1. 서 론

옹벽은 여러 종류가 있으나 각 옹벽의 사용에는 제한이 따른다. 예를 들면, 돌쌓기･콘크리트블록쌓기 옹벽은 약 7m정도의 높이 제한이 있고, 중력식옹벽의 경우 단면이 큰 단점도 가지고 있다(Im, 2016). 그리고 L형 옹벽의 경우에 배면에 공간이 부족하면 보통 역 L형 옹벽으로 변경하는데 역학적으로 안정성의 효율이 좋지 못하다.

그런 단점을 보완하기 위해서 사면 활동을 억지시키는 역할을 하는 억지말뚝을 옹벽에 적용하여 안정성을 높이고자 하였다. 억지말뚝을 적용한 공법은 SSR공법과 IER 지주식 흙막이가 있다. SSR 공법은 Kim et al. (2012)의 실내모형실험의 결과로부터 안정성을 확인하였고, 억지말뚝을 경사로 적용한 IER 지주식 흙막이의 경우에 Seo et al.(2012), Jeong et al.(2013), Seo et al. (2015), Seo et al.(2016)등의 실내모형실험과 현장적용에 관한 연구들에서 구조적 안정성과 억지말뚝의 설치 효과가 확인되었다.

본 연구에서는 IER 지주식 흙막이의 역학적 장점을 응용하여 L형 옹벽에 억지말뚝을 경사지게 적용한 영구 구조물인 조립식 지주옹벽(Assembled Earth Retaining Wall; AER옹벽)이 개발되었으며, 억지말뚝(이하 지주보) 설치로 인한 경제성과 시공성 등에서 상당한 효과를 볼 수 있을 것으로 생각되었다. 또, 지주보의 설치는 벽체에 가해지는 토압을 감소시킴으로서 단면을 감소시킬 수 있을 것으로 판단되어졌다.

본 연구에서는 현장모형실험과 3차원 수치해석을 통해서 기존공법과 AER옹벽을 비교하였고, AER옹벽의 전면 벽체 단면을 여러 가지로 변화시킨 분석도 실시하였다. 그 결과를 이용하여, 기존옹벽에 비해 AER옹벽의 높은 구조적 안정성을 확인하고, 전면 옹벽부의 형상에 따른 차이를 비교 분석하고자 한다.

2. AER 조립식 지주옹벽

2.1 AER옹벽의 특징

AER 조립식 지주옹벽은 Fig. 1과 같은 구조로 되어 있으며, 옹벽의 벽체는 옹벽(Retaining Wall), 배면의 말뚝은 지주보(Back Supporting Beam), 옹벽의 저판은 저판(Base)으로 이름을 붙였으며, AER옹벽의 특징은 다음과 같이 총 5가지이다. 먼저, 공장에서 제작 후 현장에서 조립하는 형태이므로, 현장에서 타설하여 제작하는 방법에 비해 품질의 우수하며 콘크리트의 양생기간이 필요하지 않기 때문에 공기를 단축 할 수 있다. 두 번째, Fig. 1의 지주보가 억지말뚝으로 작용하기 때문에 옹벽에 작용하는 토압이 감소되어 구조적 안정성이 증대되고, 옹벽 연직 부재 단면을 경감할 수 있어 경제성이 증대된다. 세 번째, Fig. 1의 저판의 상부에 토사 및 자갈을 채움으로서 옹벽의 안정성을 증대시키고, 배수성을 확보하여 강우시 안정성을 확보할 수 있다. 네 번째, 공장 제작 시 옹벽 및 지주보의 경사각 조절이 자유롭기 때문에 현장 여건에 맞는 AER옹벽의 제작이 가능하다. 마지막으로 옹벽의 표면에 여러 가지 미관을 고려한 디자인(돌붙임, 무늬, 목재 부착)과 토사채움상자를 설치함으로써 녹화를 할 수 있고, 태양판을 부착하여 시계나 토압측정장치 등의 전자기계 운용이 가능하다.

2.2 종래의 연구

Hwang(2014)과 Yoo et al.(2015)는 AER옹벽의 지주보 효과를 분석하기 위해서 실내모형실험을 실시하였다. 실험조건은 Table 1과 같고, 상재하중 증가에 따른 수평변위 그래프는 Fig. 2와 같다. 그 결과 옹벽의 경사가 0°인 경우는 하중 증가에 따라 88.8~91.5% 수평변위가 감소하였고 최종상재하중은 1.75배정도 더 견디는 것으로 분석되었다. 그리고 옹벽의 경사가 10° 인 경우, 최대 95%정도 수평변위가 감소하였으며, 최종상재하중은 지주보 설치 시에 5배 이상 견디는 것으로 분석되어 AER옹벽의 구조적 우수성이 입증되었다.

Table 1. Conditions of model tests (Hwang, 2014)

3. 현장모형실험

3.1 실험조건 및 방법

AER옹벽의 구조적인 안정성을 확인하기 위하여 높이 2.1m, 길이 6m의 모형옹벽으로 현장모형실험을 실시하여 토압과 지반변형을 측정하였다. Table 2는 실험종류를 나타낸다.

Table 2. Types of model tests

1) A00_BN; A(Wall)00(Inclining angle of wall)_B(Back supporting beam)N(None Back supporting beam) 2) A00_B10; A(Wall)00(Inclining angle of wall)_B(Back supporting beam)10(Inclining angle of back supporting beam)

먼저, 모형옹벽을 설치하고, 토압계 등의 초기값을 설정한 다음에 성토를 시작한다. 성토완료 후 지반이 안정화되면 옹벽전면을 당겨서 옹벽을 강제적으로 서서히 전도시키다가 뒤채움지반이 파괴되어 균열이 확인되었을 때 실험을 종료한다.

Fig. 3은 현장모형실험 모습을 보여준다. Fig. 3(a)는 현장모형옹벽이고, Fig. 3(b)는 옹벽에 설치된 토압계와 지반변형을 측정하기 위해 설치된 변형률계(stain gauge)를 보여주고 있다. 그리고 Fig. 3(c)는 전도 시에 발생한 뒤채움지반 지표면의 균열을 나타낸다.

실험 중에서 지주보가 없는 A00_BN과 A10_BN의 경우, 뒤채움 시에 이미 변위가 상당량 발생하여 추가적인 전도는 실시하지 않았다.

3.2 뒤채움지반의 특성

뒤채움지반의 상태를 확인하기 위해서 지반 조성하는 중에 높이 0.7m, 1.0m, 1.4m 위치(3개소)에 시료캔을 설치하여, 단위중량과 함수비를 측정하였다. 그 값을 이용하여 직접전단시험을 통해 점착력과 내부마찰각을 정리하였다. 그 결과 Table 3과 같다.

Table 3. Properties of sandy ground

3.3 실험결과 및 분석

Fig. 4는 현장 실험의 결과를 나타낸다. Table 4는 토압을 측정한 결과를 정리한 것이다.

Table 4. Result of earth pressure

Fig. 4(a)는 지반에 설치한 변형률계의 값이 가장 높게 측정된 지점을 분석한 것으로 뒤채움지반의 상부 균열과 그 지점들을 연결하여, 지반의 파괴형상을 분석한 것으로, 파괴형상이 지주보에 막히는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4(b)는 A00_B10의 높이 0.7m(심도 1.4m)의 전도실험 시작 이후의 토압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프의 값 중에서 최솟값을 주동토압으로 결정하였고, 실험별로 정리한 것이 Table 4과 같다. 그리고 전면옹벽이 0°인 A00_B10의 경우, 심도가 1.4m 위치에서 랜킨의 토압론(Rankine, 1857)에 의한 이론토압과 측정토압을 비교하였다. 먼저 측정된 토압은 3.962 kN/m²이고, Table 5의 지반 특성을 사용하여 계산한 이론토압은 4.881kN/m²이다. 그 결과, 측정된 토압은 이론토압에 비해서 18.83% 감소하여 지주보에 의한 토압감소효과가 확인되었다.

Table 5. Soil properties for FE analysis in field test (Mohr-Coulomb Model)

그러므로 옹벽에 지주보의 설치 시에 지반의 변형이 억제되고, 토압이 감소되므로 AER옹벽의 안정성이 크게 향상되는 것으로 판단되어진다.

4. 3차원 수치해석

현장실험에서 AER옹벽의 안정성을 확인하였다. 그러나 현장실험의 여건에 의한 제한적인 실험을 할 수 밖에 없어 3D지반해석 프로그램을 이용하여 보다 더 많은 구조형태들을 비교 분석하였다.

4.1 해석프로그램 검증

지반해석은 PLAXIS 3D을 이용하여, 3차원 수치해석을 진행하기 위해서 현장실험에서 측정한 결과와 3D프로그램을 이용하여 현장실험을 재현한 해석 결과를 비교하여, 해석 시에 AER 공법의 지주보의 효과가 나타나는지에 대한 검증을 진행하였다.

4.1.1 지반정수 및 검증 모델링

현장모형실험 중에서 A00_B10의 측정값을 이용하여 역해석을 하였다. 뒤채움지반의 지반정수는 모아-쿨롱 모델을 이용하고, 그 값은 실험에 통한 결과를 적용하였으며, Table 5와 같다. 강재와 토류판의 설계 정수는 선형탄성모델을 이용하여, Table 6과 같고, 일반적인 강재와 목재의 탄성계수를 적용하였다. Fig. 5는 해석모델링을 나타낸다. 해석은 일반적인 하중을 적용하는 것이 아니라, 현장모형을 전도시키는 것과 같이 전면옹벽부에 변위가 작용하여 지반이 움직이게 하여 분석하였다. 적용된 수평변위는 36.11mm로 현장실험에서 주동토압이 발생하였을 때의 기울기인 0.98°를 이용하여 계산된 값이다.

Table 6. Design parameter of AER wall in field test (Linear Elastic Model)

4.1.2 검증 결과

Fig. 6은 깊이별 토압을 나타낸다. 그 결과 심도 1.4m에서 거의 비슷한 결과 값을 나타내고 있다. 랜킨의 토압론(Rankine, 1857)에 의한 이론토압과 비교하면, 하부로 갈수록 지주보에 의한 토압감소 효과가 나타나고 있다. 그리고 Fig. 7은 지반의 전단변형률을 나타낸 것으로 Fig. 4(a)의 파괴면 형상과 거의 비슷하다. 그러므로 PLAXIS 3D을 이용하여 해석 시에 AER옹벽의 효과를 확인할 수 있을 것으로 판단되어진다.

4.2 3D 해석의 개요

4.2.1 해석 조건

해석 조건은 Table 7와 같다. 기존 옹벽 공법(L형, 부벽식, 중력식 옹벽 선택)과 AER옹벽을 비교하기 위해서, 동일한 저판 길이와 높이를 적용하여, RW1~4까지의 4가지로 하였으며, 옹벽의 각도는 0°, 높이는 6m로 가정하였고, 지주보의 설치각도는 10°로 하였다. 그리고 AER옹벽은 전면 옹벽의 형상이 앞뒤의 경사각이 나란하게 적용(Fig. 1 참고)된 것이 특징이므로 이로 인한 안정성 확인이 필요하여, 옹벽부의 형상을 AC1~3까지 3가지로 분석하였다. 옹벽의 각도는 5°로, 저판은 1.92m로 변경한 것 이외의 조건은 RW1과 동일하게 적용하였다.

Table 7. Analysis conditions

4.2.2 해석모델링

각 해석 형상별 모델링은 Table 8과 같으며, 지주보와 부벽의 간격(c.t.c)은 1m로 하였다. 그리고 해석 모델링 경계조건은 지반의 바닥은 x, y, z축 방향이 고정이고, 측면부분은 x, y축 방향은 고정으로 z축 방향은 자유로 설정하였다.

Table 8. Modeling

4.2.3 적용 지반 정수

옹벽저면 하부 지반은 침하의 영향을 받지 않게 하기 위해서 풍화암으로 설정하였고, 뒤채움지반은 모래를 사용하였다. 그리고 풍화암과 모래의 지반정수는 Mohr- Coulomb 모델을 적용하였으며, 그 값은 Table 9와 같다. 옹벽의 벽체는 Linear Elastic 모델을 적용하였으며, Table 10과 같다.

Table 9. Soil properties for FE analysis (Mohr-Coulomb model)

Table 10. Design parameter of concrete (Linear elastic model)

4.3 해석방법

Fig. 8과 같이 3차원 수치해석의 해석방법은 크게 4단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 지반의 초기 상태를 모델링을 하고, 두 번째 단계는 지반에 해석 옹벽 모델을 설치한다. 그 다음 세 번째 단계에서 성토부분을 제외한 전면부의 지반을 비활성 시킨다. 그리고 마지막 단계에서 교통하중인 13kN/m²을 재하하고 해석을 실행한다.

5. 해석 결과 및 분석

5.1 옹벽의 형식에 따른 분석

옹벽의 구조형식에 따른 옹벽과 지반의 거동을 비교 분석하기 위해서, 해석조건 중에서 옹벽 구조 형식이 다른 RW1~4의 결과를 사용하여 수평변위, 토압 그리고 전단변형률의 결과를 비교하였다.

5.1.1 변위 결과 분석

옹벽 최상단의 수평변위와 AER옹벽의 수평변위 감소율을 나타낸 것이 Table 11과 같다. 그 결과로, AER옹벽(RW1)의 수평변위는 L형 옹벽(RW2)에 비해 67.84% 감소하고, 부벽식 옹벽(RW3)에 비해서는 50.48%정도 감소한다. 또 중력식 옹벽(RW4)에 비해서는 33.49%만 감소하는 것으로 분석되었다. Fig. 9는 AER옹벽과 L형 옹벽의 뒤채움지반의 수평변위 발생 형상을 동일범위에서 나타낸 것이고, Fig. 10은 총 변위 발생 형상을 화살표로 나타낸 것이다. Fig. 9와 Fig. 10에서 최대변위는 AER옹벽(RW1)은 30.37mm, L형 옹벽(RW2)은 74.32mm로 분석되었고, 변위 형상에서 AER옹벽(RW1)의 경우 방향이 하향으로 발생하고 크기도 작지만, L형(RW2)옹벽의 경우 전면부분으로 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 지주보에 의해 변위가 상당히 억제되었다.

Table 11. Lateral displacement of results of 3D analysis

5.1.2 토압 결과 분석

토압 해석 결과는 Fig. 11에 원으로 표시된 위치(=심도 5.7m)에서 확인하였으며, AER옹벽의 경우, 지주보의 영향에 따라 토압의 차이를 확인하기 위해서 지주보가 설치된 바로 앞의 위치와 두 지주보 사이 중간 위치에서 토압을 확인하였다. Table 12는 수치해석상 토압결과와 랜킨의 토압론(Rankine, 1857)에 의한 토압과 비교하여 정리한 것이다. Table 12에서 AER옹벽의 지주보가 설치된 부분은 이론토압에 비해서 73.19% 감소하여 가장 높은 감소율을 보였다. 또 지주보 사이 중간 부분도 37.86%의 감소율을 보여, L형 옹벽에 비해 약 2배가 큰 감소되는 것으로 분석되었다. 이 결과로 인해 지주보에 의한 토압감소율이 상당함을 알 수 있으며, 이런 효과는 각각의 지주보의 영향 범위가 하부로 갈수록 중첩되어 발생하는 것으로 판단되어 진다.

Table 12. Earth pressure of results of 3D analysis

5.1.3 전단변형률 결과 분석

동일한 범위에서의 뒤채움지반의 전단변형률 형상과 최대전단변형률을 정리한 것이 Fig. 12와 같다. 최대 전단변형률은 RW4가 가장 작았다. 그렇지만 뒤채움지반의 전체 변화형상을 보면, AER옹벽(RW1)의 경우 지주보 최상단에서 최대변형이 발생하고 지주보 주위에서만 변형이 발생하지만, 중력식(RW4)의 경우는 뒤채움지반 하부까지 전체적으로 변형이 발생하고 심도에 따라 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 지주보에 의한 지반의 변형억제효과를 알 수 있다.

5.2 AER옹벽의 옹벽부 형식에 따른 분석

AER옹벽은 옹벽부가 평행하게 기울어진 형태(AC1)로 개발되어 구조적인 안정성을 확인할 필요성이 있다. 그래서 전면 옹벽부의 배면 쪽의 각도를 달리한 형태에 따른 거동을 비교하기 위해 AC1~3의 3가지 종류의 형태를 분석하였다.

5.2.1 변위 결과 분석

옹벽의 최상단 수평변위결과는 Table 13과 같고, 3가지 형태 모두에서 거의 비슷한 결과를 보여주고 있다. Fig. 13은 옹벽의 수평변위를 동일 범위에서 나타낸 것으로 AC1의 상부에서 중간 지점까지 변위가 많이 발생하였으나, 형태에 따른 콘크리트의 양의 차이에서 생기는 것으로 판단되어진다. Fig. 14는 뒤채움지반의 변위를 나타내고, 최대변위는 AC1은 16.49mm, AC2는 17.53 mm, AC3은 15.90mm로 분석되었으며, 지주보의 배면에서 최댓값이 발생하는 것을 알 수 있다.

Table 13. Lateral displacement of results of 3D analysis

5.2.2 토압 결과 분석

Table 14는 Fig. 11의 원형이 표시된 위치에서 토압의 값을 정리한 것으로, 심도 5.7m에 작용하는 토압은 거의 비슷한 결과를 보여주고 있다.

Fig. 15는 배면지반에 작용하는 토압을 동일한 범위 안에서 정리한 것이다. Fig. 15를 보면, 지주보와 옹벽부 사이가 지주보 배면보다 토압이 작은 것을 알 수 있다. 또 지주보와 옹벽부 사이의 토압 분포는 중간 심도에서 가장 큰 값을 보여주고 있으나, AC1의 경우는 하부와 거의 비슷한 분포를 보이는 반면에, AC2와 AC3은 하부에 비해서 중간 심도에서 더 높은 토압이 분포함을 알 수 있다. 이러한 토압 분포의 차이는 옹벽부의 배면의 경사로 인해서 지주보와 옹벽 사이의 거리가 멀어질수록 각각의 지주보에 의한 토압억제효과의 영향범위가 중첩되어 나타나는 것으로 판단되어진다.

Table 14. Earth pressure of results of 3D analysis

5.2.3 전단변형률 결과 분석

뒤채움지반의 전단변형률을 동일 분포범위에서 나타낸 것이 Fig. 16이다. 모든 경우에 지주보의 효과에 의해서 전면벽체의 형상과는 상관없이 지주보 주위에서 변형이 발생하는 것으로 분석되었다.

AER옹벽의 전단변형률을 동일한 범위 안에서의 옹벽의 전면에서 나타낸 것이 Fig. 17이고, 지주보가 보이게 나타낸 것이 Fig. 18이다. 그 중에서 옹벽부가 평행한 AC1의 경우, 옹벽부와 지주보 하부에서 변형이 많이 발생하므로, 철근 보강이 필요할 것으로 판단되어진다. 

5.3 AER옹벽의 전면 옹벽 경사에 따른 분석

RW1과 AC1을 비교하여, 전면 옹벽의 기울기에 따른 안정성을 확인하였다. 뒤채움 지표면에 하중을 50kN/m²으로 분포시켜 해석을 실시하여 분석하였다.

5.3.1 수평변위 결과 분석

Table 15는 옹벽의 최상단 수평변위결과를 나타낸다. 그 결과, 옹벽이 5° 기울어진 경우(AC1)는 0°(RW1)에 비해서 수평변위가 61.61% 감소하는 것으로 분석되었다.

Table 15. Lateral displacement of results of 3D analysis

5.3.2 토압 결과 분석

토압은 앞선 방법과 같이 Fig. 11의 원형 위치에서 해석된 값을 정리한 것이 Table 16과 같다. 지주보가 설치됨에 따라 두 경우 모두 상당한 토압의 감소를 보여준다. 옹벽이 기울어진 AC1이 지주보의 영향을 더 많이 발휘하는 것으로 판단되어진다.

Table 16. Earth pressure of results of 3D analysis

5.3.3 전단변형률 결과 분석

뒤채움지반의 동일 범위로 표현한 전단변형률 형상이 Fig. 19와 같다. 옹벽이 경사진 AC1은 지주보 상부에서 주위에서 변형이 크게 발생하고, 0°인 RW1은 지주보 중간 정도까지 큰 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 지반 전체가 아닌 지주보 주위에서만 국부적으로 발생하였다. Fig. 20은 AER옹벽의 동일 범위 안에서 발생하는 전단변형률 형상을 나타낸다. 0°의 경우(RW1)는 옹벽 하부에서 변형이 많이 발생하지만 5° 기울어 진 경우(AC1)에는 거의 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 그러므로 옹벽이 경사질수록 구조적으로 안정성이 증대되는 것을 확인하였다.

6. 결 론

AER옹벽의 구조적인 안정성을 확인하기 위해서 현장모형실험과 3D 수치해석을 실행한 결과는 다음과 같다.

(1)현장모형실험의 결과, 지주보의 설치로 지반변형이 억제되고, 토압이 18.83% 감소하여 토압감소효과가 확인되었다.

(2)3D 수치해석의 결과는 다음과 같다.

1)AER옹벽은 기존의 다른 옹벽에 비해서, 수평변위는 최대 67.84%, 최소 33.49% 감소하였고, 토압은 지주보가 설치된 부분은 이론토압에 비해서 옹벽하부에서 73.19%정도 감소하였다. 또 뒤채움지반의 전단변형률은 거의 발생하지 않아, 지주보가 설치된 AER옹벽의 구조적인 안정성과 지반 파괴에 대한 안정성이 확인되었다.

2)AER옹벽 배면 쪽의 경사에 따른 수평변위, 토압, 전단변형률의 차이는 거의 없으므로, 옹벽의 전면과 배면 쪽의 기울기가 평행한 벽체를 적용하여도 구조적으로 안전할 것으로 판단되어진다.

3)AER옹벽의 전면 옹벽의 기울기가 경사질수록, 옹벽에 작용하는 토압과 옹벽의 수평변위가 감소하였다. 그리고 뒤채움지반의 전단변형률도 경사진 경우가 작게 발생하였다. 그러므로 옹벽을 경사지게 시공하는 것이 더 많은 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단되어진다.