[국내논문]병진이동으로 인한 주동파괴 시 지오그리드 보강토 모델벽체의 거동 Behaviour of geogrid reinforced model retaining wall in active failure state by execution of parallel movement원문보기
최근 사면 및 흙막이 벽체의 붕괴에 따른 안전사고가 빈번하게 발생함에 따라 보강토 옹벽 공법의 안정성이 사회적인 문제로 대두되고 있다. 본 연구는 모형벽체 시험기를 제작하여 지오그리드 길이와 보강 층수에 따른 주동파괴 시 흙막이 벽체와 지반의 거동특성을 분석하였다. 벽체 시험에 사용된 지오그리드는 각각 $30cm{\times}60cm$, $30cm{\times}70cm$, $30cm{\times}80cm$ (폭 ${\times}$ 길이)의 크기를 가지며, 일정한 깊이로 설치되었다. 모형벽체 시험은 2장의 동일한 길이의 지오그리드, 2장의 서로 다른 길이의 지오그리드, 4장의 동일한 길이의 지오그리드, 4장의 서로 다른 길이의 지오그리드 총 4가지 case로 나누어 모형시험을 진행하였다. 또한 유한요소 수치해석을 통해 보강방법에 따른 지반의 거동을 예측하였다.
최근 사면 및 흙막이 벽체의 붕괴에 따른 안전사고가 빈번하게 발생함에 따라 보강토 옹벽 공법의 안정성이 사회적인 문제로 대두되고 있다. 본 연구는 모형벽체 시험기를 제작하여 지오그리드 길이와 보강 층수에 따른 주동파괴 시 흙막이 벽체와 지반의 거동특성을 분석하였다. 벽체 시험에 사용된 지오그리드는 각각 $30cm{\times}60cm$, $30cm{\times}70cm$, $30cm{\times}80cm$ (폭 ${\times}$ 길이)의 크기를 가지며, 일정한 깊이로 설치되었다. 모형벽체 시험은 2장의 동일한 길이의 지오그리드, 2장의 서로 다른 길이의 지오그리드, 4장의 동일한 길이의 지오그리드, 4장의 서로 다른 길이의 지오그리드 총 4가지 case로 나누어 모형시험을 진행하였다. 또한 유한요소 수치해석을 통해 보강방법에 따른 지반의 거동을 예측하였다.
Recently, there has been a string of negligent accidents for the retaining wall and slope. In order to measure the ground deformation for the MSE wall, the authors carried out the model test to assess behavioral characteristics of geogrid MSE walls in active failure state with different conditions o...
Recently, there has been a string of negligent accidents for the retaining wall and slope. In order to measure the ground deformation for the MSE wall, the authors carried out the model test to assess behavioral characteristics of geogrid MSE walls in active failure state with different conditions of geogrid reinforcement. The models are built in the soil container box having dimension, 100 cm long, 90 cm height, and 10 cm wide. The reinforcement used in the model test is geogrid (polyvinyl chloride, PVC). Three geogrids are sized by $30cm{\times}60cm$, $30cm{\times}70cm$, $30cm{\times}80cm$ (width ${\times}$ length) respectively. In this study, the laboratory model tests represented for several conditions of the MSE wall, and then its results were compared to 2D FE analysis.
Recently, there has been a string of negligent accidents for the retaining wall and slope. In order to measure the ground deformation for the MSE wall, the authors carried out the model test to assess behavioral characteristics of geogrid MSE walls in active failure state with different conditions of geogrid reinforcement. The models are built in the soil container box having dimension, 100 cm long, 90 cm height, and 10 cm wide. The reinforcement used in the model test is geogrid (polyvinyl chloride, PVC). Three geogrids are sized by $30cm{\times}60cm$, $30cm{\times}70cm$, $30cm{\times}80cm$ (width ${\times}$ length) respectively. In this study, the laboratory model tests represented for several conditions of the MSE wall, and then its results were compared to 2D FE analysis.
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문제 정의
Park & Chun(2012)은 보강토 옹벽의 보강재인 옹벽용 지오그리드에 대하여 현장에서 시공성 시험을 통해 다양한 형태의 옹벽용 지오그리드의 내시공성 감소계수를 제안하고, 국내･외 연구결과 분석과 국내 시판되고 있는 제조사별로 제시한 옹벽용 지오그리드의 물성치를 조사 분석하여, 뒤채움재의 물성치에 따른 알맞은 지오그리드 선정을 제시하였다. 이 연구에서는 주동파괴시의 지오그리드에 따른 흙막이 벽체의 거동 특성을 검토하기 위해 모형벽체 시험기를 제작하여 실내모형시험을 수행하였다. 모형시험에 사용된 지오그리드는 각각 30cm × 60cm, 30cm × 70cm, 30cm × 80cm (폭 × 길이)의 크기를 가지고 있으며, 일정한 깊이로 설치되었다.
본 연구는 수치해석과 모형벽체시험을 통해 지오그리드 길이와 보강층수에 따른 지반의 거동을 실내모형시험과 수치해석을 통해 고찰하였다. 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
가설 설정
식 (1)로부터 점착력(c)이나 마찰각(φ)을 개선하지 않으면 흙의 전단강도(τ)를 개선할 수 없음을 알 수 있다. 이러한 흙의 특성을 이해하고 결속력이 불안한 지반에 연속성을 지니며 흙과의 결속력이 우수한 매체를 넣는다면 지반의 전단강도는 크게 증가된다는 가정이 성립한다. 위와 같은 가정을 바탕으로 지반(토체)에 작용응력에 대한 인장 변형율이 작으며 흙과의 결속력이 우수한 형상의 연속성 재료(reinforcement)를 넣어 지반의 전단강도를 개선하는 공법을 보강토(reinforced soil) 공법이라 한다.
제안 방법
또한 유한요소해석을 수행하여 모형벽체 시험과 비교·분석하였다.
모형시험에 사용된 지오그리드는 각각 30cm × 60cm, 30cm × 70cm, 30cm × 80cm (폭 × 길이)의 크기를 가지고 있으며, 일정한 깊이로 설치되었다. 모형벽체 시험은 동일한 길이의 지오그리드와 서로 다른 길이의 지오그리드를 2층, 4층으로 포설한 경우, 총 4가지 조건으로 수행하였다. 또한 유한요소해석을 수행하여 모형벽체 시험과 비교·분석하였다.
모형토조에 각 조건별 지오그리드 보강과 지반을 설정한 후 벽체와 연결된 로드셀을 통해 벽체가 받는 토압을측정한다. 이 때 상부지반은 침하됨에 따라 하부 로드셀에서만 측정이 이루어졌으며, 측정한 결과는 Fig.
수치해석을 위해 1000 × 900mm (가로 × 세로) 크기의 지반을 설정하고 지오그리드 길이를 케이스에 따라 총 4가지의 조건으로 모델링 하였다.
이 연구에서는 2D 유한요소 수치해석을 실시하여 모형벽체 시험에 대한 비교･분석을 실시하였다. 수치해석에는 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 평면변형률 조건에서 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2012).
수치해석을 위해 1000 × 900mm (가로 × 세로) 크기의 지반을 설정하고 지오그리드 길이를 케이스에 따라 총 4가지의 조건으로 모델링 하였다. 시험은 7단계로 나누어 각 단계마다 1cm씩 벽체를 이동하였으며, 총 7cm를 수평이동시켜 수치해석을 진행하였다. 수치해석 결과는 지표침하, 변위벡터분포도, 전단변형률분포도로 나타내어 분석하였다.
시험은 7단계로 나누어 각 단계마다 1cm씩 벽체를 이동하였으며, 총 7cm를 수평이동시켜 수치해석을 진행하였다. 수치해석 결과는 지표침하, 변위벡터분포도, 전단변형률분포도로 나타내어 분석하였다.
지오그리드 보강 방법에 따른 주변지반의 거동을 파악하기 위해서 모형시험을 실시하였으며, 모형시험을 위한 각 단계별 분류는 Table 1에 나타내었다. 모형시험에 대한 절차는 아래와 같다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 지오그리드는 폴리염화비닐 고분자 (polyvinyl chloride, PVC)로 폴리에스터(polyethylene terephthalate, PET) 고강력사를 피복한 지오그리드를 사용하였다(Fig. 7). 지오그리드의 크기는 각 단계별로 각각 30cm × 60cm, 30cm × 70cm, 30cm × 80cm (폭 × 길이) 이며, 지오그리드 내부 각 셀의 크기는 5cm × 5cm이다.
데이터처리
이 연구에서는 2D 유한요소 수치해석을 실시하여 모형벽체 시험에 대한 비교･분석을 실시하였다. 수치해석에는 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 평면변형률 조건에서 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2012). 지반은 MohrCoulomb 모델을 적용하고 벽체는 플레이트로, 보강영역은 지오그리드 요소를 사용하여 모델링 하였다.
이론/모형
수치해석에는 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 평면변형률 조건에서 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2012). 지반은 MohrCoulomb 모델을 적용하고 벽체는 플레이트로, 보강영역은 지오그리드 요소를 사용하여 모델링 하였다. Table 4는 수치해석에 적용한 물성치를 나타내고 있다(Das, 2009).
성능/효과
시험결과에서는 지오그리드를 2층으로 포설한 조건과 지오그리드를 4층으로 포설한 조건에서의 지반거동을 검은 모래를 통해 육안으로 확인할 수 있다. 지표면에서 지반변위를 관찰한 결과, 동일한 벽체이동에 대해 지오그리드를 2층으로 포설한 조건이 4층으로 포설한 조건보다 침하의 범위가 수평으로 확장되어 넓게 분포하는 것으로 나타났으며 한편, 모형벽체 근처에서 발생하는 침하는 4층 포설한 경우보다 상대적으로 작게 나타났다(Fig. 11).
초기 단계에서 벽체가 받는 하중은 모든 조건에서 비슷한양상을 보이나 벽체의 변위가 증가할수록 2층 보강이 4층 보강보다 상대적으로 큰 하중이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 주동파괴 시 벽체에 발생하는 하중의 크기는 지오그리드 보강 층수가 많을수록 분산되어 작용됨을 알 수 있다.
14(c))과 CASE 4(Fig 14(d))의 경우 벽체 근처에서 수직방향으로 지반변형이 발생하는 것을 예측할 수 있다. 따라서 수치해석 변위벡터분포도 결과는 실내모형시험의 결과와 유사한 경향을 보이고 있으며, 이와 같은 결과는 벽체의 이동거리가 동일한경우 보강효과가 큰 지오그리드 4층 포설의 경우 지반 변형의 발생범위는 벽체 근처로 제한되는 반면, 2층 포설의 경우 지반 침하의 범위가 상대적으로 확장되는 것으로 판단된다.
(1) 실내모형시험을 통해 보강조건에 따른 지표침하 값을 분석한 결과 지오그리드를 2층으로 포설한 경우(CASE 1, 2)가 4층으로 포설한 경우(CASE 3, 4)보다 상대적으로 지표침하의 범위는 크게 발생하며, 벽체 주변에서 발생하는 최대지표침하는 적게 발생하는 것으로 측정됐다.
(2) 수치해석의 변위벡터분포와 전단변형률 결과, 실내모형시험과 동일한 경향을 보여주었다. 동일한 벽체 이동거리에 따라 상대적으로 보강효과가 큰 4층 포설의 경우, 지표침하의 범위가 벽체 주변에서 발생하였다.
(3) 모형벽체의 하부 로드셀에서 측정한 벽체 변위에 따른 벽체에 작용하는 하중의 크기를 case 별로 비교한 결과, 벽체 변위가 증가할수록 벽체에 작용하는 하중은 감소하는 것으로 나타났다.
(4) 전단변형률에 대한 수치해석 결과, 지오그리드 층수가 상대적으로 작은 경우에서 수평방향으로 지반침하의 범위가 크게 확장됨을 알 수 있다. 향후 모형토조 크기효과를 고려하여 축소 지오그리드를 이용한 시험을 통해 국부적인 지반거동에 대한 규명이 필요할 것으로 판단된다.
10은 지오그리드 보강조건에 따른 모형벽체 시험의 결과를 나타내고 있다. 시험결과에서는 지오그리드를 2층으로 포설한 조건과 지오그리드를 4층으로 포설한 조건에서의 지반거동을 검은 모래를 통해 육안으로 확인할 수 있다. 지표면에서 지반변위를 관찰한 결과, 동일한 벽체이동에 대해 지오그리드를 2층으로 포설한 조건이 4층으로 포설한 조건보다 침하의 범위가 수평으로 확장되어 넓게 분포하는 것으로 나타났으며 한편, 모형벽체 근처에서 발생하는 침하는 4층 포설한 경우보다 상대적으로 작게 나타났다(Fig.
후속연구
(4) 전단변형률에 대한 수치해석 결과, 지오그리드 층수가 상대적으로 작은 경우에서 수평방향으로 지반침하의 범위가 크게 확장됨을 알 수 있다. 향후 모형토조 크기효과를 고려하여 축소 지오그리드를 이용한 시험을 통해 국부적인 지반거동에 대한 규명이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강토(reinforced soil) 공법은 어떠한 가정을 바탕으로 지반의 전단강도를 개선하는 공법인가?
식 (1)로부터 점착력(c)이나 마찰각(φ)을 개선하지 않으면 흙의 전단강도(τ)를 개선할 수 없음을 알 수 있다. 이러한 흙의 특성을 이해하고 결속력이 불안한 지반에 연속성을 지니며 흙과의 결속력이 우수한 매체를 넣는다면 지반의 전단강도는 크게 증가된다는 가정이 성립한다. 위와 같은 가정을 바탕으로 지반(토체)에 작용응력에 대한 인장 변형율이 작으며 흙과의 결속력이 우수한 형상의 연속성 재료(reinforcement)를 넣어 지반의 전단강도를 개선하는 공법을 보강토(reinforced soil) 공법이라 한다.
지반 및 토체가 쉽게 분리되어 흐트러지는 이유는 무엇인가?
지반 또는 토체(soil mass)는 근본적으로 부스러지기 쉬운 흙 입자의 집합이다. 따라서 지반 및 토체는 독립된 흙 입자 사이의 점착력 또는 마찰력에 의하여 불완전하게 결합되어 있으므로 쉽게 분리되어 흐트러진다. 이러한 이유로 지반 또는 토체의 전단강도는 다음 식 (1)과 같이 표현된다.
보강토 옹벽 공법이 국내·외에서 활발히 사용되는 이유는 무엇인가?
보강토 옹벽 공법은 우수한 지반보강효과와 경제적인 시공으로 인해 국내·외에서 활발히 사용되고 있다. 현재까지 수많은 종류의 보강토 공법이 제안되었고, 각각의 공법에 따른 설계방법 또한 다양하게 제시되고 있으나, 설계방법이 통일되어 있지는 않다.
참고문헌 (10)
Cho, S. D., Ahn, T. B., Lee, K. W., and Oh, S. Y. (2004), "Model Test on the Behavior of Geogrid Reinforced Soil Walls with Vertical Spacing of Reinforcement Layers", Journal of Korean Geotechnical Society, Vol.20, No.5, pp.109-116.
Das, B. M. (2009), Principles of Geotechnical Engineering, 7th Edition, Cengage learning, pp.302-303.
Ghionna, V. N., Fioravante and Vicari, M. (2002), "Full Scale Test on a Retaining Wall with Non-uniform Reinforcements", proc. of Geosynthetics 7th ICG, Vol.1, pp.279-282.
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Lee, I. M. (2014), Principles of Foundation Engineering, 1st Edition, CIR, pp.283-292.
Leshchinsky, D. and Vulova, C. (2001), "Numerical Investigation of the Effects of Geosynthetic Spacing on Failure Mechanisms in MSE Block Walls", Journal of Geosynthetics International, Vol.8, No.4, pp.343-365.
Park, J. W. and Chun, B. S. (2012), "A Study on the Evaluation of Field Installation Damage and Strength Reduction Factor of Geogrid for Reinforced Retaining Wall", Journal of Korean Geo-Environmental Society, Vol.13, No.7, pp.5-12.
Pinto, M. I. M. and Cousens, T. W. (1999), "Modelling a Geotextile Reinforced Brick-faced Soil Retaining Wall", Journal of Geosynthetics International, Vol.6, No.5, pp.417-447.
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