록볼트, 록앙커 및 소일네일(soil nailing)공법의 모든 것

1. 록볼트

록볼트는 절리가 발달한 비탈면, 전단파쇄대의 블록이 조합되어 쐐기활동이 예상되는 지역, 암반이 뜬 상태로 있어 이를 기반암에 고정시키거나 평면파괴가 우려 되는 지역에 강봉을 견고한 암반에 장착시켜 암반의 전단강도를 증가시키는 보강공법

 

록볼트의 작용 효과는 부재의 전단강도나 원지반과의 인발저항에 의한 직접적인 원지반의 보강뿐만 아니라 간접적으로 원지반의 물성을 강화하는 효과도 있다. 록볼트는 부식하기 쉽고, 강산성 토양 지반이나 변전소 부근 등 지중으로 흐르는 전류가 발 생하기 쉬운 곳에서의 사용은 피한다.

​록볼트공은 일반적으로 암반 보강 기구에 의한 분류에서는 ① 접속식, ② 전면 접착식, ③ ① 및 ②의 병용식으로 나뉜다. 비탈면에 사용하는 경우는 전면 시멘트 접착형이나 전면 수 지 접착형 등의 접착제를 사용하는 것이 광범위한 토질에 적용할 수 있다.

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전면접착식 록볼트

록볼트를 사용하는 경우에는 비탈면 표면의 얕은 위치에 견고한 암반이 존재해야 한다. 록볼트의 정착력을 정확히 추정하는 것은 곤란한 경우가 많기 때문에 사전에 인발시험을 실 시하여 정착 범위를 확인하여 두는 것이 중요하다. 록볼트는 보강이 필요한 부분의 상태 또는 규모에 따라 보강되는 부분의 안정성이 확보되도 록 랜덤볼트 또는 패턴볼트형식으로 설계한다.

​록볼트는 현장용접이나 이음재를 이용하여 연결되는 부분이 최소가 되도록 한다. 지반조건이 록볼트의 적용에 적합하지 않을 경우에는 가급적 적용하지 않아야 하며, 적용 시에는 각각의 적용 제한조건에 대한 보완방안을 고려한 후에 적용해야 한다. 비탈면 록볼트공의 설계 예를 다음 그림에 제시한다.

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비탈면 록볼트공의 설계 예

 

2. 앵커

앵커는 비탈면의 예상파괴면 위에 위치하는 파괴토체를 파괴범위 밖에 미리 설정한 앵커체를 인장 장착시켜 비탈면에 소정의 인위적 하중을 지반에 전달하여 활동면의 연직응력을 증가시킴으로서 전단저항력을 증가시키는 공법

 

1) 어스앵커공법의 개요

지중에 매설된 인장재의 선단부에 앵커체를 만들고 그것을 인장재와 앵커두부로 연결된 것을 어스앵커라 하며 앵커의 인장재에 가해지는 인장력을 앵커체를 통해 지중으로 전달시켜 흙막이 벽체를 지지하는 공법

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2) 어스앵커의 구성

1) 앵커두부 : 흙막이 구조물에 작용하는 횡방향 토압을 인장부에 무리없이 인장력으로서 전달시키는 부분으로서 두부에는 4개의 쐐기와 결합하는데 쐐기에는 내부에 탭을 만들어 강선을 붙잡아 두게 됨.

2) 자유부 : 인장력을 도입하기 위해 주변 부착강도가 없도록 설치하는 부분으로서 강연선을 이용하기 위해서는 필수적임.

3) 정착부 : 자유부에 전달된 앵커력을 지반에 정착시키기 위한 부분.

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3) 공법의 장,단점

(1) 장 점

STRUT공법에 비하여 작업공간을 넓게 할 수 있음.

평면 형상이 복잡하고 경사지반에서도 시공이 가능함.

편토압을 받는 지반조건에서도 적용이 가능함.

앵커에 Prestress 주기 때문에 벽체 변위와 인접지반침하 최소화 가능.

지하구조물 바닥과 기둥의 위치에 상관없이 앵커설치 가능.

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(2) 단 점

대수층 천공시 지하수 유입 가능.

인접구조물과 지하매설물등에 제약이 있음.

연약지반에서는 적용이 불가능함.

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4) 어스앵커의 지지방식

1) 마찰형 지지방식 : 앵커의 주면과 흙의 전단저항에 따라 내력을 기대하는 방식으로서 앵커체가 지반과의 접촉면에 내력을 저하시키지 않도록 그라우트재를 가압하여 주입하는 방식.

2) 지압형 지지방식 : 앵커체 선단부를 국부적으로 크게 뚫고 Plate와 기타재료를 덧붙여 불룩하게 하여 흙의 수동저항에 따라서 내력을 기대하는 방식.

3) 복합형 지지방식 : 마찰형 + 지압형 혼합방식.

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5) 어스앵커의 분류

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6) 어스앵커 설계서 중요검토사항

(1) 자유장 및 정착장은 최소 4.5m이상으로 결정하여야 함.

(2) 앵커체 간격은 4D(D:앵커체 직경)이상으로 하고 최소토피는 토사 5m, 암반 1.5m

이상으로 하여야 함.

(3) 자유장은 토층의 파괴면을 그 층의 내부마찰각에 따라 파괴각을 45°+Φ/2로 가정 한 후 어스앵커의 자유장이 파괴면밖에 위치하는지 검토하여야 함.

여기서 계산상의 여유장은 굴착깊이를 H라고 하면 0.15H로 하며, 최소 1.5m이상

이어야 함.

(4) 정착길이는 10m이하로 결정하여야 함.

① 앵커에 인발력이 작용할 시 앵커체 표면에 발생하는 마찰응력분포는 인발력 의 증가에 따라 다음그림과 같이 변화함.

즉, 지표면에 가까운 앵커체에서부터 마찰응력이 지반의 마찰강도(전단강도)를 초과해서 지반이 파괴되고 점차 진행성파괴단계를 거쳐 선단부로 이동하게 됨.

② 앵커체정착길이가 10m이상되면 극한인발력의 증가가 없게됨.

③ 따라서 정착장은 10m이하로 하고 10m이상이 되는 경우는 앵커간격 축소, 앵 커체 직경확대, 지반보강등으로 보강하여야 함.

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(5) Jacking Force 결정

① 긴장력은 인장이 도입된 앵커가 어떤 원인에 의하여 인장력이 감소하게 되는 데, 이 감소된 인장력을 고려하여 실제축력보다 크게 적용하는 것임.

② Prestress 감소는 가설인 경우 정착장치에 의한 감소, 인장재 이완(Relaxation)

에 의한 감소이며, 영구앵커인 경우 Creep에 의한 감소, 쉬스관과 강재의 마 찰에 의한 감소를 추가하여야 함.

③ 실제 Jacking Force 결정 예

- 설계축력 : 8.4ton

- 정착장치에 의한 손실 : 3.38ton

- Relaxation에 의한 손실 : 0.42ton

- Jacking Force : 8.4 + 3.38 + 0.42 = 12.2ton ⇒ 13ton적용

 

3. 앵커 재긴장

기 시공된 비탈면 앵커의 현황을 조사하고, 잔존긴장력이 부족한 비탈면 앵커의 재긴장을 통해 적정 기능을 확보

 

최초로 설치되는 앵커와 지층이 변화된 개소에서는 인장시험 또는 확인시험으로 안정성을 확인한 이후에 긴장하여야 하며, 사용 중에는 정확도를 검사하여 실시하여야 한다. 한 개의 앵커에 있는 개개의 강선을 개개의 긴장기로 동시에 긴장하여야 하며, 강선을 각각 긴장하여서는 안 된다. PC강선의 긴장 시기는 그라우트를 완료하고 설계도면에 명시된 강도를 확인한 후에 실시하며, 그라우팅 후 지반에 따라 1~3일 이전에 긴장하여서는 안 된다.

앵커머리의 면과 PC강선은 수직을 유지하여 편심에 의한 강선 파단이 없도록 하여야 한다. 긴장 시에는 긴장력에 따른 신장량을 소정의 양식에 의하여 기록한 후 공사감독자에게 제출하여야 한다. 긴장 시에는 띠장의 손상 발생 여부와 배면지반의 이완여부 및 주변 앵커상태를 관찰하여야 한다.

긴장력의 측정에 사용하는 계기는 공인시험기관에서 검,교정을 받은 장비이어야 한다. 정착은 적합한 긴장용 잭을 사용하여 인장재의 공칭파단하중 이상의 정착내력을 발휘할 수 있는 쐐기정착방식 또는 너트정착방식을 사용하여야 한다. 정착시킨 후의 앵커는 정착부의 상태, 벽체의 변형 등을 관찰하여야 하며, 계측 도면에 지정된 앵커는 흙막이 해체 시까지 긴장력을 계측하여야 한다.

점성토 지반이나 느슨한 사질토 지반에서는 흙막이 앵커의 긴장력이 감소되는 것에 대비하여 재긴장할 수 있는 여유길이를 남겨두어야 한다. 정착부의 해체는 공사시방서에 따르며, 급격히 긴장력을 푸는 것을 피하여야 한다. 

재긴장 주의사항

- 두부와 정착구의 설치는 그라우트등에 의해 이물질이 묻지 않도록 하며, 시공순 서에 따라 정확하게 시공하는지 확인할 것.

- 긴장은 긴장재의 종류에 적합한 JACK으로 행하여야 하며, 설계도서에 표시한 긴장력으로 정착하여야 함. 또 한 개의 앵커에 있는 여러강선을 동시에 긴장해 야 하며 강선을 각각 긴장해서는 안됨.

- PS강선의 긴장시기는 그라우트를 완료하고 설계도서에 명시된 강도를 확인한 후 실시하여야 함.

- 앵커두부면과 PS강선은 수직을 유지하며 편심에 의한 강선파단이 없도록 주의 하여 긴장하여야 함.

- 인장잭의 하중계등 계기는 사전에 공인시험기관에서 검․교정을 실시하여 정확 한 하중을 측정할 수 있도록 하여야 함.

- 긴장측정기의 압력 및 신장량은 앵커긴장보고서에 반드시 기록하여야 함.

- 앵커두부의 정착은 설계도서에 표시된 정착구에 의하여 정착긴장력이 유지되도 록 정확히 정착시켜야 함.

- 긴장시에는 긴장력에 따른 신장량을 기록하며 긴장도중 지반의 이완여부 및 주 변 앵커상태를 관찰하여야 함.

- 정착은 적합한 인장잭을 사용하여 긴장재의 공칭 파단하중 이상의 정착내력을 발휘할 수 있는 쐐기정착방식 또는 너트정착방식을 사용해야 함.

- 정착후 앵커는 도입된 긴장력과 벽체의 변형등을 흙막이 해체시까지 계측을 하 여 긴장력의 변화를 관찰하여야 함.

- 점성토지반이나 느슨한 사질토지반에서는 앵커의 재긴장 또는 긴장력 저하에 대 비하여 긴장력 조정이 가능한 정착 두부구조를 가진 앵커를 사용하고 재긴장할 수 있는 여유길이와 재긴장장치를 두는지 확인할 것.

긴장력 개선방안

​⊙ 그라우트 긴장 품질관리 개선 → 일축압축시험 실시 후 최소 27Mpa 강도가 확보되는 시점에서 긴장(Prestress) 시행

​⊙ 지반 크리프 손실량(침하)등을 반영한 정착하중 개선 → 당초에는 설계하중+쐐기정착 손실량(세트량)+강연선 릴렉세이션 손실량에서 추가적으로 지반 크리프 손실량 추가

​⊙ 쐐기 교체 가능한 재긴장 방식 적용 → 다양한 원인으로 인한 긴장력 저하시 쐐기 교체가 가능하 도록 강연선에 재긴장 여유장(최소 15cm)을 적용

⊙ 지반앵커 연속시공 지양 → 앵커 연속 시공으로 인한 지반부 변형, 근접앵커의 영행으로 앵커 시공순서 결정, 감독원 승인 후 시공

⊙ 앵커헤드 방쳥유 품질관리 기준 제시 → KS 규격 일반용 그리스 2종(2, 3호)을 생산일로부터 2년 이내, 개봉후 1년 이내 사용... 헤드, 웻지, 경계부 강연선(헤드부로부터 최소 3cm 이상)까지 방청유 완전 충전, 강연선 여유장 구간(15cm)은 방청유 피복

 

4. 소일네일

소일네일은 금속재(철근,강봉), 합성섬유보강제 등의 보강재를 비교적 촘촘한 간격(3,5m 이내)으로 가상파괴면 보다 깊게 원지반에 삽입하여 원지반의 전체적인 전단강도를 증대시켜 예상되는 지반의 변형을 억제하는 공법

 

소일네일링 공법은 쇼크리트(shotcrete)와 락볼트(rock bolt)를 이용하여 터널을 굴착하는 NATM공법에서 유래된 원지반 보강 공법(insitu reinforcement of soil)으로, ​1960년대초 터널 굴착 공법인 NATM공법의 기본개념이 암반지반뿐 아니라 토사지반에도 적용 될 수 있다는 착안에서 출발한 것이며, 굴착면에 대한 지지와 안정성 확보를 목적으로 개발된 것이라 한다.

소일 네일링이 영구벽체로 이용된 것은 1976년 독일 stuttgart시의 이암층 지반의 높이 14m 벽체에 사용되었던 것이 처음이며, 국내에서는 `대구 동아일보 사옥 신축 공사`에서 20m의 지하 흙막이 가설벽체에 최초로 적용되었다.

소일네일링(soil nailing)이란?

​소일네일링공법은 지반에 보강재(철근)을 삽입하여 흙과 보강재 사이의 마찰력, 보강재의 인장응력과 전단응력등에 대한 저항력으로 흙과 Nail의 일체화 및 지반안정 공법을 말한다. 이공법은 작업공간 확보가 용이하고 인접건물 및 지하매설물이 위치한 곳에서 근접시공 가능한 장점이 있다.​​

​소일네일링 용도/목적

1) 굴착면의 안정

​2) 사면 안정 및 보강

​3) 터널의 지보체계

​4) 옹벽구조물 및 기존 옹벽의 보강

​5) 인접구조물의 보강 등

 

<소일네일링 공법 특징>

1) 지반 자체를 벽체로 이용하기 때문에 안정성이 높은 옹벽을 구축할 수 있다. ​

​2) 소형기계로도 시공이 가능하기 때문에 좁은 장소나 험준한 지형에서 효과적이다. ​

​3) 지반조건이 변화하더라도 시공패턴을 변경하여 유연하게 대응할 수 있다.

​4) 시공방법이 간편하고 작업시 소음·진동이 적다. ​

​5) 절토를 수반하는 시공에서 사면 구배를 정하여 굴착량을 줄일 수 있으므로 경제성을 높임과 동시에 환경도 보전할 수 있다.

​6) 용도에 따라 각종 표면방호공을 선정할 수 있기 때문에 경관을 고려한 벽면을 형성할 수 있다.​

 

​<적용가능지반 조건>

1) 절토를 수반하는 경우

​2) 지반의 자립 높이가 1m 이상인 것 ​

​3) 지하수위 이상인 것 각 단의 시공시에 숏크리트를 하기까지 일시적으로 지반이 자립하여야 하므로 사질토에서는 N〉5, 점성토에서는 N〉3 정도의 지반강도가 필요하다.

​4) 암반의 경우는 붕괴 형태의 차이에 따라 안정계산 방법이 다르니 유의.

1) 설계순서​

​기본조건 확인 - 설계조건 설정(토질정수/단면현상/상재하중 등) - 네일배치 및 네일각 결정 - 안정계산에 의한 네일장 산출 - 네일장 결정검토 - 철근직경 검토 순

​2) 내적안정검토​

​네일로 보강된 의사구조체 안에 붕괴면을 상정하고 이 붕괴면 상부의 토괴에 작용하는 힘을 산출하여 이 힘의 균형으로 안정을 검토한다. 그림과 같이 토괴 ABCD 의 자중 W, 상재하중 q, 토괴에 작용하는 토압 Ea, 활동(滑動)면 AB 에 작용하는 점착력 c·l 및 반력 Q 의 합력 Z e 와 여기에 저항하는 활동면을 초과하여 타설된 네일의 축력 ΣTmi * li 과 비교하여 안정을 체크한다. 

​토괴에 작용하는 힘은 내부마찰각, 점착력, 네일의 마찰저항력, 재하 사하중 및 활하중을 각각의 부분 안전율에서 처리한 값으로 계산하고 아래의 식을 만족시키도록 네일의 길이를 결정한다.

​ ΣTmi * li > Ze​

​여기에서 부분 안전율이란 신뢰성 설계이론을 기초로 각 수치의 편차를 통계적으로 처리하여 구한 안전율로서, 파괴가 일어날 확률이 건설시(네일 설치 전)에는 1 x 10^-5, 최종시(네일 설치후)에는 1 x 10^-6 인 안전율에 상당하고 있다. 계산은 각 굴착단계마다 가상 활동면을 다양하게 변화(5° 간격으로 12 케이스 정도)시켜 필요한 네일장을 산출한다.

​* 안전율은 시공중, 완료시에 따라 다르며 1.2~2정도 값을 가짐.​

​3) 외적안전검토​

​내적안정을 체크하여 설정된 의사 구조체에서 활동, 전도, 지지력 등을 검토하여 각각의 안정을체크한다. 계산이 OUT 되었을 경우에는 네일장을 연장시킴으로써 의사구조체를 넓혀 다시 안정계산을 반복한다. ​​

​참고 :  Earth anchor와 타공법과의 비교 

 

참고 : 유의사항

소일 네일링 공법은 별도의 인장없이 nail과 지층과의 마찰력만으로 중력식 옹벽처럼 토압에 저항하므로 네일의 시공 깊이가 부족하면 계산된 중력을 발휘할 수 없을 위험이 존재한다.​

​그라운드 앵커와 같이 띠장 전체를 헤체하지 않어도 되지만 합벽 시공을 위하여 벽면 앞으로 돌출된 네일을 일일이 절단해야 하는 번거로움이 발생할수 있다.​

​합벽 두께를 고려하여 네일의 내민 길이를 최소화 하여야 한다. 벽면을 정리할 때 과다하게 굴토하면 쇼크리트 타설시 굴토량 만큼 추가로 쇼크리트를 더 타설해야 하는 손실발생 우려가 있다. 쇼크리트 타설 후 두께를 관리하기가 어렵다.

​타설 전에 매입되는 네일에 예상 두께 위치를 표시하여두면 편리하다.

​누수현상에 대비 통수관(weep hole)을 누수현상이 많은 곳을 찾아 통수관을 먼저 설치하고 쇼크리트를 타설한다.

 

----  잘 보셨으면  "좋아요" 부탁해요?  010-3816-1998. 감사함다. -----

 

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