지반을 대상으로 하는 토류 구조물 공사는 지반 조사 및 설계 단계에서 상세한 검토를 수행하여도 시공 중에 발생하는 벽체의 응력, 변위, 주변 지반 및 기존 구조물의 거동 등을 정확히 예측하기 어렵다.
일반적으로 설계 단계에서 입력하는 지반의 물성치(단위중량, 내부 마찰각, 점착력, 지반계수 등)와 단계별 시공 계획 등이 실제 현장 조건과 정확히 일치하지 않기 때문에 상황에 따라 설계 및 시공 방법 등의 수정과 보완이 필요하다.
그러므로 토류 구조물 시공 과정에서 지반 굴착과 지지보 설치 및 해체 단계 공사를 안전하고 경제 적으로 진행하기 위한 기준과 판단 자료를 제시하여 주는 계측 관리에 의한 정보화 시공의 필요성은 더욱 증대되고 있다.
1.1 토류 구조물 계측 관리의 역할
산업화 이전의 토류 구조물을 이용한 굴착공사의 깊이는 20m 내외였다.
그러나 근래에 와서 인구의 도시집중으로 인한 생활공간과 주차공간의 필요에 의해, 또한 지하철 공사와 같은 흙막이 터널의 경우, 굴착 깊이가 30m 이상 되는 경우가 비일비재하다.
따라서 토류벽의 안전뿐만 아니라, 주변지반 및 구조물, 지하매설물, 주민에 미치는 영향을 고려하게 되었고 도심지에서 공사를 하게 되는 경우는 이러한 문제점들에 대한 중요성이 더욱 증대되고 있다.
1.2 계측 관리의 목적
설계시의 지반 조건 및 설계에 관계되는 각종 정수에 대한 정보의 부족으로 인한 설계상의 불확실성에 대비하여 지하 수위의 변화, 토류벽의 변위, 토압 및 수압의 변화, 인접 지반의 침하 등을 관리하여 설계값과 비교 검토한다.
따라서 토류 구조물 및 지반의 전반적인 거동의 경향을 알 수 있으며, 이 계측 자료를 이용하여 안전도를 사전에 점검하고, 이에 대한 보완책을 강구하기 위한 최적의 시기와 방법을 모색할 수 있도록 한다.
1.3 계측 위치의 선정
계측 위치의 선정은 경제성, 시공성을 고려하여 토류 구조물 및 배면지반의 거동을 대표할 수 있는 최소한의 점을 선정하여 최대 효과를 얻도록 해야한다.
- 지반조건이 충분히 파악되어 있는 곳
- 설계와 시공면에서 토류 구조물을 대표할 수 있는 장소
- 중요 구조물이 인접하여 있는 곳 우선적으로 공사가 진행될 곳
- 토류 구조물이나 지반에 특수한 조건이 공사에 영향을 미칠 것으로 예상되는 곳
- 교통량이 많아 이로 인한 하중 증감이 있는 곳
- 하천주위 등 지하수의 분포가 다량이고 수위의 상승, 하강이 빈번한 곳
- 가능한 계측기기의 훼손이 적은 곳
- 과다한 변위가 우려되는 지점
- 현장 작업에 용이한 곳에 설치
1.4 계측항목의 선정
지반 굴착으로 발생될 수 있는 지반 공학적 문제는 현장 여건이나 설계 요건에 따라 다양하나, 토류 구조물 설계 및 시공시 주요 관심 대상에 따라 계측 항목을 분류하면 다음 표와 같다.
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측정대상 |
계측항목 |
계측기기 |
육안관찰 | |
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토류벽 |
측압 |
토압, 수압 |
토압계, 수압계 |
벽체의 휨,균열 토류벽 연결부의 연속성 확인 누수, 주변지반의 균열 |
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변형 |
두부변형 수평변위 |
측량 경사계(Inclinometer) | ||
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벽체의 응력 |
변형율계 | |||
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Strut or Anchor |
축력, 신축량, 온도 |
하중계(Load cell) 신축계, 상대변위계, 온도계 |
Strut의 굴곡, 볼트의 쥠상태 | |
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굴착지반 |
굴착지반 내의 수직 및 수평변위, 간극수압 |
지중 침하계 |
굴착 바닥면의 과도한 융기 혹은 균열, 내부지반의 용수 | |
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주변지반 |
지표침하, 지중침하,간극수압, 지중수평변위 |
경사계, 지중침하계 간극수압계 |
배면지반의 균열,도로의 표층, 보도블럭 등의 이완 확인 | |
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근접구조물 |
연직변위, 경사량, 균열 |
침하계, 균열측정기 건물경사계 |
구조물의 균열 및 경사도 | |
1.5 측정 결과의 분석 및 활용
계측의 목적은 계측을 통하여 시공 관리나 안전관리 등에 유용한 결과를 얻어 그것을 이용하는데 있는 만큼, 계측관리에서 얻어진 결과를 어떻게 효과적으로 이용하는가의 여부로 계측의 효과가 평가된다.
측정 결과값이 설계값에 비해 다소 작은 값을 나타내면 문제는 없지만, 설계값에 비해 과대한 경우나 과소한 경우는 재고가 필요하다.
즉, 과대한 경우(위험측)는 우선 긴급 대책을 강구하고 그 이후의 공사를 어떻게 진행할 것인가의 재 설계가 요구되며, 과소한 경우(과안전측)는 긴급한 대책은 요구되지 않지만 공사를 합리적으로 진행하기 위한 재 설계를 고려할 필요가 있다.
재 설계가 이루어진 다음에는 그것에 기초하여 공사를 진행하고 관리기준치도 수정된다.
현재 현장 관리나 안전관리를 위한 계측 관리 방법으로는 절대치관리와 예측 관리로 대별할 수 있다.
절대치관리란 시공 전에 설정한 관리기준치와 실측치를 비교 검토하여 그 시점에서 공사의 안전성을 확인하는 방법이다.
또 예측 관리는 다음 단계 이후의 예측치와 관리기준치를 비교 검토하고 사전에 공사의 안전성을 확인하거나 시공방법을 검토하는 것으로, 여기서 예측치란 현 단계까지의 굴착 상태를 실측치에 기초하여 해석한 결과 얻어진 토질 정수에 의해서 다음 단계굴착이후 토류 구조물의 거동을 추정한 값을 말한다.