본 논문에서는 다단식보강토옹벽의 해석과 시험 시공을 통해 안정성을 검토한 내용을 다루었다. 한계평형에 근간을 둔 현행의 설계기준에 근거하여 설계된 각기 다른 네 개의 현장 옹벽에 대해 내 외적 안정성 대한 안정성 검토를 실시하였으며, 국외 보강토옹벽의 설계법인 FHWA 및 NCMA의 설계에 의거한 다단식보강토옹벽의 시험시공을 통해 상 하단 옹벽의 상호작용에 의한 거동에 대해 분석을 실시하였다. 본 논문에서는 연구결과를 토대로 다단식보강토옹벽의 역학적 거동을 이해하고, 설계 및 시공의 주안점을 언급하였다.
현재 국내 설계기준에는 풍화암이나 N치 50이상의 양질의 토사지반에서의 현장타설말뚝 지지력 산정방법이 별도로 제시되어 있지 않으며, 말뚝의 지지력에 영향을 미치는 많은 요소를 반영할 수 있는 방법 또한 제시되어 있지 않다. 따라서 현장타설말뚝의 지지력을 산정하기 위해 지반을 토사와 암으로만 구분하고 있으며, 이로 인해 IGM으로 분류될 수 있는 풍화암을 대부분의 경우 양질의 토사지반으로 간주하여 지지력을 추정하고 있다. O'Neill 등(1996)의 연구보고서와 FHWA(1999) 설계기준에는 토사와 암반의 중간특성을 지닌 지반, 즉 IGM에서의 현장타설말뚝 지지력 산정방법을 제시하고 있으며, FHWA(1999) 설계기준에서는 IGM을 포함하여 지반을 명확하게 분류함으로써 이를 설계에 반영할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 IGM에서의 지지력 이론을 적용한 국내 3개 현장의 현장타설말뚝 설계사례 분석하여 그 이론의 적용성을 평가하였다. IGM에서의 현장타설말뚝의 지지력과 비교하기 위해 IGM을 양질의 사질토 지반으로 간주하고 지지력을 산정하였으며, 이를 비교 분석하였다. 지지력 비교 결과, 풍화암을 IGM으로 분류하고 IGM에서의 지지력 이론을 적용한 경우 전반적으로 지지력이 크게 나타났다.
현재 국내 설계기준에는 풍화암이나 N치 50이상의 양질의 토사지반에서의 현장타설말뚝 지지력 산정방법이 별도로 제시되어 있지 않으며, 말뚝의 지지력에 영향을 미치는 많은 요소를 반영할 수 있는 방법 또한 제시되어 있지 않다. 따라서 현장타설말뚝의 지지력을 산정하기 위해 지반을 토사와 암으로만 구분하고 있으며, 이로 인해 IGM으로 분류될 수 있는 풍화암을 대부분의 경우 양질의 토사지반으로 간주하여 지지력을 추정하고 있다. O'Neill 등(1996)의 연구보고서와 FHWA(1999) 설계기준에는 토사와 암반의 중간특성을 지닌 지반, 즉 IGM에서의 현장타설말뚝 지지력 산정방법을 제시하고 있으며, FHWA(1999) 설계기준에서는 IGM을 포함하여 지반을 명확하게 분류함으로써 이를 설계에 반영할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 IGM에서의 지지력 이론을 적용한 국내 2개 현장의 현장타설말뚝 설계사례 분석하여 그 이론의 적용성을 평가하였다. IGM에서의 현장타설말뚝의 지지력과 비교하기 위해 IGM을 양질의 사질토지반으로 간주하고 지지력을 산정하였으며, 이를 비교 분석하였다. 지지력 비교 결과, 풍화암을 IGM으로 분류하고 IGM에서의 지지력 이론을 적용한 경우 전반적으로 지지력이 크게 나타났다.
본 연구에서는 실질적으로 붕괴된 보강토 옹벽 사고 사례를 통해 그 원인을 분석한 내용을 다루었다. 원인분석은 붕괴된 보강토 옹벽에서 채취한 뒷채움재의 역학적 실험을 실시하였으며, 사면안정 해석과 문헌조사를 통하여 수행하였다. 붕괴된 보강토 옹벽의 대표단면을 산정하여 국외의 보강토 옹벽 설계법인 FHWA 설계법과 NCMA 설계법에 의거 비교 분석 하였다. 붕괴된 보강토 옹벽 뒷채움 흙의 입도시험 분석 결과 200번체 통과량이 FHWA 기준치를 초과 하였다. 이는 여름철 집중 호우시 배수가 불량하여 침투수에 의한 간극수압이 급격하게 증가하여 유효응력이 감소해 전단 강도가 현저히 저하되어 붕괴된 것으로 판단된다. 또한 사면안정 해석 결과 충분한 안전율을 확보하지 못한데 그 원인이 있다고 할 수 있다.
설계시간계수는 1950년대 FHWA에서 최초로 제안하였던 개념으로 1년(8,760시간) 중 상위 30번째 순위의 시간교통량을 기반으로 한다. 과거, 모든 시간대의 교통량 조사가 힘들었던 시기에 사용되었던 방식으로 다소의 문제점에도 불구하고 현재까지 사용되고 있다. 합리적인 설계를 위해서는 이론적 근거에 바탕을 둔 설계시간계수 도출이 필요하다. 본 연구는 현재까지 고수되고 있는 30번째 순위가 과연 옳은 것인가에 중점을 두고 있으며, 이를 해결하기 위해 8,760 시간교통량 순위곡선에서 변곡점을 탐색할 수 있는 기법을 제안하였다. 그리고 충청권 일반국도를 대상으로 제안 방법론을 적용하여 분석대상지점의 설계시간계수를 산정하였으며, 기존 지침의 내용과 비교하였다. 설계시간순위는 43~694순위로 일반적으로 사용되는 30순위보다 모두 하위 순위에서 발생되고 있었던바, 30순위 교통량을 사용할 경우 약간의 과다설계가 이루어 질수 있음이 확인되었다.
본 논문에서는 Back-to-Back(BTB) 보강토 옹벽의 파괴메커니즘에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 모형실험과 불연속체 해석(Discrete Element Method, DEM)을 도입한 수치해석을 수행하였다. 먼저 축소모형실험에서는 일반적으로 시공되는 Back-to-Back 보강토 옹벽을 1/10로 축소하여 1-g 모델을 구축한 후 자중만으로 파괴에 도달하도록 하였으며 보강재의 길이변화에 따른 파괴 메커니즘을 고찰하였다. 아울러 모형실험 결과를 토대로 검증된 DEM 해석모델을 이용하여 다양한 시공조건에 대한 해석을 수행하여 BTB 옹벽의 폭 및 보강재 길이에 따른 파괴 메커니즘을 고찰하고 그 결과를 현재 적용되는 FHWA 설계기준과 비교하였다.
풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 예측에는 최근 미국 FHWA에서 제안된 IGM 설계법이 가장 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 IGM 이론을 적용하기 위하여 시험시공 현장에서 지반조사를 실시하고, 교란여부, 거칠기 상태를 측정한 결과, 점성, 비교란, 매끄러운 조건으로 지반을 분류하였으며, 일축압축강도($q_u$) 측정이 불가능한 화강풍화암 구간에서 정재하시험 및 하중전이시험과 N값을 이용하여 간편하게 $q_u$값을 예측할 수 있는 관계식을 제안하였다. 본 시험시공을 통한 연구결과 화강풍화암에서 IGM 이론을 적용하여 현장타설말뚝의 지지력 산정에 대한 설계방법을 개선할 수 있음을 확인하였다.
이 연구에서는 경기도에 위치한 ${\bigcirc}{\bigcirc}$대학교 캠퍼스 내 외곽도로 신설을 위해서 설치된 보강토옹벽의 붕괴사례를 통해 다양한 원인조사 및 분석에 대한 내용을 다루었다. 붕괴된 보강토옹벽에 대한 안정성 평가 및 설계도서 검토결과 다짐불량, 기초지반의 지지력 검토 누락, 보강재 설치 길이와 간격, 배수시설 문제 등의 시공과 관련한 문제들로 인해서 붕괴가 발생한 것으로 판단되었다. 설계 시 고려해야 할 전체 사면활동에 대한 안정성 검토, 2단 형태의 보강토옹벽에서 일반적으로 사용되는 FHWA 또는 NCMA 제안방법을 적용하지 않는 등의 여러 설계상의 문제점들도 확인하였다. 또한, 이러한 안정성 평가 내용을 바탕으로 재시공될 보강토옹벽의 안정을 위한 보강대책 및 시공방안 등을 제시하였다.
이산폰툰형 부유식교량의 시간영역 지진응답해석을 지진파의 공간분포를 고려하여 수행하였다. 지반운동의 공간변화는 파의 통과 영향, 엇결성 뎡향 및 국부지반 영향을 반영하는 결맞음 함수 모델로 고려하였다. 부유식 교량의 상부구조는 공간뼈대요소와 탄성현수케이블요소를 이용하여 모델링 하였고, FHWA 가이드라인의 스프링 모델을 사용하여 교대의 지반 구조물 상호작용에 대한 영향을 고려하엿으며, 경계요소법으로 산정한 폰툰 동수력계수의 주파수 의종성을 고려하기 위해서 시간지연함수를 사용하였다. 지반운동의 공간변화를 고려한 다중지점 지진입력을 교량의 양단에 도입하였고 응답의 시간이력을 동시 가진 시와 비교하였다. 장주기의 동적특성을 갖는 이산폰툰형 부유식 교량의 지진응답 해석에서 지반운동의 공간분포를 고려할 경우에 주몰할만한 응답의 증폭이 나타날 수 있음을 확인하였다.
미국 FHWA에서 개발한 Surrogate Safety Assessment Model(SSAM)은 상충이론을 기반으로 미시교통시뮬레이션모형(microscopic traffic simulation models)에서 생산된 개별 차량 경로 데이터를 이용하여 상충(conflict)의 발생을 분석하는 소프트웨어이다. 본 연구에서는 SSAM을 이용해 교통신호 제어 유형별 안전도를 비교하였다. 이를 위해 현장 조사를 기반으로 미시교통시뮬레이션모형을 구축한 후, 신호 제어 유형 별로 세 가지 신호운영 시나리오에 대하여 TTC, PET, DR, MaxS, DeltaS 등의 대리척도(surrogate measures)를 산출한 후, 직각충돌형(Crossing), 추돌형(Rear-end), 그리고 차로변경형(Lane Change) 상충 횟수를 추정하였다. 분석 결과 감응식 신호운영이 정주기식 신호운영보다 상충횟수가 많았으며, 그 중 추돌형 상충횟수가 다른 상충 유형에 비해 많은 것으로 분석되었다. 향후 SSAM 활용을 통해 교차로 및 다양한 교통 대안에 대한 안전도 평가가 신속하고 안전하게 수행될 수 있어 SSAM이 도로교통의 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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