토목/건축 구조물 옹벽 종류, 작용토압 및 설계방침

옹벽이란 자연 지반 경사면의 급격한 변화나 토압에 저항하여 흙이 붕괴하는 것을 막기 위해 축조되는 구조물입니다. 그 종류로는 벽의 자중으로 토압에 저항하는 중력식과 벽과 기초 상부에 채워지는 흙의 중량으로 토압에 저항하는 캔틸레버 식과 부벽식 옹벽이 있습니다. 일반적으로 중력식 옹벽은 대규모 토목 구조물에서 많이 사용되고, 건축에 있어서는 캔틸레버 형식의 옹벽이 많이 활용됩니다. 그럼 옹벽의 종류에 대해 더 자세히 알아보고, 옹벽에 작용하는 토압과 이를 반영해 어떻게 설계해야 하는지 옹벽의 설계방침에 대해 설명드리겠습니다.

 

 

종류

옹벽의 종류에는 크게 3가지가 있는데, 첫 번째로는 중력식 옹벽입니다. 중력식 옹벽은 자중으로 토압에 저항하는 옹벽으로서 옹벽 높이가 3m 이하인 것이 일반적이며 석축이나 무근콘크트조에 적합합니다.

두 번째로는 캔틸레버 식 옹벽입니다. 캔틸레버 식 옹벽은 가장 일반적인 옹벽 형태로, 경제성이 우수하고 시공이 단순하여 건축에서 가장 많이 사용됩니다. 보통 높이가 3~8m일 때 많이 사용되는데, 캔틸레버 옹벽의 치수는 대략적으로 모두 비슷한 범위에 있습니다. 기초 저판의 폭은 옹벽 높이의 1/2~1/3 범위이며, 기초 저판의 두께는 옹벽 높이의 7~10% 범위입니다. 벽체 하부의 두께는 옹벽 높이의 10~12% 혹은 저판 폭의 12~16% 범위입니다. 벽체 하부의 두께는 250~300mm 이상이어야 하며 앞판의 폭은 저판 폭의 1/4~1/3입니다. 따라서 캔틸레버 식 옹벽을 설계할 때 위의 사항을 참고하면 편리합니다. 

마지막으로는 부벽식 옹벽입니다. 부벽식 옹벽은 캔틸레버 식 옹벽의 길이 방향에 일정한 간격으로 부벽을 추가해 벽체를 잡아주는 형식으로, 보통 옹벽 높이가 8m 이상일 때 사용됩니다. 부벽이 어디에 위치하였는지에 따라 앞 부벽식 옹벽과 뒷 부벽식 옹벽으로 구분할 수 있습니다. 앞 부벽식 옹벽은 뒷 부벽식과 형상이 비슷하지만 횡벽의 위치가 다릅니다. 부벽이 눈에 보이는 앞면에 위치해 압축재로서 역할을 하며, 8m 이상의 높은 옹벽에 경제적인 구조물입니다. 하지만 부벽이 앞에 있기 때문에 외관상 좋지 않아 많이 사용되지는 않습니다. 한편 뒷 부벽식 옹벽은 높이 8m 이상의 캔틸레버 식 옹벽은 벽체 밑면에 매우 큰 모멘트 힘을 발생시키게 되기 때문에 옹벽을 설계할 때 매우 비경제적인 요인이 된다는 것을 해결하기 위해 설계되었습니다. 따라서 이런 경우 저판과 벽체를 연결하는 뒷 부벽을 설치해 뒷 부벽이 수직 벽을 지지하는 인장 띠의 역할을 할 수 있게 설계합니다. 즉, 옹벽 설계는 뒷 부벽 사이를 경간으로 하는 연속 슬래브로 설계가 되며, 뒤판은 3개의 측면에서 지지가 되는 슬라브로 설계되기 때문에 경제적인 구조물을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

 

옹벽에 작용하는 토압

옹벽에는 일반적으로 재료의 자중과 토압, 수압이 작용합니다. 지지가 된 재료의 자중은 비교적 쉽게 산정할 수 있지만, 옹벽에 작용하는 토압은 여러 요인에 의해 바뀌기 때문에 자중을 구하는 것처럼 쉽게 산정하기 어렵습니다. 또한 옹벽 배면 흙의 배수는 충분히 배수하는 것으로 간주하여 설계하기 때문에 수압에 의한 횡력 발생은 고려하지 않습니다.

옹벽에 작용하는 토압은 크게 수동 토압과 주동 토압, 그리고 정지 토압의 세 가지로 구분할 수 있습니다. 모든 경우가 흙으로부터 가해지는 토압이긴 하지만, 옹벽(구조체)이 흙으로부터 떨어지는 쪽으로 이동할 때의 토압을 주동 토압, 반대로 옹벽이 흙을 향해 이동하는 경우의 토압을 수동 토압, 마지막으로 옹벽과 이에 접하는 흙이 정지된 상태일 경우의 토압을 정지 토압이라고 합니다. 하지만 옹벽의 상단은 자유단이기 때문에 배면의 토압이 약간의 변위를 수반하기 때문에 정지상태로 되는 경우는 거의 없으므로 토압을 산정할 때는 주동 토압을 적용해야 합니다.

 

설계방침

옹벽을 설계할 때는 옹벽이 안정한 상태를 유지할 수 있도록 크기를 정하고 토압과 수압 등을 산정하며, 지내력을 판정하여 외력에 대해 안전하게 저항할 수 있도록 다음의 조치를 해야 합니다. 우선 토압 등 수평력에 대해서는 옹벽에 대한 전도 모멘트가 안정 모멘트를 초과하지 않아야 합니다. 또한 옹벽에 작용하는 토압의 수평 성분에 의한 수평 방향 움직임에 대해 기초 저면의 마찰이나 특별한 조치 등으로 안전하게 설계해야 합니다. 또한 유해한 침하와 지반 파괴에 대해 안전해야 합니다. 그다음으로는 부벽이나 기둥, 보와 같이 보강재가 없는 옹벽이나 기초 슬래브는 모두 캔틸레버로 가정하여 계산해야 합니다. 또한 이와는 반대로 보강재가 있는 옹벽에서는 쌓인 세로 벽과 기초 슬래브 부분을 각각 적합한 지지 상태의 슬래브로 보고 계산합니다. 다만, 캔틸레버로 계산할 경우에는 수평 방향에 대한 적절한 보강이 필요합니다. 옹벽의 길이가 길 경우에는 상황에 따라 적절한 신축 이음을 만들어야 하며, 옹벽 배면 상 배수에 대해 충분한 고려가 이루어져야 합니다. 만약 배수에 대해 고려를 할 수 없다면 수압을 고려하여 설계합니다. 마지막으로는 옹벽을 포함한 굴착 면 전체의 활동에 대해 안전하게 계획하여 설계해야 합니다. 

옹벽 상부 부근에 건물이 있거나 차량의 교통이 있을 경우 이들의 하중이 옹벽에 횡 방향 압력을 증가시킵니다. 따라서 건물과 같은 고정하중의 경우, 건물의 중량을 옹벽의 뒤채움 흙의 중량으로 환산해 그만큼 흙이 더 있는 것으로 가정하여 토압을 계산해야 합니다.