Analytical Evaluation on Soil Slope Reinforced by Pressure Grouted Protrusion Type Soil Nailing

한국지반공학회논문집 제33권 7호 2017년 7월 pp. 5 ～ 16 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY

Vol.33, No.7, July 2017 pp. 5 ～ 16

ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.7.5

가압식 돌기네일에 의해 보강된 토사 비탈면의 해석적 평가

Analytical Evaluation on Soil Slope Reinforced by Pressure Grouted Protrusion Type Soil Nailing

홍 철 화¹ Hong, Cheor-Hwa 이 상 덕² Lee, Sang-Duk

Abstract

Soil nailing is the most general method to reinforce the slope by taking pullout and shear resistance force of the nail for stabilizing the slope. Domestic soil nailing design method considers only pullout resistance and does not consider the shear resistance sufficiently. In case of nail, the effect of tensile stress is dominant, but it is desirable to design by considering shear stress as well as tensile stress in case of slope where circle failures occur. Recently, studies on the shear resistance effect of nails have been carried out in the geotechnical field. However, many researches on the shear reinforcement effect of soil nailing have not been conducted until now. Most of the studies are about increasing pullout resistance by improving material, shape and construction method of nail. Therefore, it is necessary to the study on shear resistance of soil nailing and development of new methods to increase the shear force. In this study, large shear test and limit equilibrium analysis have been performed for a new soil nailing method to increase the shear resistance by forming protrusions through pressurized grouting after installing a packer on the outside of deformed bar.

The study results showed that shear resistance of protrusion type soil nailing increased compared to soil nailing and it is more effective when applied to the ground with large strength parameters.

요 지

쏘일 네일링 공법은 비탈면 안정을 위해 네일의 인발 및 전단저항력을 이용하여 비탈면을 보강하는 가장 일반적인 공법이다. 국내의 쏘일 네일링 설계법은 인발저항만을 고려하고 전단저항에 대한 고려가 충분히 이루어지고 있지 않다. 네일의 경우 인장응력에 의한 효과가 지배적이나 원호파괴가 일어나는 비탈면의 경우 전단응력까지 고려하여 설계하는 것이 바람직하다. 최근 지반분야에서 네일의 전단저항 효과에 관한 연구들도 진행되고 있다. 하지만 아직까 지는 쏘일 네일링의 전단보강 효과에 관한 연구는 많이 이루어지고 있지 않은 실정이다. 대부분이 네일의 재료, 형상, 시공방법 등의 개선을 통한 인발저항 증대에 관한 연구이다. 따라서 쏘일 네일링의 전단저항에 대한 연구 및 전단력을 증대시킬 수 있는 새로운 공법개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이형철근 외측에 패커를 설치한 후 가압식 그라우팅을 통해 돌기를 형성함으로써 전단저항력을 증대시킬 수 있는 새로운 쏘일 네일링 공법에 대하여 대형전단시 험 및 한계평형해석을 수행하였다. 연구결과 돌기네일의 전단저항력은 일반네일에 비해 향상되였으며, 강도정수가 큰 지반에 적용하였을 때 효과적임을 확인할 수 있었다.

1정회원, 경기도시공사 북부발전기획처장 (Member, Chief, Northern Development Planning&Coordination Division, Gyeonggi Urban Innovation Corporation, Tel: +82-31-830-5011, Fax: +82-31-853-7592, [email protected], Corresponding, 교신저자)

2정회원, 아주대학교 건설교통공학부 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil and Transportation Engrg., Ajou Univ.)

*본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 1월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.

Copyright © 2017 by the Korean Geotechnical Society

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(a) Pullout resistance (b) Pullout-shear resistance Fig. 1. Reinforcement mechanism of soil nailing (Ortigao, 1995)

Keywords : Soil nailing, Pressure grouted protrusion type soil nailing, Shear force, Large shear test

1. 서 론

쏘일 네일링은 비탈면 붕괴 방지를 위한 보강방안으 로 가장 많이 사용되고 있는 공법이다. 네일의 인발 및 전단저항력을 이용한 효율적이고 경제적인 공법이며 비 탈면뿐만 아니라 흙막이, 옹벽 등의 보강시에도 사용되 고 있다.

쏘일 네일링의 설계법은 인발저항만을 고려하는 설 계법과 인발 및 전단저항을 모두 고려하는 설계법이 있 다. 흙막이, 옹벽과 같이 하부지점을 힌지로 회전거동을 보일 경우 전단응력의 영향이 적어 인발저항만을 고려 하여 설계해도 무방하나 대표적인 비탈면 붕괴양상인 원호활동의 경우 인발저항은 물론 활동면에서 발생하 는 전단응력까지 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.

하지만 국내의 비탈면 설계법은 전단응력에 대한 고 려가 이루어지고 있지 않고 있다. 이와 마찬가지로 현재 진행되고 있는 쏘일 네일링에 관한 연구들은 재료, 형 상, 시공방법 등의 개선을 통한 인발저항력 증대에 관한 내용이 대부분이다. 따라서 쏘일 네일링의 전단저항을 고려한 설계를 위해서는 우선적으로 쏘일 네일링의 전 단저항에 대한 연구가 필요하며, 새로운 공법개발이 필 요한 실정이다.

본 연구에서는 쏘일 네일링에 사용되는 보강재(이형 철근) 외측에 패커(Packer)를 설치한 후 가압식으로 그 라우팅하여 돌기를 형성한 새로운 쏘일네일 공법을 제

시하였다. 새로운 네일의 전단거동 분석을 위하여 실대 형 전단시험을 실시하고 다양한 지반조건에서의 한계 평형해석을 실시하여 기존 일반네일과의 비교･검토를 수행하였다.

시험결과 돌기를 설치한 네일의 전단력이 일반 쏘일 네일링보다 우수한 것으로 확인되었으며, 한계평형해석 결과 비탈면 보강 적용시 경제성 및 안정성 향상이 가능 한 것으로 나타났으며 강도정수가 우수한 지반에서 더 효과적인 것으로 확인되었다.

2. 쏘일 네일의 거동특성

2.1 지반과 네일의 상호작용

토류구조물에서 사용되고 있는 강성보강재를 사용한 공법에서 지반과 보강재 사이에는 두 가지 형태의 상호 작용이 존재한다. 첫 번째는 변위가 발생하는 동안 네일 에서 발휘되는 주변마찰이며, 두 번째는 네일을 따라 발 생하는 수동토압이다. 이러한 수동토압은 네일에 휨 모 멘트와 전단력을 유발시키며, 네일로 보강된 지반 내에 전단영역이 존재할 때 가능하다. 지반의 전단파괴 시 보 강재는 마찰력과 토압에 의하여 지반과 상호작용을 하 게 되므로 네일이 부담하는 인장력, 전단력 및 휨모멘트 에 대한 종합적인 고려가 필요하게 된다.

지반의 전단파괴시 네일에 발생하는 수동토압은 지

Fig. 2. The pullout resistance curve of Frank and Zhao

반반력계수에 따라 선형적인 형태로 증가하다가 극한 토압에 도달하게 된다. 이 극한토압은 한계토압 또는 공 내재하시험(PMT)에서의 크립압력와 같은 것으로 간주 한다.

네일 보강지반 전단시 인장, 전단, 휨모멘트 발생에 대 한 이론적 연구는 탄소성이론을 적용한 Schlosser(1982) 와 실험적 연구를 수행한 Marchal(1984)은 다음과 같은 결론을 내렸다.

전단시 네일의 파괴는 파괴면과 네일의 교차점에서 인장･전단에 의하여 일어날 수 있거나 파괴면 바깥쪽에 위치한 최대 휨모멘트 발생지점에서 소성파괴가 일어 날 수 있다. 그러나 재료의 성질이 연성인 경우 최대 휨 모멘트 발생지점에서 발생하는 소성화(Plasticfication) 가 네일의 파괴를 일으키지 않는다.

지반의 수평변위는 수평토압에 제한된다. 이러한 제 한 내에서 네일은 최대전단력 발생지점에서 인장･전단 에 의한 파괴가 일어날 수 있다.

2.2 지반에 보강된 네일의 거동

2.2.1 지반과 네일의 마찰 거동

마찰은 네일의 전체 길이에서 발생하며 이는 네일 뿐 만 아니라 모든 보강재에 있어서 인장력을 유발시키는 중요한 설계변수이다. 말뚝의 경우와 같이 네일에서도 소요 주변마찰력은 매우 적은 상대변위(수 mm이내)에 서 발휘된다. Frank와 Zhao(1982)는 2직선(bilinear) 법 칙으로 이론적･실험적 결과로 네일두부의 변위에 따른 네일의 인발저항력 상관곡선을 제시하였다.

여기에서,  : 극한 단위 면적당 주변마찰력

_ : 초기직선의 기울기(_/2까지), 두 번째 직선의 기 울기는 _

_는 현장인발실험으로부터 구할 수 있으며 또한 Frank 의 다음 식에 의하여 구할 수도 있다.

 

_

(1)

여기에서,  : 네일의 반경,  : PMT계수

 : 지반상태에 따라 적용되는 계수(통상 1～5)

2.2.2 보강재에 작용하는 힘과 모멘트

탄소성론을 바탕으로 네일의 저항력, 흙과 네일의 상 호작용에 다한 발휘 및 조합에 관하여 Anthonie(1987) 이 제안한 다음의 일반식은 네일자체의 저항기준에 적 용하면 편리하다. 보강재가 소성파괴될 때 보강재에 작 용하는 인장력과 전단력 및 모멘트( _ )에 관련 된 파괴기준이다. 보강재에 작용하는 인장력 은 휨 영역 전 구간에 걸쳐 일정한 것으로 가정한다. 여기서

_ _ _는 각각 인장, 전단, 휨에 대한 저항력이다.

__^ __^ _ ≤  (2)

최대 전단력 발생지점에서의 휨모멘트는 0(zero)으로 보고 인장이나 전단에 의한 파괴는 다음과 같은 타원방 정식으로 표현이 가능하며, 이는 암반에서 절리를 따라 전단이 진행되는 네일의 거동과 일치한다.

__^ __^≤  (3)

지반과 보강재가 상호 탄성거동을 한다고 가정하여 파괴면 내외측면 최대 모멘트 발생위치는 _ _가 된다. 이 지점에서의 전단력의 크기는 0이며 휨모멘트 에 의한 재료의 소성파괴에 대한 기준은 다음과 같다.

_max _

_{   }

_

_

^

 (4) 이때 지반의 전단파괴 지점에서 작용하는 전단력은 다음과 같다.

_ _



 ^{}^{ (5)}

Fig. 3. Bending stiffness around the failure surface (Plumelle et al., 1990)

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

(a) Loading status, (b) Horizontal displacement, (c) Horizontal stress, (d) Shear force, (e) Moment, (f) Coefficient of subgrade reaction Fig. 4. The behavior of a pile under horizontal loads

2.2.3 네일의 휨저항력

그라우트된 네일은 휨에 대한 저항을 가지고 있다. 모 형 및 실축척 실험에서 실시된 네일의 휨저항은 토체내 의 전단파괴면 부근에서만 발휘되며, 쏘일 네일 벽체의 변형이 장기간에 걸쳐 조금씩 발생한다면 네일에 작용 하는 휨저항 역시 소규모로 천천히 발생한다. 사용수명 동안의 모든 쏘일 네일 구조물에서 전단력, 연직력의 비 (_ _)의 최대값은 타입식 네일과 저압 그라우트된 네 일의 경우에서 그 수치가 매우 낮으므로 무시될 수 있 다. 가장 높은 수치는 벽체 상부에서 나타나며, 이는 상 부에서 저면으로 연속굴착이 이루어지기 때문이다.

그러나, 파괴면 부근에 전단영역이 발달할 때, 휨 모 멘트는 중요한 요소로 작용하며, Fig. 3에서는 이와 같은 사실을 도시화 하고 있다. 네일의 휨각도는 200mm의 전 이길이()에 대해서 약 20°정도의 평균값을 갖는다.

네일의 휨저항은 극한상태에서 발휘되며, 파괴면을 따라 일어나는 인장력의 원인이 되기도 하지만, 안전성 측면에서 유용한 효과를 발휘한다. 그러나 이러한 사실

은 현재 쓰이고 있는 구조물의 설계이론에 고려되지 않 는다.

2.3 횡하중을 받는 말뚝과의 유사성

프로젝트 Clouterre에서 벽체의 상부로부터 흙을 부 분적으로 포화시킨 후에 네일의 항복파괴를 유도하는 실험을 진행하였다. 재료는 모래를 사용하였으며 파괴 면 부근에서 네일의 파단을 유발시켜 쏘일 네일 토체 내측에서 변형이 집중되도록 시험하였다.

발생된 인장력 및 휨모멘트, 전단력을 네일의 휨강성 으로 감당하게 되며, 이는 말뚝의 최상부에 수평하중과 휨모멘트가 작용하는 경우와 동일하다. 이 경우 네일의 변형은 말뚝의 변형과 유사하게 취급되며 수평하중을 받는 말뚝 해석시 사용되는 p-y해석법을 이용하여 구한 다. 이때 지반은 탄소성 스프링으로 가정하며, 지반반력 계수를 이용한다.

축의 직각방향으로 수평력과 모멘트가 작용할 때에 지반의 응력상태는 탄성지반에 대한 보의 휨 이론(theory of beams on elastic foundation)과 힘의 평형조건에서 구 할 수 있다.

^

^ _   (6)

여기에서, _ : 지반반력계수,  : 네일의 직경

 : 네일의 횡변위,  : 네일의 축방향 좌표

   : 네일에 작용하는 횡토압

이 방정식의 해는 전이길이(_ : transfer length)의 개 념을 도입하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 5. The shape of a nail under bending moment & shear (Schlosser, 1982)

Table 1. Property of a model ground

Grain size distribution curve analysis Dry unit weight (^) Specific gravity

(_) Friction angle

(°) Relative density Maximum Minimum (%)

_=0.14, =1.36, =0.02 16.7 14.2 2.63 38 85

Fig. 6. Large scale shear test equipment

Fig. 7. Movement of shear box

_^{  (7)}

전단영역 양쪽으로 위치한 네일의 길이가 을 초과 할 때 네일은 무한히 긴 좌우대칭으로 간주될 수 있는데 이는 토체 내의 휨모멘트가 0(zero)이기 때문이다. 지반 반력계수(_)는 일반적으로 공내재하시험 결과로 얻어 지며, 네일의 전이길이는 약 10cm 정도이다. 횡토압에 대한 반력곡선은 선형 탄성단계 성립에 중요한 지표가 되며, 소성단계는 극한 횡토압 _에 의해 좌우된다.

3. 대형전단시험

3.1 개요

네일체는 인발저항뿐만 아니라 전단저항에 의해 지 반의 전단강도를 증가시키는 역할을 하며 인발에 의한 저항력과 보강재가 부담하는 전단력은 보강재의 강성 뿐만 아니라 보강재의 삽입각도에 따라 변화된다.

Jewell과 Wroth(1987)는 네일의 최대 전단력이 발휘 되는 최적방향이 전단면의 법선과 약 30°임을 실험적으 로 입증했으며, 이는 토체 내의 최대 팽창방향과 일치하 는 경향을 나타냈다. 그러나 본 연구에서는 네일이 부담 하는 전단력을 분석하기 위해 전단면의 법선방향으로 삽입된 네일의 거동을 분석하는 것이 우선적으로 필요 하다고 판단되어 전단면에 직각인 삽입각도를 갖는 전 단시험을 수행하였다.

3.2 시험장치

전단시험을 위하여 네일에 연직방향의 전단력을 재 하할 수 있는 시험장치를 제작하였다. 전단상자의 크기 는 400mm × 400mm × 2,440mm(폭×높이×길이)이며 전 단면에는 그리스를 도포하여 마찰이 발생하지 않도록 하 였다. 전단상자는 직선운동만 가능하도록 바닥에 롤러 를 설치하여 전단방향 이외의 운동을 배제하였다. 네일 의 설치심도를 모사하기 위하여 상재하중을 가할 수 있 는 유압실린더(2EA, 300kN)와 전단력을 재하하기 위한 유압실린더(1EA, 300kN)를 설치하였다.

3.3 모형지반

모형지반은 주문진 자연사로 조성하였으며 모형지반 의 특성을 파악하기 위하여 입도분포시험(KS F 2301), 최대･최소 건조단위중량시험(DIN 18126), 비중시험(KS F 2343) 등의 기본물성시험과 직접전단시험(KS F 2348) 의 역학적 특성시험을 실시하였다. 모형지반의 특성은 아래 표와 같다(Table 1).

Fig. 8. Uniaxial compression test

Fig. 9. Uniaxial compression strength by curing times

(a) Node section (b) Protrusion section

Fig. 10. Position of the shear test

(a) Soil nail (b) Protruded nail (Interval 30 cm) (c) Protruded nail (Interval 60 cm) Fig. 11. Production of protruded nails

3.4 네일

전단시험에 사용된 네일은 D25(SD35)규격의 이형철 근이며, 동일한 강도를 확보하여 그라우트를 제작하였 다. 그라우트의 강도는 한국산업표준(KS L 5210)에 규 정된 fck28 = 21MPa이상 되도록 하였다. 효율적인 연구 을 위하여 초속경시멘트(W/C=50%)를 사용하여 양생시 간에 따른 일축압축강도시험을 실시하여 21MPa이 확 보되는 24시간 후에 전단시험을 진행하였다(Fig. 8, 9).

3.5 시험변수

시험변수는 돌기간격과 전단위치로 Fig. 10과 같이 구근부가 전단면에 위치하는 경우와 마디부(돌기와 돌 기사이)가 전단면에 위치하는 경우에 대하여 시험을 수 행하였다(Table 2).

3.6 시험방법

네일 내･외측에 그라우팅을 실시하고 동일한 강사고 (0.7m)와 강사량을 유지하여 모형지반을 조성한다. 토

(a) Grouting (b) Composition of model ground (c) Nail installation (d) Composition of model ground with nail

(e) Installation of cover plate and

upper guide (f) Surcharge loading (g) Shear loading (h) End of the model test

Fig. 12. Experiment method

Table 2. Variables of protrusion type soil nails Test

name Interval

(cm) Diameter

(cm) Vertical stress

(MPa) Remarks

Case 1 30 7.5 0.1 Node

Case 2 30 7.5 0.1 Protrusion

Case 3 60 7.5 0.1 Node

Case 4 60 7.5 0.1 Protrusion

Case 5 120 7.5 0.1 Node

Case 6 120 7.5 0.1 Protrusion

Case 7 - - 0.1 Soil nailing

(a) Case 1 (b) Case 3

(c) Case 5 (d) Comparison of shear behavior

Fig. 13. Shear behavior of nails (Node section)

피고가 일정높이에 도달하면 그라우팅 후 24시간 양생 된 네일을 설치하고 모형지반 조성을 완료하고 덮개판 및 상부가이드를 설치한다. 상재하중을 0.1Mpa로 재하 한 후 전단시험을 실시한다.

4. 시험결과분석

4.1 일반네일과 돌기네일의 전단거동특성

동일한 지반조건하에서 상재하중 0.1MPa를 재하한

(a) Case 2 (b) Case 4

(c) Case 6 (d) Comparison of shear behavior

Fig. 14. Shear behavior of nails (Protrusion section)

Table 3. Maximum shear force Test

name Interval

(cm) Diameter

(cm) Shear force

(kN) Remarks

Case 1 30 7.5 25.72 Node

Case 2 30 7.5 28.41 Protrusion

Case 3 60 7.5 25.34 Node

Case 4 60 7.5 28.07 Protrusion

Case 5 120 7.5 25.66 Node

Case 6 120 7.5 28.57 Protrusion

Case 7 - - 25.25 Soil nailing

후 1.0mm/min의 일정한 속도로 전단력을 가하여 다음 과 같은 전단력-변위 관계를 그래프로 도시하였다.

시험결과 최대전단력은 돌기네일 구근부 > 돌기네일 마디부 > 일반네일 순으로 나타났다. 일반네일의 경우 변위에 따라 전단력이 증가하다가 항복 후 하중증가 없 이 일정하게 수렴하는 결과를 보였다. 이는 일정하중에 도달하였을 때 그라우트체와 네일의 분리현상이 발생 되어 네일자체만 하중을 받은 것으로 판단된다. 돌기네 일 마디부의 경우 네일과 패커체가 하중을 저항하여 일 반네일에 비해 다소 전단력이 향상되었으며, 돌기네일 구근부의 경우 네일, 패커체 및 패커체 내부 그라우트재 의 일체화 거동을 통해 전단저항력 증가효과를 확인할 수 있었다.

4.2 전단시 네일에 발생하는 전단력

시험결과에서 일반네일의 경우 전단력이 25.25kN으 로 나타났으며, 돌기네일 마디부의 경우 25.34∼25.72kN, 돌기네일 구근부의 경우 28.07∼28.57kN으로 확인되었 다. 돌기네일의 마디부와 돌기부에서는 뚜렷한 변화가

확인되었으나, 돌기간격에 의한 효과는 미비한 것으로 확인되었다. 돌기네일의 마디부의 경우 일반네일에 비 해 다소 향상되거나 비슷한 전단력을 확인할 수 있었다.

이는 돌기가 형성되지 않는 마디부의 경우 일반네일과 동일하게 그라우트체(외측)가 먼저 파괴되고 그 이후 패커체와 보강재만으로 전단에 대해 저항하게 되므로 일반네일과 비슷한 전단력이 나타난 것으로 판단된다.

돌기네일의 구근부는 외측 그라우트체가 파괴된 후에 도 패커체로 감싸고 있는 그라우트체와 보강재가 일체 화 거동을 하여 전단저항력이 증가된 것으로 사료된다.

Fig. 15. Modeling of the slope

Table 4. Slope model applied to analysis Height

(m) Inclination

(°) Inclination of

top slope (°) Water level condition

20.0 45.0 5.0 Saturation

Table 5. Properties of ground applied to limit equilibrium analysis Division Unit weight

(kN/m³) Cohesion

(kPa) Friction angle (°)

Case 1 18.0 0.0 25.0

Case 2 18.0 5.0 25.0

Case 3 18.0 10.0 25.0

Case 4 18.0 15.0 25.0

Case 5 18.0 20.0 25.0

Case 6 18.0 0.0 30.0

Case 7 18.0 5.0 30.0

Case 8 18.0 10.0 30.0

Case 9 18.0 15.0 30.0

Case 10 18.0 20.0 30.0

Case 11 18.0 0.0 35.0

Case 12 18.0 5.0 35.0

Case 13 18.0 10.0 35.0

Case 14 18.0 15.0 35.0

Case 15 18.0 20.0 35.0

Table 6. Results of limit equilibrium analysis Test

name

Soil nailing

(Fs)

Node section of protruded

nail (Fs)

Protrusion section of protruded

nail (Fs)

Case 1 0.858 0.861 0.888

Case 2 1.120 1.124 1.162

Case 3 1.333 1.338 1.384

Case 4 1.522 1.546 1.597

Case 5 1.750 1.757 1.816

Case 6 1.062 1.066 1.100

Case 7 1.328 1.332 1.375

Case 8 1.549 1.555 1.607

Case 9 1.764 1.771 1.832

Case 10 1.973 1.980 2.049

Case 11 1.288 1.293 1.334

Case 12 1.556 1.561 1.611

Case 13 1.785 1.792 1.853

Case 14 2.002 2.010 2.079

Case 15 2.211 2.219 2.297

도출된 결과의 평균값을 이용, 다양한 토사지반 비탈 면조건에서 한계평형해석을 실시하고 안전율을 비교･

검토하여 토사비탈면에 대한 적용성을 확인하였다.

5. 한계평형해석

5.1 한계평형해석 개요 및 제원

본 검토는 일반네일과 돌기네일의 전단력에 따른 안 전율을 확인하기 위하여 한계평형해석을 실시하였다. 해 석에 이용된 프로그램은 원호, 비원호, Block파괴 해석

이 가능한 Slope/w이다. 해석방법은 Bishop의 간편법을 이용하였으며, Mohr-Coulomb의 파괴규준을 적용하였다.

해석대상비탈면은 높이 20m, 1:1.0 구배, 상부비탈면은 경사 5°, 지하수로 포화된 조건을 적용하였다.

네일의 경우 길이 10∼12m, 수평간격은 1m, 보강개 수 11개로 가정하고 해석하였다. 본 해석에 사용된 지반 은 다양한 토사지반을 모사하기 위해 점착력과 내부마 찰각을 변수로 가정하여 적용하였다. 점착력의 경우 0

∼20kPa, 내부마찰각의 경우 25∼35° 범위로 해석을 실 시하였다.

5.2 한계평형해석 결과

직접전단시험 결과로 도출된 최대전단력을 이용하여 한계평형해석을 실시하였다. 돌기네일를 적용함에 있어 효율적이고 적합한 지반을 분석하기 위해 다양한 지층 조건(c=0, 5, 10, 15, 20kPa, =25, 30, 35°)에서 돌기네 일과 일반네일의 안전율을 차이를 확인하였다. 해석결 과 전단저항력이 안전율에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. 일반네일에 비해 평균전단력이 0.32kN 증가 된 돌기네일 마디부 파괴를 가정하였을 때는 안전율이 0.003∼0.008 증가하였고, 일반네일에 비해 전단력이 3.1kN 증가된 돌기네일 구근부 파괴를 가정하였을 때는 안전 율이 0.030∼0.086 증가됨을 확인할 수 있었다.

동일한 네일의 전단력을 적용하더라도 지층조건에 따

Table 7. Difference in safety factor according to case Test

name

Node section-soil

nailing (Fs)

Protrusion section-node

section (Fs)

Protrusion section-soil

nailing (Fs)

Case 1 0.003 0.027 0.030

Case 2 0.004 0.038 0.042

Case 3 0.005 0.046 0.051

Case 4 0.006 0.051 0.057

Case 5 0.007 0.059 0.066

Case 6 0.004 0.034 0.038

Case 7 0.004 0.043 0.047

Case 8 0.006 0.052 0.058

Case 9 0.007 0.061 0.068

Case 10 0.007 0.069 0.076

Case 11 0.005 0.041 0.046

Case 12 0.005 0.050 0.055

Case 13 0.007 0.061 0.068

Case 14 0.008 0.069 0.077

Case 15 0.008 0.078 0.086

(a) Friction angle=25° (b) Friction angle=30°

(c) Friction angle=35° (d) Friction angle=25, 30, 35°

Fig. 16. Difference of safety factor by cohesion

라 안전율의 차이가 생김을 확인할 수 있었다. 점착력 및 내부마찰각이 증가됨에 따라 안전율의 차이가 증가 하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 강도정수가 낮은

지반보다는 강도정수가 큰 지반에 적용하였을 때 더 효 과적임을 나타낸다.

6. 결 론

본 연구에서는 이형철근 외측에 패커를 설치한 후 가 압식 그라우팅을 실시하여 돌기를 형성한 네일의 전단 거동을 분석하였으며, 시험결과를 바탕으로 다양한 지 층조건에서의 돌기네일의 효과를 한계평형해석을 통해 확인하였다.

(1) 돌기네일 마디부는 일반네일과 비슷한거나 다소 향 상된 전단력을 확인할 수 있었으며 돌기네일 구근 부의 경우 일반네일에 비해 전단력이 최대 13.1%로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 돌기가 형성 되지 않는 마디부의 경우 일반네일과 동일하게 그 라우트체(외측)가 먼저 파괴되고 그 이후 패커체와 보강재만으로 전단에 대해 저항하게 되므로 일반네 일과 비슷하거나 다수 증가된 전단력이 나타난 것 으로 판단된다. 돌기네일의 구근부는 외측 그라우

(a) Cohesion=0 kPa° (b) Cohesion=5 kPa

(c) Cohesion=10 kPa (d) Cohesion=15 kPa

(e) Cohesion=20 kPa (f) Cohesion=0, 5, 10, 15, 20 kPa

Fig. 17. Difference of safety factor by friction angle

트체가 파괴된 후에도 패커체로 감싸고 있는 그라 우트체와 보강재가 일체화 거동을 하여 전단저항력 이 증가된 것으로 사료된다.

(2) 전단시험결과 돌기네일 마디부와 구근부 전단력은 최대 3.23kN 차이가 나타나는 것으로 확인되었으 며, 돌기간격에 의한 마디부 전단력의 차이는 0.32

∼0.38kN, 구근부 전단력의 차이는 0.34∼0.50kN으 로 돌기간격에 의한 전단력의 변화는 거의 없는 것 으로 나타났다.

(3) 한계평형해석 결과 돌기네일 구근부의 경우 일반네 일에 비해 안전율이 최대 약 0.1 증가하는 것으로 확인되었다. 따라서 전단시험결과와 종합적으로 분

석하였을 때, 돌기네일 구근부의 효과를 극대화하 기 위해서는 돌기간격을 증가시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

(4) 또한, 다양한 지층조건에서 일반네일과 돌기네일을 적용한 비탈면의 안전율을 확인한 결과, 지반에 강 도정수가 증가할수록 돌기네일과 일반네일의 안전 율의 차이가 커짐을 확인할 수 있었다. 이는 강도정 수가 낮은 지반보다는 강도정수가 큰 지반에 적용 하였을 때 더 효과적임을 나타낸다. 현장 적용성 및 안정성 검증을 위해 현장실험을 실시하여 기존 네 일과의 비교･검토 연구가 수행되어야 한다.

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Received : January 20^th, 2017 Revised : May 23^rd, 2017 Accepted : July 4^th, 2017