Soil Nailing 공법은 국내의 경우 1993년 처음으로 적용된 이후 최근에는 가시설용에서 영구용으로 확대되어 적용되고 있다. Soil Nailing 공법에 있어서 강성 전면벽체는 지반의 변형을 억제하는 역할을 하며, 인접한 건물 또는 지하구조물 등의 손상을 최소화 하기 위한 목적으로 사용되고 있다. 국내의 경우 도심지에 적용되고 있는 Soil Nailing 벽체는 지반의 이완을 최소화하기 위해 H-Pile+토류판, 쉬트파일, SCW 및 JSP 등의 흙막이 벽체와 함께 종종 사용되고 있다. 그러나 전면벽체의 강성을 고려하기 위한 적당한 설계방법에 대한 제시가 없는 실정이어서 안전측에서 벽체의 강성에 의한 구속효과를 무시하여 왔다. 본 연구에서는 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 벽체의 강성이 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 실내모형실험이 수행되었으며, 전단강도감소기법과 같은 수치해석기법을 이용한 매개변수변화연구도 시도되었다. 매개변수변화연구에서는 전면벽체의 강성의 영향을 알아보기 위해 콘크리트 전면벽체의 두께를 변화시켰다.
Soil Nailing 공법은 국내의 경우 1993년 처음으로 적용된 이후 최근에는 가시설용에서 영구용으로 확대되어 적용되고 있다. Soil Nailing 공법에 있어서 강성 전면벽체는 지반의 변형을 억제하는 역할을 하며, 인접한 건물 또는 지하구조물 등의 손상을 최소화 하기 위한 목적으로 사용되고 있다. 국내의 경우 도심지에 적용되고 있는 Soil Nailing 벽체는 지반의 이완을 최소화하기 위해 H-Pile+토류판, 쉬트파일, SCW 및 JSP 등의 흙막이 벽체와 함께 종종 사용되고 있다. 그러나 전면벽체의 강성을 고려하기 위한 적당한 설계방법에 대한 제시가 없는 실정이어서 안전측에서 벽체의 강성에 의한 구속효과를 무시하여 왔다. 본 연구에서는 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 벽체의 강성이 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 실내모형실험이 수행되었으며, 전단강도감소기법과 같은 수치해석기법을 이용한 매개변수변화연구도 시도되었다. 매개변수변화연구에서는 전면벽체의 강성의 영향을 알아보기 위해 콘크리트 전면벽체의 두께를 변화시켰다.
In Korea there are recently many attempts to expand a temporary soil nailing system into a permanent soil nailing system since the first construction in 1993. In the soil nailing system, the rigid facing walls act on restraining the deformation of the ground. These are purposed to minimize the damag...
In Korea there are recently many attempts to expand a temporary soil nailing system into a permanent soil nailing system since the first construction in 1993. In the soil nailing system, the rigid facing walls act on restraining the deformation of the ground. These are purposed to minimize the damage of adjacent buildings or underground structures. In Korea, to minimize the relaxation of the ground, the soil nailing system in the downtown area is often used experientially together with braced cuts, sheet pile walls, soil cement walls (SCW), or jet grouting walls. However, for the conservative design, the confining effects by the stiff facing have been ignored because the proper design approach of considering the facing stiffness has not been proposed. In this study, various laboratory model tests are carried out to examining the influence the rigidity of facings on the global safety of soil nailing system. Also, the parametric studies using the numerical technique as shear-strength reduction technique are carried out. In the parametric study, the thickness of concrete facing walls is changed to identify the effects of the facing wall stiffness.
In Korea there are recently many attempts to expand a temporary soil nailing system into a permanent soil nailing system since the first construction in 1993. In the soil nailing system, the rigid facing walls act on restraining the deformation of the ground. These are purposed to minimize the damage of adjacent buildings or underground structures. In Korea, to minimize the relaxation of the ground, the soil nailing system in the downtown area is often used experientially together with braced cuts, sheet pile walls, soil cement walls (SCW), or jet grouting walls. However, for the conservative design, the confining effects by the stiff facing have been ignored because the proper design approach of considering the facing stiffness has not been proposed. In this study, various laboratory model tests are carried out to examining the influence the rigidity of facings on the global safety of soil nailing system. Also, the parametric studies using the numerical technique as shear-strength reduction technique are carried out. In the parametric study, the thickness of concrete facing walls is changed to identify the effects of the facing wall stiffness.
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문제 정의
이와 같이 전면벽체의 강성이 클 경우에는 전면벽체의 구속효과에 의한 Soil Nailing 벽체의 안정성 증대가 예상되나 지금까지의 설계에 있어서는 이를 평가하기 위한 해석방법 등의 부재로 안전측에서 무시되어 왔다. 그러나 최근들어 영구 사면보강을 위해 Soil Nailing 공법을 적용하는 사례가 증가하고 있고 컴퓨터의 계산속도가 급속도로 향상되고 있어 본 연구에서는 수치해석적인 기법을 이용하여 전면벽체의 강성을 고려한 Soil Nailing 벽체의 안정성 평가방법을 소개하고자 한다.
Soil Nailing 벽체의 안정성 평가는 일반적으로 2차원 한계평형해석법을 기초로 한 접근방법이 사용되고 있으나 한계평형해석법을 토대로 전면벽체의 강성을 고려하기에는 전면벽체의 구속효과에 대한 평가 등이 정립되어야 하나 아직까지는 이에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 전단강도감소기법을 이용하여 전면벽체의 강성을 고려한 Soil Nailing 벽체의 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 벽체의 강성변화가 벽체의 안정성에 미치는 영향을 알아보고자 콘크리트 벽체의 두께를 30cm, 60cm, 90cm로 정한 벽체에 대하여 FLAC-3D 프로그램
을 사용한 전단강도감소기법을 이용하여 대표단면에 대한 안전율을 평가하였으며, 해석에 사용한 벽체의 휨강성 및 계산된 Soil Nailing 벽체의 전체 안전율은 표 4와 같다.
실내모형실험은 Soil Nailing 공법에서의 전면판 강성의 변화가 Soil Nailing 구조체에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실시되었다. 실내모형실험에 사용한 토조(600mm×600mm×1300mm) 및 장치개요는 그림 3과 같으며, 실내 모형지반은 Soil Nailing 공법의 시공절차를 고려하여 단계별 굴착후 일정시간동안 자립이 가능하도록 주문진표준사와 화강풍화토를 1:1.
이를 위해 본 연구에서는 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 벽체의 강성이 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 실내모형실험이 수행되었으며, 사면안정해석시 유한요소법과 같은 수치해석적인 방법으로 가상파괴면과 최소안전율을 결정하기 위해 사용하고 있는 전단강도감소기법(Shear Strength Reduction Technique)을 이용한 접근방법을 소개하였다. 또한 본 연구에서는 FLAC-3D 프로그램을 사용하여 Soil Nailing 벽체의 대표단면에 대한 매개변수 변화연구를 시도하였으며, 두께 30cm 콘크리트 전면벽체에 의한 안정성 증가 정도를 정량적으로 분석하기 위해 한계평형해석법을 기초로 한 Visual Nail 프로그램의 해석결과와 비교·분석이 이루어 졌다.
제안 방법
FLAC-3D 프로그램을 이용한 전단강도감소기법의 적용에 있어서 Soil Nailing 벽체의 안전율은 Dawson 등(2000)의 연구결과에 따라 지반의 전단강도를 식 (1)에
의해 단계별로 저하시켜가면서 해석하여 1000 step 계산 후의 최대 불평형력(maximum unbalanced force)과 안전율과의 관계로 부터 최대 불평형력이 급격히 증가하는 시점으로 결정하였다. 그림 8은 전단강도감소기법을 이용하여 그림 6의 대표단면에 대해 지반의 내부마찰각 30˚이고 nail의 길이 및 횡방향 설치간격이 각각 5m 및 1.
또한 Soil Nail과 전면판이 분담하는 각각의 하중을 측정하기 위해 전면판 외부로 돌출된 Soil Nail을 고정링에 의해 연결시키고 고정링 사이에 로드셀을 설치하여 각 단의 중앙에 위치한 Soil Nail 두부에 작용하는 인발력을 직접적으로 측정하였으며, Soil Nailing 구조체에 작용하는 하중은 하중재하장치와 강성재하판 사이에 로드셀을 설치하여 측정하였다. 침하량 및 수평변위는 Soil Nailing 구조체에 총 5개의 LVDT를 설치하여 측정하였으며, LVDT의 위치는 수직변위를 측정하기 위해 강성재하판 상단에 1개, 각단의 중앙부에 각각 설치하여 침하량 및 수평변위를 측정하였다.
이를 위해 본 연구에서는 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 벽체의 강성이 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 실내모형실험이 수행되었으며, 사면안정해석시 유한요소법과 같은 수치해석적인 방법으로 가상파괴면과 최소안전율을 결정하기 위해 사용하고 있는 전단강도감소기법(Shear Strength Reduction Technique)을 이용한 접근방법을 소개하였다. 또한 본 연구에서는 FLAC-3D 프로그램을 사용하여 Soil Nailing 벽체의 대표단면에 대한 매개변수 변화연구를 시도하였으며, 두께 30cm 콘크리트 전면벽체에 의한 안정성 증가 정도를 정량적으로 분석하기 위해 한계평형해석법을 기초로 한 Visual Nail 프로그램의 해석결과와 비교·분석이 이루어 졌다.
본 분석에서는 지반공학용 유한차분법 상용프로그램인 FLAC-3D를 이용하여 SSR 기법을 토대로 대표단면에 대한 안전율을 평가하였으며, 한계평형법 설계프로그램인 Visual Nail을 이용하여 통상적인 소일네일링 공법의 해석결과와 비교하였다. 또한 전면벽체의 강성에 따른 Soil Nailing 벽체의 안정성을 보다 효과적으로 분석하기위해 Soil Nailing 벽체의 보강정도를 결정하는 무차원변수를 변화시켜 분석하였다. Soil Nailing 벽체의 보강정도를 결정하는 무차원변수(Bruce & Jewell 1986, 1987)에는 길이비( RL, length ratio), 정착비( RB, bond ratio) 및 강도비( RS, strength ratio)가 있으며 이에 대한 정의는 식 (3)과 같다.
본 실내모형실험은 정적하중재하방식으로 실시됐으며, 재하하중은 공기압축장치(compressor)를 이용한 공압식하중재하장치에 의해 파괴하중까지 단계별로 재하하였다. 하중은 Soil Nailing 보강토체에 균등하게 작용할 수 있도록 하기 위해 하중재하장치에서 전달되는 집중하중을 강성재하판(steel plate, 600mm×200mm, t=12mm)에 전달시켜 Soil Nailing 보강토체에 하중이 등분포로 작용하도록 하였다.
실내모형실험은 Soil Nailing 공법에서의 전면판 강성의 변화가 Soil Nailing 구조체에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실시되었다. 실내모형실험에 사용한 토조(600mm×600mm×1300mm) 및 장치개요는 그림 3과 같으며, 실내 모형지반은 Soil Nailing 공법의 시공절차를 고려하여 단계별 굴착후 일정시간동안 자립이 가능하도록 주문진표준사와 화강풍화토를 1:1.5의 비율로 혼합하여 조성하였다.
하중재하판은 600mm×200mm의 크기로 제작하여 사용하였다. 실험시 사용된 계측장비로는 LVDT 5개, 재하하중 측정용 로드셀(load cell) 1개(49.1kN 용량) 및 네일의 인장력 측정용 로드셀 4개(29.4N 용량)를 각각 하중재하판 및 전면부에 부착하였으며, 이를 자료수집장치(data logger)에 연결하여 단계별 굴착시 및 하중재하시 유발되는 수직․수평변위 및 네일에 작용하는 인장력 등을 측정하였다.
또한 Soil Nail과 전면판이 분담하는 각각의 하중을 측정하기 위해 전면판 외부로 돌출된 Soil Nail을 고정링에 의해 연결시키고 고정링 사이에 로드셀을 설치하여 각 단의 중앙에 위치한 Soil Nail 두부에 작용하는 인발력을 직접적으로 측정하였으며, Soil Nailing 구조체에 작용하는 하중은 하중재하장치와 강성재하판 사이에 로드셀을 설치하여 측정하였다. 침하량 및 수평변위는 Soil Nailing 구조체에 총 5개의 LVDT를 설치하여 측정하였으며, LVDT의 위치는 수직변위를 측정하기 위해 강성재하판 상단에 1개, 각단의 중앙부에 각각 설치하여 침하량 및 수평변위를 측정하였다. 이상의 실험과정에 대한 전경은 사진 1과 같다.
본 실내모형실험은 정적하중재하방식으로 실시됐으며, 재하하중은 공기압축장치(compressor)를 이용한 공압식하중재하장치에 의해 파괴하중까지 단계별로 재하하였다. 하중은 Soil Nailing 보강토체에 균등하게 작용할 수 있도록 하기 위해 하중재하장치에서 전달되는 집중하중을 강성재하판(steel plate, 600mm×200mm, t=12mm)에 전달시켜 Soil Nailing 보강토체에 하중이 등분포로 작용하도록 하였다.
대상 데이터
또한 실험에 사용한 네일은 길이 200mm 및 300mm, 네일의 직경은 3mm 스테인레스봉을 사용하였으며, 네일 두부에 10mm 정도 나사선을 만들어 전면판 및 함석판과 너트로 결합시켜 일체식 거동을 할 수 있도록 제작하였다. 또한 실내모형실험에서는 연성벽체에 해당하는 숏크리트의 역할을 모사하기 위해 두께 0.2mm의 함석판(600mm×100mm)을 사용하였으며, 강성벽체를 모사하기 위해 두께 2mm, 4mm 및 6mm의 아크릴판(600mm×400mm)을 사용하였다. 하중재하판은 600mm×200mm의 크기로 제작하여 사용하였다.
실내 모형지반의 입도분포곡선 및 지반특성치는 그림 4 및 표 1과 같다. 또한 실험에 사용한 네일은 길이 200mm 및 300mm, 네일의 직경은 3mm 스테인레스봉을 사용하였으며, 네일 두부에 10mm 정도 나사선을 만들어 전면판 및 함석판과 너트로 결합시켜 일체식 거동을 할 수 있도록 제작하였다. 또한 실내모형실험에서는 연성벽체에 해당하는 숏크리트의 역할을 모사하기 위해 두께 0.
2mm의 함석판(600mm×100mm)을 사용하였으며, 강성벽체를 모사하기 위해 두께 2mm, 4mm 및 6mm의 아크릴판(600mm×400mm)을 사용하였다. 하중재하판은 600mm×200mm의 크기로 제작하여 사용하였다. 실험시 사용된 계측장비로는 LVDT 5개, 재하하중 측정용 로드셀(load cell) 1개(49.
데이터처리
본 분석에서는 지반공학용 유한차분법 상용프로그램인 FLAC-3D를 이용하여 SSR 기법을 토대로 대표단면에 대한 안전율을 평가하였으며, 한계평형법 설계프로그램인 Visual Nail을 이용하여 통상적인 소일네일링 공법의 해석결과와 비교하였다. 또한 전면벽체의 강성에 따른 Soil Nailing 벽체의 안정성을 보다 효과적으로 분석하기위해 Soil Nailing 벽체의 보강정도를 결정하는 무차원변수를 변화시켜 분석하였다.
이론/모형
본 연구에서는 실내모형실험 및 전단강도감소기법(SSR, Shear Strength Reduction Technique)을 이용하여 전면벽체의 강성이 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 미
치는 영향을 평가하였으며, 이상의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
(1) 실내모형실험결과 전면벽체의 강성에 따른 파괴형태를 살펴보면 전면벽체없이 네일만 보강된 경우에는 내부파괴형태의 파괴양상을 보였으며, 전면벽체가 있는
경우에는 혼합파괴형태의 파괴양상을 나타냈다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 파괴면은 배면부쪽으로 더욱 확장되어 커지는 경향으로 나타났다.
(2) FLAC-3D 프로그램을 이용한 전단강도감소기법의 적용에 있어서 Soil Nailing 벽체의 안전율은 지반의 전단강도를 단계별로 저하시켜가면서 해석한 후 최대
불평형력(maximum unbalanced force)과 안전율과의 관계로 부터 최대 불평형력이 급격히 증가하는 시점으로 결정하였으며, 한계평형해석결과와 비교한 결과 대체로 일치되는 결과를 나타내었다.
(3) 전단강도감소기법을 이용한 수치해석적인 분석에서 전면벽체의 유무에 따른 안전율의 변화를 살펴본 결과, 지반의 전단강도가 증가할수록 전면벽체의 구속효과에 의한 안전율의 증가량이 점차 증가하는 경향으로 나타났다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 미치는 영향은 증가하는 경향으로 나타났다.
(4) 두께 30cm의 콘크리트 전면벽체가 Soil Nailing 벽체의 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 길이비와 정착비를 변화시켜 분석한 결과, 강성벽
체의 구속효과로 nail의 설치간격을 넓게 하거나 nail의 길이를 짧게 하여 최적의 설계를 시도하는 것도 가능할 것으로 판단되었다.
전면벽체의 강성에 따른 파괴형태를 분석한 결과, 무보강 상태인 A-1 및 B-1의 경우에는 파괴형태가 국부파괴형태로 나타났으며, 전면벽체없이 네일만 보강된 A-2 및 B-2(함석판)의 경우에는 파괴형태가 내부파괴형태로 발생되었다. 또한 전면벽체가 설치된 실험 A-3～A-5 및 B3～B-5 에서는 혼합파괴 형태로 나타났으며, 전면벽체의 강성이 증가할수록 파괴면은 배면부쪽으로 더욱 확장되어 커지는 경향을 확인할 수 있었다. 이때의 파괴시 하중과 수평변위 및 연직변위는 전면벽체의 강성이 클수록 높은 하중수준 및 변위에서 파괴됨을 알 수 있었으며, A 및 B그룹에 대한 강성별 파괴면의 형태 및 전면벽체의 수평변위를 도시하면 그림 5와 같다.
(3) 전단강도감소기법을 이용한 수치해석적인 분석에서 전면벽체의 유무에 따른 안전율의 변화를 살펴본 결과, 지반의 전단강도가 증가할수록 전면벽체의 구속효과에 의한 안전율의 증가량이 점차 증가하는 경향으로 나타났다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 미치는 영향은 증가하는 경향으로 나타났다.
경우에는 혼합파괴형태의 파괴양상을 나타냈다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 파괴면은 배면부쪽으로 더욱 확장되어 커지는 경향으로 나타났다.
이를 구체적으로 설명하면, 두께 30cm 콘크리트 전면벽체의 구속효과는 Φ=45˚인 지반에 있어서 nail 길이가 5m에서 6m로 증가하여 안정성이 증대되는 효과와 유사하며,
nail의 횡방향 설치간격 측면에서는 1.75m에서 1.05m로 조밀하게 설치하여 안정성이 증대되는 효과와 유사한 것을 나타내고 있다.
전면벽체의 강성에 따른 파괴형태를 분석한 결과, 무보강 상태인 A-1 및 B-1의 경우에는 파괴형태가 국부파괴형태로 나타났으며, 전면벽체없이 네일만 보강된 A-2 및 B-2(함석판)의 경우에는 파괴형태가 내부파괴형태로 발생되었다. 또한 전면벽체가 설치된 실험 A-3～A-5 및 B3～B-5 에서는 혼합파괴 형태로 나타났으며, 전면벽체의 강성이 증가할수록 파괴면은 배면부쪽으로 더욱 확장되어 커지는 경향을 확인할 수 있었다.
후속연구
그림 1에서 보는 바와 같이 동일한 네일제원 및 하중조건이라면 전면벽체의 강성이 증가함에 따라 Soil Nail 보강토체의 가상파괴영역은 전면벽체의 구속효과로 인하여 점점 커지며, 네일에 발휘되는 마찰력은 점점 증가할 것으로 예상된다. 또한 전면벽체의 강성에 따라 발생하는 전단력 및 휨모멘트는 벽체의 깊이방향 및 길이방향으로 발생된 상대적인 변위차에 의해 발휘되므로 전면벽체의 강성을 최대한 이용하기 위해서는 벽체의 상대적인 변위차에 의해 허용가능한 범위내에서 크게 발생할 수 있도록 네일의 간격을 상대적으로 넓게 설치하는 것이 효과적일 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Soil Nailing 공법은 무엇에 적용되는 공법인가?
Soil Nailing 공법은 국내의 경우 1993년 가시설 흙막이 벽체에 처음으로 적용된 이후 주로 지하굴착분야 및 사면보강 등에 보편적으로 사용되고 있는 공법으로 최근 들어서는 영구 사면보강 등에도 많이 적용되고 있는 공법이다. 국내의 경우, 영구 사면보강에 적용된 Soil Nailing 공법은 대체로 두께 15cm 정도의 숏크리트 전면판에 두께 30cm 정도의 현장타설 콘크리트 벽체를 합벽식으로 설치하여 전면벽체를 형성하고 있으며, 네일은 부식방지를 위해 에폭시 코팅을 하여 사용하고 있다.
강성벽체의 목적은 무엇인가?
Soil Nailing 공법에서 가설벽체에 적용되는 강성벽체는 대부분 굴착전 사전 지반보강에 의해 이루어진다. 이때 설치되는 강성벽체는 대부분 지반변형(수평변위, 침하 등)을 억제하기 위함이며, 이를 통해 굴착으로 인한 인접건물이나 지하매설물에 미치는 영향을 최소화하려는 것이 목적이다. 이러한 방식은 주로 국내에서 경험적으로 적용되고 있으며, 특히 최근에 도심지에서 시공되는 Soil Nailing 공법에서 가설벽체의 시공에 강성 전면벽체의 활용이 증가하고 있다.
실내모형실험 및 전단강도감소기법(SSR, Shear Strength Reduction Technique)을 이용하여 전면벽체의 강성이 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 미치는 영향을 평가하여 얻은 결과는?
(1) 실내모형실험결과 전면벽체의 강성에 따른 파괴형태를 살펴보면 전면벽체없이 네일만 보강된 경우에는 내부파괴형태의 파괴양상을 보였으며, 전면벽체가 있는
경우에는 혼합파괴형태의 파괴양상을 나타냈다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 파괴면은 배면부쪽으로 더욱 확장되어 커지는 경향으로 나타났다.
(2) FLAC-3D 프로그램을 이용한 전단강도감소기법의 적용에 있어서 Soil Nailing 벽체의 안전율은 지반의 전단강도를 단계별로 저하시켜가면서 해석한 후 최대
불평형력(maximum unbalanced force)과 안전율과의 관계로 부터 최대 불평형력이 급격히 증가하는 시점으로 결정하였으며, 한계평형해석결과와 비교한 결과 대체로 일치되는 결과를 나타내었다.
(3) 전단강도감소기법을 이용한 수치해석적인 분석에서 전면벽체의 유무에 따른 안전율의 변화를 살펴본 결과, 지반의 전단강도가 증가할수록 전면벽체의 구속효과에 의한 안전율의 증가량이 점차 증가하는 경향으로 나타났다. 또한 전면벽체의 강성이 증가할수록 Soil Nailing 벽체의 전체 안정성에 미치는 영향은 증가하는 경향으로 나타났다.
(4) 두께 30cm의 콘크리트 전면벽체가 Soil Nailing 벽체의 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 길이비와 정착비를 변화시켜 분석한 결과, 강성벽
체의 구속효과로 nail의 설치간격을 넓게 하거나 nail의 길이를 짧게 하여 최적의 설계를 시도하는 것도 가능할 것으로 판단되었다.
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