건설현장 흙막이에 작용하는 힘과 계측 항목, 유의 사항

건설 현장에서 지하층이 있는 건축물을 시공하거나 건축 구조물의 기초를 만들기 위해서는 지반을 굴착해야 합니다. 하지만 굴착 작업을 할 때 구조적인 보강을 하지 않고 굴착할 경우 토사가 붕괴할 위험이 있습니다. 따라서 토사의 붕괴를 막기 위해 굴착 면에 대해 흙이 넘어오는 것을 막는 흙막이 공법을 적용합니다. 그럼 흙막이에는 어떤 힘이 작용하며 흙막이가 안전하게 유지되고 있는지를 확인할 수 있는 데이터인 계측 항목, 그리고 흙막이 설치 작업 시 유의 사항에 대해 알아보겠습니다.

 

 

흙막이벽에 작용하는 토압과 버팀대 설치 위치

흙막이에는 주동 토압과 수동 토압이 작용합니다. 주동 토압은 옹벽이나 흙막이 벽체가 뒤채움 쪽에서 앞면으로 작용할 때 가해지는 토압으로, 토압의 최솟값을 취합니다. 수동 토압은 옹벽 또는 흙막이 벽체가 뒤채움 방향으로 후퇴할 때 작용하는 토압으로, 토압의 최댓값을 취합니다. 이런 토압의 작용 지점에 따라 이론상으로는 굴착 바닥 면에서 1/3 위치에 흙막이 버팀대를 설치하는 것이 가장 효과적입니다. 하지만 실제로는 건설 현장에서 작업하는 데 지장이 없는 곳에 설치하는 것이 일반적입니다. 건설기계의 작업 반경 내 흙막이가 설치되어 작업이 간섭되면 시공 효율이 떨어지기 때문입니다. 하지만 너무 구조적으로 취약한 곳에 버팀대를 설치하는 경우, 버팀대가 변형되어 흙막이에 작용하는 힘을 제대로 못 받아 토사가 붕괴하는 현상이 발생할 수 있으니 안정성이 너무 저해되지 않는 선에서 작업성이 용이한 곳을 적절히 선정해 설치하는 것이 중요합니다.

 

계측 관리 항목과 측정기기 종류

자연 상태의 안정한 지반을 굴착하면 불안정한 상태가 됩니다. 이때 불안정한 상태를 안정한 상태로 유지하는 것이 흙막이를 설치하는 이유입니다. 이 때문에 흙막이에 변형 등 이상이 있지는 않은지, 인접 건물에 변위가 발생하진 않았는지 확인하는 것이 중요합니다. 이런 이상 유무를 확인하는 것이 측정기기를 통한 계측관리입니다.

계측 항목에는 인접 구조물의 안정성, 지반이나 흙막이 구조물의 안정성, 수압, 토압, 지표면 안정성, 소음, 그리고 진동 등이 있습니다. tilt meter(경사계)와 level & transit은 인접 구조물의 기울기를 측정하는 데 사용됩니다. 인접 구조물의 균열은 crack gauge(균열 측정기)를 통해 측정하며 지중 수평 변위 계측은 inclinometer(경사계)를 이용합니다. 그 외에도 지중 수직 변위를 계측하는 extension meter(지중 침하계), 지하 수위를 계측하는 water level meter(지하 수위계), 간극수압을 측정하는 piezometer(간극 수압계), 스트러트의 부재 응력을 측정하는 load cell(하중계), 스트러트의 변형을 계측하는 strain gauge(변형계), 토압을 측정하는 soil pressure gauge(토압계), 지표면의 침하와 융기를 측정하는 level & staff, 소음을 측정하는 sound level meter와 진동을 측정하는 vibrometer가 있습니다. 각 계측 목적에 맞게 측정기기를 설치하여 주기적으로 계측 보고서를 확인하여 굴착 상태가 안전한 상태인지, 변위는 없는지 확인하는 것이 중요합니다.

 

작업 시 유의 사항

흙막이 작업 시에는 히빙(Heaving Failuer) 현상과 보일링(Boiling of Sand) 현상, 그리고 파이핑(Piping) 현상에 유의해야 합니다. 히빙 현상은 하부 지반이 연약한 경우 굴착 면에 대해 흙막이 바깥에 있는 흙의 중량과 지표면 적재 하중을 이기지 못한 흙이 붕괴하여 흙막이 바깥쪽 흙이 안쪽으로 밀려 들어와 불룩하게 융기되는 현상입니다. 보일링 현상은 흙막이 아래 지면의 투수성이 좋은 사질 지반에서 지하수가 있거나 피압수의 상승으로 인해 모래 입자가 부력을 받아 떠올라 모래 지반의 지지력이 급격히 사라지는 현상입니다. 마지막으로 파이핑 현상의 경우, 지반 내에 물의 통로가 생기면서 흙이 세굴되어가는 과정을 의미하는데, 흙막이벽의 부실 공사로 뚫린 구멍 때문에 발생하기도 합니다. 따라서 히빙 현상과 보일링 현상을 막기 위해서는 양질의 지반 내에 강성 높은 흙막이벽을 깊게 박아야 합니다. 혹은 지반개량공법으로 보강하거나, 토질을 치환하여 양질의 지반을 형성하는 것도 좋은 방법의 하나입니다. 지반 내 말뚝을 박아 흙막이 자체의 강성을 높이거나 굴착작업 시 아일랜드 공법을 채택함으로써 히빙 현상과 보일링 현상을 막을 수 있으니, 현장 여건에 맞는 방법을 선택하여 안전하게 작업해야 합니다. 한편 파이핑 현상의 경우 지반 내 물이 있다는 것이 현상 발생 원인이므로, 물을 제거할 수 있도록 차수성이 높은 흙막이를 설치하거나 지하수위를 저하하면 됩니다.