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문제 정의
- 4H지점에 선반을 설치한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 토압분포를 모형시험을 통하여 파악하고, 그 결과를 비교하여 캔틸레버식 옹벽에 대한 선반식 옹벽의 토압 경감효과를 확인하고자 하였다. 또한 흙 종류와 되메움 조건을 달리하여 모형지반을 조성함으로써 흙 종류와 되메움 조건이 선반식 옹벽의 토압분포에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
- 4H(H=옹벽의 높이)의 높이에 선반이 설치한다(장효완, 1998). 이 연구에서는 일반적으로 선반이 설치되는 위치인 지표면으로부터 0.4H지점에 선반을 설치한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 토압분포를 모형시험을 통하여 파악하고, 그 결과를 비교하여 캔틸레버식 옹벽에 대한 선반식 옹벽의 토압 경감효과를 확인하고자 하였다. 또한 흙 종류와 되메움 조건을 달리하여 모형지반을 조성함으로써 흙 종류와 되메움 조건이 선반식 옹벽의 토압분포에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 뒤채움 흙으로 인하여 옹벽에 발생하는 토압 이외에 지표면에 가해진 추가적인 하중에 의한 토압의 변화를 시험조건에 대해 비교하기 위하여 재하시험을 실시하였다. 각 시험조건마다 재하장치(그림 12 참조)를 이용하여 옹벽 뒤 지표면에 하중을 증가시키면서 수평토압과 연직토압, 옹벽전면 변위의 변화를 측정하였고 그 결과는 다음과 같다.
- 뒤채움 흙으로 인하여 옹벽에 발생하는 토압 이외에 지표면에 가해진 추가적인 하중에 의한 토압의 변화를 시험조건에 대해 비교하기 위하여 재하시험을 실시하였다. 각 시험조건마다 재하장치(그림 12 참조)를 이용하여 옹벽 뒤 지표면에 하중을 증가시키면서 수평토압과 연직토압, 옹벽전면 변위의 변화를 측정하였고 그 결과는 다음과 같다.
- 또한 흙 종류와 옹벽 배면의 굴착각도를 90°(좁은 되메움)와 50°(일반되메움)로 달리하여, 흙의 종류 및 되메움 조건이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압의 변화에 미치는 영향을 파악하였다.
- 주문진 표준사와 굵은 강모래를 이용하여 옹벽높이까지 모형지반을 조성한 후, 뒤채움으로 인하여 옹벽에 발생하는 토압을 측정하였다. 또한, 모형지반 조성 후 모형지반에 재하시험을 실시하였고 상재하중 증가에 따른 토압분포 및 옹벽의 변위에 대한 변화를 파악하였다. 시험순서를 정리하면 다음과 같다.
- 그림 5에서 보는 바와 같이 모형시험에는 옹벽에 작용하는 수평토압을 측정하기 위한 7개의 토압계와 지반의 연직토압을 측정할 수 있는 3개의 토압계를 설치하였다. 또한, 옹벽 전면에 발생하는 변위를 측정하기 위한 3개의 변위계와 모형지반 상부에 재하된 하중을 측정하기 위하여 100kN의 하중까지 측정이 가능한 로드셀을 설치하였다. 시험에 사용된 계측기기의 제원은 표 3과 같다.
- 모형옹벽은 옹벽 형식에 따른 시험조건에 따라 선반의 탈·부착을 가능하게 제작하여 선반식 옹벽이 적용된 모형지반의 뒤채움 시 작업이 용이하도록 하였다.
- 이 연구에서는 기존 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 토압과 선반식 옹벽에 작용하는 토압을 모형시험을 통하여 측정하여 비교하였다. 또한 흙 종류와 옹벽 배면의 굴착각도를 90°(좁은 되메움)와 50°(일반되메움)로 달리하여, 흙의 종류 및 되메움 조건이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압의 변화에 미치는 영향을 파악하였다.
- 이 연구에서는 옹벽의 형식(캔틸레버식과 선반식 옹벽), 흙의 종류(주문진 표준사와 굵은 강모래), 되메움 조건(좁은 되메움(굴착각 90°)과 일반 되메움(굴착각 50°)을 달리하여 뒤 채움한 후에 옹벽에 작용하는 수평토압 및 지반에 작용하는 연직응력을 측정하였다.
- 이 연구에서는 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압 분포를 비교하기 위하여 흙 종류, 되메움 조건을 다르게 적용한 모형시험을 실시하였고, 시험 결과로 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 주문진 표준사와 굵은 강모래를 이용하여 옹벽높이까지 모형지반을 조성한 후, 뒤채움으로 인하여 옹벽에 발생하는 토압을 측정하였다. 또한, 모형지반 조성 후 모형지반에 재하시험을 실시하였고 상재하중 증가에 따른 토압분포 및 옹벽의 변위에 대한 변화를 파악하였다.
대상 데이터
- 모형시험에는 1800mm×800mm×900mm(길이×폭×높이)의 크기로 제작된 철제토조를 이용하였으며, 이 토조는 분리가 가능하여 굴착각도 90° 조건의 시험에서는 1000mm×800mm ×900mm(길이×폭×높이) 크기의 토조를 사용하였다(그림 5참조).
- 모형시험에는 1800mm×800mm×900mm(길이×폭×높이)의 크기로 제작된 철제토조를 이용하였으며, 이 토조는 분리가 가능하여 굴착각도 90° 조건의 시험에서는 1000mm×800mm ×900mm(길이×폭×높이) 크기의 토조를 사용하였다(그림 5참조). 시험에 사용된 모형옹벽(높이 : 805mm, 폭 : 790mm, 그림 6 참조) 및 선반은 주조성, 내식성, 내열성 등이 우수하고 밀도비(density ratio)에 대한 강도가 커서 주로 비행기,선박 등의 재료로 사용되는 알루미늄합금(Duralumin, 7075- T651)을 이용하여 제작하였다. 모형옹벽은 옹벽 형식에 따른 시험조건에 따라 선반의 탈·부착을 가능하게 제작하여 선반식 옹벽이 적용된 모형지반의 뒤채움 시 작업이 용이하도록 하였다.
- 이 연구에서는 균질한 모형지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사와 굵은 강모래를 사용하였다. 시험에 사용된 주문진 표준사와 강모래의 비중은 각각 2.
성능/효과
- (1) 선반식 옹벽은 흙 종류와 되메움 조건에 상관없이 캔틸레버식 옹벽에 비하여 선반하부에서 수평 및 연직토압이 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 선반 상부에 작용하는 연직토압의 대부분을 선반이 부담하기 때문이라 할 수 있고, 선반을 설치하여 발생하는 토압의 감소효과는 확실한 것으로 판단된다.
- (2) 굴착각도 50°(일반 되메움)의 조건에서는 수평토압이 옹벽 바닥에 근접하여도 거의 선형에 가깝게 증가하는 경향을 보이는 반면에 굴착각도 90°(좁은 되메움)를 적용한 조건에서는 옹벽 바닥에 근접할수록 아칭효과로 인하여 수평토압의 증가율이 감소하였으며, 이러한 결과는 기존 연구 결과와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.
- (3) 모형지반에 대한 재하시험에서 추가적인 하중 증가로 인하여 캔틸레버식 옹벽에서 발생하는 수평토압의 증가량 (Δσh)은 옹벽 중간에서 가장 크게 발생하는 것으로 나타났고 선반식 옹벽에서는 수평토압의 증가(Δσh)가 선반 상부에서 거의 모두 발생하고 선반 아래에서는 수평토압의 증가가 매우 작게 발생하는 것으로 나타났다.
- (4) 모형지반에 대한 재하시험 결과를 비교해 볼 때 같은 되메움 조건에서 선반식 옹벽에서 켄틸레버식 옹벽에 비해 옹벽의 변위가 작게 발생했으며, 작용하중이 증가할수록 그 차이도 증가하는 것으로 나타났다.
- (5) 주문진 표준사로 뒤채움을 한 모형지반에 대한 재하시험 결과에서 선반식 옹벽과는 다르게 캔틸레버식 옹벽에서 급격한 변위 증가(약 220kPa의 하중 작용 시)로 인하여 뒤채움 지반에 파괴가 발생하였다. 이러한 결과를 볼 때 선반식 옹벽은 옹벽에 작용하는 수평토압 감소효과와 선반에 작용하는 연직하중으로 인하여 캔틸레버식 옹벽에 비해서 전도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높다고 판단된다.
- 같은 되메움 조건에서 옹벽형태에 따른 변위를 비교한 경우에 선반식 옹벽에서 켄틸레버식 옹벽에 비해 변위가 작게 발생했으며 작용하중이 증가할수록 그 차이도 증가하는 것으로 나타났다. 또한 주문진 표준사로 뒤채움한 캔틸레버식 옹벽(SC90 및 SC50)의 경우에는 약 220kPa의 하중이 작용 할 경우 급격한 변위 증가로 인하여 뒤채움 지반에 파괴가 발생하였지만 선반식 옹벽(SR90 및 SR50)은 같은 하중조건에서 뚜렷한 파괴징후를 나타내지 않았다.
- 그러나 굴착각도 50°를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC50 및 RC50)과 선반식 옹벽(SR50 및 RR50)에서는 수평토압이 옹벽 바닥에 근접하여도 거의 선형에 가깝게 증가하는 경향을 보였다.
- 그러나 선반식 옹벽을 적용한 조건에서는 선반 상부에서 연직토압의 증가량(Δσv)이 대부분 발생하였고 추가적인 하중이 선반 하부 지반의 연직토압에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 뒤채움 종료 후 옹벽 및 지반에 작용하는 수평 및 연직토압의 분포를 옹벽 형식에 대하여 비교해 볼 때 선반식 옹벽은 흙 종류와 되메움 조건에 상관없이 캔틸레버식 옹벽에 비하여 선반하부에서 수평 및 연직토압이 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 선반 상부에 작용하는 연직토압의 대부분을 선반이 분담하기 때문이라 할 수 있고, 선반을 설치하여 발생하는 토압의 감소효과는 매우 우수한 것으로 판단된다.
- 각 시험조건에 따른 뒤채움 종료 후 토압의 분포는 그림 13과 같다. 뒤채움 종료 후 측정된 수평토압 및 연직토압을 나타낸 그림 13에서 보는 바와 같이 수평토압과 연직토압 모두 선반의 상부위치(H=500~805mm)에서는 흙 종류, 되메움 조건에 상관없이 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에서 크기가 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 선반 하부위치(H=0~500cm)에서는 캔틸레버식 옹벽의 토압이 연속적으로 증가한 반면에 선반식 옹벽에서는 선반 바로 아래 지점에서 토압이 급격하게 감소하고 깊이에 따라 다시 증가하지만, 그 크기는 캔틸레버식 옹벽에 비해 상당히 작은 것으로 나타났다.
- 뒤채움 흙의 종류에 따른 변위를 비교할 경우에는 주문진 표준사로 뒤채움한 조건에 비하여 굵은 강모래로 뒤채움한 조건에서 옹벽의 변위가 상대적으로 큰 것으로 나타났고, 이러한 경향은 앞에서 설명한 굵은 강모래로 뒤채움한 경우에 주문진 표준사로 뒤채움한 경우에 비해서 수평토압 증가량이 상대적으로 큰 수평토압의 변화와 무관하지 않은 것으로 판단된다.
- 모형시험을 통한 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포의 측정결과로 선반 아래에서 토압 감소효과가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 내부 및 외부 활동면(sliding surface)의 위치는 선반의 폭과 근입 깊이에 의존하여 선반의 깊이가 같은 조건에서 활동영역의 크기는 선반폭이 커질수록 증가함을 밝혀냈다.
- 선반식 옹벽에 작용하는 수평토압 역시 주문진 표준사로 뒤채움한 경우와 유사하게 선반의 상부에서 토압의 대부분을 분담하였고, 그 크기는 주문진 표준사에 비하여 상대적으로 큰 값을 나타내었다. 또한 되메움 조건에 상관없이 바닥으로부터 650mm 지점에서 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 반면 선반 하부에 발생하는 수평토압은 매우 작은 증가량을 나타내었다.
- 그러나 선반식 옹벽을 적용한 조건에서는 선반 상부에서 연직토압의 증가량(Δσv)이 대부분 발생하였고 추가적인 하중이 선반 하부 지반의 연직토압에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 선반식 옹벽의 선반 상부에서 발생한 연직토압의 증가량은 지표면에 가해진 등분포 하중에 비해 상대적으로 매우 큰 값을 나타내었다. 이러한 결과가 나타난 이유는 등분포 하중이 재하될 때 주변지반에 비해 상대적으로 강성이 큰 선반위로 응력집중현상이 발생했기 때문인 것으로 판단된다.
- Yakovlev(1964, 1974)는 선반이 1개와 2개인 경우에 대해서 선반의 위치와 크기, 하중강도와 위치, 벽체 움직임 등의 조건을 달리한 모형시험을 통해 벽체와 선반에 작용하는 압력분포, 활동면 위치, 활동쐐기의 크기, 뒤채움 흙에서 발생하는 응력 등을 연구하였다. 모형시험을 통한 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포의 측정결과로 선반 아래에서 토압 감소효과가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 내부 및 외부 활동면(sliding surface)의 위치는 선반의 폭과 근입 깊이에 의존하여 선반의 깊이가 같은 조건에서 활동영역의 크기는 선반폭이 커질수록 증가함을 밝혀냈다.
- 그림 18~그림 19는 지표면에 가해진 하중으로 인하여 옹벽 전면에 발생하는 변위의 증가량을 나타낸 것이다. 변위측정결과를 볼 때 선반식 옹벽과 켄틸레버식 옹벽 모두에서 옹벽 중간부분(530mm 지점)의 변위가 가장 크게 나타났고 옹벽 상부(780mm 지점)와 옹벽 중간부분의 변위량 차이는 하중이 증가할수록 점점 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 그림 14~그림 15의 옹벽에 작용한 수평토압 증가에 의한 영향인 것으로 판단된다.
- 시험에 사용된 주문진 표준사와 강모래의 비중은 각각 2.62와 2.63이고, 두 흙 모두 통일분류법상 SP로 분류되었으며 직접전단시험에 의해 주문진 표준사와 굵은 강모래의 점착절편(c)은 0, 전단저항 각(Φ)은 38.4°(주문진 표준사), 47.1°(굵은 강모래)로 나타났다.
- 연직토압의 경우 표준사로 뒤채움하여 굴착각도 50°를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC50)에서 옹벽 바닥 부근에서 토압이 증가율이 약간 감소하는 경향을 보이긴 하지만 굴착각도90°를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC90)에 비해서는 상대적으로 작게 발생하는 것으로 나타났다.
- 1°(굵은 강모래)로 나타났다. 이 흙에 대해 상대밀도시험(KS F 2308)을 실시하였고, 그 결과 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량은 주문진 표준사의 경우에 각각 16.79kN/m3, 13.96kN/m3로 굵은 강 모래의 경우에 각각 16.41kN/m3, 14.66kN/m3로 나타났다. 표 1은 이 연구에 사용된 주문진 표준사와 굵은 강모래의 물성값 및 역학적 특성값을 정리하여 나타낸 것이고 그림 4는 이 흙들의 입도분포곡선이다.
- 또한 주문진 표준사로 뒤채움한 캔틸레버식 옹벽(SC90 및 SC50)의 경우에는 약 220kPa의 하중이 작용 할 경우 급격한 변위 증가로 인하여 뒤채움 지반에 파괴가 발생하였지만 선반식 옹벽(SR90 및 SR50)은 같은 하중조건에서 뚜렷한 파괴징후를 나타내지 않았다. 이러한 결과를 볼때 선반식 옹벽은 옹벽에 작용하는 수평토압 감소효과와 선반에 작용하는 연직하중으로 인하여 캔틸레버식 옹벽에 비해서 전도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높다고 판단된다.
- 또한 주문진 표준사로 뒤채움한 캔틸레버식 옹벽(SC90 및 SC50)의 경우에는 약 220kPa의 하중이 작용 할 경우 급격한 변위 증가로 인하여 뒤채움 지반에 파괴가 발생하였지만 선반식 옹벽(SR90 및 SR50)은 같은 하중조건에서 뚜렷한 파괴징후를 나타내지 않았다. 이러한 결과를 볼때 선반식 옹벽은 옹벽에 작용하는 수평토압 감소효과와 선반에 작용하는 연직하중으로 인하여 캔틸레버식 옹벽에 비해서 전도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높다고 판단된다.
- 한편, 굴착각도 90°(좁은 되메움)를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC90 및 RC90)과 선반식 옹벽(SR90 및 RR90) 모두에서 옹벽 바닥에 근접할수록 수평토압의 증가율이 감소하였고 이러한 경향은 캔틸레버식 옹벽에서 더욱 뚜렷하게 나타났다.
- 한편, 되메움 조건에 대한 수평토압 증가량(Δσh)을 비교해 볼 때, 뒤채움 흙의 종류와 상관없이 굴착각도가 90°인 좁은 되메움 조건에 비하여 굴착각도가 50°인 일반 되메움조건에서 수평토압의 증가가 더 크게 발생하는 것으로 나타났다.
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