1) N-Genius Co., Ltd.
지반개량재 전면토체와 지오그리드 보강 배면토체로 형성된 복합보강토의 거동특성
Behavior Characteristics of Composite Reinforced Earth with Improved Soil Surface and Geogrid-reinforced Backfill
방 인 황
1)
･ 김 태 헌2)
･ 김 유 성2)
･ 김 재 홍†
In-Hwang Bhang ･ Tae-Heon Kim ･ You-Seong Kim ･ Jae-Hong Kim
Received: September 1
st, 2016; Revised: September 2
nd, 2016; Accepted: October 18
th, 2016
ABSTRACT : Many steepened slopes have become increasingly advantageous because of the desire to increase land usage and decrease site development costs. The proven concept of tensile reinforcement allows construction of slopes with far steeper face angles than the soils natural angle. Steepened slope face reinforced with improved soil can increase land usage substantially while providing a natural appearance. The paper presents composite reinforced earth with improved soil surface and geogrid-reinforced backfill. For the stability of the steepened slope, the behavior of the composite reinforced earth are validated and verified by case study and numerical analysis. The case study has performed to investigate the deformation of reinforce soil slope for 14 months. Its horizontal behavior by general vertical load shows within the safe range (0.5% of structure height). As a result of numerical analysis and case study, the reinforcement effect of the steepened slope technique using improved soil is sufficient to be constructed as reinforced soil slope.
Keywords : Composite reinforced earth, Geogrid-reinforced backfill, Reinforcement earth, Geogrid
요 지 : 많은 급경사 보강성토 또는 보강토벽 구조물의 장점은 토지 이용의 효율성이나 현장에서 사용하는 공법 비용들의 경제성 때문에 점점 높아지고 있다. 보강토체의 인장력을 이용한 기존 보강토옹벽 공법들은 자연사면의 경사보다 훨씬 급경사에 설계할 수 있도록 발전해 왔다. 지반개량재를 사용하여 급경사의 전면벽체를 보강한 방법은 최근에 상당히 효율적인 토지 사용을 위해 많이 공사되고 있다. 본 연구는 지오그리드를 매설한 뒷채움 흙과 지반개량재로 보강한 전면벽체로 구성한 복합보강토 옹벽을 소개 한다. 급경사를 이루고 있는 전면벽체의 안정성을 위해 현장시공 계측과 수치해석으로 비교･검증과 분석하였다. 또한 현장계측은
14 개월 동안의 변위측정으로 안정성에 대한 관측으로 수치해석과 비교하였다. 현장시험 시공에서 일반적인 수직하중에 의한 수평
거동은 최대 15mm(대략 0.2%)가 발생하였지만 안전범위인 0.5% 이내를 보여주고 있다. 이러한 결과들을 토대로 최대수평변위의 안정성의 신뢰도와 지반개량재 벽면공의 타당성에 대한 가능성을 검증하였다.
주요어 : 복합보강토, 지오그리드 전면벽체, 보강토 공법, 지오그리드 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
17(12): 27～34. (December, 2016) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2016.17.12.27
1. 서 론
보강토 공법은 가능한 현장의 흙의 성질은 바꾸지 않고 흙 안에 별도의 보강재를 감싸거나 삽입하여 흙과 보강재와 의 결속을 통해 전면벽체 내의 안정성과 강도를 증가시키는 방법이다. 이 공법은 예전부터 현장에서 많이 이용되었는 데, 성토한 지반 중에 갈대나 대나무 등의 자연 보강재를 넣어 흙을 보강하는 방법은 기원전부터 활용되어 왔다. 그 러나 이론체계에 근거한 방법은 1963년에 프랑스의 비달 (H. Vidal)이 개발한 테르아르메(Terre Arme) 공법이다. 초 기 보강토 공법에서 보강토 옹벽의 장점은 토압이 거의 작
용하지 않기 때문에 벽면공이 간소화되었다. 이에 따라 벽 면공 기초지반의 변형성이 있어 일체성이 높은 콘크리트 옹 벽, RC옹벽 등으로 말뚝기초가 필요하지 않아 건설비와 시 간이 단축된다. 그러나 보강토 옹벽의 실제 파괴의 대다수 는 연직벽면을 부근에서 발생되고 있다. 이런 이유로 연직 에 가까울수록 벽면위치에서 부분적인 파괴가 발생하여 전 체의 파괴로 이어지는 사례가 늘어나고 있다. 연직벽면의 자립할 수 있는 한계높이는 점착력이 없는 순수한 사질토에 서는 ‘0’이다. 따라서 사면이 연직에 가까울수록 사면부분 이 크게 구속압을 부여하지 않으면 모래의 전단강도는 제로 가 되어 파괴가 발생하기 때문에 벽면공을 사용하는 것은
(a) Cracks / damage to the front wall (b) Collapse of reinforced earth wall Fig. 1. Collapse type of front wall reinforced with concrete block
Tensile force
Loading
Geogrid
Increase of confining stress by geogrid
Fig. 2. Schematic diagram for composite reinforced earth (Tatuoka, 1993)
보강토 옹벽 안정성에서 꼭 필요하다. 특히 뒤채움토의 벽면부근에 집중하중이 가해지는 경우, 벽면공의 강성 역할이 특히 중요하다.
일반적인 보강토 파괴 종류는 변형 및 균열, 침하 및 부 등침하, 토사유실, 국부적인 붕괴, 보강토체의 파괴 그리고 전체사면 활동 등으로 구분할 수 있다. 국내의 전면벽체 피 해사례로써, 블록식보강토옹벽 시공 후, 전면벽체의 앞부분 에 균열이 발생하여 차츰 전면사면붕괴가 발생하였다(Fig. 1).
보강토 옹벽이나 급경사지 벽면공법에 대한 연구는 시공 중에 발생하는 전면벽체의 배부름 현상을 억제하기 위한 경 제성과 안전성에 많은 연구들이 수행되고 있다. 또한 급경 사지 보강토 공법에서 보강 전면의 국부적인 파괴가 전체적 파괴로 이어지는 사례가 적지 않다. 보강토 공법에서의 벽 면공은 시공 중에 기초지반과 뒷채움 지반의 변형에 대응하 기 위하여 유연할수록 좋으나, 완성 후에는 강성이 클수록 좋다. 옹벽 구조물들의 붕괴가 발생한 지역을 복구하거나 예 방하기 위하여 공학적으로 안정한 사면보호공법이 개발되 어 있지만 공기가 길며, 콘크리트 또는 블록을 사용하기 때 문에 사면의 식생이 불가능하거나 부분적으로 가능하므로 자 연친화적이고 미관의 아름다움까지 요구하는 시대에 적합 하지 못하다. 국외에서는 1970∼1980년대에 사면의 보강이 나 연약지반 개량을 위해서 fly ash를 사용해 보강한 사례들 이 많이 있었으나, 점차 환경오염이 문제가 되면서 사용량 이 현저히 줄어들었다. 최근 fly ash의 사용은 도로 노상토 를 보강하는 사례가 발표되고 있지만, 여전히 중금속 누출로 배합량을 조절하면서 시공하고 있는 실정이다(Trzebiatowski
et al., 2006).
Fig. 2에서 이러한 전면벽체 복합보강토는 전면부의 성토 유출 방지 효과를 갖고 있으며 보강토 공법에 매우 필요한 구조체로 필요한 강도와 강성을 가지고 보강재층과 결합하 게 된다. 전면부는 옹벽건설 중에 기초지반과 배면토체의 변 형에 대응할 수 있는 변형성능과 완성 후에는 보강토 구조 물의 변형을 허용 값 이하로 억제하기 위한 강성이 모두 필 요한 방법이다. 또한, 복합보강토 공법은 토압 경감공법이 아닌 배면토체의 인장보강을 통해 전면부를 간소화하면서 안정화 시키는 공법으로 현대적인 전면부 메커니즘을 갖고 있다. 시공 초기의 전면벽체 유연성을 확보하는 것과 시공 후에는 전면벽체의 강성을 유지하는 강점을 가져야 기존의 단점을 보완할 수 있는 안정성을 확보할 수 있을 것이다 (Tatuoka, 1993). 본 연구에서는 지오텍스타일(geotextile) 과 휨 강성이 높은 일체 벽면공을 조합시킨 것으로, 짧은 보 강 길이와 높은 안정성을 얻을 수 있는 장점이 있는 복합 보강토 공법을 현장시공과 수치해석으로 비교･검증하고 자 한다. 건설 중에는 기초지반과 배면토체의 변형에 대처 할 수 있도록 유연하여야 하고, 완성 후에는 강성을 띄어 야 한다는 보강토 전면부의 문제점을 해결하지 못한 기존 보강토 공법의 주요한 문제점을 보완할 수 있다. 언급한 보안점을 친환경 소재인 지반개량재를 사용하여 강성을 충 분히 크게 증가시키며, 전면벽체는 시공 초반에 연성을 허 용하기 때문에 위에서 기술한 문제점들을 해결할 수 있을 것이다.
Target location (Section Level 0~4) Geogrid
Improved material for native soil Native soil (unit:m)
8.76 7.25
2.5
zoom in
8.56
Section Level 0 Section Level 1 Section Level 2 Section Level 3 Section Level 4
Fig. 3. Diagram for case study of composite reinforced earth
① L-frame work ② Geogrid laying stage ③ Mounding backfill
④ Work for improved material mixed with
native soil ⑤ L-frame remove after laying improved soil ⑥ Completion
Fig. 4. Construction procedure of composite reinforce earth Table 1. Ground survey
No. Soil type Depth
(m)
S.P.T (No.) Colluvium Weathered soil Weathered rock Soft rock
BH-1 Depth (m) 0.0 ∼8.0 8.0 ∼11.4 11.4 ∼12.4 12.4 ∼13.4
Layer thickness (m) 8.0 3.4 1.0 1.0 13.4 8
BH-2 Depth (m) 0.0 ∼9.3 3.9 ∼12.9 12.9 ∼13.5 13.5 ∼14.8
Layer thickness (m) 9.3 3.6 0.6 1.3 14.8 9
Total 17.3 7.0 1.6 2.3 28.2 17
2. 복합보강토 현장시험 시공
2.1 지반특성과 시공절차
지반조사결과는 Table 1에서와같이 토층의 상태는 붕적
토, 풍화암, 연암으로 구성되어 있다. 설계단면과 계측기 설 치와 시공순서는 Fig. 3～4와 같이 진행하였으며, 원지반 밑에 있는 지하수나 강우로 침투수를 배출할 수 있는 쇄석 층을 설치하고, 그 위에 지반개량재 전면벽체와 geogrid 보
Section Level 0 Section Level 1 Section Level 2 Section Level 3 Section Level 4
Section Level 0 Section Level 1 Section Level 2 Section Level 3
Section Level 1 Section Level 2 Section Level 3
(a) Composite reinforced earth SAT-30 (b) Composite reinforced earth SAT-20 (c) Composite reinforced earth SAT-5 Fig. 5. Prism installation for the horizontal displacement measurement
Table 2. Time schedule for displacement measurement
Period Under construction After construction
1 Month 4 Month 6 Month 1 Year
Number of times 2 1 1 1 1
Total No. 6 times
강 성토사면공법으로 시공하였다. 시공 후 마무리는 전면벽 체에 녹화공법을 실시하였다.
시공 절차는 사면을 고르게 정리한 후, L형틀을 설치한 후 1층에 배수가 이루어 질 수 있게 골재를 깔고 다진다. 그 위 에 부직포를 깔고 사면의 벽면과 부직포 위에 지오그리드를 설치하고 그 위에 골재로 덮고 현장토를 포설하고 교반토 포 설 후 롤러를 이용한 다짐을 실시한다. 지오그리드(geogrid) 와 교반토를 이용한 반복적인 시공을 실시한다. 마지막으로 급경사지에 식생이 가능하기 위해서 전면에 그물망과 씨앗 을 포설하여 복합보강토를 구성한다.
지반개량재의 배합비율은 6% 중량비에 맞게 원지반토와 혼합하여 전면벽체를 구성한다(Kim et al., 2013). 도로하중 을 수직하중으로 급경사로 이루어진 복합보강토는 지오그 리드를 인장재로 보강하여 그림에서 보여준 것처럼 1∼6단 계를 시공하여 구성한다.
2.2 복합보강토 변형 계측
강원도 인제군 도로공사 현장 시공 전과 시공 후 수평변 위 측정을 위한 복합보강토 단면도(Fig. 3)에서 거동변형을 측정하기 위한 프리즘 설치는 1∼3구간에 걸쳐 Fig. 5와 같 다. Fig. 3에서와같이 현장시공된 복합보강토 전면벽체에서 는 상단, 중단, 하단(원형으로 표시)으로 3곳에서 구조물의 변형을 지속적으로 관찰하였다. 도로하중으로 수직하중을 견디기 위하여 도로지지층으로 지반개량재로 강도가 보강 된 지층을 설치되었다. 1년간 시공 중에 2회와 완료 후 6회 (1, 4, 6개월, 1년 후)에 걸쳐 개량토 전면벽체의 전면변위를
측정하였다(Table 2).
현장 시공된 복합보강토에서 측정된 계측은 구간별로 나 뉘는데 하단은 시간이 지나도 10mm를 넘지 않았으며, 중단 과 상단에서 변위가 최대 15mm까지 발생하였다. 3개 단면 모두 발생변위가 하부에서는 작고 상부에서는 크게 나타나 고 있음을 알 수 있다. SAT. 30(Section Level 0과 Section Level 4), SAT. 20(Section Level 0), SAT. 5(Section Level 0)는 추가적인 변위를 보기 위해 설치한 것이다. 현장 수평 변위 측정 결과 1∼3구간에서 광파타겟 상단(Section Level 3), 중단(Section Level 2), 하단(Section Level 1) 설치 위치 별 계측은 Fig. 6(SAT. 30), Fig. 7(SAT. 20), Fig. 8(SAT. 5) 은 각각의 3개 단면의 발생 변위를 보여주고 있다. 그리고 3개 단면을 모두 합한 것은 Fig. 9(SAT. 30, SAT. 20, SAT.
5)에서 볼 수 있다.
측정방법은 토탈스테이션(Sokkia SET330RK)을 이용하 여 발생변위를 Table 3과 Fig. 6∼10에 나타내었다. 현장시 공에 대한 계측결과, 일반적인 보강토의 안정범위인 전면벽 체 높이의 1.5% 거동범위 이내에서 발생하고 있기 때문에 Table 3에서 나온 수평변위량을 누적시켜 나온 결과는 Fig.
10과 같고 충분한 안정성을 보여주고 있다. 복합보강토 전 면토체(높이=7.56m) 시공 시간별 최대수평변위는 Fig. 10 에 나타내었다(Kim et al., 2015). 허용 변위의 범위는 90mm 정도인데 현장 계측에 의한 최대 변위는 30mm 미만으로 측 정되어 안전범위 안에 거동하고 있다고 판단된다(Christopher et al., 1990).
Fig. 6. Displacement in STA. 30
Fig. 7. Displacement in STA. 20
Fig. 8. Displacement in STA. 5
Fig. 9. Displacement measurement at each position
Table 3. Horizontal displacement of composite reinforced earth Location Schedule to measure Displacement (mm, %)
Section 1
Under construction 1 month 2 mm (0.03%) Under construction 2 month -6 mm (0.08%) After construction 1 Month 15 mm (0.2%) Section 2 After construction 4 Month 2 mm (0.03%)
Section 3 After construction 6 Month 14 mm (0.19%) After construction 1 Year 0 mm (0.0%)
Fig. 10. Behavior variation of composite reinforced earth
2.3 현장계측과 수치해석 비교
현장 계측한 현장조건 동일한 지반물성치를 이용하여 수 치해석을 수행하였으며, 재료 모델로는 탄성범위(linear elastic) 안에서의 거동을 확인하였고 Table 4에 강도정수들과 물리
적 특성값들을 정리하였다. 그리고 수평변위 결과(Fig. 12) 를 나타내었다(GeoStudio, 2012). Fig. 11의 지형구분은 원 지반토(노란색), 지반개량토(주황색), 배수골재(회색), 토목 섬유 지오그리드(geogrid, 빨간색)이고, 계측기(광파타켓) 설 치는 사면전면부의 상단, 중단, 하단으로 구분하여 수평변 위를 측정하였다. 현장 시공 수치해석의 수평변위 결과에서 보여주듯이 복합보강토의 중간과 하단 윗부분에서 최대변 위 거동변형을 보여주고 있다.
수치해석을 통하여 다양한 시간에 따른 수평변위 변화량
Table 4. Soil and geogrid properties
Weathered granite soil Improved soil surface Geogrid
Elastic modulus ( ) 10,000 kPa 80,000 kPa Elastic modulus ( )
Poisson’s ratio () 0.375 0.35 430,000 kPa
Total unit weight (
) 17.8 kN/m
317.8 kN/m
3Tensile Strength
(MD Direction)
Saturated unit weight (
) 18.8 kN/m
318.8 kN/m
3100 kN/m
Cohesion ( ) 10 kN/m
2150 kN/m
2Tensile Elongation
(MD Direction)
Internal friction angle ( ) 28° 20° 12%
Fig. 11. Numerical boundary conditions
Fig. 12. Contour of horizontal displacement by vertical load
Fig. 13. Comparison of field measurement and numerical analysis results
을 시공 과정 중 8개월 동안 시간에 따른 거동변위 경향을 비교하여 나타내었다(Fig. 13). 전면벽체의 최대 변위 28mm 가 현장 시공 6개월 후에 발생하였다(Table 3). 전면벽체 높 이에 대한 수평변위의 비율은 약 0.4%로 유한요소해석 결 과 값이 측정되었다. 전면벽체의 최대수평변위는 벽 높이의 1.5%로 비교하여 비교적 작은 값이 측정되어 매우 안정한 것으로 나타났다(Christopher et al., 1990).
앞에서 수행한 수치해석은 복합보강토만을 geometry를 mesh로 구성하여 유한요소해석을 수행하였으나, 현장 복합 보강토 전면벽체에서 계측된 변형을 토대로 복합보강토 상 단과 하단에 연결된 지층을 mesh로 확대하여 도로하중으로 인한 거동특성을 비교하였다. Fig. 14와 Fig. 15는 복합보강 토의 전면벽체 거동을 검증하기 위하여 지하수위는 원지반 토에 걸쳐 위치하고 있으며 배수시설인 쇄석층으로 걸쳐 최 대한 위험한 조건으로 포화층을 가정하였다(MIDAS, 2015).
복합보강토 구조물의 상단과 하단을 확대하여 mesh를 구 성한 것은 Fig. 14이다. 이를 수치해석 결과 Fig. 15와 Fig.
16에서 보여주는 것과 같이 전면벽체 최대 변위는 하단에 서 약 20mm가 발생한 것을 알 수 있었다. 구조물의 주변 원지반토를 고려하여 mesh를 확대하여 유한요소해석을 실 시한 결과, 실제 현장에서 관측한 변위 중 6개월일 때와 비 슷한 크기의 변형거동특성을 보여주고 있었다.
지반특성별 탄성계수 차이가 있기 때문에 수직변위하중 (V.D.L: Vertical Displacement Load) 10cm에서 비교적 큰 최대수평변위를 보여주고 있다. 개량토의 두께가 0～0.5m 일 경우에는 경사의 변화가 클수록 일정하게 변화하지만 두 께가 1m 이후부터는 크게 변화하지 않고 모든 경사에서 비 슷한 수평변위로 발생하는 것을 보여주고 있다(Fig. 17).
3. 결 론
본 연구에서는 현장 시공 및 수치해석을 통해 복합보강 토 전면벽체의 안정성 결과를 다음과 같이 얻을 수 있었다.
Fig. 14. Construction site structures interpreted by expanding the mesh
Fig. 15. Contour obtained by expanding geometry
Fig. 16. Maximum horizontal displacement (MIDAS) Fig. 17. Maximum horizontal displacement (SIGMA/W)
(1) 복합보강토 옹벽의 현장시공 14개월간 계측결과, 시공 중에는 수직하중에 의한 수평변위는 12mm(0.16%) 발 생하였고, 시공 완료 후 1년이 경과된 시점에는 변화량 이 없었으며 6개월 시점에서 최대 15mm(0.2%)가 관측 되었다. 전면벽체의 수평변위 거동은 허용 기준인 수직
높이의 0.5%보다 작은 수치를 보여, 일반적인 보강토 옹벽의 규준에 적용하여도 안전한 범위 내의 거동을 보 여주고 있었다.
(2) 일반적인 복합보강토 전면벽체의 경사인 65°보다 급경 사인 전면벽체의 경사를 75°로 가정하고 수직변위에 의
한 수평변위를 해석하였지만, 지반개량재의 보강 때문 에 안전범위 안에서의 거동 경향을 보이고 있음을 알 수 있었다.
(3) 해석 범위 제약 조건으로 인한 오류를 검토하기 위해 전면벽체의 경계조건 범위를 확대한 결과, 비탈면 도중 에 시공된 지반개량재의 전면벽체의 안정성 역시 수직 높이 0.5%의 허용범위 안에서 거동하고 있음을 확인할 수 있었다.
감사의 글
이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2013R1A1A2062218) 이며, 국토교통부 국토교통기술 지역특성화사업 연구개발사 업의 연구비지원(14RDRP-B079706-01)에 감사드립니다.
References
