역T형 옹벽에 작용하는 수평토압을 위한 모형실험 및 비선형 탄소성해석 Model experiments and nonlinear elastic-plastic analyses for lateral earth pressure on cantilever retaining wall원문보기
용지를 확보하는 과정에서 발생되는 절·성토시에 흙막이 구조물이 필요하게 되며, 이 구조물 중에서 경제성이 있는 역 T형 옹벽이 많이 사용되고 있다. 이러한 역 T형 옹벽에 작용하는 토압은 뒤채움 진행에 따른 옹벽의 상대변위, 기초지반과 뒤채움 흙의 토질정수, 시공과정, 다짐정도, 흙과 벽체사이의 마찰 및 벽체의 형상 등의 복잡한 영향인자에 따라 좌우 될 것이다. 그러나 역 T형 옹벽을 위한 토압이론들은 Rankine 및 Coulomb의 토압이론식을 적용하고 있는데, 이러한 토압이론은 극한평형이론에 근거하고 있으므로 시공과정을 고려하지 못하여 실제의 토압분포와는 상이할 것이다. 실험적인 연구들이 수많이 수행되었지만 수평토압에 미치는 각종 영향인자의 변화에 대해 충분히 고려되지 못하였다. 그리고 수치해석적인 연구들이 시공과정과 각종 영향인자를 고려하여 수행되었으나, 흙의 ...
용지를 확보하는 과정에서 발생되는 절·성토시에 흙막이 구조물이 필요하게 되며, 이 구조물 중에서 경제성이 있는 역 T형 옹벽이 많이 사용되고 있다. 이러한 역 T형 옹벽에 작용하는 토압은 뒤채움 진행에 따른 옹벽의 상대변위, 기초지반과 뒤채움 흙의 토질정수, 시공과정, 다짐정도, 흙과 벽체사이의 마찰 및 벽체의 형상 등의 복잡한 영향인자에 따라 좌우 될 것이다. 그러나 역 T형 옹벽을 위한 토압이론들은 Rankine 및 Coulomb의 토압이론식을 적용하고 있는데, 이러한 토압이론은 극한평형이론에 근거하고 있으므로 시공과정을 고려하지 못하여 실제의 토압분포와는 상이할 것이다. 실험적인 연구들이 수많이 수행되었지만 수평토압에 미치는 각종 영향인자의 변화에 대해 충분히 고려되지 못하였다. 그리고 수치해석적인 연구들이 시공과정과 각종 영향인자를 고려하여 수행되었으나, 흙의 응력경로 의존성 및 비선형성을 정교하게 고려하지 못하였으며, 실험적인 연구자료와도 직접 비교되지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 역 T형 옹벽에 작용하는 수평토압을 산출하기 위하여 뒤채움의 기하학적인 조건, 뒤채움 과정, 벽체 및 고정사면의 특성, 기초지반의 강성도 및 α □ ψ조건 등을 고려하여 체계적으로 실내모형실험이 실시되었다. 그리고 수치해석의 적용성을 관찰하기 위하여 흙 모형을 실제 거동과 유사한 비선형 탄소성모형을 채택하였으며, 단순한 응력경로 의존적인 시험에 의해 토질상수를 산정 및 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 이와 같이 실내모형실험 및 수치해석결과를 기존 이론토압과 함께 비교 및 분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1. 실내 모형 실험 본 실내모형실험을 위하여 2차원 토조, 모형옹벽, 2방향 토압계, 강사장치, 뒤채움 흙 및 측정장치 등이 세밀하게 제작 또는 준비되었다. 그리고 각종 조건을 고려할 수 있는 다양한 종류의 실험이 수행되어서 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 뒤채움 과정에 따라 역 T형 옹벽의 변위형태는 저판의 연직침하, 수평이동, 연직벽체의 회전 및 휨이 복합적으로 발생하였다. 연직벽체에서 동원되는 벽면마찰각은 미소한 상대변위하에서 최대값에 도달한 후에 일정하게 유지되었으며, 저판부근을 제외하고는 직접전단시험값보다 크게 발생하였다. 또한 저판 상부에 작용하는 연직압력은 아칭현상으로 뒤채움 흙의 자중보다 작았다. (2) 뒤채움 과정에 따른 수평토압의 변화추이가 뒤채움 초기에 흙기초지반인 경우에 정지토압보다 큰 수평토압이 발생하였고, 강성기초지반인 경우에는 정지토압과 비슷하게 발생하였다. 뒤채움 높이가 증가할수록 옹벽이 전방으로 기울어지면서 상부구간에서 주동상태를 나타내지만, 아래쪽으로 갈수록 이러한 영향이 감소하였다. (3) 각종 영향인자에 따라 수평토압이 영향인자에 무관하게 옹벽의 상단에서 중앙부까지의 구간에서는 Rankine의 주동토압과 비슷하지만, 그 아래에서는 깊이에 따라 증가하고, 영향인자에 의존적으로 변하였다. 2. 비선형 탄소성해석 기존의 수치해석적 연구들에서 사용되지 않았던 비선형 탄소성모형으로 Hard soil model을 사용하여 각종 실험조건에 대하여 해석이 수행되었으며, 여기서 다음과 같은 결론이 도출되었다. (1) 단순한 응력경로를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 수평토압은 비슷하였으나, 변위는 다소 차이를 나타내었다. 뒤채움을 고려한 경우와 극한평형조건으로 시공과정을 무시한 경우의 해석결과를 비교하면, 수평토압 및 변위가 정성적 및 정량적으로 아주 상이하였다. 그리고 뒤채움 과정을 고려한 경우의 수평토압과 변위형태는 실험결과와 정성적으로 비슷하였다. (2) 지반반력은 일반적인 설계법과 상이하게 직선적인 분포로 발생하지 않았다. 제하/재재하 포아송비(υ_(ur))가 클수록 수평토압 및 수평변위는 크게 또한 연직침하는 작게 산출되었다. (3) 해석시의 흙 모형이 실변형상태에서 변형계수를 과대평가하게 되고, 응력경로 의존적인 변형특성을 충분히 나타내지 못하며, 시험과정에서 실제의 응력상태를 충분히 재현하지 못한 점 등의 원인으로 인하여 해석결과가 실험결과보다 옹벽의 변위를 작게, 수평토압을 크게 산출하였다. 또한 영향인자에 따라 옹벽의 변위 및 수평토압은 두 경우가 정성적으로 비슷하였으나, 정량적으로는 상기의 원인으로 차이를 나타내었다. (4) 실험 및 해석결과에 의한 수평토압은 이론토압보다 크게 얻어졌으며, 작용점의 위치는 Bc=0.0㎝를 제외하면 D/3보다 항상 작게 얻어졌다. 3. 설계토압의 제안 역 T형 옹벽에 대하여 각종 조건으로부터 얻어진 실내모형실험결과를 종합적으로 정리하여 설계토압을 새로이 제안하였다: 상부에서 0.5D까지는 Rankine의 주동토압(K_(a))에 일치하고, 그 하부는 깊이에 따라 증가하여 최하단부에서 (K_(a)+3k_(o))/4로 분포하는 토압이다.
용지를 확보하는 과정에서 발생되는 절·성토시에 흙막이 구조물이 필요하게 되며, 이 구조물 중에서 경제성이 있는 역 T형 옹벽이 많이 사용되고 있다. 이러한 역 T형 옹벽에 작용하는 토압은 뒤채움 진행에 따른 옹벽의 상대변위, 기초지반과 뒤채움 흙의 토질정수, 시공과정, 다짐정도, 흙과 벽체사이의 마찰 및 벽체의 형상 등의 복잡한 영향인자에 따라 좌우 될 것이다. 그러나 역 T형 옹벽을 위한 토압이론들은 Rankine 및 Coulomb의 토압이론식을 적용하고 있는데, 이러한 토압이론은 극한평형이론에 근거하고 있으므로 시공과정을 고려하지 못하여 실제의 토압분포와는 상이할 것이다. 실험적인 연구들이 수많이 수행되었지만 수평토압에 미치는 각종 영향인자의 변화에 대해 충분히 고려되지 못하였다. 그리고 수치해석적인 연구들이 시공과정과 각종 영향인자를 고려하여 수행되었으나, 흙의 응력경로 의존성 및 비선형성을 정교하게 고려하지 못하였으며, 실험적인 연구자료와도 직접 비교되지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 역 T형 옹벽에 작용하는 수평토압을 산출하기 위하여 뒤채움의 기하학적인 조건, 뒤채움 과정, 벽체 및 고정사면의 특성, 기초지반의 강성도 및 α □ ψ조건 등을 고려하여 체계적으로 실내모형실험이 실시되었다. 그리고 수치해석의 적용성을 관찰하기 위하여 흙 모형을 실제 거동과 유사한 비선형 탄소성모형을 채택하였으며, 단순한 응력경로 의존적인 시험에 의해 토질상수를 산정 및 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 이와 같이 실내모형실험 및 수치해석결과를 기존 이론토압과 함께 비교 및 분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1. 실내 모형 실험 본 실내모형실험을 위하여 2차원 토조, 모형옹벽, 2방향 토압계, 강사장치, 뒤채움 흙 및 측정장치 등이 세밀하게 제작 또는 준비되었다. 그리고 각종 조건을 고려할 수 있는 다양한 종류의 실험이 수행되어서 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 뒤채움 과정에 따라 역 T형 옹벽의 변위형태는 저판의 연직침하, 수평이동, 연직벽체의 회전 및 휨이 복합적으로 발생하였다. 연직벽체에서 동원되는 벽면마찰각은 미소한 상대변위하에서 최대값에 도달한 후에 일정하게 유지되었으며, 저판부근을 제외하고는 직접전단시험값보다 크게 발생하였다. 또한 저판 상부에 작용하는 연직압력은 아칭현상으로 뒤채움 흙의 자중보다 작았다. (2) 뒤채움 과정에 따른 수평토압의 변화추이가 뒤채움 초기에 흙기초지반인 경우에 정지토압보다 큰 수평토압이 발생하였고, 강성기초지반인 경우에는 정지토압과 비슷하게 발생하였다. 뒤채움 높이가 증가할수록 옹벽이 전방으로 기울어지면서 상부구간에서 주동상태를 나타내지만, 아래쪽으로 갈수록 이러한 영향이 감소하였다. (3) 각종 영향인자에 따라 수평토압이 영향인자에 무관하게 옹벽의 상단에서 중앙부까지의 구간에서는 Rankine의 주동토압과 비슷하지만, 그 아래에서는 깊이에 따라 증가하고, 영향인자에 의존적으로 변하였다. 2. 비선형 탄소성해석 기존의 수치해석적 연구들에서 사용되지 않았던 비선형 탄소성모형으로 Hard soil model을 사용하여 각종 실험조건에 대하여 해석이 수행되었으며, 여기서 다음과 같은 결론이 도출되었다. (1) 단순한 응력경로를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 수평토압은 비슷하였으나, 변위는 다소 차이를 나타내었다. 뒤채움을 고려한 경우와 극한평형조건으로 시공과정을 무시한 경우의 해석결과를 비교하면, 수평토압 및 변위가 정성적 및 정량적으로 아주 상이하였다. 그리고 뒤채움 과정을 고려한 경우의 수평토압과 변위형태는 실험결과와 정성적으로 비슷하였다. (2) 지반반력은 일반적인 설계법과 상이하게 직선적인 분포로 발생하지 않았다. 제하/재재하 포아송비(υ_(ur))가 클수록 수평토압 및 수평변위는 크게 또한 연직침하는 작게 산출되었다. (3) 해석시의 흙 모형이 실변형상태에서 변형계수를 과대평가하게 되고, 응력경로 의존적인 변형특성을 충분히 나타내지 못하며, 시험과정에서 실제의 응력상태를 충분히 재현하지 못한 점 등의 원인으로 인하여 해석결과가 실험결과보다 옹벽의 변위를 작게, 수평토압을 크게 산출하였다. 또한 영향인자에 따라 옹벽의 변위 및 수평토압은 두 경우가 정성적으로 비슷하였으나, 정량적으로는 상기의 원인으로 차이를 나타내었다. (4) 실험 및 해석결과에 의한 수평토압은 이론토압보다 크게 얻어졌으며, 작용점의 위치는 Bc=0.0㎝를 제외하면 D/3보다 항상 작게 얻어졌다. 3. 설계토압의 제안 역 T형 옹벽에 대하여 각종 조건으로부터 얻어진 실내모형실험결과를 종합적으로 정리하여 설계토압을 새로이 제안하였다: 상부에서 0.5D까지는 Rankine의 주동토압(K_(a))에 일치하고, 그 하부는 깊이에 따라 증가하여 최하단부에서 (K_(a)+3k_(o))/4로 분포하는 토압이다.
To secure a land by cutting of filling the ground, a soil retaining structure is required. The cantilever retaining wall is the most frequently used one due to its economical benefit Earth pressure acting on a cantilever retaining wall depends on some influence factors such as the relative displacem...
To secure a land by cutting of filling the ground, a soil retaining structure is required. The cantilever retaining wall is the most frequently used one due to its economical benefit Earth pressure acting on a cantilever retaining wall depends on some influence factors such as the relative displacement of the wall during the backfill, soil parameters of foundation and backfill soil, construction sequence, degree of compaction, friction between soil and the wall, and the geometry of the wall. Most of the available theories for earth pressure on the cantilever retaining wall have applied Rankine of Coulomb's theories based on the limit equilibrium theory without considering the construction sequence. Therefore, the distribution of earth pressure by those theories may be different from the actual one. A lot of experimental and analytical studies have been carried out so far. However, no experimental study has sufficiently considered the factors influencing on the lateral earth pressure. Even though some analytical studies have considered the construction sequence and various influence factors, they have not applied the stress path dependency of the soil material accurately. Also, no attempt has been made to compare analytical results with experimental data directly. In this study, to evaluate the lateral earth pressure acting on a cantilever retaining wall, systematic laboratory model experiments have been carried out with the variation of th geometry of the retaining wall, backfill process, structural characteristics of the wall and fixed slope, condition of the foundation, and α ø condition. In addition to the experiments, numerical analyses were also performed using the finite element method. For the numerical analyses, a nonlinear elastic-plastic model was applied because of its reasonable prediction of he actual soil behavior. Soil parameters required for the finite element analyses were obtained from simple tests of the stress path dependency. From the comparison of results obtained from the laboratory model experiments with the analytical results, we could come up to the following conclusions. 1. Laboratory model experiments A two-dimensional soil box, a model retaining wall, two-directional load cell, a raining system, backfill soil, and the measuring equipment are prepared and manufactured for the experiment. Various experiments have been executed to consider every possible condition and resulted in the following conclusions (1) During the backfill, the cantilever retaining wall deformed in a very complex manner with the combination of the vertical settlement, horizontal movement, rotation of the wall, and the bending of the wall. The coefficient of the wall friction maintained constant after reaching its peak value under relatively small displacement. The obtained coefficient of the wall friction except the surrounding area of the base slab was larger than the values from direct shear tests. Also, the vertical pressure on the base slab was less than the self-weight of the backfill soil due to the arching effect. (2) The developed lateral earth pressure during the backfill was larger than the lateral earth pressure at rest in the case of soil foundation, but was almost identical to the earth pressure at rest in the case of rigid foundation. As the backfill filled up, the wall inclined forward and the upper part of the soil was in the active condition. However, this condition faded away for deeper soil. (3) The lateral earth pressure was close to Rankine's active pressure from the top to the middle height of the wall regardless of influence factors. However, below the middle of the wall the earth pressure varied depending on the influence factors 2. Nonlinear elastic-plastic analysis The hard soil model was applied as a nonlinear elastic-plastic model in this study, even though the model has not been widely applied in numerical studies. Various experimental conditions were considered in the analysis and the following conclusions are summarized (1) Difference between the lateral earth pressure by considering a simple stress path dependency and that by neglection it was negligible. However, displacement patterns of the case considering the backfill sequence and that neglecting it under limit equilibrium theory revealed that both lateral earth pressure and displacements were very different each other quantitatively and qualitatively. The computed lateral earth pressure and displacements by considering the construction sequence were close to the experimental results qualitatively (2) Reaction at the base of the slab was not linear as the conventional design concept The larger unloading/loading Poisson's ratio was, the larger lateral earth pressure and the horizontal displacement and also the smaller vertical settlement were computed (3) Because the soil model used in the analyses overestimated deformation parameter in condition of actual deformation and couldn't represent the stress path dependency completely, the analytical results didn't match with the experimental data satisfactorily Analytical displacement of the wall was smaller than the experimentally obtained displacement. Also, analytical lateral earth pressure was larger than that from the experiment However, analytical displacement and lateral earth pressure behaved in the similar pattern with those from the experiments regardless of the influence factors (4) Both the lateral earth pressures evaluated from the experiment and analyses were larger than theoretical earth pressure. The height of application point was always lower than D/3 except for the case of B_(c)=0.0cm 3. Proposal of design earth pressure A new design earth pressure for the cantilever retaining wall is proposed from the results of the laboratory model experiment s under various conditions. From the top to 0.5D, the lateral earth pressure is identical to Rankine's active pressure(K_(a)). Below 0.5D, the lateral earth pressure linearly increases and finally arrives at the value of (K_(a)＋3K_(o))/4 at the lowest bottom.
To secure a land by cutting of filling the ground, a soil retaining structure is required. The cantilever retaining wall is the most frequently used one due to its economical benefit Earth pressure acting on a cantilever retaining wall depends on some influence factors such as the relative displacement of the wall during the backfill, soil parameters of foundation and backfill soil, construction sequence, degree of compaction, friction between soil and the wall, and the geometry of the wall. Most of the available theories for earth pressure on the cantilever retaining wall have applied Rankine of Coulomb's theories based on the limit equilibrium theory without considering the construction sequence. Therefore, the distribution of earth pressure by those theories may be different from the actual one. A lot of experimental and analytical studies have been carried out so far. However, no experimental study has sufficiently considered the factors influencing on the lateral earth pressure. Even though some analytical studies have considered the construction sequence and various influence factors, they have not applied the stress path dependency of the soil material accurately. Also, no attempt has been made to compare analytical results with experimental data directly. In this study, to evaluate the lateral earth pressure acting on a cantilever retaining wall, systematic laboratory model experiments have been carried out with the variation of th geometry of the retaining wall, backfill process, structural characteristics of the wall and fixed slope, condition of the foundation, and α ø condition. In addition to the experiments, numerical analyses were also performed using the finite element method. For the numerical analyses, a nonlinear elastic-plastic model was applied because of its reasonable prediction of he actual soil behavior. Soil parameters required for the finite element analyses were obtained from simple tests of the stress path dependency. From the comparison of results obtained from the laboratory model experiments with the analytical results, we could come up to the following conclusions. 1. Laboratory model experiments A two-dimensional soil box, a model retaining wall, two-directional load cell, a raining system, backfill soil, and the measuring equipment are prepared and manufactured for the experiment. Various experiments have been executed to consider every possible condition and resulted in the following conclusions (1) During the backfill, the cantilever retaining wall deformed in a very complex manner with the combination of the vertical settlement, horizontal movement, rotation of the wall, and the bending of the wall. The coefficient of the wall friction maintained constant after reaching its peak value under relatively small displacement. The obtained coefficient of the wall friction except the surrounding area of the base slab was larger than the values from direct shear tests. Also, the vertical pressure on the base slab was less than the self-weight of the backfill soil due to the arching effect. (2) The developed lateral earth pressure during the backfill was larger than the lateral earth pressure at rest in the case of soil foundation, but was almost identical to the earth pressure at rest in the case of rigid foundation. As the backfill filled up, the wall inclined forward and the upper part of the soil was in the active condition. However, this condition faded away for deeper soil. (3) The lateral earth pressure was close to Rankine's active pressure from the top to the middle height of the wall regardless of influence factors. However, below the middle of the wall the earth pressure varied depending on the influence factors 2. Nonlinear elastic-plastic analysis The hard soil model was applied as a nonlinear elastic-plastic model in this study, even though the model has not been widely applied in numerical studies. Various experimental conditions were considered in the analysis and the following conclusions are summarized (1) Difference between the lateral earth pressure by considering a simple stress path dependency and that by neglection it was negligible. However, displacement patterns of the case considering the backfill sequence and that neglecting it under limit equilibrium theory revealed that both lateral earth pressure and displacements were very different each other quantitatively and qualitatively. The computed lateral earth pressure and displacements by considering the construction sequence were close to the experimental results qualitatively (2) Reaction at the base of the slab was not linear as the conventional design concept The larger unloading/loading Poisson's ratio was, the larger lateral earth pressure and the horizontal displacement and also the smaller vertical settlement were computed (3) Because the soil model used in the analyses overestimated deformation parameter in condition of actual deformation and couldn't represent the stress path dependency completely, the analytical results didn't match with the experimental data satisfactorily Analytical displacement of the wall was smaller than the experimentally obtained displacement. Also, analytical lateral earth pressure was larger than that from the experiment However, analytical displacement and lateral earth pressure behaved in the similar pattern with those from the experiments regardless of the influence factors (4) Both the lateral earth pressures evaluated from the experiment and analyses were larger than theoretical earth pressure. The height of application point was always lower than D/3 except for the case of B_(c)=0.0cm 3. Proposal of design earth pressure A new design earth pressure for the cantilever retaining wall is proposed from the results of the laboratory model experiment s under various conditions. From the top to 0.5D, the lateral earth pressure is identical to Rankine's active pressure(K_(a)). Below 0.5D, the lateral earth pressure linearly increases and finally arrives at the value of (K_(a)＋3K_(o))/4 at the lowest bottom.
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