펄스 방전 효과를 고려한 확공형 앵커의 인발 거동에 대한 수치해석 연구

Abstract

본 논문에서는 펄스 방전에 의해 구근이 형성된 앵커의 인발 거동 예측을 위한 유한 요소 모델링 방안을 제안하였다. 제안된 모델링 방안은 실제 펄스 방전 기술의 적용과 설계 관점에 부합하는 해석이 수행될 수 있도록 실용적인 측면에 초점을 두었으며, 크게 펄스 방전에 의한 충격파 발생, 충격파로 인한 시추공의 확공, 그리고 확공의 결과로 구근이 형성된 그라우트 앵커의 인발 거동에 대한 부분으로 나뉜다. 첫째, 시멘트 페이스트 내 충격파 발생을 음향 가정이 적용되는 수중 폭발 현상으로 가정함으로써 실제 펄스 방전에 의해 유발되는 전기 에너지와 폭약의 에너지 상관 관계 및 수중 폭발 이론의 유사관계식을 통해 충격파를 정량적으로 예측할 수 방안을 제안하였다. 다음으로, 펄스 방전에 의한 시추공 확공 거동을 이중점근근사법에 기초한 음향 매질-구조물 연동 해석 기법으로 모델링 하는 것을 통해 실제 수십 회의 펄스 방전에 의해 수행되는 시추공 확공 현상에 대한 시뮬레이션을 용이하게 하였다. 지반의 거동은 비배수 조건의 삼상 구조체를 가정하여 모델링 하였으며 이를 위해 지반을 크게 점성토와 사질토로 나누어 기본 지반 정수 및 표준관입시험치(NF)와의 경험적 상관관계를 바탕으로 재료 물성을 산정하였다. 마지막으로, 서로 다른 해석 간에 상호 결과를 초기 조건으로 반영할 수 있게 하는 수치 기법을 활용하여 펄스 방전으로 확공된 지반 조건을 고려한 구근형 앵커의 인발 거동을 모델링하였다.

제안된 모델링 방안의 적용성 검증을 위해 문헌에 보고된 현장 시험 사례에 대한 시뮬레이션을 수행하였고, 계측과 거의 유사한 확공 및 인발 저항력 예측을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 다양한 지반 조건에 대한 펄스 앵커의 인발 저항력 특성을 살펴보고자 매개 변수 해석을 수행하였다. 펄스 앵커의 인발 저항은 앵커 주면부에서의 마찰저항과 확공 및 주변 지반 다짐에 의한 지지력 증가분의 선형적인 합으로 표현될 수 있는 복합 저항 메커니즘을 갖고 있음을 알 수 있었다. 또한, 매개 변수 해석 결과로부터 펄스 방전 기술이 느슨 또는 중간 조밀함을 갖는 사질토 지반에서 조밀한 사질토 지반 보다 상대적으로 더 큰 인발 저항력 증가를 유발함을 알 수 있었고, 확공된 구근의 개수가 많을 수록 인발 저항력이 더 크게 산정됨을 확인하였다. 한편, 조밀한 사질토 지반에 설치된 다 구근 펄스 앵커의 경우, 구근 간 거리가 좁아질수록 구근 상부 지반의 지압 저항분이 감소하여 지지력이 충분히 유발되지 않음을 확인하였다.