5장 토압과 옹벽

5.1 개 요 토압(Earth Pressure) : 지중이나 흙막이 구조물에 작용하는 수평 및 수직압력을 총칭 5.1 개 요 토압(Earth Pressure) : 지중이나 흙막이 구조물에 작용하는 수평 및 수직압력을 총칭 변위발생 상태에 따라 주동(Active), 수동(Passive), 정지(at rest) 토압으로 구분 그림 5.1 주동, 수동 및 정지상태

5.1 개 요 (5.1) 대체로 정지토압계수는 0.4~0.6 범위의 값을 보임 (5.2) 5.1 개 요 ● 정지토압계수 (5.1) 대체로 정지토압계수는 0.4~0.6 범위의 값을 보임 ● 토압계수 (5.2) 대체로 주동토압계수는 0.17~1.0, 수동토압계수는 1.0~10 범위의 값을 보임

그림 5.2 벽체의 변위와 토압계수와의 관계(NAVFAC DM7.2, 1982) 5.1 개 요 그림 5.2 벽체의 변위와 토압계수와의 관계(NAVFAC DM7.2, 1982)

5.1 개 요 표 5.1 흙의 종류와 상태에 따른 극한 회전변위(Canadian Geotechnical Society, 1992)

그림 5.3 Rankine응력상태 해석과 Coulomb의 쐐기해석

5.2.1 Rankine 토압론 (5.3) (5.4) 점착력 성분이 없는 경우 (5.5) (5.6)

5.2.1 Rankine 토압론 (5.7) (5.8) ● 경사진 지반에 대한 토압계수 (5.9) 그림 5.6 주동토압도

그림 5.7 인장균열이 발생한 경우의 토압 및 수압분포 5.2.1 Rankine 토압론 ● 점성토지반의 토압 (5.10) ● 인장균열이 발생할 경우 그림 5.7 인장균열이 발생한 경우의 토압 및 수압분포 (5.11)

5.2.2 Coulomb 토압론 그림 5.8 Coulomb의 주동토압 (5.12) (5.13)

5.2.2 Coulomb 토압론 그림 5.9 대수나선 활동면에 대한 토압계수 (Caquot와 Kerisel, 1949)

5.3 기타 토압론 5.3.1 Culmann의 토압론 그림 5.13 Culmann의 도해법

5.3.2 반복쐐기법 그림 5.14 반복 쐐기법에 의한 토압산정

5.3.3 뒤채움토에 의한 토압 그림 5.16 다짐에 의해 유발되는 토압

그림 5.18 중력식 및 역 T형 옹벽의 구조 명칭, 적정 제원 5.4 옹벽의 안정 5.4.1 개요 그림 5.17 옹벽의 종류 그림 5.18 중력식 및 역 T형 옹벽의 구조 명칭, 적정 제원

5.4 옹벽의 안정 5.4.2 옹벽에 작용하는 하중 자중 : 옹벽의 무게와 필요시 배면의 흙의 무게 고려 자중 : 옹벽의 무게와 필요시 배면의 흙의 무게 고려 γconc=25 kN/m3 (RC), γconc=23.5 kN/m3 (무근) 토압 : 벽면마찰 고려여부에 따라 Coulomb 또는 Rankine 토압 적용 수동토압의 경우 안전율 2.0 이상 적용 필요 상재하중 : 배면조건을 감안하여 적용, 최소 10 kN/m2을 고려 기타 : 지진력, 인장균열의 수압, 암반의 경우 불연속면 추가 고려 1 2 3 4

5.4 옹벽의 안정 5.4.3 옹벽의 안정성 검토 1 활동에 대한 안정 - 옹벽에 작용하는 하중의 수평성분에 대한 바닥면에서의 저항정도

5.4 옹벽의 안정 5.4.3 옹벽의 안정성 검토 전도에 대한 안정 - 옹벽에 작용하는 횡방향 하중에 대해 저판 앞굽을 중심으로 하는 회전 저항정도 2

5.4 옹벽의 안정 5.4.3 옹벽의 안정성 검토 3 지지력에 대한 안정 - 옹벽의 기초지반에 작용하는 최대압축응력( )이 허용 지지력( )을 초과하지 않도록 검토. 허용지지력은 극한 지지력의 1/3로 적용 3

5.4 옹벽의 안정 5.4.3 옹벽의 안정성 검토 전체안정 - 옹벽 구조체 전체를 포함한 토체의 파괴에 대한 비탈면 안정검토를 수행 - 일반적으로 파괴면은 원호로 가정하고, Bishop의 간편법, Janbu 간편법, Spenser 방법을 이용한 한계평형해석을 실시하여 안정해석 수행 최소안전율은 1.5이상 적용 4

5.4 옹벽의 안정 5.4.4 옹벽 설계시 기타 고려사항 1 지반조사 범위 : 하부로 1.5H, 후방으로 1.5~3.0H 기초지반에 연약토층이 분포하는 경우 : 치환, 말뚝기초 고려 뒤채움 공간이 제한된 경우 : 토압여건 변화, 암반 불연속면 고려 이음 : 시공이음, 수축이음, 팽창이음 설치 필요성 배수구멍 : 직경 5~10cm, 1.5~4.5m 간격으로 설치 전단 키 : 사질토 지반의 수동저항 증대 2 3 4 5 6

5.4.5 안전점검 역학적 거동 및 원인 하중 증가 시설물의 상태 기초지반 지내력 저하 옹벽의 지내력 저하 상태평가등급 A B 토압증대 편토압, 사면활동, 배면지반 하중증가 수압증대 지표수 유입, 배수불량, 지하수 차단, 인접시설(상하수도) 누수 기타 재하(載荷), 제하(除荷), 근접시공, 지진 기초지반 지내력 저하 침하, 활동 근접굴착시공, 지진 옹벽의 지내력 저하 구조노후화 균열, 박리, 단면변형 재료노후화 중성화, 저온, 습윤, 재료 배합불량 지진, 화재, 충돌 충격 상태평가등급 시설물의 상태 A 문제점이 없는 최상의 상태 B 결함이 경미하게 발생하였으나 기능발휘에는 지장이 없으며, 일부의 보수가 필요한 상태 C 보통의 손상, 결함이 발생하였으나 안전에는 지장이 없으며, 내구성, 기능성 저하 방지를 위한 보수가 필요한 상태 D 결함이 발생하여 긴급한 보수‧보강이 필요하며, 사용제한 여부를 결정하여야 하는 상태 E 심각한 결함으로 인하여 시설물의 안전에 위험이 있어 즉각 사용을 금지하고 보강 또는 개축을 하여야 하는 상태

5.5 강널말뚝 5.5.1 개요 그림 5.22 널말뚝의 종류 그림 5.23 강널말뚝 사용 물막이

그림 5.26 균질 모래질 흙의 캔틸레버 널말뚝 근입깊이와 최대모멘트 5.5.2 캔틸레버 널말뚝 벽의 설계개념 1. 모래지반 1 널말뚝의 관입깊이 산정 널말뚝의 단면계수 산정 수동토압 안전계수: 1.5~2.0 또는 근입깊이 20~40% 증가 2 3 그림 5.26 균질 모래질 흙의 캔틸레버 널말뚝 근입깊이와 최대모멘트

5.5.2 캔틸레버 널말뚝 벽의 설계개념 1. 모래지반 -토압산정 -관입길이 산정 -소요단면계수 -토압계수 (Design) 그림 5.25 모래 지반에 설치된 캔틸레버 널말뚝 (a)순압력변화도 (b)모멘트 변화도

그림 5.28 점토지반과 모래질흙 뒤채움시의 널말뚝 벽의 근입길이와 최대모멘트 5.5.2 캔틸레버 널말뚝 벽의 설계개념 2. 점토지반 ◆ 준설선 하부는 Φ=0인 상태에서 점착력만 고려 ◆ 수동토압 안전계수: 1.5~2.0 또는 근입깊이 40~60% 증가 그림 5.28 점토지반과 모래질흙 뒤채움시의 널말뚝 벽의 근입길이와 최대모멘트

5.5.2 캔틸레버 널말뚝 벽의 설계개념 2. 점토지반 -토압산정 -최대 휨모멘트 -점착력(Design) 그림 5.27 점토층에 박힌 캔틸레버 널말뚝벽

그림 5.30 고전적인 해법에 의한 토압, 휨 모멘트 및 변위도 5.5.3 앵커로 지지되는 널말뚝 벽의 설계개념 그림 5.29 자유단 지지법과 고정단 지지법의 비교 그림 5.30 고전적인 해법에 의한 토압, 휨 모멘트 및 변위도

5.5.3 앵커로 지지되는 널말뚝 벽의 설계개념 1. 모래지반(자유단 지지법) -토압산정 -앵커력 -근입깊이 그림 5.31 모래층에 설치된 앵커 널말뚝

5.5.3 앵커로 지지되는 널말뚝 벽의 설계개념 2. 점토지반(자유단 지지법) -토압산정 -앵커력 -근입깊이 그림 5.32 점토층에 설치된 앵커 널말뚝

그림 5.36 모래지반에 박힌 앵커 널말뚝 벽의 고정단 지지법 5.5.3 앵커로 지지되는 널말뚝 벽의 설계개념 3. 모래지반(고정단 지지법) 그림 5.36 모래지반에 박힌 앵커 널말뚝 벽의 고정단 지지법

5.5.4 앵커시스템의 설계개념 1. 앵커의 유형 1 앵커판(anchor plate) 또는 앵커보(deadman) 타이백 수직앵커 말뚝 경사말뚝으로 지지되는 앵커보 2 3 4

5.5.4 앵커시스템의 설계개념 2. 앵커의 설치위치 그림 5.37 널말뚝에 사용되는 앵커의 유형

그림 5.43 보강재 사이에 있는 흙의 Arching현상 5.6 보강토 옹벽 5.6.1 보강토의 기본개념 흙은 불연속 재료로 볼 수 있으며, 외력과 자중에 의해 쉽게 흩어짐 흙 속에 인장력을 가진 재료를 포설하거나 삽입, 흙의 성질을 개량 보강재와 흙의 마찰력이 인장강도로 보강재에 작용 지오그리드와 같은 형태는 마찰 이외에 가로방향 RIB에 의한 수동저항 발현 1 2 3 4 그림 5.42 보강토체에서의 보강재의 인장효과 그림 5.43 보강재 사이에 있는 흙의 Arching현상

5.6 보강토 옹벽 5.6.2 보강토옹벽의 종류 보강재 종류 전면판 종류 보강토옹벽 토목섬유 강 재 콘크리트 블록 표 5.7 보강토옹벽의 종류 보강재 종류 전면판 종류 보강토옹벽 토목섬유 콘크리트 블록 블록형 보강토 옹벽 (주로 지오그리드 보강재 사용) 콘크리트 패널 패널형 보강토 옹벽 (주로 합성섬유 띠 보강재 사용) 현장타설 콘크리트 벽체 강성벽면 보강토 옹벽 (주로 지오그리드 보강재 사용) 돌망태 돌망태형보강토 옹벽 전면판 없음 포장형 보강토 옹벽 (주로 지오텍스타일 보강재 사용) 강 재 패널형 보강토옹벽 (주로 아연도강판 보갱재 사용) 앵커식 보강토옹벽 (주로 앵커 형태의 보강재 사용) 기타 강재틀 보강토옹벽 (주로 아연도강판 보강재 사용)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 보강토체를 균질한 복합토체로 고려하여 파괴유형에 따라 안전성 평가 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 그림 5.46 외적 안정해석 시 토압산정 (보강토체 상부가 수평하고 차량하중이 작용하는경우)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 그림 5.47 외적 안정해석시 토압산정 (보강토체 상부에 무한사면이 있는 경우)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 1 3 4 보강토체를 하나의 강성체로 가정하여 배면토압을 산정 그림 5.46은 보강토체 상부가 수평하고 차량하중이 작용하는 경우 그림 5.47은 보강토체 상부에 무한 성토사면이 있는 경우 보강토체와 배면토체 사이의 마찰력은 무시 1 2 (5.65) 3 (5.66) 4

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 (5.67) 그림 5.48 외적 안정 해석시 토압산정 (보강토체 상부의 성토사 면이 중간에서 수평으로 변화하는 경우) (5.67)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 5 7 성토사면의 각이 변화하는 경우 수정된 사면각, i 를 α대신 식 5.66에 대입 하여 토압계수 산정 그림 5.48에서 M이 2H보다 작을 경우는 , M이 2H보다 큰 경우는 식 5.66을 그대로 적용 전면벽의 경사도가 10보다 클 경우의 토압계수는 Coulomb 토압론에 근거 5 6 7 (5.67) 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 (5.67) 그림 5.49 보강토체 저면에서의 수직응력 계산

◆ 외적안정을 위한 토압 (수직 지지응력 산정) 5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 외적안정을 위한 토압 (수직 지지응력 산정) 배면토압 의 산정 모멘트 평형을 고려한 수직합력의 편심거리 , e 의 산정 보강토체 저면에 작용하는 균등한 등가 수직응력, 산정 1 (5.68) 2 (5.69) 3 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형 (5.70)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 저면활동 평가 1 3 4 5 배면토압 의 산정 수평활동력 의 산정 배면토압 의 산정 수평활동력 의 산정 보강토체 저면부에서의 극한마찰계수 결정 옹벽의 단위길이당 수평저항력 의 산정 저면활동에 대한 안전율 산정. 1 (5.72) 2 (5.73) 3 4 (5.74) 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형 5

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 전도 평가 ▶수직합력의 편심거리 , e에 대한 식 5.75나 보강토옹벽의 앞부리를 중심으로 한 전도모멘트에 대한 안전율로서 평가 : 흙의 경우, : 암반의 경우 (5.75) (5.76)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 지지력 평가 * 전반전단파괴(general shear failure) * 편심거리 e 산정 : 인 경우에는 보강재의 길이를 증가시킴 * 보강토체 저면에 작용하는 수직응력 (5.77) * 기초지반의 극한지지력 산정 (5.78) * 허용지지력에 대한 안전율 검토 (5.79) 여기서, : 기초지반의 점착력 : 기초지반의 단위중량 , : Meyerhof의 지지력계수 * 국부전단파괴(local shear failure) 를 만족시켜야 함 (5.80)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 전반활동 평가 ◆ 기초지반의 침하 평가 * 사면안정해석이론을 바탕으로 한 해석용 컴퓨터 프로그램을 이용 * 보강토옹벽을 하나의 강성체로 보아 파괴면이 보강토체를 통과하지 않는 것으로 함 ◆ 기초지반의 침하 평가 * 기초지반의 즉시침하, 압밀침하 등을 계산함으로써 산정 * 부등침하의 경우 옹벽의 길이에 대한 침하의 비율이 1%이내가 되도록 함

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 지진시 안정성 평가 그림 5.50 지진시 보강토옹벽의 외적 안정해석

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 지진시 안정성 평가 1 3 4 5 최대 수평지반가속도 계수 a의 산정 최대 수평가속도 의 산정 수평관성력 의 산정 배면토체의 동적 수평토압 의 산정 그림5.50(b)의 경우의 H2 고려 1 2 (5.82) 3 (5.83) 4 (5.84) 5 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형 (5.85)

5.6 보강토 옹벽 5.6.3 보강토옹벽의 외적 안정해석 ◆ 지진시 안정성 평가 6 8 Pae값은 Mononobe-Okabe식에서 α와 H2를 고려하여 산정 PIR은 지진시 토체의 폭을 0.5H2로 고려하여 산정 지진시 보강토 옹벽의 외적안정을 위한 최소 설계 안전율 저면활동 : 1.2 전 도 : e<L/4(흙), e<L/3(암반) 지 지 력 : 2.0 전반활동 : 1.0 6 7 (5.86) (5.87) (5.88) 8 그림 5.45 보강토옹벽의 잠재적인 외적 파괴유형

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 한계 활동파괴면 ▶토목섬유 같은 신장성 보강재와 강판같은 비신장성 보강재의 경우, 한계 활동 파괴면은 다음 그림과 같음 그림 5.51 내적 안정해석을 위한 한계 활동파괴면

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 보강재의 파단에 대한 내적 안정평가 ▶비신장성 보강재와 신장성 보강재의 깊이에 따른 토압계수의 변화는 그림 5.52와 같음 그림 5.52 보강토체내 깊이에 따른 보강재 종류별 수평토압계수비 변화

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 보강재 파단에 대한 내적 안정평가 각 보강재층의 보강재의 파단에 각 보강재층에서의 수평응력 σH 각 보강재층의 단위폭당 최대 유발 인장력 보강재의 파단에 대한 내적 안정평가

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 인발파괴에 대한 내적 안정평가 (5.94) 여기서, : 보강재의 최대 유발인장력( 계산시 활하중은 무시) : 보강토체 내의 저항영역에 묻혀진 보강재의 유효 저항길이 : 흙과 보강재 사이의 점착력(세립분 함유량이 적은 사질토에서는 고려하지 않음) : 흙과 보강재 사이의 마찰각 : 보강재에 작용하는 유효 수직응력(활하중의 영향은 무시)

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 연결부 강도 평가 (5.97) 여기서, : 전면벽과 보강재의 최대 연결부 강도 : 보강재의 설계인장강도 그림 5.56 경사진 보강토옹벽에 대한 힌지높이의 결정

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 지진 시 안정성 평가 1 보강토옹벽의 관성력 PI의 산정(AASHTO,1996) 각 보강재에 유발되는 정적 최대인장력 여기서, Sv는 보강재층의 수직간격이며, σH는 단위폭당 수평응력 보강토체의 관성력 PI에 의해 유발된 i번째 보강재의 동적인장력 Tmd의 산정 1 (5.98) (5.99) 2 (5.100) (5.101) 3 (5.102)

5.6 보강토 옹벽 5.6.4 보강토옹벽의 내적 안정해석 ◆ 지진 시 안정성 평가 4 보강재의 최대 유발인장력, 보강재의 파단 및 인발파괴에 대한 안정평가 보강재의 파단 : 인발파괴 : 4 (5.103) 5 (5.104) (5.105)

5.6 보강토 옹벽 5.6.5 설계시 주요 고려사항 ◆ 보강재의 설계인장강도 평가 (5.106) (5.107) (5.107) * 토목섬유 보강재의 장기간 허용인장강도 (5.106) (5.107) * 토목섬유 보강재의 장기간 설계인장강도 (5.107) 여기서, : 토목섬유 보강재의 극한인장강도 : 토목섬유 보강재의 장기간 강도손실을 고려한 총 감소계수 : 크리프 감소계수 : 내구성 감소계수 : 시공성 감소계수 : 안전율은 1.0~1.5 범위에서 사용

5.6 보강토 옹벽 5.6.5 설계시 주요 고려사항 ◆ 보강재의 설계인장강도 평가 (5.109) * 금속성 보강재의 장기간 허용인장강도 (5.109) 여기서, : 보강재의 유효 단면적 : 보강재의 수평간격 강재 그리드 보강재에 대해서는 계수 0.48, 강재 스트립 보강재에 대해서는 계수 0.55를 적용

5.6 보강토 옹벽 5.6.5 설계시 주요 고려사항 ◆ 뒤채움 흙의 선정 ◆ 보강재의 수직간격 결정 ◆ 벽체 묻힘 깊이 * 보강토체의 내구성과 시공성 등을 고려하여 실트와 점토 함유량이 적은 사질토가 적합 * 입경이 큰 흙도 다짐이 곤란하고 보강재 손상을 유발하므로 적합하지 않음 ◆ 보강재의 수직간격 결정 * 일체 구조물로 거동하기 위해 수직간격 80~100cm 이내가 바람직 * 최상단 보강재의 간격은 그 아래 보강재 간격의 ½ 정도가 바람직 ◆ 벽체 묻힘 깊이 벽체 전면기반의 경사 최소 묻힘깊이 (m) 수평(옹벽) H/20 수평(교대) H/10 3H : 1V 2H : 1V H/70 3H : 2V H/5