기술정보 홈 > PRODUCT > 기술장비 > 기술장비 상세정보

기술장비 상세정보

기술장비뷰
제품명 Heaving 검토
제품영문명  
제품분류  
회사 CERIC
담당자   연락처  
첨부파일
상세정보

Heaving에 의한 굴착저면의 안정성 검토

[1] 개 요

Heaving의 정의

연약한 점토지반을 굴착할 때 굴착배면의 토괴중량이 굴착면 이하의 지반지지력 보다 크게 되어 굴착지반내의 흙이 부풀어 오르는 현상

검토 목적

구조물 기초나 지하구조물 설치를 위한 굴착공사는 굴착면 내외 응력상태의 변화나 지하수위 변화가 발생하게 되어 변형이 생기기 쉽고, 특히 굴착저면의 안정을 저해하는 여러 가지 현상이 발생한다. 일반적인 사례로서는 연약한 점성토지반이나 지하수위가 비교적 얕고 느슨한 사질토 지반에서는 굴착시 자주 발생하는 굴착저면의 히빙(Heaving) 이나 보일링(Boiling) 등을 들수 있다.

이와 같은 형상이 발생하게 되면 연성 흙막이 구조물의 안정이 저해되어 굴착 주변부의 지반침하나 파괴가 생기며, 벽체의 변형 내지는 붕괴에 이르게 된다. 따라서 계획 및 설계단계에서 이러한 굴착저면의 안정에 대한 검토가 이루어져야 하며 변형이나 파괴위험이 있는 경우에는 이에 대한 대책이 강구되어져야 한다.

Heaving의 발생 원리

그림 1은 굴착공사에 대한 Heaving 현상을 보인 것으로, 굴착에 의해 흙막이벽 배면의 흙이 내측으로 돌아 들어오고 이 때문에 흙막이벽 배면 지반은 침하하여 내측의 굴착저면이 부풀어 오르는 현상을 보이고 있다.


[2] Heaving의 억제공법

Heaving 발생에 대한 억제 대책으로는 다음과 같은 방법이 있으며, 일반적인 경우 공기단축 및 경제성, 시공성 측면을 고려하여 충분한 근입심도를 확보하여 굴착하는 방법이 널리 이용되고 있다.

① 강성이 큰 흙막이 벽체를 사용하여 근입심도를 충분히 확보한다.

② 굴착 예정심도 하부를 개량하여 점성토의 전단강도를 증대시킨다.

③ 소단을 유지한 채 중앙부 구조물을 먼저 축조한 후 잔여분을 굴착하는 이른바 Island 공법을 적용한다.

[3] Heaving에 의한 근입심도 검토방법

Heaving에 의한 굴착지반의 안정성 검토 방법으로는 ① 하중-지반지지력식에 의한 방법과 ② 모멘트 평형에 의한 방법으로 크게 나눌수 있다. 하중-지반지지력식에 의한 방법의 대표적인 것으로 Terzaghi-Peck(1967)식, Tschebotarioff(1973) 방법과 Bjerrum & Eide(1965) 방법 등이 있으며, 모멘트 평형에 의한 방법으로는 일본 건축기초 구조설계 규준(1974)과 일본 도로협회(1967)의 계산법 등이 있다.

또한 개략적인 방법으로서 굴착지반의 전단강도와 굴착깊이의 관계로서 굴착의 안정수를 다음식과 같이 정의하고, 안정수가 4 이하이면 거의 한계 자립고 이내에서 굴착주변의 지반은 안정을 유지할 수 있지만 4를 넘으면 굴착 배면토의 저부 부근에 소성영역이 발생하는 것으로 간주할 수 있다. 안정수가 더욱 증가하면 굴착배면의 파괴면과 저부의 파괴면이 합류하여 Heaving이 발생하게 된다.

여기서, Ns : 안정수, γ : 흙의 단위중량, h : 굴착깊이, h1 : 근입깊이

c : 흙의 점착력, q : 상재하중

본 검토에서는 가장 일반적인 검토방법인 하중-지지력식에 의한 방법을 중심으로 검토하고자 한다.

Terzaghi-Peck의 방법

① 단단한 지층이 깊은 경우 - 얕은굴착 ;

그림 2(a)에 표시된 바와 같이 dd1 연직면에는 점착력(c)이 작용하기 때문에, c1d1 수평면에 가해지는 전체 재하중(P) 및 재하중강도(Pv)는 다음 식과 같다.

 

(a) 단단한 지층이 깊은 경우 (b) 단단한 지층이 얕은 경우

그림 2 Terzaghi-Peck의 히빙 검토 방법

② 단단한 지층이 얕은 경우 - 깊은굴착 ;

그림 2(b)에 표시된 바와 같이 단단한 층이 얕은 경우에는 미끄럼면은 단단한 층에 접하여 발생하는 것으로 고려된다. 이 경우에는 굴착저면에서 단단한 층까지의 깊이를 D로 하면, c1d1 = D로 되기 때문에 재하중강도(Pv) 및 안전율은 다음과 같다.

③ 안전율

Terzaghi는 Heaving에 대한 최소안전율로 1.5를 제안하고 있으며, 구조물의 중요도 및 안정성을 고려하여 1.5~2.0 정도를 적용한다.

Tschebotarioff의 방법

Tschebotarioff의 방법은 원호활동면을 가정한 것으로 유한길이의 굴착면을 고려하여, 그 양단의 전단저항을 고려하고 다시 점토지반의 지지력공식에도 유한길이의 재하를 고려하는 점이 Terzaghi-Peck의 방법과 다른 점이다.

그림 3 Tschebotarioff의 히빙 검토 방법

① 견고한 지층까지의 거리가 굴착폭보다 작은 경우 ; D < B

그림 3에 나타난 경우의 안전율은 다음 식과 같다.

② 견고한 지층까지의 거리가 굴착폭보다 큰 경우 ; D > B

여기서, Fs : 안전율 (구조물의 중요도 및 안정성을 고려하여 1.5~2.0 정도를 적용)

B : 터파기 평면의 단변 길이 (m)

L : 터파기 평면의 장변 길이 (m)

D : 터파기면에서 견고한 지층까지의 거리 (m)

Bjerrum & Eide의 방법

Bjerrum & Eide는 Terzaghi와 Skempton의 공식과 Heaving에 의해 파괴된 현장의 조사결과를 바탕으로 히빙에 대한 검토식을 다음과 같이 적용하였다.

여기서, Fs : 최소안전율 (구조물의 중요도 및 안정성을 고려하여 1.5~2.0 정도를 적용)

Nc : 그림 4에 도시된 Skempton의 지지력 계수

그림 4 지지력계수 선정용 도표 (Skempton)