1. 서 론

쏘일 네일링은 비탈면 붕괴 방지를 위한 보강방안으로 가장 많이 사용되고 있는 공법이다. 네일의 인발 및 전단저항력을 이용한 효율적이고 경제적인 공법이며 비탈면뿐만 아니라 흙막이, 옹벽 등의 보강시에도 사용되고 있다.

Fig. 1.

Reinforcement mechanism of soil nailing (Ortigao, 1995)

쏘일 네일링의 설계법은 인발저항만을 고려하는 설계법과 인발 및 전단저항을 모두 고려하는 설계법이 있다. 흙막이, 옹벽과 같이 하부지점을 힌지로 회전거동을 보일 경우 전단응력의 영향이 적어 인발저항만을 고려하여 설계해도 무방하나 대표적인 비탈면 붕괴양상인 원호활동의 경우 인발저항은 물론 활동면에서 발생하는 전단응력까지 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.

하지만 국내의 비탈면 설계법은 전단응력에 대한 고려가 이루어지고 있지 않고 있다. 이와 마찬가지로 현재 진행되고 있는 쏘일 네일링에 관한 연구들은 재료, 형상, 시공방법 등의 개선을 통한 인발저항력 증대에 관한 내용이 대부분이다. 따라서 쏘일 네일링의 전단저항을 고려한 설계를 위해서는 우선적으로 쏘일 네일링의 전단저항에 대한 연구가 필요하며, 새로운 공법개발이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 쏘일 네일링에 사용되는 보강재(이형철근) 외측에 패커(Packer)를 설치한 후 가압식으로 그라우팅하여 돌기를 형성한 새로운 쏘일네일 공법을 제시하였다. 새로운 네일의 전단거동 분석을 위하여 실대형 전단시험을 실시하고 다양한 지반조건에서의 한계평형해석을 실시하여 기존 일반네일과의 비교･검토를 수행하였다.

시험결과 돌기를 설치한 네일의 전단력이 일반 쏘일 네일링보다 우수한 것으로 확인되었으며, 한계평형해석 결과 비탈면 보강 적용시 경제성 및 안정성 향상이 가능한 것으로 나타났으며 강도정수가 우수한 지반에서 더 효과적인 것으로 확인되었다.

2. 쏘일 네일의 거동특성

2.1 지반과 네일의 상호작용

토류구조물에서 사용되고 있는 강성보강재를 사용한 공법에서 지반과 보강재 사이에는 두 가지 형태의 상호작용이 존재한다. 첫 번째는 변위가 발생하는 동안 네일에서 발휘되는 주변마찰이며, 두 번째는 네일을 따라 발생하는 수동토압이다. 이러한 수동토압은 네일에 휨 모멘트와 전단력을 유발시키며, 네일로 보강된 지반 내에 전단영역이 존재할 때 가능하다. 지반의 전단파괴 시 보강재는 마찰력과 토압에 의하여 지반과 상호작용을 하게 되므로 네일이 부담하는 인장력, 전단력 및 휨모멘트에 대한 종합적인 고려가 필요하게 된다.

지반의 전단파괴시 네일에 발생하는 수동토압은 지반반력계수에 따라 선형적인 형태로 증가하다가 극한토압에 도달하게 된다. 이 극한토압은 한계토압 또는 공내재하시험(PMT)에서의 크립압력와 같은 것으로 간주한다.

네일 보강지반 전단시 인장, 전단, 휨모멘트 발생에 대한 이론적 연구는 탄소성이론을 적용한 Schlosser(1982)와 실험적 연구를 수행한 Marchal(1984)은 다음과 같은 결론을 내렸다.

전단시 네일의 파괴는 파괴면과 네일의 교차점에서 인장･전단에 의하여 일어날 수 있거나 파괴면 바깥쪽에 위치한 최대 휨모멘트 발생지점에서 소성파괴가 일어날 수 있다. 그러나 재료의 성질이 연성인 경우 최대 휨모멘트 발생지점에서 발생하는 소성화(Plasticfication)가 네일의 파괴를 일으키지 않는다.

지반의 수평변위는 수평토압에 제한된다. 이러한 제한 내에서 네일은 최대전단력 발생지점에서 인장･전단에 의한 파괴가 일어날 수 있다.

Fig. 2.

The pullout resistance curve of Frank and Zhao

2.2 지반에 보강된 네일의 거동

2.2.1 지반과 네일의 마찰 거동

마찰은 네일의 전체 길이에서 발생하며 이는 네일 뿐만 아니라 모든 보강재에 있어서 인장력을 유발시키는 중요한 설계변수이다. 말뚝의 경우와 같이 네일에서도 소요 주변마찰력은 매우 적은 상대변위(수 mm이내)에서 발휘된다. Frank와 Zhao(1982)는 2직선(bilinear) 법칙으로 이론적･실험적 결과로 네일두부의 변위에 따른 네일의 인발저항력 상관곡선을 제시하였다.

여기에서, : 극한 단위 면적당 주변마찰력

 : 초기직선의 기울기(/2까지), 두 번째 직선의 기울기는

는 현장인발실험으로부터 구할 수 있으며 또한 Frank의 다음 식에 의하여 구할 수도 있다.

 (1)

여기에서, : 네일의 반경, : PMT계수

 : 지반상태에 따라 적용되는 계수(통상 1～5)

2.2.2 보강재에 작용하는 힘과 모멘트

탄소성론을 바탕으로 네일의 저항력, 흙과 네일의 상호작용에 다한 발휘 및 조합에 관하여 Anthonie(1987)이 제안한 다음의 일반식은 네일자체의 저항기준에 적용하면 편리하다. 보강재가 소성파괴될 때 보강재에 작용하는 인장력과 전단력 및 모멘트()에 관련된 파괴기준이다. 보강재에 작용하는 인장력 은 휨 영역 전 구간에 걸쳐 일정한 것으로 가정한다. 여기서 는 각각 인장, 전단, 휨에 대한 저항력이다.

 (2)

최대 전단력 발생지점에서의 휨모멘트는 0(zero)으로 보고 인장이나 전단에 의한 파괴는 다음과 같은 타원방정식으로 표현이 가능하며, 이는 암반에서 절리를 따라 전단이 진행되는 네일의 거동과 일치한다.

 (3)

지반과 보강재가 상호 탄성거동을 한다고 가정하여 파괴면 내외측면 최대 모멘트 발생위치는 가 된다. 이 지점에서의 전단력의 크기는 0이며 휨모멘트에 의한 재료의 소성파괴에 대한 기준은 다음과 같다.

 (4)

이때 지반의 전단파괴 지점에서 작용하는 전단력은 다음과 같다.

 (5)

2.2.3 네일의 휨저항력

그라우트된 네일은 휨에 대한 저항을 가지고 있다. 모형 및 실축척 실험에서 실시된 네일의 휨저항은 토체내의 전단파괴면 부근에서만 발휘되며, 쏘일 네일 벽체의 변형이 장기간에 걸쳐 조금씩 발생한다면 네일에 작용하는 휨저항 역시 소규모로 천천히 발생한다. 사용수명 동안의 모든 쏘일 네일 구조물에서 전단력, 연직력의 비()의 최대값은 타입식 네일과 저압 그라우트된 네일의 경우에서 그 수치가 매우 낮으므로 무시될 수 있다. 가장 높은 수치는 벽체 상부에서 나타나며, 이는 상부에서 저면으로 연속굴착이 이루어지기 때문이다.

그러나, 파괴면 부근에 전단영역이 발달할 때, 휨 모멘트는 중요한 요소로 작용하며, Fig. 3에서는 이와 같은 사실을 도시화 하고 있다. 네일의 휨각도는 200mm의 전이길이()에 대해서 약 20°정도의 평균값을 갖는다.

Fig. 3.

Bending stiffness around the failure surface (Plumelle et al., 1990)

네일의 휨저항은 극한상태에서 발휘되며, 파괴면을 따라 일어나는 인장력의 원인이 되기도 하지만, 안전성 측면에서 유용한 효과를 발휘한다. 그러나 이러한 사실은 현재 쓰이고 있는 구조물의 설계이론에 고려되지 않는다.

Fig. 4.

The behavior of a pile under horizontal loads

2.3 횡하중을 받는 말뚝과의 유사성

프로젝트 Clouterre에서 벽체의 상부로부터 흙을 부분적으로 포화시킨 후에 네일의 항복파괴를 유도하는 실험을 진행하였다. 재료는 모래를 사용하였으며 파괴면 부근에서 네일의 파단을 유발시켜 쏘일 네일 토체 내측에서 변형이 집중되도록 시험하였다.

발생된 인장력 및 휨모멘트, 전단력을 네일의 휨강성으로 감당하게 되며, 이는 말뚝의 최상부에 수평하중과 휨모멘트가 작용하는 경우와 동일하다. 이 경우 네일의 변형은 말뚝의 변형과 유사하게 취급되며 수평하중을 받는 말뚝 해석시 사용되는 p-y해석법을 이용하여 구한다. 이때 지반은 탄소성 스프링으로 가정하며, 지반반력계수를 이용한다.

축의 직각방향으로 수평력과 모멘트가 작용할 때에 지반의 응력상태는 탄성지반에 대한 보의 휨 이론(theory of beams on elastic foundation)과 힘의 평형조건에서 구할 수 있다.

 (6)

여기에서, : 지반반력계수, : 네일의 직경

 : 네일의 횡변위, : 네일의 축방향 좌표

 : 네일에 작용하는 횡토압

이 방정식의 해는 전이길이( : transfer length)의 개념을 도입하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 (7)

전단영역 양쪽으로 위치한 네일의 길이가 을 초과할 때 네일은 무한히 긴 좌우대칭으로 간주될 수 있는데 이는 토체 내의 휨모멘트가 0(zero)이기 때문이다. 지반반력계수()는 일반적으로 공내재하시험 결과로 얻어지며, 네일의 전이길이는 약 10cm 정도이다. 횡토압에 대한 반력곡선은 선형 탄성단계 성립에 중요한 지표가 되며, 소성단계는 극한 횡토압 에 의해 좌우된다.

Fig. 5.

The shape of a nail under bending moment & shear (Schlosser, 1982)

Fig. 6.

Large scale shear test equipment

3. 대형전단시험

3.1 개요

Fig. 7.

Movement of shear box

Jewell과 Wroth(1987)는 네일의 최대 전단력이 발휘되는 최적방향이 전단면의 법선과 약 30°임을 실험적으로 입증했으며, 이는 토체 내의 최대 팽창방향과 일치하는 경향을 나타냈다. 그러나 본 연구에서는 네일이 부담하는 전단력을 분석하기 위해 전단면의 법선방향으로 삽입된 네일의 거동을 분석하는 것이 우선적으로 필요하다고 판단되어 전단면에 직각인 삽입각도를 갖는 전단시험을 수행하였다.

3.2 시험장치

전단시험을 위하여 네일에 연직방향의 전단력을 재하할 수 있는 시험장치를 제작하였다. 전단상자의 크기는 400mm × 400mm × 2,440mm(폭×높이×길이)이며 전단면에는 그리스를 도포하여 마찰이 발생하지 않도록 하였다. 전단상자는 직선운동만 가능하도록 바닥에 롤러를 설치하여 전단방향 이외의 운동을 배제하였다. 네일의 설치심도를 모사하기 위하여 상재하중을 가할 수 있는 유압실린더(2EA, 300kN)와 전단력을 재하하기 위한 유압실린더(1EA, 300kN)를 설치하였다.

3.3 모형지반

모형지반은 주문진 자연사로 조성하였으며 모형지반의 특성을 파악하기 위하여 입도분포시험(KS F 2301), 최대･최소 건조단위중량시험(DIN 18126), 비중시험(KS F 2343) 등의 기본물성시험과 직접전단시험(KS F 2348)의 역학적 특성시험을 실시하였다. 모형지반의 특성은 아래 표와 같다(Table 1).

Table 1. Property of a model ground

3.4 네일

전단시험에 사용된 네일은 D25(SD35)규격의 이형철근이며, 동일한 강도를 확보하여 그라우트를 제작하였다. 그라우트의 강도는 한국산업표준(KS L 5210)에 규정된 f_ck28 = 21MPa이상 되도록 하였다. 효율적인 연구을 위하여 초속경시멘트(W/C=50%)를 사용하여 양생시간에 따른 일축압축강도시험을 실시하여 21MPa이 확보되는 24시간 후에 전단시험을 진행하였다(Fig. 8, 9).

Fig. 8.

Uniaxial compression test

Fig. 9.

Uniaxial compression strength by curing times

3.5 시험변수

시험변수는 돌기간격과 전단위치로 Fig. 10과 같이 구근부가 전단면에 위치하는 경우와 마디부(돌기와 돌기사이)가 전단면에 위치하는 경우에 대하여 시험을 수행하였다(Table 2).

Fig. 10.

Position of the shear test

Fig. 11.

Production of protruded nails

Table 2. Variables of protrusion type soil nails

3.6 시험방법

네일 내･외측에 그라우팅을 실시하고 동일한 강사고(0.7m)와 강사량을 유지하여 모형지반을 조성한다. 토피고가 일정높이에 도달하면 그라우팅 후 24시간 양생된 네일을 설치하고 모형지반 조성을 완료하고 덮개판 및 상부가이드를 설치한다. 상재하중을 0.1Mpa로 재하한 후 전단시험을 실시한다.

Fig. 12.

Experiment method

Fig. 13.

Shear behavior of nails (Node section)

4. 시험결과분석

4.1 일반네일과 돌기네일의 전단거동특성

동일한 지반조건하에서 상재하중 0.1MPa를 재하한 후 1.0mm/min의 일정한 속도로 전단력을 가하여 다음과 같은 전단력-변위 관계를 그래프로 도시하였다.

시험결과 최대전단력은 돌기네일 구근부 > 돌기네일 마디부 > 일반네일 순으로 나타났다. 일반네일의 경우 변위에 따라 전단력이 증가하다가 항복 후 하중증가 없이 일정하게 수렴하는 결과를 보였다. 이는 일정하중에 도달하였을 때 그라우트체와 네일의 분리현상이 발생되어 네일자체만 하중을 받은 것으로 판단된다. 돌기네일 마디부의 경우 네일과 패커체가 하중을 저항하여 일반네일에 비해 다소 전단력이 향상되었으며, 돌기네일 구근부의 경우 네일, 패커체 및 패커체 내부 그라우트재의 일체화 거동을 통해 전단저항력 증가효과를 확인할 수 있었다.

Fig. 14.

Shear behavior of nails (Protrusion section)

4.2 전단시 네일에 발생하는 전단력

시험결과에서 일반네일의 경우 전단력이 25.25kN으로 나타났으며, 돌기네일 마디부의 경우 25.34∼25.72kN, 돌기네일 구근부의 경우 28.07∼28.57kN으로 확인되었다. 돌기네일의 마디부와 돌기부에서는 뚜렷한 변화가 확인되었으나, 돌기간격에 의한 효과는 미비한 것으로 확인되었다. 돌기네일의 마디부의 경우 일반네일에 비해 다소 향상되거나 비슷한 전단력을 확인할 수 있었다. 이는 돌기가 형성되지 않는 마디부의 경우 일반네일과 동일하게 그라우트체(외측)가 먼저 파괴되고 그 이후 패커체와 보강재만으로 전단에 대해 저항하게 되므로 일반네일과 비슷한 전단력이 나타난 것으로 판단된다. 돌기네일의 구근부는 외측 그라우트체가 파괴된 후에도 패커체로 감싸고 있는 그라우트체와 보강재가 일체화 거동을 하여 전단저항력이 증가된 것으로 사료된다.

도출된 결과의 평균값을 이용, 다양한 토사지반 비탈면조건에서 한계평형해석을 실시하고 안전율을 비교･검토하여 토사비탈면에 대한 적용성을 확인하였다.

Table 3. Maximum shear force

5. 한계평형해석

5.1 한계평형해석 개요 및 제원

본 검토는 일반네일과 돌기네일의 전단력에 따른 안전율을 확인하기 위하여 한계평형해석을 실시하였다. 해석에 이용된 프로그램은 원호, 비원호, Block파괴 해석이 가능한 Slope/w이다. 해석방법은 Bishop의 간편법을 이용하였으며, Mohr-Coulomb의 파괴규준을 적용하였다. 해석대상비탈면은 높이 20m, 1:1.0 구배, 상부비탈면은 경사 5°, 지하수로 포화된 조건을 적용하였다.

네일의 경우 길이 10∼12m, 수평간격은 1m, 보강개수 11개로 가정하고 해석하였다. 본 해석에 사용된 지반은 다양한 토사지반을 모사하기 위해 점착력과 내부마찰각을 변수로 가정하여 적용하였다. 점착력의 경우 0∼20kPa, 내부마찰각의 경우 25∼35° 범위로 해석을 실시하였다.

Fig. 15.

Modeling of the slope

Table 4. Slope model applied to analysis

Table 5. Properties of ground applied to limit equilibrium analysis

5.2 한계평형해석 결과

직접전단시험 결과로 도출된 최대전단력을 이용하여 한계평형해석을 실시하였다. 돌기네일를 적용함에 있어 효율적이고 적합한 지반을 분석하기 위해 다양한 지층조건(c=0, 5, 10, 15, 20kPa, =25, 30, 35°)에서 돌기네일과 일반네일의 안전율을 차이를 확인하였다. 해석결과 전단저항력이 안전율에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. 일반네일에 비해 평균전단력이 0.32kN 증가된 돌기네일 마디부 파괴를 가정하였을 때는 안전율이 0.003∼0.008 증가하였고, 일반네일에 비해 전단력이 3.1kN 증가된 돌기네일 구근부 파괴를 가정하였을 때는 안전율이 0.030∼0.086 증가됨을 확인할 수 있었다.

동일한 네일의 전단력을 적용하더라도 지층조건에 따라 안전율의 차이가 생김을 확인할 수 있었다. 점착력 및 내부마찰각이 증가됨에 따라 안전율의 차이가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 강도정수가 낮은 지반보다는 강도정수가 큰 지반에 적용하였을 때 더 효과적임을 나타낸다.

Fig. 16.

Difference of safety factor by cohesion

Fig. 17.

Difference of safety factor by friction angle

Table 6. Results of limit equilibrium analysis

Table 7. Difference in safety factor according to case

6. 결 론

본 연구에서는 이형철근 외측에 패커를 설치한 후 가압식 그라우팅을 실시하여 돌기를 형성한 네일의 전단거동을 분석하였으며, 시험결과를 바탕으로 다양한 지층조건에서의 돌기네일의 효과를 한계평형해석을 통해 확인하였다.

(1)돌기네일 마디부는 일반네일과 비슷한거나 다소 향상된 전단력을 확인할 수 있었으며 돌기네일 구근부의 경우 일반네일에 비해 전단력이 최대 13.1%로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 돌기가 형성되지 않는 마디부의 경우 일반네일과 동일하게 그라우트체(외측)가 먼저 파괴되고 그 이후 패커체와 보강재만으로 전단에 대해 저항하게 되므로 일반네일과 비슷하거나 다수 증가된 전단력이 나타난 것으로 판단된다. 돌기네일의 구근부는 외측 그라우트체가 파괴된 후에도 패커체로 감싸고 있는 그라우트체와 보강재가 일체화 거동을 하여 전단저항력이 증가된 것으로 사료된다.

(2)전단시험결과 돌기네일 마디부와 구근부 전단력은 최대 3.23kN 차이가 나타나는 것으로 확인되었으며, 돌기간격에 의한 마디부 전단력의 차이는 0.32∼0.38kN, 구근부 전단력의 차이는 0.34∼0.50kN으로 돌기간격에 의한 전단력의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.

(3)한계평형해석 결과 돌기네일 구근부의 경우 일반네일에 비해 안전율이 최대 약 0.1 증가하는 것으로 확인되었다. 따라서 전단시험결과와 종합적으로 분석하였을 때, 돌기네일 구근부의 효과를 극대화하기 위해서는 돌기간격을 증가시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

(4)또한, 다양한 지층조건에서 일반네일과 돌기네일을 적용한 비탈면의 안전율을 확인한 결과, 지반에 강도정수가 증가할수록 돌기네일과 일반네일의 안전율의 차이가 커짐을 확인할 수 있었다. 이는 강도정수가 낮은 지반보다는 강도정수가 큰 지반에 적용하였을 때 더 효과적임을 나타낸다. 현장 적용성 및 안정성 검증을 위해 현장실험을 실시하여 기존 네일과의 비교･검토 연구가 수행되어야 한다.