겹침주열말뚝 벽체의 설계변수에 따른 구조적 안정요소와 공사비의 상관성 연구 = A Study on the Correlation between Structural Stability Factors and Construction Cost according to Design Factors of Secant Pile Wall
저자
발행사항
포천 : 대진대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 대진대학교 일반대학원 : 토목환경공학과 지반공학전공 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
경기도
형태사항
253 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이강일
UCI식별코드
I804:41014-200000697846
소장기관
The application of soil-cement walls using the cast-in-place pile (CIP) method, which can minimize groundwater level fluctuations and ground subsidence, is increasing. However, due to issues such as inadequate verticality of the piles, loss of cross-sectional area, and poor connection between adjacent piles in the wall, many studies and methods have been developed to ensure the stability of the structure during construction and excavation.
Recently, the cast-in-place pile method with overlapping Secant pile walls has been progressively applied in excavation construction projects. However, there is a lack of research considering site-specific conditions and ground conditions. As a result, the diameter of the Secant Pile is uniformly applied, with 550mm for shallow depths and 700mm for deeper depths, without established detailed criteria for pile diameter, overlap width, specifications (stiffness) of H-beam reinforcements, and required concrete strength.
This study aimed to determine the design variables and structural stability factors of the Secant pile wall using the cast-in-place pile method and to analyze the correlation between these variables and construction costs to secure the stability of the Secant pile retaining structure. Sixty-four different configurations of Secant pile walls were selected by combining design elements, and static and dynamic analyses were conducted. These analyses considered excavation depths of 7.5m for weathered soil and 5.0m for the depth of the retaining wall into the bedrock. The analysis evaluated the earth pressure, moment, shear force, and displacement of the Secant pile wall according to variations in the design elements and determined the structural stability factors through structural calculations.
The study results indicated that the resistance of the H-beam reinforcement in the Secant pile decreases as the pile diameter decreases and overlap width increases, as well as when the specification (stiffness) of the H-beam reinforcement increases. The horizontal displacement of the Secant pile wall decreases as the pile diameter increases, overlap width increases, and H-beam reinforcement stiffness increases. Additionally, the required concrete strength of the Secant pile wall increases with larger pile diameters and decreased H-beam reinforcement stiffness and overlap width.
To reduce the resistance in the H-beam reinforcement of the Secant pile, increasing the stiffness of the H-beam reinforcement is most advantageous, while increasing the overlap width is the least advantageous. To decrease the horizontal displacement of the Secant pile wall, increasing the pile diameter is most advantageous, while increasing the H-beam reinforcement stiffness is the least advantageous. To reduce the required concrete strength of the Secant pile wall, increasing the stiffness of the H-beam reinforcement is most advantageous, while increasing the overlap width is the least advantageous.
To ensure the structural stability of the Secant pile wall, changes in the design variables are necessary. The priority for selection should be based on economic value, favoring design elements with smaller unit construction costs. However, considering the different conditions for feasible changes in each design variable and the need to ensure the safety and public aspects of the structure, the final selection of design variables to be changed should be based on the correlation between the size of structural stability factors (resistance, horizontal displacement, and required concrete strength) and construction costs.
. 지하수위 변화와 지반침하를 최소화할 수 있는 주열식 현장타설말뚝(CIP) 공법을 이용한 흙막이 가시설의 적용이 증가하고 있으나 말뚝의 수직도 불량, 말뚝 단면 손실, 벽체 말뚝 간 연결 불량 등으로 인해, 차수 그라우팅 시공과 구조적 안정성을 확보하기 위한 많은 연구와 공법이 개발되고 있다. 최근 현장타설말뚝을 겹치도록 시공하는 Secant pile Wall 공법 형태의 겹침 주열식 현장타설말뚝 공법이 굴착 건설공사에 점진적으로 적용되고 있으나 현장 특성 및 지반조건을 고려한 연구가 미흡한 실정으로, Secant Pile의 말뚝직경을 굴착 심도가 얕은 경우 550mm, 깊은 경우에는 700mm를 일률적으로 적용하고 있어 말뚝직경, 겹침폭, H형강 보강재의 규격(강성), 콘크리트 소요강도에 대한 상세한 기준을 정립하지 못한 것으로 확인되었다.
본 연구는 Secant Pile 벽체의 설계변수와 구조적 안정요소를 산정하고 각 설계변수 변화에 따른 구조적 안정요소와 공사비의 상관성을 분석하여 Secant Pile 흙막이 구조물의 안정성을 확보하기 위해 먼저 고려해야 하는 설계변수를 선정하였다. 이를 위해 Secant Pile의 설계요소를 조합하여 총 64가지의 구성이 다른 Secant Pile 벽체를 선정하고 탄ㆍ소성보 구조해석을 실시하였다. 해석단면은 굴착깊이를 풍화토 7.5m, 흙막이 벽체 근입장을 기반암 5.0m에 적용하여 설계요소의 변화에 따라 발생하는 흙막이 벽체의 토압, 모멘트, 전단력, 변위를 산정하고 구조계산을 통해 구조적 안정요소를 산정하였다. 구조적 안정요소는 Secant Pile 설계요소의 조합에 따라 달라지므로 한 개의 설계요소가 같다는 조건으로 나머지 두 개의 설계요소를 달리하여 구조적 안정요소의 변화를 확인하였으며, 각 설계요소가 구조적 안정요소에 미치는 영향을 분석하였다.
Secant Pile 공사비는 말뚝직경 변경, 겹침폭 변경, H형강 보강재의 규격(강성) 변경에 따른 천공비용, 콘크리트 타설비용, H형강 보강재 비용을 계산하여 Secant Pile 벽체의 설계변수 변화에 따른 구조적 안정요소와 공사비의 상관성 분석을 추세선으로 도시하고, 추세선의 기울기를 이용하여 설계변수의 변화에 따른 구조적 안정요소와 공사비 변화의 상관성을 분석하였다.
연구 결과 Secant Pile H형강 보강재의 부재력은 말뚝직경이 작아질수록, 겹침폭이 증가할수록, H형강 보강재의 규격(강성)이 증가할수록 감소하고, Secant Pile 벽체의 수평변위는 말뚝직경이 커질수록, 겹침폭이 증가할수록, H형강 보강재의 규격(강성)이 증가할수록 감소하며, Secant Pile 벽체의 콘크리트 소요강도는 말뚝직경이 커질수록 H형강 보강재의 규격(강성)이 작아질수록, 겹침폭이 작아질수록 증가한다.
Secant Pile H형강 보강재에 발생하는 부재력을 감소시키기 위해서는 H형강 보강재의 규격(강성)을 증가시키는 것이 가장 유리하고 겹침폭을 증가시키는 것이 가장 불리하다. Secant Pile 벽체의 수평변위를 감소시키기 위해서는 말뚝직경을 증가시키는 것이 가장 유리하고 H형강 보강재의 규격(강성)을 증가시키는 것이 가장 불리하다. Secant Pile 벽체에 요구되는 콘크리트 소요강도를 감소시키기 위해서는 H형강 보강재의 규격(강성)을 증가시키는 것이 가장 유리하고 겹침폭을 증가시키는 것이 가장 불리하다.
Secant Pile 벽체의 구조적 안정상태를 확보하기 위해서는 설계변수의 변경이 필요하며 고려해야 할 우선순위는 경제적 가치를 우선할 경우 단위공사비의 크기가 작은 것을 선정해야 하나 설계변수마다 시공 가능한 변경조건이 다르고 건축물의 안전성과 공공성을 확보하여야 하므로, 설계변수 변경으로 변화되는 구조적 안정요소인 부재력, 수평변위, 콘크리트 소요강도의 크기와 공사비의 상관성을 고려하여 우선 변경해야 할 설계변수를 최종 선정함이 타당할 것으로 판단된다.
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