지반 앵커 — 자유장, 성능시험, 그리고 겉보기 자유장

지반 앵커는 흙이나 암반 속에 정착시킨 긴장재로 구조물을 뒤에서 붙잡는 부재다. 벽체나 사면이 앞으로 나오려는 힘을 파괴면 뒤쪽의 안정한 지반으로 넘기는 것이 목적이고, 그래서 이 설계의 핵심은 강도 계산이 아니라 어디부터 어디까지를 정착장으로 잡을 것인가와 그것을 시험으로 어떻게 확인할 것인가이다.

이 글은 FHWA Geotechnical Engineering Circular No. 4, "Ground Anchors and Anchored Systems" (FHWA-IF-99-015)의 본문을 인용한다.

1. 자유장과 정착장 — 길이를 정하는 것은 강도가 아니다

앵커는 두 구간으로 나뉜다 — 힘을 지반에 넘기는 정착장(bond length)과, 긴장재가 그라우트에 붙지 않고 늘어나는 자유장(unbonded length)이다. 자유장에는 최소값이 규정되어 있다.

암반과 흙 지반 앵커의 최소 자유장은 강연선(strand) 긴장재에 4.5 m, 강봉(bar) 긴장재에 3 m다. 이 최솟값은 앵커 재하시험 후 구조물로 하중을 전이할 때의 정착 손실(seating losses)로 인한 유의미한 하중 감소를 방지하기 위한 것이다. — FHWA-IF-99-015, §5.3.4

암반과 흙 지반 앵커의 최소 자유장은 강연선(strand) 긴장재에 4.5 m, 강봉(bar) 긴장재에 3 m다. 이 최솟값은 앵커 재하시험 후 구조물로 하중을 전이할 때의 정착 손실(seating losses)로 인한 유의미한 하중 감소를 방지하기 위한 것이다. — FHWA-IF-99-015, §5.3.4

이 최솟값은 지반 강도와 무관하다. 자유장이 짧으면 정착(lock-off) 시 몇 밀리미터의 미끄러짐만으로도 도입 하중의 상당 부분이 사라진다. 긴 자유장은 그 손실을 변형률로 희석한다.

더 긴 자유장이 필요한 경우도 네 가지로 정리되어 있다 — ① 정착장을 임계 파괴면 뒤로 최소 거리만큼 놓기 위해, ② 정착장을 정착에 적합한 지반에 두기 위해, ③ 앵커 시스템의 전체 안정성을 확보하기 위해, ④ 장기 변형을 수용하기 위해서다.

그 "최소 거리"도 숫자로 규정된다 — 자유장은 임계 파괴면 뒤로 H/5 또는 1.5 m(H는 벽체 높이)만큼 연장하며, 이는 "정착장 상단 위의 그라우트 기둥으로 전달되는 미소한 하중 전이를 수용"하기 위한 것이다.

2. 그라우팅은 한 번에 — 2단계는 권장되지 않는다

원칙은 명확하다 — "일반적으로 정착장과 자유장 구간은 한 번에 그라우팅해야 하며, 이는 공벽의 안정을 유지하고 방식(防蝕)을 위한 연속적인 그라우트 피복을 만들기 위해서다".

대구경 앵커에서는 정착장 상단의 변형이 커서 그 위의 그라우트 기둥으로 하중이 전달될 수 있고, 그래서 2단계 그라우팅(정착장만 먼저 그라우팅 → 시험 → 자유장 그라우팅)이 쓰인 사례가 있다. 그러나 가이드의 판단은 부정적이다.

2단계 절차는 권장되지 않는다 — 지반의 국부적 붕괴가 일어나 그라우트가 제공하는 방식 성능을 훼손할 수 있기 때문이다. — FHWA-IF-99-015, §5.3.4

2단계 절차는 권장되지 않는다 — 지반의 국부적 붕괴가 일어나 그라우트가 제공하는 방식 성능을 훼손할 수 있기 때문이다. — FHWA-IF-99-015, §5.3.4

시험의 편의와 내구성이 충돌하는 지점이며, 이 문서는 내구성을 택한다.

3. 강도는 두 개의 백분율로 제한된다

긴장재의 응력에는 두 개의 상한이 있다.

구분한계

설계하중규정 최소 인장강도(SMTS)의 60%를 초과할 수 없다

최대 시험하중SMTS의 80%를 초과할 수 없다

두 값의 간격이 시험이 가능한 이유다. 설계하중의 133%를 걸어도 SMTS의 80%를 넘지 않으므로, 실물 앵커를 설계하중 이상으로 시험할 수 있다. 이 여유가 없으면 시험은 파괴시험이 된다.

4. 시험이 합격을 정한다

지반 앵커가 다른 구조부재와 결정적으로 다른 점은 모든 앵커가 시험을 거친다는 것이다. 계산이 아니라 재하시험의 판정이 사용 가능 여부를 정한다.

성능시험(performance test)은 하중을 증가·감소시키며 반복 재하하는 시험이고, 목적은 네 가지다 — 앵커 용량 확인, 하중-변형 거동 확립, 앵커 이동의 원인 규명, 그리고 실제 자유장이 설계에서 가정한 값 이상인지 확인.

항목규정

빈도처음 설치한 2~3본, 그 이후 나머지 실시공 앵커의 최소 2%

추가 시험크리프 우려 지반이 의심되거나 지반 조건이 변화할 때 — 가능하면 시추공 근처에 시험 앵커를 배치

정렬하중(AL)설계하중의 5% 이하 — 재하·계측 장비의 정렬 확인용. 안정되면 변위계를 0으로 맞춘다

재하 순서1차 사이클에서 설계하중의 25%까지 올렸다가 정렬하중으로 되돌리고, 이를 시험하중까지 반복

시험하중설계하중의 120~150% — 영구 앵커는 통상 133%, 임시 앵커는 120%, 크리프 가능성이 있는 지반이나 독립 기준점을 세울 수 없을 때는 150%

장비에도 조건이 붙는다 — 잭의 램 스트로크는 최소 152 mm여야 하고, 최대 시험하중에서 긴장재의 이론 신장량보다 작아서는 안 된다.

5. 크리프 — 시간이 판정에 들어온다

앵커 시험이 다른 재하시험과 다른 점은 시간축이 판정 기준에 들어온다는 것이다. 최대 시험하중에서 하중을 유지하며 이동량을 기록한다.

기본은 10분 유지이며, 규정된 시각마다 이동량을 기록한다.

1분과 10분 사이의 이동량이 규정된 최대 크리프 이동량을 초과하면, 유지 시간을 60분으로 연장한다.

일정 하중에서의 크리프 이동량은 통상 1 mm 미만이며, "크리프율이 로그 시간 사이클당 2 mm를 초과"하면 문제가 된다.

10분과 60분의 차이가 곧 판정이다. 짧은 유지에서 통과한 앵커라도 크리프가 크면 60분 시험으로 넘어가고, 거기서 기준을 넘으면 사용할 수 없다.

6. 겉보기 자유장 — 시험이 길이를 되짚는다

시험은 하중만 확인하는 것이 아니라 앵커가 설계대로 만들어졌는지를 확인한다. 그 도구가 겉보기 자유장(apparent free length)이다.

정의는 명확하다 — "시험하중에서 측정된 탄성 이동량에 근거해, 주변 지반이나 그라우트에 부착되지 않은 것으로 판단되는 긴장재의 길이"이며, 탄성 이동량 δe와 하중 P, 긴장재 단면적과 탄성계수로부터 계산된다.

합격 기준은 하한으로 규정된다 — 겉보기 자유장이 잭 길이 + 설계 자유장의 80%보다 커야 한다. 이 값보다 작다면 자유장의 일부가 그라우트에 붙어 있다는 뜻이고, 그러면 하중이 파괴면 앞쪽 지반으로 전달되어 앵커가 설계한 일을 하지 못한다.

반대편에도 의미가 있다 — 겉보기 자유장이 지나치게 길면 정착장 일부가 제 역할을 하지 못하고 있다는 신호다. 측정된 총 이동량은 탄성 이동량과 잔류 이동량으로 나뉘며, 합격 판정에는 탄성 이동량이 쓰인다.

7. 방식 — 등급으로 규정된다

영구 앵커의 수명은 긴장재의 부식이 결정한다. 가이드는 보호 수준을 등급으로 나눈다 — 보호 수준이 높은 순으로 Class I, Class II, 그리고 무보호다.

차이는 몇 겹의 방벽을 두느냐이다 — 정착장에서 "Class I은 가혹한 환경조건이 존재한다고 가정하고 다중 방벽층을 제공하는 반면, Class II는 단일 방벽층만 제공한다". Class I·II로 보호된 긴장재를 캡슐화(encapsulated) 긴장재라고 부른다.

선정은 판단이 아니라 의사결정 나무로 이뤄지며, 사용수명 분류마다 요구되는 최고 등급이 정해져 있다. 커플러를 쓰는 경우에는 커플러 부위의 방식이 별도 항목이 된다.

8. 정리

최소 자유장은 강연선 4.5 m, 강봉 3 m이며, 이는 강도가 아니라 정착 손실에 의한 하중 감소를 막기 위한 값이다.

자유장은 임계 파괴면 뒤로 H/5 또는 1.5 m 연장해 그라우트 기둥으로의 하중 전이를 수용한다.

그라우팅은 한 번에 — 2단계 그라우팅은 국부 붕괴로 방식을 훼손할 수 있어 권장되지 않는다.

설계하중은 SMTS의 60% 이하, 최대 시험하중은 80% 이하이고, 그 간격이 실물 시험을 가능하게 한다.

성능시험은 첫 2~3본과 나머지의 최소 2%에 대해 수행하며, 정렬하중은 설계하중의 5% 이하다.

시험하중은 설계하중의 120~150% — 영구 133%, 임시 120%, 크리프 우려 시 150%.

크리프는 10분 유지로 판정하되, 1~10분 이동량이 기준을 넘으면 60분으로 연장한다. 통상 크리프 이동은 1 mm 미만이다.

겉보기 자유장은 잭 길이 + 설계 자유장의 80%를 넘어야 하며, 이는 시험이 앵커의 기하까지 검증한다는 뜻이다.

방식은 Class I(다중 방벽)과 Class II(단일 방벽)로 나뉘고, 사용수명에 따라 요구 등급이 정해진다.

지반 앵커 설계가 다른 구조 설계와 다른 점은 모든 부재가 설치 직후 시험을 받는다는 것이다. 계산으로 정한 정착장 길이는 가정이고, 그 가정이 맞았는지는 겉보기 자유장과 크리프로 현장에서 확인된다. 그래서 이 문서의 절반이 설계이고 절반이 시험 절차다 — 그리고 시험에서 떨어진 앵커를 어떻게 할지까지가 설계자의 결정 범위 안에 있다.