구조물 수평하중에 의해 발생되는 수평토압

Abstract

요 약 문 토압은 지반의 자중 외에 외력에 의해서도 발생된다. 자중에 의한 토압은 깊이에 선형비례하여 증가하지만 외력에 의한 토압은 하중의 형태와 지반상태 및 경계조건에 따라 발생되는 깊이에 국한되며 분포양상이 매우 복잡하다. 특히 수평하중에 의한 수평토압은 연직하중에 의한 수평토압의 분포 양상과는 심한 차이를 보이며 이에 대한 연구가 거의 전무한 실정이어서 아직까지 그 분포형태 및 범위가 잘 알려져 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 수평하중에 의해 발생되는 수평토압의 형태와 분포 및 범위를 규명하기 위하여 대형모형실험과 수치해석 및 실내모형실험을 수행하였다. 대형모형실험은 대형모형토조(4.0m(길이)×4.0m(높이)×2.4m(폭))에 습윤 사질토를 진동다짐기로 30cm씩 층다짐해서 균질한 지반을 조성하여 수행하였다. 수평하중은 이격거리를 1D(0.25B)～6D(1.5B)까지 변화시키면서 연직하중(3.5ton, 6.5ton, 9.5ton)의 10%∼50%까지 10%씩 5단계를 가하였다. 실험결과, 자중에 의한 토압은 토피고에 선형비례하는 분포를 보였으나 Jaky의 정지토압보다 약간 크게 측정되었다. 하중이 벽체에 가장 근접한(1D:0.25B)위치에서 작용할 때에 가장 큰 수평토압이 발생하였고, 이격거리가 멀어지면서 점차 감소하였으며, 수평하중에 의한 영향은 더 깊어졌다. 지표에 작용하는 수평하중에 의해 유발된 최대수평토압은 이격거리, 하중의 크기에 무관하게 0.0625H～0.13H 범위에 있으며 하중증가와 이격거리의 증가에 따라 0.13H에 수렴하였다. 지표에 작용하는 하중의 영향권 즉, 한계깊이는 하중의 크기와 이격거리에 따라서 다르게 나타났다. 특히 이격거리에 매우 민감한 것으로 나타났다. 수평하중이 벽체에 미치는 영향은 이격거리 1D(0.25B)에서는 약 28%, 이격거리 3D(0.75B)에서는 약 20%, 이격거리 6D(1.5B)에서는 약 12% 정도가 벽체에 작용하는 것으로 나타났다. 수평하중에 의해 발생되는 수평토압은 이격거리가 멀어지면서 감소하며 이격거리 1D(0.25B)를 기준으로 이격거리 2D(0.5B)에서 약 20%, 이격거리 3D(0.75B)에서 약 50%, 이격거리 6D(1.5B)에서는 약 70～80%가 감소하였다. 또한 수평하중이 연직하중의 20%를 초과하는 경우에는 벽체에 발생되는 수평토압이 상대적으로 급격히 증가하였다. 수평하중의 크기가 증가하면서 증가되는 범위가 깊어졌고, 영향범위가 37°～63°인 것이 확인되었으며, 기존의 이론(Jenne, 1973)에서 제시한 45°보다 폭 넓게 분포하는 것으로 나타났다. 수평하중에 의해 발생된 수평토압은 이격거리에 따라 0.0625H～0.13H 깊이에서 최대가 되었고, 지표면과 벽체가 만나는 점과 삼각형 분포를 보였다. 수평하중에 의해 발생되는 수평토압은 수평하중의 크기와 이격거리에 상관이 있으며, 이로부터 관계식을 도출하면, 수평토압 증가율로부터 (수평토압 증가계수)값을 이용하여 수평하중에 의한 수평토압의 크기를 정량적으로 구할 수 있다. 본 논문에서 제시한 관계식은 연직하중의 크기, 수평하중의 크기. 지반조건, 정지토압조건 등 모형실험 조건에 한정되나, 수평하중에 의한 수평토압 분포의 경향은 매우 유사할 것으로 판단된다.

주요어 : 수평토압, 정지토압, 한계깊이