Model Test Study on the Earth Pressure of the Retaining Wall with the Relieving Platform

地 盤 工 學

第32卷 第1C 號·2012年 1月 pp. 27~35

선반식 옹벽의 토압에 관한 모형시험 연구

Model Test Study on the Earth Pressure of the Retaining Wall with the Relieving Platform

김병일*·유완규**·양미림***·박용석****

Kim, Byoungil·Yoo, Wankyu·Yang, Mirim·Park, Yongseok

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Abstract

The relieving platform has the advantage of decreasing the total lateral earth pressure on the retaining wall and increasing the overall stability of the structure. Several modeling tests were performed to determine the earth pressure distribution on the retaining wall with a relieving platform and to compare it with that of the cantilever retaining wall. Different types of soil and angle of cutting surface were used to determine the effect of the soil characteristics and the backfill conditions on these earth pressure distributions. From the modeling tests, comparisons between the retaining wall with a relieving platform and the can- tilever retaining wall show that the reduction of the lateral earth pressure and deformation of wall was indicated clearly on the retaining wall with a relieving platform. And the overall stability was increased by the relieving platform.

Keywords : retaining wall, relieving platform, earth pressure distribution, modelling tests, overall stability

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요 지

선반식 옹벽에서 선반은 옹벽에 작용하는 전체 수평토압의 크기를 줄여주며, 이로 인해 구조물의 전체적인 안정성이 향상 된다. 이 연구에서는 아직 국내에서는 연구가 진행된 바 없는 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포를 파악하고 캔틸레버식 옹 벽에 작용하는 토압분포와 비교하기 위하여 모형시험을 실시하였다. 또한 흙 종류와 옹벽 배면의 굴착각도를 달리하여, 흙 종류와 되메움 조건이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압의 변화에 미치는 영향을 파악하였다. 모형시험결과 선반의 설치로 인하여 발생하는 선반식 옹벽의 토압감소는 캔틸레버식 옹벽과 비교할 경우에 뚜렷하게 발생하였고, 옹벽에 발생하는 수평변위도 선반식 옹벽이 캔틸레버식 옹벽에 비해서 작게 발생하는 것으로 나타났다. 또한 캔틸레버식 옹벽에 비 해서 선반식 옹벽의 전도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높은 것으로 나타났다.

핵심용어 : 선반식 옹벽, 토압분포, 모형시험, 안정성

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1. 서 론

일반적으로 옹벽은 절토와 성토 등의 토목공사 시 용지와 지형 등의 조건에 따라 흙 사면이 안전을 확보하지 못하는 장소에 토사의 붕괴를 막기 위해 설치하는 토류 구조물이다.

옹벽의 종류는 횡방향 흙의 압력을 처리하는 방법과 사용 재료에 따라 중력식 옹벽, 캔틸레버식 옹벽, 선반식 옹벽, 콘크리트 옹벽, 벽돌 옹벽, 돌쌓기 옹벽 등으로 분류된다(박 용원 외, 2004). 이와 같은 다양한 옹벽들 중에 일반적으로 많이 사용되고 있는 콘크리트 옹벽은 높이가 높아질수록 경 제성이 떨어지고 안정성이 낮아진다. 이러한 단점을 보완하 기 위한 공법으로써 옹벽 상단 부근에 하나 또는 그 이상의 선반을 설치하는 선반식 옹벽이 있다. 선반식 옹벽은 높이가

높아져도 안정성이 확보되며 기존 옹벽에 비해서 옹벽에 작 용하는 토압이 상대적으로 작은 것으로 알려져 있다. 선반식 옹벽에서 선반은 옹벽에 작용하는 전체 수평토압의 크기를 줄여주며, 이로 인해 구조물의 전체적인 안정성이 향상된다 (Bell, 1987).

선반식 옹벽의 토압분포에 대한 연구는 외국의 경우 Yakovlev(1964, 1974), Liu Fuchen and Lin Shile(2008) 등에 의해 일부 진행된 바 있으나 많은 연구가 이루어진 것 은 아니며, 아직 국내에서는 선반식 옹벽에 발생하는 토압의 경감효과에 대한 연구가 진행된 바 없다. 선반식 옹벽에서 선반의 위치가 옹벽의 상단부에 근접할수록 토압의 감소효 과는 작아지고, 선반의 길이가 길어져 비경제적이 되며, 반 면 선반이 옹벽 하단부에 근접할수록 선반의 길이가 짧아져

*정회원·명지대학교 토목환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·명지대학교 토목환경공학과 박사후 연구원 (E-mail : [email protected])

***명지대학교 토목환경공학과 석사과정

****(주)주성엔지니어링 대표이사

경제적이나 토압의 감소효과는 크지 않다. 따라서 선반을 옹 벽의 중간 부분에 설치할 때 토압의 감소효과와 경제성에 유리하며(Liu Fuchen and Lin Shile, 2008), 일반적으로 지 표면에서 0.4H(H=옹벽의 높이)의 높이에 선반이 설치한다(

장효완, 1998). 이 연구에서는 일반적으로 선반이 설치되는 위치인 지표면으로부터 0.4H지점에 선반을 설치한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 토압분포를 모형시험을 통하여 파악하고, 그 결과를 비교하여 캔틸레버식 옹벽에 대 한 선반식 옹벽의 토압 경감효과를 확인하고자 하였다. 또한 흙 종류와 되메움 조건을 달리하여 모형지반을 조성함으로 써 흙 종류와 되메움 조건이 선반식 옹벽의 토압분포에 미 치는 영향을 파악하고자 하였다.

2. 선반식옹벽

2.1 선반식 옹벽의 토압분포

옹벽 상단 부근에 하나 또는 그 이상의 선반(relieving platform) 을 설치하면 옹벽의 안정성이 크게 개선될 수 있다.

선반은 옹벽에 작용하는 전체 수평토압의 크기를 줄여주어 ( 그림 1 참조) 구조물의 전체적인 안정성(overall stability)을 향상시켜 준다(Bell, 1987). 이와 같은 선반식 옹벽에 작용 하는 토압은 지표면 경사조건에 따라 다음과 같은 방법으로 산정할 수 있다.

2.1.1 지표면이 경사진 경우

그림 1(a)는 지표면이 경사진 경우의 선반식 옹벽의 토압 분포를 파악하는 방법을 나타낸 것이다. 여기서 선분 BE는 선반 끝단인 D를 지나며 Coulomb의 파괴면과 평행하게 작 도한다.

2.1.2 지표면이 수평인 경우

지표면이 수평인 경우에는 그림 1(b)와 같이 작도하여 토 압분포를 파악할 수 있다. 그림 1(b)에서 선분 AC는 Coulomb 이론에 의해 지표면까지 연결되는 파괴면이다.

2.1.3 선반이 설치된 안벽의 경우

널말뚝이 설치된 안벽에서는 일반적으로 뒤채움 흙에 의한 무게의 일부분과 상재하중은 널말뚝에 영향을 미치지 않는 깊은 심도까지 연직하중으로 작용하게 된다. 그림 2에서와 같이 선반은 널말뚝이 시공된 안벽 등과 같은 구조물에 작 용하는 수평압력을 감소시키기 위해서도 사용된다. 이러한

경우에 있어서 선반의 설치는 일반적으로 사용되고 있는 널 말뚝 단면의 강도한계를 초과하지 않는 범위 내에서 좀 더 깊은 벽체의 시공과 지지 가능한 하중의 증가를 가능하게 한다. 또한, 그림 2에서 선반을 지지하고 있는 말뚝의 차폐 효과로 인하여 격벽에 작용하는 수평압력이 감소하는 효과 가 발생하게 되고 각 영역 A, B, C는 다음과 같이 정의할 수 있다.

① 영역 A - 압력이 선반위에 작용하는 연직하중에 대한 영향을 받지 않는 구간

② 영역 B - 전이영역 : 압력이 선반 모서리 내측에 작용 하는 모든 연직하중에 대해서 부분적으로 영향을 받는 구간

③ 영역 C - 압력이 선반 모서리 내측에 작용하는 모든 연 직하중에 대해서 영향을 받는 구간

2.2 선반식 옹벽에 대한 기존 연구

Yakovlev(1964, 1974) 는 선반이 1개와 2개인 경우에 대해 서 선반의 위치와 크기, 하중강도와 위치, 벽체 움직임 등의 조건을 달리한 모형시험을 통해 벽체와 선반에 작용하는 압 력분포, 활동면 위치, 활동쐐기의 크기, 뒤채움 흙에서 발생 하는 응력 등을 연구하였다. 모형시험을 통한 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포의 측정결과로 선반 아래에서 토압 감소 효과가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 내부 및 외부 활동

그림 1. 선반식 옹벽의 토압분포. (a) 경사진 지표면의 경우(Bell, 1987), (b) 수평한 지표면의 경우(장효완, 1998)

그림 2. 선반이 설치된 안벽에 작용하는 토압분포(DOD, 1988)

면(sliding surface)의 위치는 선반의 폭과 근입 깊이에 의존 하여 선반의 깊이가 같은 조건에서 활동영역의 크기는 선반 폭이 커질수록 증가함을 밝혀냈다.

옹벽 뒤에 설치되는 선반은 옹벽 뒤채움 흙의 활동면을 제 한하게 된다. 이 때 흙은 더 이상 쐐기체가 아니기에 Rankine 또는 Coulomb 이론으로 토압을 계산할 수 없으며, 선반의 위치나 길이에 따라 토압의 크기와 분포도 달라진다. 이에 Liu Fuchen and Lin Shile(2008) 은 여러 종류의 선반에 대 한 계산방법을 결정하기 위하여 짧은 선반과 긴 선반을 갖 는 경우에 대한 판단기준 및 계산법을 제안하였다. 긴 선반 과 짧은 선반의 판단은 선반의 위치가 결정되었을 경우에 그림 3(a)에서 L<h

cot α일 때는 짧은 선반이고 L≥h

cot α일 때는 긴 선반이다. 그림 3(a)는 긴 선반을 갖는 경우의 주 동토압계산 방법을 나타낸 것이고 그림 3(b)는 짧은 선반을 갖는 경우의 주동토압계산 방법을 나타낸 것이다. Liu Fuchen and Lin Shile(2008) 은 연구결과를 바탕으로 선반식 옹벽의 시공시에 선반을 옹벽의 중하부에 설치하는 것이 감 압효과와 경제성에 가장 좋다고 제안하였다.

3. 모형시험

3.1 시험에 사용된 흙 및 장비 3.1.1 시험에 사용된 흙

이 연구에서는 균질한 모형지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사와 굵은 강모래를 사용하였다. 시험에 사용된 주문진 표준사와 강모래의 비중은 각각 2.62와 2.63이고, 두 흙 모 두 통일분류법상 SP로 분류되었으며 직접전단시험에 의해 주문진 표준사와 굵은 강모래의 점착절편(c)은 0, 전단저항 각(φ)은 38.4

( 주문진 표준사), 47.1

( 굵은 강모래)로 나타났 다. 이 흙에 대해 상대밀도시험(KS F 2308)을 실시하였고, 그 결과 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량은 주문진 표준사의 경우에 각각 16.79kN/m

, 13.96kN/m

로 굵은 강 모래의 경우에 각각 16.41kN/m

, 14.66kN/m

로 나타났다.

표 1은 이 연구에 사용된 주문진 표준사와 굵은 강모래의 물성값 및 역학적 특성값을 정리하여 나타낸 것이고 그림 4 는 이 흙들의 입도분포곡선이다.

3.1.2 시험에 사용된 장비

모형시험에는 1800mm×800mm×900mm(길이×폭×높이)의 크기로 제작된 철제토조를 이용하였으며, 이 토조는 분리가 가능하여 굴착각도 90

조건의 시험에서는 1000mm×800mm

×900mm(길이×폭×높이) 크기의 토조를 사용하였다(그림 5 참조). 시험에 사용된 모형옹벽(높이 : 805mm, 폭 : 790mm, 그림 6 참조) 및 선반은 주조성, 내식성, 내열성 등이 우수 하고 밀도비(density ratio)에 대한 강도가 커서 주로 비행기, 선박 등의 재료로 사용되는 알루미늄합금(Duralumin, 7075- T651) 을 이용하여 제작하였다. 모형옹벽은 옹벽 형식에 따른 시험조건에 따라 선반의 탈·부착을 가능하게 제작하여 선 반식 옹벽이 적용된 모형지반의 뒤채움 시 작업이 용이하도 록 하였다. 모형옹벽 및 선반의 제작에 사용된 알루미늄합금 의 구성 및 역학적 특성은 표 2와 같다. 그림 5에서 보는 바와 같이 모형시험에는 옹벽에 작용하는 수평토압을 측정 하기 위한 7개의 토압계와 지반의 연직토압을 측정할 수 있 그림 3. 선반식 옹벽의 주동토압계산(Liu Fuchen and Lin Shile, 2008). (a) 긴 선반, (b) 짧은 선반

표 1. 모형시험에 사용된 흙의 물성값 및 역학적 특성값 비중, G

강도정수 최대 건조단위중량,

γ

(kN/m

) 최소 건조단위중량,

γ

(kN/m

) USCS c (kPa) φ (

)

주문진 표준사 2.62 0 38.4 16.79 13.96 SP

굵은 강모래 2.63 0 47.1 16.41 14.66 SP

* 강도정수 c, φ는 수직응력 100, 200, 300kPa를 적용하여 직접전단시험으로 구한 값임

그림 4. 시험에 사용된 흙의 입도분포곡선

는 3개의 토압계를 설치하였다. 또한, 옹벽 전면에 발생하는 변위를 측정하기 위한 3개의 변위계와 모형지반 상부에 재 하된 하중을 측정하기 위하여 100kN의 하중까지 측정이 가 능한 로드셀을 설치하였다. 시험에 사용된 계측기기의 제원 은 표 3과 같다.

3.2 시험 조건 및 시험방법

이 연구에서는 기존 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 토압과 선반식 옹벽에 작용하는 토압을 모형시험을 통하여 측정하 여 비교하였다. 또한 흙 종류와 옹벽 배면의 굴착각도를 90

( 좁은 되메움)와 50

( 일반되메움)로 달리하여, 흙의 종류 및 되메움 조건이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하 는 토압의 변화에 미치는 영향을 파악하였다. 표 4는 모형 시험에 적용된 시험조건을 정리하여 나타낸 것이다.

모형옹벽에 작용하는 토압의 측정을 위하여 주문진 표준사 의 경우 강사장치를 이용하여 120cm의 강사 높이를 유지하 면서 모형지반에 고르게 강사하였다. 이와 같은 방법으로 조 성된 모형지반의 단위중량은 평균 15.62kN/m

이고, 이 때 지반의 상대밀도(D

) 는 약 63.1%이다. 굵은 강모래의 경우 흙 입자의 크기와 거친 표면으로 인하여 주문진 표준사와 같은 강사방법을 적용할 수 없었다. 따라서 매 층(10cm)마 다 뒤채움에 들어간 흙의 양을 측정하며 다짐을 실시하여 뒤 채움 지반의 단위중량을 일정하게 유지하였다(그림 8 참조).

이렇게 굵은 강모래로 조성된 뒤채움 지반의 단위중량은 평 균 15.68kN/m

이고, 이 때 지반의 상대밀도(D

) 는 약 61.0%

이다.

주문진 표준사와 굵은 강모래를 이용하여 옹벽높이까지 모 형지반을 조성한 후, 뒤채움으로 인하여 옹벽에 발생하는 토 압을 측정하였다. 또한, 모형지반 조성 후 모형지반에 재하 시험을 실시하였고 상재하중 증가에 따른 토압분포 및 옹벽 의 변위에 대한 변화를 파악하였다. 시험순서를 정리하면 다 음과 같다.

① 모형옹벽에 그림 7과 같이 토압계를 바닥으로부터 100, 200, 300, 400, 550, 650, 750mm 지점에 부착한다.

② 되메움 조건을 달리한 모형토조(그림 5 참조)에 주문진 표준사는 강사장치를 이용하여 10cm 단위로 일정한 높 이를 유지하며 강사하고(그림 8 참조), 굵은 강모래는 다 짐장비를 이용하여 지반을 조성한다(그림 9 참조).

그림 5. 모형지반 단면 및 계측센서 배치도

그림 6. 시험에 사용된 모형옹벽

표 2. 모형옹벽에 사용된 알루미늄합금(7075-T651)의 구성 및 역학적 특성

구 성 탄성계수,

E (GPa) 항복강도,

S

(MPa) 극한강도,

S

(MPa) 연신율

(%) 경화강도계수,

K (MPa) 변형률

경화지수, n

Al-5.70Zn-2.53Mg-1.66Cu-0.26Fe 70.3 545 557 11.27 762 0.089

표 3. 모형시험에 사용된 계측기기 제원

항 목 LVDT 토압계 로드셀

Type CDP SDP FSP DSCK

Capacity 25mm 50mm 100mm 200~2000kPa 100kN

Rated output (mV/V) 5.0 6.25 2.5 1.0 (2,000 ×10

) 3.0 ±0.3%

Non-linearity (% RO) 0.1 0.1 0.2 1.0 ≤0.05

Input/Output resistance ( Ω) 350 350 700 ±10

표 4. 모형시험 조건

구분 case 흙 종류 옹벽 종류 굴착각도 구분 case 흙 종류 옹벽 종류 굴착각도

1 SC90

표준사 주문진

캔틸레버 90

( 좁은 되메움)

5 RC90

강모래 ( 굵은모래)

캔틸레버 90

( 좁은 되메움)

2 SR90 선반식 6 RR90 선반식

3 SC50 캔틸레버 50

( 일반 되메움)

7 RC50 캔틸레버 50

( 일반 되메움)

4 SR50 선반식 8 RR50 선반식

③ 선반식 옹벽의 경우 선반 아래 높이까지 강사한 후 선반 을 부착한다(그림 10 참조).

④ 모형옹벽높이까지 강사하여 모형지반을 조성한 후 토압 을 측정한다(그림 11 참조).

⑤ 조성된 모형지반에 재하장치를 설치하여 재하시험을 실 시하며 토압을 측정한다(그림 12 참조).

4. 시험결과 및 분석

4.1 뒤채움 종료 후 토압측정 결과

이 연구에서는 옹벽의 형식(캔틸레버식과 선반식 옹벽), 흙 의 종류(주문진 표준사와 굵은 강모래), 되메움 조건(좁은 되 메움(굴착각 90

) 과 일반 되메움(굴착각 50

) 을 달리하여 뒤 채움한 후에 옹벽에 작용하는 수평토압 및 지반에 작용하는 연직응력을 측정하였다.

각 시험조건에 따른 뒤채움 종료 후 토압의 분포는 그림 13 과 같다. 뒤채움 종료 후 측정된 수평토압 및 연직토압을 나타낸 그림 13에서 보는 바와 같이 수평토압과 연직토압 모두 선반의 상부위치(H=500~805mm)에서는 흙 종류, 되 메움 조건에 상관없이 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에서

크기가 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 선반 하부위 치(H=0~500cm)에서는 캔틸레버식 옹벽의 토압이 연속적으 로 증가한 반면에 선반식 옹벽에서는 선반 바로 아래 지점 에서 토압이 급격하게 감소하고 깊이에 따라 다시 증가하지 만, 그 크기는 캔틸레버식 옹벽에 비해 상당히 작은 것으로 나타났다.

한편, 굴착각도 90

( 좁은 되메움)를 적용한 캔틸레버식 옹 벽(SC90 및 RC90)과 선반식 옹벽(SR90 및 RR90) 모두에 서 옹벽 바닥에 근접할수록 수평토압의 증가율이 감소하였 고 이러한 경향은 캔틸레버식 옹벽에서 더욱 뚜렷하게 나타 났다. 그러나 굴착각도 50

를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC50 및 RC50)과 선반식 옹벽(SR50 및 RR50)에서는 수평토압이 옹벽 바닥에 근접하여도 거의 선형에 가깝게 증가하는 경향 을 보였다. 이러한 결과는 굴착각도가 연직에 가까워지고 되 메움 폭이 감소할수록 아칭현상으로 인하여 옹벽 하부에서 토압의 크기가 작아지는 기존의 연구 결과(윤남식, 2007)와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.

연직토압의 경우 표준사로 뒤채움하여 굴착각도 50

를 적 용한 캔틸레버식 옹벽(SC50)에서 옹벽 바닥 부근에서 토압 이 증가율이 약간 감소하는 경향을 보이긴 하지만 굴착각도

그림 7. 토압계 설치 그림 8. 표준사 강사 그림 9. 굵은 강모래 다짐

그림 10. 선반 부착(굴착각도 90

) 그림 11. 지반 조성 완료(굴착각도 50

) 그림 12. 재하시험 전경

그림 13. 뒤채움 종료 후 시험조건에 따른 토압 변화. (a) 수평토압, (b) 연직토압

90

를 적용한 캔틸레버식 옹벽(SC90)에 비해서는 상대적으 로 작게 발생하는 것으로 나타났다. 굵은 강모래로 뒤채움한 조건에서도 표준사로 뒤채움한 경우와 유사한 경향을 나타 내긴 하지만 옹벽 바닥 부근에서의 토압감소는 표준사로 뒤 채움한 경우에 비해 그 크기가 상대적으로 작게 나타났다.

뒤채움 종료 후 옹벽 및 지반에 작용하는 수평 및 연직 토압의 분포를 옹벽 형식에 대하여 비교해 볼 때 선반식 옹 벽은 흙 종류와 되메움 조건에 상관없이 캔틸레버식 옹벽에 비하여 선반하부에서 수평 및 연직토압이 현저하게 감소하 는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 선반 상부에 작용하는 연직토압의 대부분을 선반이 분담하기 때문이라 할 수 있고, 선반을 설치하여 발생하는 토압의 감소효과는 매우 우수한 것으로 판단된다.

4.2 상재하중에 의한 토압변화 및 옹벽의 변위

뒤채움 흙으로 인하여 옹벽에 발생하는 토압 이외에 지표 면에 가해진 추가적인 하중에 의한 토압의 변화를 시험조건 에 대해 비교하기 위하여 재하시험을 실시하였다. 각 시험조 건마다 재하장치(그림 12 참조)를 이용하여 옹벽 뒤 지표면 에 하중을 증가시키면서 수평토압과 연직토압, 옹벽전면 변 위의 변화를 측정하였고 그 결과는 다음과 같다.

4.2.1 수평토압의 변화

주문진 표준사를 이용하여 뒤채움한 경우 그림 14에서 보 는 바와 같이 추가적인 하중 증가로 인하여 캔틸레버식 옹 벽(SC90 및 SC50)에서 발생하는 수평토압의 증가량(∆σ

) 은

옹벽 중간에서 가장 크게 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 선반식 옹벽(SR90 및 SR50)에서는 수평토압의 증가(∆σ

) 가 선반 상부에서 거의 모두 발생하고 선반 아래에서는 수평토 압의 증가가 매우 작은 것으로 나타났다.

굵은 강모래를 이용하여 뒤채움한 경우에 대한 수평토압의 증가량을 그림 15에 나타내었다. 그림 15에서 보는 바와 같 이 추가적인 하중에 의해 캔틸레버식 옹벽에 작용하는 수평 토압은 그림 14의 주문진 표준사로 뒤채움한 조건과 유사하 게 옹벽 중간부분에서 크게 발생하였고, 그 크기는 굵은 강 모래를 이용하여 뒤채움한 조건에서 주문진 표준사로 뒤채 움한 조건에 비해 상대적으로 큰 값을 나타내었다. 선반식 옹벽에 작용하는 수평토압 역시 주문진 표준사로 뒤채움한 경우와 유사하게 선반의 상부에서 토압의 대부분을 분담하 였고, 그 크기는 주문진 표준사에 비하여 상대적으로 큰 값 을 나타내었다. 또한 되메움 조건에 상관없이 바닥으로부터 650mm 지점에서 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 반면 선반 하부에 발생하는 수평토압은 매우 작은 증가량을 나타 내었다.

한편, 되메움 조건에 대한 수평토압 증가량(∆σ

) 을 비교해 볼 때, 뒤채움 흙의 종류와 상관없이 굴착각도가 90

인 좁 은 되메움 조건에 비하여 굴착각도가 50

인 일반 되메움 조건에서 수평토압의 증가가 더 크게 발생하는 것으로 나타 났다.

4.2.2 연직토압의 변화

추가적인 하중에 대한 연직토압의 증가량 변화를 그림

그림 14. 작용하중에 따른 수평토압의 증가량 변화(주문진 표준사). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

그림 15. 작용하중에 따른 수평토압의 증가량 변화(굵은 강모래). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

16~ 그림 17에 나타내었다. 그림 16~그림 17에서와 같이 뒤 채움 흙의 종류와 상관없이 켄틸레버식 옹벽의 경우에서 연 직토압의 증가량(∆σ

) 은 전반적으로 깊이에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 선반식 옹벽을 적용한 조건에서 는 선반 상부에서 연직토압의 증가량(∆σ

) 이 대부분 발생하 였고 추가적인 하중이 선반 하부 지반의 연직토압에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 선반식 옹벽의 선 반 상부에서 발생한 연직토압의 증가량은 지표면에 가해진 등분포 하중에 비해 상대적으로 매우 큰 값을 나타내었다.

이러한 결과가 나타난 이유는 등분포 하중이 재하될 때 주 변지반에 비해 상대적으로 강성이 큰 선반위로 응력집중현 상이 발생했기 때문인 것으로 판단된다.

그림 14~그림 15와 그림 16~그림 17의 수평토압 증가량 과 연직토압 증가량을 비교해 보면 뒤채움 흙의 종류, 되메 움 조건과 상관없이 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽의 옹벽 상단(옹벽 바닥으로부터 600mm 지점)에서 연직토압의 증가 량(∆σ

) 이 가장 크게 나타났다. 그러나 캔틸레버식 옹벽의 경우 옹벽 상단(옹벽 바닥으로부터 750mm 지점)에서 수평 토압이 전혀 증가하지 않았고 선반식 옹벽의 경우 수평토압 이 약간 증가하였으나 그 크기는 매우 작은 것으로 나타났 다. 이러한 결과가 나타난 이유는 옹벽 상단이 자유단인 옹 벽의 구속조건에 의한 것으로, 선반식 옹벽의 경우에서는 선 반에 가해지는 연직하중으로 인하여 이러한 영향이 캔틸레 버식 옹벽에 비해 상대적으로 작게 발생했기 때문인 것으로 판단된다.

4.2.3 옹벽 전면에 발생하는 변위

그림 18~그림 19는 지표면에 가해진 하중으로 인하여 옹 벽 전면에 발생하는 변위의 증가량을 나타낸 것이다. 변위측 정결과를 볼 때 선반식 옹벽과 켄틸레버식 옹벽 모두에서 옹벽 중간부분(530mm 지점)의 변위가 가장 크게 나타났고 옹벽 상부(780mm 지점)와 옹벽 중간부분의 변위량 차이는 하중이 증가할수록 점점 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 그림 14~그림 15의 옹벽에 작용한 수평토압 증가에 의한 영향인 것으로 판단된다. 또한, 자유단인 옹벽상단에 비 하여 옹벽 중간에서 상대적으로 큰 변위가 발생한 이유는 옹벽 중간부분에 작용한 큰 수평토압에 의해서 모형옹벽에 휨이 발생했기 때문인 것으로 판단된다.

뒤채움 흙의 종류에 따른 변위를 비교할 경우에는 주문진 표준사로 뒤채움한 조건에 비하여 굵은 강모래로 뒤채움한 조건에서 옹벽의 변위가 상대적으로 큰 것으로 나타났고, 이 러한 경향은 앞에서 설명한 굵은 강모래로 뒤채움한 경우에 주문진 표준사로 뒤채움한 경우에 비해서 수평토압 증가량 이 상대적으로 큰 수평토압의 변화와 무관하지 않은 것으로 판단된다.

같은 되메움 조건에서 옹벽형태에 따른 변위를 비교한 경 우에 선반식 옹벽에서 켄틸레버식 옹벽에 비해 변위가 작게 발생했으며 작용하중이 증가할수록 그 차이도 증가하는 것 으로 나타났다. 또한 주문진 표준사로 뒤채움한 캔틸레버식 옹벽(SC90 및 SC50)의 경우에는 약 220kPa의 하중이 작용 할 경우 급격한 변위 증가로 인하여 뒤채움 지반에 파괴가 발생하였지만 선반식 옹벽(SR90 및 SR50)은 같은 하중조건

그림 16. 작용하중에 따른 연직토압의 증가량 변화(주문진 표준사). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

그림 17. 작용하중에 따른 연직토압의 증가량 변화(굵은 강모래). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

에서 뚜렷한 파괴징후를 나타내지 않았다. 이러한 결과를 볼 때 선반식 옹벽은 옹벽에 작용하는 수평토압 감소효과와 선 반에 작용하는 연직하중으로 인하여 캔틸레버식 옹벽에 비 해서 전도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높다고 판단된다.

5. 결 론

이 연구에서는 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압 분포를 비교하기 위하여 흙 종류, 되메움 조건을 다르 게 적용한 모형시험을 실시하였고, 시험 결과로 캔틸레버식 옹벽과 선반식 옹벽에 작용하는 토압분포를 비교하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.

(1) 선반식 옹벽은 흙 종류와 되메움 조건에 상관없이 캔 틸레버식 옹벽에 비하여 선반하부에서 수평 및 연직토압이 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 선반 상부에 작용하는 연직토압의 대부분을 선반이 부담하기 때 문이라 할 수 있고, 선반을 설치하여 발생하는 토압의 감소 효과는 확실한 것으로 판단된다.

(2) 굴착각도 50

( 일반 되메움)의 조건에서는 수평토압이 옹벽 바닥에 근접하여도 거의 선형에 가깝게 증가하는 경향 을 보이는 반면에 굴착각도 90

( 좁은 되메움)를 적용한 조건 에서는 옹벽 바닥에 근접할수록 아칭효과로 인하여 수평토 압의 증가율이 감소하였으며, 이러한 결과는 기존 연구 결과 와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.

(3) 모형지반에 대한 재하시험에서 추가적인 하중 증가로

인하여 캔틸레버식 옹벽에서 발생하는 수평토압의 증가량 ( ∆σ

) 은 옹벽 중간에서 가장 크게 발생하는 것으로 나타났고 선반식 옹벽에서는 수평토압의 증가(∆σ

) 가 선반 상부에서 거의 모두 발생하고 선반 아래에서는 수평토압의 증가가 매 우 작게 발생하는 것으로 나타났다.

(4) 모형지반에 대한 재하시험 결과를 비교해 볼 때 같은 되메움 조건에서 선반식 옹벽에서 켄틸레버식 옹벽에 비해 옹벽의 변위가 작게 발생했으며, 작용하중이 증가할수록 그 차이도 증가하는 것으로 나타났다.

(5) 주문진 표준사로 뒤채움을 한 모형지반에 대한 재하시 험 결과에서 선반식 옹벽과는 다르게 캔틸레버식 옹벽에서 급격한 변위 증가(약 220kPa의 하중 작용 시)로 인하여 뒤 채움 지반에 파괴가 발생하였다. 이러한 결과를 볼 때 선반 식 옹벽은 옹벽에 작용하는 수평토압 감소효과와 선반에 작 용하는 연직하중으로 인하여 캔틸레버식 옹벽에 비해서 전 도파괴에 대한 안정성이 상대적으로 높다고 판단된다.

참고문헌

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그림 18. 작용하중에 따른 옹벽 전면에 발생하는 변위의 변화(주문진 표준사). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

그림 19. 작용하중에 따른 옹벽 전면에 발생하는 변위의 변화(굵은 강모래). (a) 굴착각 90

, (b) 굴착각 50

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( 접수일: 2011.10.6/심사일: 2011.11.22/심사완료일: 2011.12.21)