직사각형 벽체의 종횡비에 따른 3차원 주동토압 및 하중전이 연구

Abstract

폭이 한정된 벽체에 주동변위가 발생하면 배면지반에는 3차원 형태의 파괴체가 형성되고 2차원 주동토압보다 작은 3차원 주동토압이 작용하게 된다. 기존 3차원 토압에 관한 연구는 벽체의 안정성에 초점을 맞추었기 때문에 주변지반으로의 하중전이에 대한 연구는 거의 없는 것으로 조사되었다. 3차원 토압을 보다 정확히 예측하기 위해서는 폭과 깊이에 따른 토압분포 고려는 물론, 아칭효과로 인해 주변지반으로 전이되는 하중에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 벽체의 수평이동에 의한 주동벽체와 주변지반의 토압변화를 측정하여 3차원 주동토압의 크기와 분포, 주변지반으로 전이되는 하중의 크기와 영향범위를 실험적으로 규명하고자 하였다. 이때 직사각형 주동벽체의 폭과 높이의 비 즉, 종횡비를 변수로 하였다. 모형실험은 배면에 토압을 측정할 수 있도록 폭과 높이가 다른 42개 토압판을 설치한 모형실험기를 제작하여 진행하였다. 기존 3차원 주동토압 크기(Piaskowski/Kowalewski(1965), Karstedt(1982))에 대한 연구결과를 참조하여 직사각형 벽체의 종횡비 0.1~2.7을 구현하고 벽체의 수평 주동변위에 따른 토압의 변화를 측정하였다. 실험변수는 주동벽체 폭(0.3m, 0.45m)과 높이(0.06m, 0.18m, 0.36m, 0.54m, 0.81m)로 하였으며, 총 10가지 경우의 실험을 수행하였다. 실험결과, 3차원 주동토압이 구현되는 한계상태 벽체변위(s)는 벽체높이(h)의 약 0.13%이고, 합력의 크기는 Walz/Prager (1978)와 Karstedt (1982)의 연구결과와 유사한 것으로 나타났다. 주동벽체 3차원 토압분포 측정결과, 종횡비 1.2이상인 주동벽체에서 높이 0.50~0.55h 지점의 토압이 가장 크고, 상부와 하부에서 상대적으로 작은 형태를 보였다. 모형실험에서 측정한 종횡비에 따른 3차원 주동토압을 2차원 주동토압과 비교하여 3차원 주동토압에 대한 감소계수(α)를 제안하였다. 주변지반으로 전이되는 하중은 종횡비 0.1~2.7 조건에서 61.7~81.9%이며, 하중전이 영역은 수평방향으로 0.75~1.29w, 연직방향으로 0.0~2.0h로 나타났다. 하중전이는 연직방향보다 수평방향이 더 크며, 연직 및 수평방향 모두 주동벽체의 경계지점에서 최대가 되었다. 주동벽체의 수평방향 하중전이 영역은 종횡비가 증가함에 따라 완만하게 증가하는 경향을 보였으며 이를 토대로 종횡비 0.1~1.8에서 주동벽체의 폭에 따른 하중전이 영향범위를 예측할 수 있는 식을 제안하였다. 수평방향으로 전이되는 하중의 분포는 주동벽체의 토압분포 경향과 같으며, 토압이 최대가 되는 지점은 종횡비가 증가함에 따라 주동벽체 높이의 0.75Δh에서 0.33Δh로 벽체 상부측으로 이동하였다. 전이되는 하중의 50%이상이 주동벽체 폭 기준 0.33w와 주동벽체 높이 기준 0.5h 영역에 전이되는 것으로 나타났다. 전이되는 하중의 크기와 영향범위를 분석하고 주동벽체 주변으로 전달되는 3차원 하중전이 분포도를 제시하였다. 평면변형조건의 2차원 주동토압에 3차원 주동토압 감소계수(α)를 적용하여 3차원 주동토압의 크기에 대한 예측이 가능 할 것으로 판단되며, 주변으로 전이되는 하중의 크기와 영향범위를 적용하여 하중전이의 영향을 판단할 수 있을 것으로 기대된다.