1. 서론

항만 구조물의 흙막이로 앵커식 널말뚝과 같은 처짐성 벽체가 종종 이용된다. 대형화되는 안벽에 앵커식 널말뚝을 적용하기 위해, 2단 앵커 널말뚝 벽의 유효성이 주장되어 왔다. 2단 앵커식 널말뚝 벽이란, 일반적인 앵커식 널말뚝 벽의 타이로드의 아래 부분에 별도의 타이로드를 설치(그림1)하고 이것으로 널말뚝 벽에 작용하는 휨 모멘트를 저감시키는 공법이다. 그러나, 설계법에 대하여는 미해결된 부분이 많고, 하단 설치 위치가 수중이라서 시공이 곤란하기 때문에 2단 앵커 널말뚝 벽은 실제로 적용되지 못하였다. 때문에 일본에서는 고강성의 강재 널말뚝의 개발로 안벽의 대형화에 대응하여 왔다.

최근 일본에서는 기존 안벽의 노후화, 선박의 대형화, 크레인의 대형화, 지진에 대한 내진성 향상 등에 대한 요구가 높아졌다. 이러한 때에 다시 2단 앵커 널말뚝 벽에 대한 기대가 재조명되기 시작했다. 이번 연구에서 대상으로 한 2단 앵커 널말뚝 벽의 개념도를 그림2에 나타내었다. 기존의 2단 앵커 널말뚝 벽을 개량한 연구에서는 공법을 ‘앵커증설공법’이라 명칭 하였다.

최근에 앵커식 널말둑 벽에 타이로드를 증설하는 공법이 개발되었고, 시공상의 문제도 해결되어 가고 있다. 실제 적용 예도 있으나, 설계에서 증설 전과 증설 후의 널말뚝 벽의 휨모멘트와 널말뚝에 작용하는 토압 변화 등의 취급이 어렵고 설계법이 확립되어 있지 않다. 따라서 이 연구에서는 앵커 증설 공법의 설계법 구축을 목적으로 모형 실험을 실시하고, 타이로드 증설에 의한 널말뚝 벽의 부하저감 효과 및 널말뚝에 작용하는 토압의 변화를 파악하였다. 또한, 이 실험결과 및 탄성 바닥상의 보 이론을 고려한 앵커 증설 공법 설계를 위하여 수치 해석법을 개발하였다. 그리고 여러 계산을 실시하여, 최적의 타이로드 증설 위치와 증설 공 말뚝의 형식을 제안하였다.

2. 현재 앵커식 널말뚝 벽의 설계법

2장에서는 현재 일반적인 앵커식 널말뚝 벽의 설계법에 대하여 간단히 소개하였다. 2007년에 개정 된 [항만시설의 기술상의 기준·동 해설]에서는 앵커식 널말뚝 벽의 성능 조사법으로 고전 이론에 의한 1) Free earth support법 2) fixed earth support법 3) Rowe방법이 사용되고 있다. 2장에서는 이들 각각의 설계법에 대하여 소개하고 설명하였다.

3. 앵커증설에 의한 기존 널말뚝 벽의 부하저감 효과에 관한 모형 실험

안벽과 같은 구조물에서는 법선 직각 방향의 2차원 적인 거동이 탁월하나, 이러한 문제를 모형 실험으로 재현하는 경우 모형 지반 내에 응력상태가 토조 벽면의 마찰 영향을 받는다. 따라서 본 실험에서는 알루미늄 봉 적층체로 모형 지반을 구성하였다. 그림3에 모형 지반의 단면과 그림8에 널말뚝 모형을 나타낸다. 

모형지반제작 및 실험의 순서는 다음과 같다. 우선, 바닥면 프레임에 모형 널말뚝을 연직으로 설치하고, 그 두부를 고정한다. 그리고, 지반 모형의 최하층으로 모형 널말뚝의 측면 및 배면측의 바닥면 프레임에 직경 3㎜의 알루미늄 봉을 일렬로 설치하고 접착제로 고정한다. 이때 기존 앵커는 하중이 발생하지 않도록 모형 널말뚝에 접촉하여 둔다. 다음으로 모형 널말뚝 양측에 1.4m의 초기지반을 제작한다. 이어 2.4m까지 배후 지반을 작성한다. 베후 지반완성 후, 모형 널말뚝 두부의 고정과 널말뚝 벽 직립부의 강재 및 지지를 제거하고, 모형 지반을 완성하였다. 

배후 지반 완성 후, 증설 앵커를 설치하고, 재하를 시작하였다. 실험은 2종류의 강성 모형 널말뚝에 대하여 증설 앵커의 설치 높이를 바꾸어 3가지 종류 실시하였다.

실험에서는 증설앵커 재하에 의한 기존 앵커 하중의 저감 효과를 실험하였다. 이들 결과로부터 증설 앵커의 재하에 의한 기존 앵커하중이 저감되고, 증설앵커가 기존 앵커에 가까울수록 그 효과가 큰 것을 알 수 있었다.

모형실험에서는 앵커 증설시의 널말뚝 벽의 거동을 파악하는 것을 목적으로 실험결과를 기초로 기존 앵커 하중과 널말뚝 벽의 휨 모멘트의 저감 효과에 대하여 검토했다. 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.

-앵커 증설에 의하여, 널말뚝의 휨 모멘트 및 시존 앵커 하중 등의 기존 널말뚝 벽의 부하를 저감할 수 있었다.

-증설 앵커가 기존 앵커에 가까울수록 기존 앵커 하중의 저감 효과가 크다.

-최대 휨 모멘트의 저감과 널말뚝 직립부 전체의 휨 모멘트를 저감하기 위해서는 재하 전의 최대 휨 모멘트의 위치 또는 그 아래쪽에 증설 앵커를 설치하는 것이 가장 유리하다.

-한번, 증설 앵커에 큰 하중을 재하하여 소정의 하중까지 재하 하면, 재하할때 보다 하중을 뺄 때가 널말뚝의 휨 모멘트와 기존 앵커 하중이 저감되고 있다. 이것은 널말뚝 배면의 토압과 전단 응력 분포가 재하시와 하중 뺄 때와 다른 점이 설명 가능해진다.

4. 앵커 증설한 널말뚝벽의 거동해석법의 구축

이 장에서는 앵커공 증설 공법설계를 위한 수치해석 수법에 관하여 기술하였다. 해석법은 Takahashi, Kikuti등의 탄성 바닥상 보 이론의 수정식(2)을 기초로 구축하였다. 널말뚝 벽, 기존 공말뚝 및 증설 공말뚝의 전면 지반 저항은 Winkler model로 평가하였다.

4장에서는 모형 실험결과를 기초로, 현재의 항만 기준 모델을 수정하고, 앵커 증설 공법의 설계를 위한 모델을 제안, 수치해석 수법을 구축하였다. 제안 모델의 개략을 정리하면 다음과 같다.

-직립부 배면의 토압을, 널말뚝 벽 꼭대기부터 증설 타이로드 설치 점까지 직선분포, 증설 타이로드 설치 점 보다 깊은 곳에서 일정하게 되는 테이블형 분포가 되었다.

-근입부 배후의 토압 및 측면의 정지 토압에 의한 하중강도를, 해저면에서 타이로드 증설에 의한 증가를 고려한 배면 토압, 근입 하단에서 0이 되는 직선분포로 한다(그림5).

-근입부 측면의 지반 반력을 항만연구소식 S형 지반으로 평가한다.

5. 앵커를 증설한 널말뚝 벽의 시험 계산

실물 모형에 가능한 가까운 단면으로 타이로드 증설시의 널말뚝 벽의 거동에 관한 해석을 실시하고, 타이로드 증설에 의한 기존 널말뚝 벽의 부하 저감 효과에 대하여, 최적의 증설 타이로드의 설치 점 높이와 공 말뚝의 형식을 검토하였다. 더불어 널말뚝 벽 측면 수심의 준설에 대하여 타이로드 증설의 보강 효과에 대하여도 검토하였다.

검토결과는 실험결과와 일치하는 증설 타이로드 설치점 높이와 부하저감 효과의 크기의 관계가 알 수 있었다. 즉, 최대 휨 모멘트에 관하여는 타이로드 증설 전의 최대 휨 모멘트 위치에 타이로드를 증설 한 경우 기존 타이로드 장력에 대하여는 증설 타이로드 설치 높이가 높은 경우 그 저감 효과가 큰 것을 알 수 있었다. 더불어, 증설 타이로드를 경사시키면 어느 정도 이들 부하저감 효과는 손실되나, 이는 타이로드 증설에 의한 부하저감 효과에 비하여 매우 적다. 경사각 15°정도라면 문제가 되지 않는다. 증설 공말뚝의 형식에 대하여는 조합 말뚝의 부하저감 효과가 가장 컸으나, 단경사 말뚝으로도 직각 말뚝의 경우보다 부하 저감 효과가 상승하였다. 단, 증설 공말뚝 형식의 부하저감효과에의 영향은 증설 타이로드의 설치 점 높이에 비하여 작았다.

안벽 수심이 깊어졌을 때의 앵커 증설 보강 효과에 대한 검토에서는, 널말뚝 벽 측면의 고화처리와 병행함으로써, 근입 길이를 변화시키지 않아도 수심이 깊어진 후의 근입 길이가 확보되는 것을 알았다.

6. 결론

이 연구에서는 앵커 증설 공법의 설계법의 구축을 목적으로 하여, 모형실험을 실시하고, 실험결과를 고려한 수치해석 수법을 개발했다. 그리고, 시험 계산에 의해 최적의 증설 타이로드의 형식에 대하여 검토를 실시하였다. 결과는 다음과 같이 정리된다.

-앵커 증설에 의하여, 널말뚝의 휨 모멘트 및 기존 타이로드의 장력과 같은 기존 널말뚝 벽의 부하 저감 효과가 확인되었다.

-기존 타이로드에 대하여는 증설 타이로드의 설치점 높이가 높을수록 그 저감효과가 크다.

-모형 실험에서 얻어진 널말뚝 벽의 측면 지반의 지반 반력 분포와 배면 토압을 기초로 하여, 타이로드 증설시의 널말뚝 벽에의 작용을 모델화하고, 수치해석 수법을 구축하였다. -구축한 수치해석수법에 의한 해석 결과는 현재의 항만기준에 기재되어 있는 일반적인 앵커식 널말뚝 벽의 거동에 관한 데이터, 앵커를 증설한 널말뚝 벽의 실험 결과와의 적합성을 확인하였다.

-널말뚝 벽 측면 지반의 지반 반력의 모델화에 관하여는, 현재의 기준에 있는 모델보다, 축직각 방향력에 작용하는 말뚝의 거동 해석에 이용되는 항만연구방식 S형 지반으로 모델화 하는 것이 실험결과의 정밀도가 좋은 것을 알았다.

-타이로드 증설에 의한 앵커식 널말뚝 벽의 부하저감 효과에 대하여 수치해석에 의한 검토를 실시한 결과, 실험결과와 부합하는 증설 타이로드 설치점 높이와 부하저감 효과의 관계가 얻어졌다.

-타이로드를 경사시키면 부하저감 효과는 약간 손실된다.

-증설 공 말뚝 형식의 검토에서는 군말뚝의 부하저감 효과가 가장 컸으나, 단 경사 말뚝으로도 직각 말뚝 경우보다 부하저감 효과가 향상되었다.

-연안수심 증가 때의 앵커 증설의 보강효과에 관한 검토에서는 널말뚝 벽 측면의 고화처리와 병행하는 것으로 근입 길이를 변경하지 않아도, 준설 후의 근입 길이 깊이가 확보할 수 있음을 알았다.

7. 후기

기존 안벽의 유효 활용이라는 관점에서, 널말뚝 벽에 대하여도 보수에 의한 수명연장, 기능강화에 대한 요망은 지속적으로 요구될 것이다. 이러한 대책으로 이 연구에서는 기존 널말뚝 벽에 대하여 앵커 증설 공법을 대상으로 그 설계법의 구축을 위하여 검토를 실시하였다. 검토에서는 모형실험과 타이로드 증설시의 널말뚝 벽의 거동을 평가하기 위한 수치 해석을 개발하였다. 개발에서는 실험결과를 반영한 해석 모델을 도입하여 설계법에서는 전진하였다고 생각한다. 그러나, 증설 타이로드 설치 높이에서의 토압 증가분 등 현지에서 취득할 수 없는 파라메타 설정 방법에 대하여는 과제가 남아있다. 또한, 널말뚝 벽 측면의 고화 처리 등 항만연구방식에서는 C형 지반으로 평가해야 할 지반에의 대응이 과제로 남아 있는 등, 설계법의 검증, 고도화를 위하여는 현지 관측 데이터와의 비교도 필요할 것으로 사료된다.