보강토 옹벽의 안정성 검토

설계는 국내법규 및 구조물설계기준을 따르고,
필요에 따라 FHWA에서 제시하는 보강토옹벽 설계지침서(Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes-FHWA-NHI-10-024, 2009)의 설계방법을 준용.

1. 평상시
-       외적안정성 검토
: 전도(2.0), 활동(1.5), 지지력(2.5~3.0), 원호활동 (사면안정, 1.5) – 우기시 따로 고려 필요. Bishop 등의 절편법으로 검토.
-       내적안정성 검토
: 파단(1.5), 인발(1.5)

2. 지진시
-       외적안정성 검토
: 전도(1.5), 활동(1.1), 지지력(2.0), 원호활동 (사면안정)
-       내적안정성 검토
: 파단(1.5), 인발(1.5)

3. 배면부 하중 검토 : 마찰쐐기법(신장성), 복합중력식(비신장성)

4. 배수 검토
- 전면부로의 침투는 배면토사 함수비를 다르게 하여 토압 등의 조건이 달라지게 됨. (배면부 배수 – 배수 Pipe, 맹암거, 배수층)
- 상부 배수 : 침투 방지를 위한 배수 – 전면판 변형을 막아 줌. 불투수층, PE sheet, 전면판 홈파기
(배수, 불투수층을 고려하여도 낙수, 세굴 등 발생 가능. 영구 사용을 위한 보강대책 필요.)
습윤대 형성 및 포화상태는 예측하지 못한 보강토 옹벽 붕괴로 이어질 수 있음.

-       세굴방지 : 기초 콘크리트, 레벨링(잡석), 시멘트 모르타르 후 보강토 블럭 타설. 잡석층이 두꺼우면 세굴 발생 가능 (부등침하, 하중전이)
-       공사 중 임시 배수로 및 역경사를 통한 배수 유도. – 전면판 보호.

5. 우각부/코너부 관리
- 보강재 겹침 방지. (흙과 보강재 사이의 마찰력 유도 – 인발/파단 방지)
- 층별 지그재그 설치로 우각부 보강
- 토압이 양쪽에서 작용할 수 있음.
- 코너부의 경우 다짐이 어려워 필터층으로 대체
- 전면판 속채움을 콘크리트로 대체함으로 강성 확보

보강토 옹벽 관련 내용의 전반적인 정리

이것도 같이 보자.

흙막이 해석 (탄소성), 보강토 옹벽 Mohr circle - https://huedor2.tistory.com/m/704

힘들어도 힘을 내고-!!

1. 구성 : 보강재 (토목섬유, 메탈계, 폴리머계) + 전면판 (블록 등) + 뒷채움재 (마찰, 배수 등, 모래는 구하기 어려움)

2. 보강재 : 파단(보강재 자체의 인장력), 전단(전단력), 인발(흙과 보강재 마찰력)

- 지오그리드, Metal Strip (부식 우려, 아연도금, galvanized 필요.)
- 파단 FS=1, Ta (=w x t x fy ) / Tmax (=하중 x 간격)
- 인발 FS=1.5, Tpullout (=2 x le x w x 유효응력 x tan pi) / Tmax
- 인발저항계수 fb = tan / tan pi
- 수직간격 : 0.5~0.8m, 7m 후 소단, steel strip 은 1.5~2.0m 수직간격
- 내구성 : 설계인장강도 비교 및 안전율 검토 시 장기 설계인장강도를 고려하여야 함. (교체나 보수가 어려움.) – 금속재 부식 (Corrosion Allowance 고려), 크리프 감소계수 고려. (제품의 실험 결과 검토, 특성 검사 Data 보존 및 기록)

보강재 제원 하나
50(폭) x 4(두께), 파단강도 104 kN, 허용인장강도 44 kN, 무게 1.8 kg/m
보강재는 전면판과 이어주는 결속재를 이용하여 결합한다.
전면판(프리캐스트) 사이에 Dowel Bar 를 넣어 결합 및 결속

3. 유효길이 관련 :

주동영역 : 보강재에 전달된 응력이 전면판 쪽으로 발생
저항영역 : 보강재에 발생하는 응력은 뒤채움재 방향으로 생성
(보강재의 인장력이 최대인 지점을 연결)

Le : 전체 보강재 길이 중 인발에 저항하는 길이

4. 해석 Mechanism (연성구조체로 인정.)

- 내부에 발생하는 응력이 보강재로 전달되어 횡방향변형을 억제시킴으로 안정성 확보.
- 보강재 표면과 주변흙사이의 변형 차이에 따른 전단응력
- 보강재 자체의 전단저항력
- 보강재 상하의 흙요소 간의 저항력

- 사면안정해석법(한계평형) : 가상파괴면 설정, 안전율. (흙과 보강재, 보강재의 영향이 반영되지 못함)
전도, 활동, 지지력, 원호파괴 (외적안정성)

- 토압법 : 수평방향 활동력과 보강재의 저항력의 평형상태 (보강재와 주동토압의 비교)
- 마찰쐐기식(Tieback Wedge Method, 삼각형, 사각형 등 다양한 토압분포, 보강재의 강성이 작아 보강토체 내부가 주동상태에 도달하는 것으로 가정.)
- 복합중력식(Coherent Gravity Method, 내적안정해석, 보강재의 인발/파단, 보강재 강성을 크게보고 정지상태로 가정, 하부는 주동으로, 6m 기준)

- 프로그램 : Talren 97, 3차원 유한요소 Pentagon
- 장기안정고려인자 : 내구성, 내시공성, 장기적인 크리프 특성의 감소계수 고려.

5. 설계 순서 : 조사 – 예비설계 – 단면가정 – 외적안정성(활동,전도,지지력) – 내적안정(파단,인발,안정성) – 전체사면활동 – 지진안정성 – 사용성검토.
보강재 길이 0.7Hm 이상 고려.
비신장성(직선+경사), 신장성(경사)

6. 시공 시 유의사항

- 뒷채움재 (5mm 20% 이상, 0.08mm 15% 이하, CBR > 10, PI<6)
- 보강재를 강재로 사용하는 경우 부식으로 인한 내구성 저하를 막기 위하여 뒷채움재의 전기화학적 요구사항 준수 필요. (3000 ohm-cm 이상, Cl- 100 ppm 이하)
- 충분한 마찰력 필요.
- 배수, 입도, 내구성, 내마각,
- 균열, 배부름(과도한 수평변위), 벽체 사이 이격, 정위치 설치 어려움, 부등침하 발생
- 안전점검 항목 (주기, 방식 등), 하자담보 책임기간 규명 및 하자발생에 대한 보수, 보강방안 마련 필요.
- 그리드형의 경우 국부적인 과응력이 걸릴 수 있기 때문에 큰 안전율을 고려하여야 한다.
- 전면벽체를 위한 Leveling Pad 는 150mm 이상 타설 필요.
- 보통 9m 이상에서 전통적인 옹벽보다 경제적.

7. 기존 보강토 옹벽 : 보강재와 뒷채움 토사의 마찰력 이용 or Deadman Anchor 이용 등. 보강이 어려움. Creep 에 따른 변형이 발생함. 뒷채움재의 지하수위 상승이나, 침투 시 마찰저항력 감소
- 복합 보강토 옹벽 : 콘크리트 기초 사용, 배수재 삽입, Guide Wall 적용, 계측재 삽입, Soil Nail 과 조합 (Soil Nail 지압판과 Steel Strip 연결) 등.

흙막이벽은 지중 굴착 전후 발생하는 횡토압에 저항하는 구조물을 말합니다.

토압은 정지토압, 인장변형시의 주동토압, 압축변형시의 수동토압으로 나뉘고, 지중 토사의 무게인 수직토압에 토압계수를 곱하여 계산합니다.

구조물의 지점 조건에 따라 토압분포는 삼각형, 포물선 등을 그립니다.

흙막이 해석은
SUNNEX,
EXCAV
WALLAP 과 같은 프로그램을 사용하는데,
지점 조건을 스프링으로 놓고,
각 스프링의 지반반력계수(kN/m3) 를 입력하고
그에 따른 응력, 변위를 관찰하며 안정성을 확보하는지 확인합니다.
토류벽 자체의 안정성은 물론 배면지반의 변위도 파악하여 안정성(주동상태인지)을 확인하고,
굴착 단계별 해석을 할 수 있다는 장점이 있습니다.

구조체의 강성을 구할 때, kN/mm 과 같은 값을 주고, 10kN/mm 이상의 강성을 가져라. 라고 하면 10kN (1tonf) 의 하중이 가해졌을 때 1mm 처짐이나 변위만 발생해야 한다는 의미인데,
지반반력 계수도 단위면적당 하중을 가했을 때의 변위를 계수로 판단합니다.
응력-변위 곡선에서의 기울기 (탄성쪽) 가 지반 반력계수가 되고, 평판재하시험이 떠오르네요.

탄소성은 이처럼 흙막이와 부재를 탄성 혹은 그를 벗어난 탄소성 재료로 보고 구속이 아닌 변위를 허용하는 해석법으로 보면 되고, 초기 지점 조건에 따라 변위를 계산하고 그에 따라 재분배되는 토압을 관찰할 수 있어, 취약부나 침하 예상부를 예측할 수 있습니다.

1.     토압론
A.    지지구조 없는 경우 (중력식) : Rankine, Coulomb 토압을 정규화(선형화) 하여 적용
B.     지지구조 있는 경우 (Anchor, Strut) : 지지 형식에 따른 구분 (자유단 지지, 고정단 지지)
최소 근입장 관리 필요.

2.     탄성법 (탄성보법)
기존 토압론은 앵커의 장력이나 최대모멘트가 지나치게 크게 산정되는 경향.
지지구조가 없는 경우/ 있는 경우로 구분
-       배면의 하중 분포
-       저면의 스프링설치 : 지반 모델 (스프링 계수, 지반변력계수 산정)

3.     탄소성법
-       흙막이 벽체 : 탄성보로 모델
-       지보재 : 탄성 스프링
-       지반 : 탄소성 스프링 (유한요소 해석), 항복기준까지는 탄성으로 가정, 그 이후는 소성으로 (변형발생) 판단.
-       초기 토압에 따른 발생 변위 계산, 변위에 따른 토압보정. 반복 작업을 통해 벽체 변위, 응력, 지보재 반력 계산

기본 벽체의 방정식을 통해 계산.

벽체의 변위는 Terzaghi 등의 한계 허용변위 값으로 구속하여 흙막이 설계.

계측에 따른 실제와 변위 모델간의 일치성 확인 필요

Mohr Circle 은 최대주응력과 최소주응력을 통해 응력-전단 그래프를 그려 2차원응로 응력상태를 확인할 수 있는 원리입니다.

주응력면은 전단이 발생하지 않고 수직력만 발생하는 면을 의미합니다.

수평구속압력을 달리 해가며 원을 여러개 그리고, 그것의 접선을 이은 것이 c, pi 파괴 포락선이 됩니다. 이를 통해 점착력과 내부마찰각을 알아내거나, 역으로 지질정수를 아는 경우에 현재 응력으로 파괴에 닿는지를 확인할 수 있는 방법입니다.

보강토 옹벽은 층층이 들어 있는 마찰력이 큰 강재 혹은 합성섬유재의 보강재가 마찰력을 일으켜 횡변위를 구속함으로서 파괴포락선을 들어올리거나, 응력원을 오른쪽으로 또 작게 만들면서 더 큰 수직응력 즉 더 높은 성토고에도 버틸 수 있게 만들어주는 원리입니다.
계란을 층층이 쌓았을 때의 느낌이라고 어디서 들은 바 있습니다.

보강토 옹벽의 안정검토는 외적해석, 내적해석으로 나뉘고,

내적해석은 절단 (항복강도와 횡토압의 비교를 통해 보강띠 두께 검토), 인발 (마찰강도와 횡토압을 비교해, 유효길이 산출)을 체크하며, 45+pi/2 위쪽은 자유길이로 보고 마찰에 포함시키지 않도록 한다.

외적해석은 기본적인 옹벽과 같이 전도, 수평, 지지력, 사면의 활동 (원호, 대수나선), 그리고 채움재의 성질/다짐 정도를 판단해 부등침하 여부도 체크해야 한다.

유의사항은
- 전면판 조립 시 유의. (수직도 검토)
- 뒤채움재, 보강재 시공 유의. (정위치, 올바른 재료, 올바른 다짐)
- 벽면에 평행하게 다짐, 급정지/급선회 금지, 벽면측부터 다짐.
- 침투 방지
- 보강재 시험 : 전단시험, 현장 입고시험.