앵커는 지중에서 힘을 받는 형태에 따라 마찰형 앵커, 지압형 앵커, 마찰지압병용형 앵커로 나눌 수 있으며 최근에는 두 가지 형태가 복합적으로 사용되어지는 앵커가 개발되고 있다. 지압형 앵커에 관하여도 많은 연구가 진행 되었지만, 파괴면을 직접 관찰한 예는 적었다. 그리고 지반재료도 주로 실제 모래가 아닌 탄소봉등을 이용하여 실험을 한 것이 대부분이다. 본 연구에서는 토조에 모래지반을 형성하고, 지압형 앵커를 토피비(H/h)에 따라 1~6까지 나누어 설치하고 각 토피비에 따른 인발력과 지반의 거동을 관찰하였다. 또한 지반변형해석 프로그램을 통해 지반 변위, 무신축 방향, 최대전단변형률 등고선에 대해서 분석하였다. 분석결과 극한 인발력의 발현시점인 변위 5mm에서는 파괴면의 폭이 기존의 이론보다 좁은 영역에서 진행되는 것을 관찰 할 수 있었고, 10, 15mm까지 변위가 증가할수록 파괴면의 폭이 넓어지고 지표면까지 확장하는 것을 확인할 수 있었다.
앵커는 지중에서 힘을 받는 형태에 따라 마찰형 앵커, 지압형 앵커, 마찰지압병용형 앵커로 나눌 수 있으며 최근에는 두 가지 형태가 복합적으로 사용되어지는 앵커가 개발되고 있다. 지압형 앵커에 관하여도 많은 연구가 진행 되었지만, 파괴면을 직접 관찰한 예는 적었다. 그리고 지반재료도 주로 실제 모래가 아닌 탄소봉등을 이용하여 실험을 한 것이 대부분이다. 본 연구에서는 토조에 모래지반을 형성하고, 지압형 앵커를 토피비(H/h)에 따라 1~6까지 나누어 설치하고 각 토피비에 따른 인발력과 지반의 거동을 관찰하였다. 또한 지반변형해석 프로그램을 통해 지반 변위, 무신축 방향, 최대전단변형률 등고선에 대해서 분석하였다. 분석결과 극한 인발력의 발현시점인 변위 5mm에서는 파괴면의 폭이 기존의 이론보다 좁은 영역에서 진행되는 것을 관찰 할 수 있었고, 10, 15mm까지 변위가 증가할수록 파괴면의 폭이 넓어지고 지표면까지 확장하는 것을 확인할 수 있었다.
Depending on the underground load support mechanism, anchors are classified as friction anchors, bearing plate anchors and the recently developed combined friction-bearing plate anchors which combine the characteristics of both the friction and bearing plate type anchors. Even though numerous studie...
Depending on the underground load support mechanism, anchors are classified as friction anchors, bearing plate anchors and the recently developed combined friction-bearing plate anchors which combine the characteristics of both the friction and bearing plate type anchors. Even though numerous studies have been performed on bearing plate anchors, there were only few studies performed to observe the failure surface of bearing plate anchors. Furthermore most of the soil materials used on these tests were not real sand but carbon rods. In this study, sand was placed in the soil tank and laboratory tests were performed with bearing plate anchors installed with an embedment depth (H/h) ranging from 1~6. The variation in the pullout capacity and the behaviour of soil with the embedment depth (H/h) were observed. Ground deformation analysis program was also used to analyze soil displacement, zero extension direction, maximum shear strain contours. It was determined from the analysis of the results that at ultimate pullout resistance the deformation was 5 mm and the failure surface occurred in a narrower area when compared with results of the previous researches. It was also observed that the width of the fracture surface gradually becomes wider and expands up to the surface as the deformation increases from 10 mm to 15 mm.
Depending on the underground load support mechanism, anchors are classified as friction anchors, bearing plate anchors and the recently developed combined friction-bearing plate anchors which combine the characteristics of both the friction and bearing plate type anchors. Even though numerous studies have been performed on bearing plate anchors, there were only few studies performed to observe the failure surface of bearing plate anchors. Furthermore most of the soil materials used on these tests were not real sand but carbon rods. In this study, sand was placed in the soil tank and laboratory tests were performed with bearing plate anchors installed with an embedment depth (H/h) ranging from 1~6. The variation in the pullout capacity and the behaviour of soil with the embedment depth (H/h) were observed. Ground deformation analysis program was also used to analyze soil displacement, zero extension direction, maximum shear strain contours. It was determined from the analysis of the results that at ultimate pullout resistance the deformation was 5 mm and the failure surface occurred in a narrower area when compared with results of the previous researches. It was also observed that the width of the fracture surface gradually becomes wider and expands up to the surface as the deformation increases from 10 mm to 15 mm.
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제안 방법
(3) 지압형 앵커의 극한 인발력은 기존 이론식을 통해 계산된 값들과 모형실험결과 값을 비교 분석한 결과 Meyerhof and Adams(1968)의 이론식과 Vesic(1971) 의 이론식과는 다르게 실내모형실험을 통한 극한인발력은 토피비(H/h)에 따라 다르게 나타남을 알수 있었고, 이에 따라 기존 이론식을 수정한 수정식을 제안하였다.
1) 모형지반에 지압형 앵커판의 토피비에 따른 파괴 기구(mechanism)을 파악하기 위하여 앵커판의 가로 길이(h)와 앵커판의 묻힌 깊이(H)의 비 즉, 토피비(H/h) 를 1에서 6까지 변화시켜 실험을 하였다.
3) 각 각의 토피비(H/h)에서의 파괴메카니즘 모양을 관찰하기 위하여 실험 전과 실험 후, 그리고 실험과정에 나타나는 지반변형의 형태를 사진으로 촬영하였다.
4) 촬영된 지반사진을 판독하고, 지반의 거동을 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 모형토조에 모래지반을 형성하고 지압형 앵커를 길이별로 설치하여 인발시 지압형 앵커의 거동을 사진 판독법을 통해 파괴형태를 관찰하였다. 또한 기존의 선행연구자들이 제시한 극한인발저항력 산정식으로 구한 계산치와 실내모형실험을 통해 구한 실험치를 비교분석하였다.
따라서 본 연구에서는 모형토조에 모래지반을 형성하고 지압형 앵커를 길이별로 설치하여 인발시 지압형 앵커의 거동을 사진 판독법을 통해 파괴형태를 관찰하였다. 또한 기존의 선행연구자들이 제시한 극한인발저항력 산정식으로 구한 계산치와 실내모형실험을 통해 구한 실험치를 비교분석하였다.
평면변형율토조의 앞면 아크릴판에 격자(5mm × 5mm) 가 인쇄된 멤브레인을 실리콘 그리스로 부착하여 모형 지압형 앵커의 인발시 지반 변형을 사진판독을 통하여 지반의 변형을 분석하였다. 또한 앵커와 인발장치 사이에 Fig. 5(c)와 같이 Load cell을 설치하여 인발시 극한인발력을 관찰하였다.
5(b)와 같이 크기가 20(H) × 450(L) × 100(W) mm로 제작되었으며 표면에 충분히 거친 사포를 부착함으로 모형 지반과의 마찰이 최대한 발휘될 수 있도록 제작 되었다. 또한 앵커체 및 연결봉은 강체로 제작되어 극한 인발력에도 변형이 없도록 하였다.
본 논문에서는 실내 토조실험을 통해 평면변형률 상태에서 지압형 앵커의 토피비(H/h)에 따른 인발력과 기존 인발력 산정식을 비교분석하였으며, 지반변형해석 프로그램을 통해 지반의 변위와, 파괴형상을 확인하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서 수행한 모형실험 일부에 대해 대표적인 지반 변형해석 결과인 지반 변위, 무신축 방향, 최대전단변형률 등고선에 대해서 분석하였고, 최대전단변형률 등고선이 집중하는 면을 파괴면으로 가정하여 점선으로 표시하였다.
따라서 극한 인발력이 발휘되는 시점에서의 파괴면은 기존이론에서 제시한 파괴면과 차이가 있고, 극한 인발력발휘 후 인발이 상당히 진행된 후에야 파괴면의 양상이 기존이론에서 제시한 파괴면의 범위에 근접하고 있고, 이때는 이미 극한인발력을 넘어 잔류상태로 가고 있는 점이란 걸 생각하면, 정확한 이론식의 결정시는 파괴면의 범위를 재조정해야 할 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 시험결과와 변형분석결과를 이용하여 기존의 Meyerhof and Adams(1968)의 이론식을 수정하여 시험결과에 근접하는 이론식을 식 (19)와 같이 제안하였다.
6은 각 실험의 인장하중과 수직 변위와의 관계를 나타낸 것이다. 인발력 산정은 최대인 발하중을 극한하중으로 결정하였다. B.
지반은 경상남도 현풍에서 채취한 모래를 자연 건조 시켜, 일정한 밀도를 유지하기 위하여 슬롯형 모래 뿌리기로 지반을 제작하였다.
토피비(H/h)가 5일 때는 앵커 인발시 파괴면의 형태가 극한인발력 발현시점인 변위 5mm에서는 지표면까지 파괴면이 연결되지 않는 토피비(H/h) 4이하의 앵커와는 다른 거동을 보이기에 변위를 5mm(Fig. 14), 10mm(Fig. 15), 15mm(Fig. 16)으로 나누어 지반의 거동을 분석하였다. 변위 5mm의 최대변형률 등고선도를 보면 파괴형상이 앵커의 모서리 안쪽부분에서 시작해서 등고선도의 중간부분까지만 연결되어 있고, 파괴면이 토피비(H/h) 4보다 적게 형성되어있다.
토피비(H/h)가 6일 때도 인발변위를 5mm(Fig. 17), 10 mm(Fig. 18), 15mm(Fig. 19)로 나누어 지반의 거동을 분석하였다. 토피비(H/h) 6이고 변위 5mm일 때는 최대변형률 등고선도를 보면 토피비(H/h)가 5일 때의 파괴면보다 형상이 좁고 등고선도의 중간보다 적게 나타나고 있다.
파괴면의 모습을 관찰하기 위해 극한인발력이 작용할 때, 즉 파괴가 일어난 점(Fig. 6을 통해 관찰해 보면 인발 후 5mm 전후에서 극한인발력이 발현됨)에서 얻은 값을 변형해석 프로그램을 통해 분석하였다. Fig.
사진촬영은 디지털 카메라(Eos 600D)를 사용하여 최대해상도 5184 × 2914 픽셀로 촬영하였다.
이때 지반에 사용된 모래의 최대 최소 건조밀도시험은 국내기준이 없어 일본의 규정(JGS, 1991) JSF T 161-1990를 사용했다.
지반재료는 Fig. 4와 같이 모래를 0.075mm체(#200) 와 씻기 방법을 이용하여 세립분을 제거한 후 공기 건조 상태에서 2mm체(#10)를 통과시켜 제작하였다. 공기 건조 상태에서의 함수비는 9.
토조는 Fig. 5(a)와 같이 제원이 953(H) × 1230(L) ×460(W) mm(V=0.539m3 )로 앞, 뒷면은 두께 20mm의 아크릴판으로 제작하고, 특히 앞면에는 지반거동을 사진 판독할 수 있게 제작하였다.
이론/모형
변형해석프로그램은 Koo(2013)에 의해 개발된 프로 그램 STR-contour을 사용하였으며, 본 프로그램에서 등매개변수는 요소의 변위분포를 나타내는 변위함수와 형상을 나타내는 형상함수를 동일하게 선정하는 4절점 등매개변수요소를 사용하고 있다(Im et al., 1992). 프로그램의 모형실험 결과분석 및 계산과정은 아래의 순서를 따른다.
성능/효과
(1) 기존에 선행연구들을 보면 앵커 폭의 2.5∼3배정도로 표면으로 파괴면이 형성되었다.
(2) 토피비(H/h)가 1∼4 정도의 얕은 앵커에서는 파괴면이 지표면까지 발달하지만 5, 6 정도로 깊어질 때는 극한 인발력 발휘시의 파괴면의 진행은 지표면까지 연결되지 않는 것으로 나타났고, 극한 인발력 발휘 (5mm) 이후에 계속적인 인발이 진행된 후에야 지표면까지 파괴면이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.
2) 인발장치의 재하속도는 1.2mm/min로 최대한 천천히 재하 하여 속도가 인발력에 미치는 영향을 최소화 했다.
2∼3배 정도)에서 진행되는 것을 관찰할 수 있었고 10, 15mm까지 변위가 증가할수록 파괴면의 폭이 넓어지고 지표면까지 확장하는 것을 확인할 수있었다. 5, 6 정도로 토피비(H/h)가 깊어질 때는 극한 인 발력 발휘시의 파괴면의 진행은 지표면까지 연결되지 않는 것으로 나타났고, 극한인발력 발휘(5mm) 이후에 계속적인 인발이 진행된 후에야 지표면까지 파괴면이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.
변위 10mm의 최대변형률 등고선도를 보면 파괴형상이 5mm일 때 보다 파괴면이 점점 넓어지며 지표면으로 커져가는 것을 볼 수 있고, 변위 15mm의 최대변형률 등고선도를 보면 모래지반의 변형이 커져 파괴형상이 점점 넓어지며 지표면까지 나타나는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 극한 인발력인 5mm정도에서는 파괴면의 폭이 기존의 이론보다 좁은 영역(앵커 폭의 1.2∼3배 정도)에서 진행되는 것을 관찰할 수 있었고 10, 15mm까지 변위가 증가할수록 파괴면의 폭이 넓어지고 지표면까지 확장하는 것을 확인할 수있었다.
5∼3배정도로 표면으로 파괴면이 형성되었다. 본 연구에서는 극한 인발력인 5mm정도에서는 파괴면의 폭이 기존의 이론보다 좁은 영역에서 진행되는 것을 관찰 할수 있었고, 10, 15mm까지 변위가 증가할수록 파괴 면의 폭이 넓어지고 지표면까지 확장하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
현재 토피비(H/h) 7이상의 깊은 앵커에 대해서 시험을 더 수행해야 알겠지만 지압형앵커는 타설된 깊이에 따라 일률적인 공식을 사용하기 보다는 각각 다른 공식을 적용해야 할 것으로 판단된다. 본 실험 결과를 비교하면 Meyerhof and Adams(1968)의 이론식이 실제 결과와 양상이 비슷하게 나옴을 알 수 있고, 이를 바탕으로 앵커체의 인발시 지반변형분석 결과를 참고하여 Meyerhof and Adams(1968)의 이론식을 수정하면 실제 설계에서도 적용이 가능하리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지압형 앵커는 토피고에 따른 파괴양상에 따라 어떻게 나뉘는가?
지압형 앵커는 묻힌 깊이(토피고)에 따라 두 가지 파괴 양상을 보이는데, 토피비(H/h)가 상대적으로 작아서 앵커 모서리부분에서 발생한 전단파괴면이 지표면까지 확장되는 상태를 얕은 앵커상태(shallow anchor condition) 라고 하고, 토피비가 상대적으로 커서 전단파괴면이 지표면까지 확장되지 않는 상태를 깊은 앵커상태(deep anchor condition)라고 한다(Kim et al., 1994).
앵커는 어떤 장점이 있는 공법인가?
앵커는 프리스트레스력에 의해 주변지반의 변형을 극소화 할 수 있다는 것과 높은 옹벽이나 가설 흙막이벽 등을 건설할 때의 단계적 절토에서의 사용공법으로서 장점이 많고, 기존옹벽의 보강공법과 택지 조성시 붕괴의 위험이 높은 사면의 안전 대책공법으로서 국내외 적으로 많이 적용되고 시공되고 있는 공법이다.
지반요소에서 파괴면을 각 연구자들은 어떻게 정의하였는가?
, 1992). 파괴면을 여러 연구자들이 제시하였는데, Frydman et al.(1976)은 최대전단변형률(γmax = ε1 -ε3)이 주변보다 극대화 되어 있는 면이라고 파괴면을 정의하였다. Baker(1980)는 극한평형계산에서의 파괴면은 움직이는 영역과 움직이지 않는 영역과의 경계면, 즉 “변위 경계면”으로 정의하였다. Roscoe(1970)는 모래지반에서의수동토압을 받는 옹벽의 모형실험을 행한 결과, 파괴면은 파괴전의 무신축(zero-extension) 방향과 일치하는 것을 확인하였다. 이 파괴면을 Roscoe파괴면(Roscoe rupture plane)이라 부르기도 한다. Tani(1986)는 “토요우라사 지반에 대한 기초저면이 매끄러운 띠기초의 모형실험에서 기초저면의 퇴적면이 수평인 지반 내의 파괴면 방향은 거의 최대응력경각면의 방향과 일치한다.” 라고 하였다.
참고문헌 (16)
Baker, R. (1980), "Determination of the critical slip surface in slope stability compressions", International Jour. for Numerical and Analytical methods in Geomechanics, Vol.4, pp.333-359.
Das, B. M. (1990), EARTH ANCHORS, Elsevier, pp.14-49.
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Hong, S. W. (1998), The study on pullout resistance characteristics and design of SSC anchor, Ph D. thesis, Pusan National University, pp.179-184 (in Korean).
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