2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

566

8-12

확장공사 종단선형개량 구간

이동식 PRECAST 방호벽 설치방안

설 계 처-3707

(2013. 12. 12)

I 추진배경

□ 고속도로 종단상향 확장공사시 이동식 PC 방호벽 및 가시설을

이용하여 확장 범위안에서 성토하여 교통처리

□ PC 방호벽은 중력식 옹벽의 거동형태를 보이나, 별도의 안정성

검토 절차없이 설계 및 시공 되고 있어 안정성을 감안한 설계기준

마련 필요

Ⅱ 설치기준

□ 확장공사구간 교통우회차로 길어깨 폭원 개선방안 (건설기 10105-99, ‘02.7.9)

o 확장공사 구간 2~3m의 낮은 성토작업시 가시설 대신 시공성과 경제성을

고려하여 PC 방호벽 사용

- 비탈면 안정해석 결과

구 분 비탈면 경사

최대 성토고(m) 비 고

상 시 우기시 (안전율)

1단성토시

1:1.0 8.4 8.1

1:1.2 10.7 10.0 F.S=1.3

1:1.5 16.0 15.0

※ 비탈면 안정 해석에 사용된 물성치

구 분

단위체적 중량

(t/㎥)

포화체적 중량

(t/㎥)

내부마찰각(°) 점착력(t/㎡)

기 준 1.9 2.0 25 2.0

안정해석

상 시 1.9 2.0

25 1.5

우기시 2.0 2.1

※ PC 방호벽의 2단 사용에 대한 별도 검토 없음

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

567

□ 건설공사 비탈면 설계기준 (국토해양부, 2011)

구 분 기준안전율 참 조

건기 FS > 1.5 ․지하수가 없는 것으로 해석하는 경우

우기시 FS > 1.3

․일반적인 쌓기 비탈면은 별도의 지하수위 조건 없음. 한

쪽쌓기, 한쪽깎기 비탈면에서는 측정한 지하수위 또는 침

투해석을 통한 지하수위를 해석하여 적용

․쌓기 표면에 강우침투가 발생하는 경우에는 강우침투를

고려한 해석실시

지진시 FS > 1.1

․지진관성력은 파괴토체의 중심에 수평방향으로 작용시킴

․지하수위는 실제측정 또는 침투해석을 수행한 지하수위

단기 FS > 1.0~1.1 ․1년 미만의 단기적인 비탈면의 안정성

* 도로, 단지, 철도 등의 포장체가 형성되는 쌓기비탈면의 경우에는 필요시에 우기시

안전율을 검토하고 건기시의 안전율도 만족하도록 설계함.

Ⅲ 적용실태

□ 성토부 설치형태

구 분 1단 설치 2단 설치

설치 개요도

설치 전경

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

568

※ PC방호벽 형식

구 분 A형 B형

개요도

90

90 90

90

610

205 200 205

250

75 175 1.020

1.270

90

90

250

90

90

610

S = 1:15

정 면 도

R=25

R=260

R=100

340 300

1.270

500 70 100 250 125

300 330

커플러

(D29)

커플러

(D29)

3 D10 125

450 규 격

(폭×높이×길이)

610(상부 150)×1,270×3,000 610(상부 250)×1,270×3,000

중 량 2.7톤 3.1톤

기 타 - 설계처-1624(2012.06.11) 개선

□ 확장공사 구간 설계 적용현황

사업단 개 소 연장(m) 형 식 최대 성토높이(m) 비탈면경사

계 253 55,112

언양영천 91 16,121 A, B형

1단 5.5m 1:1.0

2단 5.5m 1:1.0

담양함양 110 25,387 A형

1단 12.6m 1:1.5~1:1.8

2단 11.54m 1:1.5~1:1.8

함양성산 37 10,444 A, B형

1단 12.0m 1:1.5

2단 7.4m 1:1.5

냉정부산 15 3,160 A형

1단 5.0m 1:1.0~1:1.5

2단 7.0m 1:1.0~1:1.5

※ PC방호벽 단수별 적용현황

구 분 개 소 연장(m) 형 식 성토높이(m) 성토경사

1단 111 27,089 A형 : 108개소, B형 : 3개소 최대 12.60m 1:1.0~1:1.8

2단 42 6,685 A형 : 42개소 최대 11.54m 1:1.0~1:1.8

1, 2단 9 5,217 A형 : 9개소 최대 5.38m 1:1.5

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

569

Ⅳ 문제점

□ PC 방호벽에 대한 구조적 안정성 검토 미흡

o PC 방호벽은 배면 토압에 의한 중력식 옹벽의 거동을 보이나, 전도

및 활동, 지지력 등 안정성 검토 미수행

- 지반에 근입 되어 지지하는 형식이 아니라 얹혀있는 형태로 성토 높이가

높거나, 뒤채움이 불량할 경우 방호벽 전도, 활동파괴 발생

□ 기준안전율 변경 (쌓기비탈면 안정해석시 적용)

구 분 적 용 기 준

도로설계편람

(건설교통부, 2000)

- 노체 비탈면의 안정검토에 대한 안전율(F.S)은 1.3 이상

건설공사 비탈면 설계기준

(국토해양부, 2011)

- 건기시 1.5, 우기시 1.3, 지진시 1.1

□ 대부분 설계시 PC 방호벽에 대한 안정성 검토 미시행 (과거자료 답습)

구 분 88고속도로 호남고속도로

붕괴사진

☞ 일부구간에서 배면 토압에 의한 방호벽 붕괴사례 발생

대형사고 예방을 위해 구조적으로 안정한

이동식 PC 방호벽 설치방안 개선 필요

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

570

Ⅴ 검토내용

□ PC 방호벽 설치시 검토기준

o 일반적인 설계지반정수

종 류 재료상태

단위중량

(kN/m3)

내부마찰각

( °)

점착력

(kPa)

분류기호

(통일분류)

흙

쌓

기

자갈 및 자갈

섞인 모래

다진것 20.0 40.0 0.0 GW, GP

모래

입도가 좋은것 20.0 35.0 0.0

SW, SP

입도가 나쁜것 19.0 30.0 0.0

사질토 다진것 19.0 25.0 30.0 이하 SM, SC

점성토 다진것 18.0 15.0 50.0 이하

ML, CL,

MH, CH

< 토공재료의 개략적인 토질정수 도로설계요령(제2권 토공 및 배수) >

o PC 방호벽의 안전율 (건설공사 비탈면 설계기준, 국토해양부, 2011)

구 분

콘크리트 옹벽

활 동 전 도 지지력 전 체

기준안전율 1.5 2.0 3.0 건기-1.5, 우기-1.3, 지진-1.1

< 옹벽의 기준안전율 >

o 검토에 적용된 설계지반정수

구 분

단위중량(kN/m3)

점착력

(kN/m2)

내부마찰각

(°)

비 고

건기시 우기시

뒤채움재 19 20 5 30 내적 안정성

쌓기재료 19 20 15 25 외적 안정성

※ PC 방호벽의 내적 안정성 검토는 안전측의 검토를 위하여 내부마찰각은

사질토의 중간 값인 30°를, 점착력은 겉보기 점착력 5kNm를 적용

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

571

o 개 요 도

검토단면 하중작용 개요도

o 한계평형해석 결과

구 분 건기시 우기시 지진시

성토사면

1:1.0

∙한계높이 : 5.77m

구 분 건기시 우기시 지진시

성토사면

1:1.5

∙한계높이 : 9.27m

o 1단 방호벽 설치시 안정성 검토 결과

구 분 기준안전율 검토안전율 비 고

활 동 1.5 2.5 안정

전 도 2.0 4.58 안정

지지력 3.0 16.9 안정

전 체 1.5 1.524 안정

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

572

o 2단 방호벽 설치시 안정성검토 결과

검 토 단 면 안정성 검토 결과

구 분

기준

안전율

방호벽 상단까지

뒤채움시

검토결과

활 동 1.5 0.91 불안정

전 도 2.0 1.02 불안정

지지력 3.0 - 안 정

전 체 1.5 1.509 안 정

☞ 안정성 검토 결과 2단 방호벽은 설치불가

Ⅵ 검토결론

□ PC 방호벽을 이용한 성토시 사면 전체안정성 및 PC 방호벽 안정

해석 시행

o 설계 및 시공전 PC 방호벽 설치에 대한 내․외적 안정성 검토 시행

o 검토결과

- 1단 쌓기의 경우

구 분 당 초 (F.S = 1.3) 변 경 (F.S = 1.5)

쌓기비탈면 경사 1:1.0 1:1.5 1:1.0 1:1.5

최대성토높이(m) 8.1 15.0 5.77 9.27

- 2단 쌓기의 경우 : 안정성 검토결과 불안정 (N.G)

- 방호벽 배면에 교통하중이 작용할 경우 교통하중은 주동영역을 고려

하여 벽체로부터 1m 정도 이격

※ 시공전 현장여건에 맞는 토질정수 및 쌓기비탈면의 다른 경사 적용시 의무적으로

토질분야 책임기술자의 확인

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

573

□ 적 용 방 안

o 실시설계 중인 노선 : 본 방침 적용

o 건설 및 공용중인 노선은 현장여건에 따라 주관(시행)부서에서 적용

여부 판단 후 적용

별 첨 #1. PC 방호벽 단면제원

#2. PC 방호벽 안정성 검토 예시

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

574

PC 방호벽 단면제원

구 분 기존 형태 개선 형태

개요도

90

90 90

90

610

205 200 205

250

75 175 1.020

1.270

90

90

250

90

90

610

S = 1:15

정 면 도

R=25

R=260

R=100

340 300

1.270

300 330

커플러

(D29)

300cm

127cm

127cm

150cm

150cm

23cm

150cm

45。

규 격

(폭x높이x길이)

610(상부150) x 1,270 x 3,000 610(상부250) x 1,270 x 3,000

중 량 2.7톤 3.1톤 (증 0.4톤)

결속방법 8mm와이어 2겹 결속 연결고리+강봉(φ50mm)

별 첨 #1

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

575

PC 방호벽 안정성 검토 (예시)

☐ 1단 옹벽의 안정성 검토

1) 검토단면

◦ PC 방호벽 1단을 이용한 경우이며, 뒤채움재의 경사는 1:1.0으로 가정

<1단 PC 방호벽의 검토단면>

2) 작용토압

◦ PC 방호벽에 작용하는 토압은 다음 그림과 같으며, 토압계수는 Rankine의

제안식 이용

- q 



×  = 9.12 kNm

- cKa   ×  ×   = 5.74 kNm

- zo   · Ka

cKa  q· Ka = 0.44 m → h = H-0.44 = 0.83 m

- 토압, Rh  



h Ka = 2.16 kN/m

별 첨 #2

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

576

<1단 PC 방호벽 하중작용>

3) 활동에 대한 안정성

Fs  Rh

Rv tan

 

 ×  = 2.5 > 기준안전율 : 1.5 → 안 정

여기서, tan = 0.6 (도로교 설계기준 해설 참조)

Rv = 9 kN/m

4) 전도에 대한 안정성

Fs  Md

Mr  

 = 4.58 > 기준안전율 : 2.0 → 안 정

여기서, Mr  저항모멘트 =  ×

 = 2.75 kN․m

Md  활동모멘트 =  × 

 = 0.60 kN․m

5) 지지력에 대한 안정성

◦ 지지력에 대한 안정성은 지반의 종류에 따른 경험치 이용

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

577

<확대기초의 지지력 경험치(U.S. Navy DM-7 참조)>

구분 (통일분류) 상대밀도 경험적 지지력 ( kNm )

SW, SM, SC 중간 조밀 250

◦ PC 방호벽 작용하중 : 14.75 kNm





 = 14.75 kNm < 250 kNm → 안 정

6) 전체 안정성(외적 안정성) 및 한계높이

◦ 전체 안정성은 SLOPE/W를 이용한 한계평형해석으로 검토하였으며, 안정성

해석에서 교통하중 13kNm 고려

◦ 전체 안정성 검토는 뒤채움 경사를 1:1.0과 1:1.5에 대하여 각각 수행

◦ 뒤채움 경사 1:1.5인 경우는 경사가 1:1.0의 경우보다 하중이 작아지므로 옹벽의

내적 안정성 검토는 생략함

<한계평형해석결과>

구 분 건기시 우기시 지진시

뒤채움

경사

1:1.0

∙한계 높이 : 방호벽 상단에서 높이 4.5m (전체 성토높이 5.77m)

구 분 건기시 우기시 지진시

뒤채움

경사

1:1.5

∙한계 높이 : 방호벽 상단에서 높이 8.0m (전체 성토높이 9.27m)

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

578

7) 검토결과

◦ PC 방호벽은 쌓기재료를 이용한 뒤 채움시 옹벽의 기능을 안정하게 수행할

수 있음

◦ 방호벽 배면에 교통하중이 작용할 경우 교통하중은 주동영역을 고려하여 벽체

로부터 1m 정도 이격시키는 것이 적정할 것으로 판단됨

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

579

☐ 2단 옹벽의 안정성 검토

1) 검토단면

◦ PC 방호벽 2단을 이용한 경우이며, 뒤채움재의 경사는 수평으로 가정

<2단 PC 방호벽의 검토단면>

2) 작용토압

◦ PC 방호벽에 작용하는 토압은 아래 그림과 같으며, 토압계수는 Rankine의

제안식 이용

<2단 PC 방호벽 하중작용>

- q  

 = 14.75 kNm

- q   · H   ×  = 24.13 kNm

- qaverage  

   = 19.44 kNm

- cKa   ×  ×   = 5.74 kNm

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

580

- qaver Ka  cKa = 0.68 kNm

- qKaH = 0.86 kN/m

- 



H  Ka = 5.06 kN/m

- 토압, Rh  qKaH  



H  Ka = 5.92 kN/m

3) 활동에 대한 안정성

◦ PC 방호벽 2단을 이용하는 경우 활동에 대한 안전율이 기준안전율을 만족

하지 못하는 것으로 나타남

Fs  Rh

Rv tan

 

 ×  = 0.91 < 기준안전율 : 1.5 → 불안정

여기서, tan = 0.6 (도로교 설계기준 해설 참조)

Rv = 9 kN/m

4) 전도에 대한 안정성

◦ PC 방호벽 2단을 이용하는 경우 전도에 대한 안전율이 기준안전율을 만족

하지 못하는 것으로 나타남

Fs  Md

Mr  

 = 1.02 > 기준안전율 : 2.0 → 불안정

여기서,

Mr  저항모멘트 =  ×

 = 2.75 kN․m

Md  활동모멘트 =  ×  × 



 



×  ×  ×  × 

 = 2.69 kN․m

5) 지지력에 대한 안정성

◦ 지지력에 대한 안정성은 지반의 종류에 따른 경험치 이용

◦ PC 방호벽 작용하중 : 14.75 kNm





 = 14.75 kNm < 250 kNm → 안 정

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

581

6) 전체 안정성(외적 안정성)

◦ 전체 안정성은 SLOPE/W를 이용한 한계평형해석으로 검토하였으며, 안정성

해석에서 교통하중 13kNm 고려

한계평형해석 결과

∙검토안전율 : 1.509 > 1.5 → 안 정

7) 뒤채움 한계높이 검토

◦ PC 방호벽 2단을 이용하는 경우 활동에 대한 기준안전율을 만족하는 뒤채움

한계높이를 산정함

◦ 활동에 대한 안전율을 만족하는 토압, Rh :

Rh  Fs

Rv tan

  

 ×  = 3.6 kN/m Rh  



H  Ka = 3.6 kN/m

H = 1.07 m  = 0.2 m

zo   · Ka

cKa  q· Ka = 0.2 m q = 13.59 kNm

qave  

  x   kNm x = 12.43 kNm

∴ 한계높이, h  

x = 0.65 m

<2단 PC 방호벽 한계높이>

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

582

◦ 전도에 대한 안전율

Fs  Md

Mr  

 = 2.15 > 기준안전율 : 2.0 → 안 정

여기서,

Mr  저항모멘트 =  ×

 = 2.75 kN․m

Md  활동모멘트 = 



×  ×  ×  × 

 = 1.28 kN․m

- q  

 = 14.75 kNm

- q   · H   ×  = 12.35 kNm

- qaverage  

   = 13.55 kNm

- zo   · Ka

cKa  q· Ka = 0.20 m → h = H-0.20 = 1.07 m

◦ 지지력에 대한 안전율

- PC 방호벽 작용하중 : 14.75 kNm





 = 14.75 kNm < 250 kNm → 안 정

◦ 전체 안정성은 SLOPE/W를 이용한 한계평형해석으로 검토하였으며, 안정성

해석에서 교통하중 13kNm 고려

한계평형해석 결과

∙검토안전율 : 1.627 > 1.5 → 안 정

2013년도 설계실무자료집 - 부대공사

583

8) 검토결과

◦ 2단 PC 방호벽은 상단에 높이는 0.65m까지 뒤채움을 실시할 경우 안정

◦ 방호벽 배면에 교통하중이 작용할 경우 교통하중은 방호벽의 주동영역을 고려

하여 벽체로부터 0.6m 정도 이격시켜야 함

<2단 방호벽의 안정성 검토결과>

구 분 기준안전율

상단까지

뒤채움

검토결과

뒤채움

0.65m

검토결과

활 동 1.5 0.91 불 안 정 1.50 안 정

전 도 2.0 1.02 불 안 정 2.15 안 정

지지력 3.0 - 안 정 - 안 정

전 체 1.5 1.509 안 정 1.627 안 정