보강토옹벽은 흙과 보강재 사이의 결속력에 의하여 일체화된 보강토체가 배면토압에 작용하는 일종의 중력식 옹벽으로, RC옹벽과 같은 강체가 아닌 흙구조물로 하중을 받으면 보강토체 자체의 변형이 발생할 수 있고하고 배면토압에 의하여 수평변형이 발생할 수 있다. 따라서 보강토옹벽에서 변형의 발생은 불가피하며, 대표적인 변형형태가 배부름 이다.
목차
- 보강토옹벽의 변형
- 보강토옹벽의 변형발생 양상
- 보강토옹벽에 과도한 변형이 발생한 사례
- 보강토옹벽의 과도한 변형발생 원인
- 보강토옹벽 수평변형(수직선형 오차)의 허용치
- 마무리
보강토옹벽의 변형
보강토옹벽은 보강재에 의하여 결속된 보강토체가 배면토압에 저항하는 흙구조물로서, 보강토체가 하중을 받으면 이에 저항하기 위해서 변형이 발생한다. 보강토옹벽의 대표적인 변형발생 양상은 그림 1.에서와 같다.
FHWA-NHI-00-043에는 보강토 옹벽 시공 중에 발생가능한 수평변형량을 예측할 수 있는 경험곡선을 그림 2.에서와 같이 제시하고 있다. 그림 2.를 사용하여 보강재 길이가 0.7$H$인 보강토옹벽의 수평변형량을 예측해 보면 다음과 같다.
비신장성 보강재의 경우, $\delta_{max} = 1.0 × H / 250 = 0.004H$
신장성 보강재의 경우, $\delta_{max} = 1.0 × H / 75 = 0.013H$
따라서 신장성 보강재를 사용하는 경우에는 보강토옹벽 높이의 약 1.3% 정도의 수평변형이 발생할 수 있으며, 비신장성 보강재를 사용하는 경우에도 약 0.4% 정도의 수평변형이 발생할 수 있다.
보강토옹벽의 변형발생 양상
Nakajima 등 (1996)이 높이 8m의 보강토옹벽에 대한 현장계측결과에 의하면 보강토옹벽의 시공 중 및 시공완료 후에 변형이 발생하며, 대부분은 시공 중에 발생한다. 시공완료 후에도 변위가 추가로 발생하며, 하중이 추가로 작용하면 변형 또한 추가로 발생한다.
여러 논문에 발표된 보강토옹벽에 대한 현장계측결과를 종합해 보면, 보강토옹벽에서 변형발생은 불가피 하며, 보강토옹벽 높이의 중간부분에서 가장 큰 변형량을 나타낸다.또한 Kim et al. (1997)의 현장계측결과를 보면 직선부보다 곡선부에서 수평변형량이 더 크다는 것을 알 수 있다.
보강토옹벽에 과도한 변형이 발생한 사례
그림 5.에서는 보강토옹벽의 변형발생 사례를 보여준다. 앞에서 언급한 바와 같이 보강토옹의 변형발생은 불가피하며, 대부분의 경우 큰 문제가 없다. 그러나 그림 5.의 좌측과 같이 구조물과 접속하여 시공된 보강토옹벽이나 곡선부에 시공된 보강토옹벽에서 변형이 발생하면 상대적인 변위가 쉽게 눈에 뛸 수 있다.
곡선부의 경우 변형의 발생방향이 서로 다르기 때문에 수평변형 발생량이 커지면 전면벽체에 균열이 발생하는 등의 피해가 발생할 가능성이 있다.
보강토옹벽의 과도한 변형 발생 원인
앞에서 언급한 바와 같이 보강토옹벽에서 변형의 발생은 불가피하다. 이러한 변형이 어느 정도 범위 내에 있는 경우에는 모강토옹벽의 안정성이 미치는 영향이 적으나, 일정 범위 이상으로 변형이 발생하면 미관이 좋지 않을 뿐만아니라 보강토옹벽의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있다.
그동안의 경험으로 미루어볼 때 보강토옹벽에서 과도한 변형이 발생하는 원인은 대체로 다음과 같다.
1. 불량한 뒤채움재료의 사용
보강토옹벽 뒤채움 재료는 No.200체 통과량 15% 이하인 흙을 사용해야 한다. 예외규정을 적용할 때에는 흙의 내부마찰각 이 30도 이상이고 소성지수($PI$)가 6이하인흙을 사용해야 한다.
세립분이 많은 흙을 사용하는 경우에는 흙의 함수비관리가 어렵고 따라서 다짐도 관리가 어려우며, 또한 장기적인 크리프 변형의 발생가능성이 크다. 이러한 흙을 보강토옹벽 뒤채움재료로 사용할 때에는 함수비 및 다짐도 관리에 특별히 주의해야한다.
2. 부적절한 함수비 및 다짐도 관리
시공 중 흙의 함수비가 높으면 다짐이 잘 되지 않으므로, 건조시킨 후 다짐하여야 하지만, 세립분이 많은 흙의 경우 건조가 잘 되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 적절한 다짐도를 얻기 어렵다. 하지만 실제 시공 현장에서는 이러한 점을 무시하고 시공하는 경우가 종종 있으므로 주의해야 한다.
3. 보강토체 내부로 지표수 또는 지하수의 유입
보강토옹벽 시공 중 또는 시공완료 후에 보강토체 내부로 지표수 또는 지하수가유입될 수 있으며, 보강토체 내부로 물이 유입되면 간극수압의 발생으로 인하여 보강재 위에 작용하는 유효응력이 감소하여 보강재의 인발저항력이 감소하게 된다. 또한 보강토체 내부로 유입된 물은 수압을 발생시켜 보강재에 작용하는 하중은 증가시킨다. 이렇게 변화된 하중조건에 저항하기 위해서 보강토체에 변형이 발생한다.
따라서 보강토 옹벽 시공 중 또는 시공완료 후에 보강토체 내부로 물이 유입되지 않도록 적절한 배수 및 차수시설을 설치하여야 한다.
보강토옹벽 수평변형(수직선형 오차)의 허용치
보강토옹벽의 변형은 불가피 하며, 이를 고려하여 전면벽체 설치 시 배면방향으로 기울여 설치하거나 약간 뒤로 물려서 설치하지만, 시공 중 및 시공완료 후에 발생하는 변형으로 인하여 수직선형의 오차가 발생할 수 있다.
그 동안의 경험을 바탕으로 수직선형의 오차가 ±0.03$H$(여기서, $H$는 보강토옹벽의 높이) 또는 최대 30cm 이내에 있으면 구조적으로 안전한 것으로 평가할 수 있다.
미국 FHWA 지침(FHWA-NHI-00-043)에서는 콘크리트 패널의 경우 수직 및 수평방향으로 1m 당 6mm 정도의 허용오차 범위 내로 관리하록 규정하고 있다. 영국의 BS8006-1:2010에서는 수직선형의 허용오차를 높이 1m 당 ±5 mm로 규정하고 있으며, 배부름(수직 및 수평방향)에 대해서는 4m에 ±25mm 로 규정하고 있다.
그러나 미국의 경우 No.200체 통과율을 15% 이하로 제한하고 있어, 장기적인 크리프 변형이 가능성이 적은 반면, 우리나라의 경우에는 No.200체 통과율이 15% 이상이더라도 0.015mm 입경 통과율이 10% 이하이거나, 0.015mm 입경 통과율이 10 ~ 20% 이고, 내부마찰각($\phi$)이 30도 이상이고 소성지수($PI$)가 6 이하이면 사용할 수 있다는 예외규정이 있으므로, 이러한 예외규정을 적용하는 경우 장기적인 크리프 변형의 발생가능성이 커지는 등 미국 또는 영국과는 조건이 다르므로 미국 또는 영국의 규정을 그대로 따르기는 현실적으로 어려움이 있을 것으로 생각된다.
마무리
보강토옹벽은 그 특성 상 시공 중 및 시공완료 후 변형의 발생이 불가피하며, 이러한 점을 고려하여 콘크리트 패널을 뒤로 1 ~ 3% 정도 기울여 설치하거나 블록 약간 뒤로 물려서 설치하지만, 그래도 수직선형 오차의 발생은 불가피 하다. 그동안의 경험을 바탕으로 수직선형의 오차가 ±0.03$H$(여기서, $H$는 보강토옹벽의 높이) 또는 최대 30cm 이내에 있으면 구조적으로 안정한 것으로 판단할 수 있다. 다만 과도한 수평변형의 발생은 미관 상 좋지 못하므로 과도한 수평변형이 발생하지 않도록 뒤채움재료의 선정 및 다짐관리에 주의를 기울여야 한다.
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