KR100794650B1 - 원축방향과 경사방향으로 보강섬유가 배치된섬유강화플라스틱 지반 보강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쏘일네일링 공법이나 소구경 말뚝공법 등과 같이 지반에 구멍을 천공하고 보강재를 삽입한 다음 그라우트를 주입하고 숏크리트나 프리캐스트 콘크리트 블럭을 시공하여 표면을 보호하는 작업을 반복적으로 시공하여 굴착면의 붕괴 방지 또는 사면의 안정이나 석축과 같은 기존 구조물의 안전보강을 하는 공법에 사용되는 지반 보강재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지반 보강재는 매트릭스 수지에 원축방향 보강섬유와 원축방향에 대해 경사를 갖는 경사방향 보강섬유가 배치된 섬유강화플라스틱 관으로 구성된 것을 특징으로 하며, 지반 보강재로 보강된 지반의 파괴면에 대한 접선과 보강재가 이루는 각도에 관계없이 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있고, 따라서 쏘일네일링 공법이나 소구경 말뚝공법 등과 같은 지반보강공법에 적용할 경우 지반에 대한 안정성을 증대시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

쏘일네일, 지반보강, 섬유강화플라스틱, 보강섬유

Description

원축방향과 경사방향으로 보강섬유가 배치된 섬유강화플라스틱 지반 보강재{Fiber-glass Reinforced Plastic Ground Reinforcements having Fiber-glass arranged axial direction and inclined direction}

도 1은 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 지반 보강재에 있어서 보강섬유의 배치상태를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2a 내지 2c는 지반 보강재로 보강된 사면의 파괴면에 대한 접선과 지반 보강재가 이루는 각도에 따른 지반 보강재의 단면내력을 개념적으로 나타낸 것이다.

도 3은 쏘일네일링 공법에 적용되는 쏘일네일 장치의 일례를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 지반 보강재

12 : 매트릭스 수지

14 : 원축방향 보강섬유

16 : 경사방향 보강섬유

본 발명은 쏘일네일링 공법이나 소구경 말뚝공법 등과 같은 지반보강공법에 적용되는 지반 보강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지반 보강재로 보강된 지반의 파괴면에 대한 접선과 보강재가 이루는 각도에 관계없이 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있도록 매트릭스 수지에 원축방향과 경사방향으로 보강섬유가 배치된 섬유강화플라스틱 지반 보강재에 관한 것이다.

지반보강공법의 하나인 쏘일네일링 공법(Soil Nailing Method)은 NATM(New Austrian Tunneling Method)과 유사한 지반보강공법으로 인장응력, 전단응력 및 휨모멘트에 저항할 수 있는 보강재(네일)를 비교적 촘촘한 간격으로 삽입하여 지반의 전체적인 전단강도를 증대시키고 발생변위를 가능한 억제하며 또한 굴착공사 도중 및 완료 후에 예상되는 이완을 제한하는 공법이다.

도 3은 쏘일네일링 공법에 적용되는 쏘일네일 장치의 일례를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이 쏘일네일 장치는 굴착면 또는 보강사면에 배치되는 전면판(100)과, 전면판(100)을 통해 굴착면 또는 보강사면에 삽입되는 보강재(200)와, 굴착면 또는 보강사면에 천공된 구멍에 주입되어 보강재(200)의 선단을 정착시키는 그라우트(300)와, 보강재(200)의 두부를 전면판(100)에 고정시키기 위한 지압판(410)과 볼트(420)로 구성된다.

여기서, 보강재로는 통상 이형철근이나 강봉이 사용되며 부식방지를 위해 에 폭시 수지가 코팅되기도 한다.

그러나 종래 쏘일네일링 공법을 포함하여 지반보강공법에 사용되어온 보강재, 다시 말해 지반 보강재인 이형철근이나 강봉의 경우 부식으로 인한 단면감소로 영구적인 지보재로서 결함이 나타날 수 있으며 이러한 단면감소는 인장강도 및 전단강도를 감소시키는 원인이 된다.

또한 무게로 인해 이형철근이나 강봉을 구멍에 삽입하는 과정에서 어려움이 많다는 등 여러 가지 문제점이 지적되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 지반보강공법에 적용되는 지반 보강재의 문제점을 감안하여 창작된 것으로, 강재에 비해 단위중량이 작은 섬유강화플라스틱을 지반 보강재로 사용함으로써 자중을 감소시켜 현장의 시공성을 용이하게 하며, 섬유강화플라스틱 재료의 부식에 대한 저항성이 강한 특성으로 영구보강재로 사용할 수 있게 함과 동시에, 보강사면의 파괴거동에 따라 지반 보강재에 발생하는 단면내력을 고려하여 지반 보강재로 보강된 사면의 파괴면에 대한 접선과 보강재가 이루는 각도에 관계없이 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있는 지반 보강재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 지반 보강재에 있어서 보강섬유의 배치상태를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지반 보강재(10)는 매트릭스 수지(12)에 원축방향 보강섬유(14)와 원축방향에 대해 경사를 갖는 경사방향 보강섬유(16)가 배치된 섬유강화플라스틱 관으로 구성된다.

매트릭스 수지(12)는 보강섬유(14,16)를 결합시켜 보강섬유(14,16)에 가해지는 힘을 분산시키는 역할 및 우수한 내식성, 내열성을 부여하여 역학적 특성 뿐만 아니라 화학적 특성의 향상에 기여한다. 본 발명의 지반 보강재(10)에 사용되는 매트릭스 수지(12)로는 특별히 한정되지는 않으나 바람직하게는 에폭시 수지와 폴리에스터 수지를 들 수 있다.

본 발명의 지반 보강재(10)에 사용 가능한 원축방향 및 경사방향으로 배열되는 보강섬유(14,16)의 종류로는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등의 무기 및 유기섬유를 들 수 있다.

본 발명에서는 메트릭스 수지에 원축방향으로 뿐만 아니라 원축방향에 대해 경사를 갖는 경사방향으로도 보강섬유를 배열함으로써 충분한 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있도록 하였다.

즉, 지반 보강재로 보강된 지반의 파괴면에 작용하는 하중에 의해 지반 보강재에 발생하는 단면내력은 지반 보강재로 보강된 지반의 파괴면에 대한 접선과 보강재가 이루는 각도(θ)에 따라 달라지는데, 도 2a 내지 2c는 파괴면에 대한 접선과 지반 보강재가 이루는 각도에 따른 지반 보강재의 단면내력을 개념적으로 나타낸 것이다.

도 2a 내지 2c에서 θ_cr 은 임계각으로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 이 값보다 파괴면에 대한 접선과 지반 보강재가 이루는 각도(θ)가 작을 경우에는 지반 보강재에 인장력만 작용하는 것으로 간주할 수 있으나, 도 2b에 도시된 바와 같이 파괴면에 대한 접선과 지반 보강재가 이루는 각도(θ)가 임계각(θ_cr)보다 클 경우에는 지반 보강재에 인장력과 함께 전단력이 작용하게 되며, 도 2c에 도시된 바와 같이 θ가 (π/2- θ_cr) 보다 클 경우에는 지반 보강재에 전단력만 작용하게 된다.

따라서 본 발명에서와 같이 보강섬유(14,16)를 원축방향과 원축방향에 대해 경사를 갖는 경사방향으로 배열하게 되면 지반 보강재로 보강된 지반의 파괴면에 대한 접선과 지반 보강재가 이루는 각도에 관계없이 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있게 된다.

이때, 경사방향 보강섬유(16)의 원축방향에 대한 경사각은 45°인 것이 바람직하며, 원축방향 보강섬유(14)와 경사방향 보강섬유(16)의 비율은 1:1인 것이 바람직하다.

먼저, 경사방향 보강섬유(16)의 원축방향에 대한 경사각을 45°로 한 이유는, 지반 보강재에 순수 전단이 작용할 경우 주응력은 45°경사방향으로 발생하게 되고, 보강섬유가 원축방향으로만 배치된 경우 45°방향으로는 매트릭스 수지만 주응력에 대해 저항하게 되는데, 매트릭스 수지는 취성재료이므로 전단력이 증가할 경우 주인장응력에 의한 균열발생과 함께 갑작스런 파단이 발생하게 된다. 따라서 주응력 발생방향인 45°방향으로 보강섬유를 배치하면 전단에 의한 주응력에 대해 경사방향의 보강섬유가 효과적으로 저항할 수 있기 때문에 경사방향의 보강섬유의 원축방향에 대한 경사각을 45°로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 원축방향 보강섬유(14)와 경사방향 보강섬유(16)의 배치비율을 1:1로 한 이유는 아래와 같다.

본 발명의 발명자들은 원축방향 보강섬유와 경사방향 보강섬유의 배치비율에 따른 섬유강화플라스틱 관의 특성과 사면의 안전성에 미치는 영향을 조사하기 위해 실험적 연구를 수행하였다.

아래 표 1과 같이 보강섬유의 원축방향과 경사방향의 배치비율을 변화시켜 가면서 보강재를 제작하고 보강재에 대해 인장실험, 전단실험 및 휨실험을 수행하여 그 결과를 비교, 검토하였다.

구분	보강섬유 분배율		보강섬유 함유율(%)
			전체		원축방향		경사방향
	원축방향	경사방향	무게비	부피비	무게비	부피비	무게비	부피비
CASE 1	1.0	1.5	71	50	28.4	20.0	42.6	30.0
CASE 2	1.0	1.0	71	50	35.5	25.0	35.5	25.0
CASE 3	1.0	0.5	71	50	47.3	33.3	23.7	16.7

위 표 1과 같은 보강섬유의 분배비율에 따른 보강재의 강도특성을 요약하면 아래 표 2와 같다.

구 분		CASE 1		CASE 2		CASE 3
		Ungrouted	Grouted	Ungrouted	Grouted	Ungrouted	Grouted
분배율(원축:경사)		1.0:1.5		1.0:1.0		1.0:0.5
인 장	최대인장력	31.8	-	39.3	-	41.9	-
	최대인장응력	4,430	-	5,473	-	5,840	-
전 단	최대전단력	3.17	6.93	2.98	9.75	2.76	9.30
	최대전단응력	441	964	414	1,356	384	1,293
휨	최대휨하중	1.13	2.05	2.69	2.53	2.14	2.75
	지간거리	80	80	80	80	80	80
	휨강도	3,082	5,592	7,159	6,733	5,695	7,318

위 표 2에서 알 수 있듯이 원축방향 보강섬유의 함유율이 증가할수록 인장강도는 증가하는 경향을 나타냈으며 경사방향 보강섬유의 함유율이 증가할수록 전단강도 및 휨강도는 대체적으로 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 경사방향의 보강섬유 함유량이 많다고 해서 전단강도 및 휨강도가 반드시 증가하는 것은 아님을 알 수 있다.

또한 지반 보강재 내부에 시멘트 그라우트를 한 경우에는 시멘트 그라우트를 하지 않은 경우에 비해 전단시험 및 휨시험시 보강재의 변형을 시멘트 그라우트가 억제시켜 전단강도 및 휨강도가 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 원축방향과 경사방향의 보강섬유의 배치비율이 1:1인 섬유강화플라스틱 관으로 된 지반 보강재를 지반보강공법을 적용할 경우 충분한 인장력에 저항할 수 있을 뿐만 아니라 전단 및 휨에 대한 저항력이 크므로 사면에 대한 안정성을 증대시키는 결과를 가져올 것으로 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지반 보강재로 보강된 사면의 파괴면에 대한 접선과 보강재가 이루는 각도에 관계없이 인장력에 저항하면서 동시에 전단력과 휨모멘트에 효율적으로 저항할 수 있고, 따라서 쏘일네일링 공법, 소구경 말뚝 보강 공법 등과 같은 지반보강공법에 적용할 경우 사면에 대한 안정성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 쏘일네일링 공법이나 소구경 말뚝공법 등과 같이 지반에 구멍을 천공하고 보강재를 삽입한 다음 그라우트를 주입하고 숏크리트나 프리캐스트 콘크리트 블럭을 시공하여 표면을 보호하는 작업을 반복적으로 시공하여 굴착면의 붕괴 방지 또는 사면의 안정이나 석축과 같은 기존 구조물의 안전보강을 하는 공법에 사용되는 지반 보강재에 있어서,

   상기 지반 보강재(10)는 매트릭스 수지(12)에 원축방향 보강섬유(14)와 원축방향에 대해 경사를 갖는 경사방향 보강섬유(16)가 배치된 섬유강화플라스틱 관으로 구성된 것을 특징으로 하는 지반 보강재.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사방향 보강섬유(16)의 원축방향에 대한 경사각은 45°인 것을 특징으로 하는 지반 보강재.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 원축방향 보강섬유(14)와 경사방향 보강섬유(16)의 배치비율은 1:1인 것을 특징으로 하는 지반 보강재.

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