흙막이 벽체 측방토압

왜 배우는가: 흙막이 벽체 측방토압은 굴착 중 벽체의 설계하중을 결정하고, 벽체 변위 형태에 따라 토압 분포가 달라지므로 실무 설계와 계측 판단의 출발점이 된다. 연성벽체에 고전 토압론을 그대로 적용하지 못하는 이유를 이해해야 여러 문항에 대응할 수 있다.

출제 이력: 제115회 2교시 5번, 제115회 3교시 3번, 제100회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙막이 벽체 측방토압은 굴착 중 흙막이 배면에서 벽체에 작용하는 수평토압으로, 벽체의 변위·변형 형태와 굴착 단계에 따라 분포가 달라지는 토압이다.

• 흙막이 벽체
• 측방토압(Lateral Earth Pressure)
• 연성벽체
• 벽체 변위 형태
• 굴착 단계별 토압
• 상재하중 영향

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 땅을 파면 옆의 흙이 벽을 밀어낸다. 그 밀어내는 힘이 측방토압이다. 흙막이 벽체가 얼마나, 어떤 모양으로 움직이느냐에 따라 같은 흙이라도 작용하는 힘의 크기와 위치가 달라진다.

정식 정의는 흙막이 벽체의 배면 지반이 벽체에 가하는 수평방향 응력을 말한다. 측방토압은 정지토압, 주동토압, 수동토압 중 벽체의 변위 상태에 대응하는 값으로 정해진다. 고전 토압론에서는 벽체가 강체로 회전하거나 평행이동하는 것을 가정하지만, 흙막이 벽체는 강성이 낮은 연성벽체이므로 굴착면 쪽으로 휘는 변형이 크게 나타난다.

핵심 용어 풀이

정지토압(Earth Pressure at Rest)은 벽체가 움직이지 않는 상태의 수평토압이다. 정지토압계수는 사질토와 정규압밀토에서 Jaky 식으로 경험적으로 구한다.

주동토압(Active Earth Pressure)은 벽체가 배면 흙에서 멀어지는 방향으로 움직여 흙이 느슨해질 때 생기는 최소 토압이다.

아칭효과(Arching Effect)는 연성벽체의 변위 때문에 흙 내부 응력이 벽체 상부와 하부 쪽으로 재분배되는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 굴착이 늘면서 인접 건물과 지하매설물을 보호해야 하는 요구가 커졌다. 이에 따라 굴착 중 벽체와 지반의 거동을 정확히 예측하는 토압 산정이 필요해졌다.

과거에는 Rankine이나 Coulomb 토압을 흙막이에 그대로 적용했다. 그러나 흙막이는 가설구조물이고, 버팀재나 앵커로 단계적으로 지지되며, 굴착 진행에 따라 응력이 재분배된다. 이 때문에 실측 계측 결과와 이론 토압의 차이가 컸다.

이에 Terzaghi와 Peck 등은 계측 자료를 바탕으로 견성토압 분포(Apparent Earth Pressure Diagram)를 제안했다. 실무 설계는 이 경험적 토압분포를 기본으로 하고, 벽체 강성과 지지 조건에 맞게 보정한다.

상재하중 문제도 같은 맥락이다. 굴착 벽체 배면 지표에 하중이 작용하면 수평토압이 추가로 생기며, 하중 시점이 벽체 설치 전인지 후인지에 따라 벽체가 받는 증분이 달라진다. 탄성해(Boussinesq)는 응력 증분을 계산하는 기준이지만 벽체 변위 이력을 반영하지 못하므로 비교 설명이 필요하다.

측방토압 산정은 벽체 변위 형태를 먼저 정하는 것에서 시작한다.

4. 구성요소·원리·절차

흙막이 벽체 측방토압은 벽체 배면의 흙이 굴착에 따라 벽체를 밀어 생기는 수평력이다. 벽체의 강성, 근입 깊이, 지보공의 설치 시기에 따라 분포 형태가 달라진다. 측방토압을 이해하려면 벽체, 지반, 지지 체계 세 요소가 함께 작용하는 구조를 먼저 그려야 한다.

원리는 굴착에 따른 응력 해방이다. 굴착 전에는 정지토압 상태에서 흙이 평형을 이루고 있다. 굴착이 진행되면 벽체 배면의 수평응력이 줄어들고, 벽체는 굴착 쪽으로 변위한다. 이 변위가 주동 쪽 방향이면 토압은 주동 상태로 감소하고, 벽체가 강성이 커서 변위가 제한되면 토압은 정지토압에 가까운 값을 유지한다. 즉, 측방토압의 크기와 분포는 벽체 변위 형태에 따라 결정된다.

측방토압 산정 절차는 다음과 같다.

• 지반 정수(단위중량, 내부마찰각, 점착력)와 지하수위를 정한다.
• 굴착 단계별 시공 깊이와 지보공 설치 순서를 정한다.
• 벽체 강성과 근입 깊이에 맞는 토압 분포 형태(삼각형, 사다리꼴, 직사각형)를 고른다.
• 단계별 토압을 계산하고 지보공 반력을 구한다.
• 벽체 휨모멘트와 변위를 검토하고 계측 기준과 비교한다.

토압 크기는 주동토압 계수에 의해 결정된다. Rankine 주동토압 계수는 K_a = \tan^2(45° - \phi/2) 이다. 여기서 \phi 는 흙의 내부마찰각(°)이다. 전응력 해석에서 점성토의 경우 주동토압은 \sigma_a = \gamma z K_a - 2c\sqrt{K_a} 로 쓴다. 여기서 \gamma 는 흙의 단위중량(kN/m³), z 는 지표로부터 깊이(m), c 는 점착력(kN/m²) 이다. 이 식에서 z = 2c/(\gamma\sqrt{K_a}) 인 깊이까지는 인장 응력이 되어 인장균열이 생기고 토압 계산에서 제외한다.

흙막이 설계에서 가장 많이 쓰는 경험적 토압은 Terzaghi·Peck 의 겉보기 토압 분포다. 사질토에서 굴착 깊이 H 에 대한 최대 토압 분포는 상부 0.25H 구간을 0.65\gamma H K_a 로, 중간 구간을 \gamma H K_a 로, 하부를 0.65\gamma H K_a 로 두는 형태를 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

흙막이 설계는 법령이 수치를 직접 정하기보다, 설계기준과 표준시방서가 방법을 정한다. 건설 분야 설계기준은 KDS 코드 체계를 따르고, 가설 흙막이의 안전 관리는 「건설기술 진흥법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에 따른다. 굴착 깊이가 일정 수준을 넘으면 안전 계획서와 계측 계획이 필요하다.

흙막이 토압 설계에 쓰는 기준 수치는 아래와 같다.

위 표의 계수와 분포는 연속벽과 H-pile 흙막이에 널리 적용된다. 연속벽은 강성이 크므로 정지토압에 가까운 분포를 쓰는 경우가 많다. 개정 연혁은 설계기준의 판 번호와 함께 확인하여 현행 기준을 따른다.

6. 유형과 비교

흙막이 벽체에 작용하는 측방토압은 벽체의 변위 형태에 따라 주동·정지·수동 상태 중 어느 상태에 가까운지로 구분된다. 벽체가 배면 흙 쪽으로 움직이면 주동토압, 움직이지 않으면 정지토압, 흙 쪽으로 밀리면 수동토압이 작용한다.