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문제 정의
- 대형재하시험 중 패널 옹벽 비탈면의 안정성을 확인하고 하중 재하에 따른 패널 및 지보재의 거동특성을 파악하기 위해 계측을 수행하였다. 계측은 재하판 하부 패널 2열에 대해서 수행되었으며 설치된 계측기의 제원과 배치는 Fig.
- 0m) 높이만큼 경사절취 후 패널을 적층하는 방식의 Semi Top-Down 방식이 적용되고 있어 최소한의 터파기, 되메움 및 다짐작업을 필요로 한다. 본 연구에서는 수직 절취가 가능한 높이를 고려함으로써 패널 1단(H=1.5m) 단위로 하는 완전한 Top-Down 방식의 시험시공을 실시하여 시공성을 확인하였다. 시험시공 순서는 Fig.
- 본 연구에서는 자연암반형 패널을 이용한 원지반 부착식 패널옹벽에 대한 실내시험, 현장시험시공, 대형재하시험을 실시하여 현장 적용성에 대한 평가를 수행하고 거통특성을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 대형재하시험은 전면벽체의 강성효과에 대한 연구결과를 바탕으로 실물크기의 비탈면 하중에 대한 거동특성을 확인하기 위하여 실규모의 비탈면에 대형재하시험을 실시하였다. 그리고 시공단계별 거동특성을 파악하기 위하여 계측기를 설치하였다.
- 대형재하시험에 앞서 하중재하에 대한 안정성을 확인하기 위하여 범용 사면안정 해석 프로그램인 v2.2(TERRASOL社, 1997)를 이용하여 옹벽 파괴에 근접한 적정 최대재하하중을 산정하였다. 또한, 수직절취 및 Top-Down 시공방법에 대한 현장 적용성을 평가하기 위하여 시험시공을 수행하였다.
- 대형재하시험은 전면벽체의 강성효과에 대한 연구결과를 바탕으로 실물크기의 비탈면 하중에 대한 거동특성을 확인하기 위하여 실규모의 비탈면에 대형재하시험을 실시하였다.
- 패널옹벽의 거동특성을 파악하기 위해서는 파괴 시까지 충분히 큰 하중재하를 필요로 하지만 재하시험 중 패널옹벽의 과도한 변위나 붕괴가 발생할 경우 재하시험 중 안전사고로 이어질 수 있으며 시험시공 배후비탈면의 붕괴로 시험 부지 전체 비탈면의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 한계평형해석을 통하여 적정 하중재하에 따른 시험시공 비탈면의 안정성 평가를 수행하였으며 비탈면이 붕괴되지 않는 최대하중을 산정하였다. 해석결과 재하하중 5,000kN에서 안전율 1.
- 2(TERRASOL社, 1997)를 이용하여 옹벽 파괴에 근접한 적정 최대재하하중을 산정하였다. 또한, 수직절취 및 Top-Down 시공방법에 대한 현장 적용성을 평가하기 위하여 시험시공을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Top-Down 방식을 적용함으로써 원지반 부착이 가능하고 수직굴착에 의해 토공량 발생을 최소화하며 부지활용을 극대화할 수 있도록 공정을 개선하였다. 현장시험시공을 통하여 Top-Down 방식에 대한 시공성 검증을 수행하였으며 대형재하시험을 통해 수직절취 및 원지반 부착에 대한 패널식 옹벽의 거동특성을 분석하였다.
- 시험시공 비탈면의 지반상태를 파악하기 위해 시추조사, 표준관입시험, 공내 전단시험 및 변형계수시험 등의 지반조사를 수행하였다. 지반조사결과 상부로부터 붕적층, 풍화토, 풍화암으로 구성되어 있으며 물리 및 역학적 특성치는 Table 1과 같다.
- 원지반 부착식 패널옹벽은 Fig. 1과 같이 콘크리트 표면의 직접노출을 방지하고 주변환경에 맞는 다양한 색감 및 암반질감 표현으로 경관성을 개선한 자연암반형 패널을 사용하였다. 또한, 실제 완전한 Top-Down 방식으로 시공이 가능하도록 개발된 공법이다.
- 자연암반형 패널을 이용한 원지반 부착식 패널옹벽의 거동특성을 분석하기 위해 현장 대형재하시험을 수행하였다. 대형재하시험은 전면벽체의 강성효과에 대한 연구결과를 바탕으로 실물크기의 비탈면 하중에 대한 거동특성을 확인하기 위하여 실규모의 비탈면에 대형재하시험을 실시하였다.
- 재하시험장치는 반력앵커시공 → 탄성받침대 및 재하판 설치 → 재하프레임 설치 → 상부재하판 설치 → 유압잭 및 Load cell 설치 → Support beam 및 Main beam 설치 → 가이드 빔 설치 및 반력앵커 연결 → 유압호스, 로드셀, LVDT 연결 → 재하시험 실시 순으로 설치되었다.
- 재하하중은 동일용량의 전자식 하중계와 Data logger를 이용하여 자동화 계측을 수행하는 것으로 계획하였다. 재하판의 침하량 측정에는 4개의 LVDT를 계획하였으며 LVDT는 재하판의 정확한 침하량을 측정하기 위하여 재하판 주변에 재하판과 별도로 지지되는 Guide beam을 설치한 후 재하판에 LVDT를 설치하고 Guide beam 과의 상대변위를 측정하도록 하였다. 재하장치 설치 계획도는 Fig.
- 재하시험장치는 최대시험하중을 예비해석에서 산정된 재하하중 5,000kN까지 재하할 수 있도록 5,000kN 용량의 유압잭 2개를 설치하였다. 재하하중은 동일용량의 전자식 하중계와 Data logger를 이용하여 자동화 계측을 수행하는 것으로 계획하였다. 재하판의 침하량 측정에는 4개의 LVDT를 계획하였으며 LVDT는 재하판의 정확한 침하량을 측정하기 위하여 재하판 주변에 재하판과 별도로 지지되는 Guide beam을 설치한 후 재하판에 LVDT를 설치하고 Guide beam 과의 상대변위를 측정하도록 하였다.
- 하중은 예비해석 결과를 토대로 최대 5,000kN으로 계획하였으며 1,000kN 단위로 총 5단계의 반복재하를 수행하였다.
- 본 연구에서는 Top-Down 방식을 적용함으로써 원지반 부착이 가능하고 수직굴착에 의해 토공량 발생을 최소화하며 부지활용을 극대화할 수 있도록 공정을 개선하였다. 현장시험시공을 통하여 Top-Down 방식에 대한 시공성 검증을 수행하였으며 대형재하시험을 통해 수직절취 및 원지반 부착에 대한 패널식 옹벽의 거동특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 시험시공은 충북 옥천군 청성면에 위치한 콘크리트 공장 배후비탈면에서 수행되었다. 패널옹벽의 설치규모는 횡 방향 폭 12.
- 패널옹벽의 설치규모는 횡 방향 폭 12.0m, 높이 4.7m로 1.5×1.5m 규격의 자연암반형 패널 24장이 시공되었으며 지보재는 기존 패널식 옹벽에서 일반적으로 사용되는 항복강도 400MPa, 직경 29mm의 이형 철근을 적용하였다.
성능/효과
- (1) 광파기 계측에 의한 변위 분석결과 재하하중 5,000kN에서 옹벽의 최대 수평변위는 17.0mm, 최대 연직변위는 18.0mm로 평가되었으며 옹벽높이에 대한 수평변위 발생량은 0.37%로 나타났다. 압축강도가 21MPa 이상인 현장타설 쏘일네일링 벽체의 경우 수평변위에 대한 계측관리기준을 일반적으로 벽체높이의 0.
- (2) 패널의 변위 발생 양상은 하중 초기에는 벽체 상단에서 변위가 크게 발생하나 하중이 증가할수록 벽체 중앙부에 최대 수평변위가 발생하는 경향을 나타내었다. 이는 원지반 부착식 패널옹벽의 경우 중앙부에 대한 중점관리가 필요하다 하겠다.
- (3) 하중계에서 측정된 쏘일네일링의 축력에 대한 분석결과 최대 발생 축력은 26.7kN으로 나타났다. 이는 쏘일 네일링의 설계축력(128.
- (4) 변형률계에서 측정된 하중 단계별 발생응력을 분석한 결과 쏘일네일링에서 발생한 최대 응력은 147,529kPa로 나타났고 하중으로 환산하면 94.82kN에 해당하는 값으로 시험시공에 적용된 쏘일네일링의 허용응력(300,000 kPa)의 49.18%, 설계축력(128.48kN)의 73.8%로 발생함에 따라 항복하중 도달 시에도 지보재의 안정성을 확보 하는 것으로 평가되었다.
- (5) 지중경사계에 의한 지중 변위 계측결과 심도 2.0m에서 최대수평변위는 15.68mm 발생하는 것으로 나타났으며 이후 패널 하부로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 패널 1열과 3열에 해당하는 심도에서 최대수평변위는 2열 최대수평변위의 90% 수준으로 발생하였다.
- 또한, 실제 완전한 Top-Down 방식으로 시공이 가능하도록 개발된 공법이다. 1.5m씩 원지반을 수직절취한 후 패널을 원지반에 직접 부착함으로써 비탈면 이완을 최소화할 수 있고 터파기 및 되메우기 공종을 생략하여 시공성을 개선하였다. 하향식 단계별 시공에 의해 고소작업이 감소되고 인력에 의한 되메움 작업이 없어 시공 중 안정성도 향상되었다.
- 쏘일네일링에서 발생한 최대 응력은 147,529kPa, 하중으로 환산하면 94.82kN으로 시험시공에 적용된 쏘일네일링의 허용응력(300,000kPa)의 49.18%, 설계축력(128.48kN)의 73.8%로 발생함에 따라 항복하중 도달 시에도 지보재의 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다.
- 37%로 나타났다. 압축강도가 21MPa 이상인 현장타설 쏘일네일링 벽체의 경우 수평변위에 대한 계측관리기준을 일반적으로 벽체높이의 0.2～0.4%로 규정하고 있는데 압축강도가 30MPa 이상인 원지반 부착식 패널옹벽은 외관상 패널의 균열은 없는 것으로 확인되었다. 이는 패널형 벽체가 공장배합에 의한 고강도 콘크리트를 사용함으로써 현장타설 벽체보다 상대적으로 강도와 강성이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 7(a)와 같다. 예비해석 결과를 토대로 산정된 재하하중 5,000kN 이내의 범위에서는 선형 탄성거동을 보이는 것으로 나타났으며 지반의 항복점은 나타나지 않았다. 하중재하 시 회복되는 탄성침하량과 잔류된 소성침하량에 대한 분석결과는 Fig.
- 원지반 부착식 패널옹벽에 대한 대형재하시험 결과를 종합해보면 중앙부 패널이 거동특성을 지배하는 것을 알 수 있었고 실제 시공 시 중앙부 패널에 대한 계측 및 시공관리 가 중요할 것으로 판단된다. 향후 패널옹벽의 품질, 시방 및 유지관리 기준을 확립하기 위해서는 항복하중 이상의 파괴거동에 대한 연구가 필요할 것이라 판단된다.
- 7kN으로 나타났다. 이는 쏘일 네일링의 설계축력(128.48kN) 대비 20.7%에 해당하는 하중으로 한계평형해석을 통해 비탈면 안정을 유지할 수 있는 최대 재하하중상태에서도 지보재의 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다.
- 지중경사계의 최대 변위를 패널 전면변위 분석 시 적용된 무차원계수인 변위비로 변환하면 변위비(δH_MAX/H)는 0.34%로 하중비 80% 상태의 패널의 변위비와 유사한 것으로 평가되었다.
- 0m까지 변위가 증가하다 하부로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 최대 수평변위는 패널 2열에 해당하는 심도 2.0m에서 15.68mm로 평가되었으며 1열과 2열에 해당하는 심도에서는 2열 대비 약 90% 수준의 수평변위가 발생하는 것으로 나타났다. 지중경사계의 최대 변위를 패널 전면변위 분석 시 적용된 무차원계수인 변위비로 변환하면 변위비(δH_MAX/H)는 0.
- 5m씩 원지반을 수직절취한 후 패널을 원지반에 직접 부착함으로써 비탈면 이완을 최소화할 수 있고 터파기 및 되메우기 공종을 생략하여 시공성을 개선하였다. 하향식 단계별 시공에 의해 고소작업이 감소되고 인력에 의한 되메움 작업이 없어 시공 중 안정성도 향상되었다. 그리고 토질 및 굴착면의 상태에 따라 발생할 수 있는 여굴에 대하여는 절취면과 패널 사이에 저유동성 몰탈을 타설하여 패널이 원지반과 완전히 일체화될 수 있도록 함으로써 패널의 작용하중을 지반에 고르게 분산시킬 수 있도록 하였다.
- Table 5에서 알 수 있듯이 하중 초기에는 벽체 상단에서 가장 큰 변위가 발생하나 하중이 증가할수록 벽체 중앙부에서 최대 수평변위가 발생하는 경향을 나타내었다. 항복하중 도달 시 벽체의 변위비는 최대 0.37%로 평가되었지만, 외관상 패널의 미세균열 및 주변지반의 인장균열 등은 발견되지 않았다.
- 따라서, 한계평형해석을 통하여 적정 하중재하에 따른 시험시공 비탈면의 안정성 평가를 수행하였으며 비탈면이 붕괴되지 않는 최대하중을 산정하였다. 해석결과 재하하중 5,000kN에서 안전율 1.01로 최소한의 안정성을 확보하는 것으로 평가되어 대형재하시험 시 최대하중을 5,000kN으로 결정하였다(Fig. 3).
후속연구
- 따라서, 본 연구를 통하여 측정된 변위비를 이용하여 향후 원지반 부착식 패널옹벽의 관리기준치를 설정하여 시공 중 자연암반형 패널 벽체의 안정성을 평가할 수 있는 중요 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 원지반 부착식 패널옹벽에 대한 대형재하시험 결과를 종합해보면 중앙부 패널이 거동특성을 지배하는 것을 알 수 있었고 실제 시공 시 중앙부 패널에 대한 계측 및 시공관리 가 중요할 것으로 판단된다. 향후 패널옹벽의 품질, 시방 및 유지관리 기준을 확립하기 위해서는 항복하중 이상의 파괴거동에 대한 연구가 필요할 것이라 판단된다.
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