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과제기본정보

펄스파워를 이용한 확공형 앵커공법 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 건설기술연구사업 과제번호 07CCTI-C043454-02
국가과학표준분류 1순위 건설·교통 | 시공·재료·건설관리 기술 | 공법 개발·활용계획 적용분야 -
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 응용
과제명 펄스파워를 이용한 확공형 앵커공법 개발
주관연구기관 (주)대우건설
총괄연구 책임자 성명 김태훈
소속 (주)대우건설 직위 -
기관 대표번호 02-2288-2222 FAX 031-250-1132
총 연구기간 2006-12-20 ~ 2009-12-16
당해연도 연구기간 2007-08-17 ~ 2008-06-16

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 143,000,000 32,500,000 22,500,000 55,000,000 198,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 o 그라운드 앵커공법은 토목구조물이나 건축 구조물을 지반에 정착시키기 위해 고강도의 강봉 혹은 강선에 긴장력을 도입하여 횡 또는 연직방향으로 구조물을 지반에 구속시켜 구조물 또는 주변지반의 변형을 억제하기 위하여 이용되는 공법임.

o 앵커공법은 최근 지하철, 광역 상하수도, 대형 빌딩 및 지하 주차장, 지하 쇼핑몰 및 지하 편이 시설 등을 건설하기 위한 대규모 도심지 굴착 및 흙막이공사에 활발히 적용되고 있으며, 해마다 반복되는 사면재해를 방지하기 위하여 많은 절토 및 성토사면의 보강공사에 활발히 적용되고 있음.

o 기존 앵커공법의 경우, 정착지반이 토사지반이거나 연약할 경우에는 앵커와 지반사이 주면마찰저항이 작아 소정의 설계 앵커력을 확보하지 못하게 되는 경우가 빈번함. 따라서, 시공시 앵커 간격을 좁히거나 앵커 자유장을 훨씬 연장하여 비교적 단단한 지반 혹은 암반에 정착시키고 있으므로, 천공깊이 및 앵커체 길이의 증가 그리고 앵커공 간격의 감소로 인하여, 총 공사비의 증가가 상당한 실정임.

o 또한, 기존의 앵커공법은 충분한 인발 저항력을 발휘하기 위해 깊은 곳까지 시공하다보니 인접 대지를 침범하는 경우가 빈번함. 하지만, 최근 국민생활의식 수준의 향상으로 환경 및 공해에 대한 관심이 높아지면서 소음 및 진동 그리고 대규모 굴착에 의한 사유지 침범 및 피해에 대한 민원제기가 잇따르고 있음.

o 국내외적으로 토사 및 연약지반에서 보다 큰 극한인발력을 확보하기 위한 방법으로 굴착식 확공형 앵커공법, 가압 그라우팅 공법 및 헬리컬 앵커공법 등 다양한 방법들이 시도되고 있으나 그 효과가 크지 않아 기존 무압 그라우팅 앵커공법에서 얻어진 극한인발력을 크게 개선시키지 못하고 있음.





o 기존 앵커공법의 문제점을 극복하기 위해 토사지반에서 앵커 극한인발력을 극대화시켜 구조물의 안정성을 확보하고 공사비용을 절감시킬 수 있는 공법 개발이 절실히 요구되고 있음. 향후, 서해안 시대의 개막으로 영종도 신공항, 월미도 및 새만금 방조제 내부에 고층빌딩 및 대규모 산업시설이 건설 중이거나 건설될 예정에 있어 연약지반에서 대규모의 굴착 및 흙막이공사가 빈번하게 이루어질 것으로 예상됨.

o 따라서, 본 연구에서는 펄스파워(Pulse power)라는 전기공학적인 기술을 도입하여 높은 압력에 의해 지반을 확공 및 다짐시킴으로써 굴착에 의해 느슨해진 지반을 원지반 이상으로 개선시키고, 천공 직경보다 큰 여러 개의 구근을 형성함으로써 지반과 앵커체와의 마찰 및 지압효과를 동시에 발현시켜 토사지반 및 연약지반에서의 앵커인발력을 증대시킬 수 있는 경제적인 앵커공법을 개발하고자 함.
최종목표 본 연구는 “펄스파워를 이용한 지반확공형 다구근 그라운드 앵커 공법 개발”에 관한 것으로서 기술적 목표를 달성하게 되면 향후 3년 후 다음과 같은 정량적 연구목표를 달성할 수 있을 것으로 기대됨.

1) 펄스방전 및 충전시스템 개발 / 실용화
2) 펄스파워에 의한 복합형(지압+마찰) 앵커 설치공법 개발
3) 앵커에 관한 설계, 시공 및 유지관리 지침 개발

o 최종목표를 달성하기 위한 단계별 목표
1) 1단계 : 펄스앵커 기반기술 개발
- 펄스파, 전달매질 등에 따른 펄스압의 크기와 인발파괴에 영향을 미치는 인자들에 대한 요소실험을 실시하고, 펄스방전에 따른 지반의 변형특성을 규명하기위한 수치해석 및 모형실험에 대한 기초 이론 연구.
2) 2단계 : 펄스앵커 실용화기술 개발
- 앵커공법에 적용할 수 있도록 펄스파워시스템을 개발하고, 확공된 앵커의 인발거동을 실대형실험과 수치해석으로 앵커와 지반과의 거동특성을 규명함으로써 설계식 개발
3) 3단계 : 펄스앵커 설치공법 개발 및 지침 개발
- 현장적용을 통하여 개발된 펄스방전장치와 설계식을 검증 보완하여 공법을 완성시키고, 장치의 실용화를 도모함. 3차년도에 걸쳐 설계, 시공 및 유지관리 지침을 개발하여 제 기준을 마련
연구내용 및 범위 본 연구에서는 토사지반 및 연약지반에서 적용성이 뛰어난 앵커공법을 개발하는 것이 최종 성과물이며, 다음과 같이 6가지 세부목표로 구성

1. 펄스방전 메커니즘 규명
2. 펄스파워시스템 개발
3. 펄스방전 지반변형 및 개발특성 규명
4. 확공앵커 인발파괴 메커니즘 규명
5. 확공앵커 설계, 시공 및 유지관리지침 개발
6. 현장적용 및 시공법 개발

각각의 세부목표에 대한 연구내용 및 범위

1. 펄스방전 메커니즘 규명
- 펄스압에 관한 영향인자 이론연구
- 실험체 제작. 구형 세라믹 토조제작. 방사형으로 압력센서 부착. 펄스방전시 압력소실을 막기위한 캡제작.
- 모형실험에 의한 펄스방전, 펄스파, 매질 등에 따른 펄스압 규명. 위치와 거리에 따른 압력을 측정하여, 에너지 전달율을 산정.

2. 펄스파워시스템 개발
- 펄스방전장치(전달장치, 방전장치, 선단장치) 개발
: 앵커천공직경에 맞는 선단장치 개발. 다단방전이 가능하도록 방전극 위치 결정 및 제작. 장비의 소형화
- 펄스충전시스템(Capacity, Power supply, 연결부) 개발
: 고열을 견딜 수 있는 연결장치(케이블)와 파워장치 개발. 반복 방전이가능하도록 충전장치 개발.

3. 펄스방전에 의한 지반변형 및 개량특성 규명
- 펄스압에 따른 지반별 확공률 규명 및 변형특성 규명
: 지반확공에 영향을 미치는 인자 연구
: 모형토조 제작. 펄스압, 지반조건 방전횟수 등에 따른 확공율 측정.
: 대상 지반 재료의 구성 모델 적용성 검토 및 펄스 방전으로 인한 지반 변형에의 적용 가능성 파악. 주변 지반에 유발되는 응력 및 변형 분석을 통한 지반거동 특성 파악


- 펄스방전에 따른 개량특성 규명
: 실내실험(전단강도, 투수실험). 연약지반, 모래, 풍화토 지반 및 다층 지반 등 다양한 지반 조건에서 펄스방전에 의한 지반개량특성 규명. 펄스방전의 위치, 크기, 횟수 등이 지반개량특성에 미치는 영향 파악

4. 확공앵커의 인발파괴 메커니즘 규명 및 설계식 개발
- 실내실험 및 실대형 실험을 통한 인발파괴 영향인자 규명
: 앵커에 계측기를 장착. 실내 모형 시험을 통해 사질토 지반에서 다양한 상대밀도에 따라 직선 모형앵커와 확공형 모형앵커의 하중전이특성을 파악
- 수치해석을 통한 앵커-구조물 인발 및 거동특성 규명
: 인발에 따른 앵커의 마찰 및 선단 지지력의 발현 분석
실내 및 실대형 실험과의 비교 분석을 통한 설계식 개발 모색
수치해석을 통한 설계식의 적용성 파악 및 보완
다구근의 위치, 형상 등이 인발 거동에 미치는 영향 파악
- 설계식 개발
: 수치해석, 실내모형실험, 실대형실험을 통한 설계식 개발
현장시험을 통한 설계식 검증 및 보완

5. 앵커 설계, 시공, 유지관리 지침개발
- 앵커 설계, 시공지침개발
: 설계 및 시공시 유의사항 및 점검사항 제시
공법의 적용성 및 적용한계 기준 제시
공법의 경제성 및 선정기준제시/공법의 설계일반
- 앵커구조물 유지관리 지침개발
: 국내외 앵커의 유지관리 기준의 비교분석
국내 현장의 설계?시공시의 문제점 파악
공법의 안정성 검토를 위한 계측 시스템에 대한 기준 정립

6. 현장적용 및 공법 검증
- 장비 검증 및 보완
: 시험시공을 통하여 장비의 검증 및 보완
- 현장시험을 통한 펄스앵커 공법 검증
: 시험시공 및 공법검증
현장 시험, 계측 및 분석을 통하여 설계식 검증 및 보완
확공앵커 공법 검증 및 보완
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 확공앵커 실용화 기술 개발 o 펄스파워 시스템 개발
- 펄스방전, 충전시스템 설계
- 제작 및 실험 - 주입재료 특성 규명
o 인발파괴 메커니즘 규명 및 설계식 개발
- 실대형 실험을 통한 인발파괴 메커니즘 규명
- 앵커-구조물 거동해석 - 확공앵커 인발저항에 관한 설계식 개발
o 펄스방전에 의한 확공율 및 지반개량특성 분석
- 지반개량 앵커 조사 및 분석
- 펄스방전에 의한 지반개량효과 분석
o 앵커공 설계 시공 및 유지관리 지침 도출을 위한 연구
연구성과 기술적 기대성과 o 다양한 지반 적용성(토사지반, 연약지반)
- 기존앵커공의 문제점
기존의 앵커 천공홀을 확대시키기 위한 방법의 하나로 확공 비트를 이용하여 앵커 정착장 내에 여러 개의 구근을 형성시켜 앵커 극한인발력을 증대시키는 방법이 주로 시공되고 있으나 천공 후 천공홀이 그대로 형성될 수 있는 단단한 점토지반에서만 적용이 가능하므로 연약지반이나 사질토 지반에서는 천공홀의 붕괴에 따른 시공의 한계로 적용에 한계가 있음.
- 펄스앵커의 성과
앵커공법은 전기적 충격으로 지반 자체의 다짐에 의한 지반개량 효과가 있어 연약한 지반의 전단강도, 지지력의 증가뿐만 아니라 주면에 작용하는 주면마찰력도 크게 향상시킬 수 있는 공법이므로 다양한 지반조건에 적용이 가능

o 큰 인발저항력 확보
- 기존 앵커공의 문제점
JSP그라우팅 공법과 앵커공법을 접목시킨 JSP앵커공법, 팩커를 이용한 가압그라우팅 공법 등 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 그 효과가 크지 않아 기존 무압그라우팅 앵커공법에서 얻어진 극한인발력을 크게 개선시키지 못하고 있는 실정
- 펄스앵커의 성과
가압과 그라우팅의 두가지 효과를 가지고 있어 기존의 공법들과 비교 상대적으로 높은 극한 인발력을 확보 가능
사회 경제적 파급효과 o 연약지반 적용성 증대된 앵커 흙막이 공법 개발
- 기존 앵커공의 문제점
최근에 연약지반에서 앵커 하중을 증대시키기 위해 개발된 방법들은 근본적으로 지반 자체를 개선시키는 공법이 아니므로 기존 앵커공법에 비해 공사비를 크게 절감시키지 못하고 있음
- 펄스앵커의 성과
지반-그라우트 주면마찰저항의 증대로 앵커 수평간격을 상당히 넓힐 수 있어 큰 앵커 공사비 절감효과를 얻을 수 있을것으로 기대되며, 따라서 펄스파워를 이용한 확공형 앵커공법 개발은 토목 분야에 경제적으로 높은 가치 창출을 이끌 것으로 여겨지며 산업적 측면에선 흙막이 공사의 경쟁력을 향상시킬 수 있을 공법으로 기대됨.
o 경제성 있는 앵커공법 개발
- 기존 앵커공의 문제점
하중분산압축형 앵커체를 이용한 방법은 하중분산을 위한 추가의 인장재 및 별도의 긴장방법과 기술이 필요하고 JSP앵커공법 및 팩커를 이용한 가압그라우팅 공법 역시 고가의 장비가 투입되어 시공되고 있으나 이들 모두 극한인발력 증대 효과를 발휘하지 못하고 있음.
- 펄스앵커의 성과
펄스방전장치 이외의 별다른 고가의 장비나 앵커체를 사용하지 않더라도 인발저항력을 효과적으로 발휘할 수 있기 때문에 경제적으로 많은 절감의 효과가 있을 것으로 기대됨.
o 환경친화적 앵커공법 개발
- 기존 앵커공의 문제점
토사지반에서의 자유장의 증가로 인하여 근접시공에서 문제점이 노출되어 최근 민원제기가 증가
- 펄스앵커의 성과
친 환경적이며 펄스 파워를 이용한 앵커 설치 공법은 앵커 시공시 문제시 되었던 지반과 앵커의 부착력 감소, 연약지반에서의 시공 불량 등의 문제점을 개선할 수 있는 공법으로 기술개발이 완료되면 앵커의 길이를 줄임으로써 근접시공시 효과
활용방안 o 신시장(Blue Ocean) 개척
- 앵커공법의 경우 수많은 유사 공법이 있어 기존 시장 진출이 어려울 것으로 예상되나 국내 대규모 산업 시설 건설에 계속적인 사용을 통해 안정성과 비용 절감 효과를 객관적으로 입증한 후 이를 바탕으로 건설시장의 세계화 추세 속에서 해외건설시장의 진출규모를 확대시킬 수 있는 기회를 제공
o 타분야 적용가능성
- 현재 국내의 대부분의 말뚝 공법은 소음과 진동 때문에 선 천공후 기성 말뚝을 설치하는 매입말뚝 공법이 주류를 이루고 있으나, 이러한 공법은 천공시 지반의 교란 및 이완을 필연적으로 수반하므로 충분한 주면 지지력을 고려할 수 없음. 펄스파워를 이용할 경우 순간적인 펄스파워에 의해 발생된 충격파가 매질을 통해 지반에 전달되어 천공벽을 확장시키면서 다짐을 통해 주면 지지력을 충분히 키울 수 있으므로 본 펄스 기술공법을 향후 말뚝기초에 적극적으로 적용하면 충분한 시장을 확보할 수 있을 것으로 전망
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 펄스파워 지반개량 확공형앵커 인발 저항력 연약지반
영문 Pulse Power GroundImprovement Expanded Anchor PulloutCapacity Soft Ground
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