2장. 토공(Earth Work)

Ø 토목공사에서 가장 기초가 되는 중요한 작업으로 흙을 이동하는 작업

공사계획면보다 높은 곳은 낮추고, 낮은 곳은 높여 계획면이 맞도록 하는 공사

Ø 토공작업 순서

1. 개요

Ø 토공의 분류

- 공사형태별 : 선토공(도로,철도,제방)/면토공(택지,단지)/집중토공(댐,방조제)

- 장소별 : 육상, 수상, 수중

- 작업방식별 : 인력, 기계

- 부대작업별 : 배수공, 법면보호공

- 시공법별 : 굴착(터파기,절취)/운반(싣기,이동)/포설(부설,정지)/전압(다짐)

* 용어

1) 깍기(절취, 절토, Cutting) : 굴착, 육상토공, 해상의 경우 준설, 표준구배 1:1

2) 터파기(Excvation) : 일정한 형태로 지반을 파내는 것

3) 싣기(적재, Loading)

4) 쌓기(성토, Banking) : 표준구배 1:1.5

5) 다짐(Rolling, Compaction) : 상대밀도

6) 끝 맺음(Finishing) : 절-성토 마무리, 표면 고르기

7) 비탈,사면(Side Slope) : AC, DE, FE

8) 비탈머리(Top of Slope) : C, D

9) 비탈기슭(Toe of Slope) : A, B9) 비탈기슭(Toe of Slope) : A, B

10) 소단(턱,Berm)

11) 사면경사(Slope) : 1할 5푼, 1:1.5 등

12) 토취장(취토장, Borrow Pit)

13) 토사장(사토장, Spoil Bank)

14) 야적장(적치장)

15) 안식각(angle of repose)

16) 여성토(더돋기, Extra Banking)

17) 벌개제근, 표토제거, 되메우기(Refill)

18) 산마루 측구

토공사 준비

① 절,성토의 균형으로 토공량 최소

② 운반거리짧게

③ 암석굴착 적게

④ 연약지,낙석,산사태 가능한 피한다

⑤ 피할수 없을 경우 적절한 대책공법

⑥ 사면안정에 필요한 조치

⑦ 부대구조물이 적고 법면연장이 짧게

Ø 시공기면(Formation Level, Formation Height)

⑧ 용지,지장물 보상비 적게

Ø 계획고, 지반고, 절성토고

① 계획고(FH, Formation Height)

② 지반고(GL, Ground Level)

③ 절토고(CH, Cutting Height)

④ 성토고(BH, Banking Height)

Ø 토량변화(토량 환산계수, f)

토량계산

Ø 평균단면법

Ø각주법 : 넓은 지역 토공에서 여러개의 삼각형- 사각형 분할하여 면적 계산 높이 산출

Ø 등고선법 : 등고선 면적A1 ,A2..의 등고선간 표고차h 를 사용

주상체 공식을 적용

Ø 토량배분에 의해서 계획토량과 운반거리를 알 수 있다.

Ø 도로토공에 있어서 토적곡선을 이용하면 토량배분이 용이.

Ø 토적곡선을 그리려면 토량계산서를 작성.

Ø 토량계산서 : 종.횡단도를 작성.

유토곡선(토적곡선, Mass Curve)

Ø 토량변화율을 고려하여 토량을 계산한다. (일반적으로 본바닥토량을 기준.)

Ø 차인토량 = 절토량 – 성토량(보정된)

Ø 공제토량 : 암거, 횡단구조물 등에 의해 성토 또는 절토량에서 공제되는 토량.

Ø 누가토량 : 차인토량과 공제토량의 누계.

Ø 종단도 및 유토곡선

1) 곡선의 하향구간은 성토

상향구간은 절토

극대점(A) : 절토 → 성토

극소점(C) : 성토 → 절토

2) 기선에 평행한 임의의 직선과

토적곡선이 교차하는

인접 교차점 사이의

절토량과 성토량은 같다.

3) 토적곡선과 기선이 만나는 점(B,D,F)에서의 토공량은 “0” 이다.

4) 산모양이면 토사가 왼쪽 → 오른쪽으로 이동, 골모양이면 오른쪽 → 왼쪽으로 이동

5) 기선과 평행한 평행선에서 곡선의 극대점 또는 극소점까지의 높이는 그 구간에서

절토에서 성토로 운반할 순전토량을 나타낸다.

평균운반거리는 절토의 중심과 성토의 중심간의 거리.

6) 토적곡선이 기선상부에서 끝나면 절토가 남아 → 사토

기선하부에서 끝나면 성토가 부족 → 토취

Ø 규준틀

ü 땅깍기, 흙쌓기 등 토공 작업시 설치하는 형틀

중심선 연장, 인조점 설치, 임시 Bench Mark, 구조물 위치 결정, 터널 중심선 결정,

땅깍기 흙쌓기의 표준설치 등

ü 절토 및 성토 사면의 정확한 마무리를 위해 규준틀을 정확히 설치할 것

2. 토공사 시공

토공준비공

① 공사측량 : 종횡단, 수준측량 : 인조장 및 규준틀 설치

② 보조점 : 중요한 측점을 정확 유지. 이동필요시 인조점 설치

③ 규준틀 : 토공 기준형틀로서 중심선, 임시 BM, 구조물 위치 TNL 중심선,

절토 표준틀절토 표준틀

④ 벌개제근 : 풀 나무뿌리, 표토제거 ->벌채, 유기토 제거

⑤ 준비배수 : 고인물 배수 :(토공), 함수비 저하, 시공기계의 주행성 확보

점성토 붕괴방지

⑥ 공사용 도로 : 토사운반, 자재운반, 장비 운반로

⑦ 토취장, 사토장 : 운반거리 짧고, 토질 이상무, 문화재 조사

절토

① 굴착 : 작업면적을 넓게 중앙에서 양쪽으로

가급적 중력을 이용, 배수 고려

② 비탈구배

사질토 1:1.5 ~ 1:1

점성토 1:0.8 ~ 1.2

리핑암 1:1.0 ~ 0.8

발파암 1:0.8 ~ 0.5

③ 소단 : 절토높이 5~10m 마다설치,

폭 1.0m 이상

④ 배수시설 설치 : 측구

터파기, 되 메우기, 잔토처리

터파기 : 관로및 구조물을 설치하기위해 적당한크기로 지반을 굴착, 절취

되메우기: 터파기전의 지반까지 적합잔 재료로 채우고 다짐하는 작업

1) 구조물 터파기 여유폭 ; 0.2 - 0.5M (흙막이 없는 경우)

0.6 -1.2 M (흙막이 있는 경우)

2) 터파기 구배 ; 토사 1 : 0.3, 암류: 1 : 0.1

3) 방법: 인력 및 기계사용

운반(무대, 도저, 덤프)

1) Trafficability( 토공기계의 주행의 능력) : 입도분포, 함수비 추정

cone index(qϲ)로 판정 / qϲ=5qu=10C

Dozer : 1.5 ~ 2.0(습지) -- 3.0 ~ 4.0(보통도자)

Dump : 10이상

2)평탄성, 운반폭 (덤프약3m)

성토

Ø 고려사항

- 기초 지반과 성토 재료의 특성 및 분포 파악

- 성토위치, 성토량, 함수비 조절 등을 고려하여 최대한 효과적인 작업을 유도

- 적절한 기계를 선정하여 얇고 균일한 포설과 소요의 다짐을 얻도록..

- 지하수 및 표면수에 대한 충분한 대책 강구

- 세립토의 경우 토량 배분 계획과 계절적 영향을 고려

- 붕괴와 같은 재난 대비, 안정계산- 붕괴와 같은 재난 대비, 안정계산

Ø 성토재료 요건

- 압축성이 작을 것(침하량)

- 지지력이 클 것

- 장비의 이동성을 양호하게 확보할 것

- 비탈면 안정에 필요한 전단강도

- 투수성이 낮을 것(작업성 확보)

Ø 성토 시공방법

Ø 성토 구배

Ø Trafficability / Rippability

Ø 片切 / 片盛 에 의한 부등침하 주의

Ø 접속 Slab : 토공과 구조물 접속부의 부등침하 방지

Ø 뒤채움(Back Fill) : 구조물 접속부의 부등침하 방지 목적, 특별한 재료-순서 활용

Ø 밭갈이 : 최적함수비(OMC) 유지를 위한 흙 말리기 작업(그레이더 이용)

Ø 시민사토 : 일반인에 의한 공사현장의 성토(시간 여유가 있을 때), 흙의 종류 다양

3. 연약지반

연약지반?

Ø 연약토로 이루어진 지반

Ø문제점Ø문제점

- 연약지반 상부에 성토할 경우 -> 활동파괴

- 즉시침하, 잔류침하, 부등침하, 토공과 구조물 접속부의 침하 등

Ø 조사기법(Sounding : Rod 선단에 장착한 저항체의 관입, 인발, 회전저항측정)

- 조사시 착안사항 : 토층의 구성, 토층의 성상, 지하수위 측정

- SPT(Standard Penetration Test)

- CPT(Cone Penetration Test) : Dutch cone, Static cone, Dynamic cone

- Vane Shear Test

<SPT>

• Cu와 N값의 관계

- Stroud(1974) for insensitive clay (예민하지 않은 점토)

Cu = KㆍN

K = 상수 = 3.5~6.5 kN / ㎡ (평균값 = 4.4 kN / ㎡ )

- Hara et al. (1971)

Cu(kN /㎡) =

- Mayne and Kemper (1988)

OCR = : 유효수직응력 ( MN/m^2)

• 내부마찰각과 N값의 관계

- Dunham

<CPT>

<Vane Test>- 점토의 현장 비배수 전단강도(Cu ) 측정

Ø 개량 목적

① 강도특성 개량 : 전단강도 개선

② 변형특성 개량 : 압축성 저하, 전단변형 계수 증대

③ 지수성 개선 : 유효응력 변화 방지

④ 동적특성 개선 : 액상화 방지를 위한 과잉간극수압 소산

Ø 개량 공법선정시 유의사항

연약지반 개량

Ø 개량 공법선정시 유의사항

① 구조물특성에 적합한 공법

② 연약지반특성에 적합한 공법

③ 경제적 공법(일시개량 or 영구개량)

④ 개량 목적이 우수한 공법

⑤ 시공의 난이도를 고려한 공법

⑥ 환경문제에 적합한 공법

⑦ 공법의 신뢰성과 종합적인 경제성 고려

Ø 연약지반 개량원리와 용도

Ø 연약지반 처리공법 및 목적

① 치환 공법 : 연약지반을 양질의 토사로

② 여성토 공법(Pre-loading)

- 단계 성토 : 하부지반 안정시킨 후 상부로 진행

- 완사면 성토 : 1:4 ~ 1:6 (압성토와 유사)

③ 모래말뚝 공법(Sand Drain)

점성토지반 개량(N치 4이하)

③ 모래말뚝 공법(Sand Drain)

- 모래말뚝 시공

=> 짧은 배수거리

=> 압밀 촉진

④ Pack Drain : 개량화 Sand Drain

합성섬유 모래주머니

⑤ Paper Drain(PVC Drain)

- 시공속도 빠르고, 배수 양호

- 배수단면이 일정

- 장기 사용시 열화현상에 의한 배수효과 감소- 장기 사용시 열화현상에 의한 배수효과 감소

- 특수 타입기 필요, 타입시 교란이 없음

⑥ Electro Osmosis(전기침투/삼투)공법 : “+” 에서 “–”로 흐르는 간극수를

“–”극에서 모아 배수

⑦ MAIS(침투압 공법) : 삼투막으로 구성된 중공 원통 내부에 높은 농도의 용액 채움

3m 미만의 얇은 점토층 개량에 이용

⑧ Chemical Pile(생석회 말뚝)공법 : 생석회(CaO)는 수분 흡수시 체적이 2배로 팽창

CaO + H2O -> Ca(OH)2 (발열, 고화되면서 소석회로 변화)

⑧ 압성토 공법 : 성토층의 시공중 활동 방지

- 토지 확보가 용이한 곳에서 사용

- 압성토 부분을 측도(부채도로)로 활용

⑨ PP Mat 부설공법 :

- 연약층 -> Mat -> 모래 로 배수

⑩ Expendable Poly Styrene(경량재 성토)공법

- 경량재 사용으로 토압, 수압 감소

- 고가로 구조물(교대) 뒤채움재로 한정

- 단위중량 0.01~0.03 t/m^3

- 압축, 차수, 시공성 우수

- 침수될 경우 부력에 의한 유실 우려

① 다짐말뚝 공법 : 나무, RC, PC 말뚝

- 다짐에 의한 간극비 감소

- 전단강도 증가

② SCP(다짐모래말뚝)공법

- 충격, 진동에 의해 모래를 압입

- 사질, 점성, 유기토 모두 사용가능

사질토지반 개량(N치 10이하)

- 사질, 점성, 유기토 모두 사용가능

- N 10 이상 사용 주의(진동, 충격)

③ Dynamic Compaction(동다짐)

- 중량추의 낙하 에너지 이용

- 동압밀 or 동치환 공법

- 공기 단축, 혼합 지층에 사용 가능

- 진동, 먼지 등 환경문제

④ Vibro Flotation : 진동기를 이용하여 사수(모래주입)과 진동 발생

- 공기 짧고, 공비 저렴

- 지하수위 영향 없음, 심도 10m 미만에 사용, 내진효과

⑤ 폭파다짐 공법

- 폭약을 이용한 인공지진으로 대규모 다짐 효과 발생

- 근접시공 불가, 인명피해 주의

- 표층(1m 부근) 다짐 불가 => 별도 다짐(Vibro Tamper)필요

⑥ Grouting(약액주입)공법

- 지반 내부에 응결제 주입 고결(시멘트, 점토, 벤토나이트, 아스팔트, 폴리우레탄)

- 댐, 제방, 지하철, 터널 등의 누수방지에 탁월- 댐, 제방, 지하철, 터널 등의 누수방지에 탁월

- 설비가 간단하여 협소한 장소 시공

- 진동, 소음이 적어 주야간 상시 작업 가능

- 효과 분석이 어려움

⑦ 전기 충격법

- 지층을 포화시킨 후 고압 전류 방전에 의한 충격 이용

- 사질토 효과 양호, 세립토 사용 불가

① Well Point 공법 : 다수의 흡수관을 지중에 설치

- 실트질 모래지반에 적용(점토 불가)

- 사질토에서는 Boiling에 유의

- 간격 2m, 배수 심도는 6m가 표준

② Deep Well공법

- 대형 우물(지름 1m)에 의한 중력 배수

③ 대기압 공법(진공압밀)

일시적 지반개량

- 점토층의 강제 탈수, 압밀

- Sand Mat를 지표에 포설한 후, 차단막 설치하여 진공펌프로 배수

- 간극수압 감소 유효응력 증가 유도

④ 동결공법 : 액체질소 등의 냉각제를 이용한 토사층의 동결

⑤ 약액주입공법

4. 지반굴착과 개량

1) 지반굴착

① Open Cut(개착)

- 직접 굴착 or 흙막이 공법 병용

② Island 공법 : Raker를 이용 (중앙부 -> 주변부로 굴착)

③ Trench Cut 공법 : (주변부 -> 중앙부로 굴착)

④ Top Down(역타)공법 : 구조물의 기초를 지보로 이용

⑤ Front Jacking공법 :

- 구조물 제작(Pre Cast)후 유압 잭을 이용하여 필요 위치로 견인

1. 가시설 2. 제작 및 조립

3. 구조물 추진 추진완료

⑤ Pipe Roof 공법 :

- 강관 압입 => 하부 굴착 => 지보공 설치

2) 토류벽(Earth Retaining Wall, 흙 막이벽)

- 강성벽체 : (Rigid Wall) 옹벽, 석축, Slurry Wall, CIP 등/변형 억제형

- 연성벽체 : (Flexible Wall) 토류판, Sheet Pile/변위, 토압 고려(탄소성해석)

① 엄지말뚝 + 토류판 : H-Beam + 토류판- 뒤채움, 엄지말뚝의 좌굴에 유의

② Sheet Pile(강널말뚝)- 차수와 흙막이 동시 효과/소음 진동과 차수에 유의

③ 지하연속벽(Diaphragm Wall, Slurry Wall)- 지중에 벽체 건설, 벽체 붕괴 방지를 위해 안정액(slurry) 사용

④ Ground Anchor(Earth Anchor)

⑤ 버팀대(Strut)

⑥ 복공판(Pannel Board)

⑦ Soil Nailing

⑦ Soil Nailing

3) 지반개량

① SCW(Soil Cement Wall)

- 지중의 토사를 골재로 간주함

- 경화재(Paste)를 주입하여 교반, 혼합

- 소음, 진동 적음

- Slime 발생 적음

- 토류판 및 별도의 차수 필요 없음

- 강성이 커서 안정성 높음, 침하 작음

- 연약지반, 근접시공 등에 유리함

② JSP(Jumbo Special Pile)

③ SGR(Space Grouting Rocket)

- ø40.5mm의 이중관 주입 로드로 천공한 후

급결 주입재와 완결 주입재를 복합 주입

하여 지반 내 공극을 충진하는 공법으로

양호한 차수효과

- 급결 주입재는 지반내 대공극을 충진하고,

완결주입재의 유실 방지

- 특수한 선단장치(Rocket)에 의해 주입관

선단에 공간을 만들고 이 공간을 통해 저압

으로 이중관 복합주입을 하며, 차수벽,

연약지반개량, 기초보강 등에 적용연약지반개량, 기초보강 등에 적용

- 3조식 교반기를 이용하여 급결성(shot gel

time 6-12sec), Medium Gel Time(50-

90sec) 및 완결성(Long Gel Time 60sec-

15mim) 복합주입 가능

- 유도공간을 만든 후 그라우트를 복합 주입함

으로써 지반융기 방지

차수효과 : 보통, 주재료 : 규산소다, 시멘트,

촉진제

④ LW(Labile Wasser Glass)

- 지반을 천공한 후 멘젯튜브를 삽입하여 Double Packer(1.5 Shot) 방식으로 주입

- 물유리와 시멘트가 혼합된 주입재를 주입하는 최초의 약액주입공법

⑤ CIP(Cast Inplace Pile)

⑥ SIP(Soil Cemented Injected Pile)

- 오거로 소요말뚝보다 직경을 10cm정도 크게 하여 천공하고, 굴진시 오거빗트를

통해 Cement Paste와 Bentonite혼합 용액을 주입하여 공벽을 보호하면서 굴진

- 지지층에서 두 배합액이 원지반토와 충분히 교반되어 확장된 선단지지층 형성

- 교반작업 완료 후 기성 말뚝을 자중에 의해 공 내부에 압입한 후 선단부를 햄머로

1.0~1.5m 정도 타입시켜 선단부가 이완되지 않고 조밀해지도록 함.

- 선단 지지력 증대와 말뚝 주변의 마찰력에 의해 타입말뚝(Driven Pile)보다 큰

지지력을 발휘

- 말뚝 선단이 개구식(Open Shoe)인 경우, 말뚝내부에도 Soil-Cement가 충전되어

말뚝의 유효단면적이 확대되므로 말뚝자체의 강성도 커지는 효과

- 말뚝에 가해지는 충격응력이 작아 품질 관리면에서 우수

- 소음 및 진동이 작아 도심지에서 작업 가능

- 지지층까지의 관입이 확실하여 하자발생의 요인이 거의 없다

⑦ RCD(Reverse Circulation Drill)

- 로터리 비트 회전에 의한 굴착

- 순환수를 이용하여 공벽 내부 수압을

0.2kgf/cm2으로 유지하여 공벽 붕괴 방지

- 대구경 비트 이용 가능(3~4m)

- 대심도 굴착 가능- 대심도 굴착 가능

- 대부분 케이싱 없이 굴착 가능

- 이수(泥水) 환류 설비 필요

- 안정액(벤토나이트) 사용시 케이싱 사용

억제 가능

⑧ MJM(Mortar Jet Method)

⑧ SCM(Special Chemical Grouting Method)

공법비교

5. 비탈면보호(사면안정)

1) 개요

- 사면 : 수평면과 임의 각도로 노출된 지표면

- 인공사면 : 도로, 철도, 부지조성 등을 위한 건설목적에 따른 노천굴착으로 형성

가. 파괴의 종류

(1) 사면내 파괴 : 얕은 표층의 붕괴

(2) 사면선단 파괴 : 원호, 대수나선 형태의 활동

(3) 저면파괴 : 깊고 광범위한 Land Sliding(3) 저면파괴 : 깊고 광범위한 Land Sliding

나. 파괴원인

(1) 저항력 감소 : 수압증가, 다짐 불충분(성토사면), 동토나 빙결 Lens의 융해

수축, 팽창 또는 인장으로 인하여 발생하는 미세한 균열발생

느슨한 토립자의 진동

(2) 작용력의 증가 : 함수비의 증가에 따른 흙의 단위중량 증가

지진, 발파 등에 의한 진동, 균열내에 작용하는 수압

N

Z

B

W

t

c, f, g

q

N

Z

B

W

t

c, f, g

q

다. 한계평형해석(Limit Equilibrium Method)

라. 사면안전공법의 종류

사면경사조정

활동이나 붕괴가 예상되는 취약부를 제거하여 붕괴위험을 없애거나 활동력 감소

사면의 예상활동규모, 활동면의 분포 및 안전율 등을 고려하여 사면 경사 조정

장점 : 시공이 간편하고 공사비 저가

단점 : 자연훼손이 심하며, 용지보상비 과다

(a) 사면경사 전면조정 (b) 사면경사 부분조정

2) 사면보호공법

① 피복공① 피복공

옹벽공(Retaining Wall)- 옹벽의 안전 조건

① 활동(Sliding)에 대한 안정

② 전도(Overturning)에 대한 안정

③ 지지력(Bearing Capacity)에 대한 안정

중력식 옹벽

Cantilever식 옹벽

부벽식 옹벽

Gabion 옹벽

보강토 옹벽