Optimization of Soil-Nailing Designs Considering Three Failure Modes

Soil-nailing is the most popular method of reinforcing for slope stability. In general, two factors are considered as failure modes during the soil-nailing design stages: pullout failure mode and shear failure mode that will occur on the most probable failure plane. In many cases, however, shallow failure can also occur when the ground near the slope face is swept away by the horizontal stress release during the staged top-down excavation. In this paper, an optimized soil-nailing design methodology is proposed by considering the three failure modes mentioned above: pullout failure; shear failure; and shallow failure. The variables to be optimized include the bonded length and number of soil-nailings, and the confining pressure that should be applied at the slope face. The procedure to obtain the optimized design variables is as follows: at first, optimization of soil-nailings, i.e. bonded length and number, against pullout and shear failure modes; and then, optimization of confining pressure at each excavation stage that is needed to prevent shallow failure. Since the two processes are linked with each other, they are repeated until the optimized design variables can be obtained satisfying all the constrained design requirements in both of the two processes.

쏘일네일링의 세 가지 파괴모드를 고려한 설계 최적화에 대한 연구

쏘일네일링 공법은 흙막이 또는 사면안정을 위해서 가장 많이 사용되는 공법이다. 일반적으로 쏘일네일링 공법의 설계에서는 인발에 의한 파괴와 전단에 의한 파괴를 고려한다. 쏘일네일링의 파괴거동은 인발파괴와 전단파괴와 같이 파괴면을 가지면서 사면이 무너지는 경우도 발생하지만 굴착에 의해서 사면 표면의 수평응력이 감소함에 따라 점점 표면이 쓸려가는 얕은 파괴에 의해서 파괴에 이르는 경우가 실제 현장에서 자주 발생하게 된다. 따라서 쏘일네일링의 파괴거동을 크게 인발파괴, 전단파괴, 그리고 얕은파괴로 나누어 정의하였다. 본 논문에서는 각각의 파괴모드에 대한 제약조건을 이론적으로 산정하였다. 또한 각각의 파괴를 막기 위한 설계 최적화를 실시하였으며, 네일링의 정착길이, 개수, 그리고 얕은파괴를 막기 위한 전면에서의 최소 구속압을 설계변수로 두어 최적화 과정을 진행하였다. 최적화 과정은 먼저 네일링의 정착길이와 인장력을 설계변수로 하여 인발파괴 및 전단파괴에 대하여 최적화를 실시한다. 다음으로 각 굴착단계별 사면의 표면에서 얕은파괴를 막기 위한 최소의 구속압을 산정한 후 최적화를 반복수행하여 각각의 설계 변수를 산정하게 된다. 이와 같은 설계 최적화 프로그램을 통해서 인발파괴와 전단파괴만을 고려하는 기존의 설계 시스템에서 프리스트레스까지 산정할 수 있게 되었다.