6장 토압(흙막이

▪ 평면파괴, 파괴각 정의
주동파괴각 \[ 45^\circ + \frac{\phi}{2} \] 수동파괴각 \[ 45^\circ - \frac{\phi}{2} \]

▪ 토압계수 정의

\[ K = \frac{\sigma_h'}{\sigma_v'} \quad \Rightarrow \quad \sigma_h' = K \cdot \sigma_v' \]
▪ 정지토압계수

▪ 토압계수
\[ \begin{aligned} K_a &= \tan^2(45^\circ - \frac{\phi}{2}) \\ K_0 &= 1 - \sin\phi \\ K_p &= \tan^2(45^\circ + \frac{\phi}{2}) \\ \end{aligned} \]
▪ Rankine vs Coulomb 이론, 점착력 보정, 연성/강성벽체, Peck 가설 등

▪ 탑다운(역타, Top-Down)공법: SPS, CWS, BRD (참조: 공법의 비교)

▪ 다층지반 고려: 가중 평균
▪ 토량환산계수 및 체적 환산계수

▪ 석축 안정성, 보강토 옹벽 설계법
(Tie-back wedge vs Coherent Gravity)

▪ 활동저항, 배수공, 시력선(Middle third) 기준

■ Rankine 이론

흙막이 가상지지점:
벽체의 지보공 축력이나 벽체 응력을 구하는 방법
[Note] 가상지지점은 굴착면 아래로 박힌 흙막이 벽체가 배면토압(뒤에서 미는 힘)에 저항할 때, 벽체가 마치 힌지(Hinge, 회전단)처럼 고정되어 있다고 가정하는 지점을 말한다.

➀ 배면 수평
\[ K_a = \tan^2\left(45^\circ - \frac{\phi}{2}\right) = \frac{1 - \sin \phi}{1 + \sin \phi} \] \[ K_p = \tan^2\left(45^\circ + \frac{\phi}{2}\right) = \frac{1 + \sin \phi}{1 - \sin \phi} \] ➁ 배면 경사 \( i \)
\[ K_a = \frac{\cos i - \sqrt{\cos^2 i - \cos^2 \phi}}{\cos i + \sqrt{\cos^2 i - \cos^2 \phi}} \] \[ K_p = \frac{\cos i + \sqrt{\cos^2 i - \cos^2 \phi}}{\cos i - \sqrt{\cos^2 i - \cos^2 \phi}} \] ➂ 점착력 흙

■ 옹벽의 외적 안정조건

• 전도 \[ F_s = \frac{M_r(\text{자중})}{M_d(\text{토압+수압})} \geq 1.5 \sim 2.0 \] • 활동 \[ F_s = \frac{P_v \cdot f}{P_h} \geq 1.5 \sim 2.0 \] • 지지력 \[ q_a \geq q \quad (\text{허용지지력} \geq \text{지반반력}) \] • 원호활동 \[ F_s = \frac{\text{저항력}}{\text{활동력}} \geq 1.5 \]

▪ 소일네일링(S/N) vs 어스앵커(E/A)
▪ 주입비 \( GR = \frac{D}{G} > 1.5 \sim 5.0 \)
▪ 그라우팅 공법: Pilot → Curtain → Rim 등

▪ 강성관 vs 연성관
Spangler 이론
강성관(굴착식) \[ W' = C_c \cdot \gamma_t \cdot D^2 \] 연성관(매립식) \[ W' = C_d \cdot \gamma_t \cdot B^2 \]
▪ 아칭효과, 파괴모드 차이 (볼록 vs 오목 아칭)

▪ 매설관 연직력

• 매립식 \[ W = C_c \cdot \gamma_t \cdot B_c^2, \quad C_c = \frac{1}{2K_a \mu} \left[1 - \exp\left(-2K_a \mu \frac{h}{B_c}\right)\right] \] • 굴착식 \[ W = C_d \cdot \gamma_t \cdot B_d^2, \quad C_d = \frac{1}{2K_a \mu} \left[1 - \exp\left(-2K_a \mu \frac{h}{B_d}\right)\right] \]

용어	비고
강널말뚝 (Sheet Pile)
H-pile + 토류 (H-pile + Lagging; Soldier Pile and Lagging)
지하연속벽(지중벽) (Slurry Wall; Diaphragm Wall)
철근 (Rebar; Reinforcing Bar)
엄지말뚝 (H-pile; Soldier Pile)	H형강을 이용한 수직 지지 부재
토류판 (Lagging; Timbering)	엄지말뚝 사이에 끼우는 흙막이 판자
까치발 (Raker Brace; Diagonal Brace)	주버팀대와 띠장 등을 보강하는 경사 부재
잭 (Jack)	버팀대에 초기 하중을 가하는 장치
보강재 (Stiffener; Brace)	구조물 강성을 보강하는 부재
사보강재 (Raker; Diagonal Brace)	경사 방향으로 설치된 보강 부재
중간말뚝 (Post Pile; King Post)	주버팀대의 좌굴을 방지하기 위한 수직 지지 말뚝
띠장 (Wale; Waling)	흙막이 벽체에 수평으로 설치하는 부재 • [Figure] 자립식 2열 띠장(2H-250x250x9x14)
주버팀대 (Strut; Cross Lot Brace)	굴착면을 가로질러 띠장을 지지하는 수평 부재
C.I.P (Cast-in-Place Pile)	주열식 현장타설 말뚝 흙막이벽 공법 → 상세 보기 ↓
S.C.W (Soil Cement Wall)	주열식 차수벽 공법

▪ 흙막이 토압 분포 (사질토 vs 점성토)
▪ 근접시공 시 안정 조건 5가지
▪ 팽상(heaving), 히빙 등 저면 안정 문제
▪ 가상지지점 이론 및 토류벽 공법 비교

▪ 정의

CIP(Cast In Place Pile) 공법은 주열식 현장타설 말뚝으로서, 지반에 오거(Auger) 등으로 천공한 후 철근망(케이지)을 삽입하고 콘크리트를 현장에서 타설하여 말뚝열을 형성하는 흙막이 벽체 공법이다. 토류벽으로서 비교적 강성이 크나, 별도의 그라우팅 없이는 차수 기능을 기대하기 어렵다.

▪ 토류벽 공법 비교

강널말뚝(Sheet Pile), 엄지말뚝(H-Pile)+토류판, CIP, SCW, 지중연속벽

구분	SHEET PILE (강널말뚝)	엄지말뚝(H-PILE) +TIMBER(토류판)	C.I.P (주열식 연속벽)	SLURRY WALL (지중 연속벽)	S.C.W (주열식 연속벽)
굴착방법	토류벽 및 ANCHOR나 STRUT에 의해 토사의 붕괴를 방지하면서 굴착하는 공법; 토목공사에서는 대부분 아공법을 사용	토류벽 및 ANCHOR나 STRUT에 의해 토사 붕괴를 방지하면서 굴착; 토목공사에서는 대부분 아공법 사용. 1~2m 정도의 간격으로 타입하여 굴착의 진행에 따라 토류판을 끼워넣어 굴착	가시설 가벽의 구조체로서 지반의 거동을 억제하면서 ANCHOR나 STRUT로 지지하면서 굴착	가시설 가벽의 영구벽체의 강성 구조체로 수직 지반보강을 실시하며 ANCHOR나 STRUT로 지지하면서 굴착	가시설의 구조체로써 차수 및 지반보강을 실시하며 필요시 이용 강을 삽시하며 ANCHOR나 STRUT로 지지하며 굴착
공법특징	한판식 연속하여 타입하는 지수성이 있는 토류벽을 형성하는 공법으로 사공성이 우수하며 가설 토류벽으로서 대표적인 것임	H형강의 말뚝을 개척된 토류벽 중심선상에 1~2m 정도의 간격으로 타입하여 굴착의 진행에 따라 토류판을 끼워넣어 굴착면을 형성하며 강널말뚝을 압입공법으로 시공하면 소음·진동의 말뚝과 철근으로 보강된 콘크리트 벽을 형성	현장타설 콘크리트 말뚝을 연속타설하여 토류벽을 형성시키는 공법으로 강성이 비교적 크며 H형강으로 보강된 말뚝과 철근으로 보강된 콘크리트 벽을 형성	폭 4~5m 정도의 콘크리트벽을 연속적으로 시공하여 지중 연속벽체를 형성	삼축AUGER를 이용해 연속벽 시공후 연약지보강하고 엄지말뚝 0.9m2간격으로 삽인후 굴착진행하면서 필요시 토류판 설치후 벽체형성
강성 및 차수성	강성은 그리 크지 않으나 차수성이 매우 양호	강성이 약하고 차수를 기대할 수 없음	토류벽으로써 비교적 강성이 크며 보강 GROUTING 없이 차수를 기대할수 없음	강성 및 차수성이 매우 좋음	강성이 약하나 차수성이 매우 좋음(LW GROUT 추가 실시)
진동 및 소음	진동, 소음이 큼	저진동, 저소음	저진동, 저소음	저진동, 저소음	저진동, 저소음
토류벽재료	엄지말뚝	엄지말뚝, 토류판	용접대가 보강된 콘크리트, 토류판, 엄지말뚝	철근콘크리트	SOIL CEMENT, 토류판, 엄지말뚝
주변 침하	침하가 상당히 큼	침하가 상당히 큼	다소 생길 수 있음	침하현상이 거의 없음	다소 생길 수 있음
토공사	온통 터파기	온통 터파기	온통 터파기	온통 터파기	온통 터파기
주요용도	가시설 벽체	가시설 벽체	가시설 벽체	가시설 및 영구 벽체	가시설 벽체
장점	• 종류가 많기 때문에 현장조건에 적합한 단면을 사용할 수 있음 • Joint부에 수밀성이 있기 때문에 지수성이 우수하며 가설 토류벽으로서 대표적인 것임	• 비교적 경제적임 • 작업공간이 넓을 때 사용 가능 • 강널말뚝을 타입할 수 없는 단단한 지반에도 적용 가능	• 소음, 진동이 작으므로 굴착에 유리함 • 접합부가 작으므로 베큰트로의 이동이 작고 지반에 대한 영향이 작음 • 강도, 지수를 계획하면서도 시공할 수 있음	• 차수성 및 토류강성이 매우 양호함 • 건축 구조물의 외벽 및 가시설 벽체 • 같은 심도(연암)까지 시공가능함	• 차수성 양호 • 공기, 경제성 유리
단점	• 조기휴유이 많이 등 • 역중등의 단단한 지반에서는 타입 및 인발이 어려움 • 인발에 의해 배면토의 이동이 생김 • 강널말뚝의 강성이 크기 않으므로 타입 길이가 제한됨	• 토류판 삽입시 여굴이 생기기 쉽고 주변지반의 변형, 침하가 일어날 가능성있음 • Heaving 현상이 생기기 쉬운 지반에서는 근압부의 수동토압 부족에 따른 이동이 일어날 가능성 있음	• 지수성이 없기 때문에 지하수가 많은 지반에는 부족함 • 공벽을 유지할 수 없는 경우 보조공법 필요	• 지수성에 문제가 있음 • 공기가 길고 경비가 많이 듦	• 강성이 작음 • 암반 시공 불가
적용성 평가	• 시공 도로가 넓고 지하수가 많을것으로 예상되는 경우 • 장시간 공사시 지반변형방지에 우수하다	• 연약지반을 포함하지 않은 지반조건이 비교적 양호한 지반 • 가시설 사용기간이 짧은 경우 • 구조물과의 이격거리가 비교적 큰 경우	• 지반조건이 비교적 불량하고 주변구조물이 가시설과 극히 인접한 경우 • 구조물의 하중에 견디기 위하여 지지층까지 말뚝을 설치 • 대형장비로 작업공간이 넓다	• 시공 도로가 넓고 지하수가 많을것으로 예상되는 경우 • 장시간 공사시 지반변형방지에 우수하다	• 시공 도로가 넓고 지하수가 많을 것으로 예상되는 경우 • 대형장비로 작업공간이 넓다 • 인접지에 구조물이 존재하는 경우

▪ CIP 공법 특징 요약

굴착방법: 가시설 가벽의 구조체로서 지반의 거동을 억제하면서 ANCHOR나 STRUT로 지지하며 굴착
공법특징: 현장타설 콘크리트 말뚝을 연속 타설하여 토류벽 형성. H형강 또는 철근으로 보강
강성: 비교적 강성이 큼
차수성: 차수 기능 없음 → 별도 보강 GROUTING 필요
소음·진동: 저진동, 저소음
토류벽 재료: 용접대가 보강된 콘크리트, 토류판, 엄지말뚝
주변 침하: 다소 생길 수 있음
주요 용도: 가시설 벽체

▪ CIP vs SCW (차수벽 관련)

구분	CIP (Cast-in-Place Pile)	SCW (Soil Cement Wall)
분류	주열식 흙막이 벽체	주열식 차수벽 / 흙막이 겸용
강성	비교적 큼	약함
차수성	없음 (별도 그라우팅 필요)	매우 좋음 (LW Grout 추가 실시)
소음·진동	저진동, 저소음	저진동, 저소음
재료	철근 + 콘크리트 (현장타설)	Soil Cement + 토류판 + 엄지말뚝
적용 지반	지반조건 불량, 인접 구조물 근접 시	지하수 다량, 장시간 공사

▪ 차수벽 공법: SCW, CGM, ECG 등
▪ 안정액(벤토나이트) 특성
▪ 호모젤 vs 샌드젤 비교

▪ 차수 그라우팅의 정의 및 목적

차수 그라우팅(Cut-off Grouting)이란 지반 내 공극·균열에 시멘트계 또는 약액계 주입재를 주입하여 투수계수를 저감시키고 지하수의 유입 경로를 차단하는 지반개량공법이다.
CIP, 강널말뚝 이음부 등과 같이 흙막이 벽체 자체의 차수 기능이 부족한 경우 배면 또는 저면에 보조적으로 시공하여, 지하수위 저하로 인한 주변지반 침하 및 굴착저면의 히빙·보일링 등을 방지하는 목적으로 활용된다.

▪ 그라우팅 주입방식에 따른 분류

구분	대표 공법	원리
침투주입 (Permeation Grouting)	LW, SGR, MSG	저압으로 약액을 지반 공극에 침투시켜 고결 → 원지반의 골격 구조는 그대로 유지
고압분사주입 (Jet Grouting)	JSP(CCP), RJP, SIG	초고압 분사수·경화재로 지반을 절삭·혼합하여 원주형 개량체(Soil-Cement Column) 형성
압밀그라우팅 (Compaction Grouting)	Compaction Grout	저유동성(Mortar형) 그라우트를 저속·저압 주입하여 지반을 압밀·다짐(공극 충전보다 다짐 위주)
단순충전형 (Cement Milk)	시멘트밀크 그라우팅	암반 균열, 자갈층 등 대공극에 시멘트+물 배합액을 단순 충전

▪ 대표 공법 비교: LW vs SGR vs JSP

구분	LW 공법 (물유리 그라우팅)	S.G.R 공법	JSP 공법 (고압분사)
주입재	물유리(규산소다)+경화제 2액형	시멘트+물유리계 약액(SGR재), 2중관 복합 주입	시멘트계 경화재(단관·2중관·3중관 방식)
주입 방식	단관 로드를 이용한 저압 침투	이중관 로드로 순간유도줄눈(Sleeve Pipe)을 형성한 후 저압·정압 침투	초고압(약 200kgf/cm² 이상) 분사로 지반을 절삭하면서 혼합
적용 지반	사질토, 자갈질 지반	사질토~점성토(세립분이 다소 섞인 지반도 적용 가능)	연약지반~풍화암까지 대부분의 지반
차수 효과	보통(내구성 다소 낮음, 지하수에 의한 용탈 우려)	양호(반복 주입 및 재주입 가능)	매우 우수(개량체 자체가 차수벽 역할 수행)
특징	저렴하고 시공이 간편함	정밀 주입이 가능하여 인접 시설물 침하 방지에 유리	개량체의 강도까지 확보되나 장비가 크고 비용이 높음

▪ 시공관리 기준

▪ 약액주입공법(LW, SGR 등)은 정압주입을 원칙으로 하며, 지층조건에 따라 결정된 주입률로 시공하되 매립지·유기질토 등 특수지반에서는 반드시 현장주입시험 결과에 따라 주입률을 결정한다.
▪ 차수용으로 적용된 그라우팅은 보강 후 지반의 투수계수 k ≤ 1×10⁻⁵ cm/s 확보를 기준으로 한다. (KCS 21 30 00 가설흙막이공사 기준)
▪ 굴착 중 지하수 용출이 확인되면 즉시 굴착을 중지하고 그라우팅을 시행하여 차수벽을 형성하며, 인접 구조물 하부는 경사 그라우팅으로 충분히 충전하여 침하를 방지한다.

▪ 활용

CIP, 강널말뚝 이음부 등 차수 기능이 없는 흙막이 벽체의 배면·저면 보강
굴착저면 히빙(Heaving)·보일링(Boiling) 방지를 위한 저면 그라우팅
인접 구조물 하부 침하 방지 및 지반 보강
터널 막장 전방 차수 및 지반보강(JSP, RJP 등 병용)

6장 토압(흙막이)

파괴

토압

절토/굴토/굴착

옹벽 (Rankine)

앵커

매설관

흙막이 벽체

C.I.P (Cast-in-Place Pile)

차수벽