유한요소해석 및 시행쐐기법을 이용한 블록식 옹벽의 거동 특성 분석

국문 초록 (Abstract)

블록식 옹벽은 시공성·경제성·경관성 등의 장점으로 널리 활용되고 있으나, 각 블록 간 경계면에서 발생하는 미세 슬립(slip), 회전(rotation) 및 전단저항 감소 등 불연속적 거동이 구조적 안정성에 직접적으로 영향을 미친다. 그럼에도 불구하고 현행 국내외 설계기준(KDS, AASHTO 등)은 여전히 중력식(일체식) 옹벽 이론을 기반으로 합력 중심의 안전율 산정을 요구하고 있어, 실제 블록식 옹벽의 층별 하중전달 및 비선형적 거동을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다.
본 연구는 이러한 문제점을 해결하기 위하여,
1) 블록–블록 경계면 전단강성(k)의 실험적 산정
2) 비선형 인터페이스 스프링 요소를 적용한 유한요소해석(FEM)
3) 시행쐐기법 및 편심(e/B) 기반 안정성 검토
4) 천안 식생블록 옹벽 붕괴 사례의 수치해석적 재현 등 4단계 통합검증 체계를 구축하였다.
블록식 옹벽의 안정성 관련, FEM 분석 결과, 전체 전도 저항의 70% 이상이 하부블록에서 발휘되며, 상부 블록에서는 전단 누적에 따른 변위 증가로 인해 전도 저항기여도가 급격히 저하되는 것이 확인되었다. 또한 허용변위 기준(H/200)을 적용한 결과, H=3∼4m 높이에서는 자립적 안정성이 확보되나, H=5m 이상에서는 상부 블록 변위가 비선형적으로 증가하여 보강재·전단키·앵커 등 추가 안정대책이 필수적인 것으로나타났다.
식생 블록 공사 중 붕괴가 발생한 천안 사고 원인 분석에서는 설계 구배(1:0.3) 자체가 이미 전도 안정 조건을 충족하지 못하며, 옹벽 시공 구배가 1:0.1로 급해지면서 상단 setback이 1,200mm에서 400mm로 감소함에 따라 구조적 파괴가 필연적으로 유도된 것으로 검토되었다.
요약하면, 본 연구는 기존 연구들이 FEM 기법 간의 상호비교에 집중했던 것을 넘어, 실험 기반 경계면 특성 → 수치해석(FEM) → 시행쐐기법 → 실제 붕괴 사례 재현에 이르는 체계적 연계 분석을 수행함으로써 블록식 옹벽의 불연속적인 실제 거동을 정량적으로 규명하였다. 이러한 연구 결과는 현재 블록식 옹벽에 대한 설계안정성 검토 기준인 일체식 가정 중심의 설계 기준을 보완하여, 블록식 옹벽 설계에 필요한 보다 현실적이고 신뢰도 높은 검증 체계가 필요함을 제기하는 역할을 수행할 수 있다..
향후, 블록식 옹벽에 대한, 보다 정교한 3차원 FEM해석과 동적 하중 등을 고려하여 안정성 해석 시, 블록식 옹벽의 안정성은 더욱 확고해질 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Block-type retaining walls are widely adopted due to their constructability, economic efficiency, and landscape adaptability. However, unlike monolithic gravity retaining walls, block-type systems exhibit discontinuous structural behavior arising from inter-block interfaces, where
micro-slip, rotation, and progressive degradation of shear resistance may occur. These interface-driven mechanisms directly influence load
transfer paths and overall stability. Despite such characteristics, current domestic and international design standards(e.g., KDS, AASHTO)
continue to evaluate block retaining walls based on gravity-wall assumptions, relying on resultant-force-based safety factors that
inadequately capture layer-dependent load transfer and nonlinear interface behavior.
To address these limitations, this study establishes a four-stage integrated verification framework consisting of:
1) experimental determination of block–block interface shear stiffness (k),
2) finite element analysis (FEM) incorporating nonlinear interface spring elements,
3) stability evaluation using the trial wedge method combined with eccentricity (e/B) criteria, and
4) numerical reproduction of an actual failure case involving a vegetated block retaining wall in Cheonan.
The FEM results indicate that more than 70% of the total overturning resistance is mobilized by the lower blocks, whereas the contribution of upper blocks rapidly diminishes due to
cumulative shear slip and increasing displacement. When the allowable displacement criterion (H/200) was applied, self-supporting stability was confirmed for wall heights of 3–4 m;
however, for heights of 5 m or greater, upper-block displacements increased nonlinearly,
indicating that additional stabilization measures—such as reinforcement, shear keys, or
anchors—are essential.
The failure analysis of the Cheonan retaining wall revealed that the original design batter slope (1:0.3) itself did not satisfy overturning stability requirements. Furthermore, construction-
stage steepening of the batter to 1:0.1 reduced the top setback distance from 1,200 mm to 400 mm, inevitably leading to structural collapse.
In summary, this study advances beyond previous research that primarily focused on
comparisons among FEM techniques by conducting a systematic, experimentally grounded
linkage from interface characterization to numerical analysis, trial wedge evaluation, and
failure-case reproduction. The proposed methodology quantitatively clarifies the
discontinuous behavior of block-type retaining walls and highlights the limitations of
monolithic design assumptions. The findings underscore the necessity for a more realistic and
reliable verification framework tailored to block-type retaining wall design.
Future studies incorporating three-dimensional FEM and dynamic loading conditions are
expected to further enhance the robustness of stability assessment for block-type retaining
walls.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구 개요 1
• 1.1.1 연구 배경 1
• 1.1.2 연구 방법 및 절차 2
• 1.1.3 논문 구성 방안 4
• 제 2 장 블록식 옹벽의 개요 및 특징
• 2.1 개요 6
• 2.2 블록식 옹벽의 설계 및 시공 기준 7
• 2.2.1 블록식 옹벽의 설계 기준 7
• 2.2.2 블록식 옹벽 안정성 영향 요소 11
• 2.2.3 블록식 옹벽의 안정성 검토 방법 12
• 2.3 블록식 옹벽 요약 및 수치해석과의 연계 23
• 제 3 장 블록식 옹벽의 선행연구 분석
• 3.1 선행연구의 분류와 연구 흐름 25
• 3.2 선행연구 사례 : 이승현·김병일(2008), 콘크리트 블록 접촉면의 전단특성 시험 26
• 3.2.1 연구 목적 및 개요 26
• 3.2.2 블록과 블록 접촉면에 대한 직접전단시험 결과 27
• 3.2.3 블록과 블록 접촉면 사이에 고무패드와 키를 둔 경우에 대한 시험결과 27
• 3.2.4 시사점 29
• 3.3 선행연구 사례 : 황성필 외(2021), 블록식 보강토 옹벽에서 개별 블록 29
• 3.3.1 시험 개요 29
• 3.3.2 수치모델링·해석 결과 정리 30
• 3.4 선행연구 사례 : 오병환 외(2003), 식생블록 옹벽의 구조적 안전성 해석과
• 보강설계기법 연구 31
• 3.4.1 연구 개요 31
• 3.4.2 연구 목적 31
• 3.4.3 주요 해석 내용 및 결과 요약 31
• 3.5 배우석(2009), 안정해석을 통한 공동 일체식 옹벽의 최적높이 평가 32
• 3.5.1 연구 개요 및 목적 32
• 3.5.2 연구 결과 32
• 3.6 선행연구 : 충남천안 식생블록옹벽 붕괴 사례(2023) 34
• 3.6.1 사고 개요 및 현장 조사 결과 34
• 3.7 콘크리트 조적 블록과 모르타르 접합면의 실험 및 수치적 특성 평가 34
• 3.7.1 연구 목적 및 방법 35
• 3.7.2 주요 결과 35
• 3.8 연속체 요소 방법론을 사용한 흙-표면 경계면 상호 작용 모델링 35
• 3.8.1 연구 목적 35
• 3.8.2 경계면 모델링 해석 개요 36
• 3.8.3 시사점 37
• 3.9 CODE_BRIGHT의 구조적 응용 : 보강토 구조물 수치모델링에 관한 고찰 38
• 3.9.1 연구 개요 및 목적 38
• 3.9.2 해석 개요 및 주요 해석 결과 39
• 3.10 제로두께 및 연속체 요소 기법을 통한 경계면 모델링의 등가 특성 연구 40
• 3.10.1 연구 목적 40
• 3.10.2 수치해석 접근 및 모델링 방법 40
• 3.10.3 요약 41
• 3.10.4 결론 41
• 3.10.5 본 연구와의 연계성 및 시사점 42
• 3.11 지오신세틱 보강토 구조물에서 보강재–흙/블록 상호작용 수치해석 43
• 3.11.1 연구 목적 43
• 3.11.2 해석 기법 구성 비교 43
• 3.11.3 실험 검증 결과 요약 44
• 3.12 선행연구 요약 45
• 3.12.1 국내 선행 연구 45
• 3.12.2 해외 선행 연구 46
• 3.12.3 해외 선행 연구 종합 및 본 연구와의 차별성 47
• 제 4 장 수치해석을 통한 블록식 옹벽 안정성 평가
• 4.1 수치해석 절차 49
• 4.1.1 수치해석 모델 개요 및 기본 입력자료 49
• 4.1.2 수치해석 절차 및 단계별 흐름 51
• 4.1.3 수치해석 모델 구성 및 적용 프로그램 52
• 4.1.4 수치해석 반영을 위한 스프링 강성 산정 54
• 4.2 수치해석을 통한 저항모멘트 평가 57
• 4.2.1 수치해석을 통한 저항모멘트 검토 결과 58
• 4.2.2 H=3m 블록식 옹벽의 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 59
• 4.2.3 H=4m 블록식 옹벽의 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 61
• 4.2.4 H=5m 블록식 옹벽의 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 63
• 4.2.5 옹벽 수치해석 결과 요약(H=3m, 4m, 5m) 65
• 4.2.6 H=6m 블록식 옹벽의 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 67
• 4.2.7 H=7m 블록식 옹벽의 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 69
• 4.2.8 자중·토압에 따른 휨모멘트 거동 분석 결과 정리 및 요약 71
• 4.3 수치해석을 통한 변위 평가 71
• 4.3.1 수치해석을 통한 변위 검토 결과 72
• 4.3.2 H=3m 옹벽 수치해석을 통한 변위 검토 73
• 4.3.3 H=4m 옹벽 수치해석을 통한 변위 검토 74
• 4.3.4 H=5m 옹벽 수치해석을 통한 변위 검토 76
• 4.3.5 H=6m 옹벽 수치해석을 통한 변위 검토 78
• 4.3.6 H=7m 옹벽 수치해석을 통한 변위 검토 79
• 4.3.7 수치해석을 통한 변위 평가 종합 (H=3m∼7m) 81
• 4.4 블록식 옹벽의 설계 최적화 방안 82
• 4.4.1 설계 최적화의 필요성 82
• 4.4.2 블록식 옹벽 안정성 확보를 위한 설계 가이드라인(안) 83
• 제 5 장 시행쐐기법과 시력선을 통한 옹벽의 안정성 검토
• 5.1 시행쐐기법 기반 블록식 옹벽 구조해석 절차 86
• 5.1.1 시행쐐기법 적용 현황 87
• 5.1.2 시행쐐기법에 의한 토압 검토(H=7.25m /기초 0.25m 포함) 87
• 5.1.3 H=7m 블록식 옹벽의 시행쐐기법 기반 구조해석 절차 89
• 5.1.4 활동 검토를 위한 블록 경계면 전단저항력 산정 95
• 5.2 시행쐐기법 기반 요구–저항 비교에 따른 국부 및 전체 안정성 평가 96
• 5.2.1 안정성 검토를 위한 하중·모멘트 집계 및 합력 작용점(d) 산정 98
• 5.2.2 블록식 옹벽의 일체식거동과 개별식거동 개념의 활동안정성 비교 평가 102
• 5.3 시력선을 통한 블록식 옹벽의 전도 안정 조건 검토 113
• 5.3.1 시력선(視力線, line of sight) 개요 및 원리 113
• 5.3.2 시력선을 통한 각 블록옹벽 높이별 전도 안정 검토 114
• 5.3.3 전도 안정 검토결과 요약 120
• 5.3.4 시력선·수치해석 기반 블록식 옹벽의 한계고(Hc, Critical Height) 도출 121
• 제 6 장 수치해석과 시행쐐기법에 의한 검토결과 비교
• 6.1 수치해석과 시행쐐기법에 따른 저항모멘트 산정 결과 비교 124
• 6.1.1 옹벽의 블록 단위 저항모멘트 비교 124
• 6.1.2 수치해석 결과의 변위 특성에 대한 종합 해석 131
• 6.1.3 시행쐐기법과 수치해석(FEM) 결과의 비교 및 적용 한계 132
• 제 7 장 결론
• 7.1 연구 결과 134
• 7.1.1 천안 공사사고 사례 검토 및 해석 검증 135
• 7.2 연구 요약 136
• 7.3 본 연구의 의의 및 향후 연구 방향 138
• 7.3.1 본 연구의 의의 138
• 7.3.2 식생블록 옹벽 설계기준 개선 제안 139
• 7.3.3 향후 연구 방향 141
• 참고문헌 143
• Abstract 149