[지반공학]제 6장 흙막이공과 옹벽(흙막이공법/히빙과 보일링 현상) #1

 이번 포스팅에서는 흙막이 공법과 히빙, 보일링 현상에 대한 이야기를 해보려고합니다.

 흙막이는 지반을 굴착할 때 주위의 지반이 침하나 붕괴하는 것을 방지할 목적으로 만드는 토압 · 수압에 저항하는 벽체를 말합니다.  히빙은 연약한 점토 지반을 굴착할 경우 굴착된 외측 흙의 중량으로 인하여 굴착 저면의 흙이 활동 전단 파괴를 일으켜 굴착 저면이 부풀어 오르는 현상을 말합니다.

 과년도 문제를 풀다보면 많은 문제들이 출제된 것을 볼 수 있습니다. 뭐하나 딱 짚어서 출제되는 것이 아닌 이번 포스팅모든 부분에서 많은 문제가 출제됩니다.

 

흙막이공법

 : 굴착공사에 있어서 굴착면이 무너지거나 또는 과대한 변형이 일어나지 않도록 굴착면을 흙막이벽으로 보호하는 것을 흙막이 공법 또는 토류공이라고 한다.

 1. 흙막이공

  (1)흙막이공의 구성

• 엄지말뚝(Solier pile): 흙막이 시공에서 수평으로 나무나 콘크리트 판을 끼울 수 있도록 일정 간격으로 설치하여 벽체를 형성할 수 있게 사용한 H 모양의 흙에 박는 강재 - 작용토압에 저항하는 흙막이벽체의 주부재로서 H-pile + 토류판, C.I.P, S.C.W 공법에 적용
• 토류판(Lagging): 굴착을 진행하면서 설치하는 흙막이벽 재료 중의 하나로 토사유출을 방지하며, 작용토압을 억지말뚝에 전달 - 엄지말뚝 사이에 수평으로 끼우는 판
• 널말뚝(Sheet pile): 토사의 붕괴와 지하수의 흐름을 막기 위하여 굴착면에 설치한 말뚝으로 재질에 따라서 강널말뚝과 콘크리트 말뚝 등이 있다. 목재, 콘크리트재, 강재 등이 있으며 연직으로 지반 속에 박혀진다.
• 띠장(Wale): 흙막이벽을 지지하는 지보재의 하나로, 벽면에 따라 적당한 깊이마다 수평으로 설치한 부재, 흙막이 벽체에 작용하는 토압을 버팀보나 흙막이 앵커 등에 전달하는 휨부재
• 버팀대(Strut): 굴착면의 한쪽 띠장에서 다른 한쪽 띠장으로 반력을 전달하는 압축부재
• 까치발(사보강재: Bracing): 직선버팀대에 사용되는 부재로 띠장의 유효폭을 작게하여 휨모멘트를 감소시키는 역할 수행
• 잭(Jack): H형강을 사용하는 버팀보에 설치하여 흙막이벽을 밀착시키기 위한 것
• 중간 말뚝(Middle pile): 굴착폭이 넓어 버팀보가 길어져 좌굴이 발생하는 경우에 벽과 벽 사이에 설치하여 버팀보의 좌굴을 방지하기 위하여 설치하는 말뚝

 모든 것을 외우지 않아도 됩니다. 그림과 주요 역할을 하는 구성요소만 암기하면 되는데, 엄지말뚝, 띠장, 버팀대가 그것입니다. 조금의 이해를 한다면 암기하는데 훨씬 수월 할 것으로 보입니다. 흙막이공을 설치할때 먼저 엄지말뚝을 일정한 간격으로 수직방향으로 땅속에 박을 것입니다. 그 사이를 토류판이 지지할 것이고, 띠장이 그것들을 하나로 묶어습니다. 그다음 버팀대는 흙막이공 양쪽을 지탱하는 역할을 할 것입니다.

 

 

  (2)흙막이공의 안정성

   : 흙막이공을 설계할 때는 흙막이에 작용하는 토압, 바닥에 생기는 히빙(Heaving), 파이핑(Piping)에 대한 안정성 검토가 있어야 한다.

• 토압에 대한 안정성 검토: 버팀대로 지지되어 있는 흙막이벽에 관해서도 토사의 붕괴를 막을 수 있는 토압에 대해서 안정성 검토가 있어야 한다.
• 히빙에 대한 안정성 검토: 점질토 지반의 굴착저면 밑의 흙이 연약하면 히빙(Heaving)에 대해서 위험성을 검토
• 파이핑에 대한 안정성 검토: 사질토지반는 지하수위 아래 지반에 흙막이를 설치할 때 흙막이공 내외의 수위차에 대해 파이핑(Piping)의 안정성을 검토

 

 2. 흙막이벽의 계측

 : 계측의 목적은 터널굴착에 따른 주변 원지반, 각 동바리부재의 변위 또는 응력의 변화를 파악하여 설계시공의 안전성과 경제성을 확인하는 데 있다.

  (1)계측의 목적

• 시공 중에 위험에 대한 정보를 주는 계측
• 임박한 위험의 징후를 발경하기 위한 계측
• 시공방법을 개선하기 위한 계측
• 지역의 특이한 경향을 파악하기 위한 계측

  (2)도심지 굴착공사 계측관리

  (3)지반굴착 시 계측기의 종류

계측기 종류	특징
하중계(Load cell)	흙막이 구조물의 거동과 정착부의 이상유무 등을 파악하여 버팀보 및 앵커의 전반적인 안정문제를 검초하기 위해 설치한다.
건물경사계(Tilt meter)	측정지점의 기울기를 측정하여 각종 허용기준치와 비교 후 구조물의 안정에 대한 검토 및 조치를 취하기 위하여 설치한다.
변형률계(Strain gauge)	부재의 응력이나 휨모멘트 상태를 파악하기 위해 설치한다.
지하수위계(Water level meter)	수위변화에 따른 배면지반의 거동, 인접구조물의 광리 및 흙막이벽체에 미치는 영향 등을 파악하기 이하여 설치한다.
균열측정기(Crack meter)	구조물의 균열상태의 변화량을 파악할 수 있고 파악된 균열유형을 통하여 발생원인 및 대책을 강구하기 위하여 설치한다.

출제 된적있습니다. 하지만, 암기가 어렵지 않고, 변형이 되지 않습니다. 그림과 계측기 종류와 위치를 파악하면 됩니다. 하중계, 건물경사계, 변형률계의 위치를 알아 둡시다. 쉽게 하중계는 수직, 변형률계는 수평으로 있고, 건물경사계는 건물에 위치합니다.

 

히빙과 보일링 현상

 1. 히빙(Heaving) 현상

  (1)히빙의 정의: 연약한 점토질 지반을 굴착할 때 흙막이벽 전후의 흙의 중량차이 때문에 굴착저면이 부풀어 오르는 현상을 히빙현상이라 한다.

  (2)히빙의 방지대책

• 흙막이공의 계획을 변경한다.
• 굴착저면에 하중을 가한다.
• 흙막이벽의 관입깊이를 깊게 한다.
• 표토를 제거하여 하중을 적게 한다.
• 양질의 재료로 지반을 개량한다.

 히빙의 방지대책에 대해서 서술하라고 하는 문제가 출제된적 있습니다.

 

 2. 히빙현상에 대한 안정성 검토

  (1)모멘트 균형에 의한 방법

   여기서, c: 흙의 점착력, H: 굴착높이, R: 임의의 원형활동면의 반경, q: 재하하중, gamma: 흙의 단위중량,  

 히빙현상에 대한 안전율을 구하는 공식은 출제 빈도가 높습니다. 항상 저항 부분이 분자에 갑니다. 점착력 c_1을 먼저 힘의 단위로 만든 다음 그에 대한 거리를 곱해주면 모멘트가 되니 그렇게 외워시는게 편합니다. 1이 생략되어 있어 헷갈릴 수 있는데 1은 폭입니다. 힘이 작용하는 면적을 생각하시면 암기하시는데 도움이 됩니다.

  (2)최대굴착깊이

  종종 출제되는 문제이다. 유효응력을 구하는 것은 토목기사 필기에서 했는데 까먹은 사람들은 아래 링크를 참고하는 것도 나쁘지 않아 보인다. 워낙 중요한 개념이라. sigma'=0일 때 절취할 수 있는 최대깊이 H를 구해야 한다. 핵심은 유효응력 sigma'을 0으로 잡고, 전응력과 간극수압의 식으로 만드는 것이다. 

2019/09/16 - [토목기사-산업기사/토질 및 기초] - [토질 및 기초] 제 3장. 유효응력의 개념(유효응력의 개념/지중응력)#1

 

 3. 보일링(Boiling) 현상

  (1)보일링의 정의

   : 모래지반에서 지하수위 이하를 굴착할 때 흙막이공의 기초깊이에 비해서 배면의 수위가 너무 높으면 굴착저면의 모래입자가 지하수와 더불어 분출하여 굴착저면이 마치 물이 끓는 상태와 같이 되는 현상을 보일링 또는 퀵샌드(Quick sand)라 한다. 이러한 현상이 계속되면 물이 흐르는 통로가 생겨 파괴에 이르게 되는데, 이렇게 모래를 유출시키는 현상을 파이핑(Piping)이라 한다.

  (2)보일링 현상의 방지대책

• 지하수위를 저하시킨다.
• 흙막이의 근입깊이를 깊게 한다.
• 차수성 높은 흙막이를 설치한다.
• 굴착저면을 고결시킨다.
• 굴착저면에 상재하중을 키운다.

 

 4. 보일링 또는 파이핑 현상에 대한 안정성 검토

  (1)보일링의 발생조건

   여기서 i: 동수경사, i_c: 한계동수경사

  (2)보일링을 발생하지 않기 위한 조건

  (3)보일링의 안전율

 대단히 잘나오는 부분이다. 동수경사 i 와 한계동수경사 i_c를 알면 훨씬 빨리 암기 할 수 있다. 필기에서 배운내용이니 아래 링크를 타고 들어가 꼭 복습하자. 나만의 암기법을 만들었는데, 아이(baby)가 클까 아씨(lady)가 클까. 아이가 크면 이상하지 않을까? 보일링은 이때 생긴다. 아이가 아씨보다 더 큰 경우에 말이다. 안전율 또한 마찬가지이다. 아씨가 아이보다 클것이다. 또한 안전율은 1이상의 양수가 나와야 한다. 그러니 아씨가 분자에 간다.

2019/09/16 - [토목기사-산업기사/토질 및 기초] - [토질 및 기초] 제 3장. 유효응력의 개념(유효응력의 개념/지중응력)#1