수치해석을 이용한 압축 분산형 앵커의 내하체 최적 간격 산정

Evaluation of Optimum Spacing between Anchor Bodies of Distributive Compression Anchor Using Numerical Simulation

Abstract

압축 분산형 앵커는 여러 개의 내하체를 이용하여 그라우트에 발생하는 압축응력을 분산시키고 앵커 인장력을 증가시키는 앵커이다. 압축 분산형 앵커의 경우 내하체 사이의 간격이 그라우트 응력에 큰 영향을 미친다. 그러나, 현재까지 내하체 간격에 대한 연구가 매우 부족하며 설계기준 또한 제시되어 있지 않은 실정이다. 그러므로, 본 연구에서는 유한요소 수치해석을 수행하여 내하체 간격이 그라우트 응력분포에 미치는 영향을 분석하였다. 우선, 압축형 앵커에 대해 수행된 현장 재하시험 결과와 비교하여 수치모델링의 적용성을 검증하였다. 그리고, 지반조건, 내하체 간격, 하중크기 등을 변화시키는 변수 연구를 수행하였다. 해석결과, 내하체 간격이 좁아지면 그라우트 최대 압축응력이 증가하며, 내하체 간격이 넓어지면 그라우트에 인장응력이 발생하였다. 그러므로, 그라우트 내 압축응력의 중첩과 인장응력 발생을 최소화하는 내하체 간격을 최적간격으로 정의하고, 지반조건과 하중크기에 따른 최적간격을 제시하였다.

Load distributive compression anchors distribute the compressive stress in the grout and increase the pull-out capacity of the anchor by using multiple anchor bodies. In this anchor type, the spacing between the anchor bodies has a large influence on the stress in the grout. However, there are few researches about the spacing and there are no design standards. Therefore, the effect of the anchor body spacing on the grout stress was analyzed by performing finite element analyses. First, the applicability of the numerical modeling was verified by comparing with field test results of a compression anchor. Then, the parametric study was performed varying soil type, anchor body spacing, and load magnitude. The analysis results showed that the maximum compressive stress in the grout increased at the narrower spacing and the tensile stress developed at the wider spacing. Therefore, the optimum spacing was defined as the spacing, which prevents the superposition of compressive stresses and minimize the tensile stress. Finally, the optimum spacing was proposed according to the soil type and the load magnitude.

Fig. 1. Stress distribution in the grout (adapted from Samwoo Anchor Technology 2012)

Fig. 2. Stress distribution in the grout corresponding to anchor spacing

Fig. 3. Schematic diagram of numerical modeling

Fig. 4. Load-movement curves at anchor head

Fig. 5. Axial load distribution in grout

Fig. 6. Anchor modeling and element meshes

Fig. 7. Axial stress distribution in the grout (weathered soil, Q_L=215.3 kN)

Fig. 8. Maximum compressive and tensile stresses in the grout (0.8×Q_L)

Fig. 9. Axial stress distribution in the grout (spacing=1.5 m, Q_L=215.3 kN)

Fig. 10. Axial stress distribution in the grout according to pull-out load in weathered rock

Fig. 11. Optimum spacing of anchor bodies

Table 1. Input soil properties (adopted from Kim et al., 2007)

Table 2. Input properties of grout and anchor body

Table 3. Analysis cases

Table 4. Input soil properties (Seoul Metropolitan City, 2006)

Table 5. Input properties of grout

Table 6. Maximum pull-out load