1. 서 론

보강토 옹벽 공법은 우수한 지반보강효과와 경제적인 시공으로 인해 국내·외에서 활발히 사용되고 있다. 현재까지 수많은 종류의 보강토 공법이 제안되었고, 각각의 공법에 따른 설계방법 또한 다양하게 제시되고 있으나, 설계방법이 통일되어 있지는 않다. 이러한 여건에서 흙막이 벽체의 붕괴로 인해 인명 및 재산 등의 손실이 사회적인 문제로 대두되고 있다. 최근에는 보강토 옹벽의 거동특성에 영향을 미치는 요인들에 대한 연구가 모형시험, 현장계측 및 수치해석적 방법 등을 통해 많이 수행되고 있다. Wong & Broms(1994), Pinto & Cousens(1999) 등은 일련의 모형시험을 통해 보강재 길이 및 설치간격, 상재하중 등이 보강토 옹벽의 거동특성 및 파괴메커니즘에 미치는 영향을 고찰하였다. Leschinsky & Vulova(2001)는 유한차분법에 근거한 수치해석적기법을 활용하여 보강재 길이, 강도 및 설치간격, 상재하중 등 다양한 요인들이 보강토옹벽의 파괴메커니즘에 미치는 영향을 고찰하였으며, Ghionna et al.(2002)는 실대형 시험을 통해 보강재 종류가 보강토 옹벽의 거동에 미치는 영향을 평가하였다. Cho et al.(2004)는 모형시험을 통해 상재하중 및 보강재 포설 간격이 보강토옹벽의 거동에 미치는 영향을 평가한 연구결과를 발표하였다. Park & Chun(2012)은 보강토 옹벽의 보강재인 옹벽용 지오그리드에 대하여 현장에서 시공성 시험을 통해 다양한 형태의 옹벽용 지오그리드의 내시공성 감소계수를 제안하고, 국내･외 연구결과 분석과 국내 시판되고 있는 제조사별로 제시한 옹벽용 지오그리드의 물성치를 조사 분석하여, 뒤채움재의 물성치에 따른 알맞은 지오그리드 선정을 제시하였다. 이 연구에서는 주동파괴시의 지오그리드에 따른 흙막이 벽체의 거동 특성을 검토하기 위해 모형벽체 시험기를 제작하여 실내모형시험을 수행하였다. 모형시험에 사용된 지오그리드는 각각 30cm × 60cm, 30cm × 70cm, 30cm × 80cm (폭 × 길이)의 크기를 가지고 있으며, 일정한 깊이로 설치되었다. 모형벽체 시험은 동일한 길이의 지오그리드와 서로 다른 길이의 지오그리드를 2층, 4층으로 포설한 경우, 총 4가지 조건으로 수행하였다. 또한 유한요소해석을 수행하여 모형벽체 시험과 비교·분석하였다.

2. 이론적 배경

지반 또는 토체(soil mass)는 근본적으로 부스러지기 쉬운 흙 입자의 집합이다. 따라서 지반 및 토체는 독립된 흙 입자 사이의 점착력 또는 마찰력에 의하여 불완전하게 결합되어 있으므로 쉽게 분리되어 흐트러진다. 이러한 이유로 지반 또는 토체의 전단강도는 다음 식 (1)과 같이 표현된다.

 (1)

식 (1)로부터 점착력(c)이나 마찰각(φ)을 개선하지 않으면 흙의 전단강도(τ)를 개선할 수 없음을 알 수 있다. 이러한 흙의 특성을 이해하고 결속력이 불안한 지반에 연속성을 지니며 흙과의 결속력이 우수한 매체를 넣는다면 지반의 전단강도는 크게 증가된다는 가정이 성립한다. 위와 같은 가정을 바탕으로 지반(토체)에 작용응력에 대한 인장 변형율이 작으며 흙과의 결속력이 우수한 형상의 연속성 재료(reinforcement)를 넣어 지반의 전단강도를 개선하는 공법을 보강토(reinforced soil) 공법이라 한다.

보강토에서 보강재는 흙 자체로 지지할 수 없는 인장응력에 저항하는 역할을 한다. 보강재에 인장력이 발생하기 위해서는 적용된 하중에 의해 보강토에서 야기된 에너지가 흙과 보강재 사이에서 전달되어야 한다. 에너지는 보강재의 길이를 따라서 작용하는 마찰력과 수동저항의 결합에 의해 흙과 보강재 사이에서 전달 가능하다(Fig. 1).

Fig. 2(a)는 보강재에 의해 흙에 제공된 겉보기점착력(apparent cohesion)으로, 보강토 내에서 관찰된 강도의 증가를 설명 한다. 겉보기점착력은 주어진 최소주응력에 대해 합성에 의해 지지된 최대주응력을 증가시킨다(). 합성에 대한 마찰각도는 비보강토의 경우와 같다. Fig. 2(b)는 최대주응력의 증가는 흙이 받는 수평구속압의 증가( → ) 효과를 나타내고 있다.

2.1 지오그리드

보강사면에 적용되는 토목합성섬유의 설계강도는 토목섬유 자체의 장기적 안정성과 보강토 구조물의 전체적인 내구성을 고려하여 결정하여야 한다. 일반적으로 지오그리드는 격자의 가로방향 요소의 수동저항과 흙과 수평방향 요소사이의 마찰을 통해 응력을 흙에 전달하며, 지오텍스타일의 경우에는 마찰만을 통해 응력을 흙으로 전달한다. 토목합성섬유의 장기적 안정성은 토목합성섬유의 과도한 크리프 변형 없이 장기하중을 지탱하는 능력으로 특정지어진다. 토목합성섬유의 기대 수명은 1000년 이상이 되기도 하나 강재와 마찬가지로 일반적인 흙이라 할지라도 특정 환경 조건에서의 분해 가능성을 고려하여 강도특성을 결정하여야 한다.

2.2 흙과 보강재의 상호작용

위의 실제 이론은 판형 또는 그리드 형태의 현대적 보강재가 삽입된 보강토체를 해석하기에는 충분치 않다. 따라서 흙과 보강재의 상호작용으로부터 나타나는 흙 입자의 횡방향 이동 구속현상을 Fig. 3으로 설명할 수 있다.

보강재 위에는 흙의 자중에 의한 수직응력()이 작용하며, 토체 내부에는 수직응력과 토압계수(K)에 비례하여 수평응력(Σ)이 발생한다. 이러한 수평응력은 흙 입자를 횡방향으로 이동시키려는 능동적인 힘이며, 토압계수는 토질정수 φ(내부마찰각)와 c(점착력)의 함수로 표현된다. 만약, 흙 입자를 횡방향으로 이동시키려는 힘과 같거나 더 큰 저항력이 토체 내부에 존재한다면 토체의 횡방향 이동 즉 수평변형은 발생하지 않을 것이며 안정한 토체를 구성하게 될 것이다.

보강재로 보강하려는 토체는 여러 층의 보강재로 구성된다. 따라서 보강재를 토체 속에 어떤 수직간격으로 삽입하여야 하는가가 관심의 대상이 된다. Fig. 4는 보강재와 보강재 사이의 흙 입자의 거동을 보여준다.

일정한 수직간격을 유지하는 보강토체는 보강재와 흙이 접촉하는 부분에서는 수평변위가 거의 완벽하게 구속되지만 보강재에서 멀어질수록 수평변위는 커진다. 즉 보강재 사이의 흙 입자는 아칭(convex arch) 현상에 의하여 변위가 억제되지만, 보강재의 연직 방향 간격 가 너무 크면 아칭이 형성되지 않아서 벽체 쪽으로 이동하여 궁극적으로 벽체에 토압이 작용될 수 있다. 아칭을 형성하기 위해서는 는 1m를 넘어서는 안 되는 것으로 알려져 있다. 실무적으로는 0.8m 이하로 설계하도록 제안하고 있다(Lee, 2014).

3. 모형시험

3.1 모형시험장비

3.1.1 벽체시험기

모형벽체의 수평변위에 따른 지반의 거동을 파악하기 위해 사용한 벽체시험기의 구성은 Fig. 5와 같다. 모형토조의 크기는 140cm × 90cm × 30cm (가로 × 세로 × 폭)이며, Fig. 6(a)에 나타난 바와 같이 모형토조 벽체시험기는 스틸프레임과 지반의 거동을 확인 할 수 있도록 아크릴 판으로 제작하였다. Fig. 6(b)와 같이 토조 우측 핸들로 벽체를 이동시켜 수평변위를 조절할 수 있으며, 로드셀과 변위계는 Fig. 6(c)와 같이 벽체의 상･하부에 연결되어 Fig. 6(d)의 인디게이터 박스를 통해 그 값을 측정할 수 있다.

3.1.2 지오그리드

본 연구에서 사용된 지오그리드는 폴리염화비닐 고분자 (polyvinyl chloride, PVC)로 폴리에스터(polyethylene terephthalate, PET) 고강력사를 피복한 지오그리드를 사용하였다(Fig. 7). 지오그리드의 크기는 각 단계별로 각각 30cm × 60cm, 30cm × 70cm, 30cm × 80cm (폭 × 길이)이며, 지오그리드 내부 각 셀의 크기는 5cm × 5cm이다. 실제 현장에서 사용하는 지오그리드를 실내시험에 적용하였기 때문에 지오그리드의 크기효과(scale effect)에 따른 지오그리드의 국부거동을 고려하지 못했다.

3.2 모형시험방법

지오그리드 보강 방법에 따른 주변지반의 거동을 파악하기 위해서 모형시험을 실시하였으며, 모형시험을 위한 각 단계별 분류는 Table 1에 나타내었다. 모형시험에 대한 절차는 아래와 같다.

(1)벽체시험기 내부 토조에 벽체를 결합한 후 변위제어 핸들을 조작하여 벽체를 좌측으로 10cm 이동 시킨다(Fig. 8).

(2)벽체를 고정시킨 후 모형시험 case에 맞게 모래지반과 지오그리드를 설정한다. 이때, 모래지반 형성은 100cm 높이에서 자연강사하여 형성하며, 다짐은 고려하지 않았다. 또한, 지오그리드 설치 시 지오그리드와 벽체는 연결하지 않는다(Fig. 9).

(3)로드셀과 변위계를 노트북과 연결시킨 후 노트북과 인디게이터 세팅을 확인한다.

(4)토조 상부와 하부에 설치되어 있는 변위제어장치를 통해 벽체를 수평하게 이동시킨다. 이때, 벽체의 이동거리는 1단계 당 1cm를 이동하며 총 7단계, 7cm를 이동시킨다.

(5)모래지반의 변위와 벽체에 작용하는 하중를 측정하여 기록한다.

3.3 모형시험결과

3.3.1 모형시험

Fig. 10은 지오그리드 보강조건에 따른 모형벽체 시험의 결과를 나타내고 있다. 시험결과에서는 지오그리드를 2층으로 포설한 조건과 지오그리드를 4층으로 포설한 조건에서의 지반거동을 검은 모래를 통해 육안으로 확인할 수 있다. 지표면에서 지반변위를 관찰한 결과, 동일한 벽체이동에 대해 지오그리드를 2층으로 포설한 조건이 4층으로 포설한 조건보다 침하의 범위가 수평으로 확장되어 넓게 분포하는 것으로 나타났으며 한편, 모형벽체 근처에서 발생하는 침하는 4층 포설한 경우보다 상대적으로 작게 나타났다(Fig. 11).

Table 2는 Fig. 10에서 나타나는 지표면에서 발생하는 직각삼각형 모양의 확장영역을 모형벽체의 전면으로부터 수평거리()와 수직거리(최대침하, )로 나타낸 결과를 보여주고 있다.

3.3.2 최대지표침하()

Table 3은 모형벽체 시험결과에 대한 지표침하 값을 나타내고 있다. 각각의 단계마다 벽체를 수평으로 동일하게 1cm로 이동을 시켰으며, 그 결과을 나타내고 있다. 서로 다른 길이의 지오그리드를 2층으로 포설한 지반의 경우 지표면 침하 값이 작은 것으로 나타났다. 같은 길이의 지오그리드를 4층으로 보강한 경우 지표침하 발생이 상대적으로 크게 나타난 결과로 볼 때 보강효과가 클수록 지반변형의 범위는 벽체에 인접한 위치에서 발생하는 것으로 판단된다.

3.3.3 하중-변위

모형토조에 각 조건별 지오그리드 보강과 지반을 설정한 후 벽체와 연결된 로드셀을 통해 벽체가 받는 토압을 측정한다. 이 때 상부지반은 침하됨에 따라 하부 로드셀에서만 측정이 이루어졌으며, 측정한 결과는 Fig. 12와 같다. 초기 단계에서 벽체가 받는 하중은 모든 조건에서 비슷한 양상을 보이나 벽체의 변위가 증가할수록 2층 보강이 4층 보강보다 상대적으로 큰 하중이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 주동파괴 시 벽체에 발생하는 하중의 크기는 지오그리드 보강 층수가 많을수록 분산되어 작용됨을 알 수 있다.

4. 수치해석

4.1 해석조건

이 연구에서는 2D 유한요소 수치해석을 실시하여 모형벽체 시험에 대한 비교･분석을 실시하였다. 수치해석에는 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 평면변형률 조건에서 수치해석을 수행하였다(Plaxis, 2012). 지반은 Mohr- Coulomb 모델을 적용하고 벽체는 플레이트로, 보강영역은 지오그리드 요소를 사용하여 모델링 하였다. Table 4는 수치해석에 적용한 물성치를 나타내고 있다(Das, 2009).

4.2 해석모델링

수치해석을 위해 1000 × 900mm (가로 × 세로)  크기의 지반을 설정하고 지오그리드 길이를 케이스에 따라 총 4가지의 조건으로 모델링 하였다. 시험은 7단계로 나누어 각 단계마다 1cm씩 벽체를 이동하였으며, 총 7cm를 수평 이동시켜 수치해석을 진행하였다. 수치해석 결과는 지표침하, 변위벡터분포도, 전단변형률분포도로 나타내어 분석하였다.

4.3 해석결과

4.3.1 지표침하

Fig. 13은 수치해석을 통해 도출한 지표침하 값을 그래프로 나타낸 결과이다. 70cm 길이의 지오그리드를 4층 보강한 경우 2층 보강에 비해 상대적으로 큰 지표침하가 발생하였으며 이는 모형시험의 경향과 유사함을 보여주고 있다. Table 5은 최종단계에서의 모형시험과 수치해석 최대지표침하 결과를 비교한 것이다.

4.3.2 변위벡터분포도

Fig. 14는 모형벽체 시험의 수치해석에서 지반의 최종단계(벽체 이동 거리 7cm) 변위벡터분포도를 나타내고 있다. 지오그리드를 2층으로 포설한 CASE 1(Fig. 14(a))과 CASE 2(Fig. 14(b))의 경우 지표에서 수평방향으로 크게 변위가 발생하는 것을 결과를 통해 알 수 있으며, 지오그리드를 4층으로 포설한 CASE 3(Fig. 14(c))과 CASE 4(Fig. 14(d))의 경우 벽체 근처에서 수직방향으로 지반변형이 발생하는 것을 예측할 수 있다. 따라서 수치해석 변위벡터분포도 결과는 실내모형시험의 결과와 유사한 경향을 보이고 있으며, 이와 같은 결과는 벽체의 이동거리가 동일한 경우 보강효과가 큰 지오그리드 4층 포설의 경우 지반 변형의 발생범위는 벽체 근처로 제한되는 반면, 2층 포설의 경우 지반 침하의 범위가 상대적으로 확장되는 것으로 판단된다.

4.3.3 전단변형률

Fig. 15에서는 최종단계(벽체의 이동거리 7cm)일 때 모형벽체시험에 대한 수치해석의 전단변형률 결과를 나타낸다. 수치해석 전단변형률의 분포 결과 지오그리드를 2층으로 포설한 CASE 1과 CASE 2의 경우 수평방향으로 지반침하의 범위가 크게 발생함을 보인다. 한편, 지오그리드를 4층으로 포설한 CASE 3과 CASE 4의 경우 지반침하의 범위가 벽체 주변으로 한정되고, 최대침하량은 보다 크게 발생함을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구는 수치해석과 모형벽체시험을 통해 지오그리드 길이와 보강층수에 따른 지반의 거동을 실내모형시험과 수치해석을 통해 고찰하였다. 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.

(1)실내모형시험을 통해 보강조건에 따른 지표침하 값을 분석한 결과 지오그리드를 2층으로 포설한 경우(CASE 1, 2)가 4층으로 포설한 경우(CASE 3, 4)보다 상대적으로 지표침하의 범위는 크게 발생하며, 벽체 주변에서 발생하는 최대지표침하는 적게 발생하는 것으로 측정됐다.

(2)수치해석의 변위벡터분포와 전단변형률 결과, 실내모형시험과 동일한 경향을 보여주었다. 동일한 벽체 이동거리에 따라 상대적으로 보강효과가 큰 4층 포설의 경우, 지표침하의 범위가 벽체 주변에서 발생하였다. 지오그리드를 2층으로 포설한 경우, 지표침하의 범위가 넓게 확대되어 나타났다. 이러한 변위의 경향은 지오그리드 층수에 따른 수평구속압의 증가효과로 판단된다.

(3)모형벽체의 하부 로드셀에서 측정한 벽체 변위에 따른 벽체에 작용하는 하중의 크기를 case 별로 비교한 결과, 벽체 변위가 증가할수록 벽체에 작용하는 하중은 감소하는 것으로 나타났다.

(4)전단변형률에 대한 수치해석 결과, 지오그리드 층수가 상대적으로 작은 경우에서 수평방향으로 지반침하의 범위가 크게 확장됨을 알 수 있다. 향후 모형토조 크기효과를 고려하여 축소 지오그리드를 이용한 시험을 통해 국부적인 지반거동에 대한 규명이 필요할 것으로 판단된다.

(3)모형벽체의 하부 로드셀에서 측정한 벽체 변위에 따른 벽체에 작용하는 하중의 크기를 case 별로 비교한 결과, 벽체 변위가 증가할수록 벽체에 작용하는 하중은 감소하는 것으로 나타났다.

(4)전단변형률에 대한 수치해석 결과, 지오그리드 층수가 상대적으로 작은 경우에서 수평방향으로 지반침하의 범위가 크게 확장됨을 알 수 있다. 향후 모형토조 크기효과를 고려하여 축소 지오그리드를 이용한 시험을 통해 국부적인 지반거동에 대한 규명이 필요할 것으로 판단된다.