떻게 처리할 것인지 미리 계획을 세워서 대처해야 합니다.

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▒액상화의 위험성 - 지진이 발생해서 지반이 반복적으로 흔들리는 상황에서 지반의 액상화가 일어날 수 있습니다.

반복적으로 지반에 전단응력이 발생하면 토립자 사이의 지하수 수압이 상승하고 흙탕물처럼 섞여서 거동할 수 있습니다.

지반조사에서는 N값과 토립자의 배합비율을 조사하여 액상화의 위험성을 판단할 수 있습니다.

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가설 흙막이공사의 종류

지하에 구조물을 만들려면 지반을 굴착해야만 합니다.

지반을 굴착하면서 발생할 수 있는 인접지반의 변위 및 붕괴 등을 방지하기 위한 행위을 통틀어 흙막이공사라고 할 수 있습니다.

흙막이공사는 토공사의 가장 핵심적인 부분이라고 할 수 있습니다.

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흙막이공사의 분류

흙막이공사를 분류해보면 크게 1. 흙막이벽체, 2. 흙막이벽체 지지체, 3. 지반보강으로 분류할 수 있습니다.

흙막이공사는 지반의 조건에 따라 세가지 조건을 잘 조합해서 시공해야 합니다.

흙막이벽체를 만드는 방법은 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

▶엄지말뚝＋흙막이판 벽체

▶강널말뚝(Steel sheet pile) 벽체

▶주열식 - CIP(Cast In Placed Pile)

▶주열식 - 소일시멘트 벽체(soil cement wall)

▶지하연속벽체

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흙막이벽체가 높지 않으면 스스로 자립해서 설 수 있지만 대부분 지지체를 만들어서 보강해야 합니다.

흙막이벽체의 지지방식은 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

▶자립식

▶버팀구조 형식(Strut)

▶지반앵커 형식

▶네일링 형식

▶경사고임대 형식

자립식

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흙파기할 때 가장 문제가 되는 것이 지하수 문제입니다.

지하수위가 높으면 지하수를 어느 정도 차단할 수 있는 흙막이벽체공법을 채택해야 하지만,

흙막이벽체 배면의 지반을 보강하는 방식으로 조합해서 시공할 수 있습니다.

지반 보강 그라우팅공법은 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

▶JSP(Jumbo Special Pattern) 공법

▶LW(Labiless Wasser glass)공법

▶SGR(Space Grouting Rocket)공법

▶숏크리트(Shotcrete) 공법

대지가 넓을 때 흙막이 벽체를 설치해서 수직으로 굴착해야 한다면 한 번에 굴착하기 어려운 경우가 있습니다.

예를 들어 버팀대를 설치할 수 없을 정도로 대지가 넓은 상황에서 지반앵커(Ground anchor)마저

설치할 수 없은 상황이 될 수 도 있습니다.

인접대지에 지하 구조물이 가까이 있다면 앵커를 설치할 수 없게 됩니다.

이런 경우에는 다른 방법을 써야하는데 이 경우 흙파기 순서를 조정할 수 있습니다.

▶아일랜드(Island cut) 공법

▶트랜치(Trench cut) 공법

■역타공법 - 톱다운(Top down)

■주변 지반의 침하 - 히빙(Heaving), 보일링(Boiling), 파이핑(Piping)

■토공사 계측관리 - 계측기 도면 사례

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흙막이벽체의 안정

흙막이 벽체 단면에 작용하는 힘은 아래 그림과 같이 세 가지로 나눌 수 있습니다.

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Pa는 흙막이벽체 배면에 있는 흙이 흙막이벽체를 미는 압력으로 주동토압(Active Earth Pressure)이라고 합니다.

흙막이벽에 토압이 작용하면 흙막이벽체가 안쪽으로 밀리게 됩니다.

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지반을 굴착하면서 흙막이벽체가 붕괴되지 않도록 버팀대를 설치하게 되는데 R은 이 버팀대에 의해

주동토압의 반대방향으로 작용하게 됩니다.

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흙막이벽체는 기초가 설치되는 기초면보다 아래쪽으로 깊이 설치되는데, 이렇게 기초저면 아래쪽 흙에 의해

주동토압의 반대방향으로 미는 압력이 수동토압(Passive Earth Pressure; Pp)입니다.

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흙막이 벽체가 안정된 상태를 유강널지하려면 Pa는 R과 Pp를 합한 값보다 작거나 같은 상태가 유지되어야 합니다.

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Pp ≤ R + Pp

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흙막이와 관련된 용어들입니다.

▶강널말뚝(steel sheet pile) : 흙막이 공사에서 토압에 저항하고, 동시에 차수 목적으로

서로 맞물림 효과가 있는 수직 타입의 강재 널말뚝

▶경사버팀대(inclined/corner strut) : 흙막이 벽에 작용하는 수평력을 양측 단부 모두 흙막이 벽에

경사지게 지지하도록 설치하는 부재

▶경사고임대(레이커, raker) : 기둥이나 벽을 고임하기 위해 상하 경사로 일측 단부를 지반에 지지되도록

설치하는 부재

▶까치발(사보강재, 화타) : 버팀대, 경사버팀대 또는 경사고임대에 작용하는 하중을 띠장에

분산시킬 목적으로 이들 부재의 단부에 빗대어 설치하는 짧은 부재로서 버팀대의 지지간격을 넓히는 용도로

설치하는 보강재

▶띠장(wale) : 흙막이 벽에 작용하는 토압에 의한 휨모멘트와 전단력에 저항하도록 설치하는

휨부재로서, 흙막이 벽체에 가해지는 토압을 버팀대에 전달하기 위해 벽면에 직접 수평

또는 경사형태로 부착하는 부재

▶록볼트(rock bolt) : 굴착 암반의 안정화를 위해 암반 중에 정착하여 일체화 또는 보강 목적의 볼트 모양의 부재

▶버팀대(strut): 흙막이 벽에 작용하는 수평력을 굴착현장 내부에서 지지하기 위하여

수평 또는 경사로 설치하는 압축 부재

▶소단(berm) : 사면의 안정성을 높이기 위하여 사면 중간에 설치된 수평면

▶CIP(Cast In Placed Pile) : 지반을 천공한 후 철근망 또는 필요시 H형강을 삽입하고 콘크리트를 타설하는

현장타설말뚝으로 주열식 현장벽체

▶네일(nail) : 중력식 옹벽개념의 흙막이 벽체 형성을 위해 지반에 삽입하고 그라우팅하여 지반을 지지하는 철근

▶소일시멘트 벽체(soil cement wall) : 오거 형태의 굴착과 함께 원지반에 시멘트계 결합재를 혼합,

교반시키고 필요시에 H-형강 등의 응력분담재를 삽입하여 조성하는 주열식 현장 벽체

▶슬라임(slime) : 보링, 현장타설 말뚝, 지하연속벽 등에서 지반 굴착 시에 천공 바닥에 생기는

미세한 굴착 찌꺼기로서 강도와 침하에 매우 불리한 영향을 주는 물질

▶안내벽(guide wall) : 연직의 벽식 흙막이 공법의 시공시 굴착(천공)작업에 앞서 굴착구 양측에 설치하는

가설벽으로서, 벽체형성체의 상부 지반 붕괴를 방지하고 굴착기계와 흙막이벽체 등의

정확한 위치 유도를 목적으로 설치

▶안정액(slurry) : 액성한계 이상의 수분을 함유한 흙을 대상으로 공벽을 굴착할 경우 공벽의 붕괴 방지를

목적으로 사용하는 현탁액으로 벤토나이트(bentonite)를 사용한다.

▶엄지말뚝(soldier pile) : 굴착 경계면을 따라 수직으로 설치되는 강제 말뚝으로서 흙막이판과 더불어

흙막이 벽을 이루며 배면의 토압 및 수압을 직접 지지하는 수직 휨부재

▶지반앵커(ground anchor) : 선단부를 양질지반에 정착시키고, 이를 반력으로 하여 흙막이 벽 등의 구조물을

지지하기 위한 구조체로서 그라우팅으로 조성되는 앵커체, 인장부, 앵커머리로 구성된다.

사용기간별로 영구앵커와 가설(임시)앵커로 구분한다.

▶지하연속벽(diaphram wall) : 벤토나이트 안정액을 사용하여 지반을 굴착하고 철근망을 삽입한 후

콘크리트를 타설하여 지중에 시공된 철근 콘크리트 연속벽체로 주로 영구벽체로 사용함.

▶흙막이판 : 굴착 배면의 토압과 수압을 직접 지지해주는 휨저항 부재

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