원지반 부착식 판넬옹벽의 현장 적용성 평가

Field Application of a Precast Concrete-panel Retaining Wall Adhered to In-situ Ground

Abstract

최근 들어 도심지 재개발과 산업단지 조성 등이 활발하게 진행되면서 깎기 비탈면의 효율적 활용과 민원방지 그리고 환경훼손을 최소화할 수 있는 공법의 필요성이 점차 커지고 있다. 판넬식 옹벽은 지보재 보강을 통해 원지반의 전단강도를 증가시키고 전면판인 프리캐스트 판넬과 지보재를 체결하여 개별적 벽체를 형성시킴으로써 수평토압에 저항하는 공법이다. 프리캐스트 판넬의 적용으로 기존 옹벽에서 발생하던 콘크리트 현장타설에 의한 공기지연과 콘크리트 품질저하 등의 문제는 다소 해결되었지만 비탈면 과다절취에 의한 사토처리 및 토취장 확보, 및 옹벽 전면 콘크리트 노출로 인한 경관성 저하문제는 여전히 미결과제로 남아있는 실정이다. 본 연구에서는 기존 판넬식옹벽의 단점을 보완하기 위하여 판넬 전면을 자연암반형으로 연출하고 수직의 원지반에도 부착이 가능하도록 공정을 개선하였으며 실내 및 현장시험을 통하여 개발된 옹벽의 현장 적용성 평가를 수행하였다. 판넬에 대한 실내시험을 수행하여 자연암반형 판넬의 자체강도 및 거동특성에 대한 검증을 수행하였으며 현장 시험시공을 통하여 수직절취 및 원지반 부착에 대한 현장 적용성을 평가하였다. 또한 시험시공 시 보강재 및 비탈면에 대한 계측 을 수행하였으며 이를 3차원 수치해석 결과와 비교·분석하였다. 실내시험 결과 사보강에 의한 판넬의 펀칭강도 증가를 확인하였으며 현장 시험시공을 통하여 원지반 부착식 옹벽의 시공성 및 현장 적용성을 확인하였다. 또한, 장기계측 및 수치해석적 검증을 통하여 원지반 부착식 옹벽 시스템이 시공중 및 장기적으로 안정성이 확보됨을 확인하였다.

New building methods are needed to aid increased inner-city redevelopment and industrial construction. A particular area of improvement is the efficient use of cut slopes, with the minimization of associated problems. A retaining wall of precast panels can resist the horizontal earth pressure by increasing the shear strength of the ground and reinforcing it through contact with the panels. Precast panels allow quick construction and avoid the problem of concrete deterioration. Other problems to be solved include the digging of borrow pits, the disposal of material cut from the slope, and degradation of the landscape caused by the exposed concrete retaining wall.This study suggest the methods of improvement of an existing precast panel wall system by changing the appearance of the panels to that of natural rock and improving the process of adhering the panel to a vertical slope. The panels were tested in the laboratory and in the field. The laboratory test verified their specific strength and behavior, and the field test assessed the panels' ground adherence at a vertical cutting. Reinforcement of the cutting slope was also measured and compared with the results of 3D numerical analysis. The results of laboratory test, identified that the shear bar increase the punching resistance of panel. And as a results of test construction, identified the construct ability and field applicability of the panel wall system adhered to in-situ ground. In addition to that, extended measurement and numerical analysis, identified the long-term stability of panel wall system adhered to in-situ ground.

서 론

옹벽은 토공 시 지형 등의 조건에 따라 흙 구조물의 안정성을 유지할 수 없는 장소에 지반의 붕괴를 막기 위해 설치되는 토류 구조물이다. 기존의 일반적인 옹벽은 주변 지형에 대한 유연성이 부족함으로 지지기반 확보를 위해 설치 대상물로부터 이격되어 시공됨에 따라 넓은 작업공간의 확보는 물론 후속 공정인 뒤채움 작업이 복잡하여 시공기간이 증가하는 등의 문제점 뿐만 아니라 양생 중 환경에 따라 팽창 및 수축을 반복하면서 균열 등이 발생하는 구조적 안정성 문제가 발생되었다(Lee et al., 2010). 또한 거대 콘크리트 구조물은 주변 환경과 조화를 이루지 못해 경관성을 저해하는 요인으로 지적되어 왔다(Jung, 2013)

최근 이러한 옹벽의 문제점을 개선하기 위하여 판넬식 옹벽의 적용이 확대되고 있는 추세이다(Choi, 2013). 판넬식 옹벽은 원지반 강도를 최대한 보호하며 보강시키는 공법으로 일반 중력식 옹벽과는 달리 Soil Nailing, Ground Anchor, Earth Bolt 등의 지보재 보강을 통해 원지반의 전단강도를 증가시키고 전면판인 프리캐스트 판넬과 지보재를 체결하여 개별적 벽체를 형성함으로써 수평토압에 저항하는 공법이다(Yun et al., 2011). 프리캐스트 판넬을 적용함으로 써 기존 옹벽에서 발생하던 콘크리트 현장타설에 의한 공기지연 및 콘크리트 품질저하 등의 문제는 다소 해결되었지만 원지반 과다절취에 의한 환경훼손, 되메움 및 사토처리 문제, 옹벽 전면 콘크리트 노출로 인한 경관성 저해문제는 여전히 미결과제로 남아있는 실정이다.

본 연구에서는 기존 판넬식 옹벽의 문제점인 원지반 과다절취, 콘크리트 노출로 인한 경관성 문제를 해결하기 위하여 판넬 전면을 자연암반형으로 연출하고 수직의 원지반에도 부착이 가능하도록 공정을 개선하였다. 실내시험을 통하여 자연암반형 판넬의 자체강도 및 거동특성에 대한 검증을 수행하였으며 현장 시험시공을 통하여 수직굴착 및 원지반 부착식 옹벽공법에 대한 현장 적용성을 평가하였다. 또한, 현장 시험시공에 대한 계측을 수행하고 이를 3차원 수치해석 결과와 비교·분석하여 수직절취 및 프리캐스트 판넬의 원지반 부착에 대한 안정성 검토를 수행하였다.

 

원지반 부착식 옹벽 공법

자연암반형 판넬을 이용한 원지반 부착식 옹벽공법은 기존 판넬식 옹벽에서 문제가 되었던 원지반 과다절취 및 옹벽 전면 콘크리트 노출에 의한 경관성 문제를 해결하기 위하여 개발된 친환경 공법으로 전면 문양 및 공법 개요도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.Precast concrete-panel retaining wall system adhered to in-situ ground.

본 공법은 주변 지반과의 조화를 위해 판넬 전면을 자연암반 형태로 고안한 것이다. 문양은 여러 장의 판넬이 연결되더라도 자연스럽게 이어질 수 있도록 디자인 되었다. 판넬은 수직으로 절취된 비탈면에 설치가 용이하도록 자연암반형 문양의 굴곡을 이용해 불필요한 부분에 대한 배근 및 콘크리트 양을 최소화하여 경량화 하였다.

또한, 최소용지 확보와 산지훼손을 줄이기 위해 수직절취를 기본개념으로 하였고 판넬의 설치는 Top-Down 방식, Bottom-Up 방식, Semi Top-Down 방식 모두 가능하도록 공정을 개선하였다. 그리고 절취 중 여굴 발생 시에는 절취면과 판넬 사이에 저유동성 몰탈을 타설하여 판넬이 원지반과 완전히 일체화 될 수 있도록 계획하였다.

 

실내시험

실내시험 개요

자연암반형 판넬의 자체강도 및 거동특성을 확인하기 위하여 실내시험을 수행하였다. 판넬의 강도시험에 대해서는 별도의 시험규정이 마련되어 있지 않으므로 실제 비탈면 시공 시 판넬이 받을 수 있는 하중의 형태와 가장 유사한 조건을 만들기 위하여 4면 지지 펀칭시험을 수행하였다. 판넬 거치대 위에 1,300 mm × 1,300 mm 규격의 ‘ㅁ’자 형태의 환봉을 설치하여 판넬을 지지하도록 하고 보강재의 지압판 설치를 위하여 형성된 홀에 250 mm × 250 mm의 재하블럭을 설치하여 보강재가 인발되는 상황을 재현하였다. 실내시험 개요도 및 시험 전경은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.Load test of precast panel in the laboratory.

실내시험 시 사용된 판넬은 원지반 부착 시 시공 효율을 높이기 위하여 경량화 된 판넬로 기존 판넬의 두께(200 mm)보다 25% 얇아진 150 mm로 제작되었으며 얇아진 두께에 대해 판넬 자체의 강도유지 및 응력분산을 원활히 하기 위하여 ‘×’자 형태의 사보강 철근을 추가하였다. 본 시험에서는 경량화된 판넬의 배근형태에 따른 강도차이를 확인하고 향후 추가적인 경량화 가능성을 확인하기 위하여 기존 배근형태와 사보강이 추가된 배근형태에 대하여 각각 실험을 수행하였다. 실내시험에 적용된 판넬의 배근형태는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.Reinforced state of test panel.

실내시험은 기존 배근형태 2회, 사보강이 포함된 배근형태 2회 총 4회 수행되었으며 시험의 정밀성을 위하여 하중은 변위제어방식으로 1.0 mm당 40~80 sec의 속도로 재하하였다. 시험 Case 및 시험조건을 정리하면 Table 1과 같다.

Table 1.Boundary condition of laboratory test.

실내시험 결과

실내시험 결과 사보강이 포함되지 않은 기존 배근형태의 판넬의 경우 각각 93.57 kN, 96.69 kN에서 파괴가 발생하였으며, 사보강이 포함된 배근형태의 판넬의 경우 각각 112.02 kN, 111.15 kN에서 파괴가 발생한 것으로 확인되었다. 실내 시험 결과를 정리하면 Table 2 및 Fig. 4와 같다.

Table 2.Results of load test in the laboratory.

Fig. 4.Results of load test in the laboratory.

판넬의 파괴양상을 살펴보면 사보강이 포함되지 않은 기존 배근형태의 경우 지압판 주변으로 원형 균열이 발생하며 국부적인 파괴양상을 나타냈으며 사보강이 포함된 배근형태의 경우 사보강 철근부를 따라 판넬 전체에 균열이 발생하며 파괴된 것으로 나타났다(Fig. 5).

Fig. 5.Failure shape after the load test of precast panel.

이러한 파괴양상의 차이는 사보강에 의한 응력분산효과에 기인한 것으로 판단되며, 사보강 전 판넬의 평균 펀칭강도가 95.13 kN, 사보강 후 판넬의 평균 펀칭강도가 111.59 kN임을 감안할 때 사보강에 의한 응력분산이 약 17% 가량의 판넬 펀칭강도를 증가시킨 것으로 판단된다.

 

현장시험

현장시험 개요

자연암반형 판넬을 이용한 원지반 부착식 옹벽의 현장 적용성을 평가하기 위하여 현장 시험시공을 수행하였다. 시험 시공은 지반조사 → 지반물성시험 → 예비해석 → 시험시공 → 장기계측의 순서로 수행되었으며 시험시공 현장은 충청북도 청주시 청원구 추학리에 위치한 OO콘크리트 공장부지에서 수행되었다(Fig. 6).

Fig. 6.Site view of field test.

본 지역의 지질은 선캠브리아기의 호상편마암을 중생대 쥐라기의 반상화강암이 관입하여 넓게 분포하고 중생대 백악기의 녹회색셰일, 자색셰일, 응회암이 부정합으로 위치하며 백악기의 암맥들이 이를 관입하고 있다. 최상부는 제4기 충적층이 부정합으로 피복하고 있다.

시추조사결과 시험시공 부지는 모암인 화강암의 풍화토 및 풍화암으로 구성되어 있는 것으로 나타났으며 매우 조밀한 상태로 굴진 시 실트질 모래로 분해되었다. 또한 대상 지반의 물성치를 파악하기 위하여 실내 토성시험 및 공내 전단시험, 공내 재하시험을 수행하였으며 실내 및 현장시험을 통하여 얻어진 대상 지반의 물성치를 정리하면 Table 3과 같다.

Table 3.Physical properties of weathered soil and rock.

예비해석

시험시공에 앞서 수직굴착에 대한 시공 중 및 시공 후 비탈면의 안정성을 확인하기 위하여 예비해석을 수행하였다. 예비해석은 범용 사면안정 해석 프로그램인 TALREN 97을 이용하여 수행되었으며 대표단면은 Fig. 7과 같다.

Fig. 7.Cross-section for stability assessment.

TALREN을 이용한 한계평형 해석 시 해석 방법은 현재 비탈면 안정해석 시 일반적으로 적용되고 있는 Bishop 간편법을 적용하였다. 우기시 지하수위 조건은 지표포화상태를 가정하고 수행하였으며, 전면판 없이 쏘일네일링 보강재만을 모델링함으로써 원호파괴에 의한 한계평형 해석 시 안전율이 과대평가될 수 있는 철근콘크리트 판넬의 전단강도는 배제하였다.

시공 중 비탈면의 안정성 검토결과 수직굴착된 비탈면의 안전율은 1.25로 기준안전율 1.10을 상회하여 시공 중 안정성을 확보하는 것으로 확인되었다(Fig. 8).

Fig. 8.Results of stability assessment of temporary slope.

또한 보강 후 영구비탈면에 대한 안정성 검토결과 건기시, 우기시, 지진시 모두 기준안전율을 상회하여 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다(Table 4, Fig. 9).

Table 4.Results of stability assessment of reinforced slope.

Fig. 9.Results of stability assessment of reinforced slope.

현장 시험시공

현장 시험시공에 적용된 옹벽은 폭 6.0 m, 높이 5.0 m로 1.5 × 1.5 m 규격의 자연암반형 판넬 12장이 시공되었으며 시험시공에 적용된 보강재는 쏘일네일링으로 예비해석 결과를 토대로 SD 400, D 29규격의 이형철근 6.0 m를 적용하였다.

현장 시험시공은 실제 시공 조건과 동일한 형태로 단계별 시공을 수행하였으며 시공 단계별 거동특성을 파악하기 위하여 지중경사계, 토압계, 원지반 침하계를 병행 시공하였으며 보강재의 축력 변화를 파악하기 위하여 하중계와 변형률계를 부착하였다.

또한 예비해석 결과를 토대로 시험시공 대상 비탈면 전체높이 5.0 m에 대한 수직굴착을 수행하여 Bottom-Up 방식으로 판넬을 설치하였으며 판넬과 원지반을 밀착시키는 방식으로 뒤채움재에 의한 판넬 거동의 영향을 최소화 하도록 하였다.

시험시공에 적용된 계측기 배치도 및 시험시공 순서는 Fig. 10 및 Fig. 11과 같다.

Fig. 10.Layout plan of measuring instruments.

Fig. 11.Sequence of test construction.

현장시험 결과

수직으로 절취된 비탈면에 설치된 쏘일네일링의 건전성을 평가하고 실내시험 결과와 비교 분석하기 위하여 현장 인발 시험을 수행하였다. 인장시험 시 최종하중은 시험시공에 적용된 SD 400, D 29 이형철근의 설계 인장강도인 112.42 kN의 150%인 168.63 kN까지 재하 하였으며 하중은 20 kN 단위로 단계별 재하를 실시하였다. 현장 인발시험 수행 과정은 Fig. 12와 같다.

Fig. 12.Pull-out test of soil nailing.

인장시험 결과 설계하중의 150%에 해당하는 하중에 대해서도 판넬의 펀칭 또는 균열 등의 파괴징후는 발견되지 않았으며 변위 또한 보강재 길이의 0.2% 내외로 구조물의 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다. 3단 쏘일네일링의 경우 시험 중 Liner Screw의 파손으로 인하여 목표하중 까지 재하하지 못해 시험결과에서는 제외되었다.

현장 인장시험 결과를 정리하면 Table 5 및 Fig. 13과 같다.

Table 5.Results of field tension test.

Fig. 13.Load-displacement curve.

실내에서 수행된 펀칭시험의 경우 최대 112.02 kN에서 판넬의 균열이 발생한 것으로 나타났으나 현장 인발시험의 경우 168.90 kN에서도 판넬의 파괴 징후는 발견되지 않았다. 이는 실내시험과 현장시험의 판넬 지지형태의 차이에서 기인한 것으로 판단되며 Fig. 14에서 알 수 있듯이 실내시험의 경우 환봉이 설치된 부분에서 집중하중 형태의 반력이 발생하는 반면 현장에 설치된 판넬의 경우 원지반에 밀착되어 판넬 전면에서 고르게 반력이 분포하는 것을 알 수 있다. 따라서 현장에 적용되는 판넬의 정확한 강도측정 및 추가적인 경량화를 위해서는 현장 인발시험과 실내 펀칭시험의 상관성에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 14.Support form of the precast panel against load.

현장 계측결과

시공 중 및 시공 후 판넬식 옹벽으로 보강된 비탈면의 안정성을 점검하기 위하여 설치된 지중경사계, 토압계 침하계 및 하중계에 대하여 시공 중 1주, 시공 후 3주 총 4주에 걸쳐 계측을 수행하였다(Fig. 15).

Fig. 15.Installation of the measuring instruments.

계측 수행결과 지중경사계 최대변위량 0.19 mm, 판넬에 작용하는 최대 토압 3.93 kPa, 침하계의 최대 변위량 0.3 mm로 판넬식 옹벽으로 시공된 비탈면에서 변위 및 토압의 발생은 미미한 것으로 평가되었다(Fig. 16).

Fig. 16.Results of the measurements.

 

수치해석

수치해석 개요

현장 시험시공 및 계측결과에 대한 검증을 위하여 수치 해석을 이용한 3차원 모델링을 수행하였다. 수치해석에 사용된 프로그램은 지반공학 분야에서 연구와 실무에 널리 사용되고 있는 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX이다.

수치해석 시 적용된 지층선 및 물성치는 시험시공부지에서 수행된 시추조사, 실내 및 현장시험결과를 적용하였다(Table 3).

수치해석 결과

수치해석 결과 시공단계별 최대 변위는 최대 1.177 mm, 비탈면 상부 진입도로 및 판넬의 수평변위의 최대값은 각각 0.789 mm, 0.874 mm로 평가되어 시공 중 및 시공완료 후 비탈면 에서 수 mm 이하의 변위만 발생하는 것으로 평가되었다(Fig. 17, Fig. 18).

Fig. 17.Numerical analysis of ground deformation.

Fig. 18.Displacement results of road and panel in construction steps.

또한, 시공단계별 보강재의 축력 및 판넬의 응력에 대한 검토결과 보강재의 축력의 경우 최대 0.341 kPa, 판넬의 최대 휨압축응력 0.078 MPa, 최대 인장응력 0.195 MPa, 최대 전단응력 0.134 MPa로 평가되어 모두 허용치 이내로 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다(Fig. 19).

Fig. 19.Stress diagrams of precast panel.

 

고 찰

실내시험과 현장시험의 판넬 파괴강도 차이는 판넬 지지 형태의 차이에서 기인한 것으로 판단되며 실내시험의 경우 환봉이 설치된 부분에서 집중하중 형태의 반력이 발생하는 반면 현장에 설치된 판넬의 경우 판넬이 원지반에 밀착되어 보강재에 의한 하중이 판넬 전면에서 고르게 분산되어 파괴 강도를 증가시키는 것으로 확인되었다.

시험시공 시 계측결과를 수치해석 결과와 비교한 결과 비탈면 변위의 경우 계측결과 0.190 mm, 수치해석 결과 0.874 mm로 수치해석 결과가 약 4.5배 가량 크게 평가된 것으로 나타났으나 이는 실제 흙의 거동을 연속체로 모사하여 해석한 결과에 의한 것으로 판단되며 계측 및 수치해석 모두 1.0 mm 이내의 미소한 변위로 실제 변위량의 차이보다는 수직 절취 및 판넬의 원지반 부착 시 비탈면의 안정성 확보에 초점을 두고 분석을 수행하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

본 연구는 수직굴착으로 판넬을 원지반에 밀착시키는 최초의 시도라는 것에 의의가 있으며 기존 판넬식 옹벽의 경우 비탈면 형성을 위하여 과도한 절취 및 뒤채움이 필요한 반면 본 연구에서 개발된 공법의 경우 수직절취 및 원지반 부착으로 인하여 환경훼손을 줄이고 용지확보에 유리한 점이 있으며 부가적으로 전면문양 개선을 통한 경관성 개선 등이 기대된다.

향후 원지반에 밀착된 판넬의 강도측정 방법에 대한 기준 정립이 필요한 실정이며 수직절취 시 발생되는 여굴 및 Top-Down 시공에 따른 장비투입 등 공정의 복잡성 문제 해결에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

 

결 론

본 연구에서는 실내 및 현장시험, 수치해석기법을 이용하여 원지반 부착식 옹벽의 현장 적용성에 대한 평가를 수행하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

1. 실내시험 결과 사보강이 포함되지 않은 기존 배근형태의 판넬의 경우 각각 93.57 kN, 96.69 kN에서 파괴가 발생하였으며, 사보강이 포함된 배근형태의 판넬의 경우 각각 112.02 kN, 111.15 kN에서 파괴가 발생한 것으로 확인되었다.

2. 현장 인장시험 결과 설계하중의 150%에 해당하는 하중에 대해서도 판넬의 펀칭 또는 균열 등의 파괴징후는 발견되지 않았으며 변위 또한 보강재 길이의 0.2% 내외로 구조물의 안정성에 영향을 줄 심각한 변위는 발생하지 않은 것으로 평가되었다.

3. 시험시공 현장에 대한 장기계측 수행결과 지중경사계 최대변위량 0.19 mm, 판넬에 작용하는 최대 토압 3.93 kPa, 침하계의 최대 변위량은 0.3 mm로 판넬식 옹벽으로 시공된 비탈면에 심각한 영향을 미칠 변위 및 토압은 발생하지 않은 것으로 평가되었다.

4. 시험시공에 대한 수치해석 결과 시공단계별 최대 변위는 최대 1.177 mm, 비탈 면 상부 진입도로 및 판넬의 수평 변위의 최대값은 각각 0.789 mm, 0.874 mm로 평가되어 시공 중 및 시공완료 후 비탈면과 인접 구조물에 영향을 미칠 심각한 변위는 발생하지 않는 것으로 평가되었다.

5. 또한, 시공단계별 보강재의 축력 및 판넬의 응력에 대한 검토결과 보강재의 축력의 경우 최대 0.341 kPa, 판넬의 최대 휨압축응력 0.078 MPa, 최대 인장응력 0.195 MPa, 최대 전단응력 0.134 MPa로 평가되어 모두 허용치 이내로 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다.

6. 실내시험 및 현장시험, 수치해석을 통한 원지반 부착식 옹벽의 현장 적용성 검토결과 시공 중 및 시공 후 모두 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다.