KDS 설계기준 117015 비탈면 보강공법

2024년 07월 23일 건설엔지니어

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1. 일반사항

1.1 목적

본 기준은 비탈면 보강에 대한 일반적인 설계 기준과 설계 방법을 제시합니다.

1.2 적용범위

본 기준은 비탈면 보강을 위한 네일, 록볼트, 억지말뚝의 설계에 적용됩니다.

1.3 참고 기준

1.3.1 관련 법규

내용 없음

1.3.2 관련 기준

KDS 11 90 00 비탈면 내진설계기준
KDS 14 20 00 콘크리트구조기준

1.4 용어의 정의

내용 없음

1.5 기호의 정의

내용 없음

1.6 해석과 설계 원칙

1.6.1 네일

(1) 설계 원칙

네일의 설계 목표는 네일로 보강된 비탈면의 장기적인 파괴에 대한 안정성을 확보하는 것입니다.
네일로 보강된 비탈면은 설계 수명 기간 동안 보강된 비탈면의 변형과 파괴, 네일 구성 요소의 파손이 발생하지 않아야 합니다.
네일의 간격과 길이는 네일로 고정되는 비탈면의 전체적인 안정성을 고려하여 결정하며, 적절하게 분산 배치하여 지반에 고른 저항력이 발휘되도록 설계합니다.
네일을 설치하는 지반 내에 구조물, 말뚝, 또는 지중시설이 있는 경우에는 이 시설물들의 위치를 고려하여 네일을 배치하여야 하며, 네일 설치로 인한 영향을 고려해야 합니다.
지반 조건이 네일의 적용에 적합하지 않을 경우에는 가급적 적용하지 않아야 하며, 적용 시에는 각각의 적용 제한 조건에 대한 보완 방안을 고려한 후에 적용해야 합니다.

(2) 내진 설계 여부

네일로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00 내진설계기준을 참고합니다.
네일로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 KDS 11 90 00 내진설계기준을 참조합니다.

1.6.2 록볼트

(1) 설계 원칙

록볼트는 보강이 필요한 부분의 상태 또는 규모에 따라 보강되는 부분의 안정성이 확보되도록 랜덤 볼트 또는 패턴 볼트 형식 등으로 설계합니다.
록볼트는 현장 용접이나 이음재를 이용하여 연결되는 부분이 최소가 되도록 합니다.
지반 조건이 록볼트의 적용에 적합하지 않을 경우에는 가급적 적용하지 않아야 하며, 적용 시에는 각각의 적용 제한 조건에 대한 보완 방안을 고려한 후에 적용해야 합니다.

(2) 내진 설계 여부

록볼트로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00 내진설계기준을 참고합니다.
록볼트로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 KDS 11 90 00 내진설계기준을 참조합니다.

1.6.3 억지말뚝

(1) 설계 원칙

억지말뚝은 설계 수명 기간 동안 보강된 비탈면의 파괴, 변형 및 억지말뚝 구성 요소의 파손이 발생하지 않아야 합니다.
억지말뚝은 파괴토체의 중간 위치 또는 하부 위치에 파괴토체의 이동 방향에 직각되는 방향으로 열을 이루며 설치합니다.
파괴토체의 범위가 큰 경우에는 파괴토체 중간에 여러 열의 억지말뚝을 설치하여 안정성을 증대시킬 수 있습니다. 또한 1열의 억지말뚝으로 파괴토체의 활동력을 억제하지 못하는 경우는 2열~3열의 억지말뚝을 군말뚝 형태로 설치할 수 있으며, 이때는 억지말뚝의 머리 부분을 강결시켜 일체화되게 거동시킵니다.
억지말뚝 두부의 횡방향 변위를 억제시키기 위하여 앵커를 이용할 수 있으며, 이때 앵커는 예상 파괴면 하부의 지지층에 정착시켜야 합니다.

(2) 내진 설계 여부

억지말뚝으로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00 내진설계기준을 참고합니다.
억지말뚝으로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 KDS 11 90 00 내진설계기준을 참조합니다.

2. 조사 및 계획

내용 없음

3. 재료

3.1 일반사항

내용 없음

3.2 재료 특성

3.2.1 네일

네일 재료는 KS에 규정된 이형봉강 및 강봉 등의 강재를 사용하며, 이외의 재료에 대해서는 공인시험기관에서 시험하여 인증된 재료로 품질이 보증된 것을 사용합니다.
네일 재료는 부식에 강한 재료 또는 구조를 가진 것을 사용해야 합니다.
설계에서 적용하는 네일의 설계 인장 강도는 부식 및 나사 가공에 의한 단면 감소 등을 고려한 장기 허용 인장 강도를 사용합니다.
정착판은 네일에 발생하는 하중을 장기적으로 견딜 수 있는 재료를 사용합니다.

3.2.2 그라우트

그라우트는 필요한 강도와 내구성을 갖고 네일과 천공 지반 사이의 틈을 꽉 채울 수 있는 성질을 갖고 있어야 합니다.
그라우트는 KS L 5201에 규정된 보통 포틀랜드 시멘트 또는 조강 포틀랜드 시멘트를 사용합니다.

3.2.3 록볼트

록볼트 재료는 KS에 규정된 이형봉강 및 강봉 등의 강재를 사용하며, 이외의 재료에 대해서는 공인시험기관에서 시험하여 인증된 재료로 품질이 보증된 것을 사용합니다.
비탈면 보강용 록볼트는 일반적으로 인장재로 간주하므로 지반의 급격한 붕괴를 방지하기 위해서 인장 강도가 큰 것을 사용합니다. 록볼트를 장기적으로 적용하는 경우는 부식 저항성이 큰 재료를 사용합니다.
정착판은 록볼트를 암반과 밀착시키는 역할을 하는 부재로 록볼트에 발생하는 하중을 장기적으로 견딜 수 있는 재료를 사용합니다.

4. 설계

4.1 네일

4.1.1 설계 일반사항

네일의 설계는 다음 항목을 고려하여 실시해야 합니다.
- 네일 보강 비탈면의 전체 안정성
- 네일의 내적 안정성
- 전면 벽체 및 정착판
- 배수 시설

4.1.2 네일 보강 비탈면의 전체 안정 해석

네일 보강 비탈면의 안정 해석 방법은 파괴면에서의 네일에 의한 저항력을 고려하여 안정 해석을 실시합니다.
네일로 보강된 비탈면에서 발생하는 파괴면의 형태는 원호, 이중 쐐기, 단일 쐐기 등으로 가정할 수 있으며, 지반 조건 및 하중 조건에 따른 예상 파괴 형태를 신중히 고려하여 해석에서 사용하는 파괴면의 형태를 결정합니다. 기존 파괴된 비탈면인 경우는 실제 파괴 형태와 범위를 고려하여 결정합니다.
파괴면에서 보강재의 저항력은 내적 안정 해석에서 계산한 인장력과 인발 저항력의 최솟값으로 하며, 휨이나 전단 저항의 역할이 확실하다고 판단된 경우에는 이를 고려할 수 있습니다.
안정 해석은 네일로 보강된 구간의 내부와 외부로 발생하는 모든 형태의 파괴 형태에 대하여 안정하도록 네일의 길이와 간격을 조절하면서 반복적으로 수행합니다.

4.1.3 네일의 내적 안정 해석

네일의 내적 안정 해석은 다음 내적 파괴 형태를 고려합니다.
- 네일 재료 자체의 파단
- 파괴면 바깥쪽의 저항 영역에 근입된 네일의 인발 파괴
네일의 내적 안정 해석에서는 각각의 내적 파괴 모드에 대하여 저항력을 구하고 이 값 중에서 최솟값을 최대 인발 저항력으로 합니다.
네일의 전단 저항력을 고려하는 경우에는 최대 인발 저항력이 발휘될 때 네일 내부에 발휘되는 전단력을 최대 전단력으로 합니다.
전면 벽체 없이 정착판만으로 네일을 시공하는 경우에는 정착판이 비탈면의 변위에 저항할 수 있도록 정착판의 크기를 결정해야 합니다.

4.1.4 전면 벽체의 설계

전면 벽체의 설계는 KDS 14 20 00을 참조하여 (4)에서 구한 하중에 하중 계수를 고려하여 다음의 항목을 검토합니다.
- 전면 벽체 자체의 휨 파괴
- 네일 두부의 주변 전면 벽체에 발생하는 국부적인 전단 파괴
전면 벽체는 네일 두부 부근의 지표면 유실을 방지하고 네일 두부에 작용하는 인장력과 토압에 저항하는 중요한 구조물이므로 전면 벽체는 네일과 구조적으로 일체가 되도록 설계해야 합니다.
전면 벽체의 설계는 네일 두부에 작용하는 인장력과 전면 벽체 배면에 작용하는 토압 등에 대한 힘의 평형 조건을 만족해야 합니다. 이때 전면 벽체에 가해지는 하중은 전면 벽체 배면에 균등하게 작용하는 것으로 하며, 전면 벽체의 보강 효과는 보강 비탈면 안정 해석 시 고려하지 않습니다.
네일 1개당 전면 벽체에 작용하는 하중은 네일의 설계 인장력()에 전면 벽체 형식에 따른 저감 계수()를 곱한 값과 전면 벽체 1개에 작용하는 주동 토압의 크기()를 비교하여 큰 값을 적용하며, 전면 벽체의 단위 면적당 작용하는 하중()는 식(4.1-2)와 같습니다.

: 네일 1개당 전면 벽체에 작용하는 토압의 크기(kN) : 네일 1개의 설계 인장력(kN) : 전면 벽체 형식에 따른 저감 계수 : 네일 1개당 전면 벽체에 작용하는 주동 토압의 크기(kN) : 전면 벽체의 단위 면적당 작용하는 토압(kN/m2) : 네일의 수직, 수평 간격(m)
- 네일 1개당 전면 벽체에 작용하는 토압의 크기는 다음과 같이 계산합니다.
  = max( , )
- 전면 벽체의 단위 면적당 작용하는 토압은 다음과 같이 계산합니다.
  = /
전면 벽체 없이 정착판만 설치하는 경우에는 네일 주변 지반의 국부적인 전단 파괴가 발생할 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요합니다.

4.1.5 배수 시설

전면 벽체는 수압의 영향을 고려하지 않으므로 네일 공법은 반드시 배수 시설을 고려해야 합니다. 배수 시설의 설치는 계절적인 지하수위와 지표에서의 침투, 상부 배수 시설로부터의 누수가 발생하더라도 원활한 배수가 되도록 해야 합니다.
네일 공법에 적용하는 배수 시설의 종류는 다음과 같습니다.
- 배수 구멍 (weephole)
- 수평 배수공
- 전면 벽체 배면에 설치하는 수직 배수재
- 전면 벽체 상부에 표면수 유입을 위해 설치하는 배수로

4.1.6 내진 설계 여부

네일로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00의 비탈면 내진 등급을 참고합니다.
네일로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 4.4 및 KDS 11 90 00을 참조합니다.

4.2 록볼트

4.2.1 일반사항

록볼트로 보강된 비탈면의 안정 해석은 불안정한 구간을 안정화시키기 위한 록볼트의 소요 개수를 검토하며, 록볼트의 저항력은 파괴면과 이루는 각도를 고려하여 결정합니다.

4.2.2 록볼트 보강 비탈면의 안정 해석

록볼트 길이는 탈락이 예상되는 암반 구간을 안정시킬 수 있도록 여유 있게 결정합니다.
록볼트의 설치 수량은 보강하고자 하는 암괴의 크기를 고려한 평형 조건으로부터 소요 보강력을 구하고 기준 안전율을 고려하여 필요한 개수를 산정합니다.

4.2.3 내진 설계 여부

록볼트로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00을 참고합니다.
록볼트로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 4.4 및 KDS 11 90 00을 참조합니다.

4.3 억지말뚝

4.3.1 설계 일반사항

억지말뚝으로 보강된 비탈면의 안정 해석에 적용하는 안전율 기준은 표 4.3-1과 같습니다. 지진 시의 안정성은 보강되기 전의 비탈면 내진 설계 기준을 따릅니다.

| 구분 | 검토 항목 | 안전율 |
|—|—|—|
| 외적 안정 | 억지말뚝으로 보강된 비탈면의 전체 안정성 | 쌓기 및 깎기 비탈면에서 적용하는 안전율 적용 |
| 내적 안정 | 모멘트에 대한 안정성 | 2.0 |
| | 전단력에 대한 안정성 | 2.0 |
| | 수동 파괴에 대한 안정성 | 2.0 |

4.3.2 억지말뚝의 안정 해석

억지말뚝의 안정 해석은 다음 항목을 고려하여 실시합니다.
- 억지말뚝 보강 비탈면의 전체 안정성
- 억지말뚝의 내적 안정성 (모멘트, 전단)
- 수동 파괴에 대한 안정 해석
억지말뚝의 허용 단면력
- 억지말뚝은 모멘트와 전단력으로 비탈면의 대규모 활동력에 저항하므로 휨 강성이 크고 장기적인 내구성 및 부식에 저항을 가진 재료와 구조를 사용하며, 허용 단면력은 말뚝의 항복 응력, 전단 강도 및 단면 계수를 사용하여 계산합니다.
- 두 가지 이상의 재료를 사용한 합성 단면의 억지말뚝은 각 재료의 변형 특성과 면적비를 고려하여 저항 모멘트와 전단 저항력을 계산합니다.
억지말뚝의 내적 안정 해석
- 억지말뚝의 내적 안정 해석은 모멘트와 전단력에 대한 안정성을 검토하며 다음의 기준 안전율을 만족해야 합니다.
  : 저항 모멘트 : 전단 저항력 : 억지말뚝 내에 발생하는 최대 모멘트 : 억지말뚝 내에 발생하는 최대 전단력
- 억지말뚝 배면의 파괴 토체가 횡방향 반력을 발휘하는 경우는 파괴면에서 최대 전단력()이 발생한다고 가정하고 탄성 지반상의 보에 대한 탄성 해를 구하여 최대 모멘트()를 계산합니다.
- 억지말뚝 배면의 파괴 토체가 횡방향 반력을 발휘하지 않는 경우는 억지말뚝을 캔틸레버로 가정하고 탄성 지반상의 보에 대한 탄성 해를 구하여 최대 전단력과 최대 모멘트를 계산합니다. 이때 최대 전단력과 최대 모멘트의 작용 위치는 파괴면 하부에 위치합니다.
수동 파괴에 대한 안정 해석
- 억지말뚝은 말뚝 주변 지반의 수동 토압으로 저항하므로 주변 지반이 항복 상태에 도달하는지 여부를 검토합니다.
- 안정 해석은 말뚝에 작용하는 최대 전단력보다 수동 토압이 크면 안정한 것으로 간주하며, 다음 식을 만족해야 합니다.
  : 억지말뚝 주변의 수동 토압 : 말뚝의 최대 수평력
억지말뚝 보강 비탈면의 안정 해석
- 억지말뚝 보강 비탈면의 안정 해석 방법은 비탈면의 파괴 형태에 따라 파괴면에서의 억지말뚝에 의한 저항력을 고려하여 실시합니다.
- 억지력은 말뚝의 전단 저항력에 의해 발휘되는 것으로 간주하며, 억지말뚝의 설치 방향과 파괴면의 방향을 고려하여 파괴면에 작용시킵니다.
- 억지력은 파괴에 저항하는 힘의 증가로 고려하며, 파괴 활동력의 감소로 고려하지 않습니다.
말뚝 간격과 근입 길이
- 억지말뚝의 설치 간격은 말뚝 사이로 파괴 토체가 빠져나가지 않아야 하고, 말뚝에 발생하는 최대 모멘트와 최대 전단력이 각각 말뚝 부재의 저항 모멘트와 전단 저항력을 초과하지 않도록 결정합니다.
- 억지말뚝은 파괴면 하부에 연직 및 횡방향 지지력이 확보되는 깊이까지 충분히 근입시켜야 합니다.

4.3.3 내진 설계 여부

억지말뚝으로 보강된 비탈면의 내진 설계는 보강되지 않은 비탈면의 내진 설계 여부에 따라 결정하며, KDS 11 90 00의 비탈면 내진 등급을 참고합니다.
억지말뚝으로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석은 4.4 및 KDS 11 90 00을 참조합니다.

4.4 지진 시 안정 해석

4.4.1 네일

지진 시 네일로 보강된 비탈면의 안정 해석에서는 내적 안정과 외적 안정성을 검토합니다.
네일로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석에서 고려하는 지진 하중은 파괴 토체의 자중과 지진 계수()를 곱한 등가 지진력으로 고려하며, 파괴 토체의 중심에 횡방향으로 작용시킵니다.
지진에 의한 지진 계수는 KDS 11 90 00 (1.6.5)에서 제시하는 유효 수평 지반 가속도(S)를 이용하여 산정합니다.

4.4.2 록볼트

지진 시 록볼트로 보강된 비탈면의 안정 해석에서는 외적 안정성을 검토합니다.
록볼트로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석에서 고려하는 지진 하중은 파괴 토체의 자중과 지진 계수()를 곱한 등가 지진력으로 고려하며, 파괴 토체의 중심에 횡방향으로 작용시킵니다.
지진에 의한 지진 계수는 KDS 11 90 00 (1.6.5)에서 제시하는 유효 수평 지반 가속도(S)를 이용하여 산정합니다.

4.4.3 억지말뚝

지진 시 억지말뚝으로 보강된 비탈면의 안정 해석은 지진 하중으로 증가되는 활동력을 억지말뚝으로 저항시키기 위해 수행합니다.
억지말뚝으로 보강된 비탈면의 지진 시 안정 해석에서 고려하는 지진 하중은 파괴 토체의 자중과 지진 계수를 곱한 등가 지진력으로 고려하며, 파괴 토체의 중심에 횡방향으로 작용시킵니다.
지진에 의한 지진 계수는 KDS 11 90 00 (1.6.5)에서 제시하는 유효 수평 지반 가속도(S)를 이용하여 산정합니다.

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