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문제 정의
- 쏘일네일 공법의 보강효과는 인발에 의한 저항력이 지배적이기 때문에 그라우팅 쏘일네일 공법의 거동을 분석하기 위해서는 인발거동 분석이 선행되어야 한다. 따라서 유한요소해석을 통해 그라우팅 쏘일네일의 인발거동을 분석하였으며 본 연구의 그라우팅 쏘일네일의 적용성에 대한 검증을 수행하였다.
- 본 연구에서는 사질토 지반과 화강풍화토 지반에서의 보강구근체의 인발저항력에 따른 지반의 변위를 측정하였으며, 보강재와 구근체 직경 변화에 따른 인발 저항력 거동 특성에 관한 연구이다.
- 본 연구에서는mIDAS GTS NX 프로그램을 이용하여 지반 조건과 보강재 및 구근체 직경을 변화 시키며, 상부에서 70 cm 심도까지의 변위를 측정하였다. 쏘일네일 시공 시 지반 조건에 따른 보강재, 구근체, 크기 변화를 결정할 수 있는 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 구근체 Ø100mm에 따른 보강재 D25mm, D29mm, D32mm로 보강재를 증가 시켜, 사질토 지반과 화강풍화토 지반에서의 인발하중에 따른 심도-변위 값을 비교 분석 하였다.
- 지반 물성치, 구근체 및 보강재 물성치는 기존 문헌 Geotechnical Surveymanual (2006). 및 설계 기준을 참고하여 물성치의 기준을 산정하였다. 수치해석에 적용된 물성값은 Table 1과 같다.
- 따라서 예비해석을 수행하여 대상 문제에 적합한 요소의 크기를 설정하여야 하며, 구근체 크기 변화에 따른 지반 내 영향범위 변화와 동일 조건에서 조반의 조건을 변화시켜 지반 내 응력변화를 확인 하는 것이 바람직하다. 본 논문에서는 수치해석 프로그램인mIDAS GTS NX를 이용하여 사질토, 화강풍화토 지반조건에 따른 보강재 및 구근체의 크기를 변화 시켜 인발하중 10kN, 15kN, 20kN, 25kN 따른 지반 심도에 대한 변위를 분석하였다.
- 본 연구에서는mIDAS GTS NX 프로그램을 이용하여 지반 조건과 보강재 및 구근체 직경을 변화 시키며, 상부에서 70 cm 심도까지의 변위를 측정하였다. 쏘일네일 시공 시 지반 조건에 따른 보강재, 구근체, 크기 변화를 결정할 수 있는 기초자료로 활용하고자 한다.
- 사질토 지반과 화강풍화토 지반에서의 인발하중 10kN, 15kN, 20kN, 25kN에 따른 보강재와 구근체 직경 변화에 따른 심도-변위를 분석하였다. 사질토 지반에서는 인발하중이 20kN에서 Pull-out이 발생하여 하중 15kN과 20kN을 비교 분석 하였으며, 화강풍화토 지반에서는 인발하중이 25kN에서 pull-out이 발생하여 인발하중 20kN과 25kN의 결과를 비교하였다.
- 사질토 지반과 화강풍화토 지반에서의 인발하중 10kN, 15kN, 20kN, 25kN에 따른 보강재와 구근체 직경 변화에 따른 심도-변위를 분석하였다. 사질토 지반에서는 인발하중이 20kN에서 Pull-out이 발생하여 하중 15kN과 20kN을 비교 분석 하였으며, 화강풍화토 지반에서는 인발하중이 25kN에서 pull-out이 발생하여 인발하중 20kN과 25kN의 결과를 비교하였다.
- 해석 위치는 네일의 위치에서 약 10 cm 떨어진 지반 심도 0 cm에서 구근체 70 cm 심도까지의 변위를 측정 하였다. 지반 조건은 사질토, 화강풍화토를 사용 하였으며, 쏘일네일의 인발하중은 10kN, 15kN, 20kN, 25kN을 적용하였다.
- 해석 위치는 네일의 위치에서 약 10 cm 떨어진 지반 심도 0 cm에서 구근체 70 cm 심도까지의 변위를 측정 하였다. 지반 조건은 사질토, 화강풍화토를 사용 하였으며, 쏘일네일의 인발하중은 10kN, 15kN, 20kN, 25kN을 적용하였다.
- 현장에서 보편적으로 가장 많이 사용하는 보강재 D29mm와 천공 직경 Ø100mm를 대표적으로 해석 결과를 제시하였다.
대상 데이터
- 수치해석에 적용된 모델타입은 사질토, 화강풍화토 지반은mohr-coulomb, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm는 Elastics, 구근체 Ø75mm, Ø100mm, Ø150mm Elastics 각 모델의 적용된 타입은 Table 2와 같다.
성능/효과
- (1) 보강재, 구근체 부피 증가에 따라 변위는 감소하는 양상을 보이며, 보강재 D32mm 구근체 Ø150mm일 때 가장 작은 변위가 발생하고 보강재 D25mm Ø75mm일 때 가장 큰 변위가 발생하였다.
- (2) 심도 별 변위 측정 결과 인발하중을 10kN~20kN의 하중에서는 심도별 변위가 -0.6m에서 일정하게 감소하는 반면 인발하중 25kN 심도 -0.6m 지점에서 급격하게 감소하는 경향을 알 수 있었다.
- (3) 구근체 직경에 따른 보강재(D25mm, D29mm, D32mm)별 변위 비교 결과, 사질토 지반에서는 보강재 D25mm에서 D290mm로 증가할 경우 약 37%~50%, 구근체 D29mm에서 D32mm로 증가할 경우 약 54%~70%의 감소율을 나타났으며, 화강풍화토 지반에서는 보강재 D25mm에서 D29mm로 증가할 경우 약 11%~14%, 보강재 D29mm에서 D32mm로 증가할 경우 약 17%~20%의 감소율을 알 수 있었다.
- (4) 보강재 직경에 따른 구근체(Ø75mm, Ø100mm, Ø150mm)별 변위 비교 결과, 사질토 지반에서 구근체 Ø75mm에서 Ø100mm로 증가할 경우 약 7%~20%, 구근체 Ø100mm에서 Ø150mm로 증가할 경우 약 3%~10%의 감소율을 나타났으며, 화강풍화토 지반에서 구근체 Ø75mm에서 Ø100mm로 증가할 경우 약 3%~7%, 구근체 Ø100mm에서 Ø150mm로 증가할 경우 약 0.8%~2%의 감소율을 알 수 있었다.
- (5) 보강재에 따른 구근체 변위 감소율 분석 결과 구근체는 D29mm에서 D32mm의 변위 량이 완만하게 감소하는 경향을 알 수 있으며, 구근체에 따른 보강재 변위 감소율 분석 결과 Ø100mm에서 Ø150mm로 증가 할 때 변위 값이 거의 일치한다.
- 구근체 Ø75mm, Ø100mm, Ø150mm 직경을 증가 하여 보강재의 따른 최대 변위를 측정한 결과 변위의 값은 점점 감소하는 양상을 나타나며, 구근체 Ø150mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm의 변위 값은 비슷하다.
- 구근체 Ø75mm, Ø100mm, Ø150mm 직경을 증가하여 보강재의 따른 최대 변위를 측정한 결과 변위의 값은 점점 감소하는 양상을 나타나며, 구근체 Ø150mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm의 변위 값은 비슷하다.
- 따라서 보강재 D29mm 구근체 Ø100mm 이상 적용하는 것이 경제적으로 적당하다고 판단된다.
- 보강구근체 인발해석 결과, 인발하중의 증가할수록 변위는 증가하는 양상을 나타냈으며, 인발하중에 관계없이 심도 -0.7m에서 가장 낮은 변위가 발생하였다. 사질토 지반과 화강풍화토 지반의 인발하중에 따른 보강재 D29mm, 구근체 Ø100mm 변위를 증가량으로 분석 한 결과 인발하중이 10kN에서는 약 30.
- 사질토 인발해석 결과 인발하중의 증가로 인한 변위는 증가하는 양상을 나타내며, 사질토 지반의 경우 인발하중 20kN 이상일 때 pull-out이 발생한다. 따라서 보강재와 구근체의 직경과 하중 증가로 인한 양상은 직경이 증가할수록 변위는 감소, 하중이 증가할수록 변위는 증가하므로 현장에서 보편적으로 사용하는 보강재 D29mm를 대표적으로 Table 5와 하중에 따른 최대, 최소 변위 값으로 나타냈다.
- 사질토 지반 인발하중 15kN, 구근체 Ø100mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm 심도별 변위 해석 결과 D25mm Ø100mm의 최대 변위는 0.00043m, D29mm Ø100mm 0.00039m, D32mm Ø100mm 0.00035m로 측정 되었다(Fig. 10).
- 사질토 지반 인발하중 20kN, 구근체 Ø100mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm 심도별 변위 해석 결과 D25mm Ø100mm의 최대 변위는 7.4608m, D29mm Ø100mm 7.0459m, D32mm Ø100mm 6.23758m로 측정 되었다(Fig. 11).
- 즉 보강구근체가 화강풍화토 지반에서 인발됨에 따라 내부 주면에서 완전히 미끄러지지 않아 상대변위가 적게 발생한다. 사질토 지반과 화강풍화토 지반의 보강구근체, 구근보강재 별 최대 변위 값을 분석한 결과 보강구근체에서는 보강재 직경이 증가할수록 변위 값이 감소하는 양상을 보이며, 보강재 D25mm에서 D29mm로 증가할 경우 변위 값이 급격히 감소하다가(약 3%~20%) D29mm에서 D32mm로 증가할 경우 완만하게 감소(0.8%~10%)하는 경향을 알 수 있었다. 구근보강재에서는 구근체 직경이 증가할수록 변위 량이 감소하지만 Ø100mm에서 Ø150mm로 증가할 때 변위 값이 Ø150mm에서 비슷한 변위 값을 보인다.
- 사질토 지반과 화강풍화토 지반의 인발하중에 따른 보강재 D29mm, 구근체 Ø100mm 변위를 증가량으로 분석 한 결과 인발하중이 10kN에서는 약 30.51% 증가하였고, 인발하중 15kN에서는 65.11%, 인발하중 20kN과 25kN에서는 약 99% 이상으로 사질토 지반에서 변위 값이 높게 나타났다.
- 사질토 지반에서 인발하중 15kN에 따른 보강재 D29mm에서의 구근체 직경 변화에 심도 별 변위 그래프 결과 Ø75mm에서 0.000551m로 최대 변위가 발생 하였으며, Ø150mm에서는 0.000117의 최소 변위가 나타났다(Fig. 6).
- 사질토 지반에서 인발하중 20kN에 따른 보강재 D29mm에서의 구근체 직경 변화에 심도 별 변위 그래프 결과 Ø75mm에서 10.633m로 최대 변위가 발생 하였으며, Ø150mm에서는 0.25m의 최소 변위가 나타났다(Fig. 7).
- 11%, 인발하중 20kN과 25kN에서는 약 99% 이상으로 사질토 지반에서 변위 값이 높게 나타났다. 사질토 지반은 화강풍화토 지반에 비해 해석 적용 물성치가 낮아 지반과 탄성체로 작용 하는 구근체 사이의 주면마찰력이 낮아 변위 값이 높게 측정 되었다. 즉 보강구근체가 화강풍화토 지반에서 인발됨에 따라 내부 주면에서 완전히 미끄러지지 않아 상대변위가 적게 발생한다.
- 화강풍화토 지반 인발하중 20kN, 구근체 Ø100mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm 심도별 변위 해석 결과 D25mm Ø100mm의 최대 변위는 0.00022m D29mmØ100mm 0.00021m, D32mm Ø100mm 0.00021m로 측정 되었다(Fig. 12).
- 화강풍화토 지반 인발하중 25kN, 구근체 Ø100mm, 보강재 D25mm, D29mm, D32mm 심도별 변위 해석 결과 D25mm Ø100mm의 최대 변위는 0.00221m, D29mm Ø100mm 0.000417m, D32mm Ø100mm 0.00081m로 측정 되었다(Fig. 13).
- 화강풍화토 지반에서 인발하중 20kN에 따른 보강재 D29mm 에서의 구근체 직경 변화에 심도 별 변위 그래프 결과 Ø75mm에서 0.000551m로 최대 변위가 발생 하였으며, Ø150mm에서는 0.000117m의 최소 변위가 나타났다(Fig. 8).
- 화강풍화토 지반에서 인발하중 20kN에 따른 보강재 D29mm 에서의 구근체 직경 변화에 심도 별 변위 그래프 결과 Ø75mm에서 10.633m로 최대 변위가 발생 하였으며, Ø150mm에서는 0.25m의 최소 변위가 나타났다(Fig. 9).
후속연구
- (6) 향후 경제적인 쏘일네일 시공방법에 대한 상세한 분석을 위하여 보강재와 구근체의 길이, 부피를 증가시켜 다양한 지반 조건에서의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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