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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 천공과 동시에 그라우팅을 실시할 수 있는 자천공 방식의 스파이럴 파이프 네일링(SPN, Spiral Pipe Nailing) 시스템을 개발하였으며, SPN 시스템의 인발거동특성을 평가하기 위해, 변위제어방식 현장인발시험을 6회 시행하였다. 또한 SPN 시스템에 적용되는 보강재의 경우, 이형철근(D29)에 비해 강성이 크기 때문에 그라우트-흙 사이의 주면마찰력만을 고려하여 안정성 검토를 하는 일반 쏘일네일링 시스템과는 다르게 네일의 강성을 고려하여 설계하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 SPN 시스템의 인발거동특성을 평가하기 위한 변위제어방식 현장인발시험이 시행되었다. 본 실험은 경기도 이천시 ○○부지조성공사 현장의 절토사면에서 실시되었으며, SP 네일 및 일반 쏘일네일(이하 GS 네일로 표기)의 인발거동특성을 보다 객관적으로 비교, 검토하기 위해 동일한 지층조건(풍화암)에서 현장인발시험을 실시하였다.
가설 설정
- ① 쏘일네일링 보강토체의 파괴면은 원호가 아닌 직선형으로 가정하며, block으로 거동한다.
- ③ 네일에서 발휘되는 전단저항은 네일을 횡하중을 받는 말뚝으로 가정하여 계산한다.
- 본 안정해석에서는 예상파괴면을 직선으로 가정하였으며 (그림 5), 시행쐐기법을 도입한 한계평형해석기법을 토대로 안정성을 검토하는 기본식을 제시하면 식 (1)과 같다.
제안 방법
- 본 실험은 경기도 이천시 ○○부지조성공사 현장의 절토사면에서 실시되었으며, SP 네일 및 일반 쏘일네일(이하 GS 네일로 표기)의 인발거동특성을 보다 객관적으로 비교, 검토하기 위해 동일한 지층조건(풍화암)에서 현장인발시험을 실시하였다. SP 네일 및 GS 네일의 현장인발시험 방법 및 제원은 표 2와 같으며, 인발시험은 각각의 경우에 대하여 2회씩 시행하였다. 네일 인발시 하중전이효과를 살펴보기 위해, 네일 1m 간격마다 변형률계(strain gauge)를 상하면에 1개씩 네일 본당 각각 10개를 부착하였다.
- SP 네일 및 GS 네일의 현장인발시험 방법 및 제원은 표 2와 같으며, 인발시험은 각각의 경우에 대하여 2회씩 시행하였다. 네일 인발시 하중전이효과를 살펴보기 위해, 네일 1m 간격마다 변형률계(strain gauge)를 상하면에 1개씩 네일 본당 각각 10개를 부착하였다. 본 연구에서 시행한 변위제어방식 현장인발시험의 인발속도는, ‘Clouterre 연구보고서(1991)’에 소개된 변위제어방식의 현장인발시험 방법을 참고하여, 1mm/min(허용오차 ±10% 이내) 정도로 하였다.
- 잔류하중이 나타나지 않는 경우에는 1mm변위에 대하여 1%이하의 하중증가가 있을 때 시험을 종료하였다. 네일인발시 변형율 등은 자료수집기(UCAM-20PC)를 사용하였으며, 두부의 변위 측정을 위해 다이얼게이지(dial gauge)를 설치하였으며, 현장인발시험 결과는 그림 3 및 4와 같다.
- 또한 SPN 시스템에 적용되는 보강재의 경우, 이형철근(D29)에 비해 강성이 크기 때문에 그라우트-흙 사이의 주면마찰력만을 고려하여 안정성 검토를 하는 일반 쏘일네일링 시스템과는 다르게 네일의 강성을 고려하여 설계하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 옹벽에 작용하는 최대토압을 산정하는 방법인 시행쐐기법을 적용하여, 강성을 고려한 쏘일네일링 벽체의 내적 안정성을 검토할 수 있는 간편 시행 쐐기법을 제시하였으며, 이에 대한 적용성을 평가하기 위해 상용프로그램인 TALREN 97의 안정해석 결과와 비교, 검토하였다.
- 본 장에서는 대표단면에 GSN 시스템 및 SPN 시스템을 각각 적용하여, 간편 시행쐐기법 및 TALREN 97 프로그램을 이용하여 보강재의 강성을 고려한 한계평형해석을 수행하였다. 또한, 본 안정성 검토시에는 사면경사 및 쏘일네일링 보강토체의 보강정도를 결정하는 무차원 변수인 길이비( RL, length ratio)와 정착비( RB, bond ratio)를 변화시키면서 네일의 인장력 및 휨강성을 고려한 경우에 대한 안정성을 분석하였다. 길이비 및 정착비에 대한 정의는 식(15)와 같다.
- 본 연구에서는 SPN 시스템의 인발거동특성을 평가하기 위한 변위제어방식 현장인발시험이 시행되었다. 본 실험은 경기도 이천시 ○○부지조성공사 현장의 절토사면에서 실시되었으며, SP 네일 및 일반 쏘일네일(이하 GS 네일로 표기)의 인발거동특성을 보다 객관적으로 비교, 검토하기 위해 동일한 지층조건(풍화암)에서 현장인발시험을 실시하였다. SP 네일 및 GS 네일의 현장인발시험 방법 및 제원은 표 2와 같으며, 인발시험은 각각의 경우에 대하여 2회씩 시행하였다.
- 본 연구에서는 SPN 시스템의 SP 네일의 강성에 따른 효과를 GSN 시스템과 비교, 검토하기 위해 FLAC2D Ver. 3.30 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 네일의 강성을 고려하기 위해, 네일을 structural element 중 인장력과 마찰력만 고려하는 cable element 로 적용하는 대신, 인장력, 마찰력 및 휨강성을 모두 고려할 수 있는 pile element로, 숏크리트 전면판은 beam element로 모델링 하였으며, 지반은 Mohr - Coulomb Failure Criterion을 적용하였다.
- 본 장에서는 대표단면에 GSN 시스템 및 SPN 시스템을 각각 적용하여, 간편 시행쐐기법 및 TALREN 97 프로그램을 이용하여 보강재의 강성을 고려한 한계평형해석을 수행하였다. 또한, 본 안정성 검토시에는 사면경사 및 쏘일네일링 보강토체의 보강정도를 결정하는 무차원 변수인 길이비( RL, length ratio)와 정착비( RB, bond ratio)를 변화시키면서 네일의 인장력 및 휨강성을 고려한 경우에 대한 안정성을 분석하였다.
- 아울러 SPN 시스템 보강재의 강성거동에 의한 변위감소 효과를 간접적으로 확인하기 위해, 간편 시행쐐기법을 이용하여 네일의 정착비에 따른 지반의 수동저항응력(그림 7)을 살펴보았다. 간편 시행쐐기법으로 산정한 지반의 수동저항응력을 살펴보면, SPN 시스템의 경우가 GSN 시스템의 경우에 비해 전체적으로 평균 6.
- 6 정도이다. 안정해석시 적용한 대표 단면, 지반강도정수 및 보강재의 특성치는 표 3 및 4와 같고 4장에서 수행한 현장인발시험을 기초로 하여 보강재의 특성치를 결정하였다.
대상 데이터
- 따라서 네일의 인발파괴시 SPN 시스템의 경우가 GSN 시스템에 비해 전단파괴면에서 유발되는 전단저항효과에 의한 지반의 수동저항응력을 감소시킬 수 있을 것으로 예상되며, 그라우팅 주입시 일정한 압력의 가압그라우팅 방식을 채택하여 일정한 주입압(5～10㎏/㎠)으로 그라우팅하며 천공을 실시하므로 그라우트-흙 간의 주면마찰력도 우수할 뿐만 아니라 수압파쇄 현상도 방지할 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서 개발한 SPN 시스템은 스파이럴 파이프 네일, 비트 및 간격재 등으로 구성되어 있으며, 개략적인 SPN 시스템의 단면은 그림 1과 같다.
이론/모형
- 30 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 네일의 강성을 고려하기 위해, 네일을 structural element 중 인장력과 마찰력만 고려하는 cable element 로 적용하는 대신, 인장력, 마찰력 및 휨강성을 모두 고려할 수 있는 pile element로, 숏크리트 전면판은 beam element로 모델링 하였으며, 지반은 Mohr - Coulomb Failure Criterion을 적용하였다. 유한차분해석시 사용된 해석격자망 및 structural element의 구성은 그림 8과 같으며, 지반강도정수 및 보강재의 특성치는 각각 표 3 및 4에 제시되어 있다.
- 본 SPN 시스템의 시공방법은 top-down방식으로서 그림 2의 순서와 같이 나타낼 수 있다. SPN 시스템은 스파이럴 파이프 네일(이하 SP 네일로 표기) 선단에 비트를 장착함으로써, 천공.
- 네일 인발시 하중전이효과를 살펴보기 위해, 네일 1m 간격마다 변형률계(strain gauge)를 상하면에 1개씩 네일 본당 각각 10개를 부착하였다. 본 연구에서 시행한 변위제어방식 현장인발시험의 인발속도는, ‘Clouterre 연구보고서(1991)’에 소개된 변위제어방식의 현장인발시험 방법을 참고하여, 1mm/min(허용오차 ±10% 이내) 정도로 하였다. 또한 인발시험은 인발력이 최대치를 지나 감소하는 경향을 나타내거나 일정한 값에 수렴할 경우 종료하였다.
- 본 연구에서는 SPN 시스템의 안정해석을 수행하기 위하여 중력식 옹벽에 작용하는 최대토압을 산정할 때 사용 하는 시행쐐기법(trial wedge method)을 한계평형해석에 적용하였다. 쏘일네일링 해석을 위한 간편 시행쐐기법의 기본 가정은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) SP 네일 및 GS 네일의 인발거동특성을 비교 및 분석해 본 결과(그림 3 참조), SP 네일의 최대인발력이 일반 네일의 최대인발력에 비해 7.0% 정도 증가하는 것으로 평가되었으며, 네일 인발시 변위량의 경우 SP 네일의 경우가 일반 네일의 경우에 비해 18% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- (2) 네일 인발시 측정된 변형률 분포(그림 4 참조)를 살펴보면, 비트가 장착된 SP 네일의 경우가 비트가 설치되지 않은 SP 네일의 경우에 비해 다소 작게 평가되는 것으로 나타났다. 또한 비트가 장착된 SP 네일 및 GS 네일의 변형률 분포를 살펴보면, 비트를 장착한 SP 네일의 경우가 GS 네일의 경우에 비해, 30% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- (3) 네일의 길이비에 따른 영향을 살펴보기 위해 안정해석단면에 네일의 길이를 변화시키면서 안정성을 검토한 결과(그림 6(a) 참조)를 살펴보면, SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해 인장강도와 강성측면에서 우수하게 작용하여 SPN 시스템의 전체안전율이 GSN 시스템의 전체안전율에 비해, TALREN 97 해석결과의 경우 6.5% 정도, 간편 시행쐐기법을 사용한 해석결과의 경우 8.7% 정도 크게 평가되었다.
- (4) 네일의 정착비에 따른 영향을 살펴보기 위해 안정해석단면에 네일의 수평간격을 변화시키면서 안정성을 분석한 결과(그림 6(b) 참조)를 살펴보면, SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해 인장강도와 강성측면에서 우수하게 작용하여 SPN 시스템의 전체안전율이 GSN 시스템의 전체안전율에 비해, TALREN 97 해석결과의 경우 7.8% 정도, 간편 시행쐐기법을 사용한 해석 결과의 경우 8.0% 정도 크게 평가되었다.
- (5) 간편 시행쐐기법을 이용하여 지반의 수동저항응력을 살펴본 결과(그림 7 참조), SPN 시스템의 경우가 GSN 시스템의 경우에 비해 전체적으로 수동저항응력이 평균 6.8% 정도 작게 평가되었다. 따라서 SPN 시스템을 적용함으로서, 파괴흙쐐기의 활동력에 의해 유발될 수 있는 수직 및 수평변위의 경우, GSN 시스템에 비해 상당부분 억제될 수 있을 것으로 기대된다.
- (6) 유한차분 수치해석 프로그램인 FLAC2D Ver. 3.30프로그램을 이용하여 대표단면에 대한 전면벽체의 횡방향 변위를 예측한 결과(그림 9 참조), SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해서 전면벽체의 횡방향 변위가 최대 10% 정도 감소하였으며, 전반적으로 9.6%정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 아울러 SPN 시스템 보강재의 강성거동에 의한 변위감소 효과를 간접적으로 확인하기 위해, 간편 시행쐐기법을 이용하여 네일의 정착비에 따른 지반의 수동저항응력(그림 7)을 살펴보았다. 간편 시행쐐기법으로 산정한 지반의 수동저항응력을 살펴보면, SPN 시스템의 경우가 GSN 시스템의 경우에 비해 전체적으로 평균 6.8% 정도 작게 평가되었다. 따라서 SPN 시스템을 적용함으로써 파괴흙쐐기의 활동력에 의해 유발될 수 있는 수직 및 수평 변위량의 경우, GSN 시스템에 비해 상당부분 억제될 수 있을 것으로 기대된다.
- 네일의 길이비에 따른 영향을 살펴보기 위해 안정해석단면에 네일의 길이를 변화시키면서 안정성을 검토한 결과(그림 6(a))를 살펴보면, SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해 인장강도와 강성측면에서 우수하게 작용하여 SPN 시스템의 전체 안전율이 GSN 시스템의 전체안전율에 비해, TALREN 97해석결과의 경우 6.5% 정도, 간편 시행쐐기법을 사용한 해석결과의 경우 8.7% 정도 크게 평가되었다.
- SPN 시스템은 스파이럴 파이프 네일(이하 SP 네일로 표기) 선단에 비트를 장착함으로써, 천공. 네일체 삽입 및 그라우트 주입 작업이 동시에 이루어지므로 GSN 시스템에 비해 공기, 공비절감에 유리할 것으로 판단된다. SPN 시스템이 개발될 경우 예상되는 장점을 요약, 정리하면 표 1과 같다.
- 또한 SP 네일 및 GS 네일의 인발거동특성을 비교, 분석해보면, 최대인발력의 경우 SP 네일의 경우가 GS 네일의 경우에 비해 7.0% 정도 증가하는 것으로 평가되었으며, 네일인발시 변위량의 경우 SP 네일의 경우가 GS 네일의 경우에 비해 18% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 그림 4에 나타난 네일 인발시 측정된 변형률 분포를 살펴보면, 비트가 장착된 SP 네일의 경우가 비트가 설치되지않은 SP 네일의 경우에 비해 다소 작게 평가되는 것으로 나타났다.
- 또한 네일의 정착비에 따른 영향을 살펴보기 위해 안정 해석단면에 네일의 수평간격을 변화시키면서 안정성을 분석한 결과(그림 6(b))를 살펴보면, SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해 인장강도와 강성측면에서 우수하게 작용하여 SPN 시스템의 전체안전율이 GSN 시스템의 전체안전율에 비해, TALREN 97 해석결과의 경우 7.8% 정도, 간편 시행쐐기법을 사용한 해석결과의 경우 8.0% 정도 크게 평가되었다.
- (2) 네일 인발시 측정된 변형률 분포(그림 4 참조)를 살펴보면, 비트가 장착된 SP 네일의 경우가 비트가 설치되지 않은 SP 네일의 경우에 비해 다소 작게 평가되는 것으로 나타났다. 또한 비트가 장착된 SP 네일 및 GS 네일의 변형률 분포를 살펴보면, 비트를 장착한 SP 네일의 경우가 GS 네일의 경우에 비해, 30% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 또한, 그림 4에 나타난 네일 인발시 측정된 변형률 분포를 살펴보면, 비트가 장착된 SP 네일의 경우가 비트가 설치되지않은 SP 네일의 경우에 비해 다소 작게 평가되는 것으로 나타났다. 또한 비트가 장착된 SP 네일의 변형률분포 및 GS 네일의 변형률 분포 살펴보면, GS 네일의 경우에 비해 비트를 장착한 SP 네일의 경우 측정된 변형률은 30% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 개발한 SPN 시스템은 일반 쏘일네일링 시스템과 기본적인 메커니즘은 동일하다 할 수 있으나, 시공 단계에 있어서 케이싱 삽입, 인발 공정이 줄어들어 공기단축 효과가 예상되며, SPN 시스템의 보강재로 사용되는 스파이럴 파이프(Spiral Pipe)의 경우 일반 쏘일네일링 시스템의 보강재로 사용되는 이형철근(D29)에 비해 강성계 수(EI)가 2.5배 정도 크다. 따라서 네일의 인발파괴시 SPN 시스템의 경우가 GSN 시스템에 비해 전단파괴면에서 유발되는 전단저항효과에 의한 지반의 수동저항응력을 감소시킬 수 있을 것으로 예상되며, 그라우팅 주입시 일정한 압력의 가압그라우팅 방식을 채택하여 일정한 주입압(5～10㎏/㎠)으로 그라우팅하며 천공을 실시하므로 그라우트-흙 간의 주면마찰력도 우수할 뿐만 아니라 수압파쇄 현상도 방지할 수 있을 것으로 예상된다.
- 본 연구에서 제안한 간편 시행쐐기법의 경우, 기본적으로 French method와 유사하며 해석개념으로는 German method(파괴면 형상이 Bilinear이다)와는 약간 다른 직선형의 한계 힘평형방식이라고 할 수 있다. 다시 말해서, 가상활동면을 직선으로 가정하여 계산을 간편화함으로써 변수분석을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.
- 수치해석결과(그림 9)의 전면벽체의 횡방향 변위를 살펴보면, SPN 시스템이 GSN 시스템에 비해서 전면벽체의 횡방향 변위가 10% 정도 감소하는 것으로 평가되었다. 이는 SPN 시스템의 SP 네일의 강성계수( EI)가 이형철근에 비해 크므로, 네일하부를 지지하고 있는 수동저항응력이 감소하 것으로 판단된다.
- 그림 3에 나타난 비트 설치여부에 따른 최대인발력을 살펴보면, SP 네일에 비트를 설치했을 경우가 비트를 설치하지 않았을 경우에 비해 5% 정도 증가하는 것으로 평가되 었다. 아울러 비트가 설치되지 않은 SP 네일의 최대인발력을 기준으로 네일인발시 유발된 변위량을 살펴보면, 비트가 설치된 경우가 비트가 설치되지 않았을 경우에 비해 10% 정도 감소하는 것으로 평가되었다.
후속연구
- 8% 정도 작게 평가되었다. 따라서 SPN 시스템을 적용함으로서, 파괴흙쐐기의 활동력에 의해 유발될 수 있는 수직 및 수평변위의 경우, GSN 시스템에 비해 상당부분 억제될 수 있을 것으로 기대된다.
- 8% 정도 작게 평가되었다. 따라서 SPN 시스템을 적용함으로써 파괴흙쐐기의 활동력에 의해 유발될 수 있는 수직 및 수평 변위량의 경우, GSN 시스템에 비해 상당부분 억제될 수 있을 것으로 기대된다.
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