스파이럴 볼트 변형률계를 이용한 지반구조물 거동 분석

Abstract

연약지반기초 및 절취 암반사면의 굴착 또는 안정성에 관한 지반공학 문제에서는 구성하고 있는 재료에 대한 물리적 및 역학적 특성은 변형거동 및 붕괴의 예측에 중요한 입력 자료가 된다. 원위치 지반에 대한 변형 거동은 표면의 직접적인 계측으로부터 파악할 수 있지만 대상 지반의 전체적인 거동을 측정하기 위해서는 매설형 변위계나 변형률 게이지를 이용한 측정법이 유익한 방법으로 고려되고 있다. 예를 들면, 크로스암식 침하계를 이용한 성토 내 연직변위 측정법, 레벨을 이용한 지표면의 연직변위 측정법, 시추공 내에 공벽 앵커나 위치 표식자를 매설하는 방법, 관측 시추공에 변형률 게이지를 부착시켜 지반의 변위를 측정하는 방법 등 다양한 관측 방법들이 그 예로 제안되어 사용되고 있다(황정규, 2003). 새로운 형태의 지보재인 스파이럴 볼트란 판상의 강재에 양단면을 고정시킨 후 축회전 시켜 만든 나선형 형태의 지보재로서(Hirata et al., 2003, 2005), 주로 외국의 경우 연약지반의 보강이나 각종 시설물의 독립기초용으로 사용되고 있다. 스파이럴 볼트와 관련한 연구로서 Hirata et al(2003)는 스파이럴 구조체의 그라운드 앵커(Ground anchor)에의 적용에 관한 기초적 검토를 수행하였다. Hirata et al(2003, 2005)과 Haraguchi et al(2006)은 스파이럴 구조체의 그라운드 앵커에의 적용에 관한 성능 시험과 스파이럴 구조체의 그라운드 앵커에의 적용시험을 실시하였다. 또한 Haraguchi et al(2006)은 지반 보강 공법에의 스파이럴바(Spiral bar)의 적용성에 관한 검토를 하였으며, Hirata et al(2003, 2005)은 스파이럴 앵커(Spiral anchor)에 의한 시추공 내의 팽창압의 분포와 인발시험에 의한 스파이럴 볼트(Spiral bolt)와 지반과의 상호작용에 의한 스파이럴 볼트의 축방향 저항력 산정에 대한 연구, 강성승 외(2005)는 새로운 지보재로 개발된 스파이럴바의 축방향 저항력 산정법에 대한 연구를 수행하였고. 강성승 외(2006)는 인장시험에 의한 스파이럴 볼트의 파괴거동에 관한 연구를 수행하였다. 조영동 외(2009)는 록 볼트 및 스파이럴 볼트의 지보특성에 관한 연구, 강성승 외(2010)는 스파이럴 볼트 변형률계를 이용한 연약지반기초 및 암반사면 거동 계측에 대한 연구를 수행하였다. 우리나라는 산업 발전과 함께 도심지 개발로 인한 사면 및 옹벽 구조물이 기하급수적으로 증가 하고 있는 추세이다. 아울러 주변 도로 건설에 따른 도로사면 및 도로 옹벽구조물이 증가 하고 있다. 이에 따른 지반구조물의 증가와 함께 구조물의 붕괴사고 또한 증가하고 있다. 따라서 지반 구조물의 안정성을 위한 구조물의 거동 파악이 중요한 문제이다. 본 연구에서는 기존의 지반 거동 계측기와는 다른 형태의 스파이럴 볼트 변형률계를 제안하고 연약지반 및 암반사면의 거동계측에 적용 가능한지를 살펴보고자 한다. 기존 연구결과에 의하면 스파이럴 볼트 변형률계는 높은 인발 저항특성을 가지고 있어 지반 보강용으로 이용될 수 있으며 구조적 유연성을 가지고 있어 지반의 거동 측정에 유용하다고 보고되고 있다(강성승 외, 2005). 따라서 스파이럴 볼트 변형률계를 이용하면 대상 지반의 보강과 지반의 거동 측정이 함께 이루어지는 효과가 있다. 본 연구를 수행하기 위하여, 첫째 스파이럴 볼트 변형률계의 휨과 압축 특성을 검토하기 위한 실내시험을 실시하였다. 둘째, 스파이럴 볼트 변형률계를 현장의 지반구조물에 직접 적용하여 일정기간 동안 지반의 거동 상태를 측정하고 그 결과를 분석하였다. 셋째, 지반구조물의 거동 양상을 모델화하여 그 안정성을 평가한다. 마지막으로 이들 결과를 바탕으로 스파이럴 볼트 변형률계가 지반구조물의 거동 계측 도구로서 적절하게 이용될 수 있는지의 가능성을 검토 하고자 본 연구를 수행 하였다.|This study is to consider applicability of spiral bolt strain gauge as an instrument measuring behavior of soft ground foundation, rock slope and retaining wall. When the instrument was installed on the ground, it can be useful to identity the state of ground behavior because it has the characteristics of flexibility, as well as to apply the ground reinforcement because it has higher pull-out resistance to the ground. From the measurement of behavior with respect to soft ground foundation, the strain shows a stable state in the beginning, then was observed significant change in the upper and the middle of spiral bolt strain gauge after 400 days. This is analyzed that ground loosening, which is due to occurred frequent earthquake of magnitude 1∼2 with increased rainfall, lead to the instability of the ground. From the measurement of behavior with respect to rock slope, the strain shows a stable state with very little change in a period of 0∼50 days and the biggest strain at 4.2m (P6) in a period of 50∼100 days, then other places except P6 was maintained at a stable state in a period of 100∼160 days. The reason is analyzed because that blasting for excavated limestone surrounding was affected to the largest at P6. From the measurement of behavior with respect to retaining wall, the strains at Site 2 generally show a stable state during measuring period. On the other hand, the strains in case of Site 1 show a unstable state in a period of 20∼40 days and 75∼78 days, then maintain a stable state. The reason is considered that the concrete structure was pulled down during these periods. However, based on the size of strain change by behavior of the soft ground foundation, rock slope and retaining wall, it is considered that the present condition are not effected on stability of these geostructures. In conclusion, the proposed spiral bolt strain gauge can be useful to measure behavior of soft ground foundation, rock slope and retaining wall, and also to be measured behavior geostructures, as well as reinforcement of them.