KR20070096706A - 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조 및 이를 이용한지반 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소일 네일링 방식의 취약점인 수동적 거동에 어스 앵카 개념의 능동적 거동을 결합시켜 수동적 거동과 능동적 거동이 동시에 공존되도록 하여 소일 네일 벽체의 수평변위를 최소화함에 있고, 또 소일 네일 벽체의 수평변위를 최소화시킴으로써 프리스트레스하중에 의한 지압판이 전면벽체에 수동토압을 유발하게 되므로 지압판 부위의 사면이 파괴되는 것을 방지하며, 이와 함께 단계별 굴착과정의 초기 단계에서 수평변위를 프리스트레스하중에 의해 억제시킴으로써 최종단계에서 첫 단 네일의 정착장이 파괴면 안쪽에 위치하더라도 누적되는 최대변위의 양을 감소시킬 수 있게 함과 동시에 밀집된 도심지에서의 지반굴착에 적합하도록 한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 지압판구조(10)와, 고정 내하체 구조(20)와, 그리고 강선(30)으로 이루어지고 강선에는 프리스트레스를 가한 구성이다.

소일 네일 벽체, 수평변위, 지압판 구조, 고정 내하체 구조, 수동적 거동, 지반굴착

Description

프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조 및 이를 이용한 지반 보강공법{Soil nailing structure of using prestress and method of reinforcing the foundation with it}

도1 본 발명 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조를 보링홀 내에 삽입한 상태를 보인 단면도

도2 본 발명 프리스트레스 방식의 기본 메카니즘에 의하여 거동되는 힘의 관계를 나타낸 단면도

도3 본 발명 프리스트레스 방식의 기본 메카니즘을 설명하기위하여 도1의 구조를 단순화시킨 단면도

도4 소일 네일 벽체의 내부변형과 그 변위를 나타낸 단면도

도5 도3의 A-A' 단면도

도6 본 발명 고정 내하체 구조의 상세단면도

도7a 본 발명 상부고정캡을 이용하여 강선을 고정한 상세단면도

도7b 본 발명 지압판을 이용하여 강선을 고정한 상세단면도

도8 도7의 B-B'단면도

* 도면부호 설명

10; 지압판 구조, 12; 지압판, 13; 보강재 삽입공, 14; 강선 삽입공, 16; 상부고정캡, 17,17´; 웨지, 20; 고정 내하체 구조, 22; 연결부, 23; 고정너트, 25; 중간 길이부, 27; 헤드부, 28; 유도홈, 30; 강선, 32; 스페이서, 40; 보강재, 50; 지반, 60; 그라우팅체, 70; 보링홀, 72; 분사공

본 발명은 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조 및 이를 이용한 지반 보강공법에 관한 것이다.

좀더 구체적으로 말하면 네일의 수동적 거동과, 능동적 거동이 함께 공존하는 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조 및 이를 이용한 지반 보강공법에 관한 것이다.

달리 말하면 소일 네일링 방식의 취약점인 수동적 거동에 어스앵카 개념의 능동적 거동을 결합시켜 수동적 거동과 능동적 거동이 동시에 공존되도록 한 것이다.

현재 사용되고 있는 소일 네일링 방식이나 어스 앵카 방식모두 경사면을 보강한다는 점에서는 동일하다. 그러나 경사면을 보강하는 방식에 있어 양자는 차이 가 있다.

소일 네일링 방식은 네일의 주면 마찰력에 의해서 보강되는 방식이고, 어스 앵카 방식은 강선의 인장력에 의해서 보강되는 방식이다.

소일 네일링 방식에서 네일의 주면 마찰력은 주동토압이 거동되지 않으면 발휘되지 않는다.

바꿔 말하면 주동토압이 거동되는 순간 네일의 주면 마찰력도 발휘되는 것을 의미한다.

네일은 주동토압의 거동에 전적으로 의존되어있다는 점에서 네일을 ?수동적 바(passive bar)?라고 부르기도 한다.

이에 대해 어스 앵카 방식에서 강선의 인장력은 주동토압의 거동에 관계없이 능동적으로 발휘된다.

이와 같이 소일 네일링 방식은 주동토압이 거동하지 않으면 네일은 전혀 거동하지 않고, 주동토압이 거동하게 되면 이와 함께 네일도 거동하게 되는 메카니즘으로 되어있기 때문에 주동토압의 거동에 의존하는 수동적인 거동이다.

이에 반해 어스 앵카 방식은 주동토압이 거동하든 않든 상관없이 인장력이 발휘되는 메카니즘으로 되어있기 때문에 주동토압의 거동에 전혀 상관없이 거동되는 능동적인 거동이다.

본 발명 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조는 소일 네일링의 기본구조를 그대로 두고서 여기에다 어스 앵카 방식의 프리스트레스 인장력을 결합시킨 구조라고 할 수 있다.

이제 소일 네일링의 기본구조에 결합한 프리스트레스 하중의 기술적 의미에 대하여 설명하기로 한다.

설명의 편의상 소일 네일링의 기본구조로 축조된 소일 네일 벽체의 내부변형과 그 변위에 대하여 살펴보는 것으로부터 시작하기로 한다.

소일 네일 구조물에 관한 많은 실험과 프로그램 분석결과로부터 팽창(extension)의 크기 및 비틀림 변형의 기준에 대해서 정의를 내릴 수 있는 지침을 마련하였다.

그 지침의 기본형태가 도4에 나타나있다. 이 기본형태는 소일 네일링을 해석하고 설계하는데 사용되고 있다.

도4에서와 같이 소일 네일 벽체의 수평면에 대한 평균 변형량을 고려할 수 있으며, 다음의 3가지로 변수로서 추정이 가능하다.

δo ; 벽체 뒤쪽의 수평면 변위

δh ; 전면벽체 상부의 수평변위

δv ; 전면벽체 상부의 수직변위

전면벽체 상단에서 발생하는 수직 및 수평변위는 H/1000-4H/1000 (H : 벽체고)정도로 대략 비슷하게 나타난다.

전면벽체 상단의 변위는 다음과 같은 요인에 영향을 받는다.

① 시공율(Rate of construction) ② 굴착고 및 네일의 간격 ③ 벽체의 전체 안전율 ④ L/H 비 ⑤ 네일의 설치각도 및 휨강성 ⑥기초지반의 지지력

소일 네일 벽체가 낮은 안전율로 설계되었을 경우, δo, δh의 값은 점점 커지는 성향을 나타낸다.

일반적으로 벽체의 L/H 비가 증가하면 벽체는 더욱 바깥쪽으로 기울게 되며, 반면 L/H 비와 δh는 반비례 관계가 성립한다.

수평보다 아래로 경사 설치된 네일은 인장측면에서 문제시되는 휨모멘트와 전단력을 증진시킨다. 그 결과 전면벽체에 커다란 변위를 발생시킨다.

네일에 발생하는 힘과 휨모멘트의 영향을 분석해보면, 수평변위 δh는 인장과 관계가 있음을 알 수 있고, 수직변위 δh는 상부의 횡하중을 받는 말뚝의 거동처럼 휨모멘트와 영향이 깊다.

위의 소일 네일 벽체의 내부변형과 그 변위에 따른 분석결과에서 본 발명과 직접적인 관계가 있는 것은 바로 바로 수평변위 δh이다.

위 분석에 의하면 수평변위 δh는 네일의 인장과 관계가 있다고 분석하고 있다.

그렇다면 수평변위 δh는 네일이 지지할 수 있는 인장력의 크기가 크면 클수록 최소화된다고 할 수 있다.

이와 같은 관점에서 어스 앵카 방식과 유사한 프리스트레스 방식을 일반 소일 네일링에 도입하게 되면 프리스트레스하중에 의해 네일 두부에 부착된 지압판은 전면벽체에 수동토압을 유발시키게 되므로 일반 소일 네일 벽체에서 발생하는 주동토압을 경감시키게 되고 그 결과 전면벽체의 수평변위도 작아지게 된다.

소일 네일링이 통상 단계별 굴착과정에 의해 시공이 진행되는 점을 감안할 때 초기 단계에서 상부토사구간의 변위를 다소 억제시키는 조치가 취해진다면 결국 최종단계에서 첫 단 네일의 정착장이 파괴면 안쪽에 위치하더라고 누적되는 최대변위의 양을 감소시키게 된다.

이와 같이 최종단계에서 첫 단 네일의 정착장이 파괴면 안쪽에 위치하더라도 누적되는 최대변위의 양을 감소시킬 수 있기 때문에 수평변위 δh의 최소화는 특히 구조물이 밀집된 도심지에서의 보강에 적합하다.

물론 사면 등의 지반보강에도 유리한 것은 말할 것도 없다. 즉, 프리스트레스하중에 의하여 수평변위 δh가 최소화되면 지압판은 전면벽체에 수동토압을 유발시키기 때문에 주동토압을 경감시키게 되어 지압판 부위의 사면이 파괴되는 것을 방지하게 된다.

따라서 프리스트레스 하중은 소일 네일 벽체의 내부변형의 수평변위를 최소화시키는 역할을 한다.

본 발명의 목적은 소일 네일링 방식의 취약점인 수동적 거동에 어스앵카 개념의 능동적 거동을 결합시켜 수동적 거동과 능동적 거동이 동시에 공존되도록 하여 소일 네일 벽체의 수평변위를 최소화함에 있고, 다른 목적은 소일 네일 벽체의 수평변위를 최소화시킴으로써 프리스트레스하중에 의한 지압판이 전면벽체에 수동토압을 유발하게 되므로 지압판 부위의 사면이 파괴되는 것을 방지하도록 함에 있으며, 또 다른 목적은 단계별 굴착과정의 초기 단계에서 수평변위를 프리스트레스하중에 의해 억제시킴으로써 최종단계에서 첫 단 네일의 정착장이 파괴면 안쪽에 위치하더라고 누적되는 최대변위의 양을 감소시킬 수 있게 함과 동시에 밀집된 도심지에서의 지반굴착에 적합하도록 함에 있다.

이러한 목적을 달성하기위한 기본적인 수단은 다음과 같다.

①일반 소일 네일링 구조 ② 프리스트레스 하중을 가할 강선 ③ 강선의 배치 ④강선의 정착

수평변위를 최소화시키기 위한 본 발명의 기본 메카니즘을 도3에 의하여 설명한다. 도3은 본 발명의 기본 메카니즘을 설명하기 위하여 본 발명의 구성을 단순화시킨 것이다.

먼저 도3의 구성에 대하여 설명한다.

도3에서 일반 소일 네일링 구조는 그라우팅체(60)와 보강재(40) 및 지압판(12)으로 이루어지고 그 관계는 보강재(40)가 그라우팅체(60)내에 매설되어 그라우팅체(60)와 일체로 부착되어있고 보강재(40)는 지압판(12)을 관통하여 고정너트(16)로 고정되어있는 관계이다.

수평변위를 최소화시키기 위한 구성은 여기에다 프리스트레스를 가할 강선(30)과, 그리고 프리스트레스가 가해진 강선(30)을 정착시키는 구성을 추가한 것이다.

강선(30)은 그라우팅체(60)내에 배치되고 그 정착단은 지압판(12)과 보강재(40)의 끝단부이다.

그라우팅체(60)내에 배치된 강선(30)은 보강재(40)와는 달리 그라우팅체(60)와 일체화되지 않고, 강선(30)의 피복내에서 유동되는 구조이다.

강선(30)이 그라우팅체(60)와 일체로 되어있다면 지압판(12)에 프리스트레스를 가할 수 없다.

지압판(12)에 프리스트레스가 가해지지 않는다면 수평변위를 최소화시킬 수 없기 때문이다.

다음으로 도3의 메카니즘(즉, 수평변위의 최소화작용)에 대하여 설명한다.

보강재(40)와 피복된 강선(30)이 보링 홀내에 삽입되어있으면서 그라우팅체(60)가 이미 형성되어있다.

보강재(40)는 그라우팅체(60)와 일체적으로 부착되어있으면서 고정너트(16)에 의하여 지압판(12)에 견고하게 고정되어있다.

강선(30)에 프리스트레스가 가해져있고 정착단은 지압판(12)과 그라우팅체(60)의 끝단이다. 강선(30)의 정착은 웨지(17,17´)에 의하여 이루어져있다.

이제 강선(30)에 도입된 프리스트레스에 의하여 작용되는 힘에 대하여 설명한다.

강선(30)에 가해진 프리스트레스는 도2에 표시된 바와 같이 지압판(12)에 의하여 전면벽체 내부로 수동토압을 유발하는 힘f1으로, 그라우팅체(60)의 외주면에는 주면 마찰력f2으로, 그리고 전단력f3에 대하여 그라우팅체(60)의 전단강도를 증대시키는 힘으로 작용된다.

다시 말하면 강선에 프리스트레스를 가해줌에 따라 그라우팅체(60)(네일)에서 발휘되는 주면 마찰력f2이 증대되고, 전면벽체 내부로 작용되는 힘f1에 의하여 수동토압이 유발되어 원지반의 전체적인 전단강도가 증가하고, 굴착 중 또는 굴착완료 후에 예상되는 지반의 이완을 사전에 억제할 수 있다.

위의 기본 메카니즘에 의하여 작용되는 본 발명의 구성(도1 및 도2참조)을 도면과 함께 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

지압판구조(10)와, 고정 내하체 구조(20)와, 그리고 강선(30)으로 이루어지고 지압판 구조(10)는 지압판(12)과, 그 중앙에 보강재 삽입공(13)과, 그 양측에 강선 삽입공(14)이 형성되어있으며, 고정 내하체 구조(20)는 보강재(40)의 끝단과 연결되는 연결부(22)와 중간 길이부(25)와 헤드부(27)로 형성되어있고, 헤드부(27)에는 유도홈(28)이 형성되어있으며 프리스트레스가 가해질 강선(30)은 보강재(40)의 양측에 배치되면서 고정 내하체 구조(20)의 유도홈(28)을 거쳐 지압판(12)의 강 선 삽입공(14)에서 정착되도록 한 구성이다. 여기서 보강재는 강관 또는 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastics)관, 기타 등등 전단강도와 휨강도가 뛰어난 pipe(파이프)형태의 속이 빈 보강재을 말한다.

강선을 고정하는 방법은 상부고정캡을 이용한 고정방법(도7a참조)과 지압판을 이용한 고정방법(도7b참조)이 있다.

도7a를 설명하면, 보강재(40)와 상부고정캡(16)간에는 간격(d)만큼 이격되어 있고, 웨지(17')에 의하여 강선(30)을 상부고정캡(16)에 고정하는 방법이다.

도7b를 설명하면, 보강재(40)가 고정되어 있는 지압판(12)에 웨지(17)을 이용하여 강선(30)을 고정하는 방법이다.

보강재(40)의 외측에 배치되는 강선(30)과 강선(30)사이에는 스페이서(32)가 설치되고 보강재(40)는 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에서 고정너트(16)에 의하여 고정되며 강선(30)은 강선 삽입공(14)에서 웨지(17,17´)에 의하여 도7a 또는 도7b와 같이 정착되는 구성이다.

이와 같이 구성된 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조를 이용하여 지반을 보강하는 과정은 다음과 같다.

보링 홀을 천공하는 단계;

보강재(40)의 끝단과 고정 내하체 구조(20)의 연결부(22)를 고정하고 피복된 강선(30)을 보강재(40)의 외측에 배치하면서 고정 내하체 구조(20)의 유도홈(28)에 삽입하는 단계;

상기의 단계에서 설치된 보강재(40)와 강선(30)을 보링 홀에 삽입하고 보강재(40)내부와 분사공(72)을 통하여 그라우팅하는 단계; 지압판(12)을 설치하고 보강재(40)를 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에 삽입하여 고정너트(16)로 고정시키는 단계; 강선(30)에 프리스트레스를 가하는 단계; 강선(30)을 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에 삽입하여 웨지(17,17´)에 의하여 도7a 또는 도7b와 같이 정착하는 단계로 이루어진 구성이다.

일반 소일 네일링 구조에다 프리스트레스하중을 가한 것이므로 소일 네일 벽체의 수평변위를 최소화할 수 있을 뿐 아니라 지압판(12)에 작용된 프리스트레스하중에 의하여 전면벽체에 수동토압이 유발되어 지압판 부위의 파괴를 방지함은 물론 그라우팅체(60)에 압축강도를 줌으로서 전단강도가 증가되고, 굴착 중 또는 굴착완료 후에 예상되는 지반의 이완을 사전에 억제할 수 있는 효과가 있다.

또 단계별 굴착과정의 초기 단계에서 수평변위를 프리스트레스하중에 의해 억제시킴으로써 최종단계에서 첫 단 네일의 정착장이 파괴면 안쪽에 위치하더라도 누적되는 최대변위의 양을 감소시킬 수 있게 함과 동시에 특히 밀집된 도심지에서의 지반굴착에 적합한 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 그라우팅체와 보강재 및 지압판으로 이루어진 일반 소일 네일링 구조에 있어서 지압판구조(10)와, 고정 내하체 구조(20)와, 그리고 강선(30)으로 이루어지고 지압판 구조(10)는 지압판(12)과, 그 중앙에 보강재 삽입공(13)과, 그 양측에 강선 삽입공(14)이 형성되어있으며, 고정 내하체 구조(20)는 보강재(40)의 끝단과 연결되는 연결부(22)와 중간 길이부(25)와 헤드부(27)로 형성되어있고, 헤드부(27)에는 유도홈(28)이 형성되어있으며 프리스트레스가 가해질 강선(30)은 보강재(40)의 외측에 배치되면서 고정 내하체 구조(20)의 유도홈(28)을 거쳐 지압판(12)의 강선 삽입공(14)에서 도7a 및 도7b와 같이 정착됨을 특징으로 하는 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조
2. 제1항에 있어서 보강재(40)와 강선(30)을 결속하는 스페이서(32)가 설치되고 보강재(40)는 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에서 고정너트(16)에 의하여 고정되며 강선(30)은 강선 삽입공(14)에서 웨지(17,17´)에 의하여 도7a 및 도7b와 같이 정착됨을 특징으로 하는 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조
3. 보링 홀을 천공하는 단계;

   보강재(40)의 끝단과 고정 내하체 구조(20)의 연결부(22)를 고정하고 피복된 강선(30)을 보강재(40)의 외측에 배치하면서 고정 내하체 구조(20)의 유도홈(28)에 삽입하는 단계;

   상기의 단계에서 설치된 보강재(40)와 강선(30)을 보링 홀에 삽입하고 보강재(40)내부와 분사공(72)을 통하여 그라우팅하는 단계; 지압판(12)을 설치하고 보강재(40)를 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에 삽입하여 고정너트(16)로 고정시키는 단계; 강선(30)에 프리스트레스를 가하는 단계; 강선(30)을 지압판(12)의 보강재 삽입공(13)에 삽입하여 웨지(17,17´)에 의하여 도7a 또는 도7b와 같이 정착시키는 단계를 특징으로 하는 프리스트레스 방식의 소일 네일링 구조를 이용한 지반 보강공법

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