Evaluation of seismic earth pressure on cantilever retaining structures for dry cohesionless sand

Abstract

옹벽 구조물은 지반공학 분야에서 오래 전부터 중요한 역할을 수행하고 있으며 토압 이론과 같이 가장 기본적인 원리 중 일부는 옹벽 구조물의 합리적인 설계를 위하여 제안되었다. 따라서, 정적 및 동적 토압 평가는 지반공학분야에서 항상 중요한 비중을 차지하고 있다. 역 T형 옹벽과 같은 반중력식 옹벽은 중력식 옹벽과 캔틸레버 옹벽과 비교하면, 벽체 뒤채움 지반의 사하중으로 옹벽을 지지하고 옹벽 구조물의 단면을 감소시켜 경제적이고 안전한 구조 형태이다. 현업에서 옹벽의 내진 설계 시, 동적 토압을 평가하기 위하여 주로 유사정적 해석 방법을 사용하고 있다. 대표적인 방법으로 1920년대에 제안된 Mononobe-Okabe 방법은 Coulomb의 토압 이론으로부터 확장되었으며, 사용의 편의성으로 인하여 옹벽의 내진 설계 시 동적 토압 평가에 널리 사용되고 있다. 하지만 지진 시 지반의 거동을 정적 상태로 고려하기 위하여 뒤채움 지반의 강체 거동 및 파괴면 가정 등의 많은 가정사항을 포함하고 있다. 유사정적 방법은 지진 시 발생하는 최대 토압을 정적 상태로 고려하고 있기에 이는 지진 시 거동을 과다평가 한다는 문제점이 제기되고 있다. 동적 토압의 분포가 명확히 검증되지 않아 정적 토압과 같은 삼각형 분포 또는 역삼각형 분포가 모두 사용되고 있어 현업에서 혼란이 일고 있는 상황이다. 또한, 유사정적 방법에서는 중력식 옹벽에 대하여 뒤채움 지반의 관성력을 동적 토압으로 간주하고 있어 벽체와 지반의 지진 시 상호작용에 대하여 전혀 고려하지 못하고 있다. 따라서, 중력식 옹벽이 아닌 캔틸레버 형식의 옹벽에 대하여 동적 토압에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 원심모형실험을 활용하여 캔틸레버 옹벽의 지진 시 거동 및 동적 토압을 실험적으로 평가하였으며, 실험 결과를 바탕으로 수치해석 모델을 검증하고 이를 활용하여 변수 연구를 수행하였다. 본 학위 논문은 다음과 같은 구성으로 이루어져 있다. 1) 변위가 고정된 옹벽에 대하여 벽체 강성이 동적 토압에 미치는 영향 평가, 2) 기초지반 위에 위치한 역 T 형 옹벽의 지진 시 거동 및 동적 토압 평가, 3) 수치해석 모델 검증 및 이를 활용한 변수 연구. 동적 토압의 분포 및 크기 평가를 위하여, 실험적으로 계측된 동적 토압과 유사정적 이론식을 비교하였다. 벽체 강성 및 높이에 대한 동적토압 영향 평가를 위하여, 수치해석을 활용하였으며 실험적으로 확인이 어려운 지반-구조물 상호작용에 대하여 정성적 평가가 가능함을 확인하였다. 실험 및 수치해석 결과를 바탕으로 국내 내진 설계 기준의 문제점을 제시하고, 현행 동적 토압 평가를 위한 내진설계 기준의 개선점을 제언하였다.