쏘일네일링은 최근 들어 그 적용성이 확대되고 있으나 아직까지 공인된 설계방법이 없다. 또한 쏘일네일링은 설계변수가 많고 설계변수 상호간의 민감도에 대한 연구가 되지 않은 상황에서 명확한 근거 없이 사용되고 있다. 특히, 본 연구의 주요 과제인 네일의 설치각도에 대한 민감성은 다루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구는 이론적 계산식을 바탕으로 파괴면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위중량, 점착력, 내부 마찰각, 네일에 작용하는 인장력 등을 고려하여 안전율을 분석하였다. 그 결과, 배면지반이 수평이고 수직벽체인 경우 네일의 설치 각도는 하향보다 상향이 모두 안전율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
쏘일네일링은 최근 들어 그 적용성이 확대되고 있으나 아직까지 공인된 설계방법이 없다. 또한 쏘일네일링은 설계변수가 많고 설계변수 상호간의 민감도에 대한 연구가 되지 않은 상황에서 명확한 근거 없이 사용되고 있다. 특히, 본 연구의 주요 과제인 네일의 설치각도에 대한 민감성은 다루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구는 이론적 계산식을 바탕으로 파괴면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위중량, 점착력, 내부 마찰각, 네일에 작용하는 인장력 등을 고려하여 안전율을 분석하였다. 그 결과, 배면지반이 수평이고 수직벽체인 경우 네일의 설치 각도는 하향보다 상향이 모두 안전율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
For the soil nailing, recently, its application is expanded, but there is no officially approved method to design it yet. Furthermore, there are a great number of design valuables in soil nailing, it is also used without clear data under the situation that uncompleted detailed research on the sensib...
For the soil nailing, recently, its application is expanded, but there is no officially approved method to design it yet. Furthermore, there are a great number of design valuables in soil nailing, it is also used without clear data under the situation that uncompleted detailed research on the sensibility between design variables. Especially, there has no deal with the installation angle of the nail - the major contents in this study. Therefore, this study based on the theoretical estimation analyzed safety rate about the angle of the nail, unit weight, adhesive force, internal friction angle and tensile farce worked on nail in the case of the rear of pond side is both horizontal and perpendicular. As a result, it could be verified that the safety rate increased on every cases in the situation of the nail installation angle was in upward direction than in downward direction.
For the soil nailing, recently, its application is expanded, but there is no officially approved method to design it yet. Furthermore, there are a great number of design valuables in soil nailing, it is also used without clear data under the situation that uncompleted detailed research on the sensibility between design variables. Especially, there has no deal with the installation angle of the nail - the major contents in this study. Therefore, this study based on the theoretical estimation analyzed safety rate about the angle of the nail, unit weight, adhesive force, internal friction angle and tensile farce worked on nail in the case of the rear of pond side is both horizontal and perpendicular. As a result, it could be verified that the safety rate increased on every cases in the situation of the nail installation angle was in upward direction than in downward direction.
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문제 정의
본 연구는 이론적 계산 및 수치 해석 (Talren97) 프로그램으로 파괴 면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위 중량, 점착력, 내부 마찰각 및 네일에 작용하는 인장력 등을 고려해 안전율을 분석하여 벽체의 최적 네일 설치 각도를 연구하였다. 일반적인 네일의 설치 각도는 하향 15° 정도가 보편적으로 시공되고 있지만 본 연구에서는 배면 지반이 수평이고 수직벽 체인 경우로 한정하여 네일의 경사각을 상향 20°에서 하향 20*까지 5° 간 격으로 , 변화를 시키면서 네일 경사각의 영향을 분석하였으며 본 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
가설 설정
H=10m로 가 정하였다.
제안 방법
따라서 본 연구는 배면 지반이 수평이 고 벽체가 수직 인 사면을 대상으로 네일의 설치 각도를 하향으로만 국한하지 않고 상향인 경우까지 확대하여 이론식 및 수치 해석을 통해 안전율을 계산하였다. 안전율에 영향을 미치는 매개 변수는 파괴 면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위 중량, 점착력, 내부 마찰각 및 네일에 작용하는 인 장력 등을 고려하였으며 네일의 설치 각도는 상향 20°에서 하향 20°까지 5° 간 격으로 변화시키면서 네일의 경사각에 대한 영향을 분석하여 최적의 네일의 경사각을 얻고자 하였다.
벽체가 수직이고 배면 지반이 수평 인 해석모델(Fig. 4) 에 대한 네일의 경사각의 영향을 분석하기 위하여 쏘일 네일의 안전율에 영향을 미치는 여러 변수들 중 벽체의 높이, 흙의 점착력, 흙의 내부 마찰각, 흙의 단위 중량 및 네일의 인장력을 Table 1과 같이 선택하였으며 이들 값들의 변화에 따른 네일의 경사각은 상향 20°부터 하향 20끼지 5° 간격으로 변화시키면서 최적의 네일 경사각을 계산하였다.
본 경우는 벽체의 높이에 따른 경사각의 안전율 변화를 검토한 것으로써 기본 매개 변수로 하고 단지 벽체 의 높이 (H)와 네일의 경사각(β)만을 변화시켜 안전율을 구했다. 그 결과 벽체의 높이가 5 m인 경우는 상향 20°, 10 m인 경우는 상향 10°, 15 m인 경우는 상향 5°에서 미소 하나마 최적의 네일 설치 각도가 계산되었다.
따라서 본 연구는 배면 지반이 수평이 고 벽체가 수직 인 사면을 대상으로 네일의 설치 각도를 하향으로만 국한하지 않고 상향인 경우까지 확대하여 이론식 및 수치 해석을 통해 안전율을 계산하였다. 안전율에 영향을 미치는 매개 변수는 파괴 면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위 중량, 점착력, 내부 마찰각 및 네일에 작용하는 인 장력 등을 고려하였으며 네일의 설치 각도는 상향 20°에서 하향 20°까지 5° 간 격으로 변화시키면서 네일의 경사각에 대한 영향을 분석하여 최적의 네일의 경사각을 얻고자 하였다.
본 연구는 이론적 계산 및 수치 해석 (Talren97) 프로그램으로 파괴 면에 대한 네일의 각도와 벽체의 높이, 단위 중량, 점착력, 내부 마찰각 및 네일에 작용하는 인장력 등을 고려해 안전율을 분석하여 벽체의 최적 네일 설치 각도를 연구하였다. 일반적인 네일의 설치 각도는 하향 15° 정도가 보편적으로 시공되고 있지만 본 연구에서는 배면 지반이 수평이고 수직벽 체인 경우로 한정하여 네일의 경사각을 상향 20°에서 하향 20*까지 5° 간 격으로 , 변화를 시키면서 네일 경사각의 영향을 분석하였으며 본 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
데이터처리
현재까지 국내에 보강재에 대한 상향설치 각도에 대한 문헌과 배수를 고려한 설계자료는 없는 실정이며 더욱이 국외의 경우도 이론적인 문헌 발표 사례만이 있을 뿐이다(Erol Gier 등, 2004).이 연구에서는 쏘일 네 일 보강재에 대한 상향식 설치 각도의 영향에 대하여 유한요소해석과 한계평형 해석 프로그램인 Talren97을 이용하여 비교분석하였으며, 실제 현장 계측을 통해 검증을 한 것으로 나타났다.
이론/모형
이론식과 Talren97의 수치 해석을 통한 경사각의 영향 네일의 경사와 안전율의 관계를 상기 이론식과 수치 해석 기법인 Talren97을 이용하여 먼저 계산하였다. 계산에 사용된 기본 매개 변수는 네일의 수평 간격=lm,
성능/효과
1) 이론식과 수치 해석 프로그램으로 경사각의 변화에 따른 안전율을 계산한 결과 두 조건 모두 네일을 상향으로 설치한 경우가 미소한 안전율 변화이지만 더 안전한 것으로 평가되었으며 특히 상향 10°정도에서 최대 안전율이 계산되었다.
2) 여러 매개 변수(벽체의 높이, 단위 중량, 점착력, 내부 마찰각 및 인장력)를 변화시켜 네일의 설치 각도에 따른 안전율을 계산한 결과 네일의 설치 각도는 하향보다 상향인 경우가 모두 더 안전한 것으로 계산되었으며 최적의 네일 설치 각도는 매개 변수에 따라서 약간씩 다르지만 상향 10°에서 15°사이에서 나타났다.
3) 매개 변수 변화에 따른 전체적인 안전율의 차이는 벽체의 높이, 점착력, 내부 마찰각 및 인장력의 경우는 변수의 차이에 따라서 큰 안전율의 차이를 보였지만 흙의 단위 중량은 큰 영향을 주지 않는 것으로 평가되었다. 상기의 결과 수직벽 체인 경우가상 파괴 면의 교차각 도를 최적화한다면 사면의 안정성 증대와 합리적인 설계가 이루어질 수 있을 것으로 판단되며 특히 상향식 보강 기술의 현장 시공 기술과 제반 장비의 개선을 통한 보강 기술의 발전도 함께 도모할 수 있을 것으로 판단된 다.
결과적으로, 네일의 적용은 슬라이딩에 대한 흙의 저항을 증가시키는 것이다 즉, FmrmaI-tan<p\ Ftangential의 합이극대화되어 진다는 것을 말한다. Fig.
단위 중량에 따른 네일의 경사각의 영향 검토에 적용된 매개 변수도 기본 매개 변수로 하고 단지 흙의 단위중 량(Ywi)과 네일의 경사각(6) 만을 변화시켜 안전율을 계산한 것이다. 계산 결과는 Fig. 7과 같고 안전율을 분석한 결과 단위 중량 차이에 따른 전체적인 안전율의 차이는 크지 않았다. 단지 단위 중량의 변화에 관계없이 모두 상향 10°에서 최적의 네일 설치 각도가 구해졌으며 네일의 설치 각도가 상향인 경우는 안전율에 차이가 거의 없지만 하향으로 갈수록 각도 차이에 따라 안전율이 감소하는 경향을 보였다.
본 경우는 벽체의 높이에 따른 경사각의 안전율 변화를 검토한 것으로써 기본 매개 변수로 하고 단지 벽체 의 높이 (H)와 네일의 경사각(β)만을 변화시켜 안전율을 구했다. 그 결과 벽체의 높이가 5 m인 경우는 상향 20°, 10 m인 경우는 상향 10°, 15 m인 경우는 상향 5°에서 미소 하나마 최적의 네일 설치 각도가 계산되었다. 또한 높이에 따른 네일의 설치 각도별 안전율의 계산 결과는 Fig.
7과 같고 안전율을 분석한 결과 단위 중량 차이에 따른 전체적인 안전율의 차이는 크지 않았다. 단지 단위 중량의 변화에 관계없이 모두 상향 10°에서 최적의 네일 설치 각도가 구해졌으며 네일의 설치 각도가 상향인 경우는 안전율에 차이가 거의 없지만 하향으로 갈수록 각도 차이에 따라 안전율이 감소하는 경향을 보였다.
이론식에 의한 결과는 안전율에 미세한 변화를 확인할 수 있었으며 배면 지반이 수평이고 수직벽 체인 경우에 대한 최적의 네일 설치 각도는 상향 10°일 경우 최대 안전율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Talren97에 의한 계산결과는 상향으로 갈수록 안전율이 더 크게 발휘되고 있음을 알 수 있었다. 그러나 이론식과 Talren97에 따른 네일의 안전율 분석 결과 약간의 차이를 보이는 이유는 이론식의 경우는 계산의 간편화를 위해 파괴면을 직선으로 가정하였기 때문이다.
8과 같다. 이 결과에 의하면 점착력이 증가하면 안전율이 크게 증가하여 점착력이 안전율에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 경사각의 영향은 점착력이 5kN/n?일 때는 상향 10°, 10, 15kN/m2일 때는 상향 15°에서 최대 안전율이 계산되었지만 네일의 경사각에 따른 안전율의 차이는 매우 작게 나타났다.
9 와 같다. 이 계산 결과에 의하면 내부 마찰각이 증가하면 안전율이 크게 증가하여 내부 마찰각도 안전율 증가에 크게 기여하는 것으로 평가되었다. 그리고 네일의 경사각에 대한 영향은 내부 마찰각이 20°인 경우는 상향 15°, 30°및 40인 경우는 상향 10°로 최대 안전율이 나타났지만 점착력항에서와 같이 동일한 내부마찰각 조건에서 네일의 경사각의 영향은 큰 차이를 보이지 않았다.
10 과 같다.이 계산 결과에 의하면 네일의 인장력이 커지면 안전율이 증가하지만 점착력 및 내부 마찰각에 비해 큰 안전율의 차이는 보이지 않았다.내일의 경사각에 대한 영향은 네일의 인장력이 20 kN 및 40 kN인 경우는 상향 10°에서 60 kN인 경우는 상향 15°로에서 최대 안전율이 계산되었으며 Fig.
5는 Table 1의 결과를 이론식과 TalreE97의 결과를 함께 비교하여 나타낸 것이다. 이론식에 의한 결과는 안전율에 미세한 변화를 확인할 수 있었으며 배면 지반이 수평이고 수직벽 체인 경우에 대한 최적의 네일 설치 각도는 상향 10°일 경우 최대 안전율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Talren97에 의한 계산결과는 상향으로 갈수록 안전율이 더 크게 발휘되고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
3) 매개 변수 변화에 따른 전체적인 안전율의 차이는 벽체의 높이, 점착력, 내부 마찰각 및 인장력의 경우는 변수의 차이에 따라서 큰 안전율의 차이를 보였지만 흙의 단위 중량은 큰 영향을 주지 않는 것으로 평가되었다. 상기의 결과 수직벽 체인 경우가상 파괴 면의 교차각 도를 최적화한다면 사면의 안정성 증대와 합리적인 설계가 이루어질 수 있을 것으로 판단되며 특히 상향식 보강 기술의 현장 시공 기술과 제반 장비의 개선을 통한 보강 기술의 발전도 함께 도모할 수 있을 것으로 판단된 다.
이 결과를 바탕으로 수직벽 체인 경우가 상 파괴면의 교차 각도를 최적화시킨다면 전체적인 사면의 안정성을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
천병식외, 2004, 유한요소해석에 의한 쏘일네일링의 네일 경사각의 영향에 관한 연구, 한국지반공학회 논문집, 제20권, 6호, pp.19-27
Erol Gler and Cemal F.Bozkurt, 2004, The effect of upward nail inclination to the stability of soil nail structures, Geotechnical Engineering for Transportation Projects, pp.2213-2220
FHWA, 1996, Manual for design and construction monitoring of soil nail walls, Federal Highway Administration Publication No. FHWA-SA-96-069R, November, pp.118-129
Jewell, R. A., 1980, Some effects of reinforcement on the mechanical behaviour of soil, Ph.D. Thesis, Cambridge University
Juran, I., G. Baudran, K. Farrag, and V. Elias, 1990, Design of soil-nailed retaining structures, In P. C. Iambe and L. A. Hansen (Eds), Design and Performance of Earth Retaining Structures, ASCE Geotechnical Special Publication No.25, pp.644-659
Shen, C. K., S. Bang L. R. Herrman, and K. L. Romstad, 1978, A reinforced lateral earth support system, Symposium on Earth Reinforcement, April, ASCE, Pittsburgh, Pennsylvania, pp.764c $\P$ 793
Shafiee, S., 1986, Numerical simulation of the behaviour of soil nailing : Interaction of soil nail and behaviour of the structure, Ph. D. Thesis, Ecole Nationale des Ponts et Chausses, Paris
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