보강토 공법

흙은 건설현장에서 쉽게 구할 수 있는 아주 훌륭한 건설재료이지만, 지반 또는 토체는 독립된 흙 입자들 사이의 점착력 또는 마찰력에 의하여 불완전하게 결합되어 있어 쉽게 분리되어 흐트러진다. 이와 같은 지반의 공학적 특성을 개선하기 위하여 성토지반 내에 흙과의 결속력 및 인장특성이 우수한 재료를 삽입하여 형성된 새로운 특성의 건설재료를 "보강토"라 한다.

다음 그림 1.에서는 보강 전,후의 모래에 대한 삼축압시험결과를 보여주며, 그림 1. (a)에서 보는 바와 같이 보강되지 않은 모래는 하중을 가하면 변형이 발생하며 결국에는 파괴에 이르게 된다. 반면, 보강된 모래는 흙과 보강재 사이의 결속력 및 보강재의 인장강도에 의하여 변형이 억제되며, 그림 2.에서 보는 바와 같이 파괴시 전단강도는 보강되지 않은 모래에 비하여 상당히 증가한다.

그림 1. 모래에 대한 삼축압축시험 결과(Haeri et al., 2000)
그림 2. 모래에 대한 삼축압축시험 결과(Haeri et al., 2000)

이러한 보강된 모래에서 전단강도의 증가는 내부마찰각 증가 이론과 겉보기 점착력 유발 이론으로 설명되며, 응력수준이 낮은 경우에는 흙과 보강재의 사이의 결속력이 지배적이므로 응력이 증가할수록 전단강도의 증가분이 더 커지는 경향을 보이지만, 응력수준이 높아지면 흙과 보강재 사이의 결속력이 보강재의 인장강도를 초과하게 되어 보강된 흙의 파괴는 보강재의 인장강도가 지배하게 되므로 응력 증가와 상관없이 전단강도 증가분은 일정하다(그림 3. 참조).

그림 3. 보강토체 전단강도 증가 이론의 합성(Hausmann, 1976)

1.2.1. 서론

현대적인 보강토 공법의 개념은 연약지반 상에 고강도의 보강재를 수평으로 깔아 보강하는 방안을 제안한 casagrande에 의하여 제안되었으며(Westergaard, 1938), 현대적인 개념의 보강토 옹벽은 미국의 Munster(1925)가 사다리 모양의 나무보강재와 가벼운 전면판을 이용한 토류벽을 개발함으로서의 상당한 발전이 이루어 졌다.

현대적인 보강토 공법은 1960년대 프랑스의 기술자 H. Vidal(1966)에 의하여 마찰질의 토체 내부에 수평으로 놓인 띠형 보강재로 형성한 복합토체에 대하여 처음 발표되었으며, 그 후 프랑스의 LCPC(Schlosser, 1978), 미국의 DoT(Walkinshaw, 1975), 영국의 DoT(Murray,1977) 등으로부터 지원을 받아 보강토 공법의 기본적인 개념에 대한 연구가 이루어 졌다. 1974년에는 미국 캘리포니아의 Department of Transportation에서 그리드(grid) 형태의 보강재를 보강토 옹벽에 사용하였다(Forsyth, 1978).

Jones(1996)에 따르면 이러한 보강토 공법의 개념은 동물이나 조류의 행동 또는 식물뿌리의 작용과 같은 자연생태계에서도 쉽게 발견되며, 갈대 또는 짚으로 점토 벽돌을 보강한 주거지 건발방법이 기록된 성서(출애굽기 5장 6~9절)의 내용을 들어 보강토 공법은 전혀 새로운 공법이 아니며 이미 기원전 4~500년 경부터 시작되었다고 주장하였다

1.2.2. 서양

보강토 공법은 수천 년간 사용되어 왔으며, 고대 바빌로니아 인들은 2,500 ~ 5,000년 전에 Ziggurat이라고 불리는 거대한 신전을 축조하였으며(Mitchell & Villet, 1987), 현존하는 가장 오래된 보강토 구조물인 Agar-Quf 신전은 두께 130~400mm의 점토벽돌을 사용하여 축조하였으며, 횡방향 변형을 억제하기 위하여 수직간격 0.5~2.0m 마다 갈대로 엮은 매트로 모내 및 자갈층을 보강하였고 직경 약 100mm의 갈대로 엮은 로프를 구조물을 관통하는 보강재로 사용하였다. 현재 남아있는 Agar-Quf신전의 높이는 45m 이지만, 축조당시에는 그 높이가 80m 이상 이었을 것으로 추정된다.

그림 4. Agar-Quf 신전

1.2.3. 동양

중국의 만리장성은 일반적으로 돌로만 축조된 성인 것으로 알고 있으나, 기원 전 200년 경 축조된 고비사막 지역의 만리장성은 갈대로 모래 및 자갈층을 보강하여 축조되어, 현대의 보강토 공법과 유사한 점이 있다.

그림 5. 중국의 만리장성

1.2.4. 우리나라

우리나라에서는 몽촌토성이나 풍납토성 등 성곽의 축조에 판축법과 부엽공법을 적용하였는데, 판축법은 흙을 시루떡처럼 다져 쌓는 방법이고 부엽공법은 잔 나뭇가지와 잎사귀를 깔고 흙을 쌓는 방법으로 현대의 보강토 공법의 원리와 유사하다. 그림 6.에서 보여준 부여나성의 구조는 직경 5 ~ 6 cm 정도의 나뭇가지를 성벽 단면방향으로 나란히 배열하고 그 위에 50 cm 가량 성토 다짐을 3번 반복하였는데, 이는 현재의 보강토 공법과 유사하다.

그림 6. 부여나성의 구조(http://www.k-heritage.tv)

보강토 옹벽은 금속(스트립, 그리드 등) 또는 토목섬유(지오텍스타일, 지오그리드, 띠형 섬유 등) 보강재의 인장저항력과 주변 흙과의 결속력을 활용하여 수직에 가까운 보강토체를 형성하여 옹벽의 기능을 수행한다.

보강토 옹벽 그림 7.에서와 같이 뒤채움 흙과 이를 보강하는 보강재 및 뒤채움흙의 유실을 방지하고 외관을 형성하는 전면벽체로 구성된다. 보강토 옹벽의 전면벽체는 주로 소형 블록이나 콘크리트 패널을 사용하며 설계수명이 짧은 경우에는 토목섬유로 포장형 전면벽체를 사용할 수 있다.

보강토 옹벽의 뒤채움 재료는 일반적으로 양질의 사질토를 요구하며, 소성지수 PI는 6이하라야 한다. 보강재로는 강재 또는 토목섬유 재질의 띠형 또는 그리드형 등 다양한 형태의 보강재가 사용된다.

그림 7. 보강토 옹벽의 구성요소

2.2.1. 뒤채움 흙

1) 뒤채움 흙의 조건

보강토 옹벽의 뒤채움재료로 사용하는 흙은 다음의 성질을 갖는 재료를 사용한다,

  • 흙-보강재 사이의 마찰효과가 큰 사질토
  • 배수성이 양호하고 함수비 변화에 따른 강도 변화가 적은 흙
  • 입도분포가 양호한 흙
  • 보강재의 내구성을 저하시키는 성분이 적은 흙
  • 소성지수()가 6 이하인 흙

2) 뒤채움 흙의 입도기준

보강토 옹벽 뒤채움재료의 입도기준은 다음 표 1.과 같다.

표 1. 보강토 뒤채움 흙의 입도기준(건설공사 비탈면 표준시방서, 2011)
체눈금의 크기(mm) 통과중량백분율(%) 비 고
102 100
0.425 (No.40) 0 ~ 60
0.075 (No.200) 0 ~ 15

* 예외규정 : No.200 통과율이 15% 이상이더라도 0.015mm 통과율이 10% 이하이거나 또는 0.015mm 통과율이 10 ~ 20% 이고 전단저항각이 25˚ 이상이며 소성지수(PI)가 6이하면 사용이 가능하다.

* 뒤채움재료의 최대 입경은 102mm까지 사용할 수 있으나, 시공시 손상을 입기 쉬운 보강재를 사용하는 경우에는, 최대입경을 19mm로 제한하거나, 시공손상 정도를 평가하는 것이 바람직하다.

2.2.2. 보강재

보강재는 보강토 옹벽에서 가장 중요한 구성요소로서 보강목적에 적합한 인장강도와 흙과의 결속력를 가져야 하고, 흙 속에서 보강토 옹벽의 설계수명 동안 적정한 내구성을 가져야 한다.

1) 보강재로서 갖춰야할 조건

보강토 옹벽을 위한 보강재는 다음과 같은 조건을 갖춰야 한다.

  • 보강목적의 인장강도를 보유하여야 한다.
  • 장기인장강도 발생시 변형률은 5% 이내이어야 한다.
  • 흙과의 마찰저항력이 수평토압에 저항할 수 있어야 한다.
  • 시공 중의 손상에 대한 저항성을 지녀야 한다.
  • 화학, 물리 및 생화학적 작용에 대해 내구성을 지녀야 한다.
  • 금속보강재는 반드시 방식처리를 하여야 한다.

2) 보강재의 장기설계인장강도

보강재의 장기설계인장강도, $ T_a $는 장기인장강도, $ T_l $를 안전율, $FS$로 나누어 다음 식과 같이 계산할 수 있다..

$$ T_a = {{T_{l}} \over {FS}} $$

위 식에서 안전율 $FS$는 보강재의 재질 및 형상에 따라서 다른 값이 적용되며, 일반적으로 토목섬유 보강재의 경우 1.5, 금속성 보강재의 경우 1.82를 적용하지만, 콘크리트 패널이나 블록에 연결된 금속성 그리드형 보강재의 경우에는 2.08을 적용한다.

(1) 금속성 보강재의 장기인장강도

위 식에서 보강재의 장기인장강도와 안전율은 재질별로 산정방법이 다르며, 금속성 보강재의 장기인장강도는 다음과 같이 계산한다.

$$ T_l = {{f_{y} A_{c}} \over {b}} \cdot R_{c} $$

위 식에서 $ f_y $는 금속의 항복강도이고, $ A_c $는 부식두께를 제외한 보강재의 단면적 이며, $ b $는 보강재의 폭이다. $ R_c $는 보강재의 포설비율을 말하며 다음 식과 같이 계산한다.

$$ R_c = {{b} \over {S_h}} \cdot R_{c} $$

위 식에서 $ S_h $는 보강재의 수평간격이며, 평면형 및 그리드형 보강재의 경우 $ R_c = 1$ 이다.

(2) 토목섬유 보강재의 장기인장강도

토목섬유 보강재는 내구성 $ RF_D $, 내시공성 $ RF_{ID} $, 크리프 특성 $ RF_{CR} $등을 고려한 항목별 감소계수를 적용하여 다음과 같이 장기인장강도 $ T_l $을 계산한다.

$$ T_l = {{T_{ult}} \over {RF_{D} RF_{ID} RF_{CR}}} $$

위 식에서 내구성 감소계수 $RF_D$는 최소 1.1 이상이라야 하고, 내시공성 감소계수 $ RF_{ID}$ 또한 최소 1.1 이상이라야 하며, 크리프 감소계수 $RF_{CR} $는 그 재질별로 다음 범위의 값을 적용한다.

표 2. 토목섬유 보강재의 크리프 감소계수의 범위
폴리머의 종류 크리프 감소계수
폴리에스테르(PET) 1.6 ~ 2.5
폴리프로필렌(PP) 4.0 ~ 5.0
폴리에틸렌(PE) 2.6 ~ 5.0

2.2.2. 전면벽체

보강토 옹벽에서 유일하게 시각적으로 보이는 전면벽체는 다양한 재질 및 형태로 사용되고 있다. 콘크리트 패널, 몰탈블록, 토목섬유 포장형 전면벽체 등이 있으며, 이외에도 다양한 전면벽체가 사용되고 있다.

그림 8. 전면벽체의 종류

a) 사당동 대림아파트(1988년 시공)
b) 웅동-장유간 국도건설공사
c) 고속국도 제65호선 주문진-속초간 건설공사(제 1공구)
그림 9. 시공사례 - 패널식 보강토 옹벽

a) 울산혁신도시 도시시설물 공사
b) 지방도 357호선(제2자유로 3-1공구)
c) 고속국도 제60호선 동홍천-양양간 건설공사(5공구)
그림 10. 시공사례 - 블록식 보강토 옹벽

보강토 옹벽의 안정해석은 외적안정해석과 내적안정해석으로 구분하여 수행한다.
외적안정과 내적안정해석에서 검토하느 항목은 다음과 같다.
① 외적안정 : 저면활동, 지지력, 전도, 전체안정성, 침하에 대한 안정성
② 내적안정 : 인발파괴, 보강재파단, 내적활동, 보강재와 전면판의 연결부 파단

그림 11. 보강토 옹벽의 주요파괴형태
표 3. 보강토 옹벽의 설계안전율(건설공사 비탈면 설계기준, 2011)
구 분 검토항목 평 상 시 지 진 시 비 고
외적안정 활 동 1.5 1.1
전 도 2.0 1.5
지 지 력 2.5 2.0
전체안정성 1.5 1.1
내적안정 인발파괴 1.5 1.1
보강재파단 1.0 1.0
* 보강재 파단에 대한 안전율은 보강재의 장기설계인장강도를 적용하므로 1.0으로 한다.

보강토 옹벽의 외적안정은 보강토체를 중력식 옹벽으로 간주하여 저면활동, 전도, 지지력에 대해 검토한다. 또한 보강토체를 포함한 전체사면활동에 대한 안정성에 대해서도 검토한다. 보강토 옹벽이 연약지반 상에 시공되는 경우에는 기초지반의 침하에 대한 안정성을 검토한다.

그림 12. 보강토 옹벽에 작용하는 하중
그림 13. 상부 사면길이가 짧은 경우의 배면토압

보강토 옹벽의 내적안정해석은 보강토체를 활동영역과 저항영역으로 나누고, 각각의 보강재에 발생하는 최대작용하중($ T_{max} $)을 계산할 후 보강재의 인장파괴와 인발파괴에 대하여 검토한다.

파괴면은 각 보강재에 발생하는 최대인장력($ T_{max} $)을 연결한 선이며, 형상은 벽체저면에서 대수나선 형태로 발생한다. 안정해석의 간편성을 위하여 직선 또는 이중직선으로 가정할 수 있다.

그림 14. 보강토 옹벽의 가상파괴면

파괴면에서 각 각의 보강재에 작용하는 최대유발인장력($ T_{max} $)은 각 보강재 위치에서 작용하는 수평토압($ \sigma_H $)와 보강재의 수직설치간격($ S_v $)을 고려하여 계산한다.

$$ T_{max} = \sigma_H S_v $$ $$ \sigma_H = K_r \sigma_v + \Delta \sigma_h $$ $$ \sigma_v = \gamma_r Z + \sigma_2 + q + \Delta \sigma_v $$

보강토체 내부의 토압분포($ K_r / K_a $)는 다음 그림과 같다.

그림 15. 보강토체 내부의 토압계수 비($ K_r / K_a $)

내적안정해석은 각각의 보겅재 위치에서 구한 최대인발하중($ T_{max} $)보다 보강재의 장기설계인장강도($ T_a $)가 크고, 인발저항력($ P_r $)이 커야 한다.

$$ T_a \ge \frac{ T_{max}} {R_c }$$ $$ FS_{po} = \frac{P_r} {T_{max}} \ge 1.5 $$ $$ P_r = F^* \gamma Z_p L_e C R_c \alpha $$

보강토 옹벽 대표단면에 대해 전체안정성을 검토하며, 보강토 옹벽의 전체안정성은 전통적인 비탈면안정해석 방법(한계평형해석 등)을 사용하여 수행한다. 이 경우, 보강토 옹벽은 하나의 강성구조체로 보고 활동파괴면은 보강토체를 통과하지 않는 것으로 고려할 수 있다. 보강재 종류, 간격 또는 길이의 변화가 있거나, 큰 상재하중이 작용하는 경우, 경사옹벽의 경우, 다단식 옹벽의 경우 등에는 복합활동파괴에 대해서도 검토한다. 전체안정성에 대한 최소안저율이 추천된 설계안전율(1.5)보다 작다면 보강재 길이를 증가시키거나 기초지반을 개량하는 등의 적절한 조치가 필요하다.

그림 16. 전체안정성 검토가 반드시 필요한 경우의 예

일반적인 보강토 옹벽의 시공순서는 다음과 같다.

그림 17. 보강토 옹벽 시공 순서