확장형 패커를 이용한 가압식 쏘일 네일링의 전단거동 연구

Abstract

쏘일 네일링은 비탈면뿐만 아니라 흙막이벽이나 옹벽 등을 보강하기 위해 자주 사용되는 공법으로 네일의 인발저항력을 이용하여 원지반의 전단강도를 보완하는 개념이다. 쏘일 네일링을 설계할 때에는 인발저항만을 고려하는 방법과 인발저항, 전단저항 및 휨응력을 모두 고려하는 방법이 있다. 그런데 비탈면이 원호활동파괴되는 경우 네일부재의 인발저항은 물론 활동면에서 발생하는 전단저항 및 휨저항까지 고려하여 설계해야 하지만 이에 대한 연구가 부족하여 이들을 고려하여 설계하는 경우가 드물다. 현재까지 진행된 쏘일 네일링에 관한 연구들은 재료, 형상, 시공방법 등의 개선을 통한 인발저항력 증대에 관한 것이 대부분이며, 쏘일 네일링의 전단저항 및 휨저항에 대한 연구가 많이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서 기존 쏘일 네일링에 대해 전단저항 및 휨저항 특성을 분석하였고, 전단저항과 휨저항을 증대시킬 수 있는 새로운 개념의 네일에 대해 실험적으로 전단저항거동을 연구하였다. 본 논문에 적용한 새로운 쏘일 네일은 보강재(이형철근) 외측에 패커를 설치하고 가압 그라우팅하여 확장시키는 개념의 네일이다. 이 같은 새로운 쏘일 네일의 전단저항 특성을 규명하기 위해 주입 및 팽창시험을 실시하여 패커 내측의 팽창성과 외측의 주입율을 확인하여 시공가능성을 확인하였고, 부착강도시험(인발시험)을 실시하여 확장형 패커의 간격에 따른 이형철근과 확장형 패커의 부착강도를 측정하였다. 또한, 실내대형 전단시험을 수행하여 확장형 패커의 간격, 직경에 따른 지반의 전단응력, 네일체에 발생하는 모멘트, 축력, 전단력을 측정하고 일반 쏘일 네일과 비교하여 보강효과를 확인하였으며 토압 측정을 통하여 전단영향권에 대해 분석하였다.

연구결과, 확장형 패커 네일은 일반 네일과 달리 전단응력이 지속적으로 증가하는 경향이 나타났다. 이것은 확장형 패커 외측 그라우트는 전단에 의해 파괴되어 기능을 상실하여도 패커 내측 그라우트는 파괴되지 않고 전단저항력을 발휘하여 그라우트체의 저항력이 증가되기 때문으로 추정된다. 모든 네일의 최대 모멘트는 전단면에서 일정한 거리가 이격된 위치에 나타났으며, 패커 간격이 넓은 확장형 네일의 최대 모멘트는 일반 네일에 비하여 대폭 감소하였고 최대축력 또한 패커 간격이 넓은 확장형 네일은 일반 네일 및 확장형 패커 간격이 좁은 확장형 네일보다 감소된 축력을 나타냈다. 전단력은 확장형 패커간격이 클수록 작고, 넓은 분포범위를 보이며 일반 네일 및 확장형 패커 간격이 좁을때 약간 감소된 값을 나타냈다. 일반 네일 및 간격이 작은 확장형 패커 네일은 전단변위 증가에 따라 전단방향이 변경되는 변곡점이 전단면으로 가까워지는 반면 간격이 넓은 확장형 패커 네일의 경우 전단변위 증가에도 불구하고 변곡점의 변화가 거의 나타나지 않고 확장형 패커의 연성거동에 의해 하중을 지속적으로 저항하고 있음을 알 수 있었다. 부착강도시험 결과 간격이 넓은 패커 네일과 일반 네일은 유사한 부착강도를 나타났으며 간격이 좁은 네일이 부착강도가 작게 나타났다. 따라서, 간격이 넓은 확장형 패커 네일일 경우는 이형철근과 내측 확장형 패커부가 일체거동으로 일반 네일처럼 인발되는 것으로 확인할 수 있었다.

본 연구에 적용한 확장형 패커 쏘일 네일링은 그라우트체가 파괴된 후에도 하중 전이효과가 좋아 연성에 의해 계속 변형이 발생하였고 팩커체로 감싸고 있는 그라우트체와 보강재가 일체화 거동을 하여 전단저항력이 증가하고, 모멘트는 감소함을 알 수 있었다.