[논문]가압식 쏘일네일링의 지반 굴착면 보강효과

조재연; 이철주; 정상섬

가설 설정

본 해석에서는 원지반은 Mohr-Coulomb의 구성 법칙을 따르는 탄소성 재료로 가정하였고 네일의 보강재 및 그라우트, 숏크리트는 탄성재료로 가정하여 모델링하였다. 해석상의 편의를 위하여 지하수위는 해석대상 지반보다 하부에 위치한 것으로 가정하여 고려하지 않았다.
해석 모델의 경계의 바닥은 핀으로 고정하였으며, X, Y방향의 수직 경계면은 모두 롤러로 가정하였다.
본 해석에서는 원지반은 Mohr-Coulomb의 구성 법칙을 따르는 탄소성 재료로 가정하였고 네일의 보강재 및 그라우트, 숏크리트는 탄성재료로 가정하여 모델링하였다. 해석상의 편의를 위하여 지하수위는 해석대상 지반보다 하부에 위치한 것으로 가정하여 고려하지 않았다. 중력식 네일의 경우 일반 이형철근인 D29를 사용한 것으로 해석하였다.
그림 1의 (a)와 (b)는 해석에 사용된 직육면체 메쉬의 정면도와 측면도를 나타내었다. 해석에서는 전체 10m의 굴착 깊이를 가정하였고 이에 따라 10m길이의 네일이 2m간격으로 총 5줄이 시공되는 것으로 모델링 하였다.

제안 방법

또한 interface요소는 천공과정 직후 interface 격자망을 천공홀과 지반의 접촉면 사이에 형성하고 물성을 입력함으로서 강성이 다른 두 개의 구성요소 사이의 거동을 실제와 가깝게 고려할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 FLAC-3D 프로그램을 사용하여 가압식 쏘일네일링에 대한 수치해석을 시행하였으며, 풍화토 및 풍화암 굴착사면에 중력식 네일과 강관, packer 10m를 이용한 가압식 네일을 모델링하여 연직 굴착면에 시공하고 상재하중 조건에서 굴착면의 횡방향 변위 및 배면의 지반침하량과 숏크리트 벽체의 변위와 상재하중 관계를 통하여 두 공법의 지반에 대한 구속 효과를 비교하였다. 또한 지반과 그라우트 사이의 거동을 실제와 유사하게 구현하기 위하여 interface요소를 고려한 해석을 수행하였다.
해석 모델의 경계의 바닥은 핀으로 고정하였으며, X, Y방향의 수직 경계면은 모두 롤러로 가정하였다. 또한 초기 지반 응력상태를 반영하기 위해 시공 및 하중재하 전에 중력을 가하여 지반의 응력상태를 수렴시켰다. 그림 2는 해석 메쉬의 경계조건을 나타내고 있다.
보강사면을 시공한 후 굴착면의 시작 위치에서부터 Y방향으로 6m에서 11m까지 10kPa씩 단계별로 하중을 증가 시키면서 사면 굴착면의 횡방향 변위 및 배면 지반의 침하량과 숏크리트 벽체의 변위량을 통하여 중력식 네일과 가압식 네일의 보강효과를 비교하였다.
본 연구에서는 3차원 유한차분 해석 프로그램인 FLAC-3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)를 이용하여 중력식 및 가압식 쏘일네일로 보강된 사면의 거동을 분석하였다. 해석에 사용된 대표적인 단면으로는 지반조건이 균질한 직육면체(2m×20m×15m)의 메쉬를 사용하였다.
본 연구에서는 풍화암의 기준 및 일반적으로 사용하는 점토질 흙의 기준을 풍화토에 적용하여 중력식 네일 또는 가압식 네일로 보강된 사면에 시공된 숏크리트 벽체의 최상부 수평변위를 상재하중과 함께 비교하였다. 해석에 적용된 굴착면의 높이는 10m이므로 풍화토의 경우 30mm, 풍화암의 경우 10mm의 허용변위가 적용 되었다.
본 연구에서는 FLAC-3D 프로그램을 사용하여 가압식 쏘일네일링에 대한 수치해석을 시행하였으며, 풍화토 및 풍화암 굴착사면에 중력식 네일과 강관, packer 10m를 이용한 가압식 네일을 모델링하여 연직 굴착면에 시공하고 상재하중 조건에서 굴착면의 횡방향 변위 및 배면의 지반침하량과 숏크리트 벽체의 변위와 상재하중 관계를 통하여 두 공법의 지반에 대한 구속 효과를 비교하였다.
쏘일네일로 보강된 사면의 거동을 수치해석에서는 크게 세 단계로 분리하여 해석을 수행하였다(굴착, 네일/숏크리트 시공, 상재하중 재하). 중력식 네일의 경우 직경 105mm로 천공 후 네일 보강재(D29)를 삽입하고 천공홀을 그라우트로 채워 물성을 적용하였고, 가압식은 천공과정과 보강재(고강도 강관)삽입 과정 사이에 천공홀에 수직방향의 일정한 압력을 작용시켜 packer를 이용하여 주입압이 천공홀 전체에 영향을 미치는 현상을 모사하였다.
쏘일 네일 보강체의 해석절차는 실제 현장의 시공순서와 유사하게 구현하였다. 전체 Y방향 길이 20m의 초기 지반에서 각 시공단계에 Y방향으로 5m, Z방향으로 2m씩 굴착을 하고 직경 105mm의 천공과정을 거친 후 중력식 네일은 보강재 삽입, 그라우트 충진, 숏크리트 타설 순으로 시공단계를 설정하였고 가압식 네일은 주입압력(500kPa)을 천공홀에 작용하면서 보강재 삽입 이후의 일련의 단계들을 그대로 모사하게 된다. 또한 interface요소는 천공과정 직후 interface 격자망을 천공홀과 지반의 접촉면 사이에 형성하고 물성을 입력함으로서 강성이 다른 두 개의 구성요소 사이의 거동을 실제와 가깝게 고려할 수 있도록 하였다.
쏘일네일로 보강된 사면의 거동을 수치해석에서는 크게 세 단계로 분리하여 해석을 수행하였다(굴착, 네일/숏크리트 시공, 상재하중 재하). 중력식 네일의 경우 직경 105mm로 천공 후 네일 보강재(D29)를 삽입하고 천공홀을 그라우트로 채워 물성을 적용하였고, 가압식은 천공과정과 보강재(고강도 강관)삽입 과정 사이에 천공홀에 수직방향의 일정한 압력을 작용시켜 packer를 이용하여 주입압이 천공홀 전체에 영향을 미치는 현상을 모사하였다. 천공홀에 압력을 가하는 과정과 네일 보강재 삽입 및 그라우트의 충진을 동시에 수행하도록 해석을 시행하였으며, 그림 3은 가압을 한 후 천공홀과 지반사이에서 Z방향의 수직응력 증가를 나타내고 있다.
중력식 네일의 경우 직경 105mm로 천공 후 네일 보강재(D29)를 삽입하고 천공홀을 그라우트로 채워 물성을 적용하였고, 가압식은 천공과정과 보강재(고강도 강관)삽입 과정 사이에 천공홀에 수직방향의 일정한 압력을 작용시켜 packer를 이용하여 주입압이 천공홀 전체에 영향을 미치는 현상을 모사하였다. 천공홀에 압력을 가하는 과정과 네일 보강재 삽입 및 그라우트의 충진을 동시에 수행하도록 해석을 시행하였으며, 그림 3은 가압을 한 후 천공홀과 지반사이에서 Z방향의 수직응력 증가를 나타내고 있다. 수직응력 증가로 인한 그라우트와 지반사이의 전체적인 전단강도의 향상이 전체 지반의 구속효과를 증대시킬 것으로 보인다.

대상 데이터

해석상의 편의를 위하여 지하수위는 해석대상 지반보다 하부에 위치한 것으로 가정하여 고려하지 않았다. 중력식 네일의 경우 일반 이형철근인 D29를 사용한 것으로 해석하였다. 가압식의 경우 고강도 강관으로서 해석의 간편함을 위하여 환산 단면을 이용한 탄성계수를 적용하였고, 이형철근보다 큰 인장강도는 고려할 수 없었다.
해석에 사용된 대표적인 단면으로는 지반조건이 균질한 직육면체(2m×20m×15m)의 메쉬를 사용하였다.

이론/모형

지반과 그라우트 사이의 interface의 수직, 전단 강성도는 풍화암의 경우 현장타설말뚝과 연암을 대상으로 한 직접전단시험(Williams, 1980)을 통해 구한 값을 적용하였으며 풍화토의 경우 말뚝과 풍화토의 불연속면 모델링에 사용한 값(Chen & Martin, 2001)을 적용하였고, 부착력 및 마찰각은 원지반의 점착력과 내부 마찰각의 약 2/3정도의 값(Bowles, 1988)을 사용하였다.

성능/효과

1. 지반의 수평변위 분석 결과 가압식 네일 보강사면의 수평 변위량이 중력식 네일과 비교하여 약 14~21% 감소하는 것으로 나타났으며 이는 가압으로 인한 천공홀에서 지반에 대한 수직응력의 증가로 네일 보강 토체의 구속효과가 증가하였기 때문으로 보인다. 수직응력의 증가로 인한 네일 구조체 전체의 전단저항력 증가에 대한 신중한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
2. 굴착배면의 침하량 감소는 실제 시공 구조물의 안정성 증대에 직접적인 영향을 미치는데, 가압식 네일로 보강된 사면의 경우 중력식 네일 보강사면보다 약 6~11%의 침하량 감소효과가 나타났다. 또한 숏크리트의 시공 모델링을 통하여 굴착 단계에서의 굴착면의 국부적인 붕괴를 방지함으로서 상재하중에 대한 네일 보강 사면의 침하량을 비교할 수 있었다.
3. 벽체의 허용 변위에 대한 보강사면에 작용하는 상재하중의 크기를 비교한 결과 풍화토에서 중력식 네일 보강사면은 480kPa, 가압식 네일 보강사면은 730kPa로 나타났으며, 풍화암에서는 각각 중력식 510kPa, 가압식 570kPa의 상재하중 크기를 보였다. 이는 지반의 수평변위와 침하량 비교 결과와 종합하여 보강 사면의 구속효과의 차이에서 나온 결과로 보인다.
굴착배면의 침하량 감소는 실제 시공 구조물의 안정성 증대에 직접적인 영향을 미치는데, 가압식 네일로 보강된 사면의 경우 중력식 네일 보강사면보다 약 6~11%의 침하량 감소효과가 나타났다. 또한 숏크리트의 시공 모델링을 통하여 굴착 단계에서의 굴착면의 국부적인 붕괴를 방지함으로서 상재하중에 대한 네일 보강 사면의 침하량을 비교할 수 있었다.
천공홀에 압력을 가하는 과정과 네일 보강재 삽입 및 그라우트의 충진을 동시에 수행하도록 해석을 시행하였으며, 그림 3은 가압을 한 후 천공홀과 지반사이에서 Z방향의 수직응력 증가를 나타내고 있다. 수직응력 증가로 인한 그라우트와 지반사이의 전체적인 전단강도의 향상이 전체 지반의 구속효과를 증대시킬 것으로 보인다.
전체적으로 중력식 네일로 보강한 사면의 지반 수평변위가 가압식 네일과 비교하여 동일한 상재하중 조건에서 크게 나타나고 있는데 이는 가압식 네일의 지반 구속효과가 크다는 것을 간접적으로 나타내는 것이라 할 수 있다. 약 14~21%의 변위감소율을 보이고 있으며 상재하중이 증가할수록 감소율도 소폭 늘어나는 것으로 나타났다. 표 3은 6가지 경우의 상재하중 조건에서 가압식 네일의 지반 최대수평변위를 중력식 네일과 비교하여 변위 감소율을 제시한 것이다.
그래프에서 굴착면으로부터 1~6m 지점은 상재하중이 작용하는 구간으로서 침하량이 다른 지점보다 크게 나타나고 있다. 일반적으로 숏크리트 보강이 이루어지지 않은 굴착사면의 배면 침하량 분포는 굴착면에서 최대값을 나타내고 후면으로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보이지만 이와는 달리 본 연구에서는 숏크리트 보강으로 굴착면에서의 침하가 억제되고 상재하중의 영향이 크게 작용하여 지반 침하가 발생하는 것을 알 수 있다.
전체적으로 중력식 네일로 보강한 사면의 지반 수평변위가 가압식 네일과 비교하여 동일한 상재하중 조건에서 크게 나타나고 있는데 이는 가압식 네일의 지반 구속효과가 크다는 것을 간접적으로 나타내는 것이라 할 수 있다. 약 14~21%의 변위감소율을 보이고 있으며 상재하중이 증가할수록 감소율도 소폭 늘어나는 것으로 나타났다.
지반의 최대 수평변위는 상재하중이 작용하지 않을 경우전체 굴착심도의 약 2/3 지점인 7m~9m 사이에서 발생하는 것으로 나타났다.

후속연구

3차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 중력식 네일과 가압식 네일의 보강효과를 풍화토 및 풍화암의 지반조건에서 지반의 거동 및 벽체의 거동을 통하여 비교하였으며, 향후 가압식 네일에 대한 현장 계측자료 확보 및 수치해석과의 비교분석과 전단강도 감소기법을 이용한 보강사면의 안전율, 네일과 숏크리트 사이의 결속 및 interface 모델링에 대한 보다 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
지반의 수평변위 분석 결과 가압식 네일 보강사면의 수평 변위량이 중력식 네일과 비교하여 약 14~21% 감소하는 것으로 나타났으며 이는 가압으로 인한 천공홀에서 지반에 대한 수직응력의 증가로 네일 보강 토체의 구속효과가 증가하였기 때문으로 보인다. 수직응력의 증가로 인한 네일 구조체 전체의 전단저항력 증가에 대한 신중한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
침하량의 감소율을 살펴보면 침하가 거의 발생하지 않는 상재하중 0kPa이 작용할 경우를 제외하고 약 6~11%의 침하 감소율을 보이고 있다. 표 4에서는 지반의 최대 수직침하량을 비교하였으며 배면의 수직침하량 감소는 실제 현장에서 기존 구조물 측면을 굴착하는 경우나 사면위에 구조물을 시공하는 경우 구조물의 침하량과 직접적으로 관련되기 때문에 시공 안정성에 있어서 그 효과를 기대할 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 쏘일네일링에 대한 기초이론 및 설계기법이 처음으로 적용되기 시작한 시기는 언제인가?	쏘일네일링 공법은 토류벽, 성토사면, 굴착 및 절토사면 등을 지지하거나 안정화시키기 위해서 1970년대 이후 널리 사용되어 오고 있다(Recommendations Clouterre 1991; Watkins and Powell 1992; Byrne 등 1996). 국내에서는 1980년대 후반부터 쏘일네일링에 대한 기초이론 및 설계기법이 처음으로 적용되기 시작했고, 1990년대 이후 중력식 쏘일네일링 공법이 가시설, 사면등의 보강에 널리 사용되어 왔다. 그 동안 쏘일네일링의 거동은 현장계측, 실내모형실험, 원심모형실험 및 수치해석 등을 통해 많은 자료가 축적되어 오고 있으며(Lee & Ng, 2003), 특히 최근에는 보편적으로 사용되었던 중력식 쏘일네일링 공법이 아닌 가압을 통한 그라우트 주입방식을 적용함으로서 그라우트의 충진성은 물론 인발저항력의 향상을 가져오고 있고, 김홍택(1998), 천병식 & 최창현(2000), 황영철 & 김낙영(2002) 및 배경태 등(2008)에 의해 가압식 쏘일네일링에 대한 연구가 실시되었다.
	쏘일네일링 공법은 무엇인가?	쏘일네일링 공법은 토류벽, 성토사면, 굴착 및 절토사면 등을 지지하거나 안정화시키기 위해서 1970년대 이후 널리 사용되어 오고 있다(Recommendations Clouterre 1991; Watkins and Powell 1992; Byrne 등 1996). 국내에서는 1980년대 후반부터 쏘일네일링에 대한 기초이론 및 설계기법이 처음으로 적용되기 시작했고, 1990년대 이후 중력식 쏘일네일링 공법이 가시설, 사면등의 보강에 널리 사용되어 왔다.
	3차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 중력식 네일과 가압식 네일의 보강효과를 풍화토 및 풍화암의 지반조건에서 지반의 거동 및 벽체의 거동을 통하여 비교한 결과는?	1. 지반의 수평변위 분석 결과 가압식 네일 보강사면의 수평 변위량이 중력식 네일과 비교하여 약 14~21% 감소하는 것으로 나타났으며 이는 가압으로 인한 천공홀에서 지반에 대한 수직응력의 증가로 네일 보강 토체의 구속효과가 증가하였기 때문으로 보인다. 수직응력의 증가로 인한 네일 구조체 전체의 전단저항력 증가에 대한 신중한 검토가 필요할 것으로 판단된다. 2. 굴착배면의 침하량 감소는 실제 시공 구조물의 안정성 증대에 직접적인 영향을 미치는데, 가압식 네일로 보강된 사면의 경우 중력식 네일 보강사면보다 약 6~11%의 침하량 감소효과가 나타났다. 또한 숏크리트의 시공 모델링을 통하여 굴착 단계에서의 굴착면의 국부적인 붕괴를 방지함으로서 상재하중에 대한 네일 보강 사면의 침하량을 비교할 수 있었다. 3. 벽체의 허용 변위에 대한 보강사면에 작용하는 상재하중의 크기를 비교한 결과 풍화토에서 중력식 네일 보강사면은 480kPa, 가압식 네일 보강사면은 730kPa로 나타났으며, 풍화암에서는 각각 중력식 510kPa, 가압식 570kPa의 상재하중 크기를 보였다. 이는 지반의 수평변위와 침하량 비교 결과와 종합하여 보강 사면의 구속효과의 차이에서 나온 결과로 보인다.

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