1. 서 론

산지가 많은 우리나라의 지형적인 특성상 절토로 인해 발생한 사면의 안정을 위해 다양한 공법이 적용되고 있다. 블록식 보강토 옹벽은 경제성, 구조적인 안정성 및 편리한 시공성이 입증되어 국내에 시공되는 사례가 증가하고 있으나, 정확한 이론적 이해와 공법의 기술적 특성 및 기준이 제대로 정립되지 않은 상태에서 설계 및 시공이 이루어져 몇몇 현장에서는 불량시공 문제와 붕괴사고 까지 발생하기도 하였다(Yoon, 2011). 또한 절토 등으로 인해 자연환경이 훼손된 현장에 강성인 콘크리트 블록식 보강토 옹벽을 시공할 경우 주변 환경과의 조화가 어렵고 인공 구조물로써 삭막함을 느낄 수 있는 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 최근 보강토 옹벽 전면의 녹화에 관심이 증가되고 있고, 옹벽 전면 녹화 방법 중 soilbag을 이용해 시공의 간편성과 경제성, 환경친화성을 확보하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 친환경적이고 경제적인 재료라 하더라도 안정성이 보장되지 않으면 구조물로써의 가치를 지닐 수 없다.

Soilbag을 전면벽으로 이용한 옹벽의 안정성 검토는 기존의 옹벽 설계프로그램인 MSEW를 사용하여 연결부에서의 인발저항, 파단, 인장응력과 내적, 외적 안전율을 산정하고 soilbag 옹벽과 블록식 보강토 옹벽을 비교 하였다. Soilbag 옹벽에서는 연결부의 안정성을 평가하기 위하여 연결강도 감소계수를 차등 적용시켜 연결강도가 감소함에 따라 옹벽의 안전율을 검토하였고, 전면블록과 보강재의 연결부위가 고정되어 자유로운 구배의 변경이 어려웠던 콘크리트 블록식 보강토 옹벽과 달리, soilbag 보강토 옹벽에서는 토낭과 지오그리드 보강재의 연결재가 이동이 가능하기 때문에 전면구배의 변경이 자유로우므로 토낭의 구배에 따른 안전율 변화도 확인하였다.

2. 이론적 배경

2.1 Soilbag을 이용한 옹벽 축조 공법

최근 토목섬유 공법의 발달과 함께 지오콘테이너, 지오튜브, 지오백 등 다양한 토목섬유 콘테이너 공법이 개발되었으며, 이러한 공법들은 시공성과 경제성이 우수하여 환경에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 장점을 바탕으로 선진외국에서 널리 적용되고 있다. 특히 Geobag 공법은 토목섬유 콘테이너의 축소판으로 토목섬유 포대에 모래 등의 채움재를 넣어 홍수시 제방이나 도로, 하천 등의 침식안정이나 파괴된 제방의 복구 및 축조 등의 신속하고 안전한 복구대책으로 널리 사용되고 있다. 토목섬유 Geobag을 사용함으로서 마찰력()을 지닌 재료의 성질이 점착력()과 마찰력()을 지닌 재료의 성질로 변하게 되며, 이로 인하여 토목섬유 Geobag적용시 Geobag에 가해지는 연직하중 및 수평하중은 Geobag에 발생한 구속응력으로 인한 응력을 유발하고 이로 인하여 내하능력의 증진 즉, 외력에 대한 안정성을 지니게 된다(Hwang et.al., 2004).

Soilbag을 이용한 옹벽축조 공법은 Geobag공법의 일종으로 기존에 사용되고 있던 Geobag 쌓기 공법에 녹화기술을 가미하여 보강토 옹벽 전면벽으로 활용하는 공법이다. Soilbag 내부에는 씨앗이 포함되어 있어, 씨뿌리기를 따로 하지 않아도 식생이 가능하고 표면 식생의 뿌리 내림으로 시간이 지날수록 안정화 된다. 또한 자재가 경량이기 때문에 운반 및 시공이 용이하다는 장점이 있다. Soilbag은 일반형과 배수형으로 구분될 수 있으며, Fig. 1은 일반형, 배수형 soilbag을 보여준다.

배수형 soilbag은 일반형 soilbag에 배수 주머니를 설치해 드레인재를 매입하여 배수기능을 보강한 것으로써 배면의 수압을 저감시키는 역할을 한다. 배수 드레인이 삽입된 배수형 soilbag은 매 층마다 설치할 필요가 없기 때문에 제조단가가 비교적 저렴한 일반형 soilbag과 반복해서 사용하게 된다. Table 1은 일반형 및 배수형 soilbag의 재료특성 및 역학적 특성을 보여준다.

2.2 보강토 옹벽의 안정성 평가 이론

보강토 옹벽에서 외적안정은 보강토 영역에 의해 형성된 토체의 지지력과 대비하여 뒤채움재의 자중에 의해 발생되는 주동토압과 상재하중에 의한 안정성을 검토하는 것으로서, 설계 내구연한 동안 구조물의 기능을 충실히 수행할 수 있는 안정성을 가지고 있는지 판단하는 것이다.

보강토 옹벽은 일반 옹벽과 달리 내적 안정성과 외적 안정성으로 구분하여 안정성을 검토하여야 한다. 보강토 옹벽의 외적 안정성은 보강재로 보강된 토체를 하나의 구조물로 간주하여 검토하여야 하고, 추가로 사면활동 및 지반침하에 대하여도 검토하여야 한다. 보강토 옹벽의 내적 안정성은 보강재에 작용하는 인장력이 보강재의 인장강도보다 크게 되면 보강재가 끊어지는 절단파괴와, 보강재에 작용하는 인장력이 보강재와 흙 사이의 마찰력보다 크게 되면 보강재가 흙속에서 뽑히게 되는 인발파괴에 대하여 검토하여야 한다(Kwon, 2001). 국토해양부에서는 보강토 옹벽의 안전율 기준을 Table 2와 같이 제시하고 있다.

3. 옹벽 설계 프로그램을 이용한 안정성 검토

보강토 옹벽의 설계는 설계프로그램인 MSEW를 사용하여 보강재의 파단 및 인발파괴에 대한 안정성, 장기 허용강도, 인발저항력 등에 대한 안정성 등을 산정하였다. MSEW는 보강토 옹벽을 설계하고 해석하기 위해 ADMA Engineering 사에서 개발한 프로그램으로 구조적으로 고정된 옹벽에 대한 설계와 분석을 위한 인터렉티브 프로그램으로 AASHTO / FHWA 또는 NCMA(미국국가콘크리트 구조물 협회) 설계지침을 따르고 있다. MSEW프로그램은 지오그리드, 지오텍스타일, 철망 또는 철제스트립으로 보강된 벽, 또한 중합체 철근과 결합되었을 때 발생하는 손실요소들(시공손상, 노화 그리고 뒤틀림)에도 적용되며 벽의 수명을 결정하는 철근의 부식정도도 측정가능하다. 보강재의 경우 강도, 감소계수(복합체), 적용면적비(coverage ratio) 그리고 횡단면 등의 변수들이 보강재 타입별로 설정 할 수 있다. 전면벽체의 경우 블록(즉, 마찰에 의한 표면 연결), Precast Panels(블록과 유사하지만 기계적 연결), Full Height Precast Panels 또는 Wrap-Around Type을 해석할 수 있다(Easysoft, 2008).

3.1 soilbag 옹벽의 안정성 검토 조건

Soilbag 보강토 옹벽(H=5m)에 대하여 연결강도 감소계수와 전면구배를 변화시켰을 경우 안전율의 변화에 대하여 검토하였다. Soilbag의 경우 전면구배를 적층하면서 연결재를 사용하여 자유롭게 변화를 줄 수 있는 장점이 있어 검토시 전면의 구배를 Fig. 2와 같이 1:0.05(2.86°)∼1:0.36 (20°)까지 변화를 주어 안전율의 변화를 검토하고, 아울러 연결강도 감소계수의 변화까지 복합적으로 해석하여 적정 전면구배와 연결강도 감소계수를 알아보았다. FHWA 보강토 옹벽 설계 규정에 의하면 전면구배를 20°까지로 적용하고 있어 20°를 한계치로 적용하였다. 또한 실제 블록식 보강토 옹벽 시공 시 지오그리드 보강재와 연결 장치, 전면벽체의 연결강도 감소계수는 0.9의 값이 사용되고 있다. 전면벽체가 콘크리트 블록인 경우 연결 장치의 강성 여부에 의해 연결강도가 결정된다고 보기 때문에 감소계수에 큰 의미를 두고 있지 않지만, soilbag의 경우 콘크리트 블록과 다르게 전면벽체가 연성이기 때문에 연결강도에 대한 검토가 반드시 필요하다고 할 수 있다. Soilbag을 이용한 보강토 옹벽의 구조해석에 입력된 변수는 Table 3과 같고 Fig. 3은 검토 단면의 모식도이다. 전면구배는 1:0.05∼1:0.36까지 변화, 연결강도 감소계수는 0.9∼0.65까지 변화를 주었다. 

3.2 설계프로그램에 의한 안정성 평가 결과 분석

블록식 보강토 옹벽과 soilbag 옹벽의 구조해석 결과를 비교하였다. 비교대상 안전율은 연결부에 대한 인발저항, 연결부 파단, 연결부의 지오그리드 인장응력, 배면의 지오그리드 인장응력-파단, 배면의 인발저항, 저면활동, 전도이며, 같은 하중조건(활하중 12.74kN/m)과 같은 연결강도 감소계수()를 적용하였다. 구조해석 결과 모든 안전율에서 설계기준 안전율을 초과하여 안전한 것으로 나타났다. Table 4에서는 soilbag옹벽의 연결부에 대한 인발저항의 안전율을 나타내었고, Fig. 4는 연결강도 90%일 때 연결부에 대한 인발저항의 안전율 변화를 비교한 그래프이며, Fig. 5는 soilbag 옹벽의 연결강도 감소계수에 따른 연결부 인발저항 안전율 변화를 나타낸 그래프이다.

보강토 옹벽의 전면벽체와 지오그리드 연결부의 안정성을 평가하기 위해서는 인발저항, 연결부 파단, 지오그리드의 인장응력등을 검토해야 한다. 연결강도 감소계수는 연결부 파단에 대한 안전율을 고려하는 계수로써 soilbag과 지오그리드 보강재 및 연결 장치의 재료적 특성과 결합력에 의해 결정이 된다. Soilbag은 연성재료로써 콘크리트 블록에 비해 연결부 파단에 대한 안전율이 낮을 것으로 판단되어 연결강도 감소계수에 변화를 주어 검토하였으나, 설계프로그램은 soilbag과 연결 장치에 대한 재료 특성을 충분히 고려하지 못하여 연결부 파단에 의한 안전율은 콘크리트 블록과 동일한 결과를 나타내었다.

연결부 파단에 의한 soilbag 보강토 옹벽의 안정성은 FHWA기준에 따른 인발시험에 의하여 평가되어야 하며, 선행된 연구에 의하면 soilbag을 이용한 인발시험에서 NCMA, FHWA, Soong & Koerner의 평가 방법에 의한 연결강도 평가시 안정성을 모두 만족하는 것으로 나타났다(Lee, 2012).

인발저항에 대한 안전율은 설계프로그램을 이용해 안정성을 평가할 수 있으며, 본 연구에서는 연결강도 감소계수가 변화함에 따라 인발저항에 대한 안전율의 변화를 검토하였다.

Soilbag 옹벽의 안정성평가는 전면구배와 연결강도 감소계수의 변화에 따라 산정되었으며, 연결강도 90%일 때와 80%일 때는 모든 구배에 대해 충분한 안전율을 확보하는 것으로 나타났다. 그러나 연결강도 감소계수가 75%이하로 떨어지자 지진시 안전율을 확보하지 못한 것으로 나타났으며 65% 이하의 연결강도 감소계수에서는 평상시의 안전율도 설계기준 안전율을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 일반적인 블록식 보강토 옹벽 시공 시 적용되는 전면구배 1:0.05와 연결강도 감소계수 0.9를 soilbag 보강토 옹벽에 적용했을 시 블록식 보강토 옹벽에서와 마찬가지로 충분한 안전율을 확보하였다. Soilbag 보강토 옹벽의 안정성 검토를 전면구배와 연결강도 감소계수에 따라 모든 항목에 걸쳐 실시하여 Table 4와 같이 나타내었다.

4. 결 론

본 연구에서는 soilbag을 이용한 보강토 옹벽의 안정성 검토를 위해 기존의 옹벽 설계프로그램인 MSEW를 사용하여 연결부에서의 인발저항, 파단, 인장응력과 내적, 외적 안전율을 산정하였다. soilbag을 이용한 보강토 옹벽 연결부의 안정성을 평가할 수 있는 연결강도 감소계수를 차등 적용시켜 연결강도가 감소함에 따라 옹벽의 안전율을 검토하였고, soilbag과 지오그리드 보강재의 연결재가 이동이 가능하기 때문에 전면구배의 적용이 자유로우므로 soilbag의 구배에 따른 안전율 변화도 확인하였다.

(1)일반적인 옹벽 설계 적용되는 연결강도 감소 계수 0.9와 1:0.05의 전면 구배를 적용하였을 시 soilbag을 이용한 보강토 옹벽의 연결부 강도에 대한 안전율, 내적, 외적안정에 대한 안전율을 비교 검토한 결과 전 영역에서 기준 안전율 이상의 안전율이 나타났으므로, 옹벽의 안정성에 문제가 없다고 판단된다. 또한 블록식 보강토 옹벽의 안전율과 큰 차이가 없으므로, 블록식 보강토 옹벽을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

(2)soilbag을 이용한 보강토 옹벽의 전면구배와 연결강도 감소계수에 따른 안정성 평가를 실시한 결과 연결강도 감소계수가 0.9와 0.8일 때 모든 구배에 대해 안전한 것으로 산정되었고, 0.75이하일 때에는 1:0.18이하의 완만한 구배에서만 안전한 것으로 확인되었다. 따라서 경제성이나 시공성에 따라 연결강도와 구배의 적절한 검토가 이루어져야 할 것이다. 

(3)향후 soilbag을 이용한 보강토 옹벽의 시험시공을 통한 장기 허용 변형률에 대한 안정성 평가, 내구성평가, 사면 안정 해석을 실시하여 블록식 보강토 옹벽과 차이가 있는 최적의 설계기준 정립에 대한 연구가 추진되어야 할 필요가 있다.