보강토 옹벽의 설계기준

 

 

1. 보강토옹벽의 설계기준

---

1) 설계기준 안전율과 설계방법은 비탈면 경사는 국가건설기준 설계기준을 기본으로 하며, 건설공사 비탈면 설계기준 및 본 잠정지침, 건설공사비탈면설계기준, 구조물기초설계기준을 참조하였으며, 위 기준 및 본 잠정지침에 명시되지 않은 상세한 설계사항에 대해서는 미국 연방 고속도로 관리국(FHWA)의 설계방법을 적용한다. 보강토 옹벽의 안정해석은 외적안정해석과 내적안정해석으로 구분하여 수행하여야 하며, 외적안정과 내적안정에서 검토하는 항목은 다음과 같다.

 

① 외적안정 : 저면활동, 지지력, 전도, 전체 안정성, 침하에 대한 안정성

② 내적안정 : 인발파괴, 보강재 파단, 보강재와 전면벽체의 연결부 파단
(블록/보강재 연결부, 앵커체/보강재체 결부 등의 안전성 검토를 포함한다)

 

옹벽의 활동

 

구분	검토항목	평상시	지진시	비고
외적안정	활동	1.5	1.1
	전도	2.0	1.5
	전체 안정성	1.5	1.1
내적안정	인발파괴	1.5	1.1
	보강재 파단	1.0	1.0

<보강토 옹벽의 설계안전율(KDS 11 80 10 : 2016, 보강토옹벽)>

※ 전도에 대한 안정은 수직합력의 편심거리 e에 대한 다음 식으로도 평가할 수 있다. 
평상시, e ≤ L/6 : 기초지반이 흙인 경우,  e ≤ L/4  : 기초지반이 암반인 경우 
지진시, e ≤ L/4 : 기초지반이 흙인 경우,  e ≤ L/3  : 기초지반이 암반인 경우
※ 보강재 파단에 대한 안전율은 보강재의 장기설계인장강도를 적용하므로 1.0으로 한다.

 

 

 

 

2. 보강토옹벽의 제원

---

1) 블록

① 보강토 블럭은 반드시 블럭과 블럭이 블럭상부 돌출턱 (앵카바)에 의하여 결속되는 블럭이어야 한다.

구분	규격			허용오차	압축강도	비고
	폭	높이	두께
표준형블럭	500	250	400	폭, 두께 ±5  높이 ±3	280kg/㎠

<표준형 블럭의 제원>

 

2) 강보강재

① 강봉 보강재는 충격, 고하중에 잘 견디며 부식에 강한 강성재료로써 용융아연도금으로 영구 방식 처리된 Reinforced Steel Bar이어야 한다

구분	규격	항복강도	인장강도	연신율	아연도금 부착량
강봉보강재(A-type)	16mm	500 N/㎟  (KSD3504)	620 N/㎟  (KSD3504	12%  (KSD3504)	610 g/m2  (KSD3504)
강봉보강재(B-type)	19mm

<강보강재의 제원>

 

※ 설계허용인장강도 Ta = 안전율 * 단면적 * 항복강도 / Bar간격 
안전율 : Fs = 0.55(장기설계인장강도)
Fs = 0.48(국부적인 과응력이 발생하는 구간 ; 강보강재 연결구간) 
단면적 : Ac = π / 4 ( D - 부식률 )2
부식률 : 1mm(100년)
항복강도 : 500 Mpa,      Bar 간격 : 1.50m

 

3) 그리드

① 성토부에 설치되는 지오그리드 보강재는 장기적인 안정성이 확보되도록 내시공성, 내구성, 
장기변형에 대한 안정성이 확보되어야 한다.

TYPE	극한 인장강도	6T (6.0 이상)	8T (8.0 이상)	10T (10.0 이상)	15T (15.0 이상)
WOVEN	장기간 설계인장강도(LTDS)	2.84	3.79	4.73	7.10
	경사의 연신율(%)	12% 이내

<그리드의 장기 설계 인장강도>

 

 

 

 

3. 토압

---

1)  흙이 구조물에 미치는 압력을 토압이라고 하며, 토압은 흙의 구조, 입도, 함수율 등에 영향을 받는다

2) 주동토압, 수동토압, 정지토압의 비교

 

① 주동토압(Acvtive Earth Pressure)

주동 토압

- 흙이 팽창하면서 파괴될 때의 토압

- 벽체 전면변위가 생길때의 토압

- 옹벽 벽체가 전면방향으로 회전 또는 이동할 때 발생

- 배면 뒷 채움 흙이 팽창되어 벽체의 수평응력이 감소하면서 연직 응력에 의해 뒷 채움 흙이 파괴에 도달한다.

- 일반적인 옹벽의 토압 상태

 

주동토압계수

 

② 수동토압(Passive Earth Pressure)

수동토압

- 흙이 압축되면서 파괴될 때의 토압

- 벽체 배면변위가 생길때의 토압

- 옹벽벽체가 배면방향으로 회전 또는 이동할 때 발생

- 배면 뒷 채움 흙이 압축되어 벽체의 수평응력이 증가하면서 연직응력을 초과할 때 수평응력에 의해 파괴에 도달

 

수동토압계수

③ 정지토압(Hdrostatic Earth Pressure)

정지토압 그래프

- 구조물의 수평변위 없이 흙이 파괴될 때의 토압

- 벽체의 변위가 없을때 토압(지하구조물의 상태)

- 구조물이 안정된 상태를 유지할 때 발생

- 지하박스와 매립 암거 등의 토압상태

 

정지토압계수

 

 

4. 외적토압 해석법

---

Yonsei Univ. Geotechmical Engineering Lab 자료 참조(1)

 

Yonsei Univ. Geotechmical Engineering Lab 자료 참조(2)

 

 

5. 내적토압 해석법

---

마찰쐐기법

 

복합중력식법

 

1) 반경험적으로 보강토옹벽의 내적안정 검토시 토압산정은 마찰쐐기법과 복합중력식법으로 산정함
① 마찰쐐기법   : Geogrid와 같은 신장성 보강재에 적용 
② 복합중력식법 : 강재와 같은 비신장성 보강재에 적용

2) 강보강재의 허용응력은 전항에서 검토한 바와 같이 다음과 같이 산정됨(안전율 장기F=0.55, 국부F=0.48)
B-type(19mm)의 장기허용인장강도 Ta = 63.16kN/m2, 국부허용인장강도  Ta = 55.12kN/m2

 

내적토압에 의한 파단의 힘의 평형 개념

① i번재 층의 보강재에 작용하는 토압 산정
σhi=k·σvi 
σvi=r·zi+q
② σhi :  i번재 층의 보강재에 작용하는 토압 
k  : 복합중력식법에 의한 토압계수 
σvi : i번재 층의 연직응력
r : 뒷채움재의 단위중량 
zi : i번재 층의 연직깊이 
q : 상재하중

 

 

 

 

 

 

6. 실전 절토부 옹벽 설계

---

1) 참하량 검토

① 보강토 블럭 기초의 설치위치는 풍화암에서 연암에 설치되므로 안전측을 고려하여 풍화암에 설치되는 기초에 대해서 검토하였으며, 허용 침하량은 상부구조의 허용변위량에 의하서 결정된다. 즉, 기초의 허용 침하량은 상부 구조의 구조적 안정성과 사용상의 기능 유지 등이 고려된 상부 구조물의 침하로부터 판단하며, 문헌에서 제시된 허용치는 다음과 같다.

 

지지층	최대변위량(mm)	부등변위량(mm)	비고
모래지반기초	25	20
점토지반기초	50	20
복합지반기초	30	20

각변위(δ/s)	구분
0.004	다경관 교량의 허용치
0.005	다경관 교량의 허용치

<부정적 구조물의 허용연직변위 및 각변위에 따른 교량의 침하기준, 도로설계요령(2009)>

 

 

 

지지층	단독기초	전면기초
각변위	1/300(L : 기둥간격, δ : 부등침하량)
최대 부등침하량(모래)	32mm(추천치 : 25mm)
최대 침하량(모래)	51mm	51~76mm(추천치 : 38~64mm)

<구조물의 손상한계, Skempton(1955)>

 

 

② "건설공사보강토옹벽설계, 시공 및 유지관리지침(2013)" 에 따르면 블록식의 경우 부등침하비율이 0.5%(1/200)이내가 되며, 이 범위를 초과하는 경우에는 지반개량이 필요하다고 언급되어 있다. 따라서 허용침하량은 다음과 같이 결정하였다.

 

              ※ 총침하량 : 25mm                                                                   ※ 허용 부등침하량 : 10.0mm

<허용 침하량 결정>

 

③ 침하량은 탄성이론에 의한 방법과 Schmertsmann제안식에 의한 방법에 따라 침하량을 다음과 같이 산정하였다.

 

④ Schmertsmann의 제안식

chmertsmann의 제안식

여기서, 구조물 응력 △p= 134.36kN/m2

p = 10 * 0.8 = 8kN/m2(근입깊이 0.8m)    Cp = 1-0.5[p/△p] = 1-0.5(8/(134.36-8)) = 0.97

Ct = 1+0.2log(t/0.1) = 1+ 0.2log(100/0.1) = 1.6

 

연속기초의 경우로 적용하면,

z = 0, Iz = 0.2

z = 1.0B = 1.0m, Iz = 0.5

z = 4.0B = 4.0m, Iz = 0

 

구분	CpC△p	층후(△z)m	탄성계수(E)kN./m2	영향계수(Iz)	△zIz / E
풍화암	△p=126.36kN/m2 Cp=0.97 Ct=1.6	1.0	150,000	0.35	2.333E-6
		3.0	150,000	0.25	5.000E-6
Si = 0.97*1.6*126.36*7.333E-6 = 0.00144m				Σ =	7.,333E-6
				침하량 Si	1.44mm

 

⑤ 탄성이론에 의한 침하량 산정

침하량 산정식

구분		강성기초	연성기초
			중심점	외변중점	모서리점	평균
원형기초		0.79	1.00	0.64	-	0.85
정방형기초		0.88	1.12	0.76	0.56	0.95
구형기초	L/B=2 L/B=5 L/.B=10	1.12	1.53	1.12	0.76	1.30
		1.60	2.10	1.68	1.05	1.82
		2.00	2.56	2.10	1.28	2.24

<탄성침하 영향계수, 구조물기초설계기준(2009)>

 

계산 결과

⑥ 침하량 산정결과

구분	발생침하량(mm)	허용변위(mm)
1. Schmertsmann에 의한 침하량	1.44	25.0
2. 탄선이론에 의한 침하량 산정	1.40
적용	1.44	O.K