❚2022년도 설계실무지침

토공 및 배수공 03

3-1 장기 거동 특성을 반영한 비탈면 보강 영구앵커 설계기준 개선

3-2 현장 작업여건을 반영한 배수시설 형상 및 원가 개선

3-3 비탈면 현황도 작성을 위한 깎기 비탈면 분할 기준 수립

 

토공 및 배수공 ❙ 111

토공 및

배수공

31

토공및배수공

장기 거동 특성을 반영한 비탈면 보강 영구앵커

설계기준 개선

설계처-1846

(2022.06.20.)

1 검 토 목 적

o 비탈면 보강 공사에 적용하고 있는 영구앵커에 대하여 경년변화에 따른

장기거동특성(긴장력 손실 등)을 반영한 설계기준 마련을 통하여

비탈면의 장기 안전성 확보 및 유지관리의 효율성을 기하고자 함

2 관련기준 및 추진경위

o ‘06. 5 : 건설공사 비탈면 설계기준(표준시방) 제정

* 건설기준 코드체계 전환(2016)에 따라 코드화로 정비 후 “앵커” 편으로 관리 및 개정

o ‘09.12 : 그라운드 앵커 설계 시공 및 유지관리 매뉴얼 제정(국토부, ‘09)

* (‘21.8) 유지관리 절차, 점검 및 수량, 보수보강 방안 제시

o ‘11. 7 : 재긴장 가능 앵커 설계적용 방안(설계처-1984)

* 재긴장이 가능한 형식의 영구앵커에 대한 적용방안 검토

o ‘14. 2 : 앵커보강 비탈면 관리방안(도로처-873)

* 주요구조물 안전관리 실태 감사원 감사결과에 따라 관리방안(잠정안) 수립

☞ 설계긴장력 대비 10%이상 변화 발생 시 재긴장 등 조치 규정 마련

※ 감사원 감사결과 통보 (2013. 12)

․ 앵커의 잔존긴장력 측정하여 설계긴장력 이상으로 관리

․ 앵커 유지관리 매뉴얼을 제정하여 효율적 유지관리 방안 마련

o ‘15~19 : 앵커보강 비탈면(356개소, 60,711공) 잔존긴장력 측정(재난관리처)

o ‘17. 9 : 비탈면 보강용 그라운드 앵커 유지관리 매뉴얼(도교원)

* 앵커 점검종류, 점검 항목, 시험시기, 방법 및 보수보강 방안 수립

o ‘20. 12 : 그라운드 앵커 장기거동특성 분석* 및 유지관리전략 수립 연구(도교원)

* 영구앵커 계측 결과 분석을 통한 긴장력 감소 특성 분석

112 ❙ 토공 및 배수공

3 현 실태 및 문제점

 (현실태) 지반 보강용 앵커는 시간 경과에 따른 긴장력 감소가 일

반적으로 발생되는 구조로

o 목표 설계하중(유효긴장력) 보다 큰 정착하중(초기긴장력)을 도입하여

시공 및 유지관리 중에 발생 가능한 하중감소를 대비하고 있으나

o 지반특성으로 장기적으로 발생하는 지반 등의 크리프에 의한 긴장력

손실적용 기준은 부재

* 설계기준에서 지반크리프는 초기긴장력 산정 시 고려 항목으로만 명시

※ 정착하중(초기긴장력) 산정

설계앵커력 + 단기세트량(3∼6mm) / 장기릴렉세이션(3∼6%), 크리프(기준부재) 하중감소량

☞ 초기 긴장력 산정 시 시간경과에 따른 긴장력 감소 요인이 적

절히 반영되지 않아 공용 중 앵커력 부족현상 발생

 (문제점) 고속도로 비탈면에 적용된 영구앵커에 대한 잔존긴장력 실태조사

(‘14~’19, 356개소, 60,711공) 결과 89%(309개소, 54,134공) 잔존 긴장력 부족

o 잔존긴장력 부족 시 안전율 저하 등 비탈면 안정성 저하로 인한

비탈면 붕괴 가능성 내포 (붙임 #1)

o 또한, 앵커 재긴장으로 유지관리 비용(‘15∼’20, 141억원) 과다 소요

※ 앵커 재긴장 유지관리 투입현황 [재난관리처-2099, ‘20. 7. 3]

구분 계 ‘15 ‘16 ‘17 ‘18 ‘19 ‘20

계 309/54,134 51/17,151 14/1,856 18/4,336 185/23,568 26/5,163 15/2,060

재긴장

196/35,169

(141억)

27/12,075

(48억)

12/1,366

(6억)

18/4,336

(17억)

126/15,689

(63억)

-

13/1,703

(7억)

하자처리

113/18,965

(76억)

24/5,576

(20억)

2/490

(2억)

-

59/7,879

(32억)

26/5,163

(21억)

2/357

(1억)

* 측정된 잔존긴장력의 평균이 설계긴장력과 비교해서 10% 이상 감소 시 재긴장,

10% 이상 증가할 경우는 비탈면 안정성 정밀점검 시행

토공 및 배수공 ❙ 113

토공 및

배수공

4 앵커 긴장력 감소에 영향을 미치는 인자

 앵커 긴장력 감소 특성

시간경과에따른앵커의긴장력감소곡선(JGS, 1997) 앵커의 긴장력 손실발생 모식도(JGS, 1997)

 [단기 특성] 긴장 시 발생하는 긴장력 감소량으로 ①쐐기의 set량, ②

쉬스관과 강연선 마찰손실, ③배면지반 즉시침하로 구분

o (쐐기의 set량) 설계기준에서 3 ~ 6mm가 제시되어 설계자별로

상이하게 적용하여 초기 긴장력 산정

☞ 실제 긴장력 도입 시 사용하는 장비규격을 고려한 세트량 산정 필요

※ 인장시 사용하는 배열판의 깊이는 제조사별로 5∼12mm 다양

(배열판 깊이 5mm) (배열판 깊이 6mm) (배열판 깊이 9mm)

o (쉬스관과 강연선 마찰손실) 지반보강에 사용되는 앵커의 경우는

직선 형태로 초기 긴장력 산정 시 쉬스관 마찰손실 미고려

* 교량구조물과 같이 프리스트레스 도입 형상이 곡선인 경우 고려

o (지반 즉시침하) 긴장력 도입 전 선행하중 재하로 즉시침하는

고려한 것으로 가정하여 설계 반영

* 설계 시 가정조건에 부합되도록 배면지반 숏크리트 처리 등 기 반영 (붙임 #5)

114 ❙ 토공 및 배수공

 [장기 특성] 정착 후 시간 경과에 따라 발생하는 긴장력 감소량으로 ④

강연선 릴렉세이션, ⑤⑥암반/강연선과 그라우트의 부착력, ⑦지반 크리프로 구분

o (인장재 릴렉세이션) 검증된 재료(강봉 3%, 강연선 5%) 사용으로 개선 불필요

o (암반/강연선과 그라우트의 부착력) 그라우트 강도 등 제시된 품

질기준이 없어 설계자 판단에 따라 설계반영

☞ 내구성(부착력) 및 시공성(W/C)을 고려한 품질기준 제시 필요

o (지반 크리프) 지반의 크리프 현상으로 인한 침하량 및 앵커의

긴장력 손실량은 명확히 제시되지 않아 설계 시 미반영

☞ 영구앵커 적용 배면지반 조건에 적합한 설계기준 마련 필요

5 앵커의 거동특성을 반영한 설계기준 검토

기 준

개 선

 긴장력 손실을 감안 초기 긴장력 산정기준 개선

 앵커력 유지를 위한 그라우트 품질기준 정립 등

1 초기 긴장력 산정기준 개선

 현 설계기준 (초기긴장력 산정 시 고려항목)

구 분 기 준 비 고

단기

쐐기(Wedge)

세트량

Δ  

∼× × 개선 필요

지반즉시침하 시공 시 선행하중으로 반영 -

장기

강재

릴렉세이션

      ×  m ax × 

여기서,  : 릴렉세이션 계수 (3~5%)

 : 인장재 단면적,  m ax : 인장재 인장강도

-

지반크리프

․주변 지반상황 고려 설계

(적용기준이 없어 미반영)

개선 필요

※ Ps = Pd + [ Pw3∼6mm(개선필요) + Pr3∼5% ]현행 + Pc적용기준 부재

․ Ps 초기긴장력(정착하중) / Pd 설계긴장력 / Pr 인장재 릴렉세이션 : 3∼5%

․ Pw 웨지감소(set) : 개선 / Pc 지반크리프 : 미반영 ☞ 추가반영 필요

토공 및 배수공 ❙ 115

토공 및

배수공

 설계기준 개선 검토

o [개선] 쐐기(Wedge) 세트량 산정기준 : 정착장치 배열판 깊이

쐐기(wedge)에 의한 세트량은 시공 시 프리스트레스의 도입을 위한 앵커

정착구의 쐐기의 물림 시 발생되는 미끄러짐 현상을 말하는 것으로 인장

재와 정착장치의 미끄러짐(활동)으로 인한 인장재의 되돌림량을 의미

- (현 행) 세트량에 의한 긴장력 감소량은 설계기준에서 3~6mm를

제시되어 설계자별로 상이하게 적용

- (개 선) 정착 시 사용하는 배열판 깊이를 적용하여 감소량 산정 (붙임 #2)

* 시험결과 적용 배열판 깊이만큼 긴장력 감소량 발생

Δ   

 ×   ×  

여기서, Δ  = 정착시 set량에 의한 긴장력 감소량

·  = (현행) set량(3∼6mm) →(개선) 6mm(배열판 깊이)

·   = 강연선의 단면적(mm2)

·  = 강연선의 탄성계수(MPa) ·  = 강연선의 자유길이(m)

☞ 설계 시는 현장에서 일반적으로 사용되는 배열판 깊이 6mm를 적용하여 산정

* 단, 시공 시 배열판 깊이가 설계 시 검토된 규격 이외인 경우 재산정하여 시공

o [제정] 크리프에 의한 하중감소 반영 : 설계 앵커력 × (5~15)%

크리프(Creep)는 외력이 일정하게 유지되거나 증가가 없어도 시간의 흐름에

따라 변형이 증가하는 현상으로 이로 인한 앵커의 긴장력 감소

- (현 행) 초기 긴장력 산정 시 미고려

- (개 선) 배면지반 조건에 따라 설계 긴장력의 5~15% 반영(붙임 #3)

※ 배면 지반조건별 크리프 감소율 (그라운드 앵커 장기거동특성 분석, ‘20년 도교원)

배면지반조건 옹벽구조물 암반+숏트리트 암반 비고

추가 긴장력

(설계긴장력 대비)

5% 10% 15%

* 토사지반에는 원칙적으로 영구앵커 시공 불가하며, 부득이 적용이 필요할

경우 옹벽 등 대안 적용 및 즉시침하량과 장기침하를 반영하여 별도 설계

116 ❙ 토공 및 배수공

- (강연선) 초기 긴장력 상향으로 적용 설계하중에 따라 1본 추가 반영

* 단, 적용 강연선은 최소 4본이상 적용

※ 강연선 적용수량 검토

(적용예시) 강연선 설계조건 (규격 ) Φ 12.7mm, (허용하중) 110KN/본(약 11ton/본)

설계긴장력(KN) 350미만 350∼400 400∼450 450∼500 500초과

강연선

(본)

당초 4 4 또는 5 5 계산

개선 4 5 6 계산

* 강연선 추가 시 약 7만원/공으로 공사비 증액은 미미

2 그라우트 및 수압구조물 설계기준

 그라우트 설계기준

그라운드앵커 공법에서의 그라우트 기준강도는 지반과의 부착력 증가효과

뿐만 아니라 인장재와의 마찰력의 증가도 유발하기 때문에 장기적 앵커

손상을 방지할 수 있음. 따라서 긴장을 실시하는 시기를 규정하는 기준강

도가 되어야 함. 상기에서 명시된 강도는 인장을 실시하는 강도를 의미함.

o (현 행) 설계자별로 상이하게 적용

* 일반적으로 설계기준압축강도로 24Mpa를 반영

o (개 선) 긴장력 도입 압축강도* 30MPa (W/B 45~50%) (붙임 #4)

* 설계기준압축강도(재령28일)가 아닌 긴장력 도입 전 압축강도

- 배합비는 W/B 45∼50%*를 기준으로 하고 후속작업 시기 단축

등 시공여건을 감안 혼화재료 사용량 조정 가능

* W/B 45% 적용 시 4∼7일을 기점으로 30MPa을 상회하는 것으로 검토

구 분 설계반영

재 료

·현장변동성감안W/B 45%, 혼화재료(팽창재) 2%를기준으로수량산출

* 현장여건, 배합조건에 맞춰 수량 및 재료 조정가능

구조계산

· 앵커체와 그라우트 허용부착력은 그라우트 압축강도 30MPa

기준으로 산정

토공 및 배수공 ❙ 117

토공 및

배수공

 수압구조물 설계 기준

o 수압구조물에 지압블록*을 설치하는 경우 구조물 형상, 앵커 하

중 및 앵커 길이 감안 추가 철근 배근

* 앵커 각도조절을 위해 설치되는 구조물로 철근이 배근되지 않아 편심 등

으로 인한 파손발생

문제점(편심에 의한 블록파손) 개선

앵커 홀

철근 추가배근

수압판

※ 수압구조물 제작 시 지압블럭에 철근 추가 반영

※ 기타 설계 및 시공 시 착안사항

o (설 계) 초기 긴장력이 과소 산정되지 않도록 검토 (앵커 설계예시, 붙임#6)

- 세트량 : 강연선 자유길이( ) 적용 시 정착장을 제외한 자유장 부분의

길이만을 적용 ⇒ 정착장 길이를 제외하여 산정

- 릴렉세이션 : ① 사용 인장재에 맞는 릴렉세이션 감소율 적용

(PS - 강봉 3%, 강연선 5%)

② 산정식(      ×  m ax ×  )에서 인장강도( m ax ) 적용 시

항복하중× 0.8 적용

o (시 공) 시공 오류로 인한 긴장력 손실 방지 (시공 오류사항 및 대책, 붙임#7)

- (시공 전) 정착장치 배열판 깊이, 규격 확인 ☞ (시공 중) 긴장력 도입 시

배열판 적용오류 방지

- 시공 전 산정된 초기 긴장력 산정 결과 및 배면지반 평탄화 확인 후 시공

- 설계도서에 명기된 천공각도 및 정착각도 확인, 현장 여건을 감안하여

수압판 앵커 각도조절 블록 시공상세 검토 및 시공

118 ❙ 토공 및 배수공

6 검토결론 및 적용방안

 검토결론

o 정착하중(초기기장력) 산정

※ Ps = Pd + [ Pw배열판깊이 + Pr + Pc (Pd×크리프 감소율)추가반영 ]

․ Ps 초기긴장력(정착하중) / Pd 설계긴장력 / Pr 인장재 릴렉세이션 : 3∼5%

․ Pw 웨지감소(set) : 배열판 깊이(6mm) / Pc 크리프 : Pd×(5∼15% )

- (쐐기 세트량) 정착 시 사용하는 배열판 깊이를 적용 (6mm)

* 단, 시공 시 배열판 깊이가 설계 시 검토된 규격 이외인 경우 재산정하여 시공

- (크리프 감소율) 배면지반 조건에 따라 설계긴장력의 5~15% 추가반영

* 초기 긴장력 상향으로 적용 설계하중에 따라 1본 추가 반영 필요

※ 배면 지반조건별 크리프 감소율

배면지반조건 옹벽형 암반+숏트리트 암반

추가 긴장력 5% 10% 15%

o 그라우트 설계기준 : 긴장력 도입 압축강도 30Mpa(W/B 45~50%)

* (구조계산) 허용부착력 그라우트 압축강도 30MPa 기준으로 산정

o 수압판 앵커 지압블럭 철근 추가

o 기타 설계 및 시공 시 착안사항을 감안하여 앵커적용

 적용방안

o 설계 및 공사* 중 노선 : 본 방침 적용

* 본방침기준적용을원칙으로하되현장여건을감안사업주관(시행)부서판단하여적용

o 공용 중 노선 : 신규 유지보수 및 보강 공사 시 적용

 향후계획

o 국가 설계기준 개정 추진 (‘22하반기, 도교원 협업)

* 지반크리프, 그라우트 품질기준의 경우는 현재 『KDS 11 60 00 : 2020 앵커

설계기준』에 미반영 되어 있어, 국가기준 개정까지 잠정 기준으로 적용

토공 및 배수공 ❙ 119

토공 및

배수공

붙 임 자 료(별첨)

붙임 1 그라운드 앵커 실태조사 결과

붙임 2 앵커 세트량 검토

붙임 3 지반크리프 감소율 검토

붙임 4 그라우트 품질기준 검토

붙임 5 앵커 배면지반관련 개선방침

붙임 6 앵커 표준 설계 (예시)

붙임 7 앵커 시공 오류 사례 및 대책

붙임 8 전문가 자문회의 결과