보강토옹벽에서 단계시공과 일체형 강성벽체의 이점에 관한 연구
A Study on the Advantage with Staged Construction Procedures and Full-Height Rigid Facing of Geosynthetic Reinforced Soil Retaining Walls
원 명 수1* Won, Myoung-Soo 김 유 성2 Kim, You-Seong 타츠오카 후미오3 Tatsuoka, Fumio
ABSTRACT
To construct an ideal geosynthetic reinforced soil retaining wall (GRS RW), the facing of the wall should be flexible enough‑ to accommodate a large deformation of the supporting ground and to develop the large tensile force in reinforcements during wall construction as long as the stability is ensured, but should be rigid enough to be stiff and stable as well as durable and aesthetically acceptable for a long life time when the wall is in service. Facing conditions during the construction and service of the wall are quite different. So it is difficult to be satisfied all these conditions with the current construction method which is mainly used in reinforced wall construction in Korea. Most of this contradiction could be solved by the staged construction procedure. According to the results of cases and references analyses, stage construction procedures make it possible to accommodate large deformation of the supporting ground and backfill without losing the stability of the wall, and to derive the tensile strength of reinforcement causing deformation of the facing. When the facing is a full height rigid‑ one, it also appeared almost impossible to occur a local shear failure of the active zone, and pull out failure of reinforcements.‑ Therefore, GRS RWs having a full height rigid facing have been constructed by the staged construction procedures that‑ ‑ matched well with the theory of reinforced soil, which had outstanding stability and durability, and thus could be used for railways and bridge abutments in Korea in the future.
요 지
이상적인 보강토옹벽을 구축하기 위해서는 시공중 벽체는 지반의 변형을 수용하고 보강재의 인장력 발달을 도모하기 위해, 안정성이 허용하는 한 연성이어야 하나 구축 후 공용중에는 안전성과 내구성 및 미관 등을 위해 충분한 강성을 가져야 한다.
따라서 시공중과 구축 후 공용중 벽체의 조건이 상반되므로 국내에서 주로 시공되고 있는 현행 시공방법으로는 이 두 가지, 조건을 충족시키기는 미흡한 점이 많다 이를 충족시키기 위해서는 단계시공에 의해 일체형 강성벽체를 갖는 보강토옹벽. 시스템이 필요하다 사례 분석과 문헌조사 결과에 의하면 단계시공에 의해 보강토옹벽을 구축하는 방법을 통해 기초지반. , 및 뒤채움재에서 발생하는 큰 변형을 벽체의 안정성과 관계없이 수용할 수 있고 또한 보강토체의 변형유도로 보강재의 인장력, 발달을 도모하여 보강효과의 극대화가 가능한 것으로 나타났다 또 일체형 강성벽체를 갖게 될 경우 주동영역에서의 구속압이. , 커져 국부전단파괴의 가능성이 적고 보강재의 인발파괴의 가능성이 거의 없는 것으로 나타났다 따라서 단계시공에 의한, . , 방법으로 일체형 강성벽체를 갖는 보강토옹벽은 보강토 이론에 충실하고 안정성과 내구성이 탁월하므로 향후 국내에서 철도, , 및 교대 분야 등에도 활용될 수 있다.
Keywords : Geosynthetic reinforced soil retaining wall, Staged construction procedures, Full-height rigid facing, Geosynthetic, Pullout failure
1* 정회원, 군산대학교 토목공학부 객원교수 (Visiting Professor, Dept. of Civil Engineering, Kunsan National University, Email: [email protected]) 2 정회원 전북대학교 토목공학과 교수, (Professor, Dept. of Civil Engineering, Chonbuk National University)
3 비회원 동경 이과대학 교수, (Professor, Dept. of Civil Engineering, Tokyo University of Science) 한국토목섬유학회논문집 제 권6 3호 2007년 9월 pp. 17 ∼ 23
J. Korean Geosynthetics Society Vol.6 No.3 September. 2007 pp. 17 ~ 23
서 론 1.
기존RC(Reinforced Concrete)옹벽은 풍부한 시공경험 과 안정성 및 내구성에 대한 검증 이력을 갖고 있으나, RC 옹벽은 외력에 대해 중력으로 저항하는 방식이기 때문에 옹벽의 높이가 커지게 되면 대규모 공사로 비경제적이게 된다 이와 같은 이유로. RC옹벽은 높이가6~8m이하인 경 우에 주로 적용하고 높이가, 8m이상인 경우는 보강토옹벽 으로 적용하는 경향이 있다 그러나 최근. , 10여 년 동안 다양한 형태의 토목섬유와 금속보강재 그리고 블록 등을 이용하여 각 현장의 요구조건에 적합한 보강토옹벽이 개 발되면서 보강토옹벽은 높이에 관계없이 적용되는 경향, 이 있다 보강토옹벽의 적용 분야 및 사례가 날로 증가하. 고 일반화됨에 따라 그에 따른 보강토옹벽의 피해 또는, 파괴사례도 종종발생하고 있다 보강토옹벽의 파괴사례를. 분석한 국내 다수의 연구자들 유충식 등( , 2005, 2004;유 충식&정혁상, 2006; 조삼덕 등, 2006; 채영수 등, 2004;
한중근 등, 2006, 2005)에 의하면 보강토옹벽의 파괴는 주, 로 집중호우와 설계 또는 시공의 부주의에 기인한 것으로 보고되고 있다 이들 연구자들에 의하면 설계부주의로는. 전반활동과 상재하중에 대한 검토가 생략된 경우가 대부 분이고 시공부주의로는 배수시설미비와 부적합한 뒤채움, 재의 사용인 것으로 보고되고 있다 보강토옹벽의 파괴가. 빈번할 경우 보강토옹벽에 대한 신뢰성 저하로 보강토옹 벽 산업의 퇴보를 초래할 수도 있고 영구구조물로 보강토, 옹벽의 사용을 기피하는 결정적 원인을 제공하게 된다 이. 와 같은 현상은 보강토와 보강토옹벽의 원리에 대한 이해 부족에 기인한 것으로 생각된다 이와 같은 배경 하에 본. 연구에서는 보강토 및 보강토옹벽의 기본적 이론 배경과 현재 국내에서 적용되고 있는 보강토옹벽에 대해 분석하 였고 단계시공과 강성벽체의 필요성에 대한 논의를 사례, 분석과 보강토의 원리를 통해 기술하였다.
보강토 및 보강토옹벽의 원리 2.
흙은 인장에 약하지만 압축에는 강한 특징을 갖고 있다. 흙의 인장변형에 대한 저항은 보강토에서 보강재의 인장 력에 의해 주어지고 보강재의 인장력은 흙 보강재 경계면, - 에서의 마찰력 또는 수동저항 지오그리드의 경우 에 의해( ) 발생하게 된다 다짐에 의해 흙 보강재가 효과적으로 접촉. - 하게 되면 흙의 변형은 보강재의 인장변형과 같게 되고,
이는 흙이 보강재의 인장력에 구속되어 인장변형에 대해 큰 저항력을 갖게 됨을 의미한다 그림 에 나타낸 바와. 1 같이 보강재가 설치된 보강토체에 수직응력이 가해지면 흙은 횡방향으로 변형을 일으키려 하며 보강재와 접촉하, 고 있는 흙 입자 사이에는 이러한 흙의 변형을 억제하려는 마찰력이 발생하게 되고 이에 의해 보강재에는 인장력이, 유발된다 이 때 보강재에 유발된 인장력은 흙 보강재 경. - 계면에서의 마찰력과 같고 보강재의 인장강도가 이 값보, 다 크다면 보강토체는 안정한 상태를 유지하게 된다 이와. 같은 원리를 이용하여 보강토옹벽은 반복적인 단계시공 보강재 포설 다짐 을 통해 연직으로 구축될 수 있다
( + ) .
단계시공의 이점 3.
보강재의 인장력 발달을 도모하기 위해서는 흙 보강재- 경계면에서 마찰력이 발생해야 되고 이를 위해서는 변형, 이 발생해야만 한다 즉 보강재의 보강효과를 극대화하기. , 위해서는 시공중 보강재가 파괴되지 않는 범위 내에서 보 강토체의 변형을 허용해야한다 그러나 일반 보강토옹벽. 에서 시공중 변형이 발생하게 되면 그림 와 같은 문제가2 발생하게 된다 그림 에 나타낸 바와 같이 변형이 발생하. 2 , 게 되면 토체의 안정성에는 이상이 없다고 하더라도 외관 상 위험스럽게 보이고 변형이 커지게 되면 콘크리트 블록, 사이의 연결핀이 파괴되어 벽면이 파괴될 수 있다 보강토. 옹벽 시공중 기초지반의 변형을 충분히 허용하지 않은 상 태에서 시공하게 되면 그림 과 같은 문제가 발생할 수3 도 있다 이와 같은 문제는 단계시공으로 해결할 수 있다. . 그림 에 나타낸 바와 같이 보강재로 게비언4 , (gabion)을 감싸는 방식으로 시공중 벽면의 변형을 허용하게 되면 벽 체 부분에서의 다짐이 수월하고 흙 보강재 경계면에서의, - 변형이 발달하여 보강재의 인장력이 발달하게 되므로 보 강효과를 극대화할 수 있다 또 보강토체 또는 기초지반. , 의 변형이 충분히 수렴된 후에 강성벽체를 구축하므로 보 강토체의 변형이 벽체의 안정성에 미치는 영향을 극소화 할 수 있다 단계시공의 이점은 다음과 같다. .
σ δvtan 보강재
흙 입자의 이동방향 Σσh
σv
그림1.보강토체에서 흙의 횡 방향 이동에 대한 저항
• 시공중 벽면 부근에서의 다짐이 쉽고 보강재의 인장력을, 도모하여 보강효과의 극대화
시공중 뒤채움재의 변형이 벽체에 미치는 영향이 없음
•
벽체의 안정성에 이상없이 지반의 큰 변형을 수용할 수
•
있음
뒤채움재의 사용제한이 없음
•
사질토 지오그리드 또는 직포 점성토 부직포 또는
( : , :
복합포)
Construction plan line Cumulative
horizontal deformation Construction
plan line Cumulative
horizontal deformation
패널식 보강토옹벽
(a) (b)블록식 보강토옹벽
일체형 강성벽체 옹벽 (c)
그림2.일반 보강토옹벽에서 시공중 변형에 의한 문제점
패널식 보강토옹벽
(a) (b)블록식 보강토옹벽
그림3. 부등침하에 의한 벽체의 변형
그림 는 단계시공의 이점을 잘 보여주고5 있다 실트질. 점토층의 깊이가 약 5m정도이고 이 구간의 평균N치가 인 얕은 연약지반 상에 높이가 인 옹벽을 계획할 경우
4 5m
시공중과 구축 후 발생하는 큰 변형 때문에 지반개량 또는 파일 기초의 지지 없이는 영구적인R.C옹벽 또는 일반 보 강토옹벽의 시공은 곤란하다 그림 에 나타낸 바와 같은. 4 단계시공방법으로 보강토옹벽을 구축할 경우 지반 또는 배면에서 발생한 큰 변형을 벽체의 안정성에 관계없이 구 축할 수 있다 그림 는 지반개량 또는 파일기초를 생략한. 5 채 게비온(gabion)을 토목섬유 보강재로 감싸는 방식으로 옹벽을 구축하고 변형이 수렴된 후 콘크리트 벽체를 현장, 타설하여 영구구조물을 구축한 사례이다. 그림 의 경우는5 정도의 기초침하를 수렴한 경우 단계시공이 이점을 30cm
잘 보여주고 있다 참고로 그림 에 나타낸 보강토옹벽. , 5 의 세부 거동은Won과Kim(2007)에 의해 잘 보고되어 있다. 그림4.단계시공과정(Tatsuoka등, 1997)
보강토옹벽 단면 (a)
뒤채움재로 점성토를 활용한 단계시공과정
(b) (c)보강토옹벽 벽면에 콘크리트 타설 후 전경
그림5. 단계시공에 의해 얕은 연약지반 상에 구축된 보강토옹벽 사례
일체형 강성벽체의 이점 4.
그림 은 기존의 중력식옹벽 또는6 RC옹벽에서의 토압 분포와 보강토옹벽에서의 토압분포를 보여주고 있다 기. 존의 중력식 옹벽의 경우 저면에 큰 토압이 작용하여 옹벽 저부에서 전단력과 모멘트가 크게 발생하게 되므로 이에, 저항하기 위해 옹벽이 커지게 된다 그러나 보강토옹벽의. , 경우 보강토체에 포설된 각층의 보강재가 토압을 분담하 게 되므로 옹벽의 단면이 작아도 토압에 대해 안정하게, 된다 이와 같은 원리로 보강토옹벽이 구축되기 때문에. , 보강토옹벽은 연직으로 구축이 가능하고 구조적으로 안, 정하다 이와 같은 이유로 일부에서는 보강토옹벽에서 벽. , 체는 중요하지 않고 단지 미관과 토사의 유실을 막기 위, 해 필요하다고 주장하는 경우도 있다 그러나 다음과 같. , 은 이유로 일체형 강성벽체가 필요하다 그림 은 강성벽, . 7 체의 유무에 따른 보강토체에서 보강재의 인장력 분포를․ 보여주고 있다 그림 에 나타낸 바와 같이 강성벽체로. 7 , 구축된 경우가 없는 경우보다 주동영역에서 보강재의 인 장력이 크게 분포 또는 발달 하게 된다 보강재에 인장력( ) . 이 크게 분포함은 주동영역에서의 구속압이 크게 작용함 을 의미한다 주동영역에서 구속압을 크게 유지할 경우. ,
흙의 강성이 커져 외력에 저항하는 힘이 크고 변형이 작게 발생하여 보다 안정하게 됨을 의미한다 그림 과 는 일. 8 9 체형 강성벽체의 효과를 보여주고 있다 이해를 돕기 위해. 보강토체를 시계방향으로90°회전시켰다 여기서 화살표. , 와 삼각형은 각각 토압과 보강재의 인장력을 의미한다 일. 체형 강성벽체는 작은 연속지간 보강재의 수직 배치 간격( ) 에 의해 지지되는 하나의 연속체 빔 구조를 이루게 된다 등 따라서 중력식 옹벽에 비해 벽체에 작용 (Horri , 1994). ,
하는 힘과 벽체 하부에 작용하는 모멘트 전단력 등이 현, 격하게 작으므로 기초를 지지하기 위한 말뚝파일 등이 필 요없고 분리형 일반 보강토옹벽보다 외력에 저항하는 힘, ( ) 이 크다 상기와 같은 이유로 일체형강성벽체는 다음과 같. 은 이점을 갖고 있고 단계시공으로 강성벽체를 구축할 경, 우 그림 10과 같은 피해사례를 방지할 수 있다.
• 인발파괴에 대해 안정
• 주동영역에서 변형에 기인한 파괴가 발생할 가능성이 거의 없음
• 벽면의 불연속에 기인한 파괴의 가능성이 없음
• 난간 방음벽 전봇대 등의 건설을 위해 별도의 보강이, , 필요 없음
기존 옹벽
(a) RC (b)보강토옹벽
그림6. 옹벽에서 힘의 평형(Tatsuoka등, 1997)
그림7.강성벽체의 유․ 무에 따른 보강재의 인장력 분포(Tatsuoka
등, 1997) 그림8. 일체형 강성벽체의 효과(Horri 등, 1994; Tatsoka, 2007)
박시삼 등(2006)은 보강토벽체에 강성이 클수록 외력에 저항하는 힘이 커지고 변형이 작게 발생하는 것으로 보고 하고 있고, Lim 등(2004)은 강성벽체를 갖는 블록식보강 토옹벽에 비해 강성벽체를 갖는 보강토옹벽에서 하중재하 시 변체의 변형이 현저하게 작게 발생하는 것으로 보고하 고 있다 따라서 보강토옹벽에서 벽체는 뒤채움재의 구속. , 과 보강재의 인장력 발달에 있어 중요하고 필수적인 구조 물로 판단된다.
인발파괴 미국 사례
(a) ( ) (b)국부전단파괴 일본 사례( )
균열 발생 피해 한국 사례
(c) ( ) (d)토사유실에 의한 파괴 한국 사례( )
국부 전도 파괴 한국 사례
(e) ( ) (f)블록 연결 부 파괴 대만 사례( )
그림10.보강토옹벽의 파괴사례 그림9.일체형 강성벽체로 인발파괴 및 주동영역에서의 국부적인
파괴방지
보강토 이론에 충실한 공법의 적용 5.
이상의 검토 결과로부터①보강토의 벽체는 단지 뒤채 움재의 유실방지와 미관을 위해 필요하고, ②벽면에서의 주동토압은 가능한 작아야 되고, ③벽면은 지반의 변형을 수용하기 위해 연성이어야 한다는 기존의 이론은 불합리 함을 알 수 있고 이에 대한 합리적인 설명은 다음과 같다, . 벽체는 뒤채움재의 구속과 보강재의 인장력 발달에 있 (1)
어 중요하고 필수적인 구주물이고, (2)벽면에서의 주동토 압은 뒤채움재를 충분히 구속할 수 있을 만큼 커야하고, 시공중 변체는 지반의 변형을 수용하고 보강재의 인장 (3)
력 발달을 도모하기 위해 연성이어야 하나 구축 후 공용중 에는 충분한 강성을 가져야 한다 여기서. , (3)항의 조건은 서로 상충됨을 알 수 있다 그러나 단계시공으로 보강토. , 옹벽을 구축할 경우(3)항이 조건을 충족시킬 수 있다 따. 라서 단계시공에 의해 강성벽체를 갖는 보강토옹벽을 구, 축할 경우 보강토의 피해 또는 파괴의 가능성을 최소할 수 있을 것으로 생각된다.
결 론 6.
이상의 연구결과로부터 도출한 주요결론은 다음과 같다. 단계시공으로 보강토옹벽을 구축할 경우 기초지반 및 (1)
뒤채움재에서 발생할 수도 있는 큰 변형을 벽체의 안 정성에 관계없이 수용할 수 있는 것으로 나타났다.
보강토옹벽에서 벽체는 뒤채움재의 구속과 보강재의 (2)
인발파괴 방지를 위해 중요하고 필수적인 구조물로 판 단된다.
단계시공에 의해 일체형 강성벽체를 갖는 보강토옹벽 (3)
은 보강토 이론에 충실하고 외력에 저항하는 힘이 크 므로 향후 철도 또는 교대분야 등에 활발하게 적용될, 것으로 기대된다.
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논문접수일 심사완료일
( 2007. 7. 18, 2007. 8. 3)
