1. 서 론
앵커공법은 강봉 및 강연선을 인장 보강재로 설치하고 프리스트레스를 긴장력으로 가하는 공법으로 긴장력에 따른 변위 억제효과가 우수해 가장 많이 적용되는 공법이다.
그러나 현재 개발된 앵커공법은 대부분 앵커체와 지반 사이의 마찰저항을 이용하므로 견고한 지반 내에 설치할 필요가 있으며, 그라우트체와 정착지반과의 마찰저항을 기대할 수 없는 경우에는 효과가 저하되어 안정성 확보가 불량하다.
최근 국내에서는 앵커의 정착이 상대적으로 불량한 연약지반에도 적용할 수 있는 확장형 앵커에 대한 연구가 일부 진행되고 있다. Lee(2010) 등은 돌기형 팩앵커를 대상으로 연구하였으나, 앵커 정착부의 세밀한 인발저항 거동보다는 현장 인발시험을 통해 인발특성을 확인하는데 국한되어 있어 돌기형 저항체 설치에 따른 정착부 인발저항 거동에 대한 연구는 미미한 실정이다.
앵커의 확대형태에 따른 인발저항 거동은 Prandtl(1921)의 이론을 적용한 말뚝선단부의 지지력식을 이용하여 산정할 수 있다(Lee, 2016). Lee(2012)은 인발시험을 수행하고 Prandtl 이론을 확장하여 이론식을 제안하였다. 그러나, 앵커 정착부 표면에 설치되는 저항체는 형태가 다양한 3차원 조건이기 때문에 기존 2차원 이론으로는 인발저항을 고려하기 어렵다. 따라서, 3차원 조건을 고려하여 앵커의 인발저항력을 규명하여야 한다.
돌기형 정착체가 부착된 앵커는 정착부와 주변 지반 접촉부의 마찰에 의한 저항력 외에 돌기형 저항체에 의한 수동저항 발휘로 인발저항력을 개선하는 앵커형식이므로, 인발거동 특성을 규명하기 위해서는 마찰저항력과 저항체에 의한 인발저항력을 분리하여 분석할 필요가 있다. 특히 토사지반에 정착되는 앵커는 비교적 큰 변형이 발생하며, 이 경우에는 최대 저항력 보다는 잔류 저항력의 확보가 앵커의 기능유지에 있어 매우 중요한데, 이를 규명하는 연구는 부족한 상황이다.
따라서, 본 연구에서는 정착부 표면에 돌기형 저항체가 설치된 앵커의 인발거동 특성을 시험적으로 규명하고자 하였다. 모형시험은 마찰형 앵커와 돌기형 저항체가 부착된 형태의 앵커 정착부를 모사하여 시험체를 제작하였다. 모형시험은 시험체 표면의 마찰조건, 돌기형 저항체 설치 위치 및 갯수를 변수로 인발시험을 실시하였다. 각 변수에 대한 인발시험 결과를 분석하여 마찰형 앵커와 비교 검토하고, 돌기형 저항체가 설치된 앵커의 인발거동 특성에 대해 연구하였다.
2. 모형시험
2.1 모형시험기
모형 시험은 820(D)×1,000(H)mm 크기의 원형토조에서 수행하였고, 측면부에는 철망(# 100)을 설치하여 마찰조건을 모사하였으며, 상부에는 덮개를 덮어 변형을 구속하였다.
시험체가 설치되는 중앙 하단부에는 인발변위(80mm) 발생시에도 공벽이 유지되어 시험체의 마찰면적이 동일하게 유지되도록 하였다. 모형시험기는 앵커가 설치되는 정착부를 모사하여 제작하였으며, 원형토조와 재하장치로 구성된다.
토조 상부에는 재하대를 설치하고, 재하대 상부에는 중공실린더 및 계측기, 인발용 철근으로 구성하였다(Fig. 1～2).
2.2 모형지반
모형지반은 주문진 표준사를 사용하여 샌드레인(sand rain)방식으로 균질한 지반을 조성하였다. 주름관의 끝에는 강사장치를 설치하고, 일정한 길이의 실과 추를 이용하여 강사높이 0.7m를 유지하였다(Fig. 3).
또한, 일정 강사 높이마다 시료캔을 설치하여 균질한 지반이 조성될 수 있도록 하였다(Fig. 4).
모형지반의 물리적 특성을 파악하기 위하여 입도분포시험(KS F 2301, KS F 2302, KS F 2324), 최대･최소 건조단위중량시험(DIN 18126), 비중시험(KS F 2308) 등의 시험을 수행하고, 직접전단시험(KS F 2343)을 실시하여 역학적 특성을 파악하였다(Fig. 5～6).
시험에서 확인된 모형지반의 물리적, 역학적 특성은 Table 1과 같다.
2.3 시험 앵커체
모형시험에 적용한 시험 앵커체는 지반에 설치된 그라우트체의 정착부를 모사한 것으로 앵커의 천공경을 고려하여 외경(d) 105mm, 높이(h) 1.0m로 제작하고, 강관을 사용하여 동일한 단면형상이 유지되도록 하였다. 강관 표면에는 마찰조건(1/3
, 2/3
, 
)을 구현하기 위해 다른 입도의 샌드페이퍼(#320, #80, #40)를 부착하였다(Hwang, 2015). Fig. 7의 (a)에서와 같이 수동저항체는 120°씩 3방향으로 부착하였으며, 확장이 완료된 상태로 그라우트 외측의 주변지반에 정착되는 상태를 모사하고, 인발방향의 45°로 L형의 판의 형태로 설치하여 수동저항 확보에 유리하도록 하였다. 시험 앵커체에 샌드페이퍼와 수동저항체 설치한 전경은 Fig. 7의 (c)와 같다.
2.4 시험방법 및 변수
모형시험은 앵커형식(마찰형, 확장형), 마찰조건(1/3
, 2/3
, 
), 저항체 개수(1set, 2set, 4set), 높이(0.05d, 0.10d, 0.20d)를 변수로 수행하였다. 시험변수는 Table 2와 같다.
모형지반은 시험 앵커체를 설치한 후 샌드레인(Sand Rain) 방식으로 시료의 낙하높이를 0.7m로 일정하게 유지하면서 상대밀도 70%의 조밀한 지반을 조성하였다. 인발시험은 토조 상부에 설치된 유압잭을 이용하여 상향으로 최대 80mm까지 인발하였으며, 인발변위별 저항력을 실시간 계측하였다. 인발 저항력은 50kN 용량의 로드셀 2개를 이용하여 측정하였으며, 측면부에는 변위 계측을 위해 100mm LVDT를 설치하였다. 모든 데이터는 Tokyo sokki 사의 TDS-302로 계측하였으며, 인발시험 시에는 유압잭을 이용하여 시험체를 일정속도(1mm/min)로 인발하였다. 시험에서 사용한 계측장비의 용량 및 개수는 Table 3과 같다.
3. 모형시험 결과
마찰조건에 따른 앵커의 인발거동 특성을 분석하기 위해 마찰조건을 변화하면서, 마찰형 앵커와 돌기형 저항체가 설치된 앵커에 대해 인발시험을 실시하였다.
인발시험 결과(Fig. 9) 인발저항력은 5mm 이내의 인발 변위에서 급격하게 증가하였으며, 표면 마찰이 증가할수록 초기 기울기가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 6～12mm 변위에서 최대 인발저항력이 발생하였으며, 최대 인발저항력 이후에는 완만하게 감소하는 경향이 나타났다.
모든 시험결과에서 최대인발저항력 이후 감소하는 경향을 보이고 있으며, 돌기형 정착체가 설치된 앵커에서는 마찰형에 비해 인발저항력의 감소폭이 적었고, 최종 잔류 인발 저항력은 훨씬 크게 나타났다.
최대 인발저항력은 마찰형 앵커의 R1(1/3
) 조건을 기준으로 표면 마찰이 증가함에 따라 마찰형 앵커 조건에서 196～387%, 확장형에서 221～532%로 증가하였으며, 잔류 인발저항력은 마찰형 앵커조건에서 48～97%, 확장형 앵커 조건에서 177～301%로 증가하였다(Table 4).
잔류저항력 비율을 분석하면, 마찰형 앵커 조건에서는 48～97%, 확장형 앵커 조건에서 177～301%로 저항체 설치시 잔류인발 저항력 비율이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
다음의 Fig. 10의 (a)는 마찰형 앵커와 확장형 앵커의 최대 인발저항력 및 잔류 인발저항력의 크기를 비교･분석한 것이며, (b)는 저항체가 부담하는 인발저항을 분리하여 나타낸 것으로, 동일한 마찰조건에서 확장형앵커의 저항력에서 마찰형 앵커의 저항력의 차이를 의미한다.
Table 4. Model test result according to friction condition  | |
* Comparison target : ultimate pull-out resistance of friction type anchor | |
저항체의 설치로 인한 인발저항력은 초기 10mm 이내의 변위에서 증가하는 경향을 보이며, 변위 증가시 일정하게 유지되거나, 완만하게 증가하는 경향을 보였다.
저항체의 추가 설치에 따른 인발거동 특성을 분석하기 위해 표면마찰각이 R3(
)인 조건에 대해 저항체의 설치 열수를 변수로 P2(2열-6개), P4(4열-12개)의 경우에 대해 인발시험을 실시하고 이를 비교･분석하였다.
인발저항력 분석결과, 최대 인발저항력은 마찰형 앵커를 기준으로 138～248%, 잔류 인발저항력은 78～174%로 증가하였고, 저항체의 설치 열수가 증가함에 따라 증가폭이 커졌다(Table 5).
저항체를 설치하면 최대 인발저항력 및 잔류 저항력이 증가되며, 인발변위가 증가하는 경우에도 잔류저항력 비율의 확보가 가능하므로 인발저항력을 크게 개선할 수 있는 것으로 나타났다.
Fig. 11의 (a)는 저항체 설치열수에 따른 최대 인발저항력 및 잔류 인발저항력의 크기를 비교･분석한 것이며, (b)는 저항체 설치에 따른 인발저항의 증가분을 나타낸 것이다.
저항체를 설치한 경우에는 초기 5mm 이내의 변위에서 인발저항력이 급격하게 증가하고, 인발 변위 증가에 따라 일정하게 유지되거나, 완만하게 증가하는 경향을 보였다.
저항체의 돌기높이에 따른 인발거동 특성을 확인하기 위해 돌기높이를 0.05d, 0.20d로 변화시켜 인발시험을 수행하여 돌기높이가 0.10d인 RAR3P1 조건과 비교･분석하였다(Fig. 12).
저항체의 돌기높이를 변수로 수행한 시험에서 최대 인발 저항력은 26.51～28.02kN으로 돌기가 설치되지 않은 NAR3P0와 비교할 때 최대 인발저항력은 7.24～8.75kN, 잔류 인발저항력은 8.28～15.86kN 증가하였다.
마찰형 앵커에 비해 돌기가 0.05d(5mm)만 되어도 최대 인발저항력 및 잔류 인발저항력이 대폭 증가하였다. 따라서 약간의 돌기만 있어도 인발저항에 효과적임을 알 수 있다.
돌기 높이를 변수로 분석할 때 최대 인발저항력의 증가효과는 뚜렷한 경향을 보이지 않았으나, 잔류 인발저항력은 13.12～20.70kN으로 0.05d를 기준으로 0.1d 조건에서 114% 증가하였으며, 0.2d 조건에서 158%로 크게 증가하였다(Table 6).
저항체 돌기높이의 증가는 주변지반과 접촉면적의 증가를 의미하며, 이는 결국 잔류저항력 및 잔류저항력 증가의 비율과 높은 상관성이 있는 것으로 분석되었다.
4. 실험결과의 고찰
저항체의 인발저항 효과를 분석하기 위해 마찰형 앵커 R3(
)를 기준으로 모형시험 결과를 종합하면, 돌기형 저항체를 설치함으로 인해 최대 저항력은 138～248%, 잔류 인발저항력은 271～691%로 증가하였다.
따라서, 저항체 설치로 인해 최대 인발저항력 증가보다 잔류 인발저항력의 증가에 매우 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다(Table 7).
저항체의 높이를 변수로 시험한 결과에서는 저항체 높이가 0.2d인 경우에 잔류인발 저항력이 현저하게 증가하였는데, 이는 저항체의 높이가 커서 주변지반의 수동저항에 의한 영향이 컸기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 앵커에 돌기형 저항체를 설치하면, 최대 및 잔류 인발저항력을 증가시킬 수 있음을 확인하였으며, 돌기의 인발저항 거동을 명확하게 규명하기 위해서는 돌기와 주변지반의 수동저항 등에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 마찰형 앵커와 저항체가 설치된 앵커의 인발거동을 규명하고자 모형시험을 수행하였다. 모형시험에서는 정착체의 마찰조건 및 돌기형 저항체의 유무, 설치 열수 및 돌기높이 등의 변수로 인발시험을 실시하고, 각 시험조건별 최대 인발저항력 및 잔류 인발저항력을 분석함으로써 거동의 차이를 확인하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1)표면 마찰조건 변화시험에서는 표면 마찰이 증가할수록 5mm 이내의 변위에서 초기 기울기가 증가하고, 6～12mm에서 최대 인발저항력이 발생한 후 완만하게 감소하는 경향을 보였다. 마찰형 앵커의 R1 (1/3
) 조건을 기준으로 마찰형 앵커 조건에서 최대 196～387%, 잔류 48～97%, 확장형 조건에서 최대 221～532%, 잔류 177～301%로 저항체를 설치하는 확장형앵커에서 현저하게 증가하였다.
(2)저항체 설치로 인한 인발저항 증가율은 R3(
)조건의 마찰형 앵커에 비해 최대 인발저항력 증가율이 38～148%인데 반해, 잔류인발 저항력의 증가률은 171～591%로 매우 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
(3)저항체의 높이에 따른 시험 결과 저항체 설치로 인해 인발저항력이 대폭 증가하였고, 잔류 인발저항력은 0.05d를 기준으로 0.2d인 경우 158%로 현저하게 증가하였는데, 이는 저항체 높이 증가로 인해 주변지반과 수동저항이 발휘되었기 때문인 것으로 판단된다.
(4)상기 결과를 종합하면, 인발저항 확보가 비교적 어려운 토사지반에 확장형 앵커를 적용하는 경우에 돌기형 저항체를 설치하면 최대 및 잔류 인발저항력을 증가시킬 수 있음이 규명되었다. 특히 저항체 설치시 잔류 인발저항력이 확보되는 것은 대변형이 발생하는 토사지반에서도 앵커의 기능유지가 가능함을 나타내는 것으로 그 의미가 매우 크다.
(5)본 연구는 조밀한 모래지반에 돌기형 저항체가 설치된 정착부를 대상으로 실험적으로 연구한 것으로, 실제 앵커가 설치되는 여건(다양한 지반조건, 측압조건 등)에서는 인발저항 거동이 상이할 수 있다. 따라서, 상기 다양한 인자를 고려할 필요가 있으며, 수치해석적 방법을 이용하여 저항체를 설치한 앵커의 거동을 비교･분석하는 등의 추가 연구가 요구된다.
