최근 콘크리트 블록을 전면판으로 주로 사용하고 있는 기존의 블록식 보강토 옹벽과는 달리 경량의 강재를 지주로 이용하여 전면판의 자중을 감소시켜 안정성을 높이고 시공이 쉬운 보강토 공법이 개발되었다. 이 연구에서는 새로 개발된 보강토 옹벽의 안정성을 확인하기 위해 실제 크기의 현장시험을 수행하여 전면판에 발생하는 수평변위, 수평토압, 그리고 옹벽의 침하량 등을 계측기를 이용하여 측정하였다. 또한, 3차원수치해석을 수행하여 현장시험결과와 수치해석결과를 비교 분석하였다. 현장계측결과 전면판 최대수평변위는 46mm(0.009H), 최대침하량은 21.5mm로 나타나 FHWA 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 현장계측결과를 수치해석결과와 비교 분석한 결과 새로운 보강토 공법은 충분한 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
최근 콘크리트 블록을 전면판으로 주로 사용하고 있는 기존의 블록식 보강토 옹벽과는 달리 경량의 강재를 지주로 이용하여 전면판의 자중을 감소시켜 안정성을 높이고 시공이 쉬운 보강토 공법이 개발되었다. 이 연구에서는 새로 개발된 보강토 옹벽의 안정성을 확인하기 위해 실제 크기의 현장시험을 수행하여 전면판에 발생하는 수평변위, 수평토압, 그리고 옹벽의 침하량 등을 계측기를 이용하여 측정하였다. 또한, 3차원 수치해석을 수행하여 현장시험결과와 수치해석결과를 비교 분석하였다. 현장계측결과 전면판 최대수평변위는 46mm(0.009H), 최대침하량은 21.5mm로 나타나 FHWA 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 현장계측결과를 수치해석결과와 비교 분석한 결과 새로운 보강토 공법은 충분한 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
Recently, a new reinforced retaining wall with light steel support face has been developed. In this study, full size in-situ test is carried out to investigate the stability of the new reinforced retaining wall. The lateral displacement of wall, lateral earth pressure, and settlement of the reinforc...
Recently, a new reinforced retaining wall with light steel support face has been developed. In this study, full size in-situ test is carried out to investigate the stability of the new reinforced retaining wall. The lateral displacement of wall, lateral earth pressure, and settlement of the reinforced retaining wall are measured in the full size test. And numerical analysis by 3-D finite element method is also carried out to compare the test results with those of the analysis. From the full size in-situ test, the maximum lateral displacement of wall is 46mm(0.009H) and the maximum settlement is 21.5mm. And comparing these values with those of numerical analysis, it is confirmed that the new reinforced retaining wall with light steel support face is stable and applicable.
Recently, a new reinforced retaining wall with light steel support face has been developed. In this study, full size in-situ test is carried out to investigate the stability of the new reinforced retaining wall. The lateral displacement of wall, lateral earth pressure, and settlement of the reinforced retaining wall are measured in the full size test. And numerical analysis by 3-D finite element method is also carried out to compare the test results with those of the analysis. From the full size in-situ test, the maximum lateral displacement of wall is 46mm(0.009H) and the maximum settlement is 21.5mm. And comparing these values with those of numerical analysis, it is confirmed that the new reinforced retaining wall with light steel support face is stable and applicable.
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제안 방법
강재지주 보강토 옹벽의 거동특성을 파악하기 위해 MIDAS /GTS 3D를 이용하여 수치해석을 실시하였다. 표 4는 수치해석에 사용된 물성치를 정리한 것이다.
강재지주 보강토 옹벽의 거통특성을 파악하고 안정성을 검토하기 위해 수원에 위치한 00대학교 내 다짐공정을 실시하지 않은 성토사면에서 실제 크기의 현장시험을 실시하였다. 그림 3은 현장시험이 실시된 부지의 모습과 강재지주 보강토 옹벽 시공완료 후 모습을 나타낸 그림이다.
마찰쐐기법은 토목섬유 보강토 옹벽 설계에 널리 사용되고 있는 방법으로 대표적인 방법으로는 Bonaparte 등 방법(1987), Broms 방법(1978), Collin 방법(1986) 등이 있다. 시공단계 해석순서는 초기조건(원지반) 해석 후 변위를 초기화 하였으며, 이후 현장시험시공과 똑같이 터파기 후 해석, 전면판 설치 및 되메우기, 단계별 뒤채움 흙 성토 및 보강재 설치 순으로 실시하였다.
원지반 및 뒤채움 흙의 물리적 · 역학적 특성을 파악하기 위하여 액 · 소성한계시험(KS F 2303, 2304), 비중시험(KS F 2308), 입도시험(KS F 2302, 2309), 직접전단시험(KS F 2343) 및 다짐시험(KS F 2312)을 실시하였다.
이 연구에서는 콘크리트 블록을 사용하지 않고 경량 강재지주와 메쉬형태의 익스펜디드메탈(expanded metal)을 이용한 새로운 보강토 옹벽의 안정성을 파악하기 위해 계측기를 부착한 실제 크기의 현장시험을 실시하였으며, 또한 MIDAS/GTS 3D 프로그램을 이용한 수치해석을 수행하여 현장시험 결과와 비교 분석하였다.
그림 10은 모델링(modeling)이 끝난 후의 보강토 옹벽을 나타낸 것이다. 현장시공시 보강토 옹벽이 단계별로 토압 및 변위가 누적되므로 수치해석시 이러한 현장거동과 동일하게 묘사하기 위해 시공단계해석 방법을 적용하였으며, 설계에 주로 사용되는 마찰쐐기법(Tie-Back Wedge Method)에 적용 되는 Rankine 주동토압과 수치해석에서 얻은 토압특성을 비교하고자 하였다. 마찰쐐기법은 토목섬유 보강토 옹벽 설계에 널리 사용되고 있는 방법으로 대표적인 방법으로는 Bonaparte 등 방법(1987), Broms 방법(1978), Collin 방법(1986) 등이 있다.
대상 데이터
그림 4는 시공된 보강토 옹벽의 전면도 및 측면도를 나타낸 것이며, 그림 5는 강재지주 보강토 옹벽의 시공순서를 보여준다. 전면 판의 구성은 그림 4(a)와 같이 세로지주 간격을 381mm로 하여 익스펜디드 메탈(expanded metal)과 결합하였으며, 시공된 전면판의 높이는 5.2m이다. 또한, 식생에 필요한 수분과 일조량을 고려하여 전면판 기울기는 1:0.
표 4는 수치해석에 사용된 물성치를 정리한 것이다. 시험시공에 사용된 지오그리드는 현장시험과 동일하게 4.0m의 포설길이(L)로 모델링하였으며, 전면판(expanded metal)은 열연강판 또는 코일을 소재로 제조된 변위를 허용할 수 있는 연성의 재료임을 고려하여 설정하였다. 현장시험에는 지오그리드의 고정및 전면판의 자립을 위해 루프 C형강을 설치하여 전면판을 고정하였으나, 수치해석에서는 유사한 ㄷ-형강을 사용하여 나타내었다.
이론/모형
이 연구에서 수행한 강재지주 보강토 옹벽의 3차원 수치 해석에서 대상지반은 Mohr-Coulomb 모델을 선택하였으며, 전면판은 plate 요소, 형강지주는 beam 요소로 모델링하였다. 그림 10은 모델링(modeling)이 끝난 후의 보강토 옹벽을 나타낸 것이다.
성능/효과
1. 전면판의 최대 수평변위는 상단에서 43mm(0.009H)로 나타났는데 이 값은 허용 수평변위 기준인 0.03H(156mm) 의 약 29%로 나타났으며, FHWA 기준인 최대 50mm보다도 작기 때문에 수평토압에 대해 충분히 안정하다고 판단된다.
2. 옹벽 상단으로부터 2m 높이에 설치된 침하계에서는 최대 11mm 정도의 침하량이 발생했으며, 4m 높이에 설치된 침하계에서는 21.5mm 정도의 침하량이 발생했다. 이 침하량은 FHWA의 지침에서 제안하는 침하량인 25mm보다 작게 나타나 안정하다고 판단된다.
3. 계측기간 동안 전면판 최하단에서 측정된 수평토압은 2.94∼4.9kN/m2이고, Rankine 주동토압으로 구한 옹벽 바닥면 작용토압인 24.6kN/m2의 10~20%로 나타나 현장시험에 적용된 보강재 설치간격을 증가시켜도 토압 및 전면판의 안정성은 크게 문제가 없을 것으로 판단된다.
4. 친환경 옹벽체를 조성하기 위해 수분과 일조량을 고려하여 옹벽 전면판의 기울기를 1:0.2로 설정하여 시공한 결과 전면판에 전면녹화를 이루어 현장에 친환경 옹벽체 조성이 가능한 것으로 나타났다.
5mm와 비슷하게 나타났다. 그러나 수치해석으로부터 얻은 옹벽 상단에서부터 깊이 4m 지점에서의 침하량은 1.8mm로 시공완료 후 1일 결과인 0.5mm와 차이를 보이는 것으로 나타나 수치해석 결과에 비해 현장계측침하량이 상대적으로 작은 값을 나타냈으며 이러한 결과는 조현수(2007)의 연구결과와 유사한 경향(수치해석 : 19mm, 계측 : 8mm)을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 수치해석결과와 시공완료 후 1일 결과에 비해 시공완료 후 91일의 침하량 차이가 많은 것으로 나타났는데 이것은 마찬가지로 수치해석결과는 시공직후의 값으로 실제 시공현장에서 발생한 잦은 강우로 인한 침하, 추가적인 하중 변화 및 보강체 자체의 침하 등이 포함되지 않았기 때문이다.
그림 14는 옹벽 시공완료 후 보강재에 발생하는 인장응력의 수치해석결과를 나타낸 것이다. 그림 14에서 보는 것처럼 3단 보강재(지오그리드)에 작용하는 최대 인장응력은 17.6kN/m2, 5단 보강재(지오그리드)에 작용하는 최대 인장응력은 14.1kN/m2, 7단 보강재(지오그리드)에 작용하는 최대 인장응력은 7.7kN/m2, 9단 보강재(지오그리드)에 작용하는 최대 인장응력은 12.0kN/m2인 것으로 나타났다. 대부분의 보강재가 전면판에서 약 1.
그림 17에서 보는 것처럼 현장계측결과는 옹벽 높이에 따라 큰 차이가 없는 데 비해 수치해석결과와 Rankine 토압은 옹벽 상단에서 하단으로 갈수록 커져 옹벽 높이 3m 이하에서는 현장계측결과와 차이가 있다. 또한 수치해석결과는 Rankine 토압에 비교할 때 옹벽 높이 2m 이상에서는 Rankine 주동토압과 비교적 유사한 값을 나타내나, 2m 이하에서는 Rankine 주동토압보다 더 큰 결과를 보여주고 있다. 옹벽 하단으로부터 높이 3m까지 현장계측결과와 수치해석결과가 큰 차이가 나타나는 이유는 전면 판에 토압계를 부착하여 측정한 계측방법과 다르게 수치해석에서는 토체 내에 발생하는 수평토압이기 때문인 것으로 판단된다.
수평변위 증가량 변화는 현장계측결과와 수치해석결과 모두 옹벽 상단으로 갈수록 수평변위가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 수치해석결과 수평변위 증가량 변화는 현장 계측결과와 같이 옹벽 상단으로 갈수록 수평변위가 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 수평변위량이 발생하는 옹벽높이 4.8m 이후부터는 수평변위가 감소하는 것으로 나타났는데 이러한 결과는 보강토 옹벽 모델링시 옹벽 높이 5.2m 이후에는 배면에 뒤채움을 실시하지 않고 전면판의 높이를 약간 길게 모델링한 결과로 판단된다. 또한, 시공완료 후 91일과 수치해석결과가 큰 차이를 보이는 것으로 나타났는데 수치해석결과는 시공직후의 값으로, 현장시공이후 강우로 인한 수압발생 및 시간흐름과 함께 발생하는 추가적인 변형 등이 포함되지 않았기 때문으로 판단된다.
보강토체의 침하가 진행 되는 시공완료 후 21일까지는 수평토압이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 침하량이 수렴하는 계측 34일에는 수평토압의 분포양상이 전면판 하단에서 크게 나타나며, 침하량이 거의 발생하지 않는 시공완료 후 58일 이후에는 전면판 중심부에서 최대 수평토압 5.67kN/m2이 계측되었다. 또한, 전면판 하단에 측정된 수평토압은 2.
그림 9는 현장시험에서 측정한 전면판에 작용하는 수평토압 분포를 정리하여 나타낸 것이다. 보강토체의 침하가 진행 되는 시공완료 후 21일까지는 수평토압이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 침하량이 수렴하는 계측 34일에는 수평토압의 분포양상이 전면판 하단에서 크게 나타나며, 침하량이 거의 발생하지 않는 시공완료 후 58일 이후에는 전면판 중심부에서 최대 수평토압 5.
그림 16은 옹벽 상단에서부터 깊이 2m, 4m 지점에서의 수치해석결과와 옹벽중심에서 계측한 현장에서의 침하량을 비교하여 나타낸 것이다. 수치해석결과 시공완료 후 옹벽 상단에서부터 깊이 2m 지점에서의 침하량은 약 2mm로 나타나 시공완료 후 1일 결과인 2.5mm와 비슷하게 나타났다. 그러나 수치해석으로부터 얻은 옹벽 상단에서부터 깊이 4m 지점에서의 침하량은 1.
수치해석결과 최대 수평변위가 옹벽바닥으로부터 약 4.8m 높이에서 1.24mm가 발생하였으며 이 결과는 시공완료 후 1일에 전면판 상 · 하단에 발생하는 수평변위인 1~2mm와 유사한 것으로 나타났다.
21mm)에 비해 상대적으로 작은 값을 보였지만 두 연구결과 모두 수치해석 결과와 현장계측 결과가 유사한 결과를 보였다. 수평변위 증가량 변화는 현장계측결과와 수치해석결과 모두 옹벽 상단으로 갈수록 수평변위가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 수치해석결과 수평변위 증가량 변화는 현장 계측결과와 같이 옹벽 상단으로 갈수록 수평변위가 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 수평변위량이 발생하는 옹벽높이 4.
원지반 및 뒤채움 흙의 물리적 · 역학적 특성을 파악하기 위하여 액 · 소성한계시험(KS F 2303, 2304), 비중시험(KS F 2308), 입도시험(KS F 2302, 2309), 직접전단시험(KS F 2343) 및 다짐시험(KS F 2312)을 실시하였다. 원지반과 뒤채움 흙은 체분석 시험결과 통일분류법(USCS)상 각각 SM(실트질 모래), SW-SM(입도분포가 양호한 실트질 모래) 으로 나타났으며, 입도분포곡선은 그림 1과 같다. 이 흙의 물리적 · 역학적 특성을 정리하면 표 1과 같으며, 시험시공에 사용된 뒤채움 흙에 대한 체분석 결과를 건설공사 비탈면설계기준(건설교통부, 2006)에서 추천하는 뒤채움 흙의 입도분포와 비교한 결과 뒤채움 흙은 적합한 것으로 평가되었다.
5mm 정도의 침하량이 발생했다. 이 침하량은 FHWA의 지침에서 제안하는 침하량인 25mm보다 작게 나타나 안정하다고 판단된다. 한편, 시공완료 후 91일에 측정한 수평변위와 침하량이 수치해석결과와 큰 차이를 보이는 이유는 수치해석결과는 시공직후의 값으로 실제 시공현장에서 발생한 잦은 강우로 인한 침하, 시간흐름과 함께 발생하는 추가적인 변형 등이 포함되지 않았기 때문이다.
이 흙의 물리적 · 역학적 특성을 정리하면 표 1과 같으며, 시험시공에 사용된 뒤채움 흙에 대한 체분석 결과를 건설공사 비탈면설계기준(건설교통부, 2006)에서 추천하는 뒤채움 흙의 입도분포와 비교한 결과 뒤채움 흙은 적합한 것으로 평가되었다.
그림 12에서 보는 것처럼 보강토체에 발생하는 연직침하량은 중심에서 최대로 발생하며, 중심에서 좌·우측으로 갈수록 연직침하량이 감소하는 대칭형으로 나타났다. 최대 연직침하량은 보강토체 상단에서는 약 3.03mm, 하단에서는 1.45mm가 발생하는 것으로 나타났다.
그림 15는 현장계측 결과와 수치해석에서 얻어진 전면판에 발생하는 수평변위 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 현장 시험시 계측한 결과는 시공완료 후 1, 2, 7, 10, 19, 34, 49, 58, 91일의 결과를 표시하였으며, 수치해석 결과는 시공 단계해석 완료 후의 전면판에서 발생하는 변위이다. 수치해석결과 최대 수평변위가 옹벽바닥으로부터 약 4.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강토 옹벽은 무엇인가?
보강토 옹벽은 구조체로서 횡토압을 받는 개념으로 생각되는 일반적인 콘크리트 옹벽과는 달리 배면 지반에 보강재를 삽입하여 보강토가 작용토압에 저항하도록 하는 개념의 옹벽이다(김병일 등, 2009). 이러한 보강토 옹벽은 1990년대 초에 보급되어 기존 콘크리트 옹벽을 대체하며 빠르게 성장하였으며, 특히, 블록식 보강토 옹벽은 경제성 안정성, 수려한 미관 및 시공의 간편성뿐만 아니라 조립식 전면 블록의 특성상 열악한 현장 여건 하에서도 복잡한 형태의 옹벽을 조성할 수 있다는 장점으로 인해 시공되는 사례가 증가하고 있다(유충식 등, 2005).
블록식 보강토 옹벽의 장점은?
보강토 옹벽은 구조체로서 횡토압을 받는 개념으로 생각되는 일반적인 콘크리트 옹벽과는 달리 배면 지반에 보강재를 삽입하여 보강토가 작용토압에 저항하도록 하는 개념의 옹벽이다(김병일 등, 2009). 이러한 보강토 옹벽은 1990년대 초에 보급되어 기존 콘크리트 옹벽을 대체하며 빠르게 성장하였으며, 특히, 블록식 보강토 옹벽은 경제성 안정성, 수려한 미관 및 시공의 간편성뿐만 아니라 조립식 전면 블록의 특성상 열악한 현장 여건 하에서도 복잡한 형태의 옹벽을 조성할 수 있다는 장점으로 인해 시공되는 사례가 증가하고 있다(유충식 등, 2005). 그러나 콘크리트 블록을 이용한 블록식 보강토 옹벽은 기초지반 변형이나 급격한 수압상승에 의해 블록의 균열 또는 붕괴가 발생하며, 전면판으로 콘크리트 블록을 사용하고 있어 자연친화적이지 못하고(조용성 등, 2006), 식생블록의 경우 제한된 공간만 부분식생이 가능하여 식물고사와 같은 문제점이 발생하고 있다.
경량의 강재지주를 이용한 보강토 옹벽의 구성은?
최근 이러한 문제점을 극복하기 위해 경량의 강재지주를 이용한 보강토 옹벽이 개발되었다. 경량의 강재지주를 이용한 이 공법은 익스펜디드메탈(expanded metal)로 이루어진 메쉬형태의 전면판, 전면판을 지지하는 경량 강재지주, 뒤채움재, 그리고 보강재 등으로 구성된다. 강재지주 보강토 옹벽의 기초부는 쇄석 포설 후 다짐을 실시하며, 전면판은 메쉬형태의 익스펜디드메탈(expanded metal)과 경량의 강재지주로 조성된다.
조용성, 구호본, 이춘길(2006) 부직포를 활용한 급경사 녹화보강토공법의 적용 가능성에 관한 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제26권 제4C호, pp. 239-245.
조현수(2007) 쏘일네일과 강재스트립으로 보강된 복합보강토옹벽 시스템의 안정성평가, 석사학위논문, 한양대학교.
한국시설안전기술공단(2006) 건설공사 비탈면설계기준, 건설교통부.
Bonaparte, R., Holtz, R. D. and Giroud, J. P. (1987), Soil Reinforcement Design using Geotextiles and Geogrids, Geotextile Testing and the Design Engineer, ASTM STO 952, pp. 69-116.
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Collin, J. G. (1986), Earth Walls Design, Ph. D. Thesis, Univ. of California at Berkeley.
Elias, V. and Christopher, B. R. (1999), Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines, Technical Report FHWA-SA-96-071, U.S. DOT FHWA.
Elias, V. Christopher, B. R, and Berg R. R. (2001), Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines, Publication No. FHWA-NHI-00-043, U.S. DOT FHWA.
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