1. 서 론
2. 수평 지보재 대체 앵커
2.1 수평 지보재 대체 앵커의 개요
2.2 수평 지보재 대체 앵커의 구성 및 하중전달
3. 앵커의 하중전달 특성 분석
3.1 해석 개요
3.2 하중전달 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 도심지에서는 재개발과 지하공간 활용 확대에 따라 제한된 부지 내에서 굴착공사를 수행하는 사례가 증가하고 있다. 도심지 굴착공사는 인접 구조물, 지중 매설물, 부지 경계 및 작업 공간의 제약을 동시에 고려해야 하므로, 흙막이 구조물의 안정성뿐만 아니라 지보 시스템의 시공성 및 하중전달 특성에 대한 검토가 중요하다. 특히 굴착 과정에서 발생하는 토압과 지반 변형은 벽체 수평변위, 배면 지표침하 및 인접 구조물 손상으로 이어질 수 있으므로, 굴착 조건에 적합한 지보 방식의 선정이 필요하다(Clough and O’Rourke, 1990).
가시설 흙막이 구조물에는 일반적으로 수평 지보재 또는 어스앵커가 적용된다. 수평 지보재는 흙막이 벽체를 직접 지지할 수 있어 안정성 확보에 유리하지만, 굴착 내부 공간을 점유하여 장비 운용 및 후속 구조물 시공에 간섭을 유발할 수 있다. 반면 어스앵커는 내부 공간 점유가 적으나, 도심지에서는 인접 구조물 기초, 지중 매설물 및 부지 경계 조건으로 인해 적용이 제한될 수 있다(Oh and Jo, 2004; Lim et al., 2009; Shin et al., 2023).
이러한 한계를 보완하기 위한 방안으로 브라켓과 내하체 앵커를 이용한 수평 지보재 대체 앵커가 제안되고 있다. 해당 앵커는 가이드 브라켓을 통해 인장재의 방향을 전환하고, 도입된 인장력을 띠장과 정착체로 전달한다. 일반적인 앵커식 흙막이에서는 앵커 두부가 흙막이 말뚝 또는 띠장에 직접 연결되는 반면, 수평 지보재 대체 앵커는 띠장형 가이드 브라켓을 통해 띠장 중앙부에 하중을 전달하는 구조적 특징을 가진다.
기존 연구에서는 앵커의 하중전달 거동을 규명하기 위한 연구가 수행되어 왔다. Kim et al.(2007)은 3차원 유한요소모델을 이용하여 인장형 및 압축형 앵커의 하중전달 특성을 분석하였으며, Jeong et al.(2017)은 풍화토 지반에 설치된 인장형 앵커의 정착부 주면마찰응력 분포와 하중전달 거동을 수치해석적으로 검토하였다. 기존 연구는 주로 정착부와 주변 지반 사이의 주면마찰 및 인발저항 특성을 중심으로 수행되어 왔으므로, 가이드 브라켓을 통해 인장재의 방향이 전환되는 수평 지보재 대체 앵커에 대해서는 연결부의 접촉 및 마찰거동과 구간별 하중전달 특성을 추가로 검토할 필요가 있다.
이에 본 연구에서는 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 경로를 연결부, 가이드 접촉부, 자유장 및 정착장으로 구분하고, 각 위치에서 발생하는 축력 변화를 분석하였다. 특히 강선과 가이드 강판 사이의 접촉 및 마찰거동을 수치해석에 반영하여 앵커 설치각과 원통형 가이드 돌출길이에 따른 방향전환부의 하중손실과 축력 재분배 특성을 평가하였다. 또한 지반조건, 긴장력(jacking force), 엄지말뚝 중심간격, 자유장 및 정착장 길이를 주요 해석변수로 설정하여 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 특성과 주요 영향인자를 구명하고자 하였다.
2. 수평 지보재 대체 앵커
2.1 수평 지보재 대체 앵커의 개요
수평 지보재와 어스앵커는 도심지 굴착공사에서 널리 활용되는 대표적인 흙막이 지보 방식이다. 그러나 두 공법은 적용 조건에 따라 각각의 한계를 가진다. 수평 지보재는 굴착 내부 공간을 점유하므로 장비 운용 및 후속 공정에 간섭을 유발할 수 있으며, 반복적인 설치로 인한 공정 지연, 장지간 조건에서의 좌굴 가능성, 띠장부의 모멘트 집중 등에 대한 구조적 검토가 필요하다. 반면 어스앵커는 굴착 내부 공간 점유가 적어 시공 효율성이 높다는 장점이 있으나, 정착장이 부지 외부로 확장될 수 있어 도심지와 같이 협소한 부지에서는 적용이 제한될 수 있다.
수평 지보재 대체 앵커는 이러한 한계를 보완하기 위한 지보 방식으로, 가이드 브라켓, 인장재 및 지반 내 정착체를 이용하여 흙막이 벽체를 지지한다. 가이드 브라켓은 띠장에 설치되어 인장재의 방향을 전환하고, 도입된 긴장력을 띠장으로 전달하는 연결부 역할을 한다. 인장재에 초기 긴장력이 도입되면 정착체, 인장재, 가이드 브라켓, 띠장으로 이어지는 하중전달 경로가 형성되며, 이를 통해 굴착 내부 공간의 점유를 최소화하면서도 벽체 지지에 필요한 지보력을 확보할 수 있다.
2.2 수평 지보재 대체 앵커의 구성 및 하중전달
수평 지보재 대체 앵커는 Fig. 1과 같이 하중전달 관점에서 연결부, 자유장 및 정착장으로 구분할 수 있다. 연결부는 가이드 브라켓을 통해 초기 긴장력이 도입되는 구간으로, 도입된 앵커 하중이 띠장 및 흙막이 벽체로 전달되는 지점에 해당한다. 자유장은 인장재가 주변 지반과 직접 부착되지 않는 구간으로, 연결부에서 도입된 하중을 정착장까지 전달하는 역할을 한다. 정착장은 인장재와 그라우트가 주변 지반과 일체화되는 구간으로, 부착응력을 통해 앵커 하중이 지반으로 전달된다.
3. 앵커의 하중전달 특성 분석
흙막이 구조물의 설계는 일반적으로 벽체의 단면 및 구조 안정성 검토, 앵커 부재의 안정성 검토, 굴착에 따른 주변 영향 검토 등으로 구분된다. 본 연구에서는 단면 구조해석을 통해 산정된 앵커 축력을 바탕으로 자유장 및 정착장 구간의 거동을 검토하였다.
앵커 설계축력은 토압에 의해 발생하는 반력을 기준으로 산정하며, 이때 앵커의 설치 간격과 설치 각도가 함께 고려된다. 설치 간격은 작용 반력의 크기에 따라 결정되며 일반적인 앵커 설치각은 약 35°±10° 범위가 적용된다. 앵커 설치각이 증가할 경우 그라우팅 시공성이 향상되고, 보다 양호한 지층에 정착시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 설치각이 40° 이상으로 커지는 고각 조건에서는 수평 지지 효과가 감소할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 고각 설치 조건에서도 수평 지보재 대체 앵커에 작용하는 인장력이 주변 토층으로 효과적으로 전달되어 충분한 지지력을 확보할 수 있는지 검토하고자 하였다. 이를 위해 Fig. 2와 같이 하중전달에 영향을 미칠 수 있는 주요 인자를 해석 변수로 선정하고, 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 3D를 이용하여 앵커 하중전달 해석을 수행하였다.
Table 1에 제시한 수치해석 변수와 적용 범위는 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달에 영향을 미치는 지반조건, 하중조건, 구조적 배치조건 및 정착조건을 종합적으로 고려하여 설정하였다. 지반조건은 지반의 강성 및 전단강도 차이에 따른 하중전달 특성을 비교하기 위해 조밀한 모래와 느슨한 모래로 구분하였다. 도입 긴장력은 하중 수준의 변화에 따른 정착장 전달하중 및 하중전달 효율을 평가하기 위해 50, 100 및 150kN으로 설정하였다. 이 중 150kN은 정착부의 극한저항 수준을 상회하는 고하중 조건에서 하중전달 특성의 변화를 비교하기 위한 상한 매개변수로 적용하였다. 엄지말뚝 중심간격은 말뚝 배치간격에 따른 하중분담 및 하중전달 특성의 변화를 검토하기 위해 1, 2 및 3m로 설정하였다.
Table 1
Analysis parameters
앵커 설치각은 일반적인 어스앵커 설치각의 상한에 해당하는 45°부터 본 공법의 고각 설치조건인 80°까지의 하중전달 특성을 평가하기 위해 5° 간격으로 설정하였다. 원통형 가이드 돌출길이는 인장재 방향전환부의 접촉 및 마찰거동에 따른 하중손실을 비교하기 위해 100 및 300mm로 설정하였다. 자유장 길이는 연결부에서 정착장까지의 하중전달 거리 변화가 앵커 축력에 미치는 영향을 평가하기 위해 7∼10m 범위에서 1m 간격으로 설정하였다. 정착장 길이는 길이 변화에 따른 정착부의 하중전달 특성과 길이 증가에 따른 추가적인 하중전달 효과를 비교하기 위해 2, 3, 4 및 6m로 설정하였다.
본 연구는 Table 1의 모든 변수 조합을 수행하는 전수요인해석이 아니라 주요 변수별 단계적 매개변수 해석으로 수행하였다. 지반조건, 긴장력, 엄지말뚝 중심간격 및 설치각은 상호 조합된 일부 조건을 비교하였으므로 단일 기준조건을 두지 않았으며, 정착장·자유장·가이드 돌출길이 분석에서는 나머지 해석조건을 동일하게 유지하고 대상 변수만 변화시켜 설치각에 따른 특성을 비교하였다. 또한 기본 범위 외에 설치각 20°, 40°, 85°, 88°, 90°와 긴장력 127kN 조건을 보충적으로 적용하였다.
3.1 해석 개요
본 연구에서는 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 특성을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 3D를 사용하였다. 해석은 앵커에 도입된 긴장력이 연결부, 자유장 및 정착장을 거쳐 지반으로 전달되는 과정을 모사하도록 구성하였다. 해석영역의 측면 경계는 수평변위를 구속하였으며, 하부 경계는 수평 및 수직변위를 구속하였다. 또한 가이드 브라켓과 인장재의 접촉부 및 정착장 주변은 접촉거동과 축력 변화를 정밀하게 모사하기 위해 메쉬를 국부적으로 세분화하였다.
일반적인 흙막이 해석에서는 앵커 자유장 요소에 프리스트레스를 도입하여 굴착 배면의 상재하중과 주동토압으로 인해 발생하는 벽체의 수평변위를 억제하는 방식으로 앵커의 지보 효과를 모사한다. 반면 본 해석에서는 연결부에서 정착장으로 이어지는 하중전달 특성을 검토하기 위해, Fig. 3과 같이 굴착 전면 연결부에 도입 긴장력에 해당하는 긴장력을 반대 방향으로 적용하였다.
일반적인 어스앵커는 도입 하중이 인장재의 축 방향으로 직접 전달되는 반면, 본 공법은 가이드 브라켓에서 인장재의 방향이 전환되므로 접촉 및 마찰에 따른 하중손실과 축력 재분배가 발생할 수 있다. 이를 모사하기 위해 강선과 가이드 강판 사이의 접촉부를 인터페이스 요소로 모델링하였다. 강선-가이드 강판 접촉면의 미끄럼 거동에는 마찰계수 μ = 0.25를 적용하였고, 인터페이스의 접촉강도 저감을 위해 강도감소계수 Rinter = 0.55를 적용하였다. 가이드 강판 양면에 positive interface와 negative interface를 적용하여 압축 및 인장 방향의 접촉 및 분리 거동을 반영하였다. 또한 연결부, 가이드 접촉부 및 정착장 시작부와 끝단부의 축력을 비교하여 방향전환부에서 발생하는 하중손실과 자유장 및 정착장으로의 축력 재분배 특성을 평가하였다.
3.1.1 재료 물성
해석에 적용한 재료 물성은 Table 2에 제시하였다. 앵커 정착부에서 그라우트체와 주변 지반 사이의 평균 주면마찰저항이 정착장 전 구간에 걸쳐 균등하게 발현된다고 가정하면, 앵커의 설계축력과 필요한 정착장 길이는 식 (1)과 같이 산정할 수 있다(Benmokrane et al., 1997).
Table 2
Material parameters for analysis
식 (2)는 식 (1)의 관계를 극한 마찰저항(Tug)에 대하여 정리한 것으로, 정착장 구간에서 발휘되는 극한 마찰저항은 그라우트체의 주면적과 단위 주면마찰저항의 곱으로 산정하였다. 극한 마찰저항은 현장시험 결과를 바탕으로 앵커 길이와 지층조건을 고려하여 결정하는 것이 원칙이나, 본 연구에서는 지반조건별 극한 주면마찰저항을 적용하여 산정하였다. 또한 상대밀도는 수치해석의 직접적인 입력값으로 적용하지 않았으며, 조밀한 모래와 느슨한 모래의 구분을 명확히 하기 위해 Christopher et al.(2006)의 상대밀도 분류범위를 참고값으로 제시하였다. 조밀한 사질토의 극한 마찰저항은 단위 주면마찰저항 56kN/m²를 적용하여 106kN으로 산정하였으며, 정착부의 한계 하중조건을 검토하기 위해 최대 극한 마찰저항 127kN을 별도의 긴장력 조건으로 적용하였다. 지반조건별 상대밀도 범위와 극한 마찰저항 산정 결과는 Table 3에 정리하였다.
여기서, : 앵커의 설계축력(kN)
: 앵커의 마찰저항장 길이(m)
: 설계 안전율(가설조건 1.5 ~ 2.0, 영구조건 2.5 ~ 3.0)
: 앵커의 천공 직경, 보통 10 ~ 12.5cm 적용(m)
: 주변토층의 극한 주면마찰저항(kN/m2)
Table 3
Estimation of ultimate friction resistance
| Category |
Relative density (%) | (kN/m2) |
D (m) | (m) | (kN) |
| Dense sand | 65~85 | 56 | 0.3 | 2 | 106 (Max : 127) |
| Loose sand | 15~35 | 35 | 65.9 (Max : 75) |
3.1.2 시공단계별 해석 방법
본 해석에서는 흙막이 구조물과 지반의 상호작용을 모사하기 위해 초기 지중응력과 벽체-지반 접촉 조건을 해석 모델에 반영하였다.
① 현 지반의 초기 응력 조건
현 지반의 초기 응력은 심도가 증가함에 따라 수직응력이 증가하는 조건으로 설정하였다. 수평응력()은 산정된 수직응력에 측압계수()를 곱하여 산정하였으며, 이를 통해 굴착 전 지반의 응력 상태를 재현하였다.
② 벽체–배면 지반 접촉면
지반과 말뚝 사이의 미끄러짐 거동은 접촉요소를 이용하여 모사하였다. 접촉면은 탄성 범위 내에서 주변 지반 및 구조 요소와 함께 거동하도록 설정하였으며, 탄성 한계를 초과하면 소성 상태로 전이되어 경계면의 미끄러짐이 발생하도록 하였다. 지반-말뚝 접촉면에서는 지반과 구조물 사이의 전단강도 감소를 고려하여 강도감소계수는 Rinter = 0.67을 적용하였다.
실제 시공 순서를 반영하기 위해 단계별 해석을 수행하였다. 해석 단계는 Table 4에 제시한 현장 시공 순서를 바탕으로 엄지말뚝 시공, 흙막이판 및 띠장 설치, 앵커 설치, 긴장력 도입 순으로 구성하였다. 이를 통해 각 시공 단계에서 앵커 하중이 연결부, 자유장 및 정착장으로 전달되는 과정과 축력 변화를 검토하였다.
Table 4
Sequential analysis by construction stages
| Type | Construction order | Description |
| Analysis step | Initial |  |
| Construction of Soldier Pile |  | |
|
Installation of lagging plates, wale, and anchors |  | |
| Applying jacking force |  |
3.1.3 해석모델 검증
가이드 접촉부 해석모델의 적정성을 검토하기 위해 원통형 가이드의 정역학적 마찰식과 수치해석 결과를 비교하였다. 원통형 가이드에서 인장재의 방향전환에 따른 전달하중은 Euler–Eytelwein의 벨트 마찰식(Eytelwein, 1808)을 이용하여 식 (3)과 같이 산정하였다.
여기서, : 연결부에 도입된 하중(kN)
: 가이드 방향전환 후 전달되는 하중(kN)
: 강선과 가이드 강판 사이의 마찰계수
: 가이드에서 인장재의 방향전환각(rad)
본 검증에서는 연결부 도입 하중 100kN, 마찰계수 0.25 및 방향전환각 80°(1.396 rad)를 식 (3)에 적용하였다. 이에 따른 이론적 전달하중은 70.5kN으로 산정되었으며, 정착장 고정조건의 수치해석 결과와 비교하여 Table 5에 나타내었다. 수치해석 결과는 68.9kN으로 이론값과 약 2.3%의 차이를 보였으며, 이를 통해 강선과 가이드 강판 사이의 접촉 및 마찰거동이 해석모델에 합리적으로 반영된 것으로 판단하였다.
Table 5
Comparison between theoretical and numerical analysis results
| Direction-change angle (°) | Friction coefficient | Theoretical result (kN) | Numerical result (kN) | Difference (%) |
| 80 | 0.25 | 70.5 | 68.9 | 2.3 |
3.2 하중전달 분석
본 연구의 기본 앵커 설치각 조건은 Table 1에 제시한 45°∼80° 범위로 설정하였다. 그러나 수평 지보재 대체 앵커는 제한된 부지 내에서 수직 또는 이에 가까운 고각 설치가 적용될 수 있으며, 설치각이 증가할수록 수평 지지효과와 정착장 하중전달 특성이 달라질 수 있다(Xiao and Guo, 2017).
따라서 지반조건 및 긴장력 변화에 따른 하중전달 경향을 기본 설치각 범위 외에서도 확인하기 위해 일부 해석에서는 20°, 40°, 85°, 88° 및 90° 조건을 보충적으로 검토하였다. 이 중 20° 및 40°는 저각 조건과의 비교를 위해 적용하였으며, 85° 이상의 조건은 수직에 가까운 한계 고각 조건에서의 하중전달 거동을 확인하기 위해 적용하였다.
또한 127kN은 정착부에서 발현되는 극한 마찰저항에 해당하는 하중조건으로 별도 적용하였다. 본 연구에서 정착장 하중전달률은 도입 긴장력 대비 정착장 시작부 축력의 비로 산정하였으며, 엄지말뚝 하중전달률은 도입 긴장력 대비 인접한 두 엄지말뚝에 전달되는 수평반력 합계의 비로 구분하여 산정하였다.
3.2.1 지반 조건에 따른 하중전달 분석
본 해석에서는 지반조건의 영향을 검토하기 위해 조밀한 사질토와 느슨한 사질토를 대상으로 앵커 설치각 및 긴장력 조건별 전달하중을 비교하였다. 앵커 긴장력은 인접한 두 엄지말뚝 사이에 작용하는 것으로 가정하고, 전체 긴장력의 50%가 각 엄지말뚝에 균등하게 작용하도록 초기 하중조건을 설정하였다. 긴장력 및 지반조건 변화에 따른 엄지말뚝의 하중전달률은 Fig. 4에 나타내었다. 해석 결과, 조밀한 지반에서 느슨한 지반보다 엄지말뚝으로 전달되는 반력과 하중전달률이 크게 나타났으나, 설치각 변화에 따른 반력 차이는 크지 않았다.
정착장으로 전달되는 축력은 지반조건에 따라 상이한 경향을 보였다. 조밀한 지반에서는 앵커 설치각 60°까지 전달축력이 증가한 후 고각 조건에서 감소하였으며, 설치각 40°∼60° 구간에서 90% 이상의 하중전달률을 나타냈다. 반면 느슨한 지반에서는 설치각 증가에 따라 정착장 전달축력이 점진적으로 증가하여 75° 조건에서 77.6kN으로 가장 크게 나타났으며, 설치각 45°∼70° 구간에서는 약 60∼75%의 하중전달률을 보였다. 설치각 75°에서 조밀한 지반의 전달축력은 71.5kN으로 느슨한 지반보다 작게 나타났다.
또한 긴장력 127kN 조건에서는 설치각 80°에서 88.2kN이 정착장으로 전달되었으나, 85° 이상의 한계 고각 조건에서는 전달축력이 크게 감소하였다(Table 6). 이는 정착장 하중전달 특성이 지반조건과 설치각의 상호작용에 따라 달라지며, 고각 조건에서는 가이드 방향전환부의 접촉 및 마찰에 따른 하중손실을 함께 고려해야 한다.
Table 6
Load transfer characteristics of dense sand & loose sand
3.2.2 도입 긴장력에 따른 하중전달 분석
도입 긴장력이 정착장 하중전달에 미치는 영향을 평가하기 위해 긴장력을 50, 100 및 150kN으로 변화시키고, 나머지 해석조건은 동일하게 유지하였다. 주요 비교조건은 조밀한 지반과 느슨한 지반의 설치각 45° 및 80°로 설정하였으며, 수직에 가까운 한계 고각 거동을 확인하기 위해 88° 및 90° 조건을 추가로 검토하였다.
Fig. 5와 같이 긴장력이 증가함에 따라 정착장으로 전달되는 축력도 증가하였다. 긴장력 50kN에서 정착장 시작부의 축력은 설치각 45°에서 조밀한 지반 46kN, 느슨한 지반 50kN이었으며, 설치각 80°에서는 각각 26kN 및 27kN으로 감소하였다.
긴장력 100kN에서 정착장 시작부 축력은 설치각 45°에서 조밀한 지반 96.7kN, 느슨한 지반 60.0kN, 설치각 80°에서 각각 58.6kN 및 57.6kN으로 평가되었다. 이는 도입 긴장력 대비 각각 96.7%, 60.0%, 58.6% 및 57.6%이다. 긴장력 150kN에서는 설치각 45°에서 97kN(64.7%) 및 60kN(40.0%), 설치각 80°에서 87kN(58.0%) 및 59.7kN(39.8%)으로 나타났다.
조밀한 지반에서는 긴장력의 증가에 따라 설치각 45°와 80° 조건 모두에서 축력이 뚜렷하게 증가하였다. 반면 느슨한 지반의 경우, 설치각 80° 조건에서 긴장력이 100kN에서 150kN으로 증가하더라도 축력 변화는 크지 않았다. 이는 느슨한 지반의 하중전달 특성이 긴장력 및 설치각 증가에 따른 영향보다 지반의 인발저항 특성에 더 크게 지배되기 때문으로 판단된다.
Table 7은 지반 조건 및 긴장력에 따른 앵커 하중전달 특성을 정리한 것이다. 동일한 설치각 조건에서는 긴장력이 커질수록 연결부에서 정착장 시작부로 전달되는 축력이 전반적으로 증가하였다. 조밀한 지반에서는 느슨한 지반보다 정착장 전달 축력이 크게 나타났으며, 이는 지반 강성과 인발저항력 차이에 따른 영향으로 판단된다.
Table 7
Load transfer characteristics according to ground condition and jacking force
특히 느슨한 지반에서는 긴장력 150kN 조건에서도 정착장 시작부 축력이 설치각 45° 및 80°에서 약 60kN으로 나타났으며, 이는 도입 긴장력의 약 40%이다. 따라서 느슨한 지반에서는 지반 저항 특성에 의해 하중전달 효율이 제한될 수 있음을 시사한다.
엄지말뚝 중심간격이 하중전달 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 중심간격을 1, 2 및 3m로 변화시키고, 지반조건, 도입 긴장력 및 앵커 설치각에 따른 엄지말뚝의 전달하중을 비교하였다. 여기서 엄지말뚝 수평하중은 인접한 두 엄지말뚝에 발생하는 수평반력의 합으로 산정하였다.
Fig. 6은 엄지말뚝 중심간격 1m와 긴장력 100kN 조건에서의 전달하중을 나타낸 것이다. 해석 결과, 지반이 조밀할수록 엄지말뚝으로 전달되는 하중은 증가하였으며, 앵커 설치각이 20°에서 80°까지 증가하더라도 지반 조건에 관계없이 전달하중의 차이는 크지 않았다. 지반의 조건에 따라 분석한 결과 느슨한 지반에서는 앵커 설치각 변화와 무관하게 약 41~45kN의 전달하중이 발생하였다. 반면 조밀한 지반에서는 앵커 설치각 20° 조건에서 54.3kN의 전달하중이 나타났고, 40° 이상에서는 설치각에 관계없이 약 60kN 수준의 전달하중이 산정되었다. 이를 통해 지반이 조밀할수록 엄지말뚝으로 전달되는 전달하중이 증가하는 것으로 확인되었다.
엄지말뚝 중심간격에 따른 하중전달 변화를 구체적으로 검토하기 위해 지반조건별로 긴장력을 50, 100 및 150kN으로 변화시켰으며, Fig. 7은 앵커 설치각 45° 조건에서 중심간격에 따른 수평하중 해석 결과를 나타낸 것이다. 엄지말뚝 중심간격이 1m인 경우, 긴장력이 50kN에서 150kN으로 증가함에 따라 조밀한 지반에서는 수평하중이 30.7, 59.8 및 85.3kN으로, 느슨한 지반에서는 24.2, 44.8 및 67.9kN으로 평가되었다. 조밀한 지반의 하중전달률은 긴장력의 약 56.9~61.4% 수준으로 나타났으며, 느슨한 지반에서는 약 44.8~48.4% 수준을 보였다. 중심간격 1m 조건에서는 조밀한 지반이 느슨한 지반보다 10% 이상 높은 하중전달률을 나타냈으나, 중심간격이 2m 및 3m로 증가한 경우에는 지반 조건에 따른 차이가 크지 않았다.
Fig. 8은 앵커 설치각 80° 조건에서 긴장력을 50, 100 및 150kN으로 변화시켰을 때, 엄지말뚝 중심간격에 따른 수평하중 해석 결과를 나타낸 것이다. 엄지말뚝 중심간격이 1m인 경우, 긴장력이 50kN에서 150kN으로 증가함에 따라 조밀한 지반에서는 수평하중이 30.8, 59.8 및 86.4kN으로 산정되었고, 느슨한 지반에서는 28.2, 54.6 및 80.1kN으로 평가되었다. 조밀한 지반의 하중전달률은 긴장력의 약 57.6~61.6% 수준으로 나타났으며, 느슨한 지반에서는 약 53.4~56.4%의 전달률을 보였다. 이는 앵커 설치각 45° 조건과 달리, 지반조건에 따른 하중전달 차이가 크지 않음을 보여준다. 특히 느슨한 지반의 경우 저각 조건보다 고각 조건에서 하중전달률이 더 크게 나타났다. 또한 엄지말뚝 중심간격이 2m 및 3m인 경우에는 조밀한 지반과 느슨한 지반의 수평하중 차이가 거의 나타나지 않아, 중심간격이 증가할수록 지반조건이 하중전달에 미치는 영향은 상대적으로 감소하는 것으로 분석되었다.
엄지말뚝 중심간격이 1m에서 3m로 증가함에 따라 정착장으로 전달되는 축력은 최소 12.1%에서 최대 51.3%까지 감소하였다. 이에 엄지말뚝에 작용하는 반력도 감소하였으며, Fig. 9와 같이 벽체 수평변위 역시 감소하는 경향을 보였다.
3.2.3 정착장 길이와 자유장 길이에 따른 하중전달 분석
정착장은 앵커 하중이 지반으로 전달되는 주요 구간으로, 앵커의 지지력 발현에 핵심적인 역할을 한다. 정착장 길이가 하중전달 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 나머지 해석조건은 동일하게 유지한 상태에서 정착장 길이를 2, 3, 4 및 6m로 변화시키고, 각 길이 조건에서 앵커 설치각에 따른 정착장 시작부의 전달하중을 비교하였다. 그 결과는 Fig. 10에 나타내었다.
정착장 길이가 2m에서 6m로 증가할수록 정착장으로 전달되는 하중은 증가하는 경향을 보였다. 앵커 설치각 45°~60° 구간에서는 정착장 길이에 따른 전달하중 차이가 크지 않았으나, 65° 이상에서는 정착장 길이 2m 조건의 전달하중이 뚜렷하게 감소하였다.
Table 8과 Table 9에 따르면, 정착장 길이가 2m인 경우 앵커 설치각 45°에서의 축력이 96.7kN, 설치각 70°에서는 83.6kN으로 평가되었다. 정착장 길이가 3m일 때는 설치각 70°에서 97kN의 축력이 나타났으며, 그 이하의 설치각에서는 100kN의 축력이 발현되었다. 즉, 정착장 길이가 2m에서 3m로 증가함에 따라 축력 발현 정도가 향상되는 것으로 확인되었다. 또한 정착장 길이가 4m 및 6m인 경우에는 앵커 설치각 70° 이하에서 도입 축력에 근접하거나 동일한 수준의 축력이 발현되었다. 이를 통해 수치해석 결과만을 기준으로 할 경우, 정착장 길이가 3m 이상이고 앵커 설치각이 70° 이하인 조건에서는 정착장 시작부 축력이 도입 축력에 근접한 수준으로 전달되는 것으로 나타났다.
Table 8
Load at the start of bonded-length load transfer of 2 and 3m
| Inclination angle (°) | Connection | Bonded length start |
| (kN) | ||
| 80 | 100 | 55.8(65) |
| 75 | 100 | 71.5(80) |
| 70 | 100 | 83.6(97) |
| 65 | 100 | 90.5(100) |
| 60 | 100 | 98.7(100) |
| 55 | 100 | 98(100) |
| 50 | 100 | 96(100) |
| 45 | 100 | 96.7(100) |
Table 9
Load at the start of bonded-length load transfer of 4 and 6m
| Inclination angle (°) | Connection | Bonded length start |
| (kN) | ||
| 80 | 100 | 65(71) |
| 75 | 100 | 81(88) |
| 70 | 100 | 99(100) |
| 65 | 100 | 100(100) |
| 60 | 100 | 100(100) |
| 55 | 100 | 100(100) |
| 50 | 100 | 100(100) |
| 45 | 100 | 100(100) |
정착장 길이가 증가하면 그라우트체와 지반 사이의 접촉면적이 확대되므로 정착장 전체에서 발휘되는 마찰저항력도 증가한다. 기존 연구에서도 정착장 길이가 증가함에 따라 앵커의 인발저항력이 증가하는 경향이 확인된 바 있다(Han et al., 2017).
따라서 정착장 길이는 앵커 시스템의 마찰저항력 발현에 영향을 미치는 주요 인자로 판단된다. 해석 결과, 정착장 길이 3m 조건에서는 앵커 설치각 70° 이하에서 도입 축력에 근접한 수준의 하중이 정착장으로 전달되는 것으로 나타났다. 반면 75° 이상의 고각 조건에서는 정착장 길이가 3m인 경우에도 전달축력이 감소하는 경향을 보였다. 다만 앵커 설계기준(KDS 11 60 00:2025)에서는 토사층에 설치되는 마찰형 앵커의 최소 정착장을 4m로 규정하고 있으므로 실제 설계에서는 해당 기준을 만족하도록 정착장 길이를 확보할 필요가 있다.
앵커 시스템에서 자유장은 도입된 긴장력을 정착장으로 전달하는 매개 구간으로, 자유장 길이와 앵커 설치각은 정착장 하중전달에 영향을 미칠 수 있다. 이에 자유장 길이가 하중전달 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 나머지 해석조건은 동일하게 유지한 상태에서 자유장 길이를 7, 8, 9 및 10m로 변화시키고, 각 길이 조건에서 앵커 설치각에 따른 정착장 전달하중을 비교하였다. 그 결과는 Fig. 11에 나타내었다.
해석 결과, 자유장 길이에 따른 정착장 전달하중은 앵커 설치각에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 저각 설치 조건에서는 자유장 길이 변화에 따른 전달하중 차이가 비교적 크지 않았으나, 고각 설치 조건에서는 자유장 길이가 증가할수록 정착장으로 전달되는 하중이 감소하는 경향이 나타났다.
특히 앵커 설치각이 증가할수록 자유장 길이 변화에 따른 하중전달 차이가 뚜렷해졌으며, 이는 자유장 길이가 증가하면서 정착장 시작부까지 전달되는 축력이 감소한 결과로 판단된다. 다만 일부 설치각 조건에서는 자유장 길이 증가에 따라 전달하중이 일시적으로 증가한 후 감소하는 비선형적 거동도 확인되었다.
이러한 결과는 자유장 길이만으로 하중전달 특성을 단순히 예측하기 어렵고, 앵커 설치각, 정착장 길이 및 지반 강도 조건을 함께 고려한 수치해석 기반의 검토가 필요함을 의미한다.
3.2.4 원통형 가이드 돌출길이에 따른 하중전달 및 재분배 분석
원통형 가이드 돌출길이가 앵커 하중전달 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 나머지 해석조건은 동일하게 유지한 상태에서 돌출길이를 100 및 300mm로 변화시키고, 앵커 설치각별 정착장 전달하중을 비교하였다. 해석 결과는 Table 10 및 Fig. 12에 나타내었다.
Table 10
Load transfer behavior for guide projection length (300mm, 100mm)
해석 결과, 원통형 가이드 돌출길이 100mm 조건에서 300mm 조건보다 정착장으로 전달되는 축력이 전반적으로 크게 나타났다. 돌출길이 300mm에서 설치각 45°인 경우 도입된 100kN의 하중은 가이드 접촉부와 정착장 시작부에서 각각 98.0 및 96.7kN으로 나타나 축력 감소율은 약 3.3%에 불과하였다. 반면 설치각 80°에서는 각각 58.9 및 55.8kN으로 감소하여 연결부 대비 약 44.2%의 축력 손실이 발생하였다. 돌출길이 100mm 조건에서는 설치각 45°에서 도입 하중이 정착장까지 대부분 유지되었으며, 설치각 80°에서도 정착장 시작부에 86.6kN이 전달되었다.
이러한 결과는 설치각과 가이드 돌출길이가 증가할수록 방향전환부의 접촉 및 마찰에 의해 축력 일부가 가이드 브라켓과 띠장으로 전달되기 때문으로 판단된다. 이는 하중이 인장재의 축 방향으로 직접 전달되는 일반적인 어스앵커와 달리, 본 공법에서는 가이드 브라켓의 방향전환부가 하중손실과 축력 재분배에 영향을 미치는 주요 구간임을 보여준다. 따라서 설계 시 앵커 설치각과 원통형 가이드 돌출길이를 함께 고려할 필요가 있다.
이상의 해석 결과를 종합하면, 지반조건과 긴장력은 정착장으로 전달되는 축력의 크기에 직접적인 영향을 미쳤으며, 엄지말뚝 중심간격이 증가할수록 전달하중과 지반조건에 따른 차이는 감소하였다. 앵커 설치각은 엄지말뚝 반력에 미치는 영향은 크지 않았으나, 고각 조건에서는 정착장 전달하중이 감소하였으며, 자유장 길이와 원통형 가이드 돌출길이가 증가할수록 이러한 경향이 뚜렷하게 나타났다. 또한 정착장 길이 증가에 따른 하중전달 효과는 일정 길이 이상에서 제한적으로 나타났다. 따라서 본 공법의 하중전달 특성은 단일 변수보다 지반조건, 설치각 및 앵커의 기하·정착조건을 함께 고려하여 평가할 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 3차원 수치해석으로 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 특성을 분석하였다. 앵커에 도입된 하중이 연결부, 자유장 및 정착장을 거쳐 지반으로 전달되는 과정을 검토하였으며, 지반조건, 긴장력, 엄지말뚝 중심간격, 앵커 설치각, 정착장 및 자유장 길이, 원통형 가이드 돌출길이가 하중전달 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 지반조건별 하중전달 분석 결과, 조밀한 지반에서는 전반적으로 느슨한 지반보다 정착장 전달축력이 크게 나타났으나 일부 고각 조건은 다른 경향을 보였다. 이는 지반 강성 및 인발저항력 차이에 따른 영향으로 판단된다. 느슨한 지반에서는 긴장력이 커져도 정착장 전달하중이 일정 수준 이상 증가하지 않아, 지반 저항 특성에 의해 하중전달 효율이 제한될 수 있음을 확인하였다.
(2) 긴장력이 증가할수록 정착장 시작부로 전달되는 축력은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 도입 하중의 증가가 항상 비례적인 전달하중 증가로 이어지지는 않았으며, 지반조건과 앵커 설치각에 따라 하중전달 효율이 달라지는 것으로 나타났다. 또한 엄지말뚝 중심간격이 1m에서 3m로 증가함에 따라 정착장으로 전달되는 축력은 최소 12.1%에서 최대 51.3%까지 감소하였다. 따라서 엄지말뚝 중심간격 변화는 앵커 하중의 분담 조건에 영향을 미치므로, 하중전달 특성 검토 시 긴장력과 지보재 배치조건을 함께 고려할 필요가 있다.
(3) 정착장 및 자유장 길이에 따른 분석 결과, 정착장 길이가 증가할수록 정착장으로 전달되는 하중은 증가하는 경향을 보였으나, 일정 길이 이상에서는 그 효과가 제한적으로 나타났다. 자유장 길이의 경우 설치각에 따라 전달하중 변화가 상이하게 나타났으며, 일부 조건에서는 전달하중이 일시적으로 증가한 후 감소하는 비선형적 거동도 확인되었다. 따라서 자유장 길이만으로 하중전달 특성을 단순히 예측하기는 어렵고, 정착장 길이, 지반 강도 및 앵커 설치각을 종합적으로 고려해야 한다.
(4) 원통형 가이드 돌출길이에 따른 분석 결과, 돌출길이가 짧은 조건에서 정착장으로 전달되는 축력이 전반적으로 크게 나타났다. 특히 긴장력 100kN 및 설치각 80° 조건에서 돌출길이 300mm와 100mm의 정착장 시작부 축력은 각각 55.8kN과 86.6kN으로 나타났다. 이는 돌출길이가 증가함에 따라 가이드 방향전환부의 접촉 및 마찰에 의한 하중손실이 증가하기 때문으로 판단된다. 따라서 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 효율을 확보하기 위해서는 원통형 가이드 돌출길이에 대한 적정 설계가 필요하다.
종합적으로 본 연구는 수평 지보재 대체 앵커의 하중전달 경로를 연결부, 가이드 접촉부, 자유장 및 정착장으로 구분하고, 구간별 축력 변화를 통해 가이드 브라켓 방향전환부에서 발생하는 하중손실과 축력 재분배 특성을 분석하였다. 특히 고각 설치 및 원통형 가이드 돌출길이가 긴 조건에서 정착장으로 전달되는 축력이 감소하였으며, 이러한 영향은 지반조건, 도입 긴장력 및 정착조건에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 따라서 본 공법의 설계에서는 도입 긴장력뿐만 아니라 가이드 브라켓의 기하조건과 지반 및 정착조건을 함께 고려해야 하며, 본 연구는 고각 설치형 앵커의 하중전달 거동을 평가하기 위한 공학적 판단근거를 제시하였다는 데 의의가 있다.
