Tunnel and Underground Space. October 2018. 493-511
https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.5.493


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 이론적 배경

  •   2.1 그라운드 앵커

  •   2.2 그라운드 앵커의 긴장력 손실원인

  •   2.3 그라운드 앵커의 유지관리

  •   2.4 그라운드 앵커의 잔존긴장력 확인방법

  • 3. 앵커 긴장력 상시 육안확인장치 개발

  • 4. 앵커 긴장력 상시 육안확인장치 규격화

  •   4.1 개요

  •   4.2 앵커 인장실험기 설계 및 실험방법

  •   4.3 앵커 인장실험결과

  • 5. 현장시험

  •   5.1 개요

  •   5.2 현장시공

  •   5.3 육안확인장치 적용 및 계측

  • 6. 결 론

1. 서 론

그라운드 앵커는 국내에 도입된 이후 가시설의 일시적인 보강뿐만 아니라 수많은 사회적 인프라 시설의 영구적인 보강과 안정성을 확보하기 위해 사용되어지고 있다. 이미 국토의 대부분이 산지로 형성되어 있는 우리나라는 사회발전과 더불어 1990년대부터 그라운드 앵커의 시공실적이 급격히 증가하였다. 그러나 이미 오래전에 시공된 노후된 앵커들은 변형 및 손상 등과 같은 내구성 문제가 발생하고 있다(KISTEC, 2009). 최근 그라운드 앵커의 설계축력 대비 잔존긴장력 비율은 대부분의 앵커에서 설계축력 미만으로 나타날 뿐만 아니라 설계축력의 50% 미만도 절반 이상으로 보고된다(Korea Expressway Corporation, 2016). 또한 앵커의 긴장력 손실율의 60%가 30일 이내 발생하며, 현장조건에 따른 그라운드 앵커의 긴장력 손실은 초기 긴장력 손실이 크게 나타나고, 시간에 따른 긴장력 손실은 미세하지만 꾸준히 발생하고 있다(Lee & Lee, 2015, Kim, 2017). 이와 같이 그라운드 앵커의 긴장력 손실은 지속적으로 발생하고 있으며, 이는 사회적 인프라 시설의 안정성과 국민의 안전이 심각하게 우려되고 있는 상황이다.

현재 국내에서 그라운드 앵커의 유지관리는 초기점검, 일상점검, 정기점검, 긴급점검, 정밀안전진단 등을 통해 이루어지고 있다. 대부분 앵커두부의 변형・손상 유무를 육안이나 타음을 통해 확인하거나, 앵커에 하중계(Load cell) 설치 또는 리프트오프시험(Lift off load tests)을 통해 앵커의 잔존긴장력을 확인한다(KISTEC, 2009). 하지만 경제적인 측면을 고려하여 전수조사가 아닌 표본조사로 한정적인 수량만 적용하는 등 예산 및 전문인력 부족으로 쉽게 이루어지지 않고 있는 실정이다. 이에 전문인력을 동원하는 정밀안전진단이 아닌 누구나 앵커의 이상 유무를 손쉽게 확인하여 재해 및 구조물 손상을 사전에 대비하기 위한 앵커의 긴장력 모니터링 시스템 개발이 요구된다.

따라서 본 논문에서는 앵커의 잔존긴장력을 육안으로 모니터링 하기 위해 앵커 긴장력 상시 육안확인장치의 개념설계 및 시제품 제작을 실시하였다. 또한 실내 앵커인장실험기를 제작하여 실내실험을 통해 육안확인장치의 규격화를 실시하였고, 현장시험을 통해 그 성능을 검증하였다.

2. 이론적 배경

2.1 그라운드 앵커

그라운드 앵커는 지반에 설치되는 구조로 강재에 도입된 긴장력을 지반에 전달하는 공법이며, 앵커는 Fig. 1과 같이 헤드부, 자유부, 정착부로 구성되어 있다. 헤드부는 정착구로 헤드와 웨지, 지압판 등으로 구성되며, 두부에 가해지는 하중을 지표면 또는 구조물에 전달시키는 역할을 한다. 자유부는 인장재로 쓰이는 강연선 또는 강봉이 시스관에 씌워져 있어 그라우트와 부착이 일어나지 않아 앵커의 긴장력을 정착장에 그대로 전달시키는 역할을 하며, 정착부는 인장재가 그라우트에 노출되어 있고, 그라우트와 지반 사이의 마찰력을 이용하여 지반에 정착시키는 역할을 한다(FHWA, 1999).

또한 그라운드 앵커는 사용목적과 정착형식, 긴장정착방식 등에 따라 분류되는데, 사용목적에 따른 분류의 경우 가설앵커와 영구앵커로 분류된다. 가설앵커란 토류벽, 지반 등의 가시설을 짧은기간 동안 보강하기 위한 앵커로 일반적으로 2년 미만 동안 사용한다. 비교적 짧은 공용기간 때문에 간단한 방식이나 방청으로도 부식의 진행이 적으며, 가설앵커는 공사종료 후 앵커를 제거할 수 있는 제거형 앵커와 공사종료 후에도 앵커를 제거하지 않고 지중에 매설시키는 매설형 앵커로 다시 분류된다. 영구앵커란 비탈면과 구조물의 영구적인 안정을 위해 사용하는 앵커로 공용기간이 가설앵커에 비해 장기적이기 때문에 구조 및 재료, 유지관리 등에 세심한 주의가 필요하다.

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Fig. 1.

Components of ground anchor (FHWA, 1999)

앵커의 정착형식에 따른 분류는 Fig. 2(a)와 같이 마찰형, 지압형, 복합형 앵커로 분류할 수 있다. 마찰형 앵커는 그라우트와 지반의 주면마찰력을 이용해 정착시키는 앵커로 앵커두부에 가해지는 하중이 정착장 그라우트에 전달되는 형태에 따라 인장형과 압축형으로 구분된다. 지압형 앵커는 그라우트와 지반의 지압저항에 의해 정착하는 앵커이며, 복합형 앵커는 마찰형 앵커와 지압형 앵커의 원리가 복합적으로 작용하여 정착되는 앵커이다. 또한 앵커는 Fig. 2(b)와 같이 앵커의 정착구에 따라 쐐기식, 너트식, 쐐기・너트식으로 분류할 수 있다(Ministry of Land, 2009).

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Fig. 2.

Classification of ground anchor (Ministry of Land, 2009)

2.2 그라운드 앵커의 긴장력 손실원인

최근 한국도로공사(2016)는 그라운드 앵커에서의 설계축력 대비 잔존긴장력 비율이 대부분 100% 미만으로 확인되고, 50% 미만도 절반 이상으로 나타난다고 보고한 바 있어 사회적 인프라 시설의 안정성이 우려되고 있는 실정이다. 이에 앵커의 유지관리를 위해서는 변형 및 손상의 발생 요인을 정확히 파악하는 것이 중요하다.

앵커의 긴장력 감소 원인은 지반의 크리프나 긴장재의 릴랙세이션으로 인해 미세하게 감소하며, 지반침하 또는 외력의 변화에 크게 감소하게 된다. 또한 헤드부에서 발생하는 변위가 원인인 비탈면의 표면 요철, 비탈면의 표면 강도, 주면마찰력 감소, 단기변형 등에 의해 감소하게 된다. 비탈면의 표면 요철은 블록과 표면의 공간발생으로 인해 블록의 파괴나 표면 침하가 발생하여 응력집중으로 앵커의 긴장력 감소를 발생시킨다. 또한 비탈면의 표면 강도도 앵커 전면판의 변위를 발생시켜 긴장력 감소의 원인이 되며, 주면마찰력이 감소와 단기변형은 정착장 부근에서 변위가 발생하여 앵커의 긴장력 감소를 유발시킨다.

한국시설안전공단(2009)은 앵커의 변형과 손상, 비탈면과 구조물의 변형의 원인을 크게 1차, 2차, 3차 요인으로 구분하였다. 3차 요인으로는 비탈면 및 구조물의 변위, 동토, 주변 지형의 변화 등이 있고, 2차 요인으로는 외력에 의한 파손, 앵커의 인발 저항력 저하, 구속력 저하 등이 있으며, 1차 요인으로는 두부의 손상, 앵커의 이탈, 파단 등이 있다. 1차 요인으로 인하여 앵커는 두부의 돌출 및 낙하, 비탈면 구조물의 변형 등의 증상이 발생하며, 이로 인해 앵커의 긴장력이 감소하게 된다.

2.3 그라운드 앵커의 유지관리

그라운드 앵커의 유지관리는 예비조사, 초기점검, 정기점검, 일상점검, 긴급점검, 정밀안전진단으로 분류된다. 예비조사는 앵커의 유지관리에 필요한 정보를 수집하기 위해 실시한다. 예비조사 결과 구형앵커일 경우와 과거에 변형 및 손상이 확인된 앵커는 초기점검을 실시하고, 그 외의 경우 일상점검을 실시한다. 일상점검은 육안으로 앵커, 앵커두부 등을 확인하여 이상 유무를 판단하는 점검으로 모든 앵커를 대상으로 실시한다. 일반국도의 경우 통상 1일 1회의 빈도로 점검하며, 앵커의 변형 및 손상이 확인되었을 때는 정기정검을 통해 정밀안전진단 필요여부를 판단한다. 초기점검은 구형앵커 및 변형과 손상의 이력이 있는 앵커를 대상으로 실시한다. 앵커의 두부 및 수압판 등을 대부분 육안으로 점검하며 전수조사를 원칙으로 한다. 정기점검은 적절한 빈도로 더욱 상세한 점검을 하기위해 실시하며, 육안점검, 타음, 계측 등을 통해 안정성을 평가한다. 정기정검 중 육안으로 행하는 점검의 경우 전수조사를 원칙으로 하며, 타음 및 계측의 경우 10% 또는 3본 이상의 앵커를 표본조사로 실시한다. 긴급점검은 지진 등의 긴급상황시 실시하는 점검으로 육안점검을 원칙으로 한다. 비탈면, 구조물, 앵커 등에 변형과 손상이 발견되었을시 긴급대책을 강구해야하며, 안정성의 문제가 의심될 때는 정밀안전진단을 실시해야 한다. 정밀안전진단은 안정성에 문제가 의심되는 앵커를 대상으로 상세한 점검을 실시하는 것으로 사전조사, 계획수립, 방법선정, 결과평가, 기록보존의 체계로 이루어진다. 점검 항목에는 앵커두부 상세조사, 리프트오프시험, 하중계를 이용한 모니터링, 앵커 성능확인 시험 등이 있다. 정밀안전진단의 조사빈도는 한국시설안전공단의 경우 시공완료 후 5년 이내에 1회, 5년 경과 후 2~3년에 1회를 제안하며, 일본 지반공학회의 경우 근접 육안점검은 1~2년에 1회, 근접 상세점검은 3~5년에 1회를 제안한다(KISTEC, 2009). 그 밖의 국외의 정밀안전진단 조사빈도는 Table 1에 상세히 정리하였으며, 정밀안전진단시 수행하는 점검조사의 수량은 Table 2에 정리하였다.

Table 1. Domestic and foreign in-depth inspection (KISTEC, 2009)

DivisionInspection frequency
Korea Infrastructure Safety CorporationOnce within 5 years after construction completion
Once every two or three years when it is especially important or after five years
The Japanese Geotechnical SocietyClose visual inspectionOnce a year or two
Close detailed inspectionOnce every three to five years
FIP
(Federation Internationale
de la precontrainte)
Deformation detection
by corrosion
6 month interval until 3 years after
construction completion
Within 5 years interval
Fluctuation detection
of ground
Initially, 3 to 6 months interval,
after long-term inspection based on results
PTI (Post-Tensioning Institute)Initially, 1 to 3 months interval,
after within 2 months based on results
BS (British Standard)Deformation detection
by corrosion
6 month interval until 3 years after
construction completion
Within 5 years interval
Fluctuation detection of groundInitially, 3 to 6 months interval,
after long-term inspection based on results
Roads and traffic authority
(New south wales)
Expands the interval twice on the basis of first
week until 3 years after construction completion
6 month interval

Table 2. Domestic and foreign anchor monitoring quantity (KISTEC, 2009)

DivisionInspection survey quantity
DomesticDetailed investigation of head20% or more than 5EA
Lift off load tests10% or more than 3EA
Installation of load cell10% or more than 3EA
The Japanese Geotechnical SocietyLess than 50EA10%
Less than 51~100EA7%
More than 100EA5%
FIP (Federation Internationale de la precontrainte)Less than 100EA10% or more than 3EA
More than 100EA5%
BS (British Standard)Less than 100EA10% or more than 3EA
More than 100EA5%

2.4 그라운드 앵커의 잔존긴장력 확인방법

국토해양부(2009)에 의하면 앵커의 긴장력은 도입 후 초기 손실량이 크게 나타나고, 이후 어느정도 수렴하지만 지반의 크리프 등으로 인해 긴장력의 감소는 미세하지만 꾸준히 나타나게 된다. 반대로 토압의 증가, 비탈면 활동, 지반팽창 등에 의해 긴장력이 증가하여 설계축력 이상으로 작용하기도 한다. 이는 긴장재의 파단 등을 유발시켜 사회적 인프라 시설 및 인명피해로 확산시킬 위험성을 지닌다. 이에 국내・외에서는 리프트오프시험 및 하중계 설치로 앵커의 잔존긴장력을 계측하여 긴장재 파단으로 인한 피해를 조기에 예방하고 있다.

하중계를 이용한 잔존긴장력 모니터링 방식은 계측이 쉽고, 긴장력 경시변화가 측정이 가능한 장점을 지니지만 사용년수가 넘은 하중계는 교환이 필요하며, 경제적인 문제로 전수조사가 아닌 표본조사로 수행하는 단점을 지닌다. 가장 일반적으로 사용되는 하중계는 변형률 게이지식 하중계이며, 그 외 차동 트랜스식 하중계, 유압 디스크식 하중계 등이 사용되고 있다. Fig. 3은 변형률 게이지식, 차동 트랜스식, 유압 디스크식 하중계를 그림으로 보여주고 있다.

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Fig. 3.

Type of load cell (Ministry of Land, 2009)

리프트오프시험은 시공되어 있는 앵커의 잔존긴장력을 확인하기 위한 시험으로 시험전경과 평가는 Fig. 4와 같다. 시험순서는 두부캡 제거, 긴장재 로드 설치, 센터홀 잭・변위측정기 설치, 리프트오프 하중계측, 두부캡 복구의 순으로 실시한다. 앵커의 사양이 확인 가능한 경우 계획 최대하중은 설계앵커력의 1.5배, 인장재 항복 긴장력의 90% 이하로 하며, 사양확인이 불가능한 경우 인장재 항복 긴장력의 90% 상한으로 한다. 초기하중은 잔존긴장력이 초기 긴장력보다 낮은 경우가 있으므로 약간 낮게 설정하며, 측정간격은 일반적으로 10~20 kN으로 측정한다. 측정항목은 하중과 긴장재의 두부 변위량이며, 하중-변위 곡선을 작성하여 변곡점의 하중으로 잔존긴장력을 판단한다. 시험결과의 평가는 앵커의 정착시 지반의 크리프와 강재의 릴랙세이션 등을 고려하여 잔존긴장력이 정착시 긴장력의 80% 이상이면 안전하다고 평가한다. 리프트오프시험의 점검조사 수량은 안정성판정으로 정밀안전진단이 필요한 앵커와 그 주위 및 그것을 뺀 본수의 10% 또는 3본 이상인 표본조사로 실시한다(Ministry of Land, 2009).

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Fig. 4.

Lift off load tests (Ministry of Land, 2009)

3. 앵커 긴장력 상시 육안확인장치 개발

앞서 언급한 바와 같이 기존 그라운드 앵커의 잔존긴장력 측정은 하중계를 이용한 모니터링 방식과 리프트오프시험을 통한 하중계측을 통해 이루어졌다. 하지만 이와 같은 잔존긴장력 확인 방법들은 경제성 등의 문제로 인해 전수조사가 아닌 표본조사로 제한되어 점검 결과의 정밀도에 대한 문제점을 지니고 있어 인디게이터나 하중계와 같은 부수장비 없이도 앵커의 잔존긴장력을 확인하여 이상 유무를 쉽게 감지할 수 있는 시스템이 요구된다. 이에 사면, 가시설 등의 시설물에 적용된 앵커의 성능을 육안으로 확인할 수 있고, 전수조사가 가능한 앵커 긴장력 상시 육안확인장치를 제작하였다.

앵커 긴장력 상시 육안확인장치는 Fig. 5와 같이 보호캡, 표시패드, 커버, 측정 샤프트, 변위증폭장치, 탄성반력체로 구성된다. 보호캡은 앵커 헤드의 부식 및 외부에서의 충격 등을 보호하기 위한 장치로 육안확인장치의 부품들을 포함하고 있다. 표시패드는 앵커의 긴장력 손실을 쉽게 알 수 있도록 나타내는 일종의 알림표시이며, 커버는 표시패드와 변위증폭장치를 외부요인으로부터 보호하는 역할을 한다. 측정 샤프트는 앵커에 긴장력을 도입한 직후 탄성반력체와 표시패드의 변위를 영점세팅하기 위한 장치이다. 변위증폭장치란 긴장력 손실에 의해 발생된 탄성반력체와 헤드의 변위를 레버형식으로 증대시켜 표시패드를 노출시키는 역할을 한다. 탄성반력체는 앵커의 헤드와 지압판 사이에 위치하며, 손실된 긴장력에 의해 발생되는 변위를 헤드로 전달시키는 역할을 한다. 이에 탄성반력체의 재료는 앵커의 설계 긴장력에 따른 적정한 하중과 변위 및 복원력을 보유하고 있어야하므로 고하중을 견딜수 있고, 피로수명과 내구성이 우수한 디스크 스프링을 사용하였다. DIN 2093에 따르면, 디스크 스프링은 축하중을 받는 원형 형태의 판 스프링으로 하중 수용력이 우수하고, 공간의 활용도가 좋으며, 직렬과 병렬의 적층 조합으로 다양한 거동특성을 보인다. 2개의 스프링의 병렬방식 적층은 스프링을 정방향으로 쌓아올리는 것으로 하중의 수용은 스프링 개수에 비례하며, 스프링의 변위는 1개의 스프링과 같다. 직렬방식의 적층은 각각의 스프링을 정방향과 반대방향으로 쌓아올리며, 하중의 수용은 1개의 스프링과 같지만 스프링의 변위는 2개의 스프링 변위의 총합이다. 디스크 스프링은 이러한 적층방식을 병용하여 다양한 거동특성을 보인다.

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Fig. 5.

Components of ground anchor tensile force visual confirmation device

앵커 긴장력 상시 육안확인장치의 작동원리는 다음과 같다. 먼저 천공된 지반에 인장재 삽입 및 그라우팅 후 지압판을 설치한다. 그 후 앵커의 손실된 긴장력으로 인해 느슨해지는 앵커 헤드에 변위를 발생시키기 위한 탄성반력체를 설치하고, 헤드 및 웨지를 설치한다. 그리고 유압실린더 및 유압펌프를 사용하여 긴장력 도입으로 인한 탄성반력체에 압축력을 발생시킨다. 설계 긴장력까지 도입 후 육안확인장치가 장착된 보호캡을 설치하고, 탄성반력체의 변위를 초기상태로 설정하기 위한 측정 샤프트의 영점세팅을 실시한다. 이후 설계 긴장력이 손실되면 하중손실에 따른 탄성반력체의 복원으로 변위가 발생하고, 발생된 변위는 앵커헤드로 전달된다. 앵커헤드에 변위가 발생함으로서 영점세팅이 완료된 측정 샤프트와 변위증폭장치로 인해 표시패드가 노출되며, 하중손실이 클수록 표시패드의 노출량도 많아지게 된다. 표시패드의 노출 후 앵커의 잔존긴장력 확인은 육안확인장치의 규격화 실험을 통해 잔존긴장력 대비 표시패드 노출량의 관계식을 도출해 노출량을 육안으로 확인하여 잔존긴장력을 예상할 수 있도록 하였다. Fig. 6은 앵커 긴장력 상시 육안확인장치의 원리를 그림으로 보여주고 있다.

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Fig. 6.

Principle of ground anchor tensile force visual confirmation device

4. 앵커 긴장력 상시 육안확인장치 규격화

4.1 개요

앵커 긴장력 상시 육안확인장치는 긴장력 손실에 의한 앵커의 이상유무의 판단뿐만 아니라 잔존긴장력의 상시 모니터링이 가능한 시스템이다. 이에 탄성반력체의 복원량과 육안확인장치의 표시패드 노출량에 대한 규격화는 추후 표시패드를 통해 잔존긴장력을 확인하는데 있어 매우 중요한 요소이다. 따라서 육안확인장치의 규격화를 위해 앵커 인장실험기를 시작품으로 제작하였으며, 실내 인장실험을 통해 탄성반력체의 복원량과 잔존긴장력 대비 패드 노출량을 비교・분석하였다.

4.2 앵커 인장실험기 설계 및 실험방법

탄성반력체와 육안확인장치의 규격화를 위한 실내 앵커인장실험은 한국산업규격(Korean Industrial Standards)에 규정되어 있지 않다. 이에 앵커 인장실험기를 시작품으로 제작하여 탄성반력체 및 육안확인장치의 규격화를 실시하였다. 인장실험기는 크게 재하대, 하중계, 유압실린더, 변위계, 인디게이터로 구성되어 있으며, 하중계와 유압실린더는 최대 1000 kN의 하중용량을 수용할 수 있도록 제작되었고, 인디게이터를 활용하여 하중과 변위를 쉽게 파악하도록 제작되었다.

실험방법은 재하대 안쪽에 강연선을 삽입한 후 유압실린더 부분에 인장헤드와 웨지를 설치하고 반대편 재하대에 지압판, 탄성반력체, 정착헤드, 웨지를 설치한다. 특히 탄성반력체가 설치되는 부분의 정착헤드는 편심하중을 방지하기 위해 헤드의 밑부분이 탄성반력체의 내경과 맞추어 가이드가 될 수 있게 가공하였다. 이후 탄성반력체가 설치된 헤드부분에 변위계를 설치하고, 유압펌프를 이용하여 강연선에 긴장력을 도입한다. 긴장력 도입이 완료되면 탄성반력체가 설치된 부분에 육안확인장치 보호캡을 설치 후 영점세팅을 실시하고 유압밸브를 서서히 풀어 인위적인 긴장력 손실을 일으킨다. 이후 하중계와 변위계, 인디게이터를 이용해 잔존긴장력과 탄성반력체의 복원량을 측정하여 변위증폭장치에 의한 표시패드 노출량을 확인해 규격화를 실시한다. 실내 앵커 인장실험에 쓰인 디스크 스프링은 Mubea사의 190027, 190028 규격의 스프링을 사용하였으며, 시험하중에 따라 직렬과 병렬 적층을 병용하여 실험하였다. Fig. 7, 8은 실내 앵커 인장실험기의 개요도와 실험기, 실험전경을 그림과 사진으로 보여주고 있으며, Table 3은 실험에 사용된 디스크 스프링의 제원을 표로 보여주고 있다.

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Fig. 7.

Anchor tensile experiment

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Fig. 8.

Method of anchor tensile experiment

Table 3. Specification of disc spring

No.De (mm)Di (mm)t (mm)l0 (mm)h0 (mm)0.75F (kN)
1900272001121417.53.5256.76
1900282001121619.83.8415.73

4.3 앵커 인장실험결과

4.3.1 탄성반력체의 복원량 측정결과

탄성반력체와 육안확인장치 노출량의 규격화에 앞서 앵커 인장실험을 실시하여 탄성반력체의 복원량을 측정하였다. 인장실험시 설계 긴장력은 400 kN~700 kN으로 설정하였으며, 탄성반력체의 허용하중에 따라 단층 및 병렬과 직렬의 조합으로 실험하였다. 400 kN의 경우 규격번호 190027 2개의 병렬조합(Case-1(a))과 190028 단층(Case-1(b)), 190028 2개의 직렬조합(Case-1(c))으로 실험하였고, 500 kN의 경우 190027 2개의 병렬조합(Case-2)으로 실험하였다. 또한 600 kN과 700 kN은 190028 2개의 병렬조합(Case-3, Case-4)으로 실험하였으며, 인장실험 후 탄성반력체의 하중-변위곡선을 통해 하중재하시 변위량과 하중제거시 복원량을 확인하였다.

실험결과, 탄성반력체의 병렬적층의 경우 하중 수용력은 비교적 우수하였으나 최대변위 및 복원량은 미흡한 것으로 나타났다. 초기복원은 설계 긴장력의 약 20~25% 범위에서 발생했으며, 복원량의 크기도 미미하였다. 이는 설계 긴장력 20~25% 범위 미만의 손실에 대한 모니터링을 할 수 없는 한계점을 지니며, 초기복원에 대한 개선이 필요할 것으로 사료된다. 탄성반력체의 적층없이 1개의 디스크 스프링을 사용한 인장실험결과 병렬적층에 비해 변위의 발생량과 복원력이 더 큰 것으로 나타났다. 최대변위는 동일하중에 대한 다른 규격의 병렬조합에 비해 약 1.2배 크게 나타났고, 초기복원의 경우 설계 긴장력의 약 12.5%에서 발생하였다. 그러나 최대변위와 초기복원이 비교적 우수함에도 복원량의 크기는 미미한 것으로 확인되었다. 탄성반력체의 직렬적층의 경우 앞선 병렬적층과 단층의 변위량 및 복원량의 결과보다 비교적 우수한 것으로 나타났다. 최대변위량은 5.61 mm로 동일 하중의 병렬적층과 단층에 비해 2배 이상 나타났으며, 초기복원의 경우 설계 긴장력의 약 2.5%에서 발생하였다. 초기복원시 발생한 변위량은 다소 미미하였지만 하중재하시와 하중제거시 거동은 다른 적층방법에 비해 유사하여 복원에 유리할 것으로 보인다. Fig. 9와 Table 4는 탄성반력체 복원량 측정결과를 그래프와 표로 보여주고 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-05/N0120280507/images/ksrm_28_05_07_F9.jpg
Fig. 9.

Load-Displacement curve of elasticity reaction force device

Table 4. Result of restoration measurement

Tensile force
(kN)
Restoration(mm)
case-1(a)case-1(b)case-1(c)case-2case-3case-4
501.512.334.682.251.652.09
1001.151.933.961.891.411.82
1500.821.473.171.51.171.58
2000.512.411.150.941.34
2500.210.691.790.830.731.15
30000.2710.50.510.92
35000.050.380.220.340.7
4000000.030.140.53
450---00.010.33
500---000.14
550----00.02
600----00
650-----0
700-----0
Maximum displacement2.052.735.612.782.122.52

4.3.2 잔존긴장력 대비 육안확인장치 노출량 측정결과

육안확인장치의 잔존긴장력 상시확인의 가능여부를 검증하기 위해 잔존긴장력과 육안확인장치 표시패드 노출량에 대한 실내실험과 잔존긴장력 대비 육안확인장치의 노출량에 대한 규격화를 실시하였다. 하중제거시 잔존긴장력에 따라 표시패드의 최초 노출량을 측정하였으며, 이후 50 kN의 하중손실 때마다 노출량을 측정하였다.

실험결과, 병렬적층의 경우 긴장력 손실량이 약 50~60%의 범위에서 약 2~3 mm의 표시패드가 최초로 노출되었고, 1개의 탄성반력체를 사용한 경우 57.5%의 긴장력이 손실되었을 때 최초로 5 mm의 표시패드가 노출되었다. 또한 직렬적층의 경우 17.5%의 긴장력 손실시 1.5 mm의 표시패드가 노출되었다. 리프트오프시험과 같이 앵커의 안정상태가 긴장력의 손실이 20% 미만이라고 했을 때의 노출량 측정결과, 직렬적층의 경우에만 긴장력 손실의 20% 미만에서 잔존긴장력의 확인이 가능하였다. 실험결과를 토대로 Fig. 10과 같이 잔존긴장력과 표시패드 노출량의 관계식을 도출하여 규격화를 수행하였다. 다양한 적층방식의 잔존긴장력 대비 표시패드 노출량을 규격화 하였으며, 이는 현장적용시 육안확인장치의 노출량을 통해 잔존긴장력 판단이 가능할 것으로 보인다. 하지만 추후 수차례 반복실험을 통해 표시패드에 잔존긴장력을 눈금으로 표시하여 표시패드 노출량을 보고 잔존긴장력을 한눈에 확인할 수 있도록 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료되며, 잔존긴장력 대비 표시패드의 실험결과는 Table 5에 정리하여 나타내었다.

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Fig. 10.

Result of standardization (Tensile force, Exposure)

Table 5. Result of tensile force and exposure

Tensile force (kN)Exposure (mm)
case-1(a)case-1(b)case-1(c)case-2case-3case-4
0303335323032
5021.52535312130
1001215352415.526
1504.57.535181022.5
20005339.5417
25000203212
3000013007
350000002.5
400000002
450---000
500---000
550----00
600----00
650-----0
700-----0

4.3.3 탄성반력체의 복원량 대비 육안확인장치 노출량 측정결과

육안확인장치의 노출량은 탄성반력체의 복원력과 관계가 깊고, 이에 따른 규격화가 필요하다. 또한 표시패드의 최초 노출시 탄성반력체의 적층방식에 따른 복원량을 파악하여 20%의 긴장력이 손실되었을 때 확보해야할 복원량의 확인이 요구된다. 이에 탄성반력체의 복원량과 육안확인장치 노출량에 대한 실험결과를 비교・분석하였고, 분석결과에 따라 규격화를 수행하였다.

실험결과, 병렬적층의 경우 표시패드가 최초로 노출될 때 복원량의 크기는 평균적으로 0.75mm로 나타났고, 단층의 경우 1mm로 나타났다. 또한 직렬적층의 경우 표시패드가 최초로 노출된 탄성반력체의 복원량은 0.65mm로 확인되었다. 이와 같이 탄성반력체의 복원량이 발생하였을 때 표시패드의 노출량은 1.5~5mm로 미세한 값이지만 20%의 긴장력 손실시 3개의 적층방법의 평균 복원량인 0.8mm 이상은 확보해야할 것으로 판단된다. 이러한 분석결과를 토대로 탄성반력체의 복원량 대비 육안확인장치의 노출량의 관계식을 도출하였다. 이는 추후 현장에서의 표시패드 노출량으로부터 탄성반력체의 복원량을 예상하여 앵커 두부에 발생되는 변위를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 탄성반력체 복원량 대비 표시패드의 노출량의 관계는 다음 Fig. 11과 같이 규격화 하였으며, 실험결과는 Table 6에 정리하여 나타내었다.

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Fig. 11.

Result of standardization (Restoration, Exposure)

Table 6. Result of restoration and exposure

Tensile force
(kN)
Restoration / Exposure (mm/mm)
case-1(a)case-1(b)case-1(c)case-2case-3case-4
02.05 / 302.73 / 335.61 / 352.78 / 322.12 / 302.52 / 32
501.51 / 21.52.33 / 254.68 / 352.25 / 311.65 / 212.09 / 30
1001.15 / 121.93 / 153.96 / 351.89 / 241.41 / 15.51.82 / 26
1500.82 / 4.51.47 / 7.53.17 / 351.5 / 181.17 / 101.58 / 22.5
2000.5 / 01 / 52.41 / 331.15 / 9.50.94 / 41.34 / 17
2500.21 / 00.69 / 01.79 / 200.83 / 30.73 / 21.15 / 12
3000 / 00.27 / 01 / 130.5 / 00.51 / 00.92 / 7
3500 / 00.05 / 00.38 / 00.22 / 00.34 / 00.7 / 2.5
4000 / 00 / 00 / 00.03 / 00.14 / 00.53 / 0
450---0 / 00.01 / 00.33 / 0
500---0 / 00 / 00.14 / 0
550----0 / 00.02 / 0
600----0 / 00 / 0
650-----0 / 0
700-----0 / 0

5. 현장시험

5.1 개요

앵커 긴장력 상시 육안확인장치 시스템의 현장검증을 위해 인근 시공되어 있는 옹벽과 옹벽 상부지반에서의 육안확인장치 시공을 실시하였다. 이에 현장시험 장소에 대한 기초조사로 지반조사를 실시하였으며, 적용될 앵커의 제원을 결정하였다. 또한 잔존긴장력 계측을 위해 하중계를 설치하고, 탄성반력체와 육안확인장치를 설치하여 잔존긴장력 대비 표시패드의 노출량을 확인하였다.

5.2 현장시공

육안확인장치의 적용 전 현장시험 장소의 지반조사와 앵커의 설계 및 시공을 실시하였다. 지반조사 결과, 시공현장의 지반은 3.5 m 심도에서 매립층으로 확인되었으며, 12 m에서는 풍화토, 심도 24 m의 지반은 풍화암으로 조사되었다. 지반조사의 결과에 따라 앵커의 설계축력은 옹벽구간과 옹벽 상부지반구간 모두 400 kN으로 설계하였다. 또한 두 구간 모두 앵커의 길이는 13.5 m로 산정하였고, 정착장과 자유장, 여유장의 길이는 각각 5.5 m, 6.5 m, 1.5 m로 산정하였다. 앵커의 경사는 지반조건에 따라 옹벽구간은 하향 20°, 옹벽 상부지반구간은 수직 90°로 설계하였으며, 각각 3공씩 총 6공의 앵커를 시공하였다. 앵커의 시공절차는 코어천공 및 지반천공을 실시하고, 앵커를 삽입하여 그라우팅을 실시하였다. Fig. 12는 앵커의 시공장면을 사진으로 보여주고 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-05/N0120280507/images/ksrm_28_05_07_F12.jpg
Fig. 12.

Construction of anchor

5.3 육안확인장치 적용 및 계측

현장에 시공된 앵커에 육안확인장치를 적용하여 잔존긴장력 대비 표시패드의 노출량을 확인하기 위해 하중계를 통한 잔존긴장력 계측을 실시하였다. 육안확인장치의 적용단계는 먼저 강연선이 삽입된 구간에 하중계측을 위한 하중계를 설치한다. 이후 지압판을 설치하고, 편심하중이나 스프링이 어긋나지 않도록 가이드하여 탄성반력체와 앵커헤드를 설치한다. 헤드설치 후 유압실린더와 인장헤드를 이용하여 삽입된 앵커를 지반에 정착시킨다. 정착 후 육안확인장치의 보호캡 설치를 위해 강연선의 길이를 알맞게 절단하고, 보호캡을 설치해 영점세팅을 실시한다. 육안확인장치의 설치가 끝나면 초기 긴장력 손실에 대한 하중계측과 표시패드 노출량을 측정하여 실제현장에서 육안확인장치의 적용성을 분석한다. 육안확인장치의 적용과정과 실제 시공된 앵커 6공에 적용된 탄성반력체의 적층 방식은 Fig. 13과 Table 7에 정리하여 나타내었다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-05/N0120280507/images/ksrm_28_05_07_F13.jpg
Fig. 13.

Installation process of visual confirmation device

Table 7. Disc spring specification of field test

DivisionRetaining wall sectionVertical section
case-1case-2case-3case-4case-5case-6
Disc spring No.190028190028190027190027190028190028
amount1EA1EA1EA2EA2EA2EA
Stack---ParallelSeriesSeries

현장계측 결과, 앵커의 정착 후 긴장력은 236kN~350kN의 범위를 보였으며, 설계축력인 400kN에 미치지 못하는 것으로 확인되었다. 이는 긴장력 손실로 인한 표시패드의 노출량을 확인하고자 상대적으로 약한 지반에 시공하여 설계축력에 미치지 못한 것으로 판단된다. 정착 후 7일까지 잔존긴장력과 표시패드의 계측을 실시한 결과, 잔존긴장력은 꾸준히 감소하고 있지만 그 값이 미미하여 표시패드의 노출은 없는 것으로 확인되었다. 또한 탄성반력체의 용량이 400kN이기 때문에 표시패드의 노출량을 확인하기 위해서는 장기적인 계측을 실시해야할 것으로 사료된다. 장기계측을 통해 잔존긴장력과 표시패드의 노출량을 실내실험에서 도출한 규격화 결과와 비교・분석하면 본 논문에서 개발한 앵커 긴장력 상시 육안확인장치의 좀 더 높은 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. Table 8은 앵커의 정착시기부터 7일까지의 잔존긴장력 계측결과를 표로 보여주고 있다.

Table 8. Result of field test

DivisionTensile force(kN)
After tension1day3day7day
Retaining wall sectioncase-1260258253252
case-2238237225220
case-3236236231230
Vertical sectioncase-4330324311306
case-5350342323319
case-6343338305299

6. 결 론

본 논문에서는 그라운드 앵커의 잔존긴장력을 육안으로 모니터링하기 위해 앵커 긴장력 상시 육안확인장치를 개발하였다. 이에 육안확인장치에 대한 개념설계를 수행하고, 실내 인장실험을 통해 규격화를 실시하여 그 결과를 비교・분석하였다. 또한 현장시험을 실시하여 앵커의 잔존긴장력 대비 표시패드의 노출량을 확인하였으며, 그 내용을 요약 정리하면 다음과 같다.

1) 그라운드 앵커의 잔존긴장력을 육안으로 표본조사가 아닌 전수조사가 가능한 앵커 긴장력 상시 육안확인장치에 대한 개념설계를 실시하였다. 육안확인장치의 개념은 탄성반력체를 헤드와 지압판 사이에 설치하여 손실된 긴장력에 따른 탄성반력체의 복원량이 헤드로 전달되고, 그 변위가 증폭되어 표시패드가 노출되는 형식으로 탄성반력체의 복원과 변위증폭장치에 의한 표시패드 노출량이 주된 요소이다.

2) 앵커의 잔존긴장력과 탄성반력체의 복원량에 대한 규격화를 위해 실내 앵커 인장실험을 실시한 결과, 탄성반력체의 단층과 병렬적층의 경우 각각 초기 긴장력의 12.5%, 25%에서 초기 복원량이 확인되었고, 직렬적층의 경우 2.5%에서 초기복원량이 발생해 육안확인장치의 표시패드 노출에 대해 가장 유리한 적층 방식은 직렬적층방식으로 확인되었다.

3) 앵커의 잔존긴장력 대비 육안확인장치의 노출량 측정 결과, 병렬적층은 긴장력 손실량이 50~60% 범위에서 표시패드가 최초로 노출되었고, 단층의 경우 57.5%, 직렬의 경우 17.5% 손실시 패드가 노출되었다. 이에 앵커의 잔존긴장력에 대한 안정 수치인 20% 미만에 들어오는 적층방식은 직렬적층으로 확인되었다. 또한 앵커의 잔존긴장력과 표시패드 노출량의 관계식을 도출하였다. 이는 추후 표시패드의 노출량으로 잔존긴장력을 예상할 수 있을 것이라 판단되지만 수차례 반복실험을 통해 표시패드에 잔존긴장력을 눈금으로 표시하여 한눈에 잔존긴장력을 확인할 수 있도록 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

4) 탄성반력체의 복원량 대비 육안확인장치 노출량 측정결과, 표시패드가 최초로 노출될 때의 복원량의 크기는 병렬적층, 단층, 직렬적층 각각 0.75 mm, 1 mm, 0.65 mm로 나타났다. 이에 20%의 긴장력 손실시 표시패드가 노출되어 육안으로 확인하기 위해서는 0.8 mm 이상의 복원량을 확보해야할 것으로 판단된다. 또한 탄성반력체의 복원량과 표시패드 노출량의 관계식을 도출하였고, 이는 추후 표시패드 노출량으로 탄성반력체의 복원량과 앵커 두부의 변위를 예상할 수 있을 것이라 판단된다.

5) 현장시험 결과, 앵커의 정착 후 긴장력은 236 kN~350 kN으로 측정되었고, 1일, 3일, 7일차의 잔존긴장력 계측시 긴장력은 꾸준히 감소하는 경향을 보였다. 그러나 긴장력 손실치는 미세하여 표시패드의 노출량은 확인이 불가하였다. 또한 설계긴장력을 400 kN으로 설정하여 그에 대응하는 용량의 탄성반력체를 설치함으로서 표시패드의 노출은 장기적인 계측이 필요할 것으로 판단된다.

6) 본 논문에서 개발한 육안확인장치는 지압판과 헤드 사이에 탄성반력체를 설치해야하므로 신설용 앵커에 국한 되어있다. 따라서 추후 운영중인 앵커에 탄성반력체를 설치할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

‘본 연구는 2018년도 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 국토교통기술촉진연구개발사업임(No. 18CTAP-C130246-02).’

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11 

The Japanese Geotechnical Society, 2000, Standard for Design and Construction of Ground Anchors, JGS4101-2000.

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