접촉면 거동을 벽체와 주변지반에서 분리한다
흙막이 수치해석의 접촉면은 벽체와 지반이 서로 힘을 전달하는 경계다. 벽체 요소와 지반 요소의 절점을 모두 묶으면 상대 미끄럼과 벌어짐이 생기지 않는 완전부착 조건이 된다. 실제 벽면에서는 굴착으로 구속이 풀리고, 토압 방향이 바뀌거나 벽체가 휘면서 지반과의 상대변위가 발생할 수 있다. 이 거동을 확인하려면 벽체 강성, 지반 강도와 별도로 접촉면 요소 또는 프로그램이 제공하는 접촉조건을 설정한다.
KDS 21 30 00 3.1.2는 흙막이 벽과 지지구조를 해석할 때 관용적인 방법과 흙-구조물 상호작용을 고려한 동시해석 방법 가운데 현장조건에 맞는 해석법을 적용하도록 정한다. 또한 굴착 진행과 지지구조 해체에 따른 토압 변화를 단계별로 해석하도록 한다. 접촉면은 이 상호작용을 표현하는 모델 조건이므로 계산 시작 전에 벽체 형식, 시공방법, 벽면 거칠기, 지층별 강도와 굴착순서를 같은 단면에서 확인한다.
완전부착·미끄럼·분리 조건을 시공단계에 맞춘다
벽체와 지반의 접촉상태는 한 가지로 고정하지 않는다. 연속된 콘크리트 벽체의 배면처럼 지반이 밀착된 구간은 압축과 전단을 전달할 수 있지만, 벽체가 굴착측으로 이동하면 일부 구간에서 법선방향 인장력을 전달하지 못하고 분리될 수 있다. 굴착측 지반을 제거한 뒤에도 삭제된 지반과 접촉조건이 남아 있으면 존재하지 않는 지지가 계산에 포함된다. 반대로 실제로는 거친 벽면과 지반이 맞물리는 구간을 마찰이 없는 조건으로 두면 상대변위가 지나치게 커질 수 있다.
모델에서는 초기응력 단계, 벽체 시공, 단계별 굴착, 지보재 설치와 해체 순서에 따라 접촉면의 생성·활성·비활성 시점을 기록한다. 굴착면 아래 근입부, 굴착측과 배면측, 서로 다른 지층을 통과하는 구간을 나누어 접촉상태를 확인한다. 벽체가 구조물이나 기초와 직접 연결되는 구간까지 토사 접촉면으로 처리하지 않으며, 시공이음이나 채움재가 있는 곳은 실제 전달기구에 맞는 별도 조건이 필요한지 검토한다.
접촉면 강성과 강도는 중복 입력을 피한다
접촉면의 주요 입력값은 법선·전단 방향 강성, 전단강도 또는 마찰·점착 특성, 인장 전달 여부와 팽창성 조건이다. 법선강성이 너무 작으면 벽체와 지반 사이에 수치적인 관입이나 과도한 벌어짐이 나타나고, 지나치게 크면 행렬 조건이 나빠져 수렴성이 떨어질 수 있다. 전단강성은 접촉면의 상대 미끄럼과 전단응력 분포를 바꾼다. 이 값들은 단순히 주변 지반 탄성계수를 복사하는 항목이 아니며, 사용 프로그램의 요소 정의와 단위, 접촉면 두께 취급방식을 먼저 확인한다.
접촉면 강도를 주변 지반 강도보다 낮추는 경우에는 벽면 재료, 시공에 따른 교란, 표면 거칠기와 배수조건을 근거로 남긴다. 국가건설기준은 모든 흙막이에 공통으로 쓸 접촉면 강성이나 강도 저감계수를 제시하지 않는다. 확인되지 않은 값을 관행값으로 확정하지 않고 직접전단시험·구조물 접촉면 시험, 유사 현장의 계측 역해석 또는 문헌 범위를 검토한 뒤 민감도 조건으로 나눈다. 지반 강도와 접촉면 강도를 동시에 낮췄다면 같은 취약성을 이중으로 반영한 것은 아닌지도 확인한다.
변위·토압·부재력·수렴상태를 한 묶음으로 확인한다
접촉조건의 영향은 벽체 최대변위 하나로 판단하지 않는다. 굴착단계별 벽체 변형곡선, 배면 침하, 접촉면 전단응력과 상대변위, 법선응력과 분리구간, 지보재 축력, 벽체 휨모멘트를 함께 비교한다. 완전부착과 미끄럼 허용 조건의 결과가 크게 다르면 어느 지층과 단계에서 차이가 시작됐는지 찾는다. 접촉면 변형이 특정 요소 한 줄에 집중되거나 응력이 번갈아 튀면 요소망, 접촉면 방향, 중복절점과 강성 입력 오류를 먼저 점검한다.
접촉면을 추가한 뒤 수렴이 어려워졌다고 해서 강성을 임의로 낮춰 계산만 끝내지 않는다. 불평형력, 증분 크기, 접촉상태 전환과 국부 요소 왜곡을 확인하고, 계산이 끝난 뒤에는 힘의 평형과 반력도 대조한다. KDS 11 10 05 4.5는 구조적 강성이 하중에 큰 영향을 미치는 기초에서 지반-구조물 상호작용 해석으로 하중을 결정하도록 한다. 흙막이에서도 벽체 형식·강성, 굴착순서, 지보재 위치나 지하수 조건이 바뀌면 접촉상태와 입력근거를 다시 검토하고 변경 전후 결과를 같은 단계에서 비교한다.