우리나라 지질의 특성은 토층의 두께가 얇아서 보통 10m이상만 굴착해도 암반층이 나타나므로 대규모 지하굴착 공사시 암반층에서의 토압분포 산정방법이 절실하게 요구되고 있는 실정이다. 그러나, 암반층 암압산정시 기존의 경험식인 Terzaghi-Peck, Tschebotarioff식 등을 그대로 적용하는 것은 암반층의 점착력을 대부분 무시하게 되므로 실제 강도를 과소 평가하게 된다. 따라서 암반에서의 절리경사각, 절리면 전단강도, 지반 상재하중등을 고려한 쐐기형 블럭(Wedge Block)의 수평활동력을 산정하는것이 실제 암반층 토류구조물에 작용하는 암압과 근접할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 뒷채움 흙이 점착력을 갖는 흙인 경우 쐐기형상으로 파괴가 일어난다고 가정하여 Coulomb 토압이론을 확장하여 힘의 평형 조건을 이용해 Prakash-Saran(1963)이론과 절리면의 전단강도 결정공식 $\tau$=c+$\sigma$tan $\Phi$를 적용해서 암반층에 작용하는 암압을 산정하였다. 산정된 이론식을 이용하여 절리면 충전물의 상태 변화에 따른 절리면 전단 강도와 절리경사각을 바꿔가면서 해석해 본 결과, 암반층은 자체의 점착력과 내부마찰각이 크므로 절리방향과 경사각이 굴착면을 향해 어떻게 정해지느냐에 따라서 토압이 작용하기도 하고 작용하지 않을 수도 있다. 본 연구에서 산정된 이론식은 향후 절리면 전단강도 산정시 필요한 강도정수, 절리면의 방위와 상태, 과잉측압, 동적하중, 지진을 비롯한 많은 지반정수(Parameter)들을 보다 엄밀히 산정하고, 특히 암반층에 작용하는 지하수위 효과등을 고려하여, 실제 현장에서 계측된 많은 자료와의 분석을 통해 그 적용성이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
우리나라 지질의 특성은 토층의 두께가 얇아서 보통 10m이상만 굴착해도 암반층이 나타나므로 대규모 지하굴착 공사시 암반층에서의 토압분포 산정방법이 절실하게 요구되고 있는 실정이다. 그러나, 암반층 암압산정시 기존의 경험식인 Terzaghi-Peck, Tschebotarioff식 등을 그대로 적용하는 것은 암반층의 점착력을 대부분 무시하게 되므로 실제 강도를 과소 평가하게 된다. 따라서 암반에서의 절리경사각, 절리면 전단강도, 지반 상재하중등을 고려한 쐐기형 블럭(Wedge Block)의 수평활동력을 산정하는것이 실제 암반층 토류구조물에 작용하는 암압과 근접할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 뒷채움 흙이 점착력을 갖는 흙인 경우 쐐기형상으로 파괴가 일어난다고 가정하여 Coulomb 토압이론을 확장하여 힘의 평형 조건을 이용해 Prakash-Saran(1963)이론과 절리면의 전단강도 결정공식 $\tau$=c+$\sigma$tan $\Phi$를 적용해서 암반층에 작용하는 암압을 산정하였다. 산정된 이론식을 이용하여 절리면 충전물의 상태 변화에 따른 절리면 전단 강도와 절리경사각을 바꿔가면서 해석해 본 결과, 암반층은 자체의 점착력과 내부마찰각이 크므로 절리방향과 경사각이 굴착면을 향해 어떻게 정해지느냐에 따라서 토압이 작용하기도 하고 작용하지 않을 수도 있다. 본 연구에서 산정된 이론식은 향후 절리면 전단강도 산정시 필요한 강도정수, 절리면의 방위와 상태, 과잉측압, 동적하중, 지진을 비롯한 많은 지반정수(Parameter)들을 보다 엄밀히 산정하고, 특히 암반층에 작용하는 지하수위 효과등을 고려하여, 실제 현장에서 계측된 많은 자료와의 분석을 통해 그 적용성이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
The geological characteristics of Korea are that we can encounter the rock layer only after 10m of excavation, methods to presume the rock pressure distribution of the rock layer is urgently needed. When using the existing empiric science of Terzaghi-Peck, Tschebotarioff to measure the rock pressure...
The geological characteristics of Korea are that we can encounter the rock layer only after 10m of excavation, methods to presume the rock pressure distribution of the rock layer is urgently needed. When using the existing empiric science of Terzaghi-Peck, Tschebotarioff to measure the rock pressure of the rock layer, underestimate the real strength because of the cohesion is ignored. Therefore calculating the horizontal sliding force of wedge block, which includes the dips and shear strength of discontinuities and surcharge load etc., think to be to getting a closer rock stress of the real rock pressure acting upon the earth structure in rock mass. This research use Coulomb soil pressure theory assuming that the backfill soil will yield wedge failure when it has cohesion, applying Prakash-Saran(l963), and then it uses equilibrium of force and shear strength $\tau$=c+$\sigma$tan $\Phi$ of the cliscontinuities. Analyzing shear strength and dips of cliscontinuities using calculated theory according to the status of discontinuities aperture, we were able to find out that because the cohesion and friction angle of the rock layer itself is large enough, how the dip directions and dips facing the excavation face is the only factor deciding whether or not the rock stress is applied. The evaluated theory of this research should be strictly estimated, so that the many parameters such as c, $\Phi$value, types and structures of rock class, excessive lateral pressure, dynamic load, earthquake, needed later when calculating shear strength of discontinuities and especially the ground water effect acting on rock layer should be coumpted with many measuring data achieve at the insite to study the application.
The geological characteristics of Korea are that we can encounter the rock layer only after 10m of excavation, methods to presume the rock pressure distribution of the rock layer is urgently needed. When using the existing empiric science of Terzaghi-Peck, Tschebotarioff to measure the rock pressure of the rock layer, underestimate the real strength because of the cohesion is ignored. Therefore calculating the horizontal sliding force of wedge block, which includes the dips and shear strength of discontinuities and surcharge load etc., think to be to getting a closer rock stress of the real rock pressure acting upon the earth structure in rock mass. This research use Coulomb soil pressure theory assuming that the backfill soil will yield wedge failure when it has cohesion, applying Prakash-Saran(l963), and then it uses equilibrium of force and shear strength $\tau$=c+$\sigma$tan $\Phi$ of the cliscontinuities. Analyzing shear strength and dips of cliscontinuities using calculated theory according to the status of discontinuities aperture, we were able to find out that because the cohesion and friction angle of the rock layer itself is large enough, how the dip directions and dips facing the excavation face is the only factor deciding whether or not the rock stress is applied. The evaluated theory of this research should be strictly estimated, so that the many parameters such as c, $\Phi$value, types and structures of rock class, excessive lateral pressure, dynamic load, earthquake, needed later when calculating shear strength of discontinuities and especially the ground water effect acting on rock layer should be coumpted with many measuring data achieve at the insite to study the application.
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문제 정의
일반적으로 암반층 토류구조물에 작용하는 토압을 산정하기 위해서는 암석의 특성보다는 암반전체 로서 굴착면을 향해 작용하는 활동의 가능성을 고려하는 것이 보다 합리적이다. 따라서, 본 연구의 목적은 암반층 불연속면을 따라 활동하는 쐐기형 블록(Wedge Block)[3] 활동력(수평력)을 이를 지지하기 위한 버팀보의 후행하중의 개념으로 산정 할 수 있는 이론식을 제시하는데 있다.
본 연구에서는 지반골착시 암반층에서 토류구조물에 작용하는 토압은 주로 절리 경사에 따라서 그 크기가 결정되므로 이를 고려한 토압분포를 산정할 수 있는 이론식을 제시하였다. 이론적 고찰에서 이미 살펴본 Prakash-Saran(1961)이론을 적용하였는데, 이는 기존의 토압이론은 거의 다 점착력 c값은 없다고 보는 사질토인 경우에 한해서 유도되었지만 Prakash-Saran 이론은 Coulomb토압 이론을 확장하여 c, ψ 값 모두를 갖는 일반토의 경우를 가지고서 토압식을 유도했다는 데에 그 의미가 크다고 볼 수 있겠다.
가설 설정
지반정수(Parameter) 변화에 따른 영향은 본 연구에서 제안한 식을 이용하여 절리면 전단강도가c=3t/m2, ψ=36°로 일정하다고 가정하고 그림 8의적용예제 굴착단면을 기준으로 지반 정수(암반층 상부지반의 평균단위중량 γ1, 상부지반의 총두께 ht, 암반층의 단위중량 γ, 암반층의 굴착면의 깊 이 h)를 각각 변화시키면서 토압의 크기를 계산해 보았다.
제안 방법
그림 7은 쐐기형블럭(Wedge Block)에 작용하는힘들을 제시하고 있다. 가상파괴면은 불연속면을 따라서 발생하는 것으로 힘의 평형방정식으로부터 다음과 같이 암반층에 작용하는 토압식을 유도하였다.
따라서 기존의 경험식을 갖고서 암반층의 토압을 산정하는 것은 문제가 크다고 판단된다. 그러므로 본 연구에서 암반층 토압은 주로 절리면을 따르는 쐐기형블럭(wedge block)의 거동에 의해 좌우한다는 점에 주안점을 두었다. 여기서, 지반 상재하중, 절리면 전단강도(c, ψ고려)그리고 절리경사각을 고려한 제안 식은 앞장의 암반층에 작용하는 토압에서 이미 살펴본 바와 같이 암반층에 토압으로 작용하는 지반 정수(Parameter)에 따라 그 분포가 달라짐을 알 수 있다.
PA의 값이 양(+)인 경우는 암반 굴착면쪽으로 토압이 작용하는 것이고 값이 음(-)인 경우는 토압이 작용하지 않는 것으로 볼 수 있다. 또 암반층에서의 쐐기(Wedge)의 파괴조건은 절리경사각 i가 마찰각보다 커야만 발생가능성이 있으므로 절리경사각에 따른 토압변화를 살펴 볼 때 ψ 값 이상인 경우만 살펴보았다.
한편, 암반층의 토압을 고려하지 않아서 굴착도 중에 파괴가 발생한 외국 현장사례를 통해 파괴원 인 및 절리의 경사와 내부마찰각 ψ의 상판관계를 이용한 암반층 절리면의 토압발생 개념에 관해서 살펴보았다. 또, 암반증에 토압으로 작용하는 요소들을 검토해 보고, 이들 중 토압증가에 가장 큰 영향을 미치는 지반자체의 하중과, 불연속면의 경사, 불연속면의 전단강도 등의 관계를 고려해서 이론식을 산정하였다.
본 연구에서 제안된 식을 이용하여 예제단면을 선정하여 기존의 Terzaghi-Peck이나 Taschebo- tarioff등의 경험식을 암반층 토압산정에 적용하는 것에 대한 불합리성을 살펴보고, 지반정수(절리경사 각, 절리면 강도정수 c, ψ, 상무지반의 환산하중, 암반층 굴착면 깊이변화에 따른 토압분포도 살펴보았다.
본 연구에서는 후자의 경우인 암괴크기가 상대적으로 큰 연암에서 경암으로 이루어진 암반굴착면에서의 불연속면으로 구분된 쐐기형 블럭(Wedge Block)의 활동 거동으로 인한 발생 하중을 추정하기 위해서, 뒷채움 흙이 점착력을 갖는 일반토를 가지고 상재하중을 고려하고 이를 Coulomb의 쐐기이론을 확장해서 토압식을 산정한 Prakash-Saran (1966)이론을 도입하였다. 그리고, 불연속면을 따라 활동하려고 하는 쐐기형 블럭(Wedge Block)에 저항하는 힘 즉, 불연속면의 전단강도 특성을 산정하기 위해 Mohr-Coulomb식, Ladanyi & Archambault식 (1970), Barton & Bandis(1971)식 등을 살펴보았다.
본 제안식을 적용하기 위해 그림 9와 같은 예제 단면을 선정하고 절리면의 상태에 따른 상대적인 절리강도를 대입하여 계산하였다. 계산결과 절리경사에 따른 토압분포는 그림 9와 같이 나타났다.
이상에서 논의한 바와 같이 Parkash-Saran의토압이론 개념을 도입하고 이를 암반층에서 적용하 기 위해 절리면 전단강도와 절리의 경사각 1를 고려한 횡방향 토압산정방법을 연구하여 다음과 같 은 결론을 얻었다.
지금까지 살펴본 지반정수(Parameter)변화에 따른 토압의 크기는 분석 및 고찰에서 각 Case별로 분석하였다.
한편, 암반층의 토압을 고려하지 않아서 굴착도 중에 파괴가 발생한 외국 현장사례를 통해 파괴원 인 및 절리의 경사와 내부마찰각 ψ의 상판관계를 이용한 암반층 절리면의 토압발생 개념에 관해서 살펴보았다. 또, 암반증에 토압으로 작용하는 요소들을 검토해 보고, 이들 중 토압증가에 가장 큰 영향을 미치는 지반자체의 하중과, 불연속면의 경사, 불연속면의 전단강도 등의 관계를 고려해서 이론식을 산정하였다.
이론/모형
그리고, 불연속면을 따라 활동하려고 하는 쐐기형 블럭(Wedge Block)에 저항하는 힘 즉, 불연속면의 전단강도 특성을 산정하기 위해 Mohr-Coulomb식, Ladanyi & Archambault식 (1970), Barton & Bandis(1971)식 등을 살펴보았다. 그런데 Ladanyi & Archambault식, Barton & Bandis식 등은 암반층의 여러 가지 지질특성을 도입하여 전단강도를 추정하기 위한 경험식을 제시하였지만 국내 현장 여건상 이들 지질자료를 모두 구하기에는 현실적인 어려움이 많기 때문에 본 연구에서는 절리면의 c, ψ 값만으로 불연속면의 전단강도를 추정할 수 있는 Mohr-Coulomb의 r= Cp + otan ψp 여기서, 첨자 p는 최대치를 나타냄)를 적용하였다.
본 연구에서는 후자의 경우인 암괴크기가 상대적으로 큰 연암에서 경암으로 이루어진 암반굴착면에서의 불연속면으로 구분된 쐐기형 블럭(Wedge Block)의 활동 거동으로 인한 발생 하중을 추정하기 위해서, 뒷채움 흙이 점착력을 갖는 일반토를 가지고 상재하중을 고려하고 이를 Coulomb의 쐐기이론을 확장해서 토압식을 산정한 Prakash-Saran (1966)이론을 도입하였다. 그리고, 불연속면을 따라 활동하려고 하는 쐐기형 블럭(Wedge Block)에 저항하는 힘 즉, 불연속면의 전단강도 특성을 산정하기 위해 Mohr-Coulomb식, Ladanyi & Archambault식 (1970), Barton & Bandis(1971)식 등을 살펴보았다. 그런데 Ladanyi & Archambault식, Barton & Bandis식 등은 암반층의 여러 가지 지질특성을 도입하여 전단강도를 추정하기 위한 경험식을 제시하였지만 국내 현장 여건상 이들 지질자료를 모두 구하기에는 현실적인 어려움이 많기 때문에 본 연구에서는 절리면의 c, ψ 값만으로 불연속면의 전단강도를 추정할 수 있는 Mohr-Coulomb의 r= Cp + otan ψp 여기서, 첨자 p는 최대치를 나타냄)를 적용하였다.
따라서, 본 제안식에서는 Prakash-Saran이론을확장해서 암반층의 상부지반 즉, 매립층이나 풍화 토 같은 지반을 q-rxH(여기서, r는 상부지반의 평균 단위중량, H는 상부지반 총 두께로 환산하여 하중의 개념으로 작용시켰으며, 절리면을 따르는 전단강도는 일반적인 Mohr-Coulomb파괴규준을 적용하여 r=c+otan ψ을 사용하였다. 물론 불연속면의 전단강도의 특성에서도 언급한 바와 같이 불연속면의 전단 강도를 나타내기 위해 지금까지 많은 학자들에 의해 반경험적인 식들이 제안되 었으나 국내의 현장여건상 기존의 제안식을 적용하기 위한 많은 지반정수를 현장실험을 통해서 구한다는 것이 어렵기 때문에 본 연구에서는 c, ψ 값만 갖고서 불연속면의 전단강도를 추정할 수 있는 Mohr-Coulomb 식을 사용한 것이다.
따라서, 본 제안식에서는 Prakash-Saran이론을확장해서 암반층의 상부지반 즉, 매립층이나 풍화 토 같은 지반을 q-rxH(여기서, r는 상부지반의 평균 단위중량, H는 상부지반 총 두께로 환산하여 하중의 개념으로 작용시켰으며, 절리면을 따르는 전단강도는 일반적인 Mohr-Coulomb파괴규준을 적용하여 r=c+otan ψ을 사용하였다. 물론 불연속면의 전단강도의 특성에서도 언급한 바와 같이 불연속면의 전단 강도를 나타내기 위해 지금까지 많은 학자들에 의해 반경험적인 식들이 제안되 었으나 국내의 현장여건상 기존의 제안식을 적용하기 위한 많은 지반정수를 현장실험을 통해서 구한다는 것이 어렵기 때문에 본 연구에서는 c, ψ 값만 갖고서 불연속면의 전단강도를 추정할 수 있는 Mohr-Coulomb 식을 사용한 것이다.
본 연구에서는 지반골착시 암반층에서 토류구조물에 작용하는 토압은 주로 절리 경사에 따라서 그 크기가 결정되므로 이를 고려한 토압분포를 산정할 수 있는 이론식을 제시하였다. 이론적 고찰에서 이미 살펴본 Prakash-Saran(1961)이론을 적용하였는데, 이는 기존의 토압이론은 거의 다 점착력 c값은 없다고 보는 사질토인 경우에 한해서 유도되었지만 Prakash-Saran 이론은 Coulomb토압 이론을 확장하여 c, ψ 값 모두를 갖는 일반토의 경우를 가지고서 토압식을 유도했다는 데에 그 의미가 크다고 볼 수 있겠다. 왜냐하면 암반층에서의 토압산정시에도 c, ψ값에 따라 그 차이가 현저하게 나타나므로 이 두 값을 모두 고려할 수 있게 토압이 산정되어야 한다.
성능/효과
(1) 암반층 토류구조물에 작용하는 토압을 산정하기 위해서는 암석의 특성보다는 암반전체로서 굴 착면을 향해 작용하는 활동의 가능성을 고려하는 것이 보다 합리적이다.
(2) 암반층은 자체의 점착력과 내부마찰각이 크므로 절리방향이 굴착면을 향해 어떻게 청해지느냐에 따라 토압이 작용하거나 작용하지 않을 수 있다.
(4) 절리경사에 따른 토압분포 해석결과 일반적으로 절리의 경사각이 55°〜75°일 때 최대치를 나타내며 토압분포는 포물선형태를 나타낸다.
(5) 지반정수(Parameter) 변화에 따른 토압분포해석결과 암반층의 토압은 상부지반의 환산하중과 절리면 전단강도, 절리경사각 그리고 암반층 굴착면의 깊이에 따라 그 크기가 좌우됨을 알 수 있었다.
각 경우별로 해석한 결과 암반층의 토압은 첫째, 상부지반의 평균단위중량과 총두께로 정해지는 상 무지반의 환산하중은 토압에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 둘째, 암반층의 단위중량 변화에 따른 토압분포를 보면 단위중량은 토압에 별 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
각 경우별로 해석한 결과 암반층의 토압은 첫째, 상부지반의 평균단위중량과 총두께로 정해지는 상 무지반의 환산하중은 토압에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 둘째, 암반층의 단위중량 변화에 따른 토압분포를 보면 단위중량은 토압에 별 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 셋째, 암반층 굴착면의 깊이 h의 변화에 따른 토압분포는 절리경 사각이 45°〜75° 사이로 분포할때는 굴착면 깊이가 증가함에 따라 작용토압도 증가하는 것으로 나타났다.
둘째, 암반층의 단위중량 변화에 따른 토압분포를 보면 단위중량은 토압에 별 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 셋째, 암반층 굴착면의 깊이 h의 변화에 따른 토압분포는 절리경 사각이 45°〜75° 사이로 분포할때는 굴착면 깊이가 증가함에 따라 작용토압도 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 암반층 굴착면의 깊이는 토압에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
(6) 본 연구에서 산정된 이론시은 향후 절리면 전단강도 산정시 필요한 강도 정수 c, ψ값, 암의 형태와 구조, 과잉측압, 동적하중, 지진을 비롯한 많은 지반정수(Parameter)들을 보다 엄밀히 산정하고, 특히 암반증에 작용하는 지하수의 효과 등을 고려하여, 실제 현장에서 계측된 많은 자료와의 분석을 통해 그 적용성이 검토되어야 할 것으로 판단 된다.
본 연구에서 산정된 이론식은 향후 절리면 전단 강도 산정시 펄요한 강도정수 C, ψ 값, 암의 형태와 구조, 과잉측압, 동적하중, 지진을 비롯한 많은지 반정수들을 보다 엄밀히 산정하고, 특히 암반층에 작용하는 지하수의 효과등을 고려하여, 실제 현장에서 계측된 많은 자료와의 분석을 통해 그 적용성이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
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