옹벽 배수공 수압 토압 종류 및 산정법

옹벽 배수공 수압 토압 구하는 방법을 정리했습니다. 배수공 종류(4가지), 역할(5가지), 수압 구하는 방법(3가지)까지 정리했습니다. 배수공 종류는 옹벽 배수공, 연직 배수로, 경사 배수로 및 이중 배수로를 정리했습니다. 역할은 수압, 결빙, 팽창 등 5가지를 정리했습니다. 마지막으로 공식과 함 배수공이 있는 경우와 없는 경우의 토압 구하는 방법과, 배수로 종류에 따라 전체 토압을 구하는 방법까지 정리했습니다. 도움이 되시기를 바랍니다.

옹벽 배수공 종류(수압 토압)

배수공 배수로

배수공이 옹벽 벽체를 (수평으로) 관통하여 배면의 물을 옹벽 외부로 배출하는 형태입니다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 형식이고, 높이별로 배수공을 설치할 수 있어서 중소형 옹벽에 많이 사용됩니다. 아파트, 학교 옹벽에 설치된 모습을 쉽게 볼 수 있죠. 쓰레기를 배수공에 넣어 버리는 사람도 있긴 하죠. 하면 안됩니다.

연직 배수로

옹벽 배면에 설치되는데, 옹벽 높이 방향으로(수직으로) 설치된 배수로입니다. 물이 아래로 빠르게 떨어지도록 배출을 돕는 방식입니다. 역T형의 경우, 옹벽 매트 상부에 유공관을 심어서 설치합니다. 중력식 옹벽의 경우, 지반 내로 바로 스며들도록 할 수도 있습니다.

연직 배수로인 토사는 물이 잘 빠져야겠죠? 그래서 공극이 있는 재료인 조립토를 사용하는게 효과적입니다. 필요 시, 토목섬유로 지오텍스타일과 같은 재료를 사용하기도 합니다. 역할은 연직배수로 공극을 잘 유지하기 위한 것이고, 필터 역할을 수행하는 것입니다.

경사 배수로

경사 배수로는 배수로가 수평과 수직의 중간인 대각선 방향으로 설치된 형태입니다. 이는 우기 시, 배면토사 상부에 떨어진 우수가 전반적으로 경사면을 따라 배출하도록 한 형식입니다.

특징은 연직 배수로보다 물 배출 흐름이 좋다는 것입니다. 즉, 배면토사의 침투수를 효율적으로 배출하는 형태입니다. 옹벽 매트 상부에는 연직 배수로와 마찬가지로 유공관을 심어서 배수하거나, 지반 내로 스며들게 하는 방식을 사용합니다.

이중 배수로

이중 배수로는 연직 배수로와 수평 배수로를 함께 사용한 형태입니다. 연직/경사 배수로보다 배수가 더욱 좋은 배수로 형태가 필요했겠죠? 연직 + 수평 배수로를 함께 써보니 배수가 더 잘되었던 겁니다.

특징은 당연히 다량의 물을 빠르게 배출할 수 있다는 것이죠. 이는 홍수 위험 지역이나 대규모 옹벽에 사용되는 것을 알 수 있습니다.

옹벽 배수공 수압 토압 역할

토압(수압) 감소

옹벽 배면에 물이 고이면(수위 상승), 수압이 추가되겠죠? 그럼 전체적으로 발생하는 토압이 증가하게 됩니다. 이렇게 옹벽 뒤에 수위 상승을 방지하고(특히, 우천 시) 침투수(우수)를 외부로 배출하게 돕는 것이 배수공의 역할입니다.

배면 지하수위 저감

비가 오지 않을 때도 마찬가지입니다. 지반 내에는 자연적으로 흐르는 물이 있죠? 지하수입니다. 주변 환경 변화로 인해서 지하수 높이가 달라집니다. 지하수위가 높아지면, 옹벽 수압은 증가합니다. 배수공은 지하수 높이를 떨어뜨리는데도 역할을 합니다.

토사 결빙 방지

옹벽 배면토사가 포화상태일때 겨울이 되면 어떻게 될까요? 얼어버리죠. 얼면 부피가 팽창합니다. 이에 따른 팽창압이 생기고 이는 토압으로 작용하게 되겠죠. 배수공은 배면토사 포화상태를 방지하도록 배수를 돕는 것이죠.

옹벽 안정성 확보

위에 말한 세 가지로 결국 옹벽 안정성을 확보하는 최종적인 목적을 갖는 겁니다. 즉, 옹벽에 작용하는 횡방향 하중인 토압의 증가를 막는 것이죠. 이는 옹벽 안정성, 내구성을 유지하기 위한 역할입니다.

옹벽 수압, 토압 구하는 방법

배수로 미설치한 경우

배수로가 없는 경우, 옹벽에 작용하는 전체 토압은 토압과 수압을 모두 고려해주면 됩니다. 일반 옹벽의 경우, 주동토압을 고려하죠. 그리고 수압은 건기/우기를 모두 고려해봅니다. 실무에서는 영구 옹벽이라면, 우기를 기준으로 잡는게 일반적입니다. 아무래도 지하수위가 아래에 있는 건기시 보다 우천으로 인해 지하수위가 상승한 우기시가 전체 토압은 더 크게 작용하기 때문이죠.

우기시 수압과 배면토의 단위중량을 고려하여 토압을 산정합니다. 일반적인 공식은 아래와 같습니다.

$P_a=\frac{1}{2} \cdot \gamma_{\text{sub}} \cdot H^2 \cdot k_a+ \frac{1}{2} \cdot \gamma_{\text{w}} \cdot H^2$

연직배수로 설치한 경우

간극수압분포도를 이용하는 방법입니다. 옹벽 배면의 간극수압 분포를 옹벽 배면토사의 주동파괴면과 등수두선의 관계를 이용한 방법이죠. 구체적인 순서와 방법을 설명드립니다.

1) 옹벽 배면토사의 주동파괴면 선정

토사의 내부마찰각에 따라 결정되는 값으로 주동파괴면의 각도는 아래와 같습니다.

$\theta = 45^{\circ} + \frac{\phi}{2}$

(여기서, θ는 주동파괴면의 각도, δ는 배면토사의 내부마찰각)

2) 유선, 등수두선 그리기

옹벽 배면토사 내 물의 흐름을 분석하여 유선망(Flow Net)을 작성합니다. 유선과 등수두선은 직각을 이루게 그리며, 유선과 등수두선 교차점 사이의 도형을 사각형을 유지하도록 합니다.

3) 간극수압 산정

유선망과 등수두선을 그린 다음, 주동파괴면과 등수두선이 만나는 점을 찾고 이 점의 수평선¹을 긋습니다. 그리고 연직 배수로의 등수두선의 수평선²을 긋죠. 그 두개의 수평선 사이의 길이를 산정하면, 간극수압을 구할 수 있습니다. 그 수평선 사이의 거리를 h 라고 하면, 간극수압은 아래와 공식과 같습니다.

$u = \gamma_{\text{sub}} \cdot h$

여기서 말하는 수평선 ^1,2 가 조금 헤깔립니다. 상세히 적어보면, 수평선¹은 주동파괴면과 특정 등수두선에서의 수두를 기준으로 합니다. 이는 옹벽 파괴 시의 간극 수압을 계산하기 위함입니다. 수평선²는 옹벽 배수로로 유입되는 물의 수두를 기준합니다. 즉, 옹벽 배수로 주변의 간극수압을 산정하는 기준입니다.

그래서 이 수평선 높이 차이는 주동 파괴 시의 수두와 연직 배수로 흘렀을 때의 수두 차이를 뜻하는 것입니다. 이로 수두 감소가 발생하므로, 간극수압을 계산할 수 있는 것이죠.

4) 옹벽에 작용하는 토압

간극수압을 고려해서 전체 작용하는 토압은 아래와 같습니다.

$P_a = \frac{1}{2} \cdot \gamma_{\text{sat}} \cdot H^2 \cdot K_a - \gamma_w \cdot \Delta h$

경사배수로 설치한 경우

경사 배수로는 연직 배수로보다 배수 효율이 높습니다. 배수 효율이 좋기 때문에, 간극수압의 영향이 거의 없다고 할 수 있죠. 그래서 경사 배수로가 있는 옹벽의 경우, 토압에 잔류 간극수압을 고려해주지 않는 것이 일반적입니다.

즉, 경사 배수로는 간극수압을 고려하지 않고 주동토압만으로 전체 토압을 산정합니다.

결과적으로 연직 배수로는 옹벽 배면에 남이 있는 잔류 간극수압을 고려해주기 때문에 먼저 구한 토압에서 간극수압을 빼주는 방식으로 계산하고, 경사 배수로는 물 배수 효율이 좋기 때문에 토사의 주동토압만 고려해주는 것입니다.

이상으로 옹벽에 작용하는 토압, 수압(간극수압)을 정리해봤습니다. 도움이 되시기를 바랍니다. 감사합니다.