KR101131766B1 - 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소일네일링공법에 관한 것으로서, 고인성 고강도의 보강섬유를 혼입시키고 이에 따라 물-시멘트비를 조절하여 연성거동을 유도하고 인장저항력을 증대시키며 매트릭스의 국부적인 균열의 생성 및 성장을 억제하는 등의 역학적 성질을 개선한 그라우트재와, 주보강재와 보조보강재가 일체(一體)로 결합된 네일본체를 적용하여 강한 인장강도, 전단 및 휨저항력이 발현되는 소일네일링공법에 관한 것이다.

본 발명은 (a) 지반을 천공하여 천공홀을 형성시키는 단계; (b) 상기 천공홀에 네일본체를 삽입 설치하는 단계; (c) 상기 천공홀 내에, 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~0.5%로 혼입시키고 35~40%의 물-시멘트비로 배합된 그라우트재를 주입하여, 상기 네일본체를 지반에 정착시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법을 제공한다.

소일네일, 그라우트재, 보강섬유, 주보강재, 보조보강재

Description

섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법{Reinforced Matrix Soil-Nailing Method using fiber reinforced cement paste}

본 발명은 소일네일링공법에 관한 것으로서, 고인성 고강도의 보강섬유를 혼입시키고 이에 따라 물-시멘트비를 조절하여 연성거동을 유도하고 인장저항력을 증대시키며 매트릭스의 국부적인 균열의 생성 및 성장을 억제하는 등의 역학적 성질을 개선한 그라우트재와, 주보강재와 보조보강재가 일체(一體)로 결합된 네일본체를 적용하여 강한 인장강도, 전단 및 휨저항력이 발현되는 소일네일링공법에 관한 것이다.

지반보강공사는 철도 및 고속도로공사에서 인접사면을 보강하거나, 지하구조물 및 터널 등과 같은 굴착이 수반되는 토목관련 시설물 축조공사에서 굴착 주변 지반의 붕괴를 방지하기 위한 경우에 수반된다. 소일네일링공법은 보강재를 원지반에 삽입하여 원지반 자체의 전체적인 전단강도를 증대시키고 공사중이나 공사가 끝난 뒤에 예상되는 지반의 변위를 가능한 억제하는 지반보강공법이다. 이와 같은 소 일네일링공법은 사면경사를 급경사로 할 수 있어 토지이용효율을 높일 수 있고, 원지반 자체를 벽체로 이용하기 때문에 안정성이 높은 옹벽을 구축할 있고, 신속성, 단순성, 경제성, 경장비의 사용 면에서 타공법에 비해 유리하다는 장점 때문에 사면보강과 굴착면에 대한 유연한 지반보강공법으로 널리 활용되고 있다.

첨부된 [도 1]은 종래의 소일네일링공법에 따라 지반보강을 완성한 상태단면도로서, 종래에는 지반을 천공하여 형성된 천공홀에 보강재(네일)를 삽입한 후 천공홀 내를 그라우팅하는 방법으로 소일네일링공법을 수행하여 왔다. 이때, 네일 설치간격은 네일의 내력이 미치는 범위를 기준으로 설정하게 되는데, 도 1과 같은 종래의 소일네일링공법은 네일에 그라우트재의 인장강도가 특별히 보강된 것이 아니고, 천공홀 내에 하나의 네일만을 삽입하여 완성되므로 충분한 지반보강효과를 위해서 네일은 비교적 촘촘한 간격으로 설치될 수밖에 없었다. 이러한 문제는 네일 설치량의 증대로 이어져 소일네일링공법의 경제성을 떨어뜨리는 원인으로 작용하였다.

한편, 지반굴착과 같은 연직벽체에 수평에 가까운 각도로 보강된 네일에는 휨 및 전단력의 영향이 전체 안정에 미치는 영향이 10% 미만으로 통상 이를 무시하고 설계해왔다. 그러나, 비탈면에서는 원호파괴거동에 대하여 저항할 수 있도록 인장 및 인발력은 물론 전단 및 휨에 대해서도 충분한 저항력을 발휘할 수 있도록 설계 적용되어야 함에도 기존에는 이에 대한 고려가 충분히 이루어지지 않았다. 실내실험 및 파괴사례를 볼 때 전단변형이 발생함에 따라 상대적으로 강도가 취약한 그라우트체가 파괴되고, 전단면 주변의 주면마찰저항력이 극감하는 과정을 거쳐 비 탈면이 붕괴되는 것으로 판단된다. 이때 그라우트체는 전단면을 경계로 활동지반과 부착된 상태로 보강재와 분리되어 붕괴되는 것으로 보인다.

소일네일 시공에 의해 지반의 전단응력을 보강하기 위한 종래의 방법은 인장재인 네일의 직경을 크게 하거나, 강관 형태의 인장재를 적용하는 등의 방법이 있었다. 그러나 전자의 경우 인장강도는 향상되나 구조적으로 휨이나 전단에 대한 저항력 향상은 크게 기대할 수 없었으며, 후자의 경우는 상당히 비경제적이었다. 따라서, 경제성을 확보하면서 지반 보강효과를 더욱 강하게 하기 위한 수단이 연구되었는 바, 본 발명은 그라우트재의 조성과 네일본체의 구성을 개선하여 위와 같은 문제점을 해소함을 그 목적으로 한다.

1. 보강섬유가 함유된 그라우트재의 적용

소일네일에서의 그라우트재는 보강재(네일본체)가 받는 하중을 지반에 전달하는 역할과 피복재 역할을 한다. 따라서, 지반의 파괴거동에 효과적인 보강력을 발휘하기 위해서는 보강재와 일체거동을 하여야 한다.

종래의 그라우트재는 물과 시멘트가 주를 이루는 시멘트 페이스트로서, 물-시멘트비가 40~50%가 되도록 배합하여 사용해 왔다. 이러한 그라우트재는 일반적인 시멘트 복합체들과 마찬가지로 취성을 띄며, 인장력에 취약한 구조체이다. 따라서, 네일본체에 휨이나 전단력이 발생할 경우 보강재보다 상대적으로 강도가 취약한 그라우트재에 인장균열이 발달하여 취성파괴가 발생하였다.

한편, 최근 보강섬유를 콘크리트에 혼입하여 고인성 콘크리트를 개발하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있으나, 지반보강용 그라우트재에 보강섬유를 혼입시키고자 하는 시도는 이루어진 바 없었다. 본 발명에서는 소일네일링 시공을 위한 그라우트재에 보강섬유를 혼입시켜 그라우트재의 인장강도를 강화하고 균열을 방지하기 위해 보강섬유 혼입률, 적용되는 보강섬유의 종류, 보강섬유 종류에 따른 적정 길이 및 이에 따른 물-시멘트비 등을 연구하였으며, 시공성, 재료분리현상 등을 종합적으로 고려하여 보강섬유(PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상)를 전체 체적대비 0.1~0.5%로 혼입시키고 35~40%의 물-시멘트비로 배합된 그라우트재를 도출해 내었다.

본 발명에서는 물-시멘트비를 35~40%로 관리하고 물과 시멘트에 고인성 고강도의 보강섬유를 적정량 혼입하여 그라우트재의 균열방지 및 인장저항력을 향상시킴으로서 종래의 네일보다 강한 휨, 전단저항력을 발휘할 수 있도록 품질을 개선하였다.

2. 주보강재와 보조보강재가 결합 구성된 네일본체 의 적용

종래의 소일네일링공법에서는 1가닥의 이형철근이 보강재로 사용되었으며, 직경이 큰 이형철근을 적용함으로써 인장저항력을 강화하려는 시도가 이루어져 왔다. 그런데, 이를 통해 인장저항력 강화 효과는 얻을 수 있었으나, 전단이나 휨에 대해서는 큰 효과가 없었다. 한편, 휨강성 면에서는 구조적으로 강관형태의 보강재가 우수하나, 이는 비용면에서 매우 불합리하다.

따라서 본 발명에서는 일반적인 네일본체(이형철근)를 주보강재로 놓고 상기 주보강재 둘레에 보조보강재를 배치하여 이들을 일체(一體)로 결합시킨 네일본체를 구성하여 경제성과 구조적 우수성을 함께 충족시키고자 하였다. 상기 보조보강재로서는 6~8가닥의 철근형부재 또는 망형부재를 적용할 수 있으며, 상기 주보강재와 보조보강재는 스페이서로 결합시킬 수 있다.

본 발명에서는 전단변형 발생시 휨에 대해 저항할 수 있도록 주보강재 주변에 보조보강재를 배치하고 전술한 그라우트재(고인성 고강도 섬유보강 시멘트 페이스트)를 이용하여 보강재 주변부를 충진하도록 하였다. 상기 그라우트재 내에 불규칙하게 분산되어 있는 고인성 고강도의 보강섬유들이 주보강재와 보조보강재, 보조보강재와 보조보강재 사이에서 가교(架橋)역할을 함으로서 종래의 네일체(보강재+그라우트재)보다 강한 인장, 휨, 전단저항력을 발휘할 수 있도록 하였다.

본 발명에 따르면 섬유보강 그라우트재와 네일본체의 일체화에 의해 인장강도, 전단 및 휨저항력이 강화되어 네일 설치간격을 넓힐 수 있으므로 소요자재 및 공사비를 절감하고, 공기(工期)를 단축시킬 수 있으며, 지반 자체의 전체적인 전단강도를 증대시키고, 공사중이나 공사 후 지반의 변위를 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명은 (a) 지반을 천공하여 천공홀을 형성시키는 단계; (b) 상기 천공홀에 네일본체를 삽입 설치하는 단계; (c) 상기 천공홀 내에, 4~10mm 길이로 절단된 PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상의 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~0.5%로 혼입시키고 35~40%의 물-시멘트비로 배합된 그라우트재를 주입하여, 상기 네일본체를 지반에 정착시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법을 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 구체적인 실시예를 각 단계별로 설명하기로 한다.

(a) 지반천공단계

본 단계는 지반을 천공하여 천공홀을 형성시키는 단계이다. 본 발명을 적용하면 천공홀 내에 삽입된 네일본체와 그라우트재의 결합에 의해 강한 인장강도, 전단 및 휨저항력이 발현되므로 종래의 소일네일링공법처럼 천공홀을 매우 촘촘하게 형성시킬 필요는 없다.

(b) 네일삽입단계

본 단계는 상기 천공홀에 네일본체를 삽입 설치하는 단계이다. 이때, 상기 네일본체는 [도 3]의 (a)에 도시된 바와 같이 단일의 주보강재(11)를 적용할 수 있으나, 주보강재와 보조보강재를 일체화시킨 구조로도 구성할 수 있다. 상기 보조보 강재가 철근형 보조보강재(12)인 경우는 상기 주보강재(11) 둘레에 6~8가닥의 철근형 보조보강재를 등간격으로 배치한 상태로 스페이서(30)에 의해 결합시킬 수 있다. [도 3]의 (b)는 6가닥의 철근형 보조보강재(12)를 배치한 실시예이고, [도 3]의 (c)는 8가닥의 철근형 보조보강재(12)를 배치한 실시예이다. [도 2]는 6가닥의 철근형 보조보강재를 결합시킨 실시예의 사시도이다.

한편, 상기 보조보강재로는 [도 3]의 (d)에 도시된 바와 같이 망(網)형 부재를 말아 원통형으로 구성한 망형 보조보강재(13)를 적용할 수 있다. 상기 망형 보조보강재(13) 내부 중심에 주보강재(11)를 배치한 상태에서 스페이서를 매개로 상기 주보강재(11)와 망형 보조보강재(13)가 일체(一體)를 이루도록 결합시킬 수 있다. 상기 망형 보조보강재(13)로는 철망 또는 섬유망을 적용할 수 있다.

상기 스페이서(30)는 주보강재와 보조보강재를 일정 간격으로 결합시키는 용도 이외에 상기 네일본체와 천공홀과의 간격 유지 기능을 수행하도록 구성할 수도 있으며, 이는 네일본체가 천공홀 내에서 어느 한쪽으로 편중되지 않고 설계대로 그 배치상태를 확보 유지토록 하기 위함이다. 상기 스페이서(30)는 여러 가지 형태로 제작될 수 있으므로 본 발명에 적용되는 형태상의 제한은 없다.

(c) 그라우팅단계

본 단계는 상기 천공홀 내에 그라우트재(20)를 주입하여 천공홀 내에 삽입된 네일본체를 지반에 정착시키는 단계이다. 본 발명에 적용되는 그라우트재(20)는 인성을 부여하여 인장강도, 전단 및 휨저항력을 강화시키기 위한 목적으로 개발된 것으로서, 보강섬유를 그라우트재의 전체 체적대비 0.1~0.5%로 혼입시키고 35~40%의 물-시멘트비로 배합된 것이다. 상기 보강섬유로는 PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상을 적용할 수 있는데, 상기 보강섬유의 길이는 4~10mm인 것이 바람직하다. 기존의 그라우트재는 취성거동을 보이는 반면 위와 같이 보강섬유를 혼입시킨 그라우트재는 준취성거동 내지 연성거동을 하며, 인장강도가 우수하게 발현된다. 상기 그라우트재에는 섬유와의 부착특성 개선과 내구성을 위한 포졸란재나 워커빌리티 확보를 위한 감수제, 재료분리 방지를 위한 증점제 등의 혼화제를 필요시 소량 첨가할 수 있다.

이후에는 상기 천공홀로부터 돌출된 상기 네일본체의 두부에 지압판을 채워 정착시켜 마무리하는 과정이 수행된다.

본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면 및 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

도 1은 종래의 소일네일링공법에 따라 지반보강을 완성한 상태의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 네일본체 일 실시예의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따라 시공한 여러 가지 실시예의 횡단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 주보강재 12 : 철근형 보조보강재

13 : 망형 보조보강재

20 : 그라우트재 30 : 스페이서

Claims (5)

1. (a) 지반을 천공하여 천공홀을 형성시키는 단계;

   (b) 상기 천공홀에 네일본체를 삽입 설치하는 단계;

   (c) 상기 천공홀 내에, 4~10mm 길이로 절단된 PVA섬유, 나일론섬유, 탄소섬유, PE섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상의 보강섬유를 전체 체적대비 0.1~0.5%로 혼입시키고 35~40%의 물-시멘트비로 배합된 그라우트재를 주입하여, 상기 네일본체를 지반에 정착시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법.
2. 제1항에서,

   상기 네일본체는 주보강재와 6~8가닥의 철근형 보조보강재로 구성되되, 상기 철근형 보조보강재는 상기 주보강재 둘레에 등간격으로 배치되어 스페이서에 의해 상기 주보강재와 일체(一體)로 결합된 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법.
3. 제1항에서,

   상기 네일본체는 주보강재와 원통형으로 말린 망(網)형 보조보강재로 구성되되, 상기 주보강재는 상기 망형 보조보강재의 내부 중심에 배치되어 스페이서에 의 해 상기 망형 보조보강재와 일체(一體)로 결합된 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 그라우트재를 이용한 강화 매트릭스 소일네일링공법.
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