보강토옹벽: 흙 쪽 여유는 안전율로, 보강재 쪽 여유는 강도값에서 뺀다

보강토옹벽이 외적안정 5항목과 내적안정 4항목으로 나뉘는 이유와, 보강재 파단만 안전율이 1.0인 근거 — 보강재 길이 0.7H·2.5 m, 수직간격 0.8 m, 근입 0.6 m와 지반 경사별 H/20~H/5, 10 m 다단식과 70° 우각부의 정지토압, 아연도금 86 μm와 15·4·12 μm/year

보강토옹벽은 흙과 보강재가 함께 하나의 중력식 옹벽을 이루는 구조다. 그래서 안정 검토가 두 겹이다 — 보강된 흙덩어리 전체가 미끄러지거나 넘어지지 않는지(외적안정), 그리고 그 덩어리 안에서 보강재가 끊어지거나 뽑히지 않는지(내적안정).

세 가지 상황에서 쓴다. ① 도로·철도 성토부의 비탈면 — 용지 폭을 줄이면서 높이를 확보한다. ② 교대 배면과 구조물 접속부 — 부등침하를 흡수하는 유연한 벽체가 필요한 자리다. ③ 단지 조성의 단차 처리 — 블록식 전면벽체로 시공 속도를 낸다.

이 글은 KDS 11 80 10 보강토옹벽의 조문을 인용한다. 최대유발인장력과 인발저항력 산정식은 옮기지 않았다.

1. 검토는 바깥과 안으로 나뉜다

보강토옹벽의 안정해석은 외적안정해석과 내적안정해석으로 구분하여 수행한다.① 외적안정: 저면활동, 지지력, 전도, 전체안정성, 침하에 대한 안정성② 내적안정: 인발파괴, 보강재파단, 내적활동, 보강재와 전면벽체의 연결부 파단 — KDS 11 80 10, 4.3 (1)(2)

외적안정은 "보강토체를 중력식 옹벽으로 간주하여" 검토한다(4.5 (1)). 보강된 흙덩어리를 하나의 콘크리트 블록처럼 보고 미끄러짐·전도·지지력을 본다는 뜻이다. 옹벽의 토압에서 다루는 검토 항목이 그대로 적용된다.

내적안정은 이 구조에만 있다. 보강토체를 활동영역과 저항영역으로 나누고, 각 보강재에 걸리는 최대작용하중을 계산해 끊어지는지(파단)와 빠져나오는지(인발)를 각각 본다(4.6 (1)). 파괴면은 "각 보강재에 발생하는 최대인장력을 연결한 선이며 형상은 벽체저면에서 대수나선형태로 발생한다. 안정해석의 간편성을 위하여 직선 또는 이중직선으로 가정할 수 있다"(4.6 (2)).

연결부 파단이 내적안정의 항목으로 따로 있다는 점이 중요하다. 보강재가 충분히 강해도 전면벽체와 이어지는 자리에서 끊어지면 결과는 같다. 조문은 그 자리에 별도 요구를 건다 — 연결 부속물은 "충분한 저항을 할 수 있는 구조와 강도를 가져야 하며 응력집중에 의한 전면벽체의 손상을 주지 않아야 한다"(3.1.1 (4)).

2. 안전율은 항목마다 다르고, 보강재 파단만 1.0이다

구분검토항목평상시지진 시

외적안정활동1.51.1

전도2.01.5

지지력2.52.0

전체 및 복합 안정성1.51.1

내적안정인발파괴1.51.1

보강재 파단1.01.0

표 4.4-1의 값이다. 지지력의 2.5가 가장 크고, 보강재 파단만 1.0이다. 조문이 이유를 직접 적어 두었다.

보강재 파단에 대한 안전율은 보강재의 장기설계인장강도를 적용하므로 1.0으로 한다. — KDS 11 80 10, 표 4.4-1 주

장기설계인장강도는 이미 부식·크리프·시공손상·내구성 감소를 다 반영해 깎아 놓은 값이다. 여기에 다시 안전율을 곱하면 같은 여유를 두 번 쓰는 것이 되므로 1.0으로 둔다. 반면 인발은 흙과 보강재 사이의 마찰이 변수이므로 1.5가 붙는다. 같은 보강재에 대해 재료 쪽은 여유를 재료값에, 흙 쪽은 여유를 안전율에 넣은 구조다.

전도는 안전율 대신 편심거리로도 평가할 수 있으며, 기초지반이 흙인 경우와 암반인 경우의 한계값이 각각 규정되어 있다(표 4.4-1 주).

3. 치수는 계산이 아니라 규칙으로 정해진다

4.1.1은 보강토옹벽의 기본 치수를 조건으로 못 박는다.

항목규정

보강재 길이전면벽체 기초부터 벽체높이의 0.7배 이상이며 최소 2.5 m보다 길 것

보강재 수직설치간격0.8 m를 초과하지 않을 것

최상단 보강재 위치전면벽 최상부 표면에서 0.5 m 이내

저항영역 내 보강재 길이최소 1.0 m 이상

전면벽체 근입기초지반 내로 최소 0.6 m 이상, 동상피해가 예상되면 동결심도 아래까지

경사지반의 소단벽체 전면에 최소 폭 1.2 m 이상

높이 10 m 이상다단식으로 설계하고 상하단 이격거리를 고려한 상세 구조검토

이 가운데 0.7H가 설계 폭을 지배한다. 높이 8 m 벽체라면 보강재가 5.6 m 이상 들어가야 하므로, 용지 폭이 좁으면 이 조건에서 먼저 걸린다. 보강재 길이는 "전체높이에 걸쳐 동일하게" 하는 것이 원칙이고, 특별한 하중조건이나 목적이 있을 때만 상·하부를 다르게 한다(4.1.1 (3)).

근입깊이에는 지반 경사에 따른 추천값이 따로 있다(표 4.1-1).

벽체 저면지반의 경사최소 근입깊이

수평 (옹벽)H/20

수평 (교대)H/10

3H : 1VH/10

2H : 1VH/7

3H : 2VH/5

같은 수평 지반이라도 교대는 옹벽의 두 배로 깊게 넣는다. 교대는 상부구조의 하중과 차량 제동력을 받으므로 요구되는 안정성이 다르다. 그리고 지반이 가팔라질수록 근입이 깊어진다 — 전면의 흙이 저항해 줄 수 있는 양이 줄어들기 때문이다. 동결심도 조건이 붙는 이유는 동상이 벽체를 들어 올렸다가 해빙 시 지지력을 떨어뜨리기 때문이다.

우각부에도 조건이 있다 — "두 벽체의 교차각이 70° 이하인 우각부 및 곡선부의 설계는 되도록 피해야 한다"(4.1.1 (2)). 불가피하면 두 벽체 사이 간격이 소요 보강재 길이보다 작은 부분에서 두 벽체의 보강재를 서로 연결하고 정지토압계수를 적용해 내적안정성을 검토한다. 예각부에서는 벽체가 서로를 구속해 변형이 억제되므로, 변형을 전제로 하는 주동토압이 아니라 정지토압을 써야 한다.

4. 보강재의 강도는 시간을 빼고 계산한다

보강재는 설계수명 동안 강도가 줄어드는 재료다. 기준은 금속과 토목섬유에 각각 다른 감소 절차를 규정한다.

금속보강재는 부식 두께를 빼고 남은 단면으로 계산한다.

금속보강재의 경우는 아연도금두께 86 μm 이상이 되도록 방청처리를 하고, 장기인장강도는 부식을 고려하여 최초 2년간은 15 μm/year, 그 이후에는 4 μm/year, 아연도금이 완전히 손실된 이후에는 12 μm/year의 부식속도를 고려하여 내구연한에 따른 부식두께를 제외한 나머지 두께에 대하여 장기인장강도를 산정한다. — KDS 11 80 10, 3.1.2 (4)

부식속도가 세 단계인 이유가 이 규정의 핵심이다. 아연도금은 처음에 빠르게(15 μm/year) 소모되다가 표면에 안정한 층이 생기면서 느려지고(4 μm/year), 아연이 다 없어지면 철이 직접 부식하기 시작해 다시 빨라진다(12 μm/year). 86 μm의 아연은 이 속도로 계산하면 수십 년을 벌어 주는 두께다. 설계수명이 길수록 빼야 할 두께가 급격히 커진다.

여기에 안전율이 붙는다 — FS = 1.82(= 1/0.55)이며, 강재 그리드형 보강재는 2.08(= 1/0.48)이다. 그리드형에 더 큰 값을 쓰는 이유도 조문에 있다 — "국부적인 과응력이 발생할 가능성이 있기 때문"(3.1.2 (5)).

토목섬유 보강재는 다른 방식이다. 극한인장강도부터 통계값으로 잡는다.

토목섬유 보강재의 극한인장강도는 최소 평균 롤값(MARV)을 적용하여 산정한다. … MARV = 평균값 − 2 × (표준편차) — KDS 11 80 10, 3.1.2 (6)

평균값이 아니라 평균에서 표준편차의 두 배를 뺀 값이 출발점이다. 롤마다 편차가 있는 제품이므로, 어느 롤이 현장에 들어와도 성립하도록 아래쪽 값을 쓴다.

여기서 다시 세 가지 감소계수를 나눈다 — 크리프 파단, 생·화학적 내구성, 시공손상. 뒤의 둘은 각각 1.1 이상이고, 크리프 감소계수는 폴리머 종류로 갈린다(표 3.1-1).

폴리머 종류크리프 감소계수

폴리에스테르 (PET)2.5 ~ 1.6

폴리프로필렌 (PP)5.0 ~ 4.0

폴리에틸렌 (PE)5.0 ~ 2.6

PP와 PE는 강도의 4분의 1에서 5분의 1만 쓴다. 이 두 폴리머는 상온에서도 크리프가 크게 진행되기 때문이다. PET는 그 절반 정도의 감소로 끝나므로, 같은 극한인장강도라면 PET가 훨씬 유리한 장기설계인장강도를 갖는다. 재료 선택이 곧 설계 결과다.

보강재의 요구조건에는 변형률 조건도 있다 — "장기인장강도 발생 시 변형률은 5% 이내"이고, "보강재의 허용인장응력 내의 변형률은 극한상태의 토압 작용 시 지반의 변형률보다 작아야 한다"(3.1.2 (2)). 보강재가 흙보다 먼저 늘어나면 흙이 파괴에 도달하기 전에 보강 효과가 사라진다.

5. 쓰지 말아야 할 자리가 조문에 있다

1.7.1 (4)는 보강토옹벽을 사용하지 않는 조건을 셋으로 든다.

배수시설 외의 다른 시설물을 옹벽 보강 영역 내에 설치해야 하는 경우 — 즉 보강재를 손상하지 않고는 시설물에 접근할 수 없고, 시설물의 손상이 구조물의 안정성을 위협하는 경우

범람으로 인한 침식이나 세굴에 의해 보강토체, 전면벽체, 지지 기초의 하부층이 손상 받을 수 있는 경우

보강재가 산성 광산수로 오염된 지표수·지하수, 산업 오염물질 등 해로운 환경조건에 노출되는데 그에 대한 연구가 수행되지 않은 경우

첫 번째가 실무에서 가장 자주 걸린다. 보강 영역은 벽체 뒤로 0.7H 이상 뻗어 있는 넓은 땅이고, 그 안에 상수관·전력관·맨홀을 넣으면 나중에 유지보수를 할 때마다 보강재를 잘라야 한다. 그래서 관로 계획을 보강 영역 밖으로 빼거나, 애초에 다른 형식의 옹벽을 선택하라는 것이다.

사용성 한계도 숫자로 있다 — 보강토옹벽 길이에 대한 부등침하량의 비율이 패널식 전면벽체는 1% 이내, 블록식은 0.5% 이내여야 하며, 초과가 우려되면 지반개량을 한다(4.5 (2)). 블록식이 더 엄격한 이유는 작은 블록들이 서로 맞물려 있어 부등침하를 흡수할 여지가 적기 때문이다.

지반조사 빈도도 조문에 있다 — 기초지반에 최소 1회 이상 시추 및 표준관입시험을 실시하고, 길이 방향으로 100 m 이상이면 100 m마다, 급격한 지형 변화가 있으면 50 m마다 실시한다(2.1 (2)).

6. 정리

검토는 외적안정 5항목과 내적안정 4항목으로 나뉜다. 외적안정은 보강토체를 중력식 옹벽으로 간주해 푼다.

보강재 파단의 안전율만 1.0이다 — 장기설계인장강도에 이미 감소가 반영되었기 때문이다. 인발은 1.5.

보강재 길이는 0.7H 이상이면서 최소 2.5 m, 수직간격은 0.8 m 이하, 최상단은 벽체 상부에서 0.5 m 이내, 저항영역 내 길이는 1.0 m 이상.

전면벽체 근입은 최소 0.6 m이며 지반 경사에 따라 H/20에서 H/5까지 커진다. 교대는 옹벽의 두 배다.

높이 10 m 이상은 다단식, 경사지반에는 폭 1.2 m 이상의 소단, 교차각 70° 이하 우각부는 피하고 불가피하면 정지토압계수로 검토한다.

금속보강재는 아연도금 86 μm 이상이고 부식속도는 최초 2년 15, 이후 4, 아연 손실 후 12 μm/year다. 안전율은 1.82, 강재 그리드는 2.08.

토목섬유는 MARV(평균 − 2σ)에서 출발해 크리프·내구성·시공손상 감소계수를 나눈다. 크리프 감소계수는 PET 2.5~1.6, PP 5.0~4.0, PE 5.0~2.6.

부등침하 비율은 패널식 1%, 블록식 0.5% 이내이며, 보강 영역 안에 배수시설 외의 시설물을 넣어야 하면 이 형식을 쓰지 않는다.

보강토옹벽 기준을 관통하는 것은 흙과 보강재의 역할을 끝까지 분리해 다룬다는 점이다. 흙 쪽의 불확실성은 안전율로, 보강재 쪽의 불확실성은 강도값 자체를 깎아서 처리한다. 그래서 보강재 파단의 안전율이 1.0이 되고, 대신 부식속도와 크리프 감소계수가 조문에 숫자로 들어온다. 설계에서 바꿀 수 있는 것은 결국 보강재의 길이·간격·재질이고, 세 값 모두 조문이 하한을 걸어 두었다.