일반적인 영구앵커(마찰형 앵커)는 정착장에서 지반과 그라우트의 마찰력으로 인발에 저항하는 구조이지만, 지압형 앵커는 확공부에서 발생하는 지압력으로 인발에 저항하여 지반변형을 억제하는 방식이다. 본 연구는 확공을 이용한 지압형 앵커 활용 시 합리적인 지압력 산정을 위해 수행되었으며, 지압력 산정 시 도해법, 실내실험, 수치해석적 방법을 수행하고 그 결과를 지반의 일축압축강도와 비교, 분석하였다. 도해법에서는 앵커의 지압력을 천공경($r_i$), 확장되는 천공경($r_e$), 일축압축강도(${\sigma}_c$)의 함수로 정의하였다. 실내실험을 통한 연구에서는 실내 모형을 제작하여 앵커 인장시험을 수행하여 지압력을 확인하였고, Flac 3D를 이용한 3차원 유한차분해석을 통해 지반조건별 지압력을 확인하였다. 실내실험 및 수치해석에서 도출된 지압력은 회귀분석을 통해 지압력 산정식을 제시하였다. 지압력은 실내실험에서 일축압축강도 대비 약 28.5배로 가장 큰 결과를 나타내었는데, 이는 순수 지압력 뿐만 아니라 앵커체 확장에 따른 주면마찰저항력이 함께 작용했기 때문인 것으로 판단된다. 도해법과 수치해석에서 확인된 지압력은 일축압축강도의 13.3배, 9.9배로 확인되었으며, 향후 현장실험을 통한 지압력 산정결과와 비교, 분석하여 산정식에 대한 신뢰성 향상이 필요하다.
일반적인 영구앵커(마찰형 앵커)는 정착장에서 지반과 그라우트의 마찰력으로 인발에 저항하는 구조이지만, 지압형 앵커는 확공부에서 발생하는 지압력으로 인발에 저항하여 지반변형을 억제하는 방식이다. 본 연구는 확공을 이용한 지압형 앵커 활용 시 합리적인 지압력 산정을 위해 수행되었으며, 지압력 산정 시 도해법, 실내실험, 수치해석적 방법을 수행하고 그 결과를 지반의 일축압축강도와 비교, 분석하였다. 도해법에서는 앵커의 지압력을 천공경($r_i$), 확장되는 천공경($r_e$), 일축압축강도(${\sigma}_c$)의 함수로 정의하였다. 실내실험을 통한 연구에서는 실내 모형을 제작하여 앵커 인장시험을 수행하여 지압력을 확인하였고, Flac 3D를 이용한 3차원 유한차분해석을 통해 지반조건별 지압력을 확인하였다. 실내실험 및 수치해석에서 도출된 지압력은 회귀분석을 통해 지압력 산정식을 제시하였다. 지압력은 실내실험에서 일축압축강도 대비 약 28.5배로 가장 큰 결과를 나타내었는데, 이는 순수 지압력 뿐만 아니라 앵커체 확장에 따른 주면마찰저항력이 함께 작용했기 때문인 것으로 판단된다. 도해법과 수치해석에서 확인된 지압력은 일축압축강도의 13.3배, 9.9배로 확인되었으며, 향후 현장실험을 통한 지압력 산정결과와 비교, 분석하여 산정식에 대한 신뢰성 향상이 필요하다.
An almost permanent anchor (friction type) is resistant to ground deformation due to the friction between the soil and grout at a fixed length from the anchor body. The purpose of this study is to calculate the force of bearing resistance for a bearing anchor in enlarged boreholes. We conducted anal...
An almost permanent anchor (friction type) is resistant to ground deformation due to the friction between the soil and grout at a fixed length from the anchor body. The purpose of this study is to calculate the force of bearing resistance for a bearing anchor in enlarged boreholes. We conducted analytical and numerical analyses, along with laboratory testing, to find the quantities of bearing resistance prior to grouting in EBA (Enlarged Bearing Anchor) construction. The force of bearing resistance from the analytical method was defined as a function of general borehole diameter, expanded borehole diameter, and soil unconfined compressive strength. We also employed the Flac 3D finite difference numerical modeling code to analyze the bearing resistance of the soil conditions. We then created a laboratory experimental model to measure bearing resistance and carried out a pull-out test. The results of these three analyses are presented here, and a regression analysis was performed between bearing resistance and uniaxial compression strength. The laboratory results yield the strongest bearing resistance, with reinforcement 28.5 times greater than the uniaxial compression strength; the analytical and numerical analyses yielded values of 13.3 and 9.9, respectively. This results means that bearing resistance of laboratory test appears to be affected by skin friction resistance. To improve the reliability of these results, a comparison field study is needed to verify which results (analytical, numerical, or laboratory) best represent field observations.
An almost permanent anchor (friction type) is resistant to ground deformation due to the friction between the soil and grout at a fixed length from the anchor body. The purpose of this study is to calculate the force of bearing resistance for a bearing anchor in enlarged boreholes. We conducted analytical and numerical analyses, along with laboratory testing, to find the quantities of bearing resistance prior to grouting in EBA (Enlarged Bearing Anchor) construction. The force of bearing resistance from the analytical method was defined as a function of general borehole diameter, expanded borehole diameter, and soil unconfined compressive strength. We also employed the Flac 3D finite difference numerical modeling code to analyze the bearing resistance of the soil conditions. We then created a laboratory experimental model to measure bearing resistance and carried out a pull-out test. The results of these three analyses are presented here, and a regression analysis was performed between bearing resistance and uniaxial compression strength. The laboratory results yield the strongest bearing resistance, with reinforcement 28.5 times greater than the uniaxial compression strength; the analytical and numerical analyses yielded values of 13.3 and 9.9, respectively. This results means that bearing resistance of laboratory test appears to be affected by skin friction resistance. To improve the reliability of these results, a comparison field study is needed to verify which results (analytical, numerical, or laboratory) best represent field observations.
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문제 정의
본 논문에서는 지압형 앵커에 대하여 도해법, 실내실험, 수치해석적 접근을 통하여 지압형 앵커의 지압력 산정방법에 대한 연구를 수행하였으며 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 균질한 지반을 모사하기 어려운 현장실험의 한계를 극복하기 위해 다양한 지층조건별로 실험을 수행할 수 있도록 실내실험을 수행하였다. 실험의 편의성을 고려하여 자유장을 축소한 지압형 앵커체를 사용하였고, 모형지반은 콘크리트로 모사하였다 (Fig.
본 연구에서는 지압형 앵커의 기본 개념을 토대로 확공부에서 발휘되는 지압력 산정을 위하여 도해법, 실내 실험, 수치해석을 통해 지압력 산정방법을 제시하였다. 도해법에서는 지압저항과 마찰저항의 합으로 앵커력을 산정하였고, 실내실험에서는 대상 지반을 풍화암으로 선정하고, 지반강도별 앵커력을 산정하기 위해 실내에서 콘크리트 배합을 통해 12가지 강도의 모형지반을 조성하여 인발시험을 수행하였다.
본 연구에서는 한계평형적인 접근으로 앵커의 지압력을 산정할 수 있는 방법을 제시하였다. 지압형 앵커는 천공 후 Fig.
가설 설정
지반은 점착력만 존재하며 지압저항력(Sb)은 확장된 천공경에 고르게 분포한다고 가정하고 지반의 파괴는 확장된 천공경에서 시작한다고 가정하면 지반 파괴면은 Fig. 9와 같이 표현된다.
제안 방법
1. 지압형 앵커의 그라우팅 전 적용 가능한 앵커력 크기를 알아보기 위해 수행된 연구방법은 한계평형법을 응용한 도해적 방법, 모형지반을 형성하여 인발시험을 실시한 실험적 방법, 지반조건별 인발과정을 모사한 수치 해석적 방법을 활용하였다.
본 연구에서는 지압형 앵커의 기본 개념을 토대로 확공부에서 발휘되는 지압력 산정을 위하여 도해법, 실내 실험, 수치해석을 통해 지압력 산정방법을 제시하였다. 도해법에서는 지압저항과 마찰저항의 합으로 앵커력을 산정하였고, 실내실험에서는 대상 지반을 풍화암으로 선정하고, 지반강도별 앵커력을 산정하기 위해 실내에서 콘크리트 배합을 통해 12가지 강도의 모형지반을 조성하여 인발시험을 수행하였다. 실내실험용 콘크리트 배합에서는 일정 수준 이상의 강도를 구현하는데 어려움이 있어 20 ~ 70 MPa 강도에 대해서는 수치해석을 수행하여 앵커력을 산정하였다.
8에서와 같이 총 6개의 변수를 이용하여 지압력을 산정하는 것은 천공경의 형상이 원형임을 감안할 때 매우 어려운 일이다. 따라서, 본 연구에서는 편의상 사면안정 기법인 한계평형법의 개념을 도입하였다.
모형지반의 강도는 콘크리트의 배합설계를 통해 일반적인 풍화암 강도범위로 적용하였으며 모형지반의 강도를 측정하기 위하여 각 실험구마다 실험용 시편 3개를 제작하여 일축압축실험으로 모형지반의 강도를 측정하였다(Fig. 13).
지압형 앵커의 실내실험에 사용된 콘크리트 모형 지반의 크기는 인접한 강재 케이싱과의 거리에 따라 파괴형태가 달라져 인발력의 크기에 영향을 미칠 수 있으므로 합리적인 모형지반의 크기를 결정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 위해 수치해석 기법을 이용하였다.
본 연구에서는 지압형 앵커의 그라우팅 전 적용 가능한 앵커력의 크기를 산정하고자 도해적 방법, 수치해석적 방법, 실험적 방법을 이용하였다. 도해법의 경우 지압력이 일축압축강도가 10 MPa일 때 133 kN으로 지반 강도의 약 13.
본 해석에 사용된 해석방법은 시간에 따른 힘의 확산성을 이용하여 운동방정식과 구성방정식을 연계하는 준 정적해석이며, 하중 조건은 확장된 천공경에 상향 연직으로 작용하도록 하였고, 변위속도는 5 × 10−8m/step의 변위하중이며 해석은 각 해석 사례 당 500,000 step으로총 변위 2.5 cm이다.
본 해석은 단순하게 실내실험용 시편의 크기를 결정하는 해석이므로 해석의 변수는 콘크리트 시편의 지름이며 시편은 원통형이므로 해석 시간을 단축시키기 위해 반단면 모델링을 하였다.
실내실험에서 다루지 못한 지반의 일축압축강도 범위에 대해 3차원 수치해석을 통하여 지압력 산정을 위한 분석을 수행하였다.
도해법에서는 지압저항과 마찰저항의 합으로 앵커력을 산정하였고, 실내실험에서는 대상 지반을 풍화암으로 선정하고, 지반강도별 앵커력을 산정하기 위해 실내에서 콘크리트 배합을 통해 12가지 강도의 모형지반을 조성하여 인발시험을 수행하였다. 실내실험용 콘크리트 배합에서는 일정 수준 이상의 강도를 구현하는데 어려움이 있어 20 ~ 70 MPa 강도에 대해서는 수치해석을 수행하여 앵커력을 산정하였다.
준정적해석 시 변위하중의 크기를 적용하기 위해서는 시스템 전체의 확산성(diffusion effect)을 고려해야 하며본 연구에서는 임의의 변위하중을 적용하여 해석을 수행하고 해석 경과를 지켜보면서 결과 변동(fluctuation) 이 발생하지 않는 변위하중 크기를 시행착오를 통하여 결정하였다.
(2012)에 의해 이루어 졌다. 하지만 이러한 연구는 정착장을 확공하는 대신 앵커체의 확장에 의한 인발저항력만을 연구하였다. 최근 Min et al.
대상 데이터
실내실험에 사용된 지압형 앵커체는 타격바와 확장쐐기, 확장날개로 구성되며, Fig. 5에서와 같이 앵커체가 확장되기 전에는 타격바가 확장날개 외부로 돌출되어 있으나, 확장 후에는 확장날개 내부로 삽입되면서 확공된 정착부의 공벽에 압착하게 된다. 지압형 앵커체의 확장 원리는 앵커체를 천공홀에 삽입하면 타격바가 천공홀 바닥면에 맞닿는 것과 동시에 타격쐐기가 앵커 두부 쪽으로 밀려올라가면서 확장날개를 1차 확장하게 되고, 이 때 강연선을 인장하게 되면 1차, 2차 확장쐐기가 앵커 두부 쪽으로 이동하면서 확장날개를 완전히 확장하여 확공 벽면에 압착되는 원리이다.
본 연구에서는 균질한 지반을 모사하기 어려운 현장실험의 한계를 극복하기 위해 다양한 지층조건별로 실험을 수행할 수 있도록 실내실험을 수행하였다. 실험의 편의성을 고려하여 자유장을 축소한 지압형 앵커체를 사용하였고, 모형지반은 콘크리트로 모사하였다 (Fig. 12).
일축압축강도별 총 8 Case의 수치해석을 수행하였으며 수치해석 시 적용된 물성치 및 해석 Case는 각각 Table 3, 및 Table 4와 같다.
이론/모형
본 해석에 사용된 요소는 강재 케이싱과 콘크리트 모형지반 모사에 Solid element가 사용되었으며 구성모델은 강재 케이싱에 Elastic Model, 콘크리트 모형지반에 Mohr-Coulomb 모델이 각각 적용되었다.
수치해석에 사용된 프로그램은 지반공학 분야에서 연구와 실무에 널리 쓰이는 유한차분 연속체 해석 프로그램 FLAC 3D이다.
성능/효과
2. 도해적 방법으로 연구한 결과 지압형 앵커의 그라우팅 전 적용 가능한 긴장력은 천공경(ri )과 확장되는 천공경(re), 지반의 일축압축강도(σc)의 함수이며, 실험 앵커의 제원별 적용 가능한 앵커력은 일축압축강도의 약 13.3배로 나타났다.
3. 실내실험을 통한 연구결과는 도해적 방법과 수치해석을 통한 결과보다 높은 값인 일축압축강도의 약 28.5배로 나타났으며 이는 지압형 앵커의 저항 매커니즘에서 확인할 수 있듯이 도해적 방법이나 수치해석적인 방법에서 생략된 마찰저항이 추가되었기 때문인 것으로 판단된다.
4. 수치해석적 방법을 통한 연구결과 실험 앵커의 제원별 적용 가능한 앵커력은 일축압축강도의 약 9.9배로 나타났다.
그러나 본 연구에서 수행된 도해법 및 수치해석은 순수 지압력에 대한 분석결과이며 실내실험의 경우 확공 어깨부에서 발휘되는 지압력과 확장날개와 공벽 사이에서 발생되는 마찰저항력이 복합적으로 작용한 결과이므로 실내실험 결과가 도해법 및 수치해석에 의한 결과보다 크게 나타난 것으로 판단된다.
수치해석결과 모형지반의 반지름이 30 ~ 100 cm으로 변화하는 동안 앵커체의 인발 하중-변위 관계는 크게 변화가 없었으며, 특히 지압형 앵커의 적용 앵커력 크기를 결정짓는 최대 인발 하중의 크기는 모든 해석사례에서 동일하게 나타났다(Fig. 11).
실내실험 결과 모형지반의 강도는 2.63 MPa ~ 15.98 MPa로 조성되었으며 최대 인발력은 135 kN ~ 393 kN으로 평가되었다.
실내실험 결과 지압형 앵커의 변위-하중 관계는 초기에는 비교적 완만하게 증가하는 것으로 평가되었으며 인발이 진행될수록 인발력이 급격히 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 14).
9배로 산정되었다. 실내실험에서 지압력은 일축압축강도별로 다소 차이가 있지만 회귀분석식에 따르면 지압력이 강도보다 28.5배 큰 것으로 분석되었다. 지압력 산정결과를 도시하면 Fig.
후속연구
5. 향후 현장 시험시공을 수행하고 그 결과를 실내실험 결과와 비교 분석하여 지압형 앵커 설계 시 적용 가능한 지압력 산정식을 제시하기 위한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
또한, 도해적 방법과 수치해석적 방법의 차이는 도해적 방법에 의한 지압력 산정 시 가정된 파괴면과 수치 해석 시 나타난 파괴영역의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 따라서 도해적 방법 적용을 위해서는 확공 어깨부 파괴형상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
향후 지압형 앵커의 정확한 인발력 평가를 위한 현장 실험을 수행하고 그 결과를 실내실험 결과와 비교 분석 하여 지압형 앵커의 거동특성 및 인발력에 대한 평가를 수행하고 이를 통해 설계 시 적용 가능한 지압력 산정식 제시를 위한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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