1. 서론
옹벽 배면의 원지반을 절토한 경우 옹벽에 작용하는 토압은 그 경계면의 영향을 받기 때문에 일반적인 성토부 옹벽에 작용하는 토압과는 다르게 취급해야 할 경우가 있다.
다만 흙쐐기의 파괴면이 뒷채움흙 내부를 통과하는 경우는 성토부 옹벽과 같은 방법으로 토압을 구할 수 있다.
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[절토부 옹벽] ⓒhantoenc, 출처 https://hantoenc.com/retaining-wall-td/
2. 토압 산정시 주의사항
옹벽 배면의 원지반을 절토한 경우, 즉 원지반의 경사가 45°이상이고, 옹벽 뒷굽과 원지반 하단의 수평거리가 해설 그림 6.2.41과 같이 1.0m이하인 경우 옹벽에 작용하는 토압은 그 경계면의 영향을 받기 때문에 일반적인 성토부 옹벽에 작용하는 토압과는 다르게 취급해야 할 경우가 있다.
원지반이 안정되어 있는 것으로 간주되는 경우에도 옹벽과 그 경계면의 위치, 원지반의 경사, 그 표면의 거친 정도 등에 따라 토압이 달라지는데,
보통의 성토부 옹벽에 작용하는 토압과 비교하여 크게 되는 경우가 있으므로 주의해야 한다.
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구조물 기초 설계기준 해설(2005) - 해설 그림 6.2.41 원지반을 절토한 경우
안정사면(절토면)에서 뒤채움 흙과의 마찰각(δ‘)의 크기는 원지반의 지질이나 표면상태에 따라 다르지만 통상 (2/3 ~ 1.0)Ф 로 볼 수 있다.
-
원지반이 연암보다 좋고 비교적 균일한 평면인 경우 : (2/3)Ф
-
원지반이 층이 있고 거친 면인 경우 : (1.0)Ф
마찰각(δ‘)의 크기가 토압크기에 미치는 영향이 크므로 δ‘의 결정에 신중해야 한다.
3. 절토부 옹벽에 작용하는 주동토압
절토부 옹벽에 작용하는 토압은 흙쐐기의 파괴면이 안정사면(절토면)에 근접하거나 교차하는 경우는 안정사면(절토면)의 영향을 고려하여 토압을 계산해야 한다.
(1) 흙쐐기의 파괴면과 안정사면(절토면)이 같은 점에서 발생하는 경우
흙쐐기의 파괴면이 안정사면(절토면)에 근접하는(ω ≒ θ) 경우에 대해 알아보자.
1) 흙쐐기의 파괴각이 안정사면(절토면)의 경사각과 같은 경우
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ω = θ 경우
여기서,
α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(°)
β : 배면경사각(°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(°)
θ : 안정사면(절토면)의 경사각(°)
δ‘ : 안정사면(절토면)에서의 마찰각(°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
W : 흙쐐기의 중량(kN/m)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(m)
ω = θ이므로 흙쐐기는 △ABC이다.
쿨롱의 시행쐐기법에서 토압 계산하는 방법과 같으나, 흙쐐기의 파괴면에서의 마찰각이 Ф가 아니라 δ‘이라는 것에 주의하자.
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2) 흙쐐기의 파괴각이 안정사면(절토면)의 경사각보다 큰 경우
성토부 옹벽과 같은 방법으로 토압을 구할 수 있다.
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ω ≥ θ 경우
여기서,
α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(°)
β : 배면경사각(°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(°)
θ : 안정사면(절토면)의 경사각(°)
δ‘ : 안정사면(절토면)에서의 마찰각(°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
W : 흙쐐기의 중량(kN/m)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(m)
ω > θ이므로 흙쐐기는 △ABC‘이다.
쿨롱의 시행쐐기법에서 토압 계산하는 방법으로 계산하면 된다.
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(2) 흙쐐기의 파괴면과 안정사면(절토면)과 교차하고, 그 점으로부터 안정사면(절토면)을 따라 파괴되는 경우
1) 흙쐐기의 파괴각이 ∠DAF보다 작은 경우
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α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(°)
β : 배면경사각(°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(°)
θ : 안정사면(절토면)의 경사각(°)
δ‘ : 안정사면(절토면)에서의 마찰각(°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
W1 : 흙쐐기의 파괴면과 안정사면의 교차점에서 분할된 안정사면측 삼각형 △ECD의 중량(kN/m)
W2 : 흙쐐기의 파괴면과 안정사면의 교차점에서 분할된 옹벽측 사각형 □ABCE의 중량(kN/m)
hv : 흙쐐기의 파괴면과 안정사면의 교점에서 배면토 높이(m)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(m)
δx : 가상배면(hv의 부분)에서의 벽면마찰각(°)
δx = β (β ≤ δx 의 경우),
δx = Ф (β > δx 의 경우)
d : 옹벽하단에서 안정사면 하단까지의 이격거리(m)
① 흙쐐기 △ECD에 의한 힘의 다각형에서 내력 X를 구한다.
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힘의 다각형
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② 내력 X와 흙쐐기 사각형 ABCE에 의한 힘의 다각형에서 Pa를 계산한다.
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힘의 다각형
위 힘의 다각형에서 ∑Fx=0, ∑Fy=0을 이용해서 2원 1차 연립방정식을 풀면 Pa를 구할 수 있다.
2) 흙쐐기의 파괴각이 ∠DAF보다 크거나 같은 경우
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여기서,
α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(°)
β : 배면경사각(°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(°)
θ : 안정사면(절토면)의 경사각(°)
δ‘ : 안정사면(절토면)에서의 마찰각(°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
W : 흙쐐기의 중량(kN/m)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(m)
d : 옹벽하단에서 안정사면 하단까지의 이격거리(m)
ω > θ이므로 흙쐐기는 △ABC이다.
쿨롱의 시행쐐기법에서 토압 계산하는 방법으로 계산하면 된다.
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4. 절토부와 성토부 옹벽에 작용하는 주동토압
(1) 절토부 옹벽에 작용하는 주동토압의 계산 예
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여기서,
α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(10°)
β : 배면경사각(20°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(30°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(20°)
θ : 안정사면(절토면)의 경사각(60°)
δ‘ : 안정사면(절토면)에서의 마찰각(20°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(5.0m)
δx : 가상배면(hv의 부분)에서의 벽면마찰각(20°)
γ : 배면토의 단위중량(19kN/m3)
d : 옹벽하단에서 안정사면 하단까지의 이격거리(1.0m)
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수평선과 가상파괴면이 이루는 각 = 43.5°
절토부의 주동토압 = 138.494kN/m
(2) 성토부 옹벽에 작용하는 주동토압의 계산 예
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설계조건은 절토부 옹벽과 동일하다.
α : 옹벽 배면과 연직면이 이루는 각(10°)
β : 배면경사각(20°)
Ф : 배면토의 내부 마찰각(30°)
δ : 배면토와 벽체의 마찰각(20°)
ω : 흙쐐기의 파괴각(°)
H : 토압을 고려하는 배면토 높이(5.0m)
γ : 배면토의 단위중량(19kN/m3)
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수평선과 가상파괴면이 이루는 각 = 50.0°
성토부의 주동토압 = 128.321kN/m
가정조건이 동일한 절토부 옹벽과 성토부 옹벽의 주동토압을 계산해 보았다.
절토부의 주동토압 = 138.494kN/m 이고,
성토부의 주동토압 = 128.321kN/m 으로,
절토부의 주동토압이 성토부의 주동토압보다 크다.
경우에 따라 절토부의 주동토압의 성토부의 주동토압 보다 큰 경우가 있을 수 있으니 주의하자.
5. 결론
본 기술자료에서는 절토부 옹벽에 작용하는 주동토압에 대해 알아보았다.
단순히 생각해봤을 때는 절토부 옹벽에 작용하는 주동토압이 성토부 옹벽에 작용하는 토압보다 작을 것 같았는데 실제 계산해보면 절토부 옹벽에 작용하는 주동토압이 더 큰 경우가 발생하기도 한다.
원지반이 안정되어 있는 것으로 간주되는 경우에도 옹벽과 그 경계면의 위치, 원지반의 경사, 그 표면의 거친 정도 등에 다라 토압이 달라지는데, 보통의 성토부 옹벽에 작용하는 토압과 비교하여 크게 되는 경우가 있으므로 주의해야 한다.
참고문헌
구조물기초설계기준해설(2015)
채영수(1992)_흙막이구조물Ⅳ_한국지반공학회지 p.95~115
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국내 설계 업계에서 근무하고 있습니다.
교량, 지중 구조물 등의 설계에 참여하였고, 해석 프로그램은 주로 MIDAS Civil을 사용하였습니다.
여러분께 도움이 되었으면 합니다.
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