1. 적용기준과 토압상태 판정
KDS 21 30 00:2024 1.7.2(2)①은 굴착과 지지구조의 설치·해체 중에는 굴착 단계별 삼각형 토압을 적용하고, 굴착과 지지구조 설치가 끝난 뒤에는 경험토압을 사용하도록 정한다. 같은 항 ②에 따라 흙막이 벽을 본 구조체로 설계할 때는 시공 중 또는 설치 완료 후 안정해석에 정지토압을 적용할 수 있다. 따라서 토압상태는 지층마다 한 번 정하는 값이 아니라 설계상황과 벽체의 변형 구속을 함께 보고 단계별로 정한다.
굴착측 근입부의 수동토압은 저항으로 쓰지만 전량이 자동으로 발휘된다고 보지 않는다. 1.7.2(5)②는 구조물의 변형 특성에 따라 수동측 변위를 고려해 반력을 정하도록 한다. 벽체·지보재의 강성이 커서 필요한 변위가 생기지 않는 조건, 굴착이나 되메우기로 수동측 지반이 교란되는 조건은 산정한 수동저항의 적용성을 별도로 검토한다.
| 설계상황 | 적용 토압 | 계산서에 남길 판단 |
|---|---|---|
| 굴착·지보 설치 또는 해체 | 단계별 삼각형 토압 | 굴착고·지보 활성시점·배면 및 굴착측 상태 |
| 굴착·지지구조 설치 완료 | 경험토압 | 제안식의 지반·굴착·지하수 제한조건 |
| 본 구조체로 사용하는 벽체 | 정지토압 적용 가능 | 벽체 변형구속·시공 및 장기 설계상황 |
| 근입부 안정과 반력 | 주동·수동토압 | Rankine식 적용조건·수동측 변위와 지반보존 |
2. 입력자료와 경계조건
입력표에는 지층별 단위중량, 점착력, 전단저항각, 지하수위와 배수조건을 원자료 출처와 함께 적는다. 벽체 형식·강성·근입깊이, 버팀보 또는 앵커의 설치 높이와 선행하중, 단계별 굴착고, 배면 경사와 상재하중도 같은 단면에 맞춘다. KDS 1.7.2(4)⑧에 따라 지표의 등분포하중은 하중에 토압계수를 곱해 수평토압으로 환산하므로, 어느 상태의 계수를 어느 단계에 적용했는지 표시한다.
토압과 수압은 분리한다. 경험토압 도해에는 수압이 포함되지 않으므로 차수벽 배면의 설계수위와 수압분포를 별도 하중으로 입력한다. 서로 다른 지층을 하나의 평균 전단정수로 묶지 않고 층 경계에서 토압계수와 유효상재압의 변화를 이어 계산한다. 굴착면 아래 수동측은 실제 잔존 지반의 층서와 굴착저면 표고를 사용한다.
3. 산정·해석 절차
먼저 각 단계의 배면 주동측과 굴착면 아래 수동측을 구분한다. KDS 1.7.2(5)①은 굴착·해체 단계의 토압과 근입깊이 결정에 쓰는 배면 주동토압 및 굴착저면 수동토압에 Rankine 토압식을 적용할 수 있도록 한다. 적용할 때는 벽면·지표 형상과 토질조건이 해당 가정에 맞는지 확인하고, 맞지 않으면 채택한 이론과 입력조건을 계산서에 밝힌다.
탄소성 지반상 연속보해석에서는 단계별 토압과 지반반력의 작용·제거 시점을 공정과 일치시킨다. 연속체 수치해석에서는 초기응력, 굴착에 따른 응력경로와 벽체 접촉조건으로 토압이 형성되므로, 별도의 전 토압을 다시 외력으로 더해 중복 재하하지 않는다. 다만 Rankine 주동·수동토압과 경험토압은 결과의 크기·분포를 확인하는 대조값으로 정리한다.
각 단계에서 토압도, 벽체변위, 지보재 반력과 수동측 소성영역을 같은 출력단면에서 확인한다. 수동저항이 지배하면 적용한 반력이 발생할 변위와 현장 확보공간을 함께 점검한다. 설계 때 가정한 토층·암반보다 실제 상태가 취약하면 1.7.2(2)③에 따라 강도정수 저감 필요성을 판단하고 변경모델을 계산한다.
4. 경험토압 도해와 적용 한계
KDS 1.7.2(3)②의 경험토압은 굴착깊이 6 m 이상이고 굴착폭이 좁으며 버팀대로 지지한 현장 계측에서 얻은 분포다. 원자료의 지하수위는 최종굴착면 아래에 있고, 모래질 지반은 간극수가 없으며 점토질 지반은 간극수압을 무시한 조건이다. 지하수위가 굴착면 위에 있으면 도해의 토압에 수압을 별도로 더한다. 제안자의 지반 분류와 제한조건이 다른 현장에는 도해의 계수만 떼어 적용하지 않는다.
5. 계산서·도면 기록과 누락 방지
계산서에는 단계별 토압상태 선정표, 지층별 정수와 토압계수, 토압·수압·상재하중 분포도, 수동저항의 적용범위와 변위 검토를 수록한다. 구조해석 모델의 하중번호를 토압도와 일치시키고, 최대 벽체변위·모멘트·전단력·지보재 반력이 발생한 단계를 표시한다. 경험토압과 수치해석 결과가 다르면 큰 값만 채택하는 데서 끝내지 말고 지지조건, 변형형상, 지하수와 공정 차이를 검토해 채택 근거를 기록한다.
- 굴착 중·지보 완료·해체·장기 상태마다 적용 토압을 구분했는지 확인한다.
- 경험토압의 지반·굴착깊이·지지방식·지하수 제한조건을 검토했는지 확인한다.
- 토압과 수압을 분리하고 상재하중의 토압계수를 기록했는지 확인한다.
- 수동저항이 발휘될 변위와 굴착저면 아래 지반의 교란 가능성을 확인한다.
- 도면·계산서·해석모델의 지층경계, 굴착고와 지보재 설치단계가 같은지 확인한다.