1. 서 론
2. 수치해석 및 해석 조건
2.1 수치해석 조건
2.2 지반 및 재료의 설계정수 값
3. 방음벽 가초의 수치해석 결과 및 분석
3.1 Case 1 해석 결과 및 분석
3.2 Case 2 해석 결과 및 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 도시화 진행에 따라 도로 및 철도구조물 인접 주택가에 소음으로 인한 민원이 증가하고 있다. 이러한 소음문제를 예방하고 민원을 방지하기 위해 도로 및 철도구조물에는 방음벽을 설치하고 있다. 방음벽은 소음을 저감시키기 위한 방음판과 방음판을 지지하는 방음벽 기초로 구분할 수 있다. 방음판의 높이는 높을수록 풍하중에 취약하며, 이에 따라 방음벽 기초의 폭이 달라지게 된다. 2013년 Washington State Department of Transportation(WSDOT)에서는 방음벽 기초 앞굽 경사에 따른 기준을 명시하고 있으며, 앞굽 경사가 1:1.5을 초과하는 경우 직접기초 형식의 방음벽 기초 설치를 제한하고 있다. 그러나, 2010년 Ministry of Land, Transport and Martitime Affairs(MLTM)의 방음벽 기초의 표준도는 기초 앞굽 경사에 대해 1:1.5로 제시하고 있어 명확한 규정이 존재하지 않는 실정이다. 따라서, 국내 현장 여건에 따라 달라지는 기초 앞굽 경사에 따라 방음벽 기초의 안정성에 대한 확인이 필요하다.
기초 앞굽 경사에 따라 방음벽 기초의 안정성 및 기초 앞굽 사면에 대한 안정성이 확보되지 않는다면, 방음벽 기초에 보강 공법을 적용하여 기초 안정성을 확보하여야 한다. 방음벽 기초는 풍하중에 의한 모멘트 하중과 구조물의 자중, 토압 등에 의한 연직 및 수평 하중에 영향을 받는 구조물이므로, 파일 보강을 이용하여 방음벽 기초의 안정성을 확보함이 바람직하다(Narsavage, 2022). 특히 파일 보강 공법 중 마이크로파일을 이용한 파일보강은 소구경 파일을 이용하여 신설 구조물 기초, 기존 구조물 보강, 사면안전 및 침하감소를 통해 구조물 안정성을 확보할 수 있어 방음벽 기초 보강공법으로 적합하다.
Hwang and Kwon(2011)은 수치해석을 통해 마이크로파일의 길이에 따라 기초 거동이 상이하며 파일 길이비 L/D≤30인 짧은 파일조건의 경우, 기존 대구경 파일의 거동과 유사하게 파일의 선단까지 하중이 전이되고, 파일의 인접 지반에는 변형이 거의 발생되지 않음을 확인하였다. 또한, Lee and Im(2006) 및 Huh et al.(2008)은 모형실험을 통해 파일 직경과 길이에 따른 기초의 지지력과 파괴형상을 연구하였으며, 일정 파일 길이 이상부터 마이크로파일-래프트 지지력 증가효과를 기대할 수 없음을 확인하였다. 이와 같이 마이크로파일을 통해 구조물을 보강하는 경우, 마이크로파일의 길이는 중요한 변수임을 확인할 수 있으며, 지지력이 충분히 확보되는 마이크로파일의 적정 길이를 확인한다면 기초 보강시 경제적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.
따라서, 본 연구는 2차원 수치해석을 통해 방음판 높이(H)와 방음벽 기초 앞굽 사면 각도(θ)에 따라 방음벽 기초의 안정성을 확인하고, 안정성이 확보되지 않는 방음벽 기초 조건을 대상으로 마이크로파일을 이용하여 보강할 때, 기초의 안정성을 확보할 수 있는 경제적인 마이크로파일의 적정 설치길이를 제안하고자 한다.
2. 수치해석 및 해석 조건
MLTM(2010)에서는 국내 풍하중 조건과 방음판 높이를 고려하여 방음벽 기초의 표준도를 Fig. 1과 같이 제시하고 있다. Table 1은 Type 2 및 Type 3 단면에 대한 기초폭 치수표이며, 이때 B1은 기초 앞굽 폭, B3는 기초 뒷굽 폭, B4는 기초 저판 전체의 폭이다. 본 연구에서는 Type 3 일반도를 대상으로 수치해석을 진행하였으며, 수치해석에 사용한 프로그램은 MIDAS IT 사의 유한요소해석 프로그램인 GTS NX이다. 수치해석은 기초 앞굽 경사를 달리한 방음벽 기초의 사면 안정성 평가(Case 1)를 수행하였다. 그리고 Case 1에서 안정성이 확보되지 않은 조건에 대해서는 마이크로파일의 보강길이를 달리하여 변위거동 평가(Case 2)를 수행하였다.
Table 1.
Section dimensions for foundation Types 2 and 3 (MLTM, 2010)
2.1 수치해석 조건
1) Case 1
방음벽 기초 앞굽 경사에 따른 방음벽 기초의 안정성을 평가하기 위해, Fig. 2와 같이 2차원 수치해석 모델링을 수행하였다. 풍하중 조건은 Table 1과 같이 가장 큰 조건인 1.5kN/m2을 적용하였으며, 방음벽 기초의 폭(B)는 방음판 높이가 1m, 3m, 5m, 7m인 경우에 대하여 Table 1를 참고하여 모델링하였다. 기초하부 토사층의 지층조건은 노상, 노체로 구분하였으며, 토사층 하부의 기반암은 풍화암으로 가정하였다. 방음벽 기초와 인접지반 요소크기는 0.5m로 조밀하게 모델링하였으며, 지반경계부에 인접한 지반 요소의 크기는 1.5m로 상대적으로 느슨하게 모델링하였다. 기초 앞굽 사면의 경사각은 Table 2와 같이 표준도 상의 1:1.5를 만족하는 θ = 0°, 10°, 20°, 30°와 1:1.5를 벗어나는 θ = 40°인 경우로 선정하였다. 도로 및 철도 시공을 위한 성토구조물은 배수계획이 이루어지므로 기초 앞굽의 경사 각도에 따라 강도감소법(SRM)을 이용한 사면안정 해석을 진행하여 2020년 Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)의 비탈면 설계기준에서 제시하고 있는 건기시 안전율 Fs > 1.5를 만족하는지 확인하였다.
Table 2.
Analysis conditions for Case 1
2) Case 2
Case 1에서 안정성을 만족하지 못하는 조건에 대해서는 마이크로파일 적용에 따른 보강효과를 평가하기 위해, Fig. 3과 같이 2차원 수치해석 모델링을 진행하였다. 수치해석 모델링은 전체적으로 Case 1과 동일하며, 기초 앞굽 경사의 각도는 Case 1 결과를 통해 기초의 안정성이 확보되지 않은 조건으로 모델링을 진행하였다. 마이크로파일은 설치각도에 따라 연직과 경사 마이크로파일-레프트로 구분되며, 파일의 연직 시공이 수월하므로 연직 마이크로파일-레프트 형식이 주로 적용된다(Jang et al., 2024). 따라서 마이크로파일은 기초의 중앙부에 연직으로 모델링 하였으며, 파일 설치길이는 1m, 3m, 6m, 9m로 모델링 하였다. Table 3은 마이크로파일의 적정 설치길이를 평가하기 위한 Case 2 수치해석 조건을 종합적으로 나타낸 것이다.
Table 3.
Analysis conditions for Case 2
2.2 지반 및 재료의 설계정수 값
MLTM(2010)에서는 방음벽 기초와 기초하부지반의 설계정수를 Table 4와 같이 제시하고 있다. 노상과 노체의 물성값은 MLTM(2010)에서 제시하고 있는 물성값을 사용하였으나, 2009년 Korea Expressway Corporation(KEC)에서는 성토재 점착력(c)에 대해서는 0을 적용하고 있으므로, 안전측 평가를 위해 수치해석 시 노상과 노체의 점착력은 0.0kPa로 적용하였다. 방음벽 기초 콘크리트의 탄성계수(E) 및 포와송비(ν)는 2012년 Korea Rail Network Authority(KR)에서 제시한 탄성계수 산정식 및 경험값을 통해 결정하였다.
Table 4.
Design parameters of the soundproof wall foundation and the underlying ground (MLTM, 2010)
마이크로파일은 목적에 따라 선택하는 파일직경(D)이 다르나, 일반적으로 사용하는 파일직경은 200mm내외이다(Federal Highway Administration(FHWA), 2005). 또한 Bruce and Juran(1997)은 일반적으로 마이크로파일 직경은 100mm~200mm, 강봉의 직경(ds)은 50mm를 사용한다고 명시하고 있으므로, 마이크로파일의 직경은 200mm, 강봉의 직경은 50mm로 적용하였다. FHWA(2005)에서는 마이크로파일 전체 단면적()과 항복강도(), 강봉 단면적() 및 항복강도(), 그라우팅 단면적() 및 항복강도(), 케이싱의 단면적() 및 항복강도()에 따라 마이크로파일의 탄성계수 산정을 식 (1)과 같이 제시하고 있다. 여러 사례와 문헌값들을 참고하여 본 연구에 적용한 지반 및 재료의 설계정수는 Table 5와 같다.
3. 방음벽 가초의 수치해석 결과 및 분석
3.1 Case 1 해석 결과 및 분석
Fig. 4는 Case 1 해석 결과 중, H = 1.0m, θ = 10°, 40° 조건에 대한 전체 변위 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4와 같이, θ = 40°일 때 기초 앞굽에 발생하는 전체 변위는 15.025mm로 θ = 10°인 경우 기초 앞굽에 발생하는 전체 변위 8.805mm에 비해 기초 앞굽의 경사가 급할수록 기초 앞굽 사면에 변위가 집중되어 기초의 안정성이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
또한 Table 6은 Case 1 조건별 기초에 발생하는 변위 및 안전율을 나타낸 것이다. 방음판의 높이가 높고 기초 앞굽 경사가 급할수록 기초에 발생하는 변위는 0.809mm~15.025mm로 커짐을 확인할 수 있으며, 그에 따른 기초 앞굽 사면 안전율은 1.45~4.45로 작아짐을 확인할 수 있다. 그리고 방음벽의 높이가 높을수록 θ = 40°일 때 기초 앞굽에 발생하는 변위는 15.025~20.138mm로 큰 폭으로 증가하며, 안전율은 1.34~1.45로 미미하게 감소하였다.
Table 6.
Foundation displacement and toe slope safety factor in Case 1
또한 Fig. 5는 Table 6에 따른 Case 1 각 조건별 기초 앞굽 사면의 안전율을 도식화한 것이다. Fig. 5에서 보인 바와 같이, 기초 앞굽의 경사가 1:1.5(θ = 33.3°)를 만족하지 못하는 경우 건기시 사면 안전율 기준인 Fs = 1.5를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서, Case 1 해석 결과를 통해 방음벽 설계 및 시공 시 방음벽 기초 표준도에 제시된 방음벽 기초 앞굽 경사를 준용해야 하며, 이를 지키지 못할 경우 기초 보강이 필요한 것으로 나타났다.
3.2 Case 2 해석 결과 및 분석
Case 2의 수치해석은 Case 1에서 방음벽 기초의 안정성이 확보되지 못하는 조건인 θ = 40°(θ ≥ 33.3°)를 대상으로 마이크로파일의 설치 길이를 달리한 경우이다. Fig. 6~Fig. 7은 Case 2의 해석결과 중 H = 7.0m, L = 1m, 9m인 조건에 대한 연직변위() 및 수평변위()를 나타낸 것이며, Table 7은 Case 2 조건에 따른 변위와 전체변위 감소율을 나타낸 것이다. Table 7과 Fig. 6b 및 Fig. 7b에서와 같이 마이크로파일 설치 길이가 길어질수록 파일에 변위가 집중되며 사면에 발생하는 변위와 기초 침하량이 감소하는 경향을 보인다. 그러나 Table 7과 Fig. 6a 및 Fig. 7a에서와 같이 수평변위 감소는 미미한 것으로 나타났다. 이는 기초 중앙에 연직 방향으로 설치된 마이크로파일이 모멘트하중 및 수평하중를 억제하기에 적합하지 않은 기초 방식임을 나타낸다.
Table 7.
Foundation displacement and total displacement reduction in Case 2
Fig. 8은 Table 7에 나타낸 마이크로파일 설치길이에 따른 전체변위 감소율을 도식화 한 것으로 마이크로파일 설치길이가 L = 3m~6m(L/D = 15~30)일 때, 마이크로파일의 설치길이에 따른 변위 감소율이 급격하게 완만해짐을 확인할 수 있다. 따라서, 마이크로파일 설치를 통해 방음벽 기초에 발생하는 변위를 억제하여 기초의 안정성을 확보하기 위해서는 최소 마이크로파일을 3m(L/D = 15) 이상 설치하여야 하며, 마이크로파일의 설치길이가 6m(L/D = 30)를 초과하는 경우에는 변위 억제효과가 급격히 저하되므로 경제적인 설계와 시공을 위해서는 마이크로파일의 설치길이를 최대 6m(L/D = 30)로 제한하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 수치해석을 통해 모멘트하중, 연직하중 및 수평하중이 작용하는 방음벽 기초 구조물의 앞굽 경사각도에 따른 안정성 평가를 진행하고, 안정성을 만족하지 못한 기초 조건에 대해 마이크로파일을 설치하여 보강을 실시할 경우 파일 설치길이에 따른 변위 감소율을 확인하고 적정 마이크로파일 설치길이 범위를 제안하였다. 해석결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 방음벽의 높이는 사면의 안전율에 큰 영향을 미치지 않았으며(Fig. 5 참조), 방음벽 기초 앞굽 사면의 경사가 1:1.5를 초과할 경우, 방음벽 기초 앞굽 사면의 안전율이 건기시 안전율 기준치인 Fs = 1.5를 만족하지 못하므로 설계 및 시공시 방음벽 기초 앞굽 사면의 경사를 1:1.5를 초과하지 않도록 함이 바람직하다.
(2) 방음벽 기초의 안정성이 확보되지 않을 경우, 마이크로파일을 통해 기초 보강을 실시할 때, 방음판 높이 1.0m인 경우 연직 변위는 6.866mm에서 3.924mm까지 약 42.9% 감소하였으며, 방음판 높이 7.0m인 경우 연직 변위는 11.952mm에서 9.145mm까지 약 23.5% 감소하여 침하 억제효과를 기대할 수 있다.
(3) 마이크로파일 설치길이가 길어짐에 따라 기초에 발생하는 전체변위는 방음판 높이 1.0m인 경우 14.780 mm에서 13.400mm로 약 9.3% 감소하였고 방음판 높이 7.0m인 경우 20.129mm에서 18.519mm로 약 8.0% 감소하였으며, 마이크로파일 설치길이가 30 ≤ L/D인 경우, 변위 억제효과가 급격히 감소하였다(Fig. 8 참조).
(4) 마이크로파일을 통해 방음벽 기초의 안정성을 확보하는 경우, 경제적인 설계 및 시공을 위해서는 마이크로파일의 설치길이를 15 ≤ L/D ≤ 30로 제한함이 바람직하다.
마이크로파일을 기초 중앙에 연직으로 설치할 경우, 수평 변위에 대한 억제효과는 매우 미미한 것으로 나타났으며, 방음벽 기초의 수평변위 억제를 위해 2열 마이크로파일, 경사 마이크로파일 등 다른 조건에서의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
