Geosynthetics 보강 성토사면의 안정해석에 관한 연구 = (A) study on the stabillity analysis of Geosynthetics reinforced soil solpes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Many types of reinforcements has been used in reinforced soil slopes. Reinforced soil slopes in which geosynthetics is used as reinforcement was called geosynthetic reinforced soil slope.
Many researchers (e.g. Ingold, 1982 ; Jewell et al., 1984 ; Schmertmann et al., 1987, Leshchinsky et al., 1989 ; Jewell, 1990 ; Leshchinsky, 1997 ; etc.) has been suggested the design method for reinforced soil slopes. Most of these design methods were based on the limit equilibrium analysis and failure surface was assumed to be circular, two-part wedge or log-spiral for internal stability analysis. Tensile force distribution of reinforcements was assumed linearly increased with depth in most methods.
However, according to the instrumented field data and laboratory model tests results, the maximum tensile strain of reinforcements was developed in a certain elevation, not a bottom of the slope and elevation of maximum tensile strain developed increased with decreasing slope angle.
Tensile forces calculated by using practical design method for the reinforced soil slopes was compared with the instrumented field data for geosynthetics reinforced soil slopes and the methods which was used in comparative study overestimated the reinforcement tensile forces.
In this study, a new slope stability analysis method which satisfies all equilibrium equations was suggested. In a newly suggested method, the distribution of normal stress along assumed slip surfaces was assumed quadratic. And based on the normal stress distribution on the assumed slip surface, a method for the evaluation of reinforcement tensile forces was suggested.
It was verified by examining factor of safety for the existing examples of reinforced and unreinforced soil slopes and the results of model tests for reinforced soil wall. And reinforcement tensile force calculated by new method compared with instrumented field data. As a results, newly suggested method was estimated the factor of safety for slope stability with allowable errors and estimated reinforcement tension was more close to the field data than conventional methods.
The traces of failure surfaces of geosynthetics reinforced soil slopes normalized by slope height was independent of slope height and required reinforcement tension normalized by soil unit weight and slope height was also independent of slope height.
As the internal friction angle of soil decrease or slope angle increase, failure surfaces become deeper. Maximum tension force was developed at 0.1~0.3H from bottom and required tension force of reinforcement was increased with decreasing internal friction angle and increasing slope angle.
Compared with conventional design method for reinforced soil slopes, the required tensile force which was calculated by newly suggested method in this study was lower than that by other methods, but closer to the instrumented field data.

국문 초록 (Abstract)

압축에는 강하나 인장에는 약한 흙 속에 인장특성이 우수한 보강재를 삽입하여 새로운 특성의 재료를 형성하는 보강토 공법은 그 구조적 안정성과 시공성, 경제성, 우수한 내진특성 등의 장점으로 인하여 전세계적으로 널리 사용되고 있다.
국내의 경우에도 보강토 옹벽의 형태로 많이 보급되어 왔으나, 최근에는 토목구조물에도 환경적인 측면이 강조되면서 벽면경사를 완만하게 하여 식생을 가능하게 한 보강사면의 적용사례가 늘어나고 있다. 보강사면이란 일반적으로 벽면경사각이 70도 이하인 경우를 말하며, 보강사면은 절토 보강사면과 성토 보강사면으로 분류할 수 있다. 본 연구의 대상이 되는 성토층 내에 geosynthetics 보강재를 포설하여 보강하는 경우는 성토 보강사면으로 분류된다.
이러한 보강토 공법에 대한 연구는 대부분 보강토 옹벽에 집중되었으며, 결과적으로 보강토 옹벽의 설계법은 어느 정도 통일되어 있다. 그러나 보강 성토사면에 대해서는 그렇지 못하며, 다만 여러 학자들이 저마다의 연구결과에 근거하여 가상파괴면을 원호, 2분할쐐기, 대수나선 등의 형태로 가정한 보강 성토사면 안정해석법들이 제안되어 있을 뿐이다. 실용적으로는 Schmertmann 등 (1987), Leshchinksy 등 (1989), Jewell (1990) 등의 설계도표가 예비설계를 위하여 사용되고 있다.
Geosynthetics로 보강된 성토사면에 대한 현장계측결과를 이용하여 실용적인 보강 성토사면 안정해석법의 적용성을 평가해 본 결과, 기존 보강 성토사면 안정해석법은 보강재 인장력을 과대평가 하는 것으로 나타났다. 대부분의 보강 성토사면 설계법에서는 사면경사각과 상관없이 보강재 인장력이 깊이에 따라 증가하는 것으로 가정하고 있으나, 실제 보강 성토사면에서는 사면경사각이 완만해질 때 보강재 최대인장력 발생위치는 점점 높아지는 경향이 있다. Zornberg 등 (1998)은 원심모형실험결과에 대한 분석을 통하여 각 층별 보강재의 인장력은 활동면과 만나는 점에서의 응력상태에 비례하며, 보강 성토사면에서 보강재 최대인장력은 사면의 천단부에서 내린 수직선과 가상활동면이 만나는 점에서 발생한다고 주장하였다.
일반적으로 보강토 공법에서 각 층별 보강재 인장력은 가상활동면과 만나는 점에서 최대가 되며, 사면안정해석법은 가상활동면상의 법선응력의 분포를 구하는 것으로 귀결된다는(Shen, 1999) 것을 상기해 보면, 사면안정해석을 통하여 가상활동면상의 법선응력의 분포를 구한다면 각 층별 보강재 인장력을 구할 수 있을 것으로 생각된다. 사면의 가상활동면 상에 작용하는 법선응력의 분포형태는, Chen 등 (1975), Baker (1981), Leshchinsky 등 (1985a), Yang 등 (2001) 등의 연구결과를 참고하면, 수평방향의 x좌표에 따른 2차함수의 형태로 표현할 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 본 연구에서는 가상활동면상의 법선응력의 분포형태를 x에 대한 2차함수로 가정하여 수직 및 수평방향 힘의 평형방정식과 모멘트 평형방정식을 모두 만족시킬 수 있는 사면안정해석법과, 이 방법으로부터 얻은 가상활동면상의 법선응력 분포를 사용하여 각 층별 보강재의 인장력을 평가할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 사면안정해석법에서는 보강재의 효과를 고려하기 위하여 수직 및 수평방향의 힘의 평형방정식과 모멘트의 평형방정식에 보강재의 저항력을 추가하였다.
본 연구에서 제안한 사면안정해석법의 타당성을 검증하기 위하여 보강 및 무보강사면에 대한 안정성 해석 사례와 보강토 구조물에 대한 모형실험결과에 대한 해석을 수행하였으며, 그 결과 새롭게 제안된 사면안정해석법이 보강 및 무보강사면에 대하여 비교적 정확한 결과를 제공해 주는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구에서 제안한 보강재 인장력 평가방법으로 geosynthetics 보강 성토사면에 대한 보강재 인장력을 평가한 결과 현장계측결과를 잘 예측하는 것으로 나타났다.
매개변수에 의한 분석결과에 의하면 본 연구에서 제시한 방법으로 구한 보강 성토사면의 가상활동면은 사면경사각이 완만해질 때 그 곡률이 커지며, 흙의 내부마찰각이 감소할 때 가상활동면은 더 깊게 위치하는 것으로 나타났다. 사면의 경사가 수직에 가까운 경우에는 보강재 인장력이 깊이에 따라 증가하여 삼각형에 가까운 분포형태를 가지나, 사면경사각이 낮아질 때 0.1 ~ 0.3H 정도에서 최대인장력이 발생하였다.
보강재 인장력 분포형태와 설계안전율에 대한 가정이 다르기 때문에 본 연구에서 제시한 방법과 기존 보강 성토사면 안정해석법에서 계산된 보강재 인장력의 직접적인 비교는 불가능하지만, 안전율이 1인 경우에 대하여 계산된 보강재 인장력의 합 ∑T_(m,i)를 기존 설계도표와 동일한 개념의 소요 보강재 인장력 계수 K_(Req)= ∑T_(m,i)/0.5γH²의 형태로 환산하여 기존 설계도표와 비교하였다. 그 결과 Schmertmann 등 (1987)의 방법에서 예측된 K_(Req)값이 가장 컸으며, Leshchinsky 등 (1989)의 방법과 Jewell (1990)의 방법은 거의 비슷하였고, 본 연구에서 제안한 방법으로 구한 K_(Req)값이 가장 작았다. 그러나 실제 보강 성토사면에 대한 현장계측 데이터와 비교해 볼 때, 기존 보강 성토사면 안정해석법은 보강재 인장력을 과대평가하며, 본 연구에서 제안한 방법이 가장 근접한 결과를 제공해주는 것으로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• 차례
• 국문초록 = ⅰ
• 차례 = ⅳ
• 그림차례 = ⅶ
• 표차례 = ⅹⅰ
• 기호해설 = ⅹⅱ
• 제 1 장 서론 = 1
• 1.1. 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2. 연구연혁 = 3
• 1.3. 연구방법 및 범위 = 6
• 제 2 장 Geosynthetics 보강 성토사면 = 7
• 2.1. 보강 성토사면 개요 = 7
• 2.1.1. 보강 성토사면의 정의 = 7
• 2.1.2. Geosynthetics 보강 성토사면의 적용 = 8
• 2.2. Geosynthetics 개요 = 10
• 2.2.1. Geosynthetics의 정의 = 10
• 2.2.3. Geosynthetics의 종류 = 10
• 2.2.4. Geosynthetics의 장기인장강도의 산출 = 13
• 2.2.5. 흙/Geosynthetics의 마찰특성 = 14
• 2.3. 보강 성토사면 안정해석법 개요 = 17
• 2.3.1. 보강 성토사면의 파괴양상 = 17
• 2.3.2. 보강 성토사면 안정해석법 개요 = 20
• 2.4. 기존의 Geosynthetics 보강 성토사면 설계법 = 24
• 2.4.1. 원호파괴로 가정한 보강 성토사면 설계법 = 24
• 2.4.2. 쐐기파괴로 가정한 보강 성토사면 설계법 = 25
• 2.4.3. 대수나선파괴로 가정한 보강 성토사면 설계법 = 32
• 2.4.4. 보강재 인장력 분포에 대한 가정 = 39
• 2.4.5. 요약 = 39
• 2.5. 설계강도정수의 선택 = 41
• 2.6. Geosynthetics 보강 성토사면에서 보강재 변형률의 분포 = 45
• 2.6.1. Geosynthetics 보강 성토사면에서 보강재 변형률의 분포 = 45
• 2.6.2. 보강재 최대첨두변형률 발생위치 = 47
• 제 3 장 실용 보강 성토사면 안정해석법의 적용성 검토 = 52
• 3.1. 개요 = 52
• 3.2. 검토에 사용된 현장계측 데이터에 대한 개요 = 52
• 3.3. 기존 보강 성토사면 안정해석법의 적용성 검토 = 64
• 제 4 장 새로운 Geosynthetics 보강 성토사면 안정해석법의 제안 = 69
• 4.1. 개요 = 69
• 4.2. 가상파괴면상에 작용하는 법선응력의 분포 = 71
• 4.2.1. Chen 등 (1975)의 연구 = 71
• 4.2.2. Baker (1981)의 연구 = 74
• 4.2.3. Leshchinsky 등 (1985a)의 연구 = 76
• 4.2.4. Yang 등 (2001)의 연구 = 76
• 4.3. 새로운 geosynthetics 보강 성토사면 안정해석법의 제안 = 81
• 4.4. 새로운 보강재 인장력 평가방법의 제안 = 89
• 4.4.1. 보강재 소요 인장력의 계산 = 89
• 4.4.2. 각 층별 보강재 인장력의 계산 = 91
• 4.4.3. 보강재 소요인장력 계산절차 = 93
• 제 5 장 새로운 보강 성토사면 안정해석법의 검증 = 95
• 5.1. 개요 = 95
• 5.2. 무보강사면에 대한 검증 = 96
• 5.2.1. 무보강사면 사례 1 - PC-STABL5M의 예제와의 비교 = 96
• 5.2.2. 무보강사면 사례 2 - Fredlund 등 (1977)의 계산결과와 비교 = 98
• 5.3. 보강 성토사면에 대한 안전율 계산결과 비교 = 100
• 5.3.1. 사례 1 - 보강 성토사면에 대한 안전율 비교 = 100
• 5.3.2. 사례 2 - 보강제방의 안전율 비교 = 102
• 5.3.3. 사례 3 - RMC 재하시험 (Bathurst 등, 1988) 결과와의 비교 = 104
• 5.4. 각 층별 보강재 인장력 평가 결과 비교 = 106
• 5.5. 요약 = 111
• 제 6 장 매개변수에 의한 분석 = 112
• 6.1. 개요 = 112
• 6.1.1. 보강 성토사면의 안정성에 영향을 미치는 요소 = 112
• 6.1.2. 사면높이의 영향 = 114
• 6.2. 매개변수에 의한 분석 = 119
• 6.2.1. 가상파괴면의 위치 = 119
• 6.2.2. 보강재 인장력 분포 = 119
• 6.3. 기존 보강 성토사면 설계도표와의 비교 = 126
• 제 7 장 결론 = 131
• 참고문헌 = 133
• 부록 = 148
• 부록 A. 보강재의 효과를 고려한 사면안정해석법 = 149
• ABSTRACT = 154