1.1 연구배경

보강토옹벽은 시공성과 경제성 그리고 미관상 측면에서 기 존 콘크리트 옹벽을 대체할 수 있는 구조물로서 그 사용량이 급속도로 증가하고 있다. 이러한 공법의 장점에도 불구하고 국내에서는 설계기준의 미비와 설계 S/W검증미흡, 업체의 과 다경쟁, 지반조사 상세검토 결여 등에 따른 품질저하가 빈번 하게 발생하고 있다. 아울러 보강토옹벽 시공 시 기술자의 공 법에 대한 인식부족으로 품질 및 시공(다짐)관리가 제대로 시 행되지 않아 시공 중 또는 시공 후에 보강토옹벽의 붕괴(활동) 현상이 뉴스나 학회지면을 통하여 보고되고 있으나 보강토옹 벽의 유지관리에 있어 붕괴 징후에 대한 선제적 예방 방법이 현실적으로 부족하며 이에 대한 연구도 미흡한 실정이다.

보강토옹벽의 붕괴 징후 중 하나인 배부름 현상의 공용 중 기준이 되는 수평 변위에 대한 기준은 없으나 시공 중 수평 변 위에 대해서는 다음과 같은 기준이 제시되고 있다.

현재 미국 연방도로청(FHWA, 2001)에서 수평변위기준은 Precast wall facing의 경우 높이 1m당 6.2mm이하로 Flexible wrapped wall의 경우 높이 1m당 16.7mm로 제한하고 있다. 또한 BS 8006(1995)기준에 따르면 4.5m당 ±20mm로 제한하고 있다.

국내 보강토옹벽의 경우에는 수평변위에 관한 기준으로 현 재 0.03H(H는 옹벽높이)와 미국 연방도로청(FHWA) 기준을 대부분 현장에서 적용하고 있다.

따라서 국내외 보강토옹벽의 공용 중 횡방향 변위에 대한 관 련 시방기준을 마련하는 것이 시급하다고 판단되며, 보강토옹 벽의 배부름 현상을 억제할 수 있는 연구가 필요한 실정이다.

1.2 연구 목적 및 내용

현재 공용 중인 보강토옹벽은 주로 설계 하중을 초과하는 하중들이 배면에 작용하거나 옹벽 배수구(측면 배수, 유공관) 의 성능 저하로 보강토옹벽 배면 수압의 작용으로 변형이 발 생된다. 이러한 변형은 보강토옹벽의 배부름 현상으로 나타 나지만 제어하기 위한 기술의 미비로 보강토옹벽의 배부름 현상을 방치하는 경우가 많이 발생하였다. 이에 본 연구에서 는 보강토옹벽의 배부름 현상의 진행을 억제하고 보강토옹벽 의 손실된 성능을 보강하여 인적․물적 손실에 대해 선제적 대 응을 하고자 한다.

본 연구에서는 보강토옹벽의 배부름 현상을 유도하기 위 해 배수구가 없는 건전한 보강토옹벽을 시공한다. 시공 후 주 기적으로 157일 동안 변위계측을 통해 배부름의 진행정도를 파악하고 위에서 언급한 수평 변위를 초과하게 되면 배부름 억제 방법을 적용한다. 본 연구에서 제시하는 배부름 현상이 발생한 보강토옹벽의 보강은 다음과 같다. 먼저 배부름 현상 이 발생한 보강토옹벽 배면의 그리드는 잔존 마찰력이 없는 것으로 가정한다. 계산된 네일의 간격과 길이는 네일의 인발 력과 보강토옹벽의 변위억제를 고려하여 결정한다. 네일 삽 입은 보강토옹벽 블록을 일정 간격으로 천공하고 그리드가 파손되지 않게 3〜5°의 경사로 삽입 후 정착한다. 변형된 부 분의 응력의 분산을 위해 와이어메쉬와 삽입된 네일의 두부 를 철근으로 연결한다. 또한 보강토옹벽 전면 일부를 천공하 여 배수구를 확보하고 숏크리트로 변형된 부분에 마감한 후 미관을 위해 미장하여 마무리 한다.

숏크리트 양생 후 변위 계측을 실시하여 보강 후 보강의 유 무를 판단하였다.

1.3 연구 동향

보강토옹벽 배부름 제어에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았으나 보강토옹벽 배부름의 원인과 보강토옹벽 붕괴 사례 분석에 대한 연구는 진행되어 왔다.

^{강주원(2013)}은 보강토옹벽의 배부름 변위에 대한 설계기 준 마련의 필요성과 보강토옹벽의 배부름 현상에 대한 대책 방안으로 보강토옹벽 배면의 성토하중을 제거하고, 옹벽의 높이를 보다 낮추어 전체적인 안정성을 확보하는 것이 합리 적인 방법이라고 판단하였다.

^{김진만 등(2001)}은 전면 블록의 문제점을 보완을 위해 EPS (Expandable PolyStrene) 블록을 이용한 새로운 배부름 방지 전면블록을 제안하였다.

^{유충식 등(2004)}은 옹벽의 수평변위 및 보강재 유발변형은 시공 중 많이 발생하였고, 시공이 완료된 후에도 지속적으로 증가하여 수평변위 및 보강재 유발 변형률이 수렴하기까지는 상당한 시간이 걸린 것으로 분석하였다. 그리고 유발인장력 부분을 검토한 결과 각 단의 상단부분은 설계기준 이상의 유 발인장력이 발생하고 있어서 상단부분의 보강 및 현 설계기 준에 대한 검토가 요구된다고 하였다.

^{한중근 등(2005)}은 고속국도 ○○현장 보강토옹벽 전면 활 동 붕괴원인분석에 관한 연구를 통해 정확한 지반과 지층구 조를 제대로 반영하지 않고 성토구조물을 시공한 것이 원인 으로 분석하였다.

^{송영석(2006)}은 사면붕괴가 발생된 절개사면에서의 억지 말뚝 보강 사례연구를 통해 도로공사 일부구간에서 발생된 붕괴사면을 대상으로 사면안정해석을 수행하고 사면보강대 책공법을 제시하였다.

^{남관우 등(2006)}은 속초정수장 건설공사 떡밭재 도시계획 도로 도로공사 중 붕괴현상을 분석한 결과 집중호우에 의한 암반 절리면의 붕괴가 상호 순차적으로 발생하여 응집력 감 소가 주원인인 것으로 도출하였다. 이는 강우에 의한 지하수 의 이동경로는 혼재비탈면의 풍화정도에 따라 불규칙적이며, 토사와 암의 경계지점을 제외하고는 절리 등의 불규칙성으로 파괴발생지점을 예측하기 어려운 문제점을 지적하고 있다.

2.1 보강토옹벽 실험체 시공 장소

보강토옹벽 실험체의 위치는 산청군 신안면 하정리 10으로 하천에 인접한 곳이며 작업 차량 진입이 용이한 곳으로 결정 하였으며 보강토옹벽이 설치된 후 약 2∼3년 동안 거동을 관 찰할 수 있어 장기 변형에 대한 데이터를 확보 할 수 있도록 장 소를 선정하였다.

2.2 지반정수 실내실험

본 연구에 적용한 지반상수는 실내실험결과 및 문헌자료 등을 종합적으로 검토하여 Table 1 과 2에 나타낸 바와 같이 적용하였다.

Table 1

Ground integer for stability analysis

Table 2

Laboratory soil test results of sampling

2.3 실험용 보강토옹벽 설계단면

현장 실험용 보강토옹벽 설계는 보강토옹벽 범용설계 프로 그램인 MSEW를 사용하여 계산하였으며 그 결과는 Table 3과 같다. 또한 설계 단면은 Fig. 1에 나타내었으며, 실험의 목적을 위해 배부름을 유도하고자 배수시설은 고려하지 않았다.

Table 3

Results of structural calculation for reinforced soil retaining wall

Fig. 1

Design section(Unit: mm)

3.1 계측장치

광파타켓을 Fig. 2와 같이 설치하여 실험기간 중 보강토 옹 벽에 발생하는 변위를 계측하였다. Photo 1

Photo 1

Reinforced soil retaining wall

Fig. 2

Target arrangement

광파타켓 측점의 수직간격은 750mm이고 수평간격은 5,000mm이다. 측점은 NO. A-B로 표기하였고 여기서 A는 행 수를 나타내었으며 제일 위 상단이 1이고 맨 아래 하단이 5가 되도록 표기하였다. 또한 B는 좌측단면, 중앙단면, 우측단면 을 나타내며, 각 1, 2, 3으로 표기하였다.

보강토 옹벽 변위계측은 2016년 6월 17일부터 11월 21까지 15개 측점에 대해 총 23회의 계측을 실시하였으며, 1회당 각 측 점 에 대해 3회 계측하고 그 평균값으로 변위를 검토하였다.

측정된 변위 값이 양수이면 보강토옹벽의 벽체 전면으로 변위가 발생하였음을 의미한다.

3.1.1 보강토옹벽 벽체 종단면 수평변위

Fig. 3 에서는 광파타켓이 설치된 종방향으로 각각 좌측단면, 중앙단면, 우측단면으로 하고 각 단면당 5개의 측점으로 구성하 였다. 아래의 그래프는 측정일자에 대한 각 측점의 누적변위이 며 시간이 자남에 따라 명암을 진하게 하여 도식화 되었다.

Fig. 3

Horizontal displacement result of longitudinal section

Fig. 3에서 나타난 각 단면별 최대 변위와 해당 측점은 아래 의 Table 4와 같다.

Table 4

Horizontal displacement result of longitudinal section

3.1.2 보강토옹벽 벽체 횡단면 변위

Fig. 4 에서는 광파타켓이 설치된 횡방향으로 벽체 상단부 터 아래로 각각 1단에서 5단으로 구분하고 각 단은 3개의 측 점으로 구성하였다. 아래의 그래프는 측정일자에 대한 각 측 점의 누적변위이며 시간이 자남에 따라 명암을 진하게 하여 도식화 되었다.

Fig. 4

Horizontal displacement result of horizontal section to each stage

Fig. 4에서 나타난 각 단별 최대 변위와 해당 측점은 아래의 표와 같다.

벽체의 측점위치 1단에서 4단까지는 좌측종단면에서 최대 변위가 발생하였고 5단에서는 우측종단면에서 최대 변위가 발생하였다.

3.2 보강토 벽체 배부름 속도 분석

본 연구에서는 배부름 억제를 위한 보강 방법의 적용 시기 를 판단하고자 각 월별(6월, 7월, 8월, 9월, 10월, 11월) 배부름 변형 속도를 계산하였다.

배부름 속도 계산은 각 월별 누적 변위를 30일 또는 31일로 나누어 mm/day로 표현하고 아래와 같이 Fig. 5의 그래프에 나 타내었다.

Fig. 5

Monthly bulging velocity

Fig. 5의 (a) 는 6월에 측점 NO. 4-1의 배부름 속도가 1.67 mm/day로 가장 빠른 것으로 계산되었고, (b)는 6월에 측점 NO. 3-2의 배부름 속도가 2.0mm/day로 가장 빠른 것으로 계 산되었으며, (c)는 6월에 측점 NO. 2-3의 배부름 속도가 1.5 mm/day로 가장 빠른 것으로 계산되었다.

Fig. 6

Modeling and analysis

보강토옹벽 실험체가 시공되어 있는 경상남도 산창군의 월 별 강수량과 강우일수를 파악한 결과, 6월 73.1mm, 13일, 7월 217.6mm, 15일, 8월 114.1mm, 9일, 9월 347mm, 18일이었다. 따라서 6월의 변위속도는 초기 안정화와 강우에 의한 변위로 발생하였으며, 8월의 변위속도는 7월과 8월의 강우에 의한 변 위가 중첩되어 7월의 변위속도보다 높게 나타난 것으로 판단 된다. 9월의 강우량과 강우일수는 계측기간 중 가장 많고 길 었으나 변위속도가 6월부터 8월까지 발생한 변위속도가 늦은 것은 배면토의 안정화로 인한 것으로 판단된다.

본 연구의 보강토옹벽 실험체에는 배수 시설을 시공하지 않 아서 시공 초기 우수에 의한 변형과 배면토 안정화에 의한 변형 이 집중되고 있으나 그 변형은 지속적으로 일어남을 알 수 있다. Table 5

Table 5

Horizontal displacement result of horizontal section

3.3 보강토옹벽 벽체 변위 예측

보강토옹벽의 벽체 배부름이 발생한 후 보강 유무 판단을 위 해 완공 후 각 측점들의 157일 간의 누적변위에 대한 추세선을 계산하고 이 추세선을 이용하여 각 측점의 향후 변위를 예측하 였다. 그리고 배부름 변형에 대한 허용 변형 기준이 아직 설정되 어 있지 않아서 미연방 도로국(FHWA, Federal Highway Administration, 2001)에서 제시한 Precast wall facing 수평변위 기준인 높이 1m당 6.2mm이하 허용규정을 적용하여 계측일로 부터 옹벽의 높이를 고려한 31mm를 초과하게 되는 일수와 일반 적으로 현장에서 적용되는 0.03H(H;옹벽 높이)에 해당하는 150mm를 초과하게 되는 일수를 계측 데이터와 추세선을 이용 하여 각각 아래의 Table 6, Table 7와 Table 8에 측점별로 나타내 었다. 또한 아래 표의 일수는 보강토옹벽 완공 후부터 각각의 기 준을 초과하는 시점의 일수를 나타낸 것이다. 완공 후 154일 이내 는 직접 계측한 데이터에 의해 각각의 기준에 대한 초과여부를 판단하였고, 154일을 초과한 경우는 추세선에 의해 예측하였다.

Table 6

Displacement prediction to left section

Table 7

Displacement prediction to center section

Table 8

Displacement prediction to right section

위의 Table 6, 7, 8에서 318일 이내에 15개 측점 중 10개의 측점이 기준을 초과하는 것으로 계산되었고, 0.03H(H;옹벽 높이)의 기준에 예측 일수가 표시되지 않은 측점들은 현재 최 종 계측된 변위 이상으로 추가변위가 발생하지 않는 것을 의 미한다. Photo 2

Photo 2

Construction of reinforced soil retaining wall

3.4 보강토 벽체 변위에 대한 보강여부 판단

배수시설을 시공하지 않은 보강토 옹벽에 대해 2016년 6월 17일부터 2016년 11월 21일까지 보강토 옹벽 벽체의 변위를 측정하여 보강토 옹벽 배부름 현상을 고찰하였다. 그 결과 아 래의 사실들을 근거로 보강토옹벽 배부름에 대한 보강이 필 요할 것으로 판단하였다.

4.1 보강토옹벽 실험체 보강 방법 설계

4.1.1 보강토옹벽 보강 네일간격 계산

보강 방법의 배부름 현상을 억제하기 위한 네일의 간격과 숏크리트의 두께 결정의 최적화 설계를 위해 범용해석 프로 그램인 MIDAS CIVIL을 이용하여 보강 방법을 판해석으로 계산하였다. 하중으로는 토압(토사 단위중량:18.09kN/m3, 내 부마찰각:25.36°)과 숏크리트의 자중을 고려하였고 보강 방 법에서 전면 배수구가 확보되는 것으로 간주하여 수압은 고 려하지 않았다. Fig. 7

Fig. 7

Slope analysis

본 계산과정에서는 네일 두부를 단순화하여 힌지 요소로 모델링하여 네일에 발생하는 반력을 계산하여 인발저항력 만 족을 검토하고 보강토옹벽의 변위가 가장 최소가 되는 네일 의 위치를 선정하는데 목적이 있다.

해석에서는 최소 변위 0.19mm(FHWA 횡변위 기준 만족) 와 최소 인발저항력55.6kN(고강도 네일 평균 인발 저항력 156.67kN 만족)을 가지는 네일 간격은 1.50m로 계산되었다.

4.1.2 네일 길이 및 안정성검토 결과

검토단면에 대하여 범용해석프로그램인 SoilWorks를 사 용하여 네일 길이 5.0m, 네일 간격 1.5m로 모델링하여 비탈면 활동을 검토한 결과 건기시, 우기시, 지진시 모두 기준안전율 을 만족하는 것으로 나타났다.

Fig. 8에서처럼 보강부에 길이가 5.0m인 쏘일 네일 총 21개 소 설치하였으며, 전면 배수구는 총 6개소를 설치되었다.

Fig. 8

Reinforced section

4.2 보강토옹벽 실험체 보강 방법의 시공

먼저 보강토옹벽 블록을 천공하고 천공에 네일을 삽입한 다. 그라우팅 주입구에 그라우팅을 한 후 네일의 형성하고 와 이어매쉬를 전면에 설치하고 네일의 두부를 철근으로 용접하 여 연결한다. 보강부 외형틀을 조립하여 설치하고 숏크리트 를 타설하여 미장 후 양생한다.

5.1 보강 단면 변위 계측 위치

보강단면 계측은 보강 전 계측과 같이 광파타켓과 광파기 를 사용하여 실시하였다.

보강 단면의 변위 계측을 위해 Fig. 9 및 Photo 3과 같이 광 파타켓을 총12개소를 부착하였다. 설치된 광파타켓은 보강부 좌측, 보강부중앙, 보강부우측에 수직방향으로 각각 4개씩으 로 하였다.

Fig. 9

Target attachment location to forward side

Photo 3

Site view of target attachment location

5.2 보강 단면별 변위 분석

보강토옹벽의 배부름 변위가 발생한 후 보강토옹벽 벽체에 배부름 보강 방법을 적용하고 변위의 추이를 관찰하기 위해 벽체에 타켓을 설치하여 2016년 12월 15일부터 2017년 2월 27일까지 74일 동안 24회 변위를 계측하였다.

5.2.1 종단면 변위 분석

벽체 측점은 4행 3열로 되어 있어 각 열을 벽체 좌측단면부 터 좌측단면, 중앙단면, 우측단면으로 구분하고 계측결과를 Fig. 10과 같이 그래프로 도식화하였다.

Fig. 10

Horizontal displacement of longitudinal section

5.2.2 횡단면 변위 분석

벽체 측점은 4행 3열로 되어 있어 각 행을 벽체 상단부터 1 단에서 4단으로 구분하고 계측결과를 Fig. 11에 그래프로 도 식화하였다.

Fig. 11

Horizontal displacement result of horizontal section to each stage

각 측점을 계측한 결과 보강토옹벽 보강 후 수평과 수직 변 위가 거의 계측되지 않았으며, 몇몇 측점에서 1mm 이하의 변 위가 잠시 발생한 것은 측량 오차인 것으로 판단되었다.