스크랩 공동주택의 연약지반 토공사/파일공사 실패 및 개선시공사례

[박호선]

1. 서론

일반적으로 연약 지반에서의 토공사 및 파일공사의 시작은

(1) 조건파악

(2) 시공계획의 입안, 승인

(3) 안전성 검토

(4) 공사비 및 공기검토

(5) 관계관청에 신고, 승인

(6) 시공실시 및 관리 등

대체로 위와 같은 순서에 의해 진행되며 각 항목마다 각각의 유의점들이 있으며

(1)조건의파악 항목만 해도 여러 가지가 있다.

예를 들어 ①지반상황 ②원지반 지하 구조체의 상황 ③지하수 상황 ④주변공작물 및 구조물의 상황 ⑤주변도로 상황 ⑥주변도로 하부의 매설물 ⑦부지내 매설물 ⑧주변주민의 상황 ⑨각 관계기관, 관청의 지도 요구상황 등을 상세히 조사하여 서류 및 도면화해서 그 조건들을 충분히 파악해 둘 필요가 있다.

또한 (2)시공계획의 입안, 승인은 4항 「공사비, 공기」 와 함께 검토하여야 하지만, 각종 흙막이 공법 및 굴착공법에 대하여 시공지식이 풍부하지 않으면 상당히 어렵다. 따라서 흙막이 및 굴착공사에 있어서는 그 계획, 시공, 관리 등의 작업들이 충분한 준비와 신중한 실행이 요구되는 분야로 잘못되면 중대한 사고나 사회 문제를 일으키게 된다.

따라서, 연약 지반에서의 토공사 / 파일공사 실패 및 설계변경 개선 시공 사례를 본인의 경험으로 간략하게 소개하고자 한다.

2. 현황

2.1 공사개요

(1) 공사명 : 00 00타운 공동주택 신축공사

(2) 대지면적 : 12,186.30㎡

(3) 건축면적 : 2,648.345㎡

(4) 건축연면적 : 51,598.76㎡

(5) 용도 : 아파트 및 부대 복리시설

(6) 구조 : 철근 콘크리트 라멘 벽식구조

(7) 규모

- 아파트 : 지하1층, 지상 25층 3개동

- 지하주차장 : 지하2층

2.2 현장특성

2.2.1 지반상태(지반조사 22개공 평균치)

2.2.2 지반특성

(1) 당해 지반은 일반적이고 부분적인 연약지반이 아니고 주변일대 전체가 과거에 바다로 형성된 해성점토 지반이며 해성점토의 유동성으로 인한 이동으로 수평하중의 작용이 예상되므로 파일 선단부의 고착이 무엇보다 중요하였고.

(2) 지질형태로 보아 주면 마찰력은 거의 없는 것으로 추정되었다.(N치가 2~8정도)

(3) 배토 상태로 보아 풍화암의 성질이 물과 결합될 때 경질에서 연질의 토질로 쉽게 변형됨을 추정할 수 있었음.

2.2.3 당초 설계 내용

(1) 지하주차장

- 흙막이 공법 : SHEET PILE(400×155×15.5)+STRUT

- 기초 : Φ400 PHC PILE(본당지지력 : 80TON)

(2) 아파트 기초 : Φ400 PHC PILE(본당지지력 : 80TON)

(3) 계측관리 : 지하주차장 흙막이 주변 (지중경사계 9개소, 하중계 26개소, 지하수위계 4개소, 변형률계 40개소)

2.3 1차 시공계획 및 공사진행 현황

2.3.1 공사진행계획 FLOW CHART

2.3.2 지하주차장 파일시공법 선정

직타시 지반의 연약으로 인한 선 시공한 파일에 대한 피해(연약지반의 밀림현상으로 인한 기울어짐 방지)를 최소화 하며 선단부 고정(시멘트 페이스트)을 위하여 SAIP공법 채택

2.3.3 지하주차장 흙막이 시공 및 굴착

(1) 1차 T-4 장비를 사용하여 풍화암을 일정간격 천공한 후 SHEET PILE을 진동함마로 근입 후 드롭함마로 후타격(평균 14.5M 근입)

(2) 소형 굴착기와 크람쉘을 사용하여 띠장 및 STRUT로 지지하면서 흙막이 완성토록 계획수립, 착수

2.3.4 아파트 기초 파일 시공법

SAIP 공법적용

2.4 문제발생

(1) 지하주차장 일부구간에서 굴착작업(약 6.8m 굴착)이 진행되는 동안 연약한 지반의 영향으로 가설 흙막이 구조물인 시트파일과 STRUT에 과대한 변형이 발생되었으며, 또한 굴착현장 내에서도 굴착측 방향으로 POST PILE이 심하게 변형되어 시공이 불가능 상태 발생하였음

(2) 기 시공한 PHC PILE이 굴착방향으로 전체의 63% 정도의 파일이 기울어지는 현상발생.

(3) 아파트 부분 기초파일 시공시도 유사한 문제점이 발생될 것으로 추정, 특히 SAIP 공법은 암반층 굴착이 사실상 어려우며, 파일이 암반층의 상부에만 지지되어 있을 경우 수평력이 작용하게 되면 전도되는 현상이 발생될 수도 있음

2.5 문제 발생 원인

(1) 해성점토 지반은 일반 연약지반과 달리 유동성이 매우 심하여 작업하중 및 상재하중이 주변에서 가해지면 취약한 부위 방향으로 이동하는 성질이 강하다.

(2) 설계도서에 준하여 흙막이를 시공하였으나 굴착 공사중 중장비의 이동 하중(덤프, 굴삭기 등)이 흙막이 방향으로 작용하게 되어 과대한 측압이 발생되었으며,

(3) 순차적으로 터파기를 하고 흙막이 띠장 및 STRUT를 설치하는 작업과정에서 집중적인 측압을 받아 흙막이의 변형을 가져왔고,

(4) 기 시공한 PHC 파일이 굴착방향으로 기울여진 것은 중장비의 작업 하중에 의하여 밀린 것과 굴착기의 터파기 과정에서 굴착기 방향으로 점토지반의 이동으로 인하여 발생되었다.

3. 대책수립

3.1 긴급 대책회의 개최

(1) 회의주관 : 감리단

(2) 참석자 : 감리단, 시공사, 협력업체

(3) 회의내용

- 흙막이 변형 및 파일 변형에 따른 원인 분석

- 흙막이 변형 및 파일 변형정도 확인

- 향후 대처방안 수립

- 안전관리

(4) 결론

- 현 상태조사 실시하여 감리단에 보고

- 지질전문가의 분석자료 제출

- 분석 자료에 의한 대책안 제출 후 감리단 검토

3.2 현장조사 실시

* 참석자 : 감리단, 시공사, 토질기초 전문가, 협력업체

(1) 흙막이 변형상태 조사

(2) 변형 파일 기울기 조사(수직 허용오차 1/50 이상인 파일수량 및 기울기 조사)

(3) 2차 변형 여부 조사

3.3 대책안 접수 검토

문제발생에 따른 대책안을 많이 도출시켜 검토하였고 그 중 2가지 안 중에서 결정하기로 하였다.

3.3.1 제 1안

(1) 내용

- 지하주차장 시트파일의 배면을 굴토하여 토압을 저감시킴

- 일부구간 어스앙카 시공 후 주차장 굴삭

- 일부구간 J.S.P로 보강

(2) 검토

- 지하주차장 배면 굴토 후 지하 터파기는 가능하지만 지하주차장 매트기초 콘크리트 타설 후 시트파일 배면을 다시 되메우기 상태에서 아파트 기초 공사 진행은 위험성이 따른다.(아파트 파일 전도 위험)

- J.S.P 보강시 압력에 의해 시트파일과 PHC 파일에 악영향을 준다.

- 어스앙카는 인접지반 모두 연약지반이며 암반까지 연장시 자유장 길이가 길어져 효과가 떨어지며, 인접대지 소유자의 동의가 필요함.

3.3.2 제 2안

(1) 내용

- 지하주차장 시트파일 배면에 S.C.W 시공

- 지하주차장 내 지반개량(S.E.C 공법)하여 흙막이 수동토압 증가와 기초 지지력 보강

- 기시공한 STRUT 철거 후 다시 STRUT를 재시공하며 SCREW JACK 대신 OIL JACK으로 시공

- 기존 3단 STRUT를 2단 STRUT로 수정

(2) 검토

- S.C.W 공법은 휨에 대한 강성이 크고 지수효과가 크다.

- 암반층 근입 가능하다.

- 시공 후 해체하지 않기 때문에 2차 지반 침하 우려가 없다

- 무소음, 무진동 공법

- 시공이 확실

- 흙막이 내측 지반개량으로 수동 토압 증대시켜 흙막이 변형 차단할 수 있으며 파일의 기울어짐에 대한 지지력 손실에 대한 보강대책으로 적합.

3.3.3 감리의견 제시

- 제 1안의 경우 공사비는 제 2안보다 저렴하나 향후 문제 발생소지가 많기 때문에 제 2안을 선택함이 타당하다는 의견제시 및 최종 결정토록 유도(향후 문제발생시 공사비가 추가 발생하고, 공기가 연장되어 많은 민원의 소지가 발생하고 기업의 이미지를 실추시킬 수 있다는 점을 강조)

3.3.4 최종안의 선택

- 제 2안으로 확정

사업 승인권자에게 감리 검토의견서 제출/승인 후 작업이행 완료

4. 설계변경

5. 공법소개

5.1 D.C.R 공법

5.1.1 개요

D.C.R(DONG-A CASING ROTARY)공법은 종래의 AUGER 등의 공법에서 불가능하던 시공이 가능한 공법으로, 이 공법은 ALL CASING 공법으로 CASING TUBE를 CASING JACK 본체로 회전하면서 경질 지반을 빠르게 굴삭하고 내부의 토사를 HAMMER GRAB로서 내부를 굴착하는 공법이다.

5.1.2 시공 FLOW CHART

5.1.3 감리 요점

5.1.3.1 자재

(1) 콘크리트 : 레미콘을 사용한다.

- 시멘트는 포틀란트 시멘트를 사용한다.

- 골재는 깨끗해야 하며 둥근 자갈과 모래가 적당하다.

- 산과 다른 불순물질을 함유하지 않은 깨끗한 물이 콘크리트 혼합에 사용되어야 한다.

- 콘크리트에 쓰이는 첨가제가 명시되어야 한다.

(2) 철근

- 철근은 K.S 규정품을 사용한다.

- 철근 가공시 시방서에 따라 소재에 손상을 주지 않도록 한다.

- 철근 케이지 설치시 콘크리트 피복두께가 확보되어야 하며 특히 철근케이지를 세울 때와 이음시 연직도를 좌우 확인해야 한다. 철근 케이지를 운반할 때는 비틀림이나 중앙부의 변형이 없도록 하여야 한다.

5.1.3.2 굴착

(1) 대구경 기초

- 설계도상의 말뚝중심과 굴착중심을 정확히 일치해야 한다.

- 굴착시 정확히 연직을 유지하도록 하며 수준기(트란싯)로 확인하여야 하며 특히, 케이싱 튜브의 연직은 굴착초기5~6m 삽입시 결정되므로 유의해야 한다.

- 굴삭기의 회전속도를 저속으로 하여 케이싱 압입을 실시하며 3m 정도 압입 후 Hammer Grad로 굴착을 실시한다.

- 확인된 굴착 깊이까지 굴착완료 후 굴착된 암편을 판정하여 굴착심도를 확정한다.

- 수직오차 (말뚝상부에서 바닥까지의 수직도) : 0.6%, 수평오차 (말뚝 선단에서 중점과의 수평위치 오차) : 50m/m 미만, 말뚝지름은 설계지름 이상 확보되어야 한다.

(2) 굴착은 다음 순으로 행한다.

- 정확한 시공위치에 본체를 설치한다.

- 부대장비를 시공의 효율성을 높일 수 있는 곳에 배치한다.

- 본체의 평형조절기로 수평을 조절한다.

- 케이싱을 거치한다.

- 케이싱을 회전, 압입하여 최초 3m 압입되면 함마 그라브로 굴착한다.

※ 유의사항

- 함마그라브로서 굴착이 용이하지 않을 때는 치젤로서 암을 파쇄 후 굴착한다.

- 굴착정도는 장비 거치에 좌우되므로 수평을 유지한다.

- 피압 대수층에 있을시 적당한 공내 수위를 유지하여야 한다.

- 토사 굴착은 케이싱 선단보다 깊지 않아야 한다.

(3) 굴착토사로 인한 주변 환경을 해치지 않도록 신속히 조치하여야 한다.

(4) 슬라임 처리

- 굴착을 완료한 후 부유물질 및 굴착으로 발생된 침전물을 완전히 제거 할 수 있는 방법을 제시토록 하며, 시공과정에서 슬라임의 처리가 적정하게 되었는지 확인한다.

(5) 굴착깊이 확인

- 연암의 지지층을 얻을 수 있는 심도까지 굴착하여야 한다.

- 굴착의 수직도를 추로서 확인한다.

- 굴착토의 육안확인 및 지지층에서 직접 확인을 한다.

5.1.3.3 철근케이지의 제작 및 설치

철근케이지는 한 조각으로 제작하거나 여러 조각으로 제작하여 굴착홀 위에서 용접 또는, 다른 적절한 방법으로 연결한다. 철근케이지는 피복을 유지할 수 있는 적당한 스페이스를 사용한다.

(1) 철근의 가공 및 조립

(1.1) 철근 조립의 정확성을 기하기 위해 철근 조립대를 설치하고 전장을 동시에 가공조립 할 수 있어야 한다.

(1.2) 철근의 결속은 결속선 및 용접에 의한다.

- 철근의 연결부위는 6D 이상 용접한다.

- 겹이음식 이음길이는 40D 이상, 0.9m/m 이상의 철선으로 결속한다.

- 바닥 철근은 방사상 형식으로 절곡 제작한다.

- SPACER는 5m 간격으로 설치한다.

- 철근의 최소 피복은 l0cm 이상으로 한다.

(1.3) 철근의 조립은 도면에 따라 정확히 조립하여야 하며 변형을 방지하기 위하여 적절히 보강하여야 한다.

(2) 철근케이지의 근입

- 철근은 조립하기 전에 잘 닦고 들뜬 녹이나 그 밖에 철근과 콘크리트와의 부착을 해칠 위험이 있는 것은 완전히 제거해야 한다.

- 철근은 소정의 위치에 정확하게 배치하고 콘크리트를 칠 때에 움직이지 않도록 견고하게 조립검사를 다시 받아야 한다.

- 철근을 조립한지 오랜 시일이 경과한 경우에는 콘크리트를 치기전에 깨끗이 청소하고 조립검사를 다시 받아야 한다.

(3) 철근의 이음

- 도면에 표시되어 있지 않은 철근의 이음을 할 때에는 이음의 위치와 방법은 건교부 제정 표준시방서 따라 정한다.

- 철근을 겹이음은 소정의 길이로 겹쳐서 직경 0.9m/m 이상의 연한 철선으로 견고하게 동여 매어야 하고 주철근은 U-BOLT로 고정한다.

- 철근의 이음에 용접이음, 기계적 이음, 슬리브 이음 등을 쓸 경우에는 선택의 종류, 직경 및 시공개소에 따라 제일 적절한 시공방법을 선택하여야 한다.

- 굳지 않은 콘크리트 위에 설치하거나 콘크리트를 치는 동안 조정해서는 안된다.

- 주철근은 도면에 표시한 지점에서만 이음 하여야 한다.

5.1.3.4 콘크리트공사

(1) 타설

- CON'C 는 연속적으로 타설되어야 하며 특히 점성이 풍부해야 하고 육상에서 제작한 공시체의 28일 압축강도가 270kg/㎠ 이상 되어야 한다.

- 콘크리트를 트레미관으로 타설하므로 트래미관은 항상 깨끗이 청소하여 콘크리트 치기에 지장이 없도록 한다.

- 케이싱 튜브 선단은 항상 콘크리트 표면보다 2.0m 이상 밑에 들어가 있도록 하며 트래미관은 콘크리트 표면에서는 2.0m 이상의 깊이가 유지되어야 한다.

- 현장타설 말뚝에서는 일반적으로 최상부의 50~100cm 부분을 취약한 부분으로 고려하여 (레이턴스, 블리딩, 불순물의 영향) 설계 높이보다 1m 높게 콘크리트 치기를 해야한다.

- 말뚝머리 깍기는 BACK HOE 뿌레카(02)를 사용해서 깍은 후 철근케이지 내부에 들어가 15cm 정도씩 철근케이지 주위를 원주방향으로 돌아가며 깍아낸다.

- CON'C 할증은 14% (여분량+말뚝머리 포함)

- 레미콘은 현장 도착 후 40분 이내 타설한다.

- CON'C 타설 완료 12시간 후 되묻기를 시행한다.

(2) 콘크리트 품질관리

- 콘크리트 레디믹스트 콘크리트를 사용한다.

- 지연제는 REHOBUILD 716 (지연형 고유동화제)을 1/6㎡ 정도 사용하나 협의 하에 품목선정을 한 후 사용

5.1.3.5 잔토처리

잔토의 처리는 주변 환경을 해치지 않게 신속히 처리한다.

6. 결론

(1) 연약 지반에서의 흙막이 공법 및 파일기초 시공법 검토시 주변의 조건과 시공에 관련된 모든 사항의 자료를 수집하여 충분한 검토가 이루어 져야하며,

(2) 특히, 해성점토로 이루어진 지반은 점토의 유동성으로 인한 수평력 작용을 염두하여 토공사 및 파일공사 시공 시 이를 고려해야 할 것이다.

(3) 또한 초 연약 지반에서 기성콘크리트 파일을 시공할 경우 선 시공한 파일이 후 시공하는 인접파일의 영향(압밀, 진동 등)으로 밀리거나 기울어지는 현상이 일어날 수 있으며 또한 완료 후 상부의 작업하중으로 인하여 변형이 일어날 우려가 많이 있으니 현장 제자리 콘크리트 말뚝의 시공을 고려해 볼 필요가 있다고 생각하며,

(4) 초 연약 지반의 파일기초 설계 및 시공시 관련 구조 전문가(토질, 기초)의 검토가 필수적이라고 생각된다.