이종현
(Department of Civil Engineering, Seoul National Univ. of Science and Technology)
,
오동욱
(Department of Civil Engineering, Seoul National Univ. of Science and Technology)
,
공석민
(Department of Civil Engineering, Seoul National Univ. of Science and Technology)
,
정혁상
(Department of Construction and Safety Engineering, Dongyang Univ.)
,
이용주
(Department of Civil Engineering, Seoul National Univ. of Science and Technology)
최근 보강토 공법은 구조적으로 안정성이 우수하고 경제성이 뛰어나 콘크리트 옹벽을 대체하는 공법으로 많이 사용되고 있으며, 옹벽뿐만 아니라 기초, 사면, 도로 등에 그 적용 범위가 다양하다. 그러나, 우수와 같은 침투수로 인해 전면 벽에서 충분한 안정성을 확보하지 못하여 붕괴, 배부름 현상 등의 피해가 발생할 수 있고, 특히 곡선부에서는 응력집중 현상에 의해 전면 벽의 균열 등의 문제가 추가적으로 일어날 수 있다. 이는 보강토 옹벽 곡선부에 대한 정확한 설계 기준이 미흡하고 부실시공을 하는데 원인이 있다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 보강토 옹벽의 피해사례를 통해 문제점을 파악하고 유한요소 수치해석을 통해 보강토 옹벽 설계를 위한 기초 연구로서, 옹벽의 형상(볼록형, 오목형)에 따른 직선부와 곡선부의 거동을 비교 분석하였다.
최근 보강토 공법은 구조적으로 안정성이 우수하고 경제성이 뛰어나 콘크리트 옹벽을 대체하는 공법으로 많이 사용되고 있으며, 옹벽뿐만 아니라 기초, 사면, 도로 등에 그 적용 범위가 다양하다. 그러나, 우수와 같은 침투수로 인해 전면 벽에서 충분한 안정성을 확보하지 못하여 붕괴, 배부름 현상 등의 피해가 발생할 수 있고, 특히 곡선부에서는 응력집중 현상에 의해 전면 벽의 균열 등의 문제가 추가적으로 일어날 수 있다. 이는 보강토 옹벽 곡선부에 대한 정확한 설계 기준이 미흡하고 부실시공을 하는데 원인이 있다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 보강토 옹벽의 피해사례를 통해 문제점을 파악하고 유한요소 수치해석을 통해 보강토 옹벽 설계를 위한 기초 연구로서, 옹벽의 형상(볼록형, 오목형)에 따른 직선부와 곡선부의 거동을 비교 분석하였다.
Recently, GRS (Geosynthetic Retaining Segmental) wall has been widely used as a method to replace concrete retaining wall because of its excellent structural stability and economic efficiency. It has been variously applied for foundation, slope, road as well as retaining wall. The GRS wall system, h...
Recently, GRS (Geosynthetic Retaining Segmental) wall has been widely used as a method to replace concrete retaining wall because of its excellent structural stability and economic efficiency. It has been variously applied for foundation, slope, road as well as retaining wall. The GRS wall system, however, has a weak point that is serious crack of wall due to stress concentration at curved part of it. In this study, therefore, behaviour of GRS wall according to shape of it, shich has convex and concave, are analysed and compared using Finite Element analysis as the fundamental study for design optimization. Results including lateral deflection, settlements of ground surface and wall obtained from 2D FE analysis are compared between straight and curved parts from 3D FE analysis.
Recently, GRS (Geosynthetic Retaining Segmental) wall has been widely used as a method to replace concrete retaining wall because of its excellent structural stability and economic efficiency. It has been variously applied for foundation, slope, road as well as retaining wall. The GRS wall system, however, has a weak point that is serious crack of wall due to stress concentration at curved part of it. In this study, therefore, behaviour of GRS wall according to shape of it, shich has convex and concave, are analysed and compared using Finite Element analysis as the fundamental study for design optimization. Results including lateral deflection, settlements of ground surface and wall obtained from 2D FE analysis are compared between straight and curved parts from 3D FE analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 보강토 옹벽의 합리적인 설계법을 확립하기 위한 기초 연구이자 선행연구에 대한 추가적 연구로서, 보강토 옹벽의 형상(볼록, 오목)을 3D 수치해석에서 모델링하여 벽체의 수평 변위, 침하량, 등의 거동 및 안전율을 분석하였다. 또한, 이를 평면 변형률 조건의 2D 수치 해석 결과와 비교･분석하였다.
본 연구는 보강토 옹벽의 피해 사례를 통해 문제점을 파악하고, 곡선부의 거동에 대한 기초 연구로서, 보강토 옹벽의 곡선부와 직선부의 거동을 정량적으로 비교･분석하였다. 또한, 옹벽의 형상에 따라 볼록형과 오목형 2가지 경우의 변수로 가정하여 곡선부와 직선부 및 주변 지반의 거동을 2D, 3D 유한요소 수치해석을 통해 분석하였다.
가설 설정
전술한 보강토 옹벽의 곡선부를 포함한 실제적인 거동에 대한 본 연구를 위해 유한 요소해석 프로그램인 Plaxis 2D와 3D를 사용하였으며, 볼록형과 오목형의 두 가지 Case로 나누어 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2016). 보강토 옹벽의 벽체는 실제 시공과 동일한 콘크리트 블록으로 모사하였으며, 블록 한 개당 높이 및 폭은 0.2m, 0.5m로 적용하였고 보강재 간 수직 간격은 실제 실무적인 점을 고려하여 0.4m로 가정하였다. 따라서 옹벽의 전체 높이는 한층 당 0.
4m로 가정하였다. 따라서 옹벽의 전체 높이는 한층 당 0.4m 씩 13층으로 일반적인 보강토 옹벽의 최소 높이인 5m 이상을 만족하는 5.2m로 가정하였다(Choi and Park, 2014). 보강재 길이는 (0.
원지반과 성토체의 구성 모델은 지반 파괴 거동 해석에 적합한 Mohr-Coulomb 모델을, 전면벽체에는 Linear-elastic 모델을 적용하였다. 수치해석의 모델링은 지반 조건, 경계 조건, 옹벽의 높이, 보강재 길이 등 모든 조건을 2D와 3D을 동일하게 가정하였다. 3D 수치해석의 곡선부 모델링에서는 90°의 각도로 곡률반경 6m를 적용하여 보강토 옹벽을 모사하였다.
제안 방법
파괴당시의 상황을 살펴보면, 옹벽의 지표면의 불투수층의 시공이 되지 않은 상태로서, 강우 시 지표수가 보강토체에 그대로 유입이 되어 보강토체에 유발된 수평 토압에 저항하는 저항력의 상실로 인해 붕괴되었다. 파괴 후 현장 조사에서 검토를 수행함에 있어 현장 상황을 고려 조사하였을 때 배수는 충분히 되었던 것으로 판단하였으므로 수압을 고려하지 않은 상태로 당초 설계 기준에 대한 검토를 수행하였다. 조사 결과, 본 옹벽은 내･외적 안정성은 만족하고 있으나 국부적 안정성 검토결과 중 보강재의 연결 강도에 대한 최소 안전율이 훨씬 못 미치는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 보강토 옹벽의 전체적인 안전율, 벽체의 수평 변위, 침하량 그리고 기초와 지표 침하를 분석하였으며, 뒤채움재의 내부마찰각을 30°와 35°로 나누어 수치해석을 진행하였다.
3D 수치해석의 곡선부 모델링에서는 90°의 각도로 곡률반경 6m를 적용하여 보강토 옹벽을 모사하였다.
전술한 보강토 옹벽의 곡선부를 포함한 실제적인 거동에 대한 본 연구를 위해 유한 요소해석 프로그램인 Plaxis 2D와 3D를 사용하였으며, 볼록형과 오목형의 두 가지 Case로 나누어 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2016). 보강토 옹벽의 벽체는 실제 시공과 동일한 콘크리트 블록으로 모사하였으며, 블록 한 개당 높이 및 폭은 0.
수치해석의 전반적인 흐름 및 시공 단계는 Fig. 6과 같 이 (1)기초터파기, (2)콘크리트 기초 설치, (3)첫째 단 블록 설치, (4)성토 및 다짐, (5)보강재 포설, (6)선행과정((3), (4)) 반복 작업, (7)성토 완료 후 하중 재하 방식으로 정의하였으며, 이 때, 성토체 한 단의 높이는 블록은 2개 (0.2×2=0.4m)높이로 정의하였고 보강재 포설은 참고서를 참고하여 실제 보강토 옹벽의 시공 과정과 동일한 방법으로 홀수 층과 짝수 층의 주 보강 방향을 교대로 포설하는 것으로 모델링을 정의하여(Korean Geosynthetic Society, 2010) 수치해석을 진행하였다.
마지막으로, 보강토 옹벽의 전체적인 안전율 분석과 기초 지반의 침하량을 분석하였으며, 상재 하중은 구조물 기초 설계 기준에서 제시하는 대표적인 10kN/m²의 등분포 하중을 재하하였다.
Fig. 5에서 나타내었듯이 보강토 옹벽의 수치 해석은 크게 2D 해석과 3D에서의 볼록형과 오목형 두 가지 분류로 나누어 해석을 진행하였다. Fig.
5에서 나타내었듯이 보강토 옹벽의 수치 해석은 크게 2D 해석과 3D에서의 볼록형과 오목형 두 가지 분류로 나누어 해석을 진행하였다. Fig. 4에서 보는 것처럼 각각의 보강토 옹벽 형상별 곡선 구간에서 하중 재하 시 각 구간별 벽체의 수평 변위와 지표 침하를 측정하기 위하여 구간을 3가지 Point(Point A, Point B, Point C)로 나누어 2D 해석과 비교하였고, 지표 침하의 경우 벽체로부터 1m 간격으로 측정하였다. 또한, 옹벽의 시작점으로부터 직선 부는 2m간격으로, 곡선부는 중간 지점과 곡선부 최 외측 부분까지 벽체 침하와 높이에 따른 수평 변위를 분석하였다.
4에서 보는 것처럼 각각의 보강토 옹벽 형상별 곡선 구간에서 하중 재하 시 각 구간별 벽체의 수평 변위와 지표 침하를 측정하기 위하여 구간을 3가지 Point(Point A, Point B, Point C)로 나누어 2D 해석과 비교하였고, 지표 침하의 경우 벽체로부터 1m 간격으로 측정하였다. 또한, 옹벽의 시작점으로부터 직선 부는 2m간격으로, 곡선부는 중간 지점과 곡선부 최 외측 부분까지 벽체 침하와 높이에 따른 수평 변위를 분석하였다. 마지막으로, 보강토 옹벽의 전체적인 안전율 분석과 기초 지반의 침하량을 분석하였으며, 상재 하중은 구조물 기초 설계 기준에서 제시하는 대표적인 10kN/m²의 등분포 하중을 재하하였다.
, 2006). 따라서 이에 대한 대안으로 유한요소해석 등의 수치 해석 기법을 이용한 사면 안정해석인 전단강도 감소 기법(Shear Strength Reduction Technique)을 이용한 안정 해석을 통해 수치 해석을 수행하였다. 전단강도 감소기법은 흙의 강도 정수인 \(\phi\)와 c 뿐만 아니라 인장강도가 구조물의 파괴가 발생할 때까지 감소되면서 안전율을 계산하는 방법이다.
또한. 도심지의 경우에는 미관적인 요소도 고려하여 설계한다. 국내에서는 한국도로공사에서 Table 5와 같이 보강토 옹벽 기초지반의 부등침하(침하량/벽체 길이 = ∆/L)에 대한 기준을 제시하고 있으며, 본 수치 해석을 통해 상재하중 재하 시의 2D와 3D 곡선부 기초지반의 부등침하를 분석하였고(Table 6) 제시된 기준에는 부합하는 것으로 나타났다.
본 연구는 보강토 옹벽의 피해 사례를 통해 문제점을 파악하고, 곡선부의 거동에 대한 기초 연구로서, 보강토 옹벽의 곡선부와 직선부의 거동을 정량적으로 비교･분석하였다. 또한, 옹벽의 형상에 따라 볼록형과 오목형 2가지 경우의 변수로 가정하여 곡선부와 직선부 및 주변 지반의 거동을 2D, 3D 유한요소 수치해석을 통해 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
보강재 길이는 (0.6∼0.8)H=4.2m이고(Lee, 2014) Elastic 모델로 100kN/m을 적용하였다(Lee et al., 2001).
수치해석에 사용한 뒤채움재는 Dense soil 로, 상대밀도 80%을 적용하였으며(Das, 2010), 이 상대밀도에 따른 뒤채움재의 단위중량(ϒt=15.88kN/m³)과 간극 비(e=0.712)는 기존 연구를 참고하여 적용하였다(Kim at el., 2012).
데이터처리
본 연구에서는 보강토 옹벽의 합리적인 설계법을 확립하기 위한 기초 연구이자 선행연구에 대한 추가적 연구로서, 보강토 옹벽의 형상(볼록, 오목)을 3D 수치해석에서 모델링하여 벽체의 수평 변위, 침하량, 등의 거동 및 안전율을 분석하였다. 또한, 이를 평면 변형률 조건의 2D 수치 해석 결과와 비교･분석하였다.
이론/모형
6m로 적용하였다(Lee, 2014). 원지반과 성토체의 구성 모델은 지반 파괴 거동 해석에 적합한 Mohr-Coulomb 모델을, 전면벽체에는 Linear-elastic 모델을 적용하였다. 수치해석의 모델링은 지반 조건, 경계 조건, 옹벽의 높이, 보강재 길이 등 모든 조건을 2D와 3D을 동일하게 가정하였다.
성능/효과
조사된 붕괴 원인으로는 25% 이상 세립분을 많이 함유한 풍화된 실트질토의 뒤 채움재의 사용, 높이 23m의 높은 보강토 옹벽을 지지하기엔 기초지반의 15∼20 정도로 낮은 N치 값 등이 조사되었다.
파괴 후 현장 조사에서 검토를 수행함에 있어 현장 상황을 고려 조사하였을 때 배수는 충분히 되었던 것으로 판단하였으므로 수압을 고려하지 않은 상태로 당초 설계 기준에 대한 검토를 수행하였다. 조사 결과, 본 옹벽은 내･외적 안정성은 만족하고 있으나 국부적 안정성 검토결과 중 보강재의 연결 강도에 대한 최소 안전율이 훨씬 못 미치는 것으로 나타났다. 이를 통해 보강토 옹벽의 특성상 블록과 보강재의 연결부에서 충분한 강도를 가지도록 설계가 이루어져야 함을 알수 있다(James, 2001).
따라서 앞서 언급한 수치 해석을 이용한 안전율 평가 방법을 통해 보강토 옹벽 성토 완료 후 하중 재하 시, 보강토 옹벽의 전체의 안전율을 2D해석을 통하여 Table 3에 나타내었다. 그 결과, 구조물기초설계기준에서 제시한 건기 시 사면활동안전율인 1.5 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 설계 시, 실제 보강토 옹벽의 형상에 따른 곡선부의 실제적인 거동을 고려한 해석에서 벽체 변위, 침하량 등이 볼록형, 오목형 그리고 2D 해석의 직선부와 다를 수 있으므로 3차원적인 물리적인 거동을 반영하는 해석과 설계 및 시공 기준이 필요하다고 판단된다.
본 연구의 수치 해석 결과, 조밀하고 주동 상태로서 변위가 가장 큰 \(\phi\)=30°의 경우 볼록 형의 옹벽 곡선부 중앙에서의 벽체 최상단의 회전 변위가 0.014로 안정성에는 적합하게 분석되었다.
11은 상재 하중 재하 시, \(\phi\)=30°의 경우 옹벽의 시작점부터 곡선부 중앙까지 직선부는 2m 간격으로, 곡선부는 중간 지점과 곡선부 최외측 부분까지 수평 거리별 전면 벽체의 침하량을 3D 해석을 통해 볼록형과 오목형을 비교하여 나타낸 것이다. 그 결과, 볼록형의 경우 곡선부 중앙 (Point C)에서의 침하량은 -63.5mm가 발생하였으며, 곡선부가 직선부보다 40%, 시작점보다 42% 증가하여 옹벽의 시작점으로부터 곡선부 중앙으로 갈수록 벽체의 침하량이 증가하는 경향을 알 수 있다. 반면, 오목형의 경우 곡선부와 직선부는 각각 -16.
(1) 유한요소해석 수치 해석 기법을 통한 사면 안정해석인 전단강도 감소기법을 이용하여 전체적인 안전율을 분석한 결과, \(\phi\)=30°, 35°의 경우 모우 구조물기초설계 기준에서 제시하는 건기 시 사면 활동 안전율인 1.5 이상을 만족하였다.
(4) 옹벽의 시작점부터 2m 간격의 수평 거리별로 벽체 침하를 분석한 결과, 볼록형 옹벽에서 오목형 옹벽보다 더 큰 침하가 발생하였고 \(\phi\)=30°의 볼록형 곡선부 중앙에서의 침하량은 직선부와 곡선부 시작점 대비 각각 40.1%, 42.4%가량 큰 것으로 나타났다.
(3) 벽체의 높이 2m, 4m지점에서의 옹벽의 시작점부터 수평 거리에 따른 벽체 수평 변위를 분석한 결과, \(\phi\)=30°, 35° 모두 모든 지점에서 벽체의 형상이 볼록형일 때 오목형 형상에 비해 더 큰 수평 변위가 발생하였고 \(\phi\)=30°의 경우 옹벽 높이 2m에서 볼록형 형상의 옹벽이 곡선부가 직선부에 비해 약 29% 증가하고 오목형 형상의 경우 곡선부가 직선부에 비해 약 83% 감소하는 경향을 보였다.
=30°의 볼록형 형상 곡선부 중앙의 벽체와 인접한 지표에서 최대로 발생하였다. 이는 오목형 곡선부가 볼록형 곡선부 보다 80% 작고 오목형 직선부 보다 81% 더 작은 지표 침하가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 볼록형의 경우 보강토체의 자중과 하중에 더불어 곡선부에서 측면토압이 발생으로 인해 더 많은 수평 변위가 발생되었다고 판단된다.
국내에서는 한국도로공사에서 Table 5와 같이 보강토 옹벽 기초지반의 부등침하(침하량/벽체 길이 = ∆/L)에 대한 기준을 제시하고 있으며, 본 수치 해석을 통해 상재하중 재하 시의 2D와 3D 곡선부 기초지반의 부등침하를 분석하였고(Table 6) 제시된 기준에는 부합하는 것으로 나타났다.
후속연구
(2009)는 곡선부의 경우 하중을 받으면 90도의 각도가 둔각으로 벌어지려는 경향을 가지게 된다고 언급하고 있다. 이는 본 연구의 수치해석에서도 유사한 경향이 발생하였으며, 이에 대해 2차원 평면 변형률 조건 (Plane Strain Condition)으로 해석하면 안 되는 3차원 형상을 가지는 특수한 부분에 대한 설계 및 시공기준이 필요하다고 판단된다. 또한, 곡선부의 경우 배부름 현상과 지반 침하에 대한 신중한 검토가 필요하며, 곡선부의 변형은 블록 간의 이격으로 인해 조립재 및 배면토 유실이 발생하므로 그에 대한 대책 검토가 필요하다
이는 직선부의 경우 2D 수치해석과 유사한 경향을 보여주지만, 2D 수치해석의 경우 곡선부를 고려하지 못할 뿐 만 아니라 볼록형과 오목형 형상에 따른 벽체 및 주변 지반의 거동 차이를 반영하지 못하고 있어 신뢰성이 낮을 것으로 판단된다. 따라서 보강토 옹벽 곡선부에 응력 집중되는 현상에 대해 2D 수치해석뿐만 아니라 벽체의 형상과 곡선부와 직선부에 따른 3차원적인 물리적인 거동을 반영하는 수치해석이 필요할 것으로 사료된다. 이와 함께 수치해석을 통하여 안정성 평가가 수행되어야 하고 시공관리 또한 주의 깊게 수행되어야 한다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강토 옹벽의 대표적인 설계법은?
보강토 옹벽의 대표적인 설계법을 살펴보면, FHWA (Federal Highway Administration) 방법과 NCMA(National Concrete Masonry Association) 방법이 있다. FHWA는 미 연방 도로국에서 제시하는 지침으로, 전면 벽체의 경우 패널식, 블록식 외에 다양한 형태의 전면 벽체가 사용될 수 있지만 NCMA의 경우 미국 석조 협회에서 제시하는 설계법이기 때문에 콘크리트 블록 형태의 전면 벽체에만 사용한다.
보강토 옹벽이란 무엇인가?
보강토 옹벽은 인장력과 마찰력이 큰 보강재를 성토체 사이에 수평으로 삽입하여 흙과 보강재간의 마찰력으로 성토체의 횡방향 변위를 억제해 안정성을 증가시키고 전 면을 수직 벽체로 지지하는 구조물이다. 국내에서는 1986년에 띠 형 보강재가 도입되면서 사용량이 증가하기 시작하였고 기존 콘크리트 옹벽의 대체 구조물로 그 역할을 하고 있으나, 아직까지 국내 기술자들의 보강토 옹벽에 대한 인식이 높지 않고 설계 기준이 통일되어 있지 않아 현장에서 크고 작은 문제가 나타나고 있다.
현행 보강토 공법의 설계기준이 미흡하여 생기는 문제점은?
최근 보강토 공법은 구조적으로 안정성이 우수하고 경제성이 뛰어나 콘크리트 옹벽을 대체하는 공법으로 많이 사용되고 있으며, 옹벽뿐만 아니라 기초, 사면, 도로 등에 그 적용 범위가 다양하다. 그러나, 우수와 같은 침투수로 인해 전면 벽에서 충분한 안정성을 확보하지 못하여 붕괴, 배부름 현상 등의 피해가 발생할 수 있고, 특히 곡선부에서는 응력집중 현상에 의해 전면 벽의 균열 등의 문제가 추가적으로 일어날 수 있다. 이는 보강토 옹벽 곡선부에 대한 정확한 설계 기준이 미흡하고 부실시공을 하는데 원인이 있다고 할 수 있다.
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