Bundle Nail Type의 사면 보강공법 특성에 관한 연구 = A Study on the Characteristics of Reinforced Slope Method in Bundle Nail Type

국문 초록 (Abstract)

실무에서 Soil Nailing의 설계는 사용 Nail의 허용인장력과 그라우터의 강도특성을 반영 한 한계평형해석을 통해 Nail의 설치 길이와 각도, 수평간격 그리고 설치단수를 결정하 게 된다. 이때 Nail의 휨 강도와 전단력에 의해 감소된 Nail의 최대 인장력이 무시되어 과다설계 로 이어지며 비탈면의 안전율에 유익한 결과를 초래함에도 안전측 설계차원에서 Nail의 휨 강도와 전단력에 대한 검토가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 휨 강성을 증가시키기 위한 다양한 방법이 동원될수 있으나 공사비의 증가없이 일반 Nail과 동일한 철근비 조건하 여러가닥의 가는 철근을 이용하여 휨 강성 을 증가시킬수 있는 일명 Bundle Nail에 대한 구조적 특성을 분석하였다. 분석결과, 현장 인발시험에서 항복하중은 일반 Nail보다 2배 가량 높은 부착력의 증진 효과를 확인하였다. 실내 휨 강도 시험을 시행한 결과, 일반 Nail보다 휨 강도의 증가량이 30%것으로 확인 되었다. 현장과 실내시험을 통해 향상된 휨 강성의 증가량을 탄성계수의 증가량으로 치환하여 한계 평형 해석을 수행한 결과, 토사 사면에서는 안전율이 동일하게 나타나 부착력과 휨 강성이 상대적으로 우수한 Bundle Nail을 효과적이며 공사비의 절감이 가능한 지반 의 강성은 그라우터와 지반과의 마찰저항값이 588kN/m2인 것으로 확인되었다. 풍화암 이상의 비탈면에 한계평형 해석을 수행한 결과 안전율은 천공직경에 따라 7.28%~24.6%까지 증가하는 경향을 확인하였다. 부착력이 우수한 Baundle Nail의 정착길이 산정면에서 휨 강성을 고려한 전이길이의 결정은 실내시험과 횡 방향 하중을 받는 긴 말뚝으로 간주한 합리적인 전이길이 결정 방법을 제안하였으며 제안된 전이길이는 한계 평형 해석으로 산출한 정착길이에 영향 을 미치지 않는 것으로 확인 되었다. 수치해석에서 휨 강도의 증가량 30%가 비탈면의 안전율에 미치는 영향을 분석한 결과 토사사면에서 영향이 없던 결과와 달리 5%내외의 안전율에 미치는 영향을 확인하였다. 핵심용어 : 휨 강도, 전단력, 탄성계수, 마찰 저항값, 안전율, 전이길이

목차 (Table of Contents)

• 목 차 Ⅰ
• 그림차례 Ⅵ
• 표 차 례 Ⅸ
• 국문요약 Ⅺ
• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구내용 및 방법 4
• 제 2장 이론적 배경 6
• 2.1 Soiling Nailing 공법 6
• 2.2 암반 비탈면의 안정성 평가 6
• 2.2.1 암반 비탈면의 안정해석방법 7
• 2.2.2 현장조사 7
• 2.2.3 암반분류 8
• 2.2.4 평사투영해석 10
• 2.3 암반 비탈면에서의 한계 평형 해석 14
• 2.3.1 암반 비탈면의 해석절차 14
• 2.3.2 원호파괴의 한계평형 해석 15
• 2.3.3 평면파괴의 한계평형 해석 15
• 2.3.4 쐐기파괴에서의 한계평형 해석 16
• 2.3.5 전도파괴에서의 한계평형 해석 16
• 2.4 암반 비탈면에서의 수치해석 17
• 2.4.1 수치해석의 필요성 17
• 2.4.2 연속체 해석 17
• 2.4.3 불연속체 해석 17
• 2.5 Soil Nailing의 기본이론 19
• 2.5.1 지반과 Nail의 상호작용 19
• 2.5.1 Nail의 거동 21
• 2.5.3 Soil Nailing벽체의 파괴유형 26
• 2.5.4 Soil Nailing과 병행보강 29
• 2.6 Soil Nailing의 설계 및 해석법 30
• 2.6.1 안정해석법 30
• 2.6.2 변위 해석법 31
• 2.7 Nail의 휨과 전단력을 고려한 설계 31
• 2.7.1 Schlosser(1983) 설계 방법 31
• 2.7.2 지반의 전단저항력 파괴규준 33
• 2.7.3 지반과 Nail사이의 마찰력 33
• 2.7.4 지반과 보강재 사이의 활동에 대한 파괴규준 33
• 2.7.5 Nail의 강도에 대한 파괴규준 35
• 제 3장 Bundle Nail의 현장시험 37
• 3.1 연구방법 37
• 3.2 실험 대상 및 방법 37
• 3.2.1 현장 위치 및 시험 개소 37
• 3.2.2 현장 시험 종류별 시험 방법 37
• 3.3 1차 시험 39
• 3.3.1 시험 대상 사진 대장 39
• 3.2.2 시험 장비 및 지반 물성치 40
• 3.3.3 Nail의 인발시험 40
• 3.3.4 시험 결과 40
• 3.3.5 1차 현장시험 결과 분석 42
• 3.4 2차 시험 43
• 3.4.1 시험 조건 43
• 3.4.2 Nail의 인발시험 43
• 3.4.3 시험 결과 43
• 3.5 시험 결과의 분석 46
• 3.6 현장 시험결과에 대한 고찰 47
• 제 4장 Bundle Nail의 실내시험 48
• 4.1 연구방법 48
• 4.2 실험조건 48
• 4.2.1 시험체 제원 48
• 4.3 가력 및 측정방법 49
• 4.3.1 하중 작용 및 변형량 계측 49
• 4.3.2 시험체의 구성 49
• 4.3.3 휨 강도 시험 전경 50
• 4.4 실험 결과 50
• 4.4.1 일반 Nail 50
• 4.4.2 일반 Nail의 실험 종료후 균열도 51
• 4.4.3 Bundle Nail 52
• 4.5 결과 분석 54
• 제 5장 SoilWorks를 활용한 한계평형 해석상 Bundle Nail의 구조 성능 분석 57
• 5.1 대상 비탈면의 기하학적 단면 57
• 5.2 지반 강도정수 적용 57
• 5.3 1차 해석을 위한 입력 DATA 분석 58
• 5.3.1 복합체로 환산한 일반 Nail의 휨 강성 58
• 5.3.2 복합체로 환산한 Bundle Nail의 휨 강성 58
• 5.4 시공방법 및 지반종류에 따른 극한 주면 마찰저항 60
• 5.5 1차 해석 결과 61
• 5.5.1 간격과 단수의 동일조건하 안전율의 변화 61
• 5.5.2 분석 62
• 5.6 Bundle Nail의 구조적 성능 향상 방안 62
• 5.6.1 Soil Nail의 안전성 62
• 5.6.1 복합체로 환산된 제품사양 비교 실내시험에서의 휨 강성 산출 62
• 5.6.2 부착력과 마찰 저항력에 대응하는 동일 정착길이를 확보하기 위한 천공경 64
• 5.6.3 지반과 그라우터의 마찰 저항력을 향상 시키기 위한 가압 Grouting 적용 65
• 5.6.4 Bundle Nail의 부착력에 의존한 정착길이 절감을 위한 지반조건 분석 66
• 5.7 토사, 풍화암 비탈면에서의 정착길이 감소 효과 63
• 5.7.1 천공직경 105㎜에서 120㎜ 적용시 그라우터 정착길이 비교 63
• 5.8.2 가압 Grouting에 대한 효과성 69
• 5.8 실내 및 현장 인발시험 결과 환산된 휨 강성의 증가율 적용 69
• 5.8.1 복합체로 환산된 실내시험과 현장 인발시험에서의 휨강성 산출 69
• 5.9 2차 해석 결과 71
• 5.9.1 2차 해석 조건 71
• 5.9.2 풍화암 비탈면에 할증 탄성계수 적용시 안전율의 변화 71
• 5.9.3 풍화암 비탈면에 천공직경을 확장한 경우 안전율의 변화 73
• 5.9.4 해석 결과 분석 74
• 5.10 일반 Nail과 Bundle Nail의 공학적 특성 평가 75
• 제 6장 암반 비탈면에서의 Bundle Nail 구조적 안정성 평가 77
• 6.1 설계 방법 선정 77
• 6.2 설계 방법의 요지 77
• 6.3 대표단면의 가정 78
• 6.4 비탈면의 상태 78
• 6.5 한계 평형 해석 결과 안전율 산정 78
• 6.6 필요한 보강력 산정(Pn) 80
• 6.7 적용 Nail의 제원 80
• 6.8 일반 Nail 적용시 응력 산정 81
• 6.8.1 Nail의 변형에 따른 Vf 및 Tf 산정 81
• 6.8.2 수동토압에 따른 Nail의 수동저항력(Vmax) 81
• 6.8.3 Nail에 발생 최대 인장력 82
• 6.9 일반 Nail 적용시 보강량 산정 83
• 6.9.1 Nail의 정착길이 분석 83
• 6.10 Bundle Nail 적용시 보강량 산정 84
• 6.10.1 Bundle Nail 적용시 정착길이 분석 84
• 6.11 Nail의 소요량 84
• 6.12 일반 Nail과 Bundle Nail의 공학적 특성 비교 85
• 6.13 사용 Nail별 직경변화와 천공직경의 확장이 Bundle Nail의 구조성능에 미치는 영향 분석 86
• 6.13.1 복합체로서 거동을 배제한 Nail의 휨 강성만을 고려한 경우 86
• 6.13.2 휨 강성을 고려한 천공 직경의 적합성 분석 87
• 6.14 복합체로 가정한 Nail의 전이 길이 적용성 분석 87
• 6.14.1 휨 강성에 따른 전이 길이 분석 87
• 6.14.2 휨 강성에 따른 전이 길이의 적용성 88
• 6.15 복합체로서 휨 강성을 고려한 정착 길이의 재 산정 90
• 6.16 경제성을 고려한 사용 Nail의 효과성 분석 93
• 6.17 암반 비탈면에서의 구조적 성능 평가 93
• 제 7장 수치해석을 활용한 Bundle Nail의 구조 성능 분석 96
• 7.1 연구의 요지 96
• 7.2 유한요소 해석에 의한 비탈면 안정 해석 방법 97
• 7.3 수치해석 97
• 7.3.1 해석 대상 비탈면의 모델링 97
• 7.3.2 지반강도 정수 및 Nail의 제원 98
• 7.3.3 철근의 직경에 따른 시험체의 구분 99
• 7.3.4 수치해석 99
• 7.4 천공직경 105㎜ 적용시 1차 해석 결과 100
• 7.4.1 일반 Nail과 Bundle Nail의 변위 검토 결과 100
• 7.4.2 부재력의 비교 101
• 7.4.3 사용 Nail별 최대 축력의 분포 102
• 7.5 천공직경 120㎜ 적용시 2차 해석 결과 103
• 7.5.1 사용 Nail별 안전율의 변화 103
• 7.5.2 분 석 105
• 7.6 수치해석을 통한 구조성능 평가 106
• 제 8장 결 론 107
• 참고문헌 109
• ABSTRACT 111