1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 개요
2.2 실험조건법
3. 시험 결과
3.1 개요
3.2 일반 Soil Nailing의 설계하중 대비 변위량 분석
3.3 Bundle Nail
4. 시험 결과 분석
5. 결 론
1. 서 론
Soil Nailing은 굴착하고자 하는 보통 Nail로 수평이나 경사지게 경사면에 설치하여 수동저항에 의해 휨과 전단에 저항한다.
동시에 흙과 그라우팅과의 마찰력, 그라우팅과 Nail과의 마찰력이 발휘된 후 인장력이 발휘된다.
일단 시공이 완료되면 보강토 옹벽과 유사한 중력식 옹벽의 안정성을 발휘하여 구조물의 안정성이 도모된다.
이러한 Soil Nailing은 하나의 천공경에 하나의 철근을 삽입하여 시공하게 된다. 공학적 안정성을 발휘하기 위하여 활동면의 변위가 발생한 후 휨과 전단, 마찰력, 부착력이 재료자체의 허용응력을 초과하지 않는 안전율 범위 내 존재하도록 설계하여 시공하게 된다.
발상의 전환으로 동일한 공학적 안정성을 발휘하거나 좀 더 우수한 공학적 안정성과 재료자체의 강도를 증가시키기 위해 Single Nail이 아닌 Bundle Nail을 활용한다. Bundle Nail을 활용할 경우에는 재료자체가 발휘되는 천공경당 고유 항복강도의 증가로 인해 발생 휨 모멘트, 전단력에 대하여 더 작은 천공수로도 발생 토압에 효과적으로 대응할 수 있게 된다.
한편 Soil Nailing에 대한 연구는 모형시험, 현장실험 및 유한요소해석 등을 통한 연구가 진행되고 있다. 한계평형해석적 방법으로 Schlosser(1982)해석, Shen et al.(1981)방법, Stocker et al.(1979)방법이 있으며, 운동역학적 한계평형개념을 기반으로한 Juran et al.(1990)방법 모형시험과 현장계측을 통한 방법으로 Stocker & Riedinger(1990)등에 의해 연구가 진행되었다.
국내에서 진행되는 네일링 연구들을 살펴보면 한계평형해석의 한계점을 보완하기 위한 방법으로 유한차분해석을 진행한 연구(You & Min, 2013; You, 2014), 현장시험들을 분석하여 평가하는 연구(Bang et al., 2015; Son et al., 2015; Park & Lee, 2016; Park et al., 2021), 국내외 설계기준을 평가하는 연구(Seo et al., 2012; You & Kim, 2019)등 다양한 방법으로 네일링에 대하여 진행되고 있다.
이번 연구에서는 변위제어방식으로 일반 Single Nail과 Bundle Nail을 현장시험을 통해 부착력과 변위량의 차이를 분석하여 공사비를 절감 시키기 위한 현장조건과 적용결과를 도출하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 개요
본 연구에서는 일반적으로 사용하는 한 공당 D32 한가닥을 이용한 Soil Nailing과 한 공당 D16 이형철근 4가닥을 삽입한 Soil Nailing에 대한 부착강도 실험과 변형량에 대하여 현장실험을 시행하여 재료의 역학적 거동을 분석하였다.
2.2 실험조건법
2.2.1 Nail의 인발시험
현장 인발 시험은 과도한 변위가 발생하지 않으면서 설계축력이 확보되는지를 확인하고, 적절한 안전율로 설계되었는지를 확인하기 위한 시험이다. Nail은 직경 32mm에 길이 8m, Bundle Nail은 직경 16mm×4에 길이 8m로 Table 1과 같다.
Table 1.
Types and specifications of attraction test
| No | Type | Specification | Length | Test maximum load (tf) |
| 1 | Nail | D=32mm | 8m | 300% (38.4tf) of design pull (12.8tf) |
| 2 | Bundle Nail | D=16mm×4 | 8m |
2.2.2 위치별 축력시험(Axial force test)
축력시험의 위치는 Fig. 1과 Table 2와 같이 Nail, Bundle Nail 모두 근입깊이 1m, 4m, 7m에서 측정하였으며, 각 위치별로 2회씩 실험하였다. 실험위치는 ○○~△△ 도로건설현장이며, 지반은 풍화암 지대에서 진행하였다.
Table 2.
Axial force test
2.2.3 실험장비 Nail의 인발시험
현장 시험결과 하중에 따른 변위와 관련한 인발시험의 주요 장비는 Fig. 2, Table 3과 같다.
Table 3.
Test equipment
| No. | Test equipment | Number | Standard |
| 1 | Jack | 1 | 30tf |
| 2 | Dial Gauge | 1 | 0.01mm |
| 3 | Magnetic Holder | 1 | - |
| 4 | Other equipment | 1 | - |
2.2.4 실험방법
하중은 변위제어방식(1.0mm/min)으로 단계화하여 설계 하중의 12.5%(1.6tf), 50.0%(6.4tf), 100%(12.8tf), 200%(25.6tf), 300%(38.4tf)로 시험을 행하였다.
3. 시험 결과
3.1 개요
본 연구에서 일반적으로 사용하는 한 공당 D32 한가닥을 이용한 Soil Nailing과 한 공당 D16 이형철근 4가닥을 삽입한 Soil Nailing에 대한 부착강도 실험과 변형량에 대하여 실험한 결과는 다음과 같다.
3.2 일반 Soil Nailing의 설계하중 대비 변위량 분석
일반 Nail의 인발시험 결과 Fig. 3, 4와 같이 200%인 25.6t에서 No.1과 No.2 네일이 각각 22.97mm, 22.40mm가 나타나 평균 22.685mm로 나타났다.
축력계 값은 지표면에서 가까운 위치에서 하중에 따라 비선형 증가 거동을 보였다.
그 이하의 같은 곳에 매설된 축력계의 변화는 깊을수록 미비하게 변화되는 것으로 관찰된 바, 축력의 전달은 깊이에 따라 마찰력 증대와 관계있는 것으로 사료된다.
3.3 Bundle Nail
Bundle Nail의 인발시험 결과 Fig. 5, 6과 같이 200%인 25.6tf에서의 No.1과 No.2 네일에서 각각 변위량은 15.93mm, 14.92mm로 나타나 평균 15.425mm로 나타났다.
일반 Nail과 마찬가지로 축력계 값은 지표면에서 가까운 위치에서 하중에 따라 비선형 증가 거동을 보였다.
그 이하의 같은 곳에 매설된 축력계의 변화는 깊을수록 미비하게 변화되는 것으로 관찰되었다.
일반 Nail에 비교 시 상층에서의 축력이 상대적으로 크게 관찰되었으나 파괴면의 활동에 의한 축력발생이 아닌 인발하중에 대한 축력분포로 진행성 파괴와 관련한 마찰력의 분포와는 상이하였다.
4. 시험 결과 분석
시험에 적용된 Nail과 Bundle Nail의 일반시험을 통한 결과 분석은 Fig. 7과 같이 나타났다.
설계하중의 12.5%인 1.6tf에서 적용된 Nail의 변위량은 1.06mm, Bundle Nail의 변위량이 1.32mm로 Bundle Nail의 변위량이 0.26mm으로 약 25% 더 크게 나타났다.
설계하중의 25%인 3.2tf에서 적용된 Nail의 변위량은 5.06mm, Bundle Nail의 변위량이 2.11mm로 Bundle Nail의 변위량이 2.95mm으로 약 58% 더 작게 나타났다.
설계하중의 50%인 6.4tf에서 적용된 Nail의 변위량은 9.12mm, Bundle Nail의 변위량이 3.89mm로 Bundle Nail의 변위량이 5.23mm으로 약 57% 더 작게 나타났다.
설계하중의 100%인 12.8tf에서 적용된 Nail의 변위량은 14.70mm, Bundle Nail의 변위량이 8.07mm로 Bundle Nail의 변위량이 6.63mm로 약 45% 더 작게 나타났다.
설계하중의 200%인 25.6tf에서 적용된 Nail의 변위량은 22.69mm, Bundle Nail의 변위량이 15.43mm로 Bundle Nail의 변위량이 7.26mm으로 약 32% 더 작게 나타났다.
설계하중이 25% 이상이 되는 경우 일반네일의 변위와 번들네일의 변위는 항복하중이 약 2배 이상 향상되었다.
Nail과 Bundle Nail의 축력계 값은 둘다 지표면에 가까운 위치에서만 하중에 따라 비선형으로 증가하는 거동을 보였다.
그보다 깊은 곳에 매설된 축력계들은 미비하게 변화되었다.
특히 Bundle Nail은 Nail에 비교 시 상층에서의 축력이 상대적으로 크게 관찰되었으나 수치비교 시 오차범위 수준으로 볼 수 있는 값으로 나타났다.
5. 결 론
시험에 적용된 Nail과 Bundle Nail의 인발시험을 통하여 비교하였을 때, 설계하중의 100%인 12.80tonf일때 변위와 Bundle Nail의 설계하중의 200%인 25.60tonf일때 변위가 유사하게 나타나는 것으로 나타나 항복하중이 약 2배 강화되었다.
Nail과 Bundle Nail의 축력계 값은 둘다 지표면에 가까운 위치에서만 하중에 따라 비선형으로 증가하는 거동을 보이고, 그보다 깊은 곳에 매설된 축력계들은 미비하게 변화되었다.
(1) 부착력의 성능개량은 지반과 그라우트재의 마찰력이 그라우트와 Nail과의 부착력보다 약할 때 유효하다.
(2) 한 공당 항복하중이 Bundle Nail이 우수하나 지반과 그라우트가 먼저 항복하여 변위가 발생할 경우 무의미한 성능개량으로 판단된다.
(3) 암반, 풍화암 등 토사외 다양한 지반조건을 고려하여 그라우트와 지반의 마찰력이 상대적으로 그라우트와 지반의 부착력을 초과하는 지반의 경우 유효한 공법으로 판단된다.
(4) 현장시험, 유한요소해석 등 다양한 방법으로 하중과 변위 관계를 고려한 한 공당 인발 시 항복하중을 결정하여 천공으로 인한 공사비를 절감할 수 있는 정량적 분석이 추가로 연구되어야 할 것이다.
