본 연구는 풍화암 지반에 근입되어 인발하중을 받는 앵커의 극한인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동 예측에 관한 수치해석적 연구이다. 풍화암 지반에 앵커를 시공하고 앵커의 정착길이, 천공직경, 텐던직경을 변화시킨 현장 앵커시험 자료를 수집하고 이에 대한 유한차분의 수치모델링을 통하여 앵커의 거동에 영향을 주는 변수에 대하여 알아보았다. 또한 앵커의 거동에 영향을 주는 변수들 사이의 상관성을 분석하여 상관식을 제안하였으며 이 관계를 이용하여 앵커의 거동을 예측하고자 하였다. 수치해석결과 앵커의 정착길이 및 천공직경, 텐던직경이 증가할수록 극한하중이 선형 비례하는 결과를 나타내었다. 한편, 풍화암의 탄성계수를 변화시킨 수치해석 결과 하중-변위 및 극한하중의 변화는 10% 범위 이내의 값을 나타내어 탄성계수가 극한하중에 미치는 영향이 크지 않음을 나타내었다.
본 연구는 풍화암 지반에 근입되어 인발하중을 받는 앵커의 극한인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동 예측에 관한 수치해석적 연구이다. 풍화암 지반에 앵커를 시공하고 앵커의 정착길이, 천공직경, 텐던직경을 변화시킨 현장 앵커시험 자료를 수집하고 이에 대한 유한차분의 수치모델링을 통하여 앵커의 거동에 영향을 주는 변수에 대하여 알아보았다. 또한 앵커의 거동에 영향을 주는 변수들 사이의 상관성을 분석하여 상관식을 제안하였으며 이 관계를 이용하여 앵커의 거동을 예측하고자 하였다. 수치해석결과 앵커의 정착길이 및 천공직경, 텐던직경이 증가할수록 극한하중이 선형 비례하는 결과를 나타내었다. 한편, 풍화암의 탄성계수를 변화시킨 수치해석 결과 하중-변위 및 극한하중의 변화는 10% 범위 이내의 값을 나타내어 탄성계수가 극한하중에 미치는 영향이 크지 않음을 나타내었다.
This study is an numerical study of predicting the behavior of anchor embedded in weathered rocks, subjected to uplift loads, about ultimate pullout capacity and the failure mechanism. Factors influencing the behavior of anchors were investigated by reviewing the data about in-situ anchor tests perf...
This study is an numerical study of predicting the behavior of anchor embedded in weathered rocks, subjected to uplift loads, about ultimate pullout capacity and the failure mechanism. Factors influencing the behavior of anchors were investigated by reviewing the data about in-situ anchor tests performing numerical modelling with changing the bondage length of anchor, diameter of anchor body and diameter of tendon, and by correlations between those factors were evaluated to apply them to predict the behavior of anchors. As results of numerical analysis, a linear relationship between bondage length, diameter of anchor body and diameter of tendon with ultimate pullout capacity was obtained on the one hand, from the result of numerical analysis changing the Young's modulus of weathered rock, this parameter was found to influence to load-displacement and ultimate pullout capacity within the range of 10%, which was not so significant to affect.
This study is an numerical study of predicting the behavior of anchor embedded in weathered rocks, subjected to uplift loads, about ultimate pullout capacity and the failure mechanism. Factors influencing the behavior of anchors were investigated by reviewing the data about in-situ anchor tests performing numerical modelling with changing the bondage length of anchor, diameter of anchor body and diameter of tendon, and by correlations between those factors were evaluated to apply them to predict the behavior of anchors. As results of numerical analysis, a linear relationship between bondage length, diameter of anchor body and diameter of tendon with ultimate pullout capacity was obtained on the one hand, from the result of numerical analysis changing the Young's modulus of weathered rock, this parameter was found to influence to load-displacement and ultimate pullout capacity within the range of 10%, which was not so significant to affect.
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문제 정의
이를 위하여 본 연구에서는 먼저 풍화대 지반에 근입되어 인발하중을 받는 앵커의 극한 인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동을 예측하기 위하여 현장 앵커시험 결과와 비교하고 이에 대한 유한차분의 수치모델링을 통하여 앵커거동에 영향을 주는 변수에 대하여 알아보았다. 또한 이들 변수 사이의 상관성을 분석하여 상관식을 제안하였으며 이 관계를 이용하여 앵커의 거동을 예측하고자 하였다.
본 연구에서는 풍화암 지반에 근입된 그라운드 앵커에 대한 수치해석을 통하여 앵커의 거동에 영향을 주는 변수에 대해 고찰하고 이들 사이의 상관성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 장에서는 앵커의 극한인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동을 알아보기 위하여 고속철도 ○○역사 공사구간에서 실규모로 실시한 현장앵커시험 내용을 정리하였다.
제안 방법
1) 풍화암에 근입되어 인발하중을 받는 그라운드 앵커에 대하여 유한차분의 수치모델링을 통하여 앵커의 한계하중 및 파괴메카니즘을 예측하였다.
Cable요소는 그라우트와 Cable사이 또는 원지반과 Cable사이의 전단저항(접합력)으로 앵커의 전단저항을 모델링하였다. Cable요소는 보강재의 전체길이에서의 변형에 대한 저항력을 고려할 뿐 아니라 그라우트 체의 부분적 전단파괴를 모델링하는데 적합하다.
5 m로 하여 인발에 의한 영향을 충분히 고려하였으며 수직방향은 앵커의 최대길이가 7 m 인 점을 고려하여 8m로 설정하였다. 또한, 유한차분 격자망은 인발시험에 의한 지반의 국부파괴(Local Failure)를 반영하기 위해 앵커체 부분을 0.0125~0.31 m의 아주 작은 크기로 격자망을 구성하였다.
본 수치해석에서 모델링한 앵커의 규격은 다음 표 5와 같이 텐던을 36, 50 mm로 한 경우와 천공경을 108, 125, 165 mm로 한 경우, 정착길이를 2, 3, 5, 7 m로 한 경우등 7가지 경우로 해석을 실시하였으며 지반의 탄성계수의 영향을 파악하기 위하여 탄성계수를 10,000~30,000 tf/m2으로 변화시키는 해석을 실시하였다.
본 현장 앵커시험은 상부 지반을 굴착하고 풍화암과 풍화토 지반에서 수행하였으며 지반의 단위중량은 20.6 kN/m3으로 나타났고 내부마찰각은 35o, 암석과 그라우트체의 마찰저항치는 현장여건을 고려하여 392.3 kN/m2을 적용하였다. 표4에 해석에 사용된 지반 및 재료의 물성값을 나타내었다.
이를 위하여 본 연구에서는 먼저 풍화대 지반에 근입되어 인발하중을 받는 앵커의 극한 인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동을 예측하기 위하여 현장 앵커시험 결과와 비교하고 이에 대한 유한차분의 수치모델링을 통하여 앵커거동에 영향을 주는 변수에 대하여 알아보았다. 또한 이들 변수 사이의 상관성을 분석하여 상관식을 제안하였으며 이 관계를 이용하여 앵커의 거동을 예측하고자 하였다.
텐던의 직경변화가 하중-변위 곡선에 미치는 영향을 알아보고자 텐던의 직경을 36, 50 mm로 변화시켜 실험과 수치해석을 실시하여 그림 15에 나타내었다.
본 장에서는 앵커의 극한인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동을 알아보기 위하여 지반공학적 문제의 해석에 널리 사용되는 유한차분 범용 해석 프로그램인 FLAC을 사용하였다. 해석은 현장 앵커시험 내용 중 앵커의 정착길이 변화와 텐던직경, 천공직경 변화에 대한 내용을 수치해석적으로 검증하고 풍화암의 탄성계수를 변화시키는 조건으로 수치해석을 실시하였다.
현장앵커시험은 표 1에 나타낸 바와 같이 앵커의 정착길이, 천공직경, 텐던 직경의 세가지 변수를 변화시키는 매개변수 시험을 실시하였으며 사용된 앵커는 Bar Type으로 표 2에 앵커의 특성을 정리하였다.
대상 데이터
앵커시험을 실시한 현장지반은 풍화암 지반이며, 공사구간 좌측에 항상 만수위 상태의 저수지가 위치하고 있어 지반굴착시 지하 5 m 깊이에서 지하수면이 발생하여 부력저항 앵커를 사용하였다.
이론/모형
본 장에서는 앵커의 극한인발력 및 파괴메카니즘 등의 거동을 알아보기 위하여 지반공학적 문제의 해석에 널리 사용되는 유한차분 범용 해석 프로그램인 FLAC을 사용하였다. 해석은 현장 앵커시험 내용 중 앵커의 정착길이 변화와 텐던직경, 천공직경 변화에 대한 내용을 수치해석적으로 검증하고 풍화암의 탄성계수를 변화시키는 조건으로 수치해석을 실시하였다.
본 해석에서 사용된 구성 모델은 지반에 적합한 것으로 알려진 Mohr-Coulomb 의 탄소성 모델을 사용하였으며 이에 대한 파괴규준을 따랐다. 또한 앵커의 인발저항에 대한 거동을 모사하기 위하여 그림 3과 같은 Cable 요소를 사용하였다.
성능/효과
2) 앵커의 정착길이-한계하중에 대한 상관성 분석결과 실험은 한계하중이 앵커 정착길이의 3제곱에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으나 수치해석결과 정착부의 길이에 극한하중이 선형비례하는 결과를 나타내고 있다.
3) 앵커체의 천공직경 및 텐던직경을 변화시킨 수치해석 결과 천공직경과 텐던직경이 증가함에 따라 한계하중이 선형 비례하는 결과를 나타내었다.
4) 풍화암의 탄성계수를 변화시킨 수치해석 결과 하중-변위 및 극한하중의 변화는 10% 범위이내의 값을 나타내어 탄성계수가 극한하중에 미치는 영향이 크지 않음을 나타내었다.
그림에 나타낸 바와 같이 실험 및 수치해석 결과가 텐던직경이 증가함에 따라 한계하중은 증가하였으나 하중 변위 곡선의 초기접선 기울기는 실험과 수치해석 결과가 많은 차이를 나타내고 극한하중은 비교적 잘 일치하였다.
앵커의 정착길이를 2, 3, 5, 7 m로 변화시킨 현장앵커시험과 수치해석의 하중-변위 결과를 비교하여 표 6과 그림 8~11에 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 정착길이가 증가함에 따라 한계하중값이 증가하는 것으로 나타났으며 정착길이가 2, 7 m일때는 수치해석의 극한하중값이 실험결과와 비교적 잘 일치하였으나 정착길이가 3, 5m일때는 수치해석 결과가 실험결과보다 약 33~67% 크게 나타났다.
천공직경을 108, 125, 165 mm로 변화시킨 실험결과와 수치해석 결과를 비교하여 표 7과 그림 13에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 천공직경이 증가함에 따라 극한하중 값이 증가하였으며 실험과 수치해석의 극한하중 값이 잘 일치하는 것으로 나타났으나 초기 접선기울기는 실험이 더 급하게 나타났다.
앵커의 시험은 최종적인 파괴를 유도할 때까지 실시해야 하지만 일반적으로 안전 등의 이유로 인장재 항복강도의 95% 또는 극한강도의 80% 중 작은 값을 한도로 하고 경우에 따라서는 비례한계 강도를 상한으로 한다. 따라서 본 시험은 현장조건 및 앵커의 조건에 따라 표 3에 나타낸 바와 같이 항복강도 및 극한강도, 안전하중에 의해 계획 최대시험 하중을 산정한 결과 계획 최대시험하중은 1303.28 kN이다.
2 m 까지지반의 융기가 발생하여 가장 넓게 수평방향으로 진행된 콘 파괴형태를 나타내었으나 정착길이가 길어짐에 따라 수평방향의 영향폭이 작아져 마찰파괴의 양상을 나타내었다. 또한,수치해석 결과는 실험결과와 비교하여 정착길이의 변화에 따른 경향성은 유사하게 나타나 정착길이가 짧아짐에 따라 수평방향의 변위폭이 넓게 나타났으나 하중단계가 증가함에 따라 실험 변위값과 큰 차이를 나타내었다.
상관성 분석 결과 현장 앵커시험은 Kd>2일때는 R2=0.78의상관성을 나타내었으나 Ltt>25.4 mm일때는 R2=0.99의 아주 높은 상관성을 나타내어 천공직경에 비례하여 극한하중이 증가함을 나타내었으나 수치해석은 선형 비례하는 결과를 나타내었고 상관계수 R2=0.99로 매우 높은 상관성을 나타내었다.
99로 매우 높은 상관성을 나타내었다. 이는 그라우트와 지반과의 주면마찰력이 선형적으로 증가함을 의미하는 것으로 본 앵커의 그라우트는 지반보다 강성이상대적으로 크고 균질한 풍화암 지반에 설치되었음을 고려할 때 일정한 단위 주면마찰력을 갖는 지반에서의 앵커의 극한하중은 유효 그라우트 천공직경에 선형 비례하여 증가함을 확인 할 수 있었다.
후속연구
한편, 지반에 근입된 앵커의 극한인발력은 현장 인발시험에 의해 얻어지는 하중•변위로 결정하는 것이 가장 좋은 방법이나 현장 인발시험은 비용과 장비의 한계성을 가지기 때문에 수치해석을 통하여 앵커의 극한인발력을 예측할 수 있다면 실제 설계에 매우 유용할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
앵커는 무엇인가?
앵커는 구조물에 작용하는 외력에 저항하기 위해 구조물과 지반과의 사이에 앵커를 정착시키고 프리스트레스를 가하므로써 구조물의 안정성을 도모하는 것으로써 사면, 터널 등과 같은 토목구조물의 안정성을 확보하기 위하여 임시 또는 영구적인 기초로 광범위하게 사용되고 있다. 앵커가 실용화 된 지는 약 30년 정도 이상으로 앵커 시스템은 그 종류와 용도에 따라 적용범위가 확대되고 있으며 설계방법, 구성요소, 시공방법 등의 개선이 점차 이루어 지고 있다.
앵커는 어디에 사용되는가?
앵커는 구조물에 작용하는 외력에 저항하기 위해 구조물과 지반과의 사이에 앵커를 정착시키고 프리스트레스를 가하므로써 구조물의 안정성을 도모하는 것으로써 사면, 터널 등과 같은 토목구조물의 안정성을 확보하기 위하여 임시 또는 영구적인 기초로 광범위하게 사용되고 있다. 앵커가 실용화 된 지는 약 30년 정도 이상으로 앵커 시스템은 그 종류와 용도에 따라 적용범위가 확대되고 있으며 설계방법, 구성요소, 시공방법 등의 개선이 점차 이루어 지고 있다.
참고문헌 (6)
김래현, 이기환, 이우진, 김대규, 김낙경 (2002) 현장시험에 의한 그라운드 앵커 시스템의 크리프 및 단기거동 특성 연구, 대한토목학회 논문집, 제22권, 제6-C호, pp.585-594.
신방웅 (1998) 지반특성에 따른 헬리컬 앵커의 극한인발력에 관한 연구, 대한토목학회 논문집, Vol.18, No. III-6, pp.911-920.
조용선, 권오엽 (1997) 단일 나선형 앵커의 인발 저항력에 관한 연구, 대한토목학회 논문집, Vol.17, No. III-3, pp.275-283.
BSI. (1989) Ground Anchorages, BS 8081, British Standard Code of Practice, pp.77-84.
DIN4125. (1990) Ground Anchorages Design, Construction and Testing, Deutsche Industrie Norm, pp.341-389.
PTI. (1996) Recommendations for Prestressed Rock and Soil Anchors, Post-Tension Institute.
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