A STUDY ON THE BEHAVIOR AND APPLICABILITY OF SOIL NAILS USING HIGH-STRENGTH HOLLOW REBAR

Abstract

The objective of this study is to evaluate the performance of soil nailing method that replaces rebars with the high-strength hollow rebar. Because the diameters of two types of rebars are identical, the material used for the hollow rebar is significantly lower. The tensile strength of hollow rebars is in line with that of rebars, whereas the tensile stiffness lower due to smaller area. In this study, laboratory and field tests were conducted to examine the stability and applicability of the high-strength hollow rebar soil nailing method. Furthermore, numerical and stability analyses were conducted to verify the applicability of the soil nailing reinforcements fitted with the high-strength hollow rebars. In the laboratory tests, rebars and high-strength hollow rebars with rolling treatment on the surface were grouted under the same conditions. A pull-out test then examined the reinforcement-grout adhesion performance. The laboratory tests show that the without rolling treatment hollow rebars result in significantly lower adhesion performance. The adhesion capacity is increased to a level similar to rebars by surface rolling treatment of the hollow rebar. The ratio of the area of the rolling treatment to the total surface area is demonstrated to saturate at 10%. Therefore, a ratio of 10% is recommended for application to practice. For the field test, rebars and high-strength hollow rebars of 6 m and 12 m were installed on a 5 m high slope. The behavioral characteristics of the reinforcements were analyzed through tensile tests, pull-out tests, and field measurements to verify the field applicability. The load-displacement relationship obtained through the tensile and pull- out tests showed similar behavior between the two types of reinforcement. Therefore, there would be no problem in the applicability and stability of high-strength hollow rebars with rolling treatment as reinforcements for the soil nailing method. The adequacy of the laboratory and field test results for the high-strength hollow rebar soil nailing method was also verified via numerical analysis. The test and numerical analysis results were also comparatively analyzed. The behavioral characteristics and shear stress of the rebar and high-strength hollow rebar were similar within each case group under the same conditions. In addition, the same displacement and shear stress behavior are exhibited regardless of the presence or absence of the grouting of the hollow section of the high-strength hollow rebar. This proves the application stability of high-strength hollow rebars as reinforcements and the ease of construction for the soil nailing method. Furthermore, a slope stability program compared and evaluated the stability changes under various conditions for the rebar and high-strength hollow rebar soil nailing planned on a slope and reviews the applicability. The analysis results show that the rebar and high-strength hollow rebar with rolling treatment produce similar reinforcement effects. Therefore, no difficulties will be observed when applying the same analysis method and conditions as those of rebars when using a limit equilibrium analysis based program. When designing using high-strength hollow rebars with rolling treatment, the tensile strength is numerically clear. However, the reduction ratio of the adhesion of grout and high-strength hollow rebar has not been defined yet and requires test value data. Therefore, by establishing standards, more accurate designs will be possible in the future. A comprehensive analysis of the reliability and applicability of the high-strength hollow rebar soil nailing method based on the above research shows that the reinforcement stability is higher when high-strength hollow rebars with a length of 6 m or longer are applied on relatively stiff ground. Furthermore, it is demonstrated that the ease of construction of high-strength hollow rebar is superior compared to rebars because of improvements to the grouting method using the hollow sector of the pipe and 50% reduction in weight per unit length. Based on the extensive evaluations, it is therefore demonstrated that the conventional rebars can be replaced with high-strength hollow rebars as reinforcements in the soil nailing method.|본 연구의 목적은 이형철근을 고강도 중공철근으로 대체하는 쏘일네일링 공법의 성능을 평가하는 것이다. 두 종류의 철근은 직경이 동일하기 때문에 중공철근에 사용 되는 재료는 훨씬 적게 소요되고, 중공철근의 인장강도는 이형철근과 유사하지만 면적이 작으므로 인장 강성은 작게 나타난다. 본 연구에서는 고강도 중공철근 쏘일 네일링 공법(High-Strength Hollow Rebar Soil Nailing Method)의 안정성과 적용성 을 확인하기 위하여 실내 및 현장시험을 수행하였다. 또한, 고강도 중공철근의 쏘일 네일링 보강재의 적용성을 검증하기 위하여 수치 및 안정성해석을 수행하였다. 실내시험은 이형철근과 고강도 중공철근을 동일한 조건으로 그라우팅을 실시한 후 인발시험을 실시하여 보강재와 그라우트체와의 부착성능을 조사하였다. 실내시험결과, 표면가공 처리를 하지 않은 미 전조 중공철근의 부착성능이 크게 저하되는 것으로 나타났다. 전조처리 한 중공철근의 부착력은 중공철근의 표면 전조처리에 의해 이형 철근과 유사한 수준으로 증가하였다. 총 표면적에 대한 전조처리 면적의 비율은 10% 로 충분한 것을 알 수 있었다. 따라서 실제 현장적용에 있어서 10%의 전조처리를 권장한다. 현장시험시공은 5m 높이의 사면에 이형철근과 고강도 중공철근을 6m, 12m로 시공 하고, 인장시험 및 인발시험, 현장 계측을 통하여 보강재의 거동특성을 분석하여 실제 현장에서의 적용성을 검증하였다. 인장 및 인발시험을 통해 얻은 하중-변위관계는 두 종류의 보강재 간에 유사한 거동을 보였다. 따라서 쏘일네일링 공법의 보강재로 전조 처리 한 고강도 중공철근의 적용성 및 안정성에는 문제가 없다고 판단된다. 고강도 중공철근 쏘일네일링 공법의 실내 및 현장시험시공 결과의 적정성을 검증 하기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 시험결과와 수치해석 결과를 비교, 분석하였 다. 이형철근과 고강도 중공철근의 거동특성과 전단응력은 동일한 조건의 각 case별 로 유사하게 나타났다. 또한 고강도 중공철근의 중공부분의 그라우트의 유무와 관계 없이 동일한 변위와 전단응력의 거동을 보였다. 이는 쏘일네일링 공법의 보강재로서 고강도 중공철근의 적용안정성과 시공용이성을 증명하고 있다. 또한, 사면안정 프로그램으로 여러 조건하에서 사면에 계획된 이형철근과 고강도 중공철근 쏘일네일링의 안정성의 변화를 비교, 평가하고 활용가능성을 검토하였다. 해석결과, 이형철근과 전조처리 한 고강도 강관이 유사한 보강효과를 보였다. 따라서 극한평형해석 기반의 프로그램을 사용할 때 철근과 동일한 해석방법과 조건을 적용 하여도 큰 어려움은 없을 것이다. 전조처리 한 고강도 중공철근을 사용하여 설계하는 경우, 인장강도는 수치적으로 명확하다. 그러나, 그라우트와 고강도 중공철근의 부착 력의 저감율은 아직 정확히 정의되지 않았으며 시험을 통한 data의 축적이 필요하다. 따라서, 기준을 확립함으로써 향후 보다 정확한 설계가 가능하다고 판단된다. 이상의 연구를 통하여 고강도 중공철근 쏘일네일링 공법의 안정성 및 적용가능성을 종합적으로 분석한 결과, 고강도 중공철근은 비교적 강한 지반에 6m 이상의 길이로 적용할 때 보강재 안정성이 높은 것으로 나타났다. 또한, 고강도 중공철근의 시공 용이성은 중공철근의 중공부분을 활용한 그라우팅 방법의 개선과 단위길이 당 50% 경량화로 이형철근과 비교하여 우수함을 입증하였다. 종합적인 평가를 바탕으로 쏘일 네일링 공법의 보강재로 기존의 이형철근을 고강도 중공철근으로 대체 할 수 있음이 입증되었다.