A Experimental Study on the Stabilizing Effect of Anchors against Sliding

地 盤 工 學

第26卷 第3C 號·2006年 5月 pp. 171~180

사면에 설치된 앵커의 활동억지효과에 대한 실험적 연구

A Experimental Study on the Stabilizing Effect of Anchors against Sliding

송영석*ㆍ홍원표**

Song, Young-Suk ㆍ Hong, Won-Pyo

···

Abstract

To investigate the stabilizing effect of anchors against sliding, a series of the model test was carried out. An apparatus was developed to perform the model test of the slope reinforced by anchors. An instrumentation system has been applied on the anchors to measure the axial force during slope failure. The maximum stabilizing effect is revealed about 0.5% of the area ratio. The initial loss of anchor force is represented about 24% of initial jacking force. This result is equaled to the proposed range(10%~25%) of the field test result(Yun, 1997). The effective jacking force corresponds to 70% of the initial jacking force.

Therefore, the initial jacking force should be determined more than 30% of the design jacking force. As the initial jacking force becomes increase, the reinforced slope is transferred to brittle failure behavior due to increasing the density of slope soils.

Keywords : model test, anchor, area ratio, initial jacking force, stabilizing effect, design value

···

요 지

앵커의 활동억지효과를 조사하기 위하여 일련의 모형실험을 수행하였다. 이를 위하여 앵커가 설치된 사면에 대한 모형실험 장치를 고안하였다. 그리고 모형실험시 각종 계측시스템을 이용하여 사면활동에 따른 앵커의 축력변화를 조사하였다. 모형실 험결과 앵커의 면적비를 0.5%로 설치할 경우 네일의 사면활동에 대한 억지효과가 가장 크게 발휘된다. 앵커축력의 초기손실 율은 초기인장력의 약 24%로 나타났다. 이는 기존의 현장실험결과(윤중만, 1997)에서 제안된 10%~25%의 범위와 일치함을 알 수 있다. 그리고 앵커의 유효인장력은 초기인장력의 70%에 해당하므로, 앵커의 초기인장력은 설계인장력보다 30%정도 증가하여 설계하여야 할 것이다. 한편, 앵커의 초기인장력이 증가하게 되면 사면지반의 상대밀도가 증가되어 사면은 취성파 괴의 거동을 보임을 알 수 있다.

핵심용어 : 모형실험, 앵커, 면적비, 초기인장력, 활동억지효과, 설계치

···

1. 서 론

앵커공법은 고강도 강재를 앵커재로 하여 보링공내에 삽입 하고 그라우트 주입을 실시함으로서 앵커재를 지반에 정착 시켜 앵커재 두부에 작용한 하중을 정착지반에 전달하여 사 면을 안정화하는 공법이다 . 앵커는 사용기간에 따라 가설앵 커와 영구앵커로 구분하고 있으며 , 일본 (JSF), 독일 (DIN), 영

국 (BSI) ^{등의 경우 그 기준을} 2 ^{년으로 한다} .

앵커공법은 사면안정대책공법 뿐만 아니라 흙막이 굴착구 조물로서 국내외에서 오래전부터 많이 사용되어 왔다

(NAVFAC, 1982; Ulrich, 1989; 홍원표 & 윤중만 , 1995;

홍원표 외 2 인 , 2004). 앵커공법이 최초로 사용된 예는

1934 년 Coyne 이 알제리의 Cheurfas 댐에 프리스트레스를 주

어 주입형 앵커를 시공한 사례이다 . 앵커공법이 토목 및 건 축의 지하굴착공사에 적용된 이후 , 그 적용성이 인정되어 급 속히 보급되기 시작했다 . 이후 앵커용 천공기계가 도입되고

개발되어 시공속도의 향상 , 시공성 개선에 따른 비용절감 및 신뢰성의 증대가 이루어졌다 .

앵커공법은 사면안정을 위한 안전율증가법 가운데 하나로 써 도로 및 주택건설로 인하여 발생된 절개사면에 주로 적 용된다 . 국내의 경우 아파트 신축공사 현장에서 사면절개시 사면상부의 토사 활동 , 사면하부의 암반 붕락 등의 위험이 있어 앵커로 보강된 사례연구가 있으며 ( 정철호 , 1999), 단양 군 휴석동의 산사태에 대한 사면보강공법으로 앵커가 적용

된 사례가 있다 ( 조영훈 외 3 인 , 1999). 그리고 부산지역 아

파트 시공현장 ( 정상문 , 1994) 및 동해고속도로 확장공사 현

장 ( 이호문 , 2004) 에서 사면절개시 사면활동이 발생되어 억지

말뚝과 함께 앵커가 보강된 사례연구가 있다 . 위의 사례에서 는 앵커축력을 측정하여 보강사면의 안정성을 검토하였다 .

최근 국외에서 사면보강공법으로 앵커를 자주 사용하고 있

음을 알 수 있다 . 중국의 경우 Sichuan 에서 발생된 산사태

에 대한 보강공법으로 앵커가 적용된 사례 (Zhou, 2000) 가

*정회원·교신저자·한국지질자원연구원지질환경재해연구부선임연구원

(E-mail: [email protected])

**정회원·중앙대학교건설환경공학과교수

(E-mail: [email protected])

있으며 , 유럽의 경우 영국 (Grant et al., 2000), 이태리

(Bandis et al., 2000) 등에서 사면보강공법으로 앵커가 적용

된 사례연구가 발표된 바 있다 .

위에서 설명한 사면안정을 위한 앵커공법에 관한 연구는 대부분 사례연구이며 , 앵커의 사면안정효과 , 설계정수 등에 대한 연구는 매우 미흡한 편이다 . 즉 , 현재 사면보강을 위하 여 앵커공법이 많이 적용되고 있으나 효과적인 설계방법이 나 영향요소에 대한 연구가 부족하며 , 앵커의 사면보강조건 에 따른 활동억지효과에 대한 연구는 매우 미흡한 편이다 .

따라서 , 본 연구에서는 앵커의 설치간격 및 초기인장력에 따른 활동억지효과를 조사하여 사면안정을 위한 앵커의 설 계 및 시공기준을 마련하고자 한다 . 앵커의 시공조건에 따른 활동억지효과를 조사하기 위하여 일련의 모형실험을 수행하 였다 . 이를 위하여 앵커가 설치된 사면에 대한 모형실험장치 를 고안하였으며 , 모형앵커를 고안 및 제작하고 모형사면지 반을 조성하였다 . 그리고 각종 계측시스템을 이용하여 사면 활동에 따른 앵커의 축력변화를 조사하였다 . 이를 통하여 앵 커의 설치간격 및 초기인장력에 대한 영향을 조사하고 , 이에 따른 앵커의 활동억지효과를 고찰하고자 한다 .

2. 모형실험 2.1 모형실험장치

사면에 설치된 앵커의 사면안정효과를 검증하기 위하여 모 형실험장치를 제작하였다 . 그림 1 은 모형실험장치의 계통도 를 도시한 것으로서 지반변형제어장치 , 모형사면지반토조 및 데이터입력장치의 세부분으로 구성되어 있다 . 여기서 지반변 형제어장치와 모형사면지반토조를 모형사면실험장치라고 한다 .

지반변형제어장치는 사면지지판 (earth retaining plate) 과 롤 러 및 동력장치 ( 모터 ) 로 이루어져 있으며 , 속도조절이 가능하 도록 제작하였다 . 모형사면지반토조는 모형앵커와 모형사면 으로 이루어져 있으며 , 모형앵커의 축력을 측정하기 위하여 하중계를 설치하였다 . 그리고 데이터입력장치는 하중계 , 데 이터기록장치 (U-CAM) 및 컴퓨터로 이루어져 있다 .

그림 2 는 모형사면실험장치를 나타낸 것이다 . 그림에서 보 는 바와 같이 모형사면실험장치는 길이 215cm, 높이

140cm, 폭 54cm 이며 , 모형사면지반토조와 지반변형제어장치

로 구성되어 있다 . 모형사면지반토조는 길이 170cm, 높이

130cm, ^폭 50cm ^{의 크기를 갖는다} . ^{모형실험시 모형사면지반}

그림 1. 앵커로 보강된 모형사면실험장치 계통도

그림 2. 앵커로 보강된 모형사면실험장치

토조 내부의 지반변형을 관찰하기 위하여 , 두께가 2cm 인 투 명아크릴 판을 사용하여 제작하였다 . ^{그리고 사면지반의 경}

사를 자유롭게 조절하기 위하여 사면경사조절장치 (slope

inclination controller) 를 설치하였으며 , 모형사면의 경사는

최소 16.5

에서 최대 45

까지 조절이 가능하도록 제작하였다 .

한편 , 모형사면지반의 깊이는 30cm 로 조성하여 실험을 수행 하였다 .

모형앵커의 제원은 표 1 에 나타나 있으며 , 앵커의 PC Strand 는 직경 10mm, 길이 360mm 의 스프링 (spring) 으로 모형화하고 , 탄성범위내에서 50kgf 의 인장력을 가할 때

50mm 의 변형이 일어나도록 제작하였다 . 그리고 , 모형앵커의 스프링에 대한 세부적인 내용은 표 2 에 나타내었다 . 사진 1

은 모형앵커의 스프링을 나타낸 것이다 .

모형앵커는 사면지지판 (earth retaining plate) 으로부터

30cm 떨어진 위치에 1 열을 설치하도록 하였다 . 앵커의 초기

인장력을 가하기 위하여 사면지반토조내에 인장력유발장치

(jacking force operation frame) 를 고안하여 설치하였다 . 그 림 3 은 인장력유발장치틀을 도시한 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 A 부분은 상판을 나타내며 강판으로 제작하였고 , B 부분은 측면판을 나타내며 아크릴판으로 제작하였다 . 그리 고 A ^부분과 B ^{부분을 탈부착식으로 제작하였으며} , ^다 . ^인장

력유발장치틀의 설치방법을 살펴보면 사면지반을 조성하기 전에 B 부분을 사면경사조절판 (slope inclination plate) 에 설 치하고 , 사면지반을 조성한 이후에 A 부분을 조립한다 . A 부 분은 인장력을 가할 때 변형이 생기지 않도록 두께 5mm

강판으로 제작하였고 , 모형앵커의 면적비에 대한 실험을 위 하여 미리 구멍을 천공한다 . B 부분은 사면지반내부의 거동

을 관찰할 수 있도록 두께 10mm 의 투명아크릴 판으로 제

작하였다 . ^{그리고 모형앵커의 면적비에 대한 영향을 조사하}

기 위하여 다양한 면적비에서 실험이 가능하도록 사면경사 조절판에 탈부착식 면적비조절판을 고안하여 설치하였다 .

모형앵커의 축력을 측정하기 위하여 앵커에 인장압축형 하 중계를 설치하였다 . 사진 2 는 본 모형실험에서 사용된 하중 계를 나타낸 것으로 전기저항방식의 인장압축형 하중계이다 .

본 하중계는 최대용량이 100kgf 이며 , 높이는 63.5mm, 폭이

51mm, 두께가 13mm 이다 .

그림 4 및 사진 3 은 앵커에 설치된 하중계의 모습을 나 타낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 하중계는 사면지반변 형시 축력을 측정하기 위한 설치위치와 초기인장력을 측정 하기 위한 설치위치가 각각 다르다 . 즉 , 초기인장력의 경우 사면지반의 변형이 발생되기 이전 측정되는 것으로서 사면 지반위에서 측정이 가능하지만 , 사면지반변형시 앵커축력의 경우 사면지반의 변형이 지속적으로 발생되기 때문에 사면 지반위에서 측정이 불가능하다 . 그러므로 초기인장력은 사면 지반의 위에서 측정을 실시하였고 , 사면지반변형시 앵커축력 표 1. 모형앵커의 제원

재질 직경 길이 지정길이 지정길이시 하중 스프링상수

스프링강 강재 10mm 360mm 63mm 35kgf 0.55kgf/mm

표 2. 모형앵커의 스프링에 대한 세부사항

구 분 제 원

스프링강의 지름 2.5mm

코일의 평균지름 7.47mm

가로탄성계수 (G) 8 × 10

kg/cm

총 감김수 170

감김방향 오른쪽

자유길이 42.5mm

단부 고리모양 둥근모형

방청처리 방청유 도포

사진 1. 모형앵커의 스프링

그림 3. 인장력유발장치틀

사진 2. 인장 압축형 로드셀

은 사면경사조절판의 아래에서 측정하였다 . 그림 4(a) 및 사

진 3(a) 는 사면지반변형시 축력을 측정하는 경우 하중계가 사

면경사조절판의 하단에 설치되는 것을 나타낸 것이다 . 그리고

그림 4(b) ^{및 사진} 3(b) ^{는 초기인장력을 측정할 경우 하중계}

가 모형사면지반의 상부에 설치되는 것을 나타낸 것이다 .

지반변형제어장치와 데이터입력장치는 억지말뚝으로 보강 된 모형실험장치와 동일하므로 이를 참조하기 바란다 ( 홍원표

와 송영석 , 2005). 사면지지판은 1.5

/min 의 각속도로 회전

하며 , 사면지반의 파괴를 유발하도록 하였다 . 한편 , 사면지반 의 파괴를 유발하기 위하여 모형사면지반의 상단에 하중재 하판을 설치하여 상재하중을 가하도록 하였다 .

지반변형제어장치는 사면지지판 (earth retaining plate) 과 롤 러 및 동력장치 ( 모터 ) 로 구성되어 있다 . 사면지지판은 동력장 치에 의한 회전속도를 롤러를 통하여 전달받게 되며 , 이를 통하여 사면지지판이 회전하게 된다 . 사면지지판은 최대 90

까지 회전이 가능하도록 고안되었으며 , 동력장치는 각속도를 다양하게 변화시킬 수 있도록 고안되었다 . 본 실험에서는 사

면지지판은 1.5

/min 의 각속도로 회전하며 , 사면지반의 파괴 를 유발하도록 하였다 . 사면지지판의 회전속도는 사질토에 대한 직접전단시험 (KSF 2343) 시 전단속도 (0.25~1.9mm/min)

를 고려하여 결정하였다 ( 이상덕 , 1996). 한편 , 사면활동을 원 활하게 발생시키기 위하여 모형사면지반의 상단에 하중재하 판을 설치하였다 . 하중재하판은 사면의 활동력을 증가시키기

위하여 설치된 것으로 총 40kg 의 하중을 재하 하였다 . 토조

면과 사면경사조절판 및 사면지지판 사이의 접촉부는 실리 콘을 이용하여 사면지반의 유출을 방지하였다 .

데이터입력장치는 하중계 , 데이터기록장치 및 컴퓨터로 구 성되어 있다 . 데이터기록장치는 일본 KYOWA 사의 U-CAM

으로서 30 채널의 데이터를 동시에 입력할 수 있다 .

2.2 모형사면지반

본 모형실험에서는 모형사면지반의 재료로 주문진 표준사 를 사용하였다 . 본 모형실험에 사용된 주문진 표준사의 공학

적인 특성은 홍원표와 송영석 (2005) 의 결과를 이용하였다 .

모형사면지반을 균질하게 조성하기 위하여 낙하고에 따른 상대밀도 실험결과를 적용하였다 . ^{본 모형실험에서 적용된}

사면지반은 상대밀도를 60% 인 모래로서 , 낙하고는 90cm 이 다 . 이때 주문진 표준사의 내부마찰각은 삼축압축시험을 통 하여 측정하였으며 , 상대밀도 60% 일 때 주문진 표준사의 내 부마찰각은 38.5

로 나타났다 ( 홍원표와 송영석 , 2005).

3. 실험방법 및 계획 3.1 실험방법

실제 앵커의 시공에서는 이미 조성되어 있는 사면에 먼저

천공을 실시하고 PC Strand 를 넣은 다음 정착장을 설치한

후 인장력을 가하여 시공한다 . 그러나 모형실험상에서는 앵 커를 먼저 설치한 이후 사면을 조성하고 인장력을 가하여 실험을 수행한다 . 모형실험은 다음과 같은 순서로 수행하였 으며 , 사진 4 는 모형실험의 모습을 나타낸 것이다 .

1) 사면경사조절판 (slope inclination plate) 에 사면지반변형 시 축력을 측정하기 위한 하중계를 설치한 후 사면경사조절 판 하부를 통해서 앵커를 설치한다 .

2) 사면경사조절장치 (slope inclination controller) 를 조절한 후 사면경사조절판을 설치한다 .

3) 인장력유발장치 (jacking force operation frame) 를 설치 할 틀을 설치한다 .

4) 강사법을 이용하여 일정한 상대밀도의 사면지반을 조성 한다 .

5) ^{하드보드지로 미리 제작한 전면판을 앵커에 설치하고}

인장력유발장치를 이용하여 앵커에 인장력을 가한 후 약 5

분간 안정한 상태로 유지시킨다 .

6) 사면상부에 상재하중이 작용할 수 있도록 하중재하판

(loading steel plate) 를 이용하여 40kg 씩 10 단계를 1 분 간 격으로 재하한다 .

7) 하중재하를 완료한 이후 5 분 동안 안정한 상태로 유지 한 후 사면지지판 (earth retaining plate) 을 회전시켜 사면활 동을 유발한다 .

이와 같은 모형실험방법에 대한 실험 세부사항을 열거하면 그림 4. 모형앵커의 하중계 설치 및 축력 측정

사진 3. 앵커에 설치된 하중계

다음과 같다 .

1) ^{모형사면지반토조에 모형앵커를 설치한다} ;

사면경사조절판은 보강재 간격과 면적비에 맞게 미리 천공 해 제작한다 . 그리고 , 로드셀을 설치한 앵커를 사면경사조절 판에 고정시킨다 . 한편 , 지반조성후 표층에 사면보호판을 설 치하고 인장력 유발장치를 이용해 해당하는 인장력을 주어 서 앵커를 설치한다 .

2) 모형사면지반을 조성한다 ;

주문진 표준사를 이용하며 강사법을 통하여 상대밀도 60%

의 사면지반을 조성한다 .

3) 지반변형제어장치를 이용하여 사면지반의 파괴를 유발 시킨다 .

모터를 작동시켜 사면지지판을 회전시킨다 . 이때 , 사면지지 판의 회전속도는 1.5

/min 이 되게 모터의 속도를 유지한다 .

4) 앵커축력을 측정한다 .

데이터기록장치 (U-CAM) 와 연결된 하중계로부터 사면지반 변형시 발생되는 모형앵커의 축력을 측정하게 된다 .

3.2 실험계획

본 모형실험에서는 앵커로 보강된 사면의 활동억지효과를 규명하고 , 이와 관련된 영향요소들을 검토하고자 한다 . 앵커 의 사면안정효과는 앵커의 설치간격 , 초기인장력 , 지반의 내 부마찰각 및 점착력 등에 의해 영향을 받는다 ( 地盤工學會 ,

2001). 본 모형실험에서는 앵커의 면적비 및 초기인장력에

따른 영향을 조사하고자 한다 .

억지말뚝의 경우는 말뚝의 간격비를 이용하여 설계 및 시 공되고 있으며 , 쏘일네일링의 경우는 네일의 면적비를 이용 하여 설계 및 시공되고 있다 . 그러나 앵커의 경우 아직까지 설치간격에 대한 정확한 기준이 마련되어 있지 않다 . ^단지

시공현장에서의 안정성 및 시공성을 고려하여 볼 때 수평 혹은 수직간격이 1.5m 이상 시공하여야 하는 것으로 명시되 어 있다 ( グラウンドアンカ ? 技術協會 , 1997). 본 모형실험에서 는 앵커의 설치간격을 면적비 개념을 도입하여 수행하고자 한다 . 억지말뚝의 간격비 개념을 적용하여 앵커를 설치할 경 우 간격이 너무 좁아 실제 시공사례와 차이가 크게 되며 ,

시공이 곤란하게 된다 . 따라서 앵커의 경우에는 쏘일네일링 의 면적비 개념을 적용하는 것이 합리적이라고 판단된다 . 모 형실험에서는 앵커의 면적비가 0.3%, 0.5%, 0.6%, 0.7%,

0.8% 및 0.9% 인 경우에 대하여 실험을 수행한다 . 이때 앵

커의 초기인장력은 15kgf 이고 , 보강열수는 3 열로 한다 . 앵커 의 면적비는 다음과 같이 산정하였다 ( 그림 5).

1) 앵커 1 개의 면적 ( A

)

여기서 , ^D = ^{앵커의 지름} ( ^{일반적으로} 10cm ^적용 ) 2) 1 개의 앵커가 지지하는 보강분담면적 ( A )

여기서 , S

= 앵커의 수직 설치간격 , S

= 앵커의 수평 설치간격

3) 앵커면적비 = 단위면적당 1 개 앵커의 밀도 =

앵커의 초기인장력에 따른 사면활동의 저항효과를 조사하 기 위하여 모형실험을 수행하고자 한다 . 앵커의 초기인장력 을 산정하기 위하여 모형실험에 적용된 모형앵커의 항복인 장력을 산정한다 . 모형앵커의 항복인장력을 산정하기 위하여 앵커의 인장실험을 수행하였다 . ^{인장실험결과 그림} 6 ^{과 같은}

하중 - 변위곡선의 그래프를 구할 수 있으며 , 이를 이용하여

35kgf 의 항복인장력을 산정하였다 . 앵커설계 인장력은 항복

인장력의 약 70~75% 정도를 적용한다 ( グラウンドアンカ一技

術協會 , 1997). ^따라서 , ^{본 모형실험에서는 항복인장력인}

35kgf 의 10~90% 인 5kgf, 10kgf, 15kgf, 20kgf, 25kgf 및

30kgf 를 초기인장력으로 하여 실험을 수행한다 . 이때 앵커의

면적비는 0.5% 이며 , 보강열수는 3 열로 한다 .

A

πd

--- 4

=

A S =

× S

A

--- A 사진 4. 모형실험 모습

그림 5. 앵커의 단위면적당 설치간격

그림 6. 모형앵커의 하중-변위곡선

각각의 실험에 대하여 사면의 경사는 30

, 사면지지판의 회

전속도는 1.5

/min, 앵커의 삽입각도는 0

로 동일한 상태에서

실험을 실시한다 . 표 3 은 쏘일네일링으로 보강된 사면의 모형 실험계획을 나타낸 것으로 총 12 가지의 실험을 실시한다 . 4. 실험결과

앵커의 거동은 앵커와 주변지반의 상호작용에 의하여 결정

된다 . 본 모형실험에서는 앵커의 면적비 및 초기인장력의 변 화에 대한 영향을 파악하기 위해 실험을 실시하였다 . 앵커로 보강된 사면의 모형실험은 총 4 단계로 나누어 실시한다 . 즉 ,

초기인장력 도입구간 (A 구간 ), 하중재하구간 (B 구간 ), 하중유지 구간 (C 구간 ), 사면활동구간 (D 구간 ) 으로 구분할 수 있다 . 먼 저 , 앵커에 초기인장력을 가하고 정착을 시킨 후 앵커축력을 측정하고 5 분동안 안정한 상태를 유지시킨다 (A 구간 ). 하중재 하구간에서는 40kgf 의 하중을 10 단계로 나누어 재하하며 각 단계에서는 1 분간 하중상태를 유지시킨다 (B 구간 ). 하중유지 구간에서는 하중 재하 완료후 5 분 동안 안정된 상태를 유지 시킨다 (C 구간 ). 마지막으로 , 사면파괴구간에서는 지반변형제 어장치를 사용하여 사면의 파괴를 유발시킨다 (D 구간 ).

4.1 앵커의 면적비

앵커의 설치간격은 필요앵커력에 대하여 앵커 1 본의 설계 내력을 산정하여 결정하여야 하지만 , 일반적으로 수평간격은

1.5~4m, 수직간격은 2~4m 를 주로 적용하여 시공한다 ( グラウ

ンドアンカ一技術協會 , 1997). 현재까지 앵커의 설치간격은 정착장이 설치되는 지지층의 심도와 관련하여 제안된 바가 있다 ( グラウンドアンカ一技術協會 , 1997; Eligehausen et al.,

1995). 본 연구에서는 앵커의 설치간격을 앞서 설명한 쏘일

네일링의 면적비 개념을 적용하고자 한다 . 앵커의 면적비에

대한 영향을 고려하기 위하여 면적비가 0.3%, 0.5%, 0.6%,

0.7%, 0.8% 및 0.9% 일 경우 앵커축력을 측정하였다 . 이때

앵커의 초기인장력은 15kgf 이며 , 보강열수는 3 열로 하였다 .

표 3. 주요변수를 고려한 실험계획

구분 주요변수

사면경사각 지지판 면적비 초기인장력 회전속도

면적비 앵커 영향

0.3% 15kgf

30

1.5

/min

0.5% 15kgf

0.6% 15kgf

0.7% 15kgf

0.8% 15kgf

0.9% 15kgf

초기인장력 앵커 영향

0.5% 5kgf

0.5% 10kgf

0.5% 15kgf

0.5% 20kgf

0.5% 25kgf

0.5% 30kgf

그림 7. 면적비에 따른 앵커축력의 변화

그림 7 은 앵커의 면적비가 0.3%-0.9% 인 경우 앵커축력의

변화를 나타낸 것이다 . 그림 7(a) 및 그림 7(b) 는 앵커의 면

적비가 각각 0.3% 및 0.5% 일 경우를 나타낸 것으로 B 구간

에서 하중이 증가함에 따라 1 열앵커의 축력은 급속하게 감 소하나 2 열 및 3 열앵커의 축력은 미소하게 증감함을 알 수 있다 . 즉 , 1 열앵커는 재하하중에 효과적으로 저항하지 못하 고 있으나 , 2 열 및 3 열앵커는 재하하중에 저항하고 있는 것 으로 판단된다 . 그리고 2 열 및 3 열앵커의 축력은 1 열앵커의 축력과 차이가 큰 것으로 나타났다 . 이는 앵커의 설치간격이 넓어 유효인장력이 불균일하게 발생된 것으로 판단된다 . D

구간에서는 지반변형으로 인한 사면활동에 대하여 3 열앵커

가 가장 크게 저항하는 것으로 나타났다 . 한편 , 그림 7(c)

및 그림 7(d) 는 앵커의 면적비가 각각 0.7% 및 0.9% 인 경

우를 나타낸 것으로 B 구간에서 하중이 증가함에 따라 2 열 및 3 열앵커의 축력은 미소하게 증가함을 알 수 있다 . 따라서

2 열 및 3 열앵커에서는 재하하중에 대한 저항효과를 확인할 수 있다 . 그러나 D 구간에서는 지반변형으로 인한 사면활동에 대하여 3 열앵커가 가장 크게 저항하는 것으로 나타났다 .

그림 8 ^{은 앵커의 면적비에 따른} 2 ^{열앵커의 축력변화를 나}

타낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 A 구간에서 C 구간까 지 , 즉 초기인장력 도입에서 하중재하후 유지구간까지 앵커의

면적비가 0.3% 에서 0.6% 인 경우 앵커축력의 손실이 적은 것

으로 나타났다 . 따라서 앵커의 면적비가 0.3% 에서 0.6% 인

경우 앵커의 사면활동에 대한 저항효과가 크게 나타남을 알 수 있다 . 그러나 사면활동구간인 D 구간에서는 면적비와 상관 없이 급속하게 앵커축력이 감소하는 것으로 나타났다 .

그림 9 는 사면활동이 일어나는 D 구간에서 사면지반의 변 형에 따른 2 열앵커의 축력변화를 나타낸 것이다 . 사면지지판 의 회전으로 인한 사면지반의 변형이 발생된 직후 면적비와 상관없이 앵커축력은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다 .

앵커축력이 급격히 감소된 이후에는 앵커축력이 일정하게 수 렴하는 경향을 갖는 것으로 나타났다 . 따라서 사면파괴가 일 어나게 되면 면적비와 관계없이 앵커축력은 감소하여 일정 하게 수렴함을 알 수 있다 .

4.2 앵커의 초기인장력

앵커의 초기인장력에 대한 영향을 조사하기 위하여 초기인 장력이 5kgf, 10kgf, 15kgf, 20kgf, 25kgf 및 30kgf 인 경 우에 대하여 모형실험을 수행하였다 . 이때 앵커의 면적비는

0.5% 이며 , 보강열수는 3 열로 하였다 .

그림 10(a) 는 초기인장력이 10kgf 일 경우 앵커축력의 변화

그림 8. 면적비에 따른 앵커축력(2열)

그림 9. 사면지반변형에 따른 앵커축력(2열) 그림 10. 초기인장력에 따른 앵커축력의 변화

를 나타낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 B 구간에서 하 중이 증가함에 따라 1 열 및 2 열앵커의 축력은 감소하는 것 으로 나타났으나 , 3 열앵커의 축력은 증가하는 것으로 나타났 다 . 그리고 사면활동이 일어난 직후에는 1 열 및 2 열앵커의 축력이 급격히 감소하여 일정하게 수렴하는 경향을 보인다 .

그러나 3 열앵커의 축력은 일정시간동안 사면활동에 저항하

다가 감소하는 것으로 나타났다 . 그림 10(b) 는 초기인장력이

20kgf 일 경우 앵커축력의 변화를 나타낸 것이다 . 그림에서

보는 바와 같이 초기인장력 도입부터 하중재하후 유지까지

(A 구간에서 C 구간까지 ) 앵커축력은 뚜렷한 증감 없이 일정 하게 유지되는 것으로 나타났다 . 사면활동이 일어난 직후에 는 1 열 및 2 열앵커의 축력이 급격히 감소하는 것으로 나타 났으나 , 3 열앵커의 축력은 사면활동에 저항하다가 감소하는

것으로 나타났다 . 그림 10(c) 는 초기인장력이 30kgf 일 경우

각열에서 앵커축력의 변화를 나타낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 초기인장력 도입부터 하중재하후 유지구간까지 앵 커축력은 뚜렷한 증감 없이 일정하게 유지되는 것으로 나타 났다 . 그러나 , 사면활동이 일어난 직후에는 모든 열의 앵커 축력이 급격하게 감소하는 것으로 나타났다 .

그림 11 은 초기인장력에 따른 2 열앵커의 축력변화를 나타 낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 인장력도입부터 하중재 하후 유지까지 앵커축력은 일정하게 유지되는 것으로 나타 났다 . 그러나 사면활동직후 앵커축력은 초기인장력에 관계없 이 급격하게 감소하는 것으로 나타났다 . 따라서 2 열앵커의 경우 초기인장력은 하중유지구간까지 영향을 미치며 , 사면활 동이후에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다 .

그림 12 는 초기인장력에 따른 3 열앵커의 축력변화를 나타 낸 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 인장력도입부터 하중재 하후 유지까지 앵커축력은 2 열앵커의 축력과 마찬가지로 일 정하게 유지되는 것으로 나타났다 . 그러나 사면활동이후 앵 커축력은 초기인장력에 따라 2 열앵커와 비교하여 사면활동 의 저항기간에 차이가 있음을 알 수 있다 . 즉 , 사면활동이후

3 열앵커에서는 2 열앵커에서와 달리 계속적으로 저항하는 경 향을 보이고 있다 . 특히 , 사면지반의 변형시 앵커축력의 변 화를 살펴보면 앵커의 초기인장력이 5kgf 에서 20kgf 까지 증 가됨에 따라 사면활동구간에서 사면활동에 대한 저항기간은 증가하는 것으로 나타났다 . 그러나 앵커의 초기인장력이

20kgf 에서 30kgf 까지 증가됨에 따라 사면활동구간에서 사면

활동에 대한 저항기간이 감소하는 것으로 나타났다 . 즉 , 초 기인장력이 25kgf 이상이 되면 앵커로 보강된 사면지반이 취성파괴의 거동을 보임을 알 수 있다 . 따라서 앵커의 초기 인장력이 증가하게 되면 사면지반의 상대밀도가 증가하게 되 므로 사면활동에 저항하는 앵커축력은 연성파괴의 거동에서 취성파괴의 거동으로 변화하게 된다 .

5. 분석 및 고찰 5.1 면적비에 대한 영향

그림 13 은 각각의 단계에서 앵커의 면적비에 따른 앵커축

력을 나타낸 것이다 . 그림 13(a) 는 초기인장력도입단계 (A 구

간 ) 에서 앵커의 면적비에 따른 앵커축력을 나타낸 것이다 .

그림에서 실선 및 점선은 각열의 앵커축력에 대한 회귀분석 을 실시한 결과이다 . ^{그림에서 보는 바와 같이 면적비가 증}

가함에 따라 앵커축력이 증가하다가 감소하는 경향을 나타

내고 있다 . 그리고 면적비가 0.5% 내외에서 앵커축력이 가장

크게 발생되었다 . 그림 13(b) 및 그림 13(c) 는 각각 하중재 하단계 (B ^구간 ) ^{및 하중유지단계} (C ^구간 ) ^{에서 면적비에 따른}

앵커축력을 나타낸 것이다 . 각열의 앵커축력에 대한 회귀분 석을 실시한 결과 초기인장력도입단계와 마찬가지로 면적비 가 증가함에 따라 앵커축력이 증가하였다가 감소하는 경향

을 나타내고 있다 . ^{그리고 면적비가} 0.5% ^{내외에서 앵커축}

력이 가장 크게 발생되었다 .

이상의 결과를 살펴보면 , 모든 단계에서 면적비가 0.5% 일

경우 앵커축력이 가장 크게 발생하는 것으로 나타났다 . 앵커 축력이 가장 크게 발생되었다는 것은 사면활동에 대한 앵커 의 저항효과가 가장 우수하다는 것을 의미한다 . 따라서 앵커

의 설계 및 시공시 면적비를 0.5% 내외로 하는 것이 타당

하며 , 이때 앵커는 매우 효과적인 활동억지효과를 발휘할 수 있을 것이다 .

5.2 초기인장력에 대한 영향

그림 14 는 각각의 단계에서 초기인장력에 따른 2 열앵커의 축력을 나타낸 것이다 . 앵커의 초기인장력도입단계 , 하중재 하단계 및 하중유지단계에서는 초기인장력이 증가함에 따라 앵커축력도 증가하는 것으로 나타났다 . 그러나 사면활동단계 에서는 초기인장력과는 무관하게 앵커축력이 거의 일정한 값 을 갖는 것으로 나타났다 . 사면지반의 활동한 이후에는 앵커 의 인장력이 모두 손실되므로 , 앵커의 초기인장력은 활동억 그림 11. 초기인장력에 따른 앵커축력변화(2열)

그림 12. 초기인장력에 따른 앵커축력변화(3열)

지효과에 영향을 미치지 못하게 된다 .

그림 15 는 각각의 단계에서 앵커의 초기인장력과 앵커축

력을 비교한 것이다 . 그림 15(a) 는 초기인장력도입단계에서

앵커의 초기인장력과 앵커축력을 비교한 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 초기인장력도입단계에서 앵커축력은 초기인 장력의 약 76% 정도 값을 갖는 것으로 나타났다 . 이때 앵커 축력의 손실은 즉시손실에 해당되며 , 초기인장력 도입시 초 기인장력에 비해 약 24% 의 앵커축력이 손실됨을 알 수 있

다 . 그림 15(b) 는 하중재하 및 유지단계에서 앵커의 초기인

장력과 앵커축력을 비교한 것이다 . 그림에서 보는 바와 같이 하중재하 및 유지단계에서 앵커축력은 초기인장력의 약 70%

값을 갖는 것으로 나타났다 . 이때 앵커축력은 유효인장력 혹 은 설계인장력에 해당되며 , 하중재하 및 유지시 초기인장력 에 비해 약 30% 의 앵커축력 손실됨을 알 수 있다 .

그림 16 은 초기인장력과 앵커축력의 상관관계에 대한 기 존 연구결과와 본 모형실험의 결과를 교한 것이다 . 본 모형 실험결과에 의하면 앵커의 유효인장력 혹은 설계인장력은 초 기인장력의 70% 에 해당하며 , 앵커축력의 초기손실율은 약

24% ^{에 해당된다} . ^{이는 앵커의 설계인장력이 항복인장력의}

70~75% 에 해당된다는 일본의 설계지침 ( グラウンドアンカ一

技術協會 , 1997) 과 일치하며 , 앵커의 초기손실율이 10~25%

에 해당된다는 현장실험결과 ( 윤중만 , 1997) 와도 일치한다 . 따 라서 앵커의 설계와 시공시 앵커의 설계인장력을 초기인장 력의 70% 로 하는 것이 타당하며 , 이때 앵커는 매우 효과적 인 활동억지효과를 발휘할 수 있을 것이다 .

그림 13. 앵커의 면적비에 따른 앵커축력

그림 14. 초기인장력에 따른 앵커축력의 변화 그림 15. 초기인장력과 앵커축력의 비교

6. 결 론

본 연구에서는 모형실험을 통하여 사면에 설치된 앵커의 면적비 및 초기인장력에 따른 사면안정효과를 검증하였으며 ,

이를 토대로 앵커에 대한 설계 및 시공기준을 마련하였다 .

본 연구를 통하여 얻은 결과를 요약정리하면 다음과 같다 . 1. 앵커의 설치간격은 쏘일네일링의 면적비 개념을 도입하여

적용할 수 있다 . 사면활동에 대한 앵커의 저항효과가 가장

우수한 앵커의 면적비는 0.5% 내외이며 , 이는 앵커의 설

계 및 시공시 적용이 가능하다 .

2. 앵커의 유효인장력은 초기인장력의 70% 에 해당하며 , 이는 기존의 설계지침 ( グラウンドアンカ一技術協會 , 1997) 에서 제안된 값과 유사함을 알 수 있다 . 따라서 앵커의 초기인 장력은 설계인장력보다 30% 정도 증가하여 설계함이 바람 직하다 .

3. 앵커의 초기인장력도입직후 앵커축력의 손실은 즉시손실 에 해당하며 , 앵커축력의 초기손실율은 초기인장력의 약

24% 로 나타났다 . 이는 기존의 현장실험결과 ( 윤중만 , 1997)

에서 제안된 10%~25% 의 범위와 일치함을 알 수 있다 .

4. 앵커의 초기인장력이 증가하게 되면 사면지반의 상대밀 도가 증가되어 사면은 취성파괴의 거동을 보임을 알 수 있다 .

감사의 글

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 “ 산사태위험도 산정시스템 및 피해저감기술 개발 ” 및 건설교통부 2001 년 산학연공동연구개발사업 (R&D 2001-B04) 의 일환으로 수행되 었습니다 .

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( 접수일 : 2005.12.14/ 심사일 : 2006.3.2/ 심사완료일 : 2006.4.4)

그림 16. 기존연구결과와의 비교