쏘일네일링 공법은 흙막이 또는 사면안정을 위해서 가장 많이 사용되는 공법이다. 일반적으로 쏘일네일링 공법의 설계에서는 인발에 의한 파괴와 전단에 의한 파괴를 고려한다. 쏘일네일링의 파괴거동은 인발파괴와 전단파괴와 같이 파괴면을 가지면서 사면이 무너지는 경우도 발생하지만 굴착에 의해서 사면 표면의 수평응력이 감소함에 따라 점점 표면이 쓸려가는 얕은 파괴에 의해서 파괴에 이르는 경우가 실제 현장에서 자주 발생하게 된다. 따라서 쏘일네일링의 파괴거동을 크게 인발파괴, 전단파괴, 그리고 얕은파괴로 나누어 정의하였다. 본 논문에서는 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 이론적으로 산정하였다. 또한 각각의 파괴를 막기 위한 설계 최적화를 실시하였으며, 네일링의 정착길이, 개수, 그리고 얕은파괴를 막기 위한 전면에서의 최소 구속압을 설계변수로 두어 최적화 과정을 진행하였다. 최적화 과정은 먼저 네일링의 정착길이와 인장력을 설계변수로 하여 인발파괴 및 전단파괴에 대하여 최적화를 실시한다. 다음으로 각 굴착단계별 사면의 표면에서 얕은파괴를 막기 위한 최소의 구속압을 산정한 후 최적화를 반복수행하여 각각의 설계 변수를 산정하게 된다. 이와 같은 설계 최적화 프로그램을 통해서 인발파괴와 전단파괴만을 고려하는 기존의 설계 시스템에서 프리스트레스까지 산정할 수 있게 되었다.
쏘일네일링 공법은 흙막이 또는 사면안정을 위해서 가장 많이 사용되는 공법이다. 일반적으로 쏘일네일링 공법의 설계에서는 인발에 의한 파괴와 전단에 의한 파괴를 고려한다. 쏘일네일링의 파괴거동은 인발파괴와 전단파괴와 같이 파괴면을 가지면서 사면이 무너지는 경우도 발생하지만 굴착에 의해서 사면 표면의 수평응력이 감소함에 따라 점점 표면이 쓸려가는 얕은 파괴에 의해서 파괴에 이르는 경우가 실제 현장에서 자주 발생하게 된다. 따라서 쏘일네일링의 파괴거동을 크게 인발파괴, 전단파괴, 그리고 얕은파괴로 나누어 정의하였다. 본 논문에서는 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 이론적으로 산정하였다. 또한 각각의 파괴를 막기 위한 설계 최적화를 실시하였으며, 네일링의 정착길이, 개수, 그리고 얕은파괴를 막기 위한 전면에서의 최소 구속압을 설계변수로 두어 최적화 과정을 진행하였다. 최적화 과정은 먼저 네일링의 정착길이와 인장력을 설계변수로 하여 인발파괴 및 전단파괴에 대하여 최적화를 실시한다. 다음으로 각 굴착단계별 사면의 표면에서 얕은파괴를 막기 위한 최소의 구속압을 산정한 후 최적화를 반복수행하여 각각의 설계 변수를 산정하게 된다. 이와 같은 설계 최적화 프로그램을 통해서 인발파괴와 전단파괴만을 고려하는 기존의 설계 시스템에서 프리스트레스까지 산정할 수 있게 되었다.
Soil-nailing is the most popular method of reinforcing for slope stability. In general, two factors are considered as failure modes during the soil-nailing design stages: pullout failure mode and shear failure mode that will occur on the most probable failure plane. In many cases, however, shallow f...
Soil-nailing is the most popular method of reinforcing for slope stability. In general, two factors are considered as failure modes during the soil-nailing design stages: pullout failure mode and shear failure mode that will occur on the most probable failure plane. In many cases, however, shallow failure can also occur when the ground near the slope face is swept away by the horizontal stress release during the staged top-down excavation. In this paper, an optimized soil-nailing design methodology is proposed by considering the three failure modes mentioned above: pullout failure; shear failure; and shallow failure. The variables to be optimized include the bonded length and number of soil-nailings, and the confining pressure that should be applied at the slope face. The procedure to obtain the optimized design variables is as follows: at first, optimization of soil-nailings, i.e. bonded length and number, against pullout and shear failure modes; and then, optimization of confining pressure at each excavation stage that is needed to prevent shallow failure. Since the two processes are linked with each other, they are repeated until the optimized design variables can be obtained satisfying all the constrained design requirements in both of the two processes.
Soil-nailing is the most popular method of reinforcing for slope stability. In general, two factors are considered as failure modes during the soil-nailing design stages: pullout failure mode and shear failure mode that will occur on the most probable failure plane. In many cases, however, shallow failure can also occur when the ground near the slope face is swept away by the horizontal stress release during the staged top-down excavation. In this paper, an optimized soil-nailing design methodology is proposed by considering the three failure modes mentioned above: pullout failure; shear failure; and shallow failure. The variables to be optimized include the bonded length and number of soil-nailings, and the confining pressure that should be applied at the slope face. The procedure to obtain the optimized design variables is as follows: at first, optimization of soil-nailings, i.e. bonded length and number, against pullout and shear failure modes; and then, optimization of confining pressure at each excavation stage that is needed to prevent shallow failure. Since the two processes are linked with each other, they are repeated until the optimized design variables can be obtained satisfying all the constrained design requirements in both of the two processes.
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문제 정의
1b에서 보는 것과 같이 전체 파괴면에서의 인발파괴, 전단파괴, 그리고 얕은파괴면에서의 얕은파괴로 나뉠 수 있으며, 본 논문에서는 흙막이공과 같이 연직사면과 같은 곳에서 세 가지 파괴모드를 모두 적용할 수 있는 설계 최적화 프로그램을 제안하고자 한다. 따라서 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 마련하기 위해 이론적 검토를 실시하였다. 인발파괴와 전단파괴는 사면에서 작용하는 가상의 파괴면에 대해서 저항하는 요소(주면마찰력, 보강재의 인장력)가 버틸 수 있는지에 대한 여부를 이론적으로 검토하였다.
하지만 각각의 프리스트레스 하중을 지반 및 시공조건을 고려하지 않고 일괄적으로 보강재의 항복하중의 절반정도로 적용하기 때문에 실제 가해주어야 하는 구속압보다 더 큰 하중을 주는 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 적절한 프리스트레스 하중을 산정할 수 있도록 이론적인 검토를 실시하였다. Fig.
따라서 이러한 경우 굴착면에서 구속압을 가할 수 있는 공법이 필요하며, 앵커공법 같은 경우 프리스트레스를 가하게 된다. 따라서 사면 보강공법의 설계에서 얕은파괴에 기인하는 요소를 포함하는 것이 필수적이며, 본 논문에서는 인발파괴와 전단파괴 뿐만 아니라 얕은파괴에 대한 거동을 이론적으로 규명하였다. 또한 세 가지 파괴모드에 대한 최적화 프로그램을 개발하여 지반조건 및 시공조건 변화에 따른 최적의 설계변수를 선정하였다.
본 논문에서는 세 가지 파괴모드에 대한 제약조건을 이론적으로 검토하였으며, 각각의 파괴조건에 대한 설계변수를 찾아가는 최적화 과정에 대해서 전개하였다. 본 절에서는 앞서 전개한 세 가지 파괴모드에 대한 설계최적화에 대해 특정 지반 및 시공 조건을 대입하여 최적화되는 과정 및 결과를 도시화하고자 한다.
본 논문에서는 얕은파괴를 막기 위한 구속압을 굴착단계별로 산정하였다. 따라서 각 굴착 층별로 프리스트레스와 같은 구속압이 다르게 산정된다.
10에서 보는 것과 같이 전체파괴면에 대한 설계최적화를 실시한 후에 각 층별 구속압을 산정하게 된다. 본 예시에서는 구속압을 보강재를 이용한 프리스트레스를 가하는 것으로 하였다. 프리스트레스는 각 층별로 산정하게 되며, 먼저 첫 번째 층의 프리스트레스 하중은 식 (5)를 통해서 산정할 수 있다.
본 논문에서는 세 가지 파괴모드에 대한 제약조건을 이론적으로 검토하였으며, 각각의 파괴조건에 대한 설계변수를 찾아가는 최적화 과정에 대해서 전개하였다. 본 절에서는 앞서 전개한 세 가지 파괴모드에 대한 설계최적화에 대해 특정 지반 및 시공 조건을 대입하여 최적화되는 과정 및 결과를 도시화하고자 한다. 설계지반 및 시공 조건은 Table 1 및 Fig.
쏘일네일링의 파괴모드는 Fig. 1b에서 보는 것과 같이 전체 파괴면에서의 인발파괴, 전단파괴, 그리고 얕은파괴면에서의 얕은파괴로 나뉠 수 있으며, 본 논문에서는 흙막이공과 같이 연직사면과 같은 곳에서 세 가지 파괴모드를 모두 적용할 수 있는 설계 최적화 프로그램을 제안하고자 한다. 따라서 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 마련하기 위해 이론적 검토를 실시하였다.
따라서 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 마련하기 위해 이론적 검토를 실시하였다. 인발파괴와 전단파괴는 사면에서 작용하는 가상의 파괴면에 대해서 저항하는 요소(주면마찰력, 보강재의 인장력)가 버틸 수 있는지에 대한 여부를 이론적으로 검토하였다. 하지만 얕은파괴의 경우 굴착에 따라 파괴면이 변경되기 때문에 전체파괴면이 아닌 굴착 단계별 파괴면에 대한 설계변수(굴착면 구속압)를 산정하였다.
가설 설정
또한 연직한 사면에 대해 파괴면을 45+2φ로 가정하였다.
지반 정수는 일반적인 사면의 물성치를 적용하였고, 철근의 항복하중은 일반적으로 쏘일네일링에서 사용되는 직경 25mm의 물성치를 적용하였다. 시공조건에서 구근의 직경을 천공홀의 직경으로 가정하였으며, 최소 설치간격을 일반 중력식 쏘일네일링의 최소 설치 간격 1.5m로 가정하였다. 또한 적용된 안전율은 비탈면 설계기준(2006)을 바탕으로 적용하였다.
제안 방법
(1) 전체파괴면에서는 설계 최적화를 위해 크게 네 가지의 제약조건을 제시하였다. 인발파괴는 보강재의 인장하중이 충분한 가운데 주면마찰력보다 과도한 토체하중이 가해지면 발생하게 된다.
(3) 세 가지 파괴모드를 고려한 쏘일네일링의 설계위한 최적화 과정을 진행하였다. 전체파괴면에 대한 제약조건 네 가지를 통해서 설계변수인 네일링의 정착장 길이(X1)와 개수(X2)를 목적함수로 두어 최적화를 실시한다.
반면 전단파괴는 주면마찰력이 충분한 가운데 보강재의 인장력보다 과도한 토체하중이 가해지면 발생하게 된다. 두 파괴모드 모두 지반 자체의 저항성분에 의해 저항한 후 남은 잔여 토체 하중에 대해 각각 주면마찰력과 보강재의 인장력이 견딜 수 있는 정도를 판단하였으며, 이를 이론적으로 검증하였다. 추가적으로 전체파괴면에는 시공조건에 따라 최소길이에 따른 제약 조건과 최소간격에 따른 제약조건을 마련하였다.
또한 연직한 사면에 대해 파괴면을 45+2φ로 가정하였다. 따라서 본 논문에서는 각각의 파괴모드에 대한 이론을 바탕으로 제약조건을 산정하였으며, 설계변수인 네일링의 정착장길이(X1)와 네일링의 개수(X2)를 목적함수로 두어 최적화 과정을 수행하였다(Fig. 2 참조).
만약 적용되는 지반이 암반과 같이 취성적인 거동을 보이는 지반이라면 보강재는 전단에 의해서 파괴가 발생하지만 일반적으로 쏘일네일링이 시공되는 지반은 유동성이 있는 토사지반이기 때문에 흙이 쓸려 내려오면서 보강재를 잡아당기는 거동을 하게된다. 따라서 본 논문에서는 전단파괴에 의한 보강재의 거동을 전단거동으로 보지 않고 인장거동으로 본다.
따라서 사면 보강공법의 설계에서 얕은파괴에 기인하는 요소를 포함하는 것이 필수적이며, 본 논문에서는 인발파괴와 전단파괴 뿐만 아니라 얕은파괴에 대한 거동을 이론적으로 규명하였다. 또한 세 가지 파괴모드에 대한 최적화 프로그램을 개발하여 지반조건 및 시공조건 변화에 따른 최적의 설계변수를 선정하였다.
본 논문에서는 쏘일네일링의 세 가지 파괴모드를 이론적으로 규명하였으며, 설정된 제약조건에 따라 목적함수를 변화시켜가며 설계변수를 산정하는 최적화 과정을 진행하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 전체파괴면에 의해서 인발파괴와 전단파괴에 대한 제약조건을 산정하였으며, 또한 시공조건에 따라 추가적인 제약조건을 산정하였다. 주어진 네 가지의 제약조건을 통해서 전체파괴면에 대한 최적화를 실시할 수 있으며, 쏘일네일링 설계 최적화의 과정은 Fig.
따라서 설계자는 두 경계 사이에서 안정성과 경제성을 판단하여 적절한 설계변수를 산정하여야 한다. 본 예시에서는 정착장 길이를 2.5m, 그리고 네일링 개수 90개를 5단계로 굴착하였으며, 설치간격을 2.0m로 산정하였다(Fig. 14b 참조).
따라서 이를 방지하기 위해 굴착면에서 구속압을 가해야 한다. 쏘일네일링이나 앵커 공법 같은 경우 프리스트레스를 가하게 되며, 일괄적으로 프리스트레스를 가하는 것이 아니라 각 굴착단계별로 필요한 하중만을 가할 수 있도록 이론식을 제안하였다.
인발파괴를 이론적으로 규명하기 위해서 파괴면에서의 거동특성을 분석하였으며, 인발파괴는 크게 세 단계로 나누어서 진행된다. 먼저 Fig.
(3) 세 가지 파괴모드를 고려한 쏘일네일링의 설계위한 최적화 과정을 진행하였다. 전체파괴면에 대한 제약조건 네 가지를 통해서 설계변수인 네일링의 정착장 길이(X1)와 개수(X2)를 목적함수로 두어 최적화를 실시한다. 산정된 네일링의 개수를 통해 얕은파괴의 제약조건을 고려하여 굴착단계별 프리스트레스를 산정할 수 있다.
인발파괴와 전단파괴는 사면에서 작용하는 가상의 파괴면에 대해서 저항하는 요소(주면마찰력, 보강재의 인장력)가 버틸 수 있는지에 대한 여부를 이론적으로 검토하였다. 하지만 얕은파괴의 경우 굴착에 따라 파괴면이 변경되기 때문에 전체파괴면이 아닌 굴착 단계별 파괴면에 대한 설계변수(굴착면 구속압)를 산정하였다. 또한 연직한 사면에 대해 파괴면을 45+2φ로 가정하였다.
대상 데이터
13에 있다. 지반 정수는 일반적인 사면의 물성치를 적용하였고, 철근의 항복하중은 일반적으로 쏘일네일링에서 사용되는 직경 25mm의 물성치를 적용하였다. 시공조건에서 구근의 직경을 천공홀의 직경으로 가정하였으며, 최소 설치간격을 일반 중력식 쏘일네일링의 최소 설치 간격 1.
이론/모형
5m로 가정하였다. 또한 적용된 안전율은 비탈면 설계기준(2006)을 바탕으로 적용하였다.
본 논문에서는 Wang과 Richwien(2002)이 제안한 주면마찰 이론을 적용하였으며, 주면마찰력(τf) 식은 (1)과 같다.
성능/효과
과한 프리스트레스 하중을 가하게 되면 초기의 지반변위억제에는 도움이 되겠지만 가한 하중만큼 보강재의 인장력이 감소하여 장기적으로 전체 사면의 안정성에 있어서는 불안전 요소로 작용한다. 따라서 본 논문에서 제안한 프리스트레스 하중만을 가하게 되면 얕은파괴를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 보강재의 인장력을 사용하게 되어 장기적인사면의 안정성에도 도움이 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쏘일네일링 공법은 무엇인가?
쏘일네일링 공법은 지반에 네일을 삽입한 후 그라우팅을 수행하여 지반과 일체화함으로써 원지반의 전단저항력 및 네일의 인발저항력을 활용하는 보강공법이다. 따라서 지반의 변위가 발생하면 저항을 하게 되는 수동적인 공법이다.
일반적으로 쏘일네일링 공법의 설계에서는 무엇에 대하여 고려하는가?
쏘일네일링 공법은 흙막이 또는 사면안정을 위해서 가장 많이 사용되는 공법이다. 일반적으로 쏘일네일링 공법의 설계에서는 인발에 의한 파괴와 전단에 의한 파괴를 고려한다. 쏘일네일링의 파괴거동은 인발파괴와 전단파괴와 같이 파괴면을 가지면서 사면이 무너지는 경우도 발생하지만 굴착에 의해서 사면 표면의 수평응력이 감소함에 따라 점점 표면이 쓸려가는 얕은 파괴에 의해서 파괴에 이르는 경우가 실제 현장에서 자주 발생하게 된다.
보강재에서 인장저항을 하게되면 어떤 결과를 초래할 수 있는가?
5a에서 보는 것과 같이 인장저항을 하게 된다. 하지만 주면마찰력이 충분한 가운데 보강재의 인장력보다 과도한 토체하중이 발생하게 되면 보강재가 끊어지게 되는 전단파괴가 발생하게 된다(Fig. 5b 참조).
참고문헌 (5)
한국시설안전기술공단 (2006), 비탈면 설계기준, 건설교통부, 대한민국
FHWA. (1998). "Manual for Design & Construction Monitoring of Soil Nail Walls." Federal Highway Administration, US Department of Transportation, USA.
John, P. T. and Wayne, G. J. (2005). "Landslide Stabilization Using Soil Nail and Mechanically Stabilized Earth Walls: Case Study." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 131, No.2, pp.141-150.
Tan, Y., and Chow, C. (2004). "Slope Stabilization Using Soil Nails: Design Assumption sand Construction Realities." Malaysia-Japan Symposium on Geohazardsand Geoenvironmental Engineering, Bangi, Malaysia.
Wang, Z. and Richwien, W. (2002). "A study of soil-reinforcement interface friction." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.128, No.1, pp.92-94.
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