朝 朝鮮 鮮 鮮大 大 大學 學 學校 校 校 大 大 大學 學 學院 院 院

2 2 20 0 00 0 08 8 8年 年 年 2 2 2月 月 月 碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文

옹

옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 안 안 안전 전 전성 성 성 및 및 및 경 경 경제 제 제성 성 성 평 평 평가 가 가에 에 에 관 관 관한 한 한 연 연 연구 구 구

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목 목 목 차 차 차

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제

제111장장장 서서서론론론 ···111 111...111연연연구구구개개개요요요 및및및 목목목적적적 ···111 111...222연연연구구구배배배경경경 및및및 동동동향향향 ···222 111...333연연연구구구방방방법법법 및및및 범범범위위위 ···444 제

제

제222장장장 옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 이이이론론론적적적 배배배경경경 ···666 222...111옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 공공공학학학적적적 특특특성성성 ···666

2 2

2...111...111옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 개개개요요요 ···666 2

2

2...111...222옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 종종종류류류와와와 특특특성성성 ···777 2

2

2...111...333옹옹옹벽벽벽에에에 작작작용용용하하하는는는 토토토압압압 ···111111 2

2

2...111...444토토토압압압이이이론론론 ···111444 2

2

2...111...555지지지하하하수수수위위위가가가 옹옹옹벽벽벽에에에 미미미치치치는는는 영영영향향향 ···111999 222...222옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 안안안전전전성성성 및및및 경경경제제제성성성 ···222111

2 2

2...222...111외외외적적적 안안안전전전성성성 ···222111 2

2

2...222...222내내내적적적 안안안전전전성성성 ···222444 2

2

2...222...333균균균열열열에에에 따따따른른른 안안안전전전성성성 ···222999 2

2

2...222...444옹옹옹벽벽벽 구구구조조조물물물의의의 경경경제제제성성성 ···333555 제

제

제333장장장 옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 안안안전전전성성성 및및및 경경경제제제성성성 평평평가가가방방방법법법 ···444111 333...111안안안전전전성성성 평평평가가가방방방법법법 ···444111

3 3

3...111...111건건건설설설교교교통통통부부부 기기기준준준안안안 방방방법법법 ···444111 3

3

3...111...222퍼퍼퍼지지지논논논리리리를를를 이이이용용용한한한 방방방법법법 ···444777 333...222경경경제제제성성성 평평평가가가모모모델델델 ···555111

3 3

3...222...111LLLCCCCCC의의의 비비비용용용항항항목목목과과과 할할할인인인율율율 및및및 분분분석석석절절절차차차 ···555111 3

3

3...222...222LLLCCCCCC분분분석석석기기기법법법 ···555333

3 3

3...222...333신신신뢰뢰뢰성성성 프프프로로로파파파일일일(((RRRBBBPPP)))구구구성성성 ···555555 3

3

3...222...444경경경제제제성성성 평평평가가가방방방법법법 ···555666 제

제

제444장장장 적적적용용용 및및및 분분분석석석 ···555888 444...111평평평가가가방방방법법법의의의 사사사례례례적적적용용용 ···555888 444...222옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 안안안전전전성성성평평평가가가 비비비교교교 분분분석석석 ···555999

4 4

4...222...111외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 신신신뢰뢰뢰성성성해해해석석석 결결결과과과 분분분석석석 ···555999 4

4

4...222...222외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 유유유지지지관관관리리리조조조치치치시시시기기기 결결결과과과 분분분석석석 ···666777 4

4

4...333옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 경경경제제제성성성 분분분석석석(((LLLCCCCCC)))결결결과과과 비비비교교교 ···666888 4

4

4...333...111외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성지지지수수수 평평평가가가 ···666888 4

4

4...333...222외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성분분분석석석(((LLLCCCCCC)))평평평가가가 ···777111 제

제

제555장장장 결결결 론론론 ···888333 참

참

참고고고문문문헌헌헌 ···888444

그 그 그 림 림 림 차 차 차 례 례 례

그 그

그림림림 222...111중중중력력력식식식 옹옹옹벽벽벽 ···777 그

그

그림림림 222...222캔캔캔틸틸틸레레레버버버식식식 옹옹옹벽벽벽 ···888 그

그

그림림림 222...333부부부벽벽벽식식식 옹옹옹벽벽벽 ···888 그

그

그림림림 222...444석석석축축축 옹옹옹벽벽벽 ···999 그

그

그림림림 222...555보보보강강강토토토 옹옹옹벽벽벽 ···111000 그

그

그림림림 222...666주주주동동동 및및및 수수수동동동상상상태태태 토토토압압압의의의 MMMooohhhrrr원원원 ···111444 그

그

그림림림 222...777안안안정정정 계계계산산산 시시시 CCCooouuulllooommmbbb의의의 토토토압압압 계계계산산산 방방방법법법 ···111666 그

그

그림림림 222...888벽벽벽체체체 설설설계계계 시시시 CCCooouuulllooommmbbb의의의 토토토압압압 계계계산산산 방방방법법법 ···111777 그

그

그림림림 222...999벽벽벽체체체 설설설계계계 시시시 RRRaaannnkkkiiinnneee의의의 토토토압압압 계계계산산산 방방방법법법 ···111999 그

그

그림림림 222...111000옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 외외외적적적 안안안전전전성성성 계계계산산산 ···222222 그

그

그림림림 222...111111건건건설설설사사사업업업에에에서서서 경경경제제제성성성분분분석석석의의의 생생생애애애주주주기기기비비비용용용(((LLLCCCCCC)))···333555 그

그

그림림림 222...111222시시시설설설물물물의의의 일일일반반반적적적인인인 LLLCCCCCC 비비비용용용항항항목목목 ···333666 그

그

그림림림 222...111333최최최적적적안안안 선선선정정정기기기법법법의의의 절절절차차차 ···333777 그

그

그림림림 222...111444LLLCCCCCC분분분석석석기기기법법법의의의 도도도입입입시시시기기기와와와 비비비용용용절절절감감감 가가가능능능성성성 ···333777 그

그

그림림림 333...111옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물에에에 대대대한한한 안안안전전전성성성 평평평가가가 개개개념념념도도도 ···444222 그

그

그림림림 333...222건건건설설설사사사업업업에에에서서서의의의 LLLCCCCCC의의의 분분분석석석절절절차차차 ···555333 그

그

그림림림 444...111(((aaa)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 파파파괴괴괴가가가능능능성성성 평평평가가가 ···666111 그

그

그림림림 444...111(((bbb)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 파파파괴괴괴가가가능능능성성성 평평평가가가 ···666222 그

그

그림림림 444...222(((aaa)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 구구구조조조성성성능능능 평평평가가가 ···666333 그

그

그림림림 444...222(((bbb)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 구구구조조조성성성능능능 평평평가가가 ···666444 그

그

그림림림 444...333(((aaa)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 신신신뢰뢰뢰성성성지지지수수수 평평평가가가 ···666555 그

그

그림림림 444...333(((bbb)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 신신신뢰뢰뢰성성성지지지수수수 평평평가가가 ···666666 그

그

그림림림 444...444(((aaa)))유유유지지지관관관리리리전전전략략략수수수준준준에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성분분분석석석 평평평가가가 ···666999 그

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그림림림 444...444(((bbb)))유유유지지지관관관리리리전전전략략략수수수준준준에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성분분분석석석 평평평가가가 ···777000 그

그

그림림림 444...444(((ccc)))유유유지지지관관관리리리전전전략략략수수수준준준에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성분분분석석석 평평평가가가 ···777111 그

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그림림림 444...555(((aaa)))사사사후후후유유유지지지관관관리리리에에에 의의의한한한 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 평평평가가가 ···777333

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그림림림 444...555(((bbb)))사사사후후후유유유지지지관관관리리리에에에 의의의한한한 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 평평평가가가 ···777444 그

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그림림림 444...777(((aaa)))사사사후후후 및및및 예예예방방방유유유지지지관관관리리리의의의 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 비비비교교교 평평평가가가 ···777888 그

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그림림림 444...777(((bbb)))사사사후후후 및및및 예예예방방방유유유지지지관관관리리리의의의 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 비비비교교교 평평평가가가 ···777999 그

그

그림림림 444...888(((aaa)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 평평평가가가 ···888000 그

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그림림림 444...888(((bbb)))외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 생생생애애애주주주기기기비비비용용용분분분석석석 평평평가가가 ···888111

표 표

표 차 차 차 례 례 례

표 표

표 222...111높높높이이이에에에 따따따른른른 옹옹옹벽벽벽의의의 형형형식식식 ···111000 표

표

표 222...222흙흙흙의의의 정정정지지지토토토압압압 계계계수수수(((김김김상상상규규규,,,111999999666)))···111222 표

표

표 333...111철철철근근근콘콘콘크크크리리리트트트 옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 내내내구구구성성성 조조조사사사항항항목목목(((건건건설설설교교교통통통부부부,,,222000000333)))···444111 표

표

표 333...222옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물에에에 대대대한한한 안안안전전전성성성 평평평가가가의의의 점점점검검검 및및및 조조조사사사항항항목목목 ···444333 표

표

표 333...333철철철근근근콘콘콘크크크리리리트트트옹옹옹벽벽벽에에에 대대대한한한 결결결함함함 등등등급급급 및및및 결결결함함함지지지수수수의의의 산산산출출출방방방법법법 ···444444 표

표

표 333...444옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물에에에 대대대한한한 상상상태태태평평평가가가 등등등급급급산산산정정정 기기기준준준(((건건건설설설교교교통통통부부부,,,222000000333)))···444444 표

표

표 333...555옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 상상상태태태등등등급급급별별별 평평평가가가기기기준준준(((건건건설설설교교교통통통부부부,,,222000000333)))···444555 표

표

표 333...666옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 내내내적적적 안안안전전전성성성 평평평가가가기기기준준준(((건건건설설설교교교통통통부부부,,,222000000333)))···444666 표

표

표 333...777옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 외외외적적적 안안안전전전성성성 평평평가가가기기기준준준(((건건건설설설교교교통통통부부부,,,222000000333)))···444666 표

표

표 333...888옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 상상상태태태 및및및 안안안전전전성성성평평평가가가 등등등급급급 판판판전전전 기기기준준준 ···555000 표

표

표 333...999LLLCCCCCC분분분석석석을을을 위위위한한한 건건건설설설사사사업업업의의의 비비비용용용항항항목목목 ···555111 표

표

표 333...111000실실실질질질할할할인인인율율율에에에 대대대한한한 변변변화화화의의의 추추추이이이 ···555222 표

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표 333...111111경경경제제제성성성 평평평가가가 등등등급급급판판판정정정 기기기준준준 ···555777 표

표

표 444...111적적적용용용 구구구조조조물물물의의의 제제제원원원 ···555888 표

표

표 444...222사사사례례례옹옹옹벽벽벽에에에 대대대한한한 유유유지지지관관관리리리조조조치치치별별별 LLLCCCCCC 분분분석석석결결결과과과 ···555888 표

표

표 444...333외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 옹옹옹벽벽벽구구구조조조물물물의의의 신신신뢰뢰뢰성성성해해해석석석 결결결과과과 비비비교교교 분분분석석석 ···555999 표

표

표 444...444외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 유유유지지지관관관리리리조조조치치치시시시기기기 비비비교교교 분분분석석석 ···666777 표

표

표 444...555외외외관관관상상상태태태 등등등급급급에에에 따따따른른른 경경경제제제성성성지지지수수수 평평평가가가 ···666888 표

표

표 444...666외외외관관관상상상태태태 등등등급급급 및및및 유유유지지지관관관리리리 수수수준준준에에에 따따따른른른 생생생애애애주주주기기기비비비용용용 평평평가가가 비비비교교교분분분석석석 ···777222 표

표

표 444...777유유유지지지관관관리리리수수수준준준에에에 따따따른른른 구구구조조조성성성능능능프프프로로로파파파일일일 평평평가가가 ···777222 표

표

표 444...888유유유지지지관관관리리리수수수준준준에에에 따따따른른른 신신신뢰뢰뢰성성성프프프로로로파파파일일일 평평평가가가 ···777555 표

표

표 444...999유유유지지지관관관리리리수수수준준준에에에 따따따른른른 파파파괴괴괴확확확률률률프프프로로로파파파일일일 평평평가가가 ···777555

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Yun,Hyunju

Advisor:Prof.Ahn,Jong-Pil,Ph.D.

DepartmentofCivilEngineering, GraduateSchoolofChosunUnivercity

Intheigningandconstructingprocessofcurrentconstructionprocdeure, theautomaticsystem hasbeen settled with computerization and various modeling ofengineering method based on themathematicaland physical laws.However,in the safety assessment methods followed by facility maintenancemanagement,as the depletion and damageoffacility have many obscureaspectsanddamaging factors,wecouldnotovercome the limitofhuman capacity thatlargely dependson theresearcher’spersonal judgment.Becauseofthis,itisessentialtodevelopassessmentmethodby which we can induct more specific and reasonable assessment and judgmentbased on the research and testdata ofprofessionals on the safetyassessmentofretainingwall.

Considering theproblemsofpreviousmethodsrelatedtothesafety and economical assessment of retaining wall structures, I would like to suggest a methodology that can tell the safety level of structures introducing fuzzy logic in the safety assessment of retaining wall structures,and analyze and compare itwith the previous methods by applying case studies. Furthermore, assuming that it is replaced or repairedinapropertime,IcalculatedthetotalLifeCycleCost(LCC),and

as a strategic system formaintenance,by comparing and analyzing the economic index of both the pre-maintenance and after-maintenance,I would like to make a process through which we can measure the maintenance expenses in a quantitative way and suggestnew economic assessmentmethodthatisquantitativeandobjective.

제 제

제1 1 1장 장 장 서 서 서 론 론 론

1 1 1. . . 1 1 1연 연 연구 구 구개 개 개요 요 요 및 및 및 목 목 목적 적 적

시설물을 수평토압으로부터 보호하기 위한 시설물인 옹벽구조물은 준공 후 시간이 경과함에 따라 외적 하중,기후적 요인 및 재료 열화 등 여러 가지 원인에 의해서 손상을 받게 되고 그 기능이 약화되게 된다.이 때문에 설계 시 목표했던 내구수명 기간 동안에 시설물을 사용하기 위하여 안전성,사용 성 및 내구성을 확보하기 위한 적절한 유지관리 대책의 수립 및 시행이 필요 하다.이와 같은 일련의 유지관리 업무를 효율적으로 수행하고 옹벽구조물의 내구수명을 연장하기 위해서는 합리적이고 체계적인 유지관리 목표 및 세부 전략이 요구된다.

최근에는 재해로 인한 사고 및 피해를 줄이고자 하는 목적 하에 시설물의 안전관리에 관한 특별법에서도 일정 이상의 조건에 해당하는 옹벽구조물을 2 종 시설물로 관리하도록 개정한 바 있고,세부지침에 옹벽구조물의 점검 및 진단의 내용과 방법 등이 규정되어 있다.또한 설계에 있어서도 내진설계의 요건이 강화되고 있으며,구조물의 안전성과 내구성을 향상시키기 위한 보수 보강 공사와 내진성능을 향상시키기 위한 내진보강공사 등이 활발하게 이루 어지고 있는 실정이다.

이와 같은 상황에서 옹벽구조물의 안전성을 평가하기 위한 안전진단 기법 과 유지관리 전략수립을 위한 경제성 평가 기법에 관한 연구들이 건설교통 부,건설교통기술연구원,시설안전기술공단 및 대학연구소 등에서 과거에 비 해 활발하게 수행되고 있다.그 방법론으로 기존의 확정론적 방법을 벗어나 신뢰성 이론에 다른 확률론적 방법이나 퍼지이론에 의한 상태평가 기법 또는 인공신경망 이론에 의한 안전성 평가 기법 등 평가기법의 다양화가 시도되고 있다.

반면에 현행 건설교통부에서 마련한 옹벽구조물의 구조적 노후도 및 구조 안전성을 조사하기 위한 상태평가는 원형적 모델만을 제시하고 있으므로 실 질적인 구조적 성능평가를 수행하지 못하고 있으며,이와 같은 평가방법들은

정성적인 평가방법에 머물고 있어 옹벽구조물의 유지관리 전략의 우선순위 결정을 위해서는 보다 객관적이고 정량적인 구조성능 및 안전성 평가기준이 필요한 실정이다.또한 옹벽구조물의 보수․보강 및 개축 판정의 전제 조건 인 안전진단의 경제성 평가방법은 초기투자비용만을 고려하고 있으며,정량 화되지 못한 평가기준으로 인해 객관성이 결여되고,수명연장이 가능한 옹벽 구조물의 경제적 가치를 간과하고 있는 문제점을 가지고 있으므로 이에 대한 개선 또한 요구된다.

따라서 본 연구에서는 먼저 옹벽구조물의 안전성 및 경제성 평가와 관련된 기존 방법들의 문제점을 고찰해 보고,옹벽구조물의 안전성 평가에 퍼지논리 (Fuzzy Logic)를 도입하여 구조 안전성 등급을 판정하는 방법론을 제시하고 사례적용을 통해 기존 방법과 비교․분석해 보고자 한다.또한 옹벽구조물의 공용기간 동안 교체 가능 시한에 교체와 보수․보강을 하는 것으로 가정하여 총 생애주기비용(LCC;LifeCycleCost)을 산정함과 동시에 유지관리를 위한 전략체계로서 예방유지관리와 사후유지관리시의 경제성지수를 비교․분석해 봄으로써 유지관리비용을 정량적으로 검토할 수 있는 프로세스구축과 동시에 정량적이고 객관성이 확보되는 새로운 경제성 평가방법을 제시하고자 한다.

1 1 1. . . 2 2 2연 연 연구 구 구배 배 배경 경 경 및 및 및 동 동 동향 향 향

구조물은 인간의 필요에 의하여 설계․시공되므로 구조물이 완성된 후,사 용자가 안전하고 쾌적하게 이용할 수 있는 기능 및 성능을 유지하여야 한다.

그러나 대부분의 구조물은 사용기간 동안 끊임없이 반복되는 하중작용과 주 변환경에 의하여 구성재료가 열화 또는 손상되므로 최적 조건하에서도 설계 시의 기능을 점차적으로 상실하여 간다.구조물에 발생하는 각종 열화현상과 손상은 구조물의 기능 및 목표성능 등의 감소를 수반하므로 손상정도에 따라 서는 인명과 재산권을 위협하는 대형 붕괴사고의 원인이 되기도 한다.

구조물을 보다 경제적으로 유지 관리하고 잔존수명을 연장시키기 위해서는 정기적인 점검과 진단을 통하여 구조물의 이력을 체계적으로 관리하여야 한 다.우리나라는 최근까지 급속한 인구증가와 경제성장으로 인해 사회간접시 설의 확충이 가속화되어 왔으며,그 결과 도로나 택지 등 여러 간접시설물이

건설되어 이용되고 있다.옹벽구조물 또한 그러한 사회간접시설의 하나로서, 구릉지나 산악지형이 많은 국내 여건에 비추어 볼 때 옹벽 구조물의 빈번한 시공은 당연한 현상이다.

그러나 짧은 기간 동안 다수 각양의 옹벽 구조물을 축조하는 과정에서 필 연적으로 일부 구조물의 부실화가 발생하였으며,특히 옹벽은 일종의 토류 구조물로서 지형,지질,기후 및 기상 등 옹벽에 영향을 미칠 수 있는 외적 환경이 매우 다양할 뿐만 아니라 기상이변이나 홍수 등 예기치 못한 외력이 작용하여 옹벽 구조물에 중대한 문제를 유발할 수도 있다.이 때문에 철저한 안전점검과 함께 중요한 영향 요인들을 정확히 분석하고 평가하여 옹벽 구조 물의 설계 및 시공 과정에 반영함으로써 대비책을 마련하는 것이 바람직하지 만,현재의 경제적 및 기술적 여건상 옹벽 구조물과 그 주변 지반의 거동에 따라 발생할 수 있는 옹벽 구조물의 복합적 손상과 붕괴 예측이 매우 어려운 실정이다.

따라서 차선책으로 시공 이후에 옹벽 구조물에 발생하는 일련의 손상 상태 를 통해 현 상태를 파악하고,적절한 보수 보강 대책을 마련함으로써 예상하 지 못한 손상과 붕괴에 대하여 옹벽의 안전성을 확보하는 작업에 초점이 맞 추어지고 있다.그러나 국내의 경우 이러한 진단 및 원인규명에 활용할 수 있는 명확한 이론과 방법이 충분하게 마련되지 못한 실정이며,전문가에 따 라 많은 개인차를 보임으로써 판정결과가 정성적이고 주관적이다.또한 구조 물의 열화 및 노후화는 다양한 영향인자가 복합적으로 작용하여 발생하기 때 문에 이를 정량적으로 수치화한다는 것이 그리 손쉬운 일이 아니며,경우에 따라서는 손상원인 규명과 보강대책 수립을 위하여 고도의 공학적 판단이 요 구되기도 한다.

또한 현재까지 건설분야의 설계 및 시공단계에 있어서는 수학적․물리적 법칙에 기초해서 만든 다양한 공학적 기법의 모델링과 전산화에 의해 자동화 시스템의 개발이 정착단계에 도달하였으나,시설물의 유지관리에 따른 안전 진단기법에 있어서는 구조물의 열화․손상 등이 매우 다양한 손상인자와 불 확실성을 내포하고 있기 때문에 조사자의 주관에 크게 의존하는 인간의 한계 를 극복하고 있지 못한 실정이다.이 때문에 옹벽 구조물의 안전진단에 따른 전문가의 조사자료 및 시험자료 등을 토대로 하여 보다 체계적이고 합리적인

평가와 판단을 추론할 수 있는 평가기법의 개발이 필수적인 것이다.

이러한 관점에서 백영석,이용일(1983)의 중력식 옹벽의 신뢰성에 관한 연 구 및 정태송,조효남,전재명(1983)의 신뢰성이론에 의한 R.C옹벽의 안정해 석 및 설계규준에 관한 연구 등 확률론적 방법의 기초연구가 이루어진바 있 고,인공신경망을 이용한 옹벽구조물의 안전성 평가에 관한 연구로는 류성기 (2000)의 인공신경망 이론에 의한 옹벽구조물의 안전성 평가분석에 관한 연 구 및 김병진(1997)의 다단계 민감도분석 및 인공신경망을 이용한 구조물 손 상평가기법에 관한 연구들이 있다.

또한 옹벽구조물의 신뢰성 이론에 따른 안전성 평가기법의 보다 구체적인 연구로는 윤병조(1997)의 점추정법에 의한 옹벽구조시스템의 신뢰성 해석과 정용윤(1988)의 신뢰성 이론에 의한 보강토옹벽의 안정해석에 관한 연구 등 이 있으며,시설물의 경제성 평가기법과 관련된 것으로는 안종필,이증빈,박 주원,유덕찬(2007)의 안벽구조물의 확률론적 VE/LCC 분석모델 적용방안과 안종필,박주원,유덕찬(2007)의 퍼지 신뢰성 이론에 의한 방파제의 VE/LCC 분석모델과 같은 최근 연구결과들이 있다.선진 외국에서는 외관조사 결과로 부터 옹벽 구조물의 안전성 평가 등급을 설정하는 방법을 구체화하고 주관적 이고 정성적인 정보를 효율적으로 다루는 수학적 방법인 퍼지집합 이론을 이 용한 구조물의 안전성 평가에 대한 Hines,J.(1997)의 연구 등이 활발히 진행 되고 있는 실정이다.

1 1 1. . . 3 3 3연 연 연구 구 구방 방 방법 법 법 및 및 및 범 범 범위 위 위

옹벽구조물의 외관조사,비파괴시험 및 구조해석 등을 통한 면밀한 안전성 평가 결과를 토대로 보수․보강 및 교체 등의 유지관리 계획은 구조부재의 안전성,기능성,노후도 및 경제성 등을 종합적으로 고려하여 실시하게 된다.

본 연구는 형식적으로 실시되고 있는 현행 보수․보강 및 교체의 안전진단 내용과 과정 등을 재검토하여 바람직한 유지관리 전략의 판정기준을 제공하 기 위하여 수행되었다.

유지관리 전략을 위한 경제성 평가는 크게 두 부분으로 나누어져 수행된 다.첫 번째 경제성평가는 구조 안전성평가에서 도출된 구조부재에 대한 보

수보강의 경제성을 평가하는 것이고,두 번째 평가는 성능향상을 포함한 개 보수의 경제성을 평가하는 것으로서 종합판정을 위한 등급판정을 수행한다.

본 연구에서는 안전진단에 의한 안전성등급에 따른 구조부재의 보수 보강비 용을 고려한 두 번째에 해당하는 경제성평가를 대상으로 한다.

본 연구는 옹벽구조물의 유지관리 전략수립을 위한 안전성 평가 시에 적용 가능한 경제성 평가방법을 제시하는 것을 연구범위로 하며 연구의 진행방법 은 다음과 같다.

(1)옹벽구조물중 L형 옹벽의 노후화와 현행 안전성 평가에서의 경제성 평가 방법에 대한 예비적 고찰을 한다.

(2)기존의 평가방법의 문제점과 새로운 평가방법의 필요성을 고찰하여 새로 운 경제성 평가방안을 제안한다.

(3)새로운 경제성 평가에 필요한 LCC분석은 본 연구에서 개발한 Retaining WallLCC 프로그램을 사용한다.

(4)퍼지논리에 의한 상태 및 구조안전성 평가는 Matlab Fuzzy Toolbox를 이용한다.

(5)LCC분석에 필요한 신뢰성지수 및 파괴확률 산정은 Kanda(1991)의 신뢰 성 해석방법에 따른다.

(6)제안된 평가방법을 사례에 적용하고,기존 평가방법과의 비교 분석을 통 하여 경제성 평가의 타당성을 검증한다.

제 제 제2 2 2장 장 장 옹 옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 이 이 이론 론 론적 적 적 배 배 배경 경 경

2 2 2. . . 1 1 1옹 옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 공 공 공학 학 학적 적 적 특 특 특성 성 성

2 2

2. . . 1 1 1. . . 1 1 1옹 옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 개 개 개요 요 요

옹벽 구조물은 절토나 성토만으로는 현재의 사면을 안전하게 유지할 수 없 는 경우나 지표면이 급경사 또는 수직으로 큰 단차를 이루는 경우에 사면의 안전성을 확보하기 위해 이용되는 토목 구조물이다.옹벽은 공사의 안전성, 경제성 및 시공성 등에서 안전 경사도보다 급한 경사도로 절토 및 성토할 필 요가 있는 경우에 만들어지는데 도심지에 성토에 의한 도로공사의 경우 옹벽 을 만들어 도로의 점유폭이 적어지고 용지 및 가옥 보상비가 대폭으로 절약 되며,성토에 의한 택지 조성의 경우에도 옹벽 시공에 의하여 토지를 효율적 으로 이용함으로써 보다 많은 택지를 조성할 수 있는 장점이 있다.옹벽은 사용 용도를 정리하면 다음과 같다.

․ 산악부에 있어서 옹벽을 설치하지 않으면 사면 길이가 대단히 길어지는 경우 등 지형 지질의 제약을 받는 경우

․ 강우나 하천에서 절토나 성토의 사면 끝을 방호하는 경우

․ 터널 갱구 부근의 절토의 안전을 유지하거나,교대나 칼버트 장치부분의 성토의 안전을 유지하는 경우

․ 용지 폭의 제한에서 사면을 마련할 수가 없는 경우나 사면 길이가 규정대 로 확보되지 않는 경우

․ 현장 주변의 상황에서 사면을 설치할 수 없는 경우

옹벽과 기타 구조물의 차이점은 다른 구조물의 주요한 하중이 군중하중이 나 윤하중 등의 인간 활동에 따라 생기는 것에 비해 옹벽에 있어서 중요한 하중은 토압이며,배면 형상이 매우 다양하다.또한 교대나 교각 등의 구조물 은 최대 변위량이 제약되는 경우가 많으나 옹벽에서는 통상 변위에 대한 제

약 조건이 심하지 않고,옹벽 구조물은 길이 방향으로 긴 경우가 많으며,높 이가 변화되는 경우가 많다는 점 등이 있다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 2 2 2옹 옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 종 종 종류 류 류와 와 와 특 특 특성 성 성

옹벽은 지형 및 지반의 상태,성토높이,용지 및 시공조건 그리고 구조물의 중요도 등에 따라 분류되고 있지만 일반적으로 사용빈도가 높은 것은 중력식 옹벽,캔틸레버식 옹벽,부벽식 옹벽 및 석축 옹벽 등이다.

가 가

가...중중중력력력식식식 옹옹옹벽벽벽

중력식 옹벽은 그림 2.1과 같이 무근콘크리트 구조물로써 작용 토압에 대 하여 자중으로 안정을 지지하며,벽체와 저판 사이에 발생하는 인장응력을 철근 없이 콘크리트의 허용인장력으로 저항하기 때문에 토압이 큰 사면에는 설치하지 않는 것이 좋다.또한 저판 하부에 매우 큰 응력이 작용하기 때문 에 지반이 약한 곳에는 사용이 곤란하며,벽체 높이가 4～5m 정도 이하의 경 우에 이용되고 있다.

그림 2.1중력식 옹벽

나 나

나...캔캔캔틸틸틸레레레버버버식식식 옹옹옹벽벽벽

캔틸레버식 옹벽은 그림 2.2와 같이 벽체와 가상배면 사이의 토사를 자중 으로 이용하는 옹벽으로서 다른 형식에 비하여 경제적이며 가장 많이 사용되 고 있는 형식이다.캔틸레버식 옹벽은 역 T형 옹벽과 L형 옹벽으로 나눌 수 있는데,밑판 후면의 성토중량을 옹벽의 자중으로 유효하게 이용할 수 있고 철근 콘크리트 구조이므로 중력식 옹벽에 비하여 부채 단면이 작아진다.일

반적으로 5～10m 정도 높이에 사용되며 기초지반은 비교적 양호한 곳이 바 람직하지만 연약지반에도 시공할 수 있는 장점이 있다.

(a) 역 T형 옹벽 (b) L형 옹벽

그림 2.2 캔틸레버식 옹벽

다 다

다...부부부벽벽벽식식식 옹옹옹벽벽벽

옹벽의 높이가 6-10m 이상으로 높게되면 토압이 과대하여 캔틸레버식 옹 벽으로는 단면이 매우 커져 비경제적인 설계가 된다.이를 해결하기 위해 벽 체 전면 또는 후면에 부벽을 설치하여 연직벽 및 저판의 단면을 줄이는 형식 을 말한다.부벽식 옹벽은 그림 2.3과 같이 3～4m 간격으로 세로벽과 바닥판 을 결합시켜주는 부벽(버팀벽)을 설치하여 세로벽과 후팅의 강성을 높인 것 이다.얇은 콘크리트 슬래브(slab)를 일정한 간격으로 설치하므로 10m 이상의 높이에서 캔틸레버 옹벽에 비하여 경제적이나 거푸집,철근의 조립,뒤채움 흙의 다짐 등 시공이 복잡한 단점이 있다.

세로벽 버팀벽

그림 2.3부벽식 옹벽

라 라

라...석석석축축축 옹옹옹벽벽벽

석축 옹벽은 그림 2.4와 같이 배후의 원지반이 단단한 경우나 배후의 성토 재가 양호한 경우에 사용되며,토압이 작을 것으로 예상되는 경우에 한하여 높이 5m 정도까지 적용되는 간이 옹벽이다.석축에 사용되는 석재는 철근이 나 시멘트와 같은 옹벽재료에 비해 값이 싸고 쉽게 생산될 뿐 아니라,시공 비가 저렴한 장점이 있으나 이것은 토질역학에 기초하여 설계된 것이 아니고 경험에 의해 표준도를 작성하여 석축시공의 기준으로 제시하고 있으므로 중 요 구조물인 경우에는 사용되지 않는다.

∼

최소

지표면

콘크리트 3종

물구멍

뒷채움 콘크리트 뒷채움 자갈

0.0M - 3.0M

6.0 -

3.0M M

그림 2.4석축 옹벽

마 마

마...보보보강강강토토토 옹옹옹벽벽벽

보강토 공벽은 그림 2.5와 같이 보강띠를 설치하고 뒷채움 지반을 다져서 일정한 높이로 성토하며 그 위에 다시 보강띠를 설치하는 작업을 반복수행하 여 일정한 규모의 지지구조물 즉,보강토 옹벽을 축조하는 공법을 말한다.이 것은 콘크리트 철근으로 보강하는 것과 같은 개념이며 지반이 지지하지 못하 는 인장력을 보강띠가 부담하게 하는 것이다.

보강토 옹벽은 전면판과 보강재의 순차적 조립에 의해 건설되기 때문에 옹 벽 구조물의 높이가 높고 공사물량이 클수록 공기의 단축과 공사비의 절감효

과가 상승한다.보강띠는 대체로 54㎛ 두께로 가열해서 아연도금한 판형 또 는 굴곡형의 강철띠이며 대개 폭 40～120mm,두께 3～5mm의 치수를 갖는 다.

그림 2.5보강토 옹벽

이러한 옹벽들은 옹벽의 목적과 높이,그리고 구조물의 중요도에 따라 적 절한 형식을 선택하여야 한다.한국 도로공사(1992)에서는 옹벽의 높이에 따 라 표 2.1과 같은 옹벽의 형식을 채택할 것을 추천하고 있다.

표 2.1 높이에 따른 옹벽의 형식

형 식 옹벽의 높이 (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 중력식 옹벽

반중력식 옹벽 비자립식 옹벽 캔틸레버식 옹벽 뒷부벽식 옹벽 앞부벽식 옹벽

2 2

2. . . 1 1 1. . . 3 3 3옹 옹 옹벽 벽 벽에 에 에 작 작 작용 용 용하 하 하는 는 는 토 토 토압 압 압

가

가...토토토압압압(EarthPressure)의의의 일일일반반반 개개개념념념

토압은 연직방향으로 작용하는 것과 횡방향으로 작용하는 것의 둘로 나눌 수 있고,연직방향의 토압은 지표면이 수평면인 경우 흙의 단위 중량에 구하 고자 하는 깊이를 곱하여 간단히 추정할 수 있으나 횡방향의 토압은 변위의 방향과 크기에 따라 현저히 다르다.옹벽 구조물의 설계나 안정계산에 있어 서 토압을 산정하는 것은 이론상의 토압으로서 구조물의 안정성에 크게 영향 을 미치기 때문에 신중하게 산정되어야 하나 이론상의 토압과 실제 토압간에 는 차이가 발생될 수 있으며,그 원인은 다음과 같다.

․ 토압 이론 전개상에 있어서 몇 가지의 가정을 설치한다는 점.

․ 옹벽 배면의 형상이 일치하지 않는다는 점.

․ 배면이 성토의 경우와 절토의 경우가 있다는 점.

․ 배면토의 정확한 물성치 파악이 곤란하고,강우,지하수,풍화 등의 영향 에 따라 배면토의 물성이 변화된다는 점.

․ 도로공사와 같은 현장에 있어서는 뒤채움 흙이 되는 흙의 특성 파악이 곤 란한 경우가 많다는 점.

․ 뒤채움 흙이 동일하더라도 시공조건이 다르면 토압도 다르다는 점.

나 나

나...정정정지지지 토토토압압압

정지토압은 지반의 수평변위가 없는 경우,즉 자연지반 상태에서 작용하는 수평응력을 말하며,이때의 토압계수를 정지토압계수( )라 하고 식 2.1과 같이 나타낼 수 있다.

0

= σ

σ

여기서,

σ

σ

Terzaghi는 1930년대에 많은 실험을 통하여, ₀는 흙이 균질한 경우 깊이 에 따라서 거의 일정한 값을 나타냄을 보였다.따라서 지층이 균질하다면 정 지상태의 토압은 지층의 깊이에 따라 직선적으로 증가하므로 토압분포는 삼 각형 모양임을 쉽게 알 수 있다. ₀의 값은 3축 압축 시험에서 수평방향의 변위를 0으로 조절함으로써 결정할 수 있으며 대표적인 흙의 ₀의 값이 표 2.2에 나타나 있다.

표 2.2 흙의 정지토압 계수(김상규,1996)

1 PI 활성도 ₀

포화된 느슨한 모래 포화된 촘촘한 모래 다져진 잔적점토(1) 다져진 잔적점토(2)

비교란된 유기질 및 실트질 점토 교란된 카올린(Kaolin)

비교란된 해성점토(Oslo) Quickclay

- - - - 74.0

61 37 34

- - - - 28.6

38 21 24

- - 9.3 31 45.4

23 16 10

- - 0.44 1.55 1.2 0.32 0.21 0.18

0.46 0.36 0.42 0.66 0.57 0.66 0.48 0.52

0의 산정은 흙의 강도정수와 상관관계가 있는데,정규압밀된 흙에 대한

0는 다음과 같이 구할 수 있다.

0

= 1- sinø

여기서,ø는 흙의 내부마찰각이다.

그리고 과압밀된 흙의 ₀는 정규압밀된 흙보다 큰 값을 갖는데,Mayne 과 Kulhawy (1982)등은 점토에서 자갈에 이르는 170여종의 흙에 대한 실내

실험결과를 바탕으로 다음과 같이 제안하였다.

0

= (1- sinø)

일반적으로 변위가 거의 허용되지 않는 강성도가 큰 벽체,예컨대 암반위 에 고정 설치한 중력식 옹벽,라이닝이 두꺼운 복개터널,속채움한 박스형의 지지구조물,그리고 부벽식 옹벽등에는 정지토압이 작용하는 것으로 간주하 는데,여기서 박스형 지지구조물과 부벽식 옹벽에서는 부분적인 설계에만 정 지토압을 적용하며,안전성을 검토할 때에는 주동토압을 적용한다.(이상덕, 1996)

다 다

다...주주주동동동 및및및 수수수동동동토토토압압압

옹벽 구조물의 배면에 흙이 채워져 있는 경우,그 구조물은 흙으로 인한 압력 때문에 변위를 수반하게 된다.따라서 뒤채움내 흙의 한 요소는 정지상 태에 있지 않고 체적변화가 일어난다.만일 옹벽이 횡방향의 압력에 의해 바 깥쪽으로 움직인다면,뒤채움 흙은 횡방향의 팽창을 일으키게 된다.이러한 팽창이 점점 커지면 어느 순간에는 파괴가 일어나게 되는데,이 때의 토압을 주동토압(activeearth pressure)이라고 한다.또한 옹벽의 배면쪽으로 움직이 면 뒤채움 흙은 압축을 받게 되며 이 압축이 커져서 흙이 파괴될 때의 토압 을 수동토압(passiveearthpressure)이라고 한다.

그림 2.6에서와 같이 주동 및 수동상태의 토압은 Mohr원으로 표시할 수 있 다.정지상태의 Mohr원은 파괴포락선 아래에 그려지므로,지반응력이 정지상 태에 있다면 그 지반은 안정하다는 것을 알 수 있다.옹벽이 바깥쪽으로 이 동하면

σ

σ

(a) 주동상태

Active Condition

At-Rest Condition Failure

Plane

Failure Plane

A

σ'_v σ'_h

σ'_h

B

Φ

σ' τ

C

(b) 수동상태 C

τ _Failure

Plane

Failure Plane

Φ

Passive Condition σ'_h σ'_v σ'_h

A

B At-Rest

Condition

σ'

그림 2.6주동 및 수동상태 토압의 Mohr원

2 2

2. . . 1 1 1. . . 4 4 4토 토 토압 압 압이 이 이론 론 론

가

가...CCCooouuulllooommmbbb의의의 토토토압압압이이이론론론

Coulomb(1773)은 토압에 대한 이론을 최초로 발표하였는데,일명 흙쐐기 이론이라고도 한다.Coulomb이론에서는 옹벽과 뒤채움 흙과의 마찰을 고려 한다.이 마찰을 벽면마찰이라고 하고 벽면마찰각 δ는 직접전단시험에 의하

여 결정될 수 있으며,느슨한 모래인 경우는 ø값과 거의 같고,조밀한 모래에 서는 일반적으로 ø값보다 작다.

Coulomb의 토압은 뒤채움 토중의 파괴면을 따라 쐐기형의 토괴가 활동낙 하 될 때의 힘의 균형 관계에서 옹벽 배면에 작용하는 힘을 구하는 방법으로 서 벽면에 직접 작용되는 토압을 취급하며 벽면의 기울기나 벽면 마찰각도 임의로 설정되기 때문에 여러 가지 조건하에서의 토압에 적용된다.Coulomb 의 토압이론에서는 평면활동을 따라 활동은 일으키는 흙쐐기의 힘의 평형을 생각하며,다음과 같이 가정하였다.

․ 지반은 사질토이며 점착력은 나중에 고려한다.

․ 벽체는 뒷굽 하단을 중심으로 회전하며,이에 따라 벽체 뒤의 지반이 활 동 파괴면을 따라 움직인다.상재하중이 없고 균질한 지반에서는 토압이 삼각형 분포를 나타낸다.

․ 활동 파괴면은 평면이다.일반적으로 주동 토압은 평면 활동파괴면을 적 용하여도 결과에 크게 영향을 미치지 않으나 수동상태에서는 곡면 활동 파괴면을 평면 활동 파괴면으로 가정하면 오차가 크다.즉 수동상태에서 는 활동파괴면은 곡면이다.

․ 벽체와 지반사이의 벽 마찰각의 크기는 알려져 있다.

․ 활동파괴면에서는 완전한 마찰이 작용하며,활동파괴면에 작용하는 힘 Q 는 활동파괴면의 법선에 내부마찰각만큼 기울여서 작용한다.

단위 폭마다의 벽면에 작용하는 Coulomb의 주동토압계수 는 다음과 같다.

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  ⋅   

^

^  (2.4)

여기서, :주동 토압계수,^φ:뒤채움 흙의 내부마찰각 α :옹벽 배면과 수직면이 이루는 각

β :뒤채움 지표면과 수평면이 이루는 각 δ :벽마찰각 (통상 ²_3⋅^φ를 쓴다.)

φ<β이면 실용상 ^φ_{= β}로 하여 공식의 분모 우항 _{{ }}²을 1로 하면 되 지만 치가 과대하게 산출되며,^φ값은 보통 가정치로 설계하는 경우가 많 으므로 신중히 고려해야 한다.토압의 작용방향은 지표가 수평일 때도 ^δ만큼 경사지게 작용하게 되고,벽면 정상부에 큰 연직하중이 작용하여 벽체가 침 하하는 등의 경우에는 ^δ_<0로 될 수 있으며,이때에는 주동토압이 50%정도 증가하여 작용 방향도 _{- δ}만큼 경사지게 된다.

옹벽 구조물의 안정 계산 시 Coulomb의 토압 계산 방법은 그림 2.7과 같 고,뒷굽이 긴 경우에는 연직가상배면에 토압을 작용시키므로 ^는 ^{  }로 하 여 계산하며 토압의 작용방향은 ^각을 이루고 작용한다.

옹벽 구조물의 설계 시 Coulomb의 토압 계산 방법은 그림 2.8과 같다.이 때 ^{ ≦ }일 경우 ^의 값이 과대하여 지므로 벽체설계 시 ^{  }로 하여 설계함 이 좋고,느슨한 모래에서는 ^δ_≒φ,조밀한 모래에서는 ^δ_<φ의 관계가 있으며, 흙과 매끄러운 금속면과의 마찰각은 _{ ≒ }^이다.또한 흙과 흙의 마찰각은

  이고,흙과 콘크리트 면과의 마찰각은 _{  }^이며,배면토와 벽면과의 마찰 각은 _^를 최대치로 함과 동시에 마찰계수는 ^의 tan 값으로서 즉,^{  }이 다.

3

⋅ γ⋅

β

δ

δ 3 θ+ δ

⋅ γ⋅

β

θ

a)뒷굽이 긴 캔틸레버식 옹벽 b)뒷굽이 짧은 중력식 옹벽 그림 2.7안정 계산 시 Coulomb의 토압 계산 방법

Coulomb의 토압 계산 방법에서 옹벽 구조물의 안정 계산 시 토압 계산식

은 다음과 같다.

→ = 12⋅ ⋅ γ⋅ ²

→ = ×cosδ

→ = ×sinδ

→ = 12⋅ ⋅ γ⋅ ²

→ = ×cos(δ+ θ)

→ = ×sin(δ+ θ)

(2.5)

3

⋅ γ⋅

β

δ

δ 3 θ+ δ

⋅ γ⋅

β

θ

a)뒷굽이 긴 캔틸레버식 옹벽 b)뒷굽이 짧은 중력식 옹벽 그림 2.8벽체 설계 시 Coulomb의 토압 계산 방법

Coulomb의 토압 계산 방법에서 옹벽 구조물의 벽체 설계 시 토압 계산식 은 다음과 같다.

→ = 12⋅ ⋅ γ⋅ ²

→ = ×cosδ

→ = ×sinδ

→ = 12⋅ ⋅ γ⋅ ²

→ = ×cos(δ+ θ)

→ = ×sin(δ+ θ)

(2.6)

나 나

나...RRRaaannnkkkiiinnneee의의의 토토토압압압이이이론론론

Rankine의 토압 이론은 지반 내의 미소요소를 생각하고,이 미세 요소의 소성 평형상태(plastic equilibrium)에서의 응력을 고려한 이론으로서 이 때 소성 평형상태란 흙 내부의 한 면을 따라 파괴가 막 일어나려고 하는 상태를 말한다.

Rankine의 토압이론은 다른 영향요소에 대한 고려 없이 흙 속의 토압만을

다루므로 벽체에 별도의 하중이 작용하는 경우나,벽체와 지반사이에 마찰력 이 존재하는 경우에는 오차발생의 소지가 있다.따라서 Rankine의 토압이론 은 토층에서의 응력상태를 취급할 수 있으므로 캔틸레버 옹벽의 가상 배면에 작용하는 토압과 같이 토층에서 토압을 간편하게 산정하는 등 경우에는 적용 되나 벽면에 직접 작용하는 토압에는 적용되지 않는다.

Rankine의 토압이론에서 무한토체에서 임의의 미세 흙요소의 응력상태를 고려할 때 미세 흙요소에 작용하는 모든 힘이 평행상태에 있으므로 흙요소의 상하면에 작용하는 연직방향의 힘과 연직인 측면에 작용하는힘은 항상 지표 면에 평행한 방향으로 작용해야 한다.

또한 토압은 깊이에 비례하여 증가하므로 토압의 합력 는 벽체의 하부 1/3지점에 작용하고 세 힘 즉 활동파괴면의 저항력 Q,토압 ,자중 G의 작 용선은 활동파괴면상의 한 점과 만나야한다.Rankine의 토압이론은 벽체에 별도의 하중이 작용하는 경우나 상재하중이 작용하는 경우에는 고려할 수 없 다.벽체의 뒷면이 연직이고,토압의 작용과 뒷채움 지반이 평행인 α=0,δ=β 인 경우를 Rankine의 상태라고 하며,이 때는 Rankine의 이론과 Coulomb의 이론의 결과가 일치하고 토압은 완전해가 된다.

옹벽을 설계할 경우 옹벽의 뒤채움 흙의 점착력은 무시하는 경우가 많으 며,지표면도 수평이 아니라 경사된 경우가 많다.따라서 이때 사용되는 단위 폭마다의 벽면에 작용하는 Rankine의 주동토압계수 및 토압계산식은 다 음과 같다.

= cosβ⋅ cosβ- cos²β- cos²φ

cosβ+ cos²β- cos²φ (2.7a)

주동토압의 합력 : _{= 12⋅ ⋅ γ⋅} ² (2.7b) 토압의 수평분력 : _{= ×cosβ} (2.7c) 토압의 연직분력 : _{= ×sinβ} (2.7d)

토압의 작 용 점 : _{0= 3} (2.7e)

옹벽 구조물에 있어 Rankine의 토압 계산 방법은 그림 2.9와 같다.

3 β

β

β

⋅ γ⋅

그림 2.9벽체 설계 시 Rankine의 토압 계산 방법

2 2

2. . . 1 1 1. . . 5 5 5지 지 지하 하 하수 수 수위 위 위가 가 가 옹 옹 옹벽 벽 벽에 에 에 미 미 미치 치 치는 는 는 영 영 영향 향 향

일반적으로 옹벽의 설계시 수압에 대해서는 옹벽이 침수되거나,하천 또는 댐 저수지 내에 설치하는 옹벽이 아닌 이상,옹벽 배후의 물은 배수시설에 따라 충분히 배수되는 것으로 생각하기 때문에 보통 고려의 대상이 안된다.

그러나 옹벽의 붕괴를 유발하는 것은 대부분 수압으로써 강우,침투수 등에 의해 수위가 갑자기 증가하였을때 옹벽은 불안정한 상태가 된다.

만일 옹벽 배면에 지하수위가 존재하는 경우 배수시설이 전혀 안되어 있다 고 가정하면 수압의 분포는 삼각형 분포를 나타내며,이 합력이 옹벽의 활동 과 전도를 일으키는 힘으로 작용한다.또한 저판 바닥에도 수압이 작용하는 데,그 크기는 뒷굼치에서 앞부리쪽으로 직선적으로 감소한다고 가정한다.

옹벽에 수압이 작용한다면 옹벽의 안정조건에서 수압을 포함하여 안전율을 계산하여야 한다.따라서 이와 같은 경우에는 안전율이 현저히 떨어져 옹벽 설계시 옹벽의 단면과 치수가 매우 커지게 되므로 비경제적인 시공이 된다.

그러므로 실무에서는 수압에 대하여는 고려하지 않고 배수시설에 더욱 역점 을 두게 된다.

따라서 배수관을 옹벽에 필히 설치해야 한다.세립토를 뒤채움 재료로 사 용한다면 옹벽에 주는 토압이 사질토에 비해 훨씬 커지므로 가능한 한 사용

하지 않는 것이 경제적이다.가장 이상적인 뒤채움 흙은 세립토나 유기질을 함유하지 않은 사질토이다.그러나 토압에 관계없이 호우시에는 일시적으로 수압이 작용할 수 있기 때문에 뒤채움의 배수에 대해서는 심각히 고려해야 한다.옹벽 뒤에 두는 배수시설은 뒤채움 흙의 투수계수와 밀접한 관련이 있 다.

배수가 잘 되는 사질토를 뒤채움으로 사용할 경우에는 1.5m～4.5m 간격으 로 약 15cm 직경의 물구멍을 벽체를 통해 뚫거나 파이프를 매설하여 한쪽 방향으로 배수시켜야 한다.한국도로공사(1992)에서는 뺵옹벽 배면의 배수를 위하여 용이하게 배수할 수 있는 높이에 적어도 직경 10cm 정도의 배수공을 약 4m 간격으로 설치하며,또 부벽 사이에 적어도 한 개의 배수공을 설치한 다 뺶고 규정하였다.

만일 세립토가 포함된 사질토라면 이와 같은 배수시설에 추가적으로 연직 한 방향으로 필터재료를 둔다.이 필터는 30cm 평방 정도로 하고 물구멍의 중간마다 하나씩 설치하는 것이 좋다.세립토인 경우에는 30cm 두께의 필터 를 옹벽 배면을 따라 연직하게 설치하거나 경사지게 설치하여야 하며 팽창성 점토인 경우에는 이중 브랭킷 배수시설을 한다.

옹벽 전면에 배수시설,배수관 등을 설치하거나 저판 앞면에 U형 측구,우 수받이 등을 설치함으로써 유효단면의 감소가 있는 경우에는 다음과 같은 주 의를 요한다 (한국도로공사,1992)

․ 가정하는 단면에서 옹벽 블록 사이의 단면 감소의 합계(



길이 L의 6% 이하로 되게 가능한 한 골고루 분포시키도록 한다.이와 같이 하면 철근 간격을 조절하는 등의 조치만으로 충분하며 별도로 보강할 필요는 없다.

․ 위의 제한을 넘을 경우에는 단면 감소가 있는 부분의 응력 계산을 하여 필요하면 철근으로 보강을 하여야 한다.옹벽 축조 후 오랜 지간이 지나면 배수시설이 막혀서 그 기능을 상실할 수가 있으므로 수시로 점검을 하여야 한다.

2 2 2. . . 2 2 2옹 옹 옹벽 벽 벽구 구 구조 조 조물 물 물의 의 의 안 안 안전 전 전성 성 성 및 및 및 경 경 경제 제 제성 성 성

옹벽의 안전성 검토는 외적 안전성(활동,전도 및 지반지지력 등)과 내적 안전성(콘크리트 강도,철근량,균열 및 파손 등)으로 구분할 수 있다.옹벽은 기초 지반의 지지력 부족,과대한 외력의 작용에 따라 활동,경사 및 전도 등 이 발생하여 구조물의 기능을 손실하는 경우가 있고,옹벽 자체의 설계와 시 공에 문제는 없어도 옹벽을 포함한 지반 전체가 원호 활동을 일으켜서 구조 물의 파손이 발생하는 경우도 있다.

또한 철근콘크리트 재료 등의 내부적 결함에 의한 부분적 붕괴 가능성을 포함한다.특히 콘크리트의 균열은 옹벽 구조물의 내외적 손상과 결함에 대 한 판정의 중요한 지표로서 고려된다.이와 같은 내외적 결함상태를 발생시 키지 않기 위해 구조물로서의 안전성을 확인하여 옹벽의 기능이 손실되지 않 도록 할 필요가 있으며,본 절에서는 구체적으로 옹벽의 외적 안전성과 내적 안전성 및 균열에 따른 안전성 등으로 구분하여 고찰해 보고자 한다.

2 2

2. . . 2 2 2. . . 1 1 1외 외 외적 적 적 안 안 안전 전 전성 성 성

가

가...활활활동동동에에에 대대대한한한 안안안전전전성성성

그림 2.10에서와 같이 옹벽을 전방으로 활동시키려고 하는 힘은 토압의 수 평성분이고 이것에 저항하는 힘은 옹벽 저면과 기초 지반 사이에 발생하는 마찰력으로서 옹벽은 활동에 대해 안전성을 가져야 한다.옹벽의 저판과 그 아래에 있는 흙의 마찰각을 δ라고 하면 활동에 대한 안전율 는 다음과 같 이 나타낼 수 있다.

_활동력

저항력

⋅⋅

_

 _⋅⋅

(2.8) 여기서,^Σ :저판 하면에 대한 전수직 하중

Σ :저판 하면에 대한 전수평 하중 :옹벽의 자중

:토압 합력의 수직 성분 :토압 합력의 수평 성분

tanδ :옹벽 저면과 기초 저면 사이의 마찰각 :옹벽 저면과 기초 저면 사이의 점착력

:옹벽 저판 폭

활동에 대한 기준 안전율은 평상시 _{= 1.5},지진시 _{= 1.2}로서 소요 의 안전율이 확보되지 않는 경우 저판폭을 넓게 하여 안전율을 올리거나 저 판에 돌기를 설치하여 안전율을 확보한다.

W Ph

Pv P

그림 2.10옹벽구조물의 외적 안전성 계산

나 나

나...전전전도도도에에에 대대대한한한 안안안전전전성성성

그림 2.10에서와 같이 옹벽에는 토압의 수평 성분에 따라 전도되려고 하는 모멘트와 토압의 수직 성분이나 자중 등에 따라 그것에 저항하려고 하는 모 멘트가 작용하며,평상시에 있어서 뒤꿈치면이 떠오르지 않게 하기 위하여 자중과 토압 등의 합력이 저면의 중앙 1/3에 있어야 한다.옹벽은 전도에 대 해 안전해야 하며 다음의 식으로 계산된다.

^ 



(2.9) 여기서, :저항모멘트의 합계, :전도 모멘트의 합계

전도에 대한 안전율은 위의 식 2.9를 참고로 하여 수평성분과 수직성분으 로 나누어 계산하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

_ _  

․ 

(2.10) 여기서, 와 :주동토압의 수평 및 수직성분

a,y와 f:각 성분에 대한 팔길이이다.

전도에 대한 안전율은 1.5～2보다 큰 값을 가져야 한다.

다 다

다...지지지반반반 지지지지지지력력력에에에 대대대한한한 안안안전전전성성성

옹벽 toe에서 압력은 허용 지지력 이내라야 하며,저판 아래의 압력이 직선 분포를 한다고 가정하면 저판이 받는 최대 및 최소응력은 다음과 같은 식으 로 나타낼 수 있다.기초 지반의 지지력에 대한 안전은 기초의 지반반력이 지반의 허용지지력 이하인가 여부에 따라 판정한다.또한 편심(e)은 항상 중 심에서 B/6보다 작아야 한다.

  

_

 ± 

 (2.11)

여기서, σ :저판이 받는 최대 최소반, :합력 R의 수직성분 B :저판의 폭, e:편심거리

지반의 지지력에 대한 안전율은 평상시 _{= 3},지진시 _{= 2}로 한다.

라 라

라...옹옹옹벽벽벽을을을 포포포함함함한한한 주주주변변변 지지지반반반 전전전체체체의의의 안안안전전전성성성

지반에 연약층을 포함한 경우나 사면의 절벽지대에 설치할 때 배면 성토가

높은 경우는 옹벽 자체의 설계․시공이 양호하더라도 연약층의 압밀침하에 수반되는 부등침하나 측면변위 또는 옹벽을 포함한 지반 전체의 원호활동이 발생하여 옹벽이 변위되거나 파손되는 경우가 있다.옹벽에서 발생할 수 있 는 파괴는 앞서 논의한 활동,전단,지지력 이외에도 얕은 전단파괴와 깊은 전단파괴가 있다.

흙에서의 얕은 전단파괴는 뒷부리를 지나는 원형면을 따라 발생한다.원의 중심은 점 O에 위치하며 이 점은 시행착오법으로 찾을 수 있다.이 파괴형태 는 활동면을 따라 초래된 과도한 전단응력의 결과로서 발생한다.일반적으로, 활동에 대한 안전율이 1.5보다 크다면 저부 아래의 전단파괴는 발생하지 않 는 것으로 본다.

깊은 전단파괴는 활동면을 따라 발생하며,이것은 옹벽의 높이의 약 1.5배 의 깊이에 연약층이 존재하기 때문이다.임계 활동면은 점 O와 같은 다양한 중심을 가지고 시행착오법을 행함으로서 결정될 수 있다.완만한 뒷채움 경 사를 가지는 옹벽에 대한 깊은 전단파괴에 대한 안전율은 다음과 같은 식으 로 나타낼 수 있다.









여기서,



__와 _ :호 ab,bi와 id의 길이

__와 _ :각 층의 점착력이고

∑^{( sin )＋} :전체 활동력을 의미한다.

2 2

2. . . 2 2 2. . . 2 2 2내 내 내적 적 적 안 안 안전 전 전성 성 성

일반적으로 옹벽은 수평으로 밀리거나 침하,기울어짐에 따라 불안전의 요 인들이 가속화되고 이에 따른 균열과 변형(배부름)현상의 발생으로 인해 붕 괴를 야기할 수 있다.이러한 불안전 상태의 징후는 배면토(상부지반)의 침하 및 배수,배수구멍의 막힘 등에서 나타나는 것이 일반적이다.이러한 옹벽 구 조물의 안전성을 평가,분석함에 있어서 콘크리트 강도,철근량,철근간격,피

복두께,단면치수 등의 파악은 중요한 요소이다.콘크리트와 철근이 하나의 복합체로서 구조물의 부재로 기능을 발휘하기 위해서는 다음과 같은 사항들 이 요구된다.

․ 철근과 콘크리트 사이의 부착력이 충분히 커서 두 재료사이의 활동을 방 지해야 한다.

․ 철근의 부식을 방지하여 공용연한까지 단면손실이 없어야 한다.

․ 강재는 온도가 상승하면 항복강도가 저하되므로 내화성이 필요하다.

가 가

가...콘콘콘크크크리리리트트트 강강강도도도

콘크리트는 옹벽 구조물의 주된 재료로서 경제성,안전성 및 내구성 등의 여러 가지 장점 때문에 그 사용이 날로 증가하고 있다.그러나 콘크리트는 시멘트와 잔골재 및 굵은 골재로 만들어진 복합재료이기 때문에 골재의 관리 상태,배합 조건,타설 및 양생 조건 등 여러 가지 요인에 따라 강도에 영향 을 받는다.따라서 콘크리트 구조물이 소요의 강도,내구성,수밀성 및 균일 한 품질이 확보되었는지를 파악하는 것은 매우 중요하며,일반적으로 콘크리 트 구조물의 안전성 평가에 필수적인 요인으로 작용한다.

콘크리트 강도조사의 방법 중 반발경도시험은 콘크리트의 표면 경도를 측 정하여,이 측정치로부터 콘크리트의 압축강도를 비파괴로 판정하는 검사방 법이다.반발경도법은 타격법 중 하나의 방법이며,큰크리트의 표면을 해머로 타격하여 표면의 손상 정도나 반발 정도를 측정한다.특히 반발경도를 구하 는 방법으로는 슈미트 햄머(SchmidtHammmer)법이 가장 널리 사용된다.또 한 초음파 속도법은 음향적 방법인 공진법과 음속법 중 음속법의 하나로서, 초음파속도 측정기를 이용하여 콘크리트를 투과하는 초음파 전파속도로부터 콘크리트의 강도 등을 간접적으로 파악할 수 있는 시험법이다.

나 나

나...철철철근근근과과과 콘콘콘크크크리리리트트트 사사사이이이의의의 부부부착착착력력력

철근과 콘크리트는 상호 부착력에 의해서 외력에 저항하는 복합 구조물이 다.철근과 콘크리트 경계면의 부착력을 상향시키는 주요인자는 다음과 같다.

․

․

․ 철철철근근근의의의 표표표면면면상상상태태태