모형시험과 수치해석을 이용한 선반식 옹벽의 토압 특성 분석 :Earth Pressure Characteristics of Retaining Wall with Relieving Platform Using Model Test and Numerical Analysis

문인종

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자료유형: 학위논문

저자정보: 문인종 (명지대학교, 명지대학교 일반대학원)

지도교수: 김병일

발행연도: 2016

저작권: 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2016

모형시험과 수치해석을 이용한 선반식 옹벽의 토압 특성 분석

문인종 일반 2016.01 학위논문

2014

주문진 모래로 뒤채움한 선반식 옹벽의 수평토압에 관한 수치해석

문인종 , 김병일 , 유완규 한국산학기술학회 논문지 2014.06 학술저널

2013

주문진 모래를 이용한 선반식 옹벽의 수평토압 측정 모형시험

문인종 , 김병일 , 유완규 외 1명 한국산학기술학회 논문지 2013.11 학술저널

굵은 모래를 이용한 선반식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽의 수평토압 측정 모형시험

문인종 , 허준 , 김병일 외 2명 대한토목학회 학술대회 2013.10 학술대회자료

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옹벽은 성토와 절토로 인해 자연 사면을 유지할 수 없는 경우 흙 또는 기타 재료의 안정성을 확보하기 위해서 사용하는 구조물이다. 산지가 전 국토의 70%에 달하는 우리나라의 지형 특성상 산지를 이용하지 않을 수 없고, 도로건설, 택지 조성 등의 경우 절토나 성토가 수반되며, 도심지의 주거지 개발로 인한 토지의 이용이 극대화되고 있는 등의 이유로 옹벽은 우리나라에서 가장 흔하게 볼 수 있는 일반화된 지반구조물이다. 현재 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 옹벽 종류는 콘크리트로 시공되는 캔틸레버식 옹벽이다. 캔틸레버식 옹벽은 검증된 옹벽 구조물이라는 장점으로 인해 현장에서 많이 시공되고 있지만 높이가 높아질수록 안정성 및 경제성에 불리하며, 옹벽 저판 시공을 위한 공간 확보가 필수적이기 때문에 굴착 사면 또는 기존 도로 확장에서는 적용하기 어려운 문제가 있다.
이를 보완하기 위해 옹벽 상단 부근에 하나 이상의 선반을 설치한 선반식 옹벽이 개발되었다. 선반식 옹벽은 선반이 설치됨에 따라 옹벽에 작용하는 수평토압의 감소효과가 뚜렷하기 때문에 캔틸레버식 옹벽과 비교할 경우 상대적으로 높은 옹벽의 시공이 가능하고, 옹벽의 높이가 일정할 경우 옹벽 단면의 크기를 감소시킬 수 있어서 안정성 및 경제성에서 유리하다. 또한 옹벽 저판의 길이를 현장 조건에 따라서 조절할 수 있기 때문에 시공에 필요한 공간을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 선반식 옹벽에 발생하는 수평토압의 감소효과에 대한 연구가 진행된 사례는 있지만, 기존 연구 결과를 통해 현장 적용을 위한 선반식 옹벽의 최적 설계 조건을 제시하기에는 다소 어려운 문제가 있다. 이에 이 연구에서는 되메움 조건, 선반 위치, 선반 길이 등을 변화시켜 실내모형시험과 실내모형시험에 대한 수치해석을 각각 15회 수행하여 선반식 옹벽의 수평토압 분포를 파악한 뒤 수평토압 감소효과를 캔틸레버식 옹벽과 비교하여 분석하였다. 또한 이 연구에서는 연구 결과의 현장 적용성을 위해 선반식 옹벽의 최적 설계 조건을 제시하고자 하였다. 이에 따라 옹벽고, 선반 위치, 선반 길이 등을 변화시켜 총 40개 단면에 대한 실규모 수치해석을 수행하였고, 연구 결과를 이용하여 수평토압 감소효과, 활동 및 전도 안정성 검토를 실시하였다.
실내모형시험과 실내모형시험에 대한 수치해석을 통해 선반식 옹벽은 되메움 조건이 좁을수록, 긴 선반(선반 길이)일수록 수평토압 감소효과가 가장 큰 것으로 나타났으며, 캔틸레버식 옹벽과 비교하였을 때 선반식 옹벽은 최대 평균 36.11%의 수평토압 감소효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 선반 위치에 대한 결과는 서로 다르게 나왔지만 선반이 옹벽 중심부에 가까울수록 수평토압 감소효과가 가장 큰 경향은 유사하였다. 또한 실단면 수치해석을 통해 모든 조건에서 선반식 옹벽의 수평토압 감소효과를 확인하였으며, 선반의 최적 위치는 옹벽의 중심부()가 가장 적절하고, 선반의 최적 길이는 안정성 및 경제성을 고려하여 최소 이상을 만족하도록 설계하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

Retaining walls are structures which are used to secure stability of soil or other materials if natural slopes cannot be maintained due to cut and fill. On geographical properties of Korea where mountains take about 70% of the entire country, mountains cannot help being used in architecture. In cases of road construction and residential land development, cut and fill are included. Owing to maximization in land use caused by the development of dwelling sites in downtown areas, retaining walls are ground structures generalized which can be seen the most commonly in Korea.
As one kind of retaining walls which is generally used the most at present, there are cantilever retaining walls. Although the walls are used a lot at fields because of a strong point that the walls are verified structures of retaining walls, as the height goes up, cantilever retaining walls are disadvantageous in stability and economic feasibility. Because space securement to construct a base of a retaining wall is essential, there is a problem that the walls cannot be applied to excavated slopes or expansion of existing roads.
To supplement them, retaining walls with the relieving platform that one and more shelves are installed near the top parts have been developed. About retaining walls with the relieving platform, since reduction effect of lateral earth pressure acting on retaining walls is clear, when compared with cantilever retaining walls, construction of high retaining walls is possible relatively. In case that the height of retaining walls is regular, the size of cross sections of retaining walls can be decreased, retaining walls with the relieving platform are advantageous in stability and economic feasibility.
Also, as the length of the base of a retaining wall can be controlled according to field conditions, there is a strong point that spaces necessary for the construction can be maximized. In Korea, even though there is a case that some studies on the reduction effect of lateral earth pressure were processed, there is somewhat a difficult problem in presenting optimal design conditions of retaining walls with the relieving platform for the application to fields.
Therefore, in this study, by changing backfill conditions, shelf locations, and shelf lengths, after grasping the distribution of lateral earth pressure from implementing model tests and numerical analyses for the model tests 15 times respectively, the reduction effect of lateral earth pressure was analyzed compared with cantilever retaining walls.
Also, in the study, for applicability of the study result to fields, optimal design conditions of retaining walls with the relieving platform were intended to be proposed. Accordingly, by changing the heights of retaining walls, shelf locations, and shelf lengths, full-scale numerical analyses about a total of 40 cross sections were conducted. From using the study result, examination of the reduction effect of lateral earth pressure, activities, and conductivity stability were implemented.
Through the model tests and numerical analyses for the model tests, as the backfill conditions were more confined and shelves became longer, the reduction effect of lateral earth pressure of retaining walls with the relieving platform was the greatest. Compared with cantilever retaining walls, it was represented that there was maximally 36.11% of the reduction effect of lateral earth pressure at retaining walls with the relieving platform. Also, the result of the shelf locations came out differently each other. But, as shelves were nearer to the center part of retaining walls, a tendency that the reduction effect of lateral earth pressure was the greatest was similar.
In addition, through numerical analyses of real cross sections, the reduction effect of lateral earth pressure of retaining walls with the relieving platform in all conditions was confirmed. It appeared that the optimal location of a shelf was the most proper at the central part () of a retaining wall and the optimal length of a shelf was desirable to be designed to satisfy at least and more when considering stability and economic feasibility.

#relieving platform with retaining wall #cantilever retaining wall #lateral earth pressure #model test #numerical analysis

목 차
그림 목차 ⅳ
표 목차 ⅷ
국문초록 ⅸ
제 1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 관련 연구 동향 2
1.3 연구 목적 및 내용 4
제 2장 토압의 이론적 배경 6
2.1 토압 이론 6
2.1.1 Rankine 토압 이론 6
2.1.2 Coulomb 토압 이론 11
2.2 토압 산정 도해법 15
2.2.1 Poncelet 도해법 15
2.2.2 Culmann 도해법 16
2.3 아칭효과를 고려한 토압 분포 산정 18
제 3장 선반식 옹벽의 기존 연구 및 시공 19
3.1 선반식 옹벽의 기본 개념 19
3.2 선반식 옹벽에 대한 기존 연구 20
3.2.1 선반 위치 및 길이에 따른 토압 산정 20
3.2.2 실내모형시험과 수치해석을 통한 수평토압 감소효과 24
3.3 선반식 옹벽의 시공 28
3.3.1 선반식 옹벽의 시공 순서 28
3.3.2 선반식 옹벽의 현장 시공 사례 29
3.3.3 옹벽 형식별 적용기준 비교 31
제 4장 토압 분포 파악을 위한 실내모형시험 33
4.1 실내모형시험 개요 33
4.2 실내모형시험에 사용된 흙 및 장비 33
4.2.1 실내모형시험에 사용된 흙 33
4.2.2 실내모형시험에 사용된 장비 34
4.3 실내모형시험 조건 및 시험 방법 36
4.3.1 실내모형시험 조건 36
4.3.2 실내모형시험 방법 37
4.4 실내모형시험 결과 및 분석 42
4.4.1 옹벽 종류에 따른 수평토압 분포 42
4.4.2 선반 길이에 따른 수평토압 분포 47
4.4.3 선반 위치에 따른 수평토압 분포 50
제 5장 실내모형시험에 대한 수치해석 53
5.1 수치해석 개요 53
5.2 수치해석 프로그램 소개 53
5.3 수치해석 방법과 조건 55
5.3.1 수치해석 절차 55
5.3.2 물성값 및 모델링 56
5.3.3 수치해석 조건 58
5.3.4 수치해석 순서 58
5.4 수치해석 결과 및 분석 60
5.4.1 옹벽 종류에 따른 수평토압 분포 60
5.4.2 선반 길이에 따른 수평토압 분포 64
5.4.3 선반 위치에 따른 수평토압 분포 67
5.5 실내모형시험에 대한 수치해석과 실내모형시험 결과 비교 70
5.5.1 옹벽 종류에 따른 수평토압 분포 70
5.5.2 선반 길이에 따른 수평토압 분포 75
5.5.3 선반 위치에 따른 수평토압 분포 77
제 6장 실단면 수치해석 79
6.1 실단면 수치해석 개요 79
6.2 실단면 수치해석 방법과 조건 79
6.2.1 수치해석 단면 79
6.2.2 물성값 및 모델링 81
6.2.3 수치해석 조건 83
6.3 실단면 수치해석 결과 및 분석 85
6.3.1 최적 선반 위치 85
6.3.2 최적 선반 길이 95
제 7장 결론 106
7.1 실내모형시험 106
7.2 실내모형시험에 대한 수치해석 107
7.3 실단면 수치해석 108
참고문헌 109
Abstract 112

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