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문제 정의
- 국내 낙석방지 울타리의 설계기준을 정립하기 위하여 절개 면의 경사도, 높이, 암반 강도 풍화도 등을 고려한 절개 면을 대상으로 현장실물 실험을 통한 낙석의 궤적, 운동에너지, 마찰계수 등을 도출하고자 하였다.
- 그러나, 국내 낙 석방지 울타리는 절개면 및 예상 낙석의 특성에 대한 고려 없이이 단일 표준도에 의해 설계, 시공되고 있어 구조물의 효용성에 의문이 제기되어 왔다. 따라서 본 연구는 현장 실험을 통해 국내에서 사용 중인 낙석방지 울타리의 기능을 파악하였으며 현장 여건과 절개면 특성에 따라 적합한 낙석방지 울타리의 설계기준을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 국내 평균 규모(높이 20m, 경사 1:0.5) 의 절개 면을 선정하고 낙석 운동을 재현하기 위하여 콘크리트 볼을을 크기별로 제작하여 현장 실물실험을 통한 낙석 운동에너지, 암반의 반발계수, 울타리의 흡수에너지 등을 산정하여 절개면 특성별 낙석방지 울타리의 설계에 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 4톤을 이용하고 절개면 경사도와 낙하 높이를 고려하여 이격거 리에 대한 모사 분석을 실시하였다. 이러한 분석 결과를 이용하여 이격거리에 따른 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부를 판단할 수 있는 기준을 제시하였다(표 4).
제안 방법
- 3개의 절개 면에서 반복적인 현장 실험과 비디오 분석을 통해 낙하하는 콘크리트 볼의 속도를 구하였으며 충 돌 전후의 속도 차이를 비교함으로서 반발계수를 구하였다. 본 현장 실험으로부터 획득된 반발계수의 값은 0.
- 이러한 절개 면의 기하학적 특성은 1998년부터 2000년까지 한국건설기술연구원에서 조사한 전국 국도변에 분포한 약 1,000개소 절개 면의 경사도와 높이의 평균값에 해당하는 것으로 대표 절개 면을 반영한다고 볼 수 있다. 가 실험대상 절개 면에 대하여 낙석 운동 경로와 에너지 산정을 위한 모사(simulation)와 결과분석을 위해 절개 면의 경사, 상세 단면 구성 암석, 절개면 거칠기 등을 정밀하게 조사하였다. 또한, 절개면 암반의 강도 측정과 낙석이 절개 면과 충돌하여 도약할 경우의 반발계수 추정을 위하여 현장 암반의 슈미트 햄머 반발 수치를 측정하였다.
- 다양한 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지 울타리에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울 타타 리의 구조 강도를 추정하였다. 각 실험 후 낙석방지 울타리의의 파손 정도 등을 자세히 기록하고 사진을 촬영하여 실험 결과 분석에 사용하였으며 계산된 낙석의 속도와 운동에너지로부터 낙석 방지 울타리의 흡수 가능 에너지를 분석하였다.
- 절개면 C에 설치된 낙석방지 울타리는 독립기초를 사용하고 지주를 콘크리트 기초 안에 묻어 방지 울타리를 설치한 형식으로 울타리의 뒤쪽에 뒷채움이 시공된 상태와 유사한 상황을 설정했다. 각 지주에는 일반적인 형식의 와이어로프 고정구를 사용하여 와이어로프를 지주에 고정하였으며 단부 지주를 설치하지 않았다. 또한 낙석 방지 울타리가 최대한의 기능을 발휘할 수 있도록 60m 연장을 설치했다.
- 본 실험을 위하여 현장의 3개 절개 면에 대하여 각각 다른 형식의 낙석방지 울타리를 설치하였다(그림 3). 낙석 방지 울타리의 설치 위치와 이격거리 등을 결정하기 위해 현장 조사자료를 기초로 절개면 단면도와 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 낙석궤적, 낙석 운동에너지, 낙석 도약 높이 등에 대한 실내 모사를 수행하였으며 모사 결과를 바탕으로 낙석방지 울타리의 특성에 따라 설치 위치 등을 결정하였다. 현장의 3개 절개 면에 설치된 낙 석방지 울타리의 특성은 표 1과 같다.
- 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤 적을 추정하는데 사용되었다. 다양한 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지 울타리에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울 타타 리의 구조 강도를 추정하였다. 각 실험 후 낙석방지 울타리의의 파손 정도 등을 자세히 기록하고 사진을 촬영하여 실험 결과 분석에 사용하였으며 계산된 낙석의 속도와 운동에너지로부터 낙석 방지 울타리의 흡수 가능 에너지를 분석하였다.
- 도로 절개 면의 낙석피해방지를 위하여 국내에서 범용적으로 적용되는 낙석방지 울타리의 특성과 성능을 평가하고 향후 이를 설계기준으로 도출하기 위하여 현장 실물실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 디지털 캠코더로 촬영한 낙석 운동의 궤적은 컴퓨터 모사 프로그램을 이용하여 낙석방지 울타리에 작용한 낙석 운동에너지의 계산에 사용되었다 낙석 궤적의 모 사를 위하여 먼저 현장에서 획득한 절개 면의 높이, 경사와 특성을 이용하여 실험 대상 절개 면을 구성하였다. 현장에서 촬영한 비디오 자료를 분석하여 최초 낙하 높이, 낙하하는 콘크리트 볼이 절개 면과 운동하는 위치 및 운동 궤적을 파악하고 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 실제 현장에서의 낙하운동과 동일한 형태의 운동 궤적을 모사하였다.
- ROCKFALL 프로그램에서는 각 입력변수의 수치를 임의의 변위 내에서 변동할 수 있도록 허용하고 있으며 따라서 여러 차례의 반복 모사가 가능하도록 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 50회의 반복 모사를 통해 일정 범위 내의 운동에너지 분포를 획득하였으며 평균값을 사용하여 실험 결과 분석을 수행하였다(그림 4). 낙석궤적의 모사 시 사용된 입력변수는 표 2와 같다.
- 이러한 모사 분석을 통해 현장 실험 시 낙석방지 울타리에 작용했던 낙석 운동에너지와 도약 높이를 획득하였으며 이 분석 결과와 현장에서 관찰된 낙석방지 울타리의의 파손 여부를 정리한 결과는 표 3와 같다. 따라서, 각 실험에서 발생된 낙석 운동에너지와 울타리의 파손 여부로부터 낙석방지 울타리의 흡수 가능 에너지를 추정하였다.
- 가 실험대상 절개 면에 대하여 낙석 운동 경로와 에너지 산정을 위한 모사(simulation)와 결과분석을 위해 절개 면의 경사, 상세 단면 구성 암석, 절개면 거칠기 등을 정밀하게 조사하였다. 또한, 절개면 암반의 강도 측정과 낙석이 절개 면과 충돌하여 도약할 경우의 반발계수 추정을 위하여 현장 암반의 슈미트 햄머 반발 수치를 측정하였다.
- 본 연구에서 사용된 반발계수는 현장 실험을 통해 획득된 실험값으로부터 역해 석을 이용하여 계산해냈으며 회전마찰계수는 이전의 연구와 문헌을 통해 현장 절개 면과 유사한 암질과 현장 여건을 이용하여 추정하였다 (Azzoni et al., 1991).
- (3) 낙석방지 울타리의 설계 및 시공 시 낙석방지도랑과 이격거리는 낙석의 에너지나 도약 높이를 저하시키 는 기능을 함으로서 매우 중요한 역할을 수행한다. 본 연구에서는 절개 면의 경사도와 낙하 높이를 고려하여 0.4톤의 닉-석이 닉하하는 것으로 가정하여 모 사 븐석을 실시하였으며 이 결과를 이용하여 이격거 리에 따른 낙석방지 울타리의 기능수행 여부를 판단 할 수 있는 기준을 제시하였다.
- 5m로 감소하였다. 이러한 결과를 바탕으로 현장에서 사용 가능한 설계 기준의 제시를 위하여 국내 평균낙석 중량인 0.4톤을 이용하고 절개면 경사도와 낙하 높이를 고려하여 이격거 리에 대한 모사 분석을 실시하였다. 이러한 분석 결과를 이용하여 이격거리에 따른 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부를 판단할 수 있는 기준을 제시하였다(표 4).
- 86까지의 범위를 가지며 이러한 값들은 Bozzolo and PaminH(1986)과 Azzoni and de Freitas(1995)에 의해 제시된 값들과 동일한 범위의 값을 보이며 대부분의 낙석분석프로그램에서 사용되는 수치와도 일치한다. 이렇게 획득된 반발계수와 암반의 강도와의 연관성을 파악하였으며 현장으로부터 시료를 채취하기 어렵고 실내 실험이 용이하지 않은 점을 고려하여 현장으로부터 슈 미트햄머를 이용하여 각 절개 면에 대해 슈미트햄머 반 발 값(rebound number)을 측정하였으며(그림 7) 이로부터 암반의 일축 압축강도를 추정하였다. 그림 8은 각 절 개 면으로부터 측정된 반발계수와 슈미트햄머 반발 값으로부터 획득한 일축 압축강도의 상관관계를 나타낸 것이다.
- 절개면 A에 설치된 낙석방지 울타리는 독립기초를 사용하지 않고 L형 옹벽 위에 설치된 형식으로 옹벽 뒤에 뒷채움을 한 상태와 유사한 상황을 만들기 위해 옹벽 배면에 약 1.0m 깊이의 도랑(ditch)을 설치하였다. 지주는 옹벽 위에 설치하였으며 U형 볼트를 사용하여 와이어 로프와 지주를 결착시켰다.
- 절개면 B에 설치된 낙석 방지 울타리는 독립기초를 사용하지 않고 L형 옹벽 위에 설치된 형식으로 옹벽 뒤쪽에 뒷채움을 하지 않아 콘크리트 볼이 낙하할 때 포획 (pocket) 역할을 하게 함으로써 낙석의 에너지를 감소 시 키는 효과와 함께 옹벽이 낙석 운동에너지를 흡수하도록 했다.
- 3톤의 콘크리트 볼을 제작하였다. 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절 개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다. 디지털 캠코더는 낙석의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도 등 3곳에 설치하였다.
- 디지털 캠코더로 촬영한 낙석 운동의 궤적은 컴퓨터 모사 프로그램을 이용하여 낙석방지 울타리에 작용한 낙석 운동에너지의 계산에 사용되었다 낙석 궤적의 모 사를 위하여 먼저 현장에서 획득한 절개 면의 높이, 경사와 특성을 이용하여 실험 대상 절개 면을 구성하였다. 현장에서 촬영한 비디오 자료를 분석하여 최초 낙하 높이, 낙하하는 콘크리트 볼이 절개 면과 운동하는 위치 및 운동 궤적을 파악하고 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 실제 현장에서의 낙하운동과 동일한 형태의 운동 궤적을 모사하였다. ROCKFALL 프로그램에서는 각 입력변수의 수치를 임의의 변위 내에서 변동할 수 있도록 허용하고 있으며 따라서 여러 차례의 반복 모사가 가능하도록 하고 있다.
대상 데이터
- 국내에서 발생하는 다양한 크기의 낙석 규모를 반영하기 위하여 0.7톤, L3토 2.3톤, 그리고 4.3톤의 콘크리트 볼을 제작하였다. 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절 개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다.
- 콘크리트 볼을 높이 약 20m의 절 개 면으로부터 낙하시키고 이를 디지털 캠코더로 촬영하였다. 디지털 캠코더는 낙석의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도 등 3곳에 설치하였다. 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤 적을 추정하는데 사용되었다.
- 본 실험을 위하여 현장의 3개 절개 면에 대하여 각각 다른 형식의 낙석방지 울타리를 설치하였다(그림 3). 낙석 방지 울타리의 설치 위치와 이격거리 등을 결정하기 위해 현장 조사자료를 기초로 절개면 단면도와 ROCKFALL 프로그램을 이용하여 낙석궤적, 낙석 운동에너지, 낙석 도약 높이 등에 대한 실내 모사를 수행하였으며 모사 결과를 바탕으로 낙석방지 울타리의 특성에 따라 설치 위치 등을 결정하였다.
- 실험힌장은 진주~통영 간 고속도로 공사 현장으로 높이 약 20m, 연장 30~ 40m 규모인 암반 절개 면이 도로 양 쪽으로 위치하고 있다. 각 절개면은 경사도 1:0.
- 디지털 캠코더는 낙석의 궤적추적을 위해 절개 면의 정면과 측면 그리고 절개 면으로부터 45도의 각도 등 3곳에 설치하였다. 촬영된 자료는 낙석의 속도와 궤 적을 추정하는데 사용되었다. 다양한 크기의 콘크리트 볼을 이용하여 여러 차례 반복 실험함으로써 낙석방지 울타리에 가해지는 에너지를 다양하게 조절하였으며 낙석방지 울타리의 기능 수행 여부로부터 낙석방지 울 타타 리의 구조 강도를 추정하였다.
이론/모형
- 4톤의 낙석이 높이 10m의 절개 면에 낙하하여 낙석방지도랑(ditch)과의 충돌 없이 직접 낙석방지 울타리에 충돌할 대의 에너지이다. 현장 실험을 통해 획득된 결과는 낙석 대책편람(일본도로 협회, 2000)에 제시된 낙석 빙지울타리의 흡수 가능 에너지 계산식을 이용하고 국내 낙석 방지 울타리의 형식과 제원을 적용하여 얻은 값과 유사하다.
성능/효과
- (1) 현芝실험을 통해 획득한 낙석방지 울타리의 흡수가 능 에너지는 약 50kJ이 었으며, 이는 약 0.4톤의 낙석이 높이 10m의 절개 면에 낙하하여 낙석방지도랑(ditch)과의 충돌 없이 직접 낙석방지 울타리에 충돌할 대의 에너지이다. 현장 실험을 통해 획득된 결과는 낙석 대책편람(일본도로 협회, 2000)에 제시된 낙석 빙지울타리의 흡수 가능 에너지 계산식을 이용하고 국내 낙석 방지 울타리의 형식과 제원을 적용하여 얻은 값과 유사하다.
- (2) 국내에서 발생하는 낙석의 평균 규모(0.4톤)와 절개 면의 평균 높이(20m)에 의해 추정되는 낙석 운동에 너 지는 약 90kJ로 국내에서 사용되는 형식의 흡수가 능어너지보다 크며 따라서 보다 큰 에너지를 흡수할 수 있는 낙석방지 울타리의 개발 또는 절개 면과 낙석 방지 울타리 사이의 이격거리를 조절하여 설계하여야 한다. 즉, 절개 면의 높이와 예상 낙석의 규모를 고 려히.
- (3) 낙석방지 울타리의 설계 및 시공 시 낙석방지도랑과 이격거리는 낙석의 에너지나 도약 높이를 저하시키 는 기능을 함으로서 매우 중요한 역할을 수행한다. 본 연구에서는 절개 면의 경사도와 낙하 높이를 고려하여 0.
- (4) 본 연구에서는 낙석의 운동 궤적과 운동에너지에 영향을 미치는 중요한 매개변수인 반발계수와 암반의 일축 압축강도의 상관관계를 파악하였으며, 상관관계가 있는 것으로 판단하였다. 이러한 연구 결과는 각 암반 절개 면에 대한 현장 실험의 수행 없이 암반의 일축 강도를 통하여 반발계수를 선정하여 낙석 운동 에너지를 산정할 수 있다.
- 1. 2차 실험에서 1.3톤의 콘크리트 볼로부터 발생된 낙석 운동에너지는 각각 32.2kJ과 51.1kJ 이었다. 동일한 중량의 콘크리트 볼이 낙하하면서 발생시킨 낙석 운동에너지에 약 20kJ의 차이가 발생한 것은 콘크리트 볼이 각각 다른 운동 형태에 의해 낙하했기 때문으로 보인다.
- ② 절개면 A의 구조물에서 사용되었던 U형 볼트의 성능은 다른 구조물에 사용되었던 조립 구보다 뛰어난 것으로 판단된다. 방지 울타리의 파손 상태를 비교해보면 A 절개 면의 경우, 낙석 에너지를 흡수하기 위해 지주와 와이어로프가 동시에 기능을 발휘하였으며 따라서 와이어 코프의 파손과 함께 지주도 변형이 발생했다(그림 5(a)).
- 반면에 다른 형식의 조립 구는 이러한 기능을 하지 못하였으며 결과적으로 지주에는 아무런 변형이 발생하지 않고 와이어로프만 이탈되어 콘크리트 볼이 방지 울타리를 뚫고 지나가는 현상이 발생했다(그림 5
- 3개의 절개 면에서 반복적인 현장 실험과 비디오 분석을 통해 낙하하는 콘크리트 볼의 속도를 구하였으며 충 돌 전후의 속도 차이를 비교함으로서 반발계수를 구하였다. 본 현장 실험으로부터 획득된 반발계수의 값은 0.48 에서 0.86까지의 범위를 가지며 이러한 값들은 Bozzolo and PaminH(1986)과 Azzoni and de Freitas(1995)에 의해 제시된 값들과 동일한 범위의 값을 보이며 대부분의 낙석분석프로그램에서 사용되는 수치와도 일치한다. 이렇게 획득된 반발계수와 암반의 강도와의 연관성을 파악하였으며 현장으로부터 시료를 채취하기 어렵고 실내 실험이 용이하지 않은 점을 고려하여 현장으로부터 슈 미트햄머를 이용하여 각 절개 면에 대해 슈미트햄머 반 발 값(rebound number)을 측정하였으며(그림 7) 이로부터 암반의 일축 압축강도를 추정하였다.
- Spang에 의해 개발된 ROCKFALL(Spang and Sonser, 1995)과 미국 Colorado Highway Department에 의해 개발된 CRSP(Colorado Rockfall Simulation Program)(Pfeififer and Bowen, 1989) 가 비교적 많이 사용되고 있다. 이러한 프로그램을 이용한 낙석 운동 형태와 에너지 예측 방법은 절개 면의 거칠기, 낙석의 형태 등 낙석 운동에너지에 영향을 줄 수 있는 많은 변수를 고려할 수 있는 장점이 있으며 따라서 현장에서 실제로 발생하는 낙석 운동에너지에 매우 가 까운 수치를 얻을 수 있다. 그러나, 이들 방법은 상업용으로 개발된 프로그램으로 모사(simulation)을 위한 실내 작업에서 현장의 매개변수가 너무 많아 낙석 운동에 너 지를 산정하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
후속연구
- 그러나 반발계수는 낙하하는 암편의 크기와 모양, 절개면 표면의 거칠기 등에 의해서도 좌우되며, 따라서 암반의 일 축 압축강도로부터 반발계수를 추정하기 위해서는 이러한 변수를 충분히 고려해야 한다. 또한, 이 상관관계는 현장 절개 면의 주 구성 암석인 퇴적암으로부터 획득된 결과로 다른 암석으로 구성된 절개 면에서 반발계수를 추정하기 위해서는 각각 구성 암석에 따른 반발계수와 일축 압축강도와의 상관관계에 대한 검토가 수행되어야 한다.
- 본 연구는 퇴적암을 대상으로 현장 실험 및 분석을 수행하였으며 화성암과 변성암을 기반암으로 하는 절개 면에 대하여서는 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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