KR20110077324A - 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설 현장에서 파괴가 우려되는 경사지반 등을 보강하여 안정화시키기 위해 사용되는 어스앵커 공법에 관한 것으로서, 종래에 천공홀 충전(充塡)용으로만 사용되어 얕은 지반의 전단보강 등의 구조적 기능을 할 수 없었던 그라우트재에 고인성 고강도의 보강섬유를 혼입하고, 물-시멘트비를 조절하여, 전단 저항력이 발현되도록 함으로써, 이를 자유장(강연선)이 전달하는 인장력과 함께 지반을 안정시키는 요소로 활용하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법에 관한 것이다.

본 발명은 내하체; 선단이 상기 내하체에 결합하여 후방으로 연장되는 피복파이프; 및 선단이 상기 내하체에 결합하고, 상기 피복파이프를 관통하여 후방으로 연장되는 강연선; 을 포함하는 앵커구조체를 이용하여 사면지반을 안정화시키는 공법으로서, (a) 경사지반을 천공하여 안정된 지층까지 천공홀을 형성시키는 단계; (b) 상기 천공홀에 상기 앵커구조체를 삽입하여, 상기 내하체를 천공홀의 선단에 위치시키는 단계; (c) 상기 천공홀 내에, 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 섬유보강 그라우트재를 주입하여, 상기 내하체를 안정된 지층에 정착시키고, 천공홀을 메우는 단계; 및 (d) 상기 강연선이 관통하는 통공이 형성된 지압판을 천공홀 입구에 대고, 상기 강연선을 상기 통공으로 뽑아 낸 후 상기 지압판을 누르며 강연선을 당겨 고정시키는 단계; 를 포함하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법을 제공한다.

앵커, 소일네일, 그라우트재, 보강섬유, 인장균열, 전단보강

Description

섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법{Earth-Anchor Method Using Fiber-reinfoced Grout}

본 발명은 건설 현장에서 파괴가 우려되는 경사지반 등을 보강하여 안정화시키기 위해 사용되는 어스앵커 공법에 관한 것으로서, 종래에 천공홀 충전(充塡)용 그라우트재에 고인성 고강도의 보강섬유를 혼입하고, 물-시멘트비를 조절함으로써, 강한 인장하중 상태에서 앵커 정착부에 인장균열이 발생하는 것을 억제하여 그라우트 구근의 내구성을 향상시키고, 전단 저항력이 발현되도록 하여 자유장(강연선)이 전달하는 인장력과 함께 지반을 안정시키는 요소로 활용하는 "섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법"에 관한 것이다.

파괴가 우려되는 경사지반을 보강하여 안정화시키는 대표적인 보강공법으로는 크게 나누어 소일네일링(Soil Nailing) 공법과 어스앵커(Earth Anchor) 공법이 있다.

종래의 소일네일 공법은 [도 1]에 도시된 바와 같이 경사지반에 일정한 간격으로 비교적 촘촘하게 천공한 구멍 안으로 네일을 삽입하고, 네일이 삽입된 구멍 안으로 그라우트재를 충전하여 원지반 전체적인 전단강도를 증진시키는 공법이다. 이러한 소일네일 공법 시공에 적용되는 네일은 개당 가격이 저렴하여 중소규모의 경사면 안정화 공법으로서 활용도가 높으나, 지반 보강력이 앵커와 비교하여 약하기 때문에 대규모 거동이 발생할 경우에는 그 변위를 제어하기 어려운 문제를 가지고 있으며, 전체적인 공사비 또한 크게 절감되지 않는다.

종래의 어스앵커 공법은 [도 2]에 도시한 바와 같이, 경사지반에 일정한 간격의 천공홀을 안정된 지반에까지 형성시킨 후 안정된 지반 내에 앵커체를 삽입하고 그라우트재를 충전하여 정착장을 완성한 다음, 상기 앵커체의 후방향으로 연결된 강연선을 당긴 상태로 고정시킴으로써, 상기 강연선이 전달하는 강한 인장력에 의해 경사지반을 안정화시키는 공법이다. 이와 같은 종래의 어스앵커 공법은 지반의 대규모 파괴 제어에 비교적 효과적이긴 하나, 소일네일과 같은 전단저항력은 발현하지 못한다.

최근에는 위와 같은 소일네일링 공법과 어스앵커 공법을 결합하여 지반의 전단보강효과와 안정된 지층에 매립된 앵커체에 가하는 인장력으로 지반을 보강하는 효과를 함께 얻고자 하는 기술이 소개되고 있다.

등록특허 제0474167호는 "지반 안정화용 장치 및 그를 이용한 지반 안정화공법"에 관한 것으로서, 등록특허 제0474167호의 명세서에 첨부된 도 4와 도 7에 도시된 바와 같이 얕은 지반의 전단보강을 위한 철근, 안정된 지반에 매립하여 정착장이 되는 선단고정부 및 선단고정부에 인장력을 전달하는 강연선을 모두 구비하고 있다. 이는 지반의 인장 및 전단저항력을 증대시키는 효과를 기대할 수는 있겠으나 강연선과 철근을 모두 사용한다는 점에서 공사비가 크게 소요된다는 단점이 있다.

등록실용신안 제0359013호는 "그라우팅 보강철근을 구비한 앵커"에 관한 것으로서, 등록실용신안 제0359013호의 명세서에 첨부된 도 2b와 도 3a 도시된 바와 같이 선단고정부, 강연선 및 철근을 모두 구비하여 지반의 인장 및 전단저항력을 증대시킴과 아울러 강연선과 철근 주변에 스파이럴 철근을 둘러감아 그라우트재의 인장균열 발생을 억제하고자 하는 것이다. 그러나 이 역시 소요되는 철근량이 과다해져 공사비가 크게 소요된다는 단점이 있다.

본 발명은 어스앵커 공법을 기초로 하여 개선된 그라우트재를 적용함으로써, 강연선 인장에 따른 정착부의 인장균열 억제 효과와 지반의 전단보강 효과를 함께 얻을 수 있는 지반 보강 및 안정화 공법을 제공함에 그 목적이 있다.

어스앵커 공법은 지반을 천공한 후 앵커체를 삽입하고 그라우팅을 실시, 양생 후 강한 긴장력을 도입하여 활동하중에 저항하도록 하는 지반 보강공법이다. 이때 앵커 정착부는 강한 긴장력에 저항할 수 있는 상당한 내구성을 필요로 한다. 그러나, 정착부에 채워지는 종래의 그라우트재는 물과 시멘트만을 주재료로 사용한 것이고, 이는 일반 콘크리트와 같이 인장에 취약한 취성부재이다.

한편, 최근 구조물의 대형화 및 고층화, 교량의 장대화 등에 맞추어 보강섬유를 콘크리트에 혼입하여 고강도, 고인성의 콘크리트를 개발하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있으나, 지반충전용 그라우트재에 보강섬유를 혼입시키고자 하는 시도는 이루어진 바 없었다.

본 발명의 발명자는 지반에 앵커 시공을 위한 그라우트재의 인장강도를 강화하고 균열을 방지하기 위해 보강섬유를 혼입시킬 때의 적정 혼입률, 적용되는 보강섬유의 종류, 보강섬유 종류에 따른 적정 길이 및 이에 따른 물-시멘트비 등을 연구하였으며, 시공성, 재료분리현상 등을 종합적으로 고려하여 보강섬유(PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상)를 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 그라우트재를 도출해 내었다.

이에 따라 내하체에 결합된 강연선에 긴장력을 도입하는 단계에서, 천공홀에 충전된 그라우트재의 인장균열방지 효과 및 인장저항력이 향상될 뿐만 아니라, 이러한 그라우트재가 지반 내 천공홀에서 양생됨으로써 그 자체로 전단 저항력과 휨 저항력을 발휘할 수 있도록 하였다.

한편, 종래의 어스앵커 공법에서 내하체에 결합하여 후방으로 연장되는 강연선은 정착부에 긴장력을 도입하기 위한 매개부재로 기능할 뿐이었으므로 구조상의 필요에 따라 그 설치 개수만을 달리하였을 뿐(강연선 1가닥 당 10톤의 하중), 강연선의 배치나 간격유지는 큰 문제가 되지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 섬유보강 그라우트재에 의해 자유장에 발휘되는 전단 저항력과 휨 저항력을 극대화시키기 위해 상기 4~9개의 강연선을 동일 원주(圓周)상에서 등간격으로 이격하도록 배치하고, 스페이서에 의해 이격 간격이 유지되도록 앵커구조체를 구성하였다. 이 경우 그라우트재 내에 불규칙하게 분산되어 있는 고인성 고강도의 보강섬유들이 상기 강연선을 감싸는 피복파이프 사이에서 가교(架橋)역할을 함으로서, 다수개의 강연선이 간접적으로 일체(一體)를 이룬 것과 같이 된다.

본 발명에 따르면 섬유보강 그라우트재를 사용함으로써, 그라우트체에 인성이 부여된다. 이에 따라 강연선에 긴장력을 도입하는 단계에서 정착부 그라우트체 에 인장균열의 발생을 억제하고 내구성이 강한 고강도의 구근이 형성되며, 천공홀 내 충전된 그라우트재의 전단 저항력과 휨 저항력을 향상시켜 지반 보강효과를 전체적으로 증진시킬 수 있다.

또한, 스페이서를 이용하여 다수 가닥의 강연선을 등간격으로 이격 배치함으로써, 그라우트재 내에 불규칙하게 분산되어 있는 고인성 고강도의 보강섬유들이 상기 강연선을 피복하는 피복파이프 사이에서 가교(架橋)역할을 하도록 하여, 자유장의 전단 저항력과 휨 저항력을 극대화시킬 수 있다.

본 발명은 내하체; 선단이 상기 내하체에 결합하여 후방으로 연장되는 피복파이프; 및 선단이 상기 내하체에 결합하고, 상기 피복파이프를 관통하여 후방으로 연장되는 강연선; 을 포함하는 앵커구조체를 이용하여 사면지반을 안정화시키는 공법으로서, (a) 경사지반을 천공하여 안정된 지층까지 천공홀을 형성시키는 단계; (b) 상기 천공홀에 상기 앵커구조체를 삽입하여, 상기 내하체를 천공홀의 선단에 위치시키는 단계; (c) 상기 천공홀 내에, 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 그라우트재를 주입하여, 상기 내하체를 안정된 지층에 정착시키고, 천공홀을 메우는 단계; 및 (d) 상기 강연선이 관통하는 통공이 형성된 지압판을 천공홀 입구에 대고, 상기 강연선을 상기 통공으로 뽑아 낸 후 상기 지압판을 누르며 강연선을 당겨 고정시키는 단계; 를 포함하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법을 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 구체적인 실시예를 각 단계별로 설명하기로 한다.

(a) 경사지반 천공단계

본 단계는 경사지반(1)을 천공하여 안정된 지층까지 천공홀(2)을 형성시키는 단계이다([도 4a] 참조).

(b) 앵커구조체 삽입단계

본 단계는 상기 천공홀에 앵커구조체(100)를 삽입하는 단계이다. 상기 앵커구조체(100)는 내하체(110); 선단이 상기 내하체(110)에 결합하여 후방으로 연장되는 피복파이프(120); 및 선단이 상기 내하체(110)에 결합하고, 상기 피복파이프(120)를 관통하여 후방으로 연장되는 강연선(130); 을 포함하여 구성된다. [도 3]은 상기 앵커구조체(100)의 강연선(130)이 내하체(110)를 관통하며 쐐기(3)에 의해 고정되도록 구성된 일 실시예를 도시한 것이나, 앵커구조체(100) 본래의 기능을 수행할 수 있는 범위 내에서 다양한 구조로 변형하여 적용할 수 있다. 본 단계에서는 상기 천공홀(1)에 상기 앵커구조체(100)를 삽입하여, 상기 내하체(110)를 천공홀의 선단에 위치시킨다([도 4b] 참조).

(c) 그라우팅단계

본 단계는 상기 천공홀(2) 내에, 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 섬유보강 그라우트재(200)를 주입하여, 상기 내하체(110)를 안정된 지층에 정착시키고, 천공홀(2)을 메우는 단계이다. 본 단계는 상기 내하체(110)가 삽입된 천공홀 선단 부위에 1차적인 그라우팅을 실시하는 공정과, 강연선(120)이 지나는 천공홀(2)의 나머지 부분에 2차적인 그라우팅을 실시하는 공정을 나누어 실시할 수 있으며, 섬유보강 그라우트재(200)가 완전히 충전되지 않은 천공홀 입구 부분에 대해서는 후술할 (d)단계 작업 후 마무리 그라우팅 공정으로 시행할 수 있다.

본 발명에 적용되는 섬유보강 그라우트재(200)는 인성을 부여하여 인장강도, 전단 및 휨저항력을 강화시키기 위한 목적으로 개발된 것으로서, 보강섬유를 그라우트재의 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 것이다. 상기 보강섬유로는 PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상을 적용할 수 있는데, 상기 보강섬유의 길이는 3~20mm인 것이 바람직하다. 기존의 그라우트재는 취성거동을 보이는 반면 위와 같이 보강섬유를 혼입시킨 그라우트재는 준취성거동 내지 연성거동을 하며, 인장강도가 우수하게 발현된다. 상기 그라우트재에는 섬유와의 부착특성 개선과 내구성을 위한 포졸란재나 워커빌리티 확보를 위한 감수제, 재료분리 방지를 위한 증점제 등의 혼화제를 필요시 소량 첨가할 수 있다.

(d) 인장력 도입단계

본 단계는 상기 강연선이 관통하는 통공이 형성된 지압판(4)을 천공홀(2)의 입구에 대고, 상기 강연선(130)을 상기 통공으로 뽑아 낸 후 상기 지압판(4)을 누르며 강연선을 당겨 고정너트(5) 등으로 고정시키는 단계이다.

본 발명의 섬유보강 그라우트재는 기존의 그라우트재에 비해 내구성이 크게 향상되므로 일반적인 마찰형 또는 압축형 앵커와 같이 정착부 특정부분에 하중이 집중되는 구조의 앵커 공법에 유효한 효과를 발휘할 수 있으며, 등록특허 제0930347호에 기재되어 있는 "일체식 분산압축형 앵커"와 등록특허 제0927091호에 기재되어 있는 "일체식 분산압축형 앵커"의 시공에도 유용하게 활용할 수 있다.

한편, 본 발명은 4~9개의 강연선(130)이 동일 원주(圓周)상에서 등간격으로 이격하도록 배치되어, 스페이서(140)에 의해 이격 간격이 유지되도록 구성된 앵커구조체(100)를 적용하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법을 함께 제공한다.

상기 스페이서는 소일네일링 공법에서 보강철근 다수개의 간격 유지를 위해 많이 사용되어 왔다. 소일네일링 공법에서는 보강철근이 지반 보강을 위한 구조재이므로 하중 균등 분배 및 피복 두께 유지 등을 위해 스페이서가 필요하다.

한편, 종래 어스앵커 공법에서의 강연선은 내하체에 인장력을 전달하는 매개부재일 뿐 구조재로서 지반 보강에 조력하지는 않았으므로, 구조계산에 있어서 강연선의 배치 구조는 고려 대상이 아니었다. 따라서, 여러 가닥의 강연선을 내하체 의 중앙부로 모아 결합시켜 잡아당기는 경우나, 내하체의 가장자리로 분산시켜 잡아당기는 경우를 달리 취급하지 아니하였다.

그러나 본 발명에서는 상기 섬유보강 그라우트재(200) 자체가 지반의 전단 및 휨저항력을 보강하는 구조재로서 기능하므로, 스페이서(140)를 이용하여 다수 가닥의 강연선을 동일 원주 상에서 등간격으로 배치·고정시킴으로써, 상기 섬유보강 그라우트재의 보강섬유들이 상기 강연선(130)을 감싸는 피복파이프(120) 사이에서 가교(架橋)역할을 하여, 다수개의 강연선이 간접적으로 일체(一體)를 이루어 자유장의 전단 저항력과 휨 저항력을 극대화시킬 수 있다.

본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면 및 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

[도 1]은 종래의 소일네일 시공에 의해 경사지반을 보강한 상태의 예시도이다.

[도 2]는 종래의 앵커 시공에 의해 경사지반을 보강한 상태의 예시도이다.

[도 3]은 본 발명에 적용되는 앵커구조체의 일 실시예를 도시한 것이다.

[도 4a] 내지 [도 4d]는 본 발명에 따른 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법을 각 단계별로 도시한 것이다.

[도 5]는 다수 가닥의 강연선을 등간격으로 이격 배치하고 스페이서로 고정시킨 실시예를 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 경사지반 2 : 천공홀

3 : 쐐기 4 : 지압판

5 : 고정너트

100 : 앵커구조체 110 : 내하체

120 : 피복파이프 130 : 강연선

140 : 스페이서

200 : 섬유보강 그라우트재

Claims (4)

1. 내하체; 선단이 상기 내하체에 결합하여 후방으로 연장되는 피복파이프; 및 선단이 상기 내하체에 결합하고, 상기 피복파이프를 관통하여 후방으로 연장되는 강연선; 을 포함하는 앵커구조체를 이용하여 사면지반을 안정화시키는 공법으로서,

   (a) 경사지반을 천공하여 안정된 지층까지 천공홀을 형성시키는 단계;

   (b) 상기 천공홀에 상기 앵커구조체를 삽입하여, 상기 내하체를 천공홀의 선단에 위치시키는 단계;

   (c) 상기 천공홀 내에 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~2%로 혼입시키고 35~45%의 물-시멘트비로 배합한 섬유보강 그라우트재를 주입하여, 상기 내하체를 안정된 지층에 정착시키고, 천공홀을 메우는 단계; 및

   (d) 상기 강연선이 관통하는 통공이 형성된 지압판을 천공홀 입구에 대고, 상기 강연선을 상기 통공으로 뽑아낸 후 상기 지압판을 누르며 강연선을 당겨 고정시키는 단계; 를 포함하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법.
2. 제1항에서,

   상기 보강섬유는 PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상을 적용함을 특징으로 하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법.
3. 제2항에서,

   상기 보강섬유는 그 길이가 3~20mm임을 특징으로 하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 앵커구조체는 4~9개의 강연선이 동일 원주(圓周)상에서 등간격으로 이격하도록 배치되어, 스페이서에 의해 이격 간격이 유지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 섬유보강 그라우트재를 이용한 어스앵커 공법.

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