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암거에 작용하는 토압

아파트의 옹벽 붕괴 뉴스를 들어본 적 있으신가요? 갑작스러운 폭우 시 배수 시설이 적절하지 않거나, 옹벽의 지반 지지력의 부족, 뒤채움 흙의 상태 불량 등 다양한 원인으로 옹벽 붕괴가 발생할 수 있습니다. 이러한 옹벽의 뒤에서 작용하는 흙의 압력을 토압이라고 합니다. 땅속에 묻혀 물이 지나다니는 수로의 역할을 하거나 보행자들의 통로가 되는 암거는 설계 시 특히 토압을 중요하게 고려해야 하는데요, 그렇다면 토압은 무엇이고 어떠한 종류가 있는지 아래 글을 통해 살펴봅시다.

1. 주동 토압, 수동 토압 그리고 정지 토압의 정의

토압은 크게 연직 토압과 수평토압으로 구분되며 수평 토압의 종류로는 크게 정지토압, 주동토압, 수동토압으로 3가지가 있습니다. 

주동 토압(Active Earth Pressure)은 구조물을 움직이려는 토압으로 거의 모든 형태의 토압 상황에는 주동토압을 포함합니다. 흙은 옆으로 미끄러지는 경향으로 인해 옹벽에 힘을 가하고 자연스러운 경사나 안식각(angle of repose)을 찾으므로, 벽이 뒤 채움 흙에서 약간 멀어지게 합니다. 이런 압력을 주동토압 이라고 합니다. 쉽게 표현하자면, 작동 요소(actuating element)인 지반이 active인 것입니다.

그림 1. 주동토압 작용 시 흙의 이동

이제 반대인 상황, 즉 옹벽이 흙을 향해 이동하게 되는 상황을 한번 상상해 봅시다. 이러한 경우 옹벽이나 흙막이 구조물이 작동 요소(actuating element)가 되고 지반은 구조물의 움직임에 반응하여 저항력을 제공하는데, 이를 수동 토압(Passive Earth Pressure)이라 합니다.

그림 2. 수동토압 발생시 흙의 이동

주동 토압(Active Earth Pressure) 경우에는:

• 구조물이 흙으로부터 멀어지는 경향이 있는데, 이로 인해 흙에 변형을 일으키고 전단 응력을 동원합니다.

• 이러한 전단 응력은 흙을 지지하는데 도움이 되므로, 흙이 구조물에 가하는 압력을 줄이는 경향이 있습니다.

수동 토압(Passive Earth Pressure) 경우에는:

• 구조물이 흙을 향해 이동하는 경향이 있어, 동일하게 흙에 변형을 일으키고 결과적으로 주동 토압의 반대 방향으로 전단 응력을 동원합니다.

• 이러한 전단 응력은 흙을 지지하는데 도움을 주지 않으므로, 흙이 구조물에 가하는 압력을 높이는 경향이 있습니다.

이론적으로 구조물이 완벽하게 고정되고 어느 방향으로 움직이지 않은 경우가 있어야 합니다. 이 상태에서 발생하는 압력을 정지토압(Earth Pressure at Rest)이라고 합니다.

그림 3. 정지토압

아래 그래프를 살펴보면 정지 토압 압력 P0 는 주동 토압 압력 P_a 값보다 약간 크지만, 수동 토압 압력 P_{p ­}보다는 상당히 작습니다. 쉽게 말해 그림 1과 2에서 볼 수 있듯 흙 쐐기가 파괴면을 따라 내려갈 때(주동 토압)보다 파괴면을 따라 올라갈 때(수동 토압)가 더 큰 힘을 필요로 합니다. 즉 수동토압이 주동토압보다 더 큰 것을 알 수 있습니다.

그림 4. 수평변위에 따른 토압의 변화

아래 그림에 보이는 것처럼, 벽이 흙 뒤채우기에서 멀어짐에 따라(굴착측으로 이동) 주동 토압이 발생하고 벽에 대한 횡방향 토압은 주동 토압 압력 P_a 에 도달할 때까지 이동합니다. 벽이 흙 뒤채우기를 향해 이동함에 따라 (배면측으로 이동) 수동 토압이 발생하고 수동 토압 압력 P_p 에 도달할 때까지 벽의 움직임과 함께 벽에 대한 횡방향 토압이 증가합니다. 따라서 적용 가능한 토압 계수의 함수인 주동 토압/수동 토압 압력의 강도는 벽의 이동 정도에 따라 달라집니다.

그림 5. 수평토압 작용 시 벽체 이동

2. 암거에 작용하는 토압

그렇다면 암거는 어떠한 수평 토압을 고려해야 할까요? 암거와 같이 땅속에 설치되는 구조물의 경우 토피고에 경사가 있어 구조물의 좌우측 연직 토압이 달라지지 않는 경우 등을 제외하고는 구조물의 좌우에 작용하는 토압이 같기 때문에 변위를 고려하지 않은 정지 토압을 사용하여 토압을 산정하는 것이 일반적입니다. 암거 구조물에서 정지토압계수를 사용하는 이유는 구조물의 수평 변위 없이 흙이 파괴 된다고 가정하기 때문입니다.

지금까지, 정지토압(Earth Pressure at rest)과 수동토압(Passive Earth Pressure) 그리고 주동토압(Active Earth Pressure)의 차이에 대해 알아보았습니다. midas Civil의 토압 입력 방법에 대해 더 알고싶다면, 아래의 MIDAS Note를 다운로드 받아보세요.