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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 연구(Yoo et al., 2012; Moon et al., 2014; Moon, 2016)에서 사용된 수치해석 모델을 수정 및 확장하여 실단면 수치해석을 수행하고, 실단면 수치해석을 통해 얻은 수평토압 분포를 수평토압 감소효과 및 안정성(활동, 전도) 검토 측면에서 각각 분석하여 선반식 옹벽의 최적 설계조건(선반 위치 및 길이)을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- (1) 실단면 수치해석을 통해 파악한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽의 수평토압 분포를 이용하여 선반식 옹벽의 최적 선반 위치를 평가하였다. 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성 검토를 종합적으로 고려할 때 선반의 최적 위치는 옹벽의 중심부(h/H = 0.
- (5) 본 연구에서는 기존 연구에서 사용한 모델을 수정 및 확장하여 실단면 수치해석을 수행하였고, 선반식 옹벽의 최적 선반 위치 및 길이를 제안하였다. 하지만 수치해석 모델의 검증 및 연구결과의 신뢰성을 높이기 위한 실제 시공현장에서의 현장계측값과의 비교 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 Moon(2016)의 연구에서는 수치해석과 실내모형시험의 결과값 차이를 줄이고자 하였다. 기존 수치해석 모델을 사용하되 수치해석 단면을 실내모형시험의 실제 모형 및 구조를 최대한 유사하게 구현하기 위해서 실내모형시험 장비들(옹벽판, 모형토조, 되메움판, 선반, 로드셀 등)을 세분화한 뒤 요소 및 물성값을 각각 적용하였다(Moon, 2016). 그 결과 Fig.
- 기존 연구(Yoo et al., 2012; Moon et al., 2014; Moon, 2016)에서 수행된 수치해석은 모두 실내모형시험을 모사하였고, 수치해석 결과를 실내모형시험 결과와 비교 및 분석하여 사용된 수치해석 모델의 적정성을 판단하였다.
- 일반적으로 옹벽을 설계할 때에는 옹벽의 설계 높이를 결정한 뒤 단면의 치수를 가정하게 되고, 가정된 단면을 안정성과 구조적 적합성에 대해 검토한다. 따라서 이 연구에서는 해석 단면을 캔틸레버식 옹벽의 단면 치수 가정범위를 참고하여 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽의 단면을 결정하였다. 캔틸레버식 옹벽 단면 치수 가정범위는 다음과 같다(Oh, 2001).
- 본 연구에서는 Fig. 8 및 Fig. 9와 같은 방법으로 수평토압 분포를 찾아낸 뒤 수평토압 감소효과와 활동 및 전도 안정성 검토를 수행하였다.
- , 2014; Moon, 2016)를 통해 수치해석을 사용하여 선반식 옹벽의 토압 분포를 유사하게 예측이 가능한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 기존 연구에서 사용한 수치해석 모델을 수정 및 확장하여 실규모에 맞는 실단면 수치해석을 수행하였다. 기존 연구와 달리 실단면 수치해석에서는 원지반(In-situ ground)과 뒤채움 흙(backfill)은 Hardening soil model을 적용하였고, 옹벽(wall)은 선형 탄성 거동을 예측하는 Linear elastic model을 적용하였다.
- 본 연구에서는 선반식 옹벽의 거동을 정량적으로 분석하여 최적 설계조건을 제시하기 위해 실단면 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 지반분야에서 폭넓게 사용되고 있는 2차원 유한요소코드(finite element code for soil and rock analyses)인 PLAXIS 2D를 사용하여 평면변형(plane strain)해석을 적용한 수치해석을 수행하였다. 이 프로그램은 연약지반의 압밀거동 뿐만 아니라 과압밀 점토 그리고 사질토 및 암반지반에도 적용이 가능한 다양한 재료모형을 가지고 있다.
- 33 등 5가지이다. 선반 길이는 Fig. 7과 같이 길이비(b/L, 선반 위치 기준으로 옹벽으로부터 굴착지점까지 수평거리 L에 대한 선반 길이 b의 비율)를 적용하여 0.90, 0.75, 0.60, 0.45, 0.30 등 5가지로 결정하였다. 높이비(h/H)와 길이비(b/L)의 개념은 Fig.
- 원지반은 옹벽 구조물을 지지하는데 적합한 풍화암으로 고려하였고, 뒤채움 흙은 옹벽의 뒤채움 재료로 주로 사용하는 사질토(토사)로 결정하였다. 수치해석 단면(원지반, 뒤채움 흙, 옹벽)의 물성값은 각종 지반공학 관련 문헌자료(Hunt, 1984; Das, 1995)와 실제 설계 적용사례 등을 참고하여 각각 평균값을 적용하였다. 수치해석에 사용된 모델 및 물성값을 정리하면 Table 1과 같다.
- 수치해석에서는 결정된 단면을 이용하여 옹벽 종류와 선반 설치 조건에 따라 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽을 각각 모델링하였으며, Fig. 5는 선반식 옹벽의 모델링 예이다. 옹벽과 굴착면에는 인터페이스 요소를 적용하여 흙-옹벽, 흙-굴착면 사이에 발생하는 벽마찰 효과를 고려할 수 있도록 하였다.
- 5는 선반식 옹벽의 모델링 예이다. 옹벽과 굴착면에는 인터페이스 요소를 적용하여 흙-옹벽, 흙-굴착면 사이에 발생하는 벽마찰 효과를 고려할 수 있도록 하였다.
- 옹벽고, 선반 위치 및 길이에 따른 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 수평토압의 변화를 비교, 분석하기 위해서 Table 2와 같은 수치해석 조건을 적용하였다. 옹벽의 형태는 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽으로 2가지이고, 옹벽고(H)는 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽이 실제 설계에 반영되는 높이를 고려하여 8m, 9m, 10m, 11m 등 4가지 조건으로 결정하였다. 선반 위치(h)는 Fig.
- 5와 같이 크게 원지반, 뒤채움 흙, 옹벽으로 구성된다. 원지반은 옹벽 구조물을 지지하는데 적합한 풍화암으로 고려하였고, 뒤채움 흙은 옹벽의 뒤채움 재료로 주로 사용하는 사질토(토사)로 결정하였다. 수치해석 단면(원지반, 뒤채움 흙, 옹벽)의 물성값은 각종 지반공학 관련 문헌자료(Hunt, 1984; Das, 1995)와 실제 설계 적용사례 등을 참고하여 각각 평균값을 적용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 기존 연구에서 사용한 수치해석 모델을 수정 및 확장하여 실규모에 맞는 실단면 수치해석을 수행하였다. 기존 연구와 달리 실단면 수치해석에서는 원지반(In-situ ground)과 뒤채움 흙(backfill)은 Hardening soil model을 적용하였고, 옹벽(wall)은 선형 탄성 거동을 예측하는 Linear elastic model을 적용하였다. Fig.
성능/효과
- (2) 일정한 옹벽고(H)에서 선반 위치와 길이에 따른 수평토압 감소효과를 비교한 결과, 최적 선반 위치(h/H = 0.50)에서 긴 선반(b/L = 0.90)을 사용할 경우 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 약 38%의 수평토압 감소효과를 기대할 수 있다.
- (3) 선반식 옹벽의 선반이 최적 위치에 설치될 경우 최적 선반 길이는 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성 검토 결과 최소 b/L = 0.45이상을 만족하는 것이 가장 적절한 것으로 나타났다.
- (4) 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽의 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성 검토 결과, 선반식 옹벽은 옹벽고에 제한이 있는 캔틸레버식 옹벽의 단점을 극복할 수 있는 옹벽 구조물이라 판단된다.
- Table 3은 수평토압 분포 면적을 계산하여 수평토압 합력과 수평토압 감소율을 옹벽고에 따라 계산한 결과이다. Table 3을 통해 선반 위치에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 약 33%의 수평토압 감소 효과를 기대할 수 있으며, 모든 옹벽고에서 선반 위치가 h/H = 0.50일 때 수평토압 감소효과가 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 이는 Liu & Lin(2008)의 연구결과에 부합한다.
- 1절에서와 같이 수평토압 분포 면적을 계산하여 수평토압 합력과 수평토압 감소율을 옹벽고에 따라 계산한 결과이다. Table 6을 통해 선반 길이에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 35.23%의 수평토압 감소효과를 기대할 수 있으며, 선반 길이는 b/L = 0.90일수록 수평토압 감소효과가 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 하지만 b/L = 0.
- 그 결과 Fig. 2와 같이 수치해석(FR-)과 실내모형시험(MR-)의 결과값은 상당히 유사한 것으로 나타났으며, 수치해석 모델이 선반 상, 하부의 토압분포 특성을 유사하게 구현하는 것으로 나타났다.
- 그림을 통해 캔틸레버식 옹벽은 높이가 낮아짐에 따라 수평토압이 연속적으로 증가하지만, 선반식 옹벽은 선반이 설치됨에 따라 선반 하부에서 수평토압이 급격하게 감소하고 높이가 낮아짐에 따라 다시 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 선반식 옹벽에 설치된 선반이 상부 흙의 무게를 대부분 지탱하기 때문에 하부에서는 상부 흙의 무게 영향을 거의 받지 않게 되는 선반식 옹벽의 일반적인 특징인 것으로 판단할 수 있다.
- 46(증가율 약 2%)으로 캔틸레버식 옹벽보다 증가하지만 기준 안전율을 만족하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 선반식 옹벽의 선반 길이는 최소 b/L = 0.45이상 확보하면 기준 안전율을 만족하며, 캔틸레버식 옹벽 대비 더 높은 높이의 옹벽 구조물을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 선반 길이가 길어짐에 따라 옹벽 단면 크기는 커지기 때문에 이는 경제적으로 불리할 수 있기 때문에 선반 길이는 최소 길이 기준을 제시하는 것이 더 합리적일 것이다. 따라서 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성을 종합적으로 고려했을 때 선반의 최적 길이는 최소 b/L = 0.45이상을 만족하는 것이 바람직하다고 판단된다.
- 옹벽 상부와 중심부를 비교했을 때 전도 안전율은 기준 안전율을 모두 만족하고 있고, 전도 안전율 증가율의 차이는 평균 약 17%로 크지 않다. 따라서 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성을 종합적으로 고려했을 때 선반의 최적 위치는 옹벽의 중심부(h/H = 0.50)가 가장 적절한 것으로 판단된다.
- 또한 선반 길이에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 56.51%의 활동 안전율 증가를 기대할 수 있으며, 모든 옹벽고에서 선반 길이는 b/L = 0.90일 때 활동에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 활동 안전율은 평균 2.
- 또한 선반 길이에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 약 122%의 전도 안전율 증가를 기대할 수 있고, 선반 길이는 b/L = 0.90일 때 전도에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다.
- 또한 선반 위치에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 46.22%의 활동 안전율 증가를 기대할 수 있으며, 모든 옹벽고에서 선반 위치가 h/H = 0.50일 때 활동에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 활동 안전율은 평균 2.
- 또한 선반 위치에 따른 선반식 옹벽은 캔틸레버식 옹벽에 비해 평균 98.33%의 전도 안전율 증가를 기대할 수 있고, 모든 옹벽고에서 선반 위치가 h/H = 0.67일 때 전도에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 전도 안전율은 평균 4.
- 0)을 만족하지 않고 있다. 또한 옹벽고 11m, b/L = 0.30인 경우 전도 안전율이 1.46(증가율 약 2%)으로 캔틸레버식 옹벽보다 증가하지만 기준 안전율을 만족하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 선반식 옹벽의 선반 길이는 최소 b/L = 0.
- 67일 때 전도에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 전도 안전율은 평균 4.20에서 평균 3.17으로 감소하지만, 옹벽고 11m에서 전도 안전율 증가율이 최대이고 모두 기준 안전율을 만족하기 때문에 높은 높이의 옹벽을 설계할 경우 캔틸레버식 옹벽보다는 전도 안정성 측면에서 유리한 옹벽 구조물이라 판단된다.
- 90일 때 전도에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 전도 안전율은 평균 4.64에서 평균 3.56으로 감소하지만, 옹벽고 11m에서 전도 안전율 증가율이 최대이고 짧은 선반(b/L = 0.30)을 제외하면 기준 안전율을 모두 만족하기 때문에 3.1.2절 (2)에서 언급하였듯이 높은 높이의 옹벽을 설계할 경우 캔틸레버식 옹벽보다는 전도 안정성 측면에서 유리하다고 판단된다.
- 50일 때 활동에 대해 가장 안정한 것을 확인할 수 있다. 또한 옹벽고가 8m에서 11m로 갈수록 활동 안전율은 평균 2.45에서 평균 1.90으로 감소하지만, 옹벽고 11m에서 활동 안전율 증가율이 최대이고 모두 기준 안전율을 만족하기 때문에 높은 높이의 옹벽을 설계할 경우 캔틸레버식 옹벽보다는 활동 안정성 측면에서 유리한 옹벽 구조물이라 판단된다.
- (1) 실단면 수치해석을 통해 파악한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽의 수평토압 분포를 이용하여 선반식 옹벽의 최적 선반 위치를 평가하였다. 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성 검토를 종합적으로 고려할 때 선반의 최적 위치는 옹벽의 중심부(h/H = 0.50)가 적절한 것으로 나타났다.
- 수평토압 감소효과와 활동 및 전도 안정성 검토에서 모두 선반은 긴 선반(b/L = 0.90)일 때 가장 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 선반 길이가 길어짐에 따라 옹벽 단면 크기는 커지기 때문에 이는 경제적으로 불리할 수 있기 때문에 선반 길이는 최소 길이 기준을 제시하는 것이 더 합리적일 것이다.
- 수평토압 감소효과와 활동 안정성 검토를 통해서 옹벽 중심부(h/H = 0.50)에 선반이 위치하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났지만, 전도 안정성 검토의 경우에는 옹벽 상부(h/H = 0.67)에 선반이 위치하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났다. 옹벽 상부와 중심부를 비교했을 때 전도 안전율은 기준 안전율을 모두 만족하고 있고, 전도 안전율 증가율의 차이는 평균 약 17%로 크지 않다.
후속연구
- (5) 본 연구에서는 기존 연구에서 사용한 모델을 수정 및 확장하여 실단면 수치해석을 수행하였고, 선반식 옹벽의 최적 선반 위치 및 길이를 제안하였다. 하지만 수치해석 모델의 검증 및 연구결과의 신뢰성을 높이기 위한 실제 시공현장에서의 현장계측값과의 비교 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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