NMT 공법의 올바른 적용을 위해선 암반속 절리면 거동분석이 선행되어야함을 인식하고 절리면의 전단특성 및 구성모델을 검토하였다. 특히, Barton-Bandis 모델로 대변되는 비선형 절리 모델의 정확한 이해와 모델을 구성하고 있는 제반 물성치의 합리적인 산출을 위하여 암반의 불연속체 거동을 지배하는 중요인자인 절리면 거칠기(JRC), 절리면 압축강도(JCS) 및 잔류마찰각(${\phi}_r$)에 대한 매개변수 분석을 수행하여 합리적인 입력값 산정이 가능하도록 하였다. 또한 Barton-Bandis 모델과 Mohr-Coulomb 모델과의 비교분석을 통하여 불연속체 거동 특성파악을 위한 구성모델을 검토하고자 하였다. 본 연구 결과 JRC 및 ${\phi}_r$의 영향이 JCS에 비해 상대적으로 큰 것으로 평가되었으며, 터널안정 해석시에 낮은 JRC 값을 채택하는 것이 반드시 불안전측을 고려하는 것은 아님을 알 수 있었으며, ${\phi}_r$은 암반의 거동에 큰 영향을 주는 매우 중요한 요소이므로 ${\phi}_r$값에 대한 합리적인 산정이 필요한 것을 알 수 있었다. 아울러 전단시 절리면의 팽창효과가 암반의 거동에 중요한 역할을 하는 경우, 전단변형 진행에 따라 절리면의 거동을 효과적으로 구현할 수 있는 Barton-Bandis 모델이 Mohr-Coulomb 모델에 비해 더욱 적절함을 알 수 있었다.
NMT 공법의 올바른 적용을 위해선 암반속 절리면 거동분석이 선행되어야함을 인식하고 절리면의 전단특성 및 구성모델을 검토하였다. 특히, Barton-Bandis 모델로 대변되는 비선형 절리 모델의 정확한 이해와 모델을 구성하고 있는 제반 물성치의 합리적인 산출을 위하여 암반의 불연속체 거동을 지배하는 중요인자인 절리면 거칠기(JRC), 절리면 압축강도(JCS) 및 잔류마찰각(${\phi}_r$)에 대한 매개변수 분석을 수행하여 합리적인 입력값 산정이 가능하도록 하였다. 또한 Barton-Bandis 모델과 Mohr-Coulomb 모델과의 비교분석을 통하여 불연속체 거동 특성파악을 위한 구성모델을 검토하고자 하였다. 본 연구 결과 JRC 및 ${\phi}_r$의 영향이 JCS에 비해 상대적으로 큰 것으로 평가되었으며, 터널안정 해석시에 낮은 JRC 값을 채택하는 것이 반드시 불안전측을 고려하는 것은 아님을 알 수 있었으며, ${\phi}_r$은 암반의 거동에 큰 영향을 주는 매우 중요한 요소이므로 ${\phi}_r$값에 대한 합리적인 산정이 필요한 것을 알 수 있었다. 아울러 전단시 절리면의 팽창효과가 암반의 거동에 중요한 역할을 하는 경우, 전단변형 진행에 따라 절리면의 거동을 효과적으로 구현할 수 있는 Barton-Bandis 모델이 Mohr-Coulomb 모델에 비해 더욱 적절함을 알 수 있었다.
For the pertinent use of NMT method, both characteristics of joints (JRC, JCS and ${\phi}_r$) and characteristics of rock mass (Q-Value) must be investigated carefully. The main objective of the study presented is to investigate how sensitive the predicted behaviour of an underground exca...
For the pertinent use of NMT method, both characteristics of joints (JRC, JCS and ${\phi}_r$) and characteristics of rock mass (Q-Value) must be investigated carefully. The main objective of the study presented is to investigate how sensitive the predicted behaviour of an underground excavation is to various realistic assumptions about some input parameter for the jointed rock mass. Joint pattern in the tunnel is predicted by statistical approach (chi-square test). In this paper, sensitivity studies involving in joint characteristics were carried out. The parametric studies involving change in Barton-Bandis joint model have shown that JCS is relatively insensitive to JRC and ${\phi}_r$. An increase in JRC value may not, according to the Barton-Bandis model, necessarily lead to a decrease in displacement. The importance of dilation in predicting the behaviour of a rock mass around an excavation is emphasized from a comparison of the Barton-Bandis joint behaviour model with the Mohr-Coulomb model. The Barton-Bandis model predicted higher stress, which allow for the build-up of stress caused by dilatant behaviour.
For the pertinent use of NMT method, both characteristics of joints (JRC, JCS and ${\phi}_r$) and characteristics of rock mass (Q-Value) must be investigated carefully. The main objective of the study presented is to investigate how sensitive the predicted behaviour of an underground excavation is to various realistic assumptions about some input parameter for the jointed rock mass. Joint pattern in the tunnel is predicted by statistical approach (chi-square test). In this paper, sensitivity studies involving in joint characteristics were carried out. The parametric studies involving change in Barton-Bandis joint model have shown that JCS is relatively insensitive to JRC and ${\phi}_r$. An increase in JRC value may not, according to the Barton-Bandis model, necessarily lead to a decrease in displacement. The importance of dilation in predicting the behaviour of a rock mass around an excavation is emphasized from a comparison of the Barton-Bandis joint behaviour model with the Mohr-Coulomb model. The Barton-Bandis model predicted higher stress, which allow for the build-up of stress caused by dilatant behaviour.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
NATM 공법과 NMT 공법은 적용 대상지반에 차이를 보이며 전자는 암반을 연속체로 가정하고 후자는 불연속체 상태로 가정하게 되므로 절리면의 거동이 터널의 굴착을 지배하는 주요인자로 평가받게 된다. 따라서 NMT 공법의 올바른 이해와 적용을 위해서는 불연속면의 거동분석이 매우 중요한 의미를 가지며 불연속면의 전단강도 특성 및 구성모델에 대해 기존 문헌조사를 통해 이에 따른 검토를 수행하고자 하였다. 절리면의 변형특성에 대한 연구는 Barton 등(1977, 1990), Bandis 등(1981), Goodman등(1976, 1980)에 의해 이루어 졌으며, 절리면 물성을 평가하는데 이들의 경험식을 많이 이용하여 왔다.
본 논문에서는 이러한 문제점의 해결을 위하여 암반의 불연속체 거동을 지배하는 중요인자인 절리면 거칠기(JRC), 절리면 압축강도(JCS) 및 잔류마찰각(фr)에 대한 매개변수 분석을수행하여 합리적인 입력값 산정이 가능하도록 하였다. 또한 BB 모델과 Mohr-Coulomb 모델(이하 MC모델)과의 비교분석을 통하여 불연속체 거동 특성파악을 위한 적합한 구성모델을 제시하고자 하였다.
최근 국내 터널설계에 있어서 암반 불연속면을 고려한 해석이 점진적으로 수행되고 있으나 불연속체 해석에 대한 검토는 연속체 해석에 비해 상대적으로 적고, 특히 Barton-Bandis 모델(이하 BB모델)로 대변되는 비선형 절리 모델의 정확한 이해와 모델을 구성하고 있는 제반 물성치의 합리적인 산출과정 없이 수행되고 있어 이에 따른 유효성의 문제가 대두되고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점의 해결을 위하여 암반의 불연속체 거동을 지배하는 중요인자인 절리면 거칠기(JRC), 절리면 압축강도(JCS) 및 잔류마찰각(фr)에 대한 매개변수 분석을수행하여 합리적인 입력값 산정이 가능하도록 하였다. 또한 BB 모델과 Mohr-Coulomb 모델(이하 MC모델)과의 비교분석을 통하여 불연속체 거동 특성파악을 위한 적합한 구성모델을 제시하고자 하였다.
그러나 현재 국내 터널설계 및 해석의 경우에 있어 BB모델의 적용은 매우 제한적이었으며 BB모델 적용시, 활용성 및 적용한계에 대해 세심한 배려가 이루어지지 못했다. 본 연구는 상기와 같은 문제점을 인식하고 절리 암반속 터널거동의 올바른 평가를 위해 NATM 및 NMT 공법의 전반적인 조사 및 BB모델 적용시 입력정수에 따른 터널거동을 분석함으로써 향후 NMT 공법의 국내 적용시 올바른 방향을 제시하고 특히 입력정수평가시 매개변수분석을 통해 올바른 시험지침을 제시하고자 하였다. 본 연구는 ○○∼○○ 고속도로 건설공사 제 ○공구 터널 설계시 조사된 지반조사결과 및 지표지질조사결과를 이용하여 블록 및 절리면 특성과 절리구성을 파악하여입력정수의 신뢰성을 높이도록 하였으며 터널 해석시 적용한 불연속면의 공간적 특성은 통계학적 검증을 통해 최대한 합리적으로 산정하였다.
본 연구의 목적은 불연속체 해석시 필요한 주요 입력매개변수의 영향을 검토하며 NMT 공법의 올바른 적용 및 평가를 위해 ○○∼○○ 고속도로 제 ○공구 터널설계를 위한 조사 및 시험결과를 이용하여 매개변수분석을 수행하였다.
가설 설정
(a)와 같이 주위의 암석이 암반으로 구속되어 있으면 전단시 수직응력의 증가를 가져오며 자유면 주위의 불연속면은 그림 1.(b)와 같이 수직응력의 변화 없이 팽창한다. 풍화의 영향으로 불연속면 주위의 암석이 연화되거나 충진물이 불연속면 사이에 존재할 경우 간단한 전단 구성모델은 실질적인 불 연속면의 전단거동을 잘 묘사하지 못하며 불연속면 거동 해석시 적절한 구성식 및 전단시험의 필요성이 대두된다.
해석결과 변위는 큰 차이를 보이지 않지만 BB모델의 경우 접선응력은 MC모델의 경우보다 상당히 큰 값을 보인다. BB모델에서 접선응력이 상대적으로 크게 증가하는 것은 MC모델의 경우 Dilation 팽창각이 일정하다고 가정하며 전단변형에 따라 팽창각이 증가하지 않고, 그에 따라서 블록의 엇물림(interlocking)에 대한 충분한 접선응력의 형성이 구현되지 않기 때문이다.
제안 방법
Chi-square 적합도 검정을 통해 절리면의 방향성, 연장성, 간격에 대해 최적의 분포를검토하였다(표 2).
본 연구는 상기와 같은 문제점을 인식하고 절리 암반속 터널거동의 올바른 평가를 위해 NATM 및 NMT 공법의 전반적인 조사 및 BB모델 적용시 입력정수에 따른 터널거동을 분석함으로써 향후 NMT 공법의 국내 적용시 올바른 방향을 제시하고 특히 입력정수평가시 매개변수분석을 통해 올바른 시험지침을 제시하고자 하였다. 본 연구는 ○○∼○○ 고속도로 건설공사 제 ○공구 터널 설계시 조사된 지반조사결과 및 지표지질조사결과를 이용하여 블록 및 절리면 특성과 절리구성을 파악하여입력정수의 신뢰성을 높이도록 하였으며 터널 해석시 적용한 불연속면의 공간적 특성은 통계학적 검증을 통해 최대한 합리적으로 산정하였다.
불연속체 해석시 MC 모델과 BB 절리모델의 거동비교에 대한 검토를 수행하였다. MC 모델은 절리면의 비실제적인 선형거동을 가정하지만 모델에 입력되는 절리면 특성의 산출 용이와 해석프로그램의 Coding 편의성으로 인해서 현재까지 주 해석기법으로 다양하게 적용되어 왔다.
불연속체 해석시 불연속면의 방향성, 연장, 간격 등은 해석의 신뢰도에 중요한 요소이며 합리적인 절리망 네트워크의 구성을 위해 지표지질조사 및 텔레뷰어 탐사를 통해절리특성을 파악하였다.
암반의 변형과 체적암반의 변형에 기여하는 거칠기지 수(JRC)의 영향을 검토하기 위해 기본해석의 JRC=10 값에 대해 각각 JRC=15(case 2), JRC=5(case 3)에 대해 비교검토를 수행하였다. 그림 7∼그림 9는 JRC 값의 변화에 따른 좌ㆍ우측터널의 천단변위 및 내공변위의 변화를 도시한 것이다.
그림 13 ∼그림 15는 ф값의 변화에 따른좌ㆍ우측터널의 천단 및 내공변위의 변화 경향을 보여준다. 암반의 변형에 기여하는 잔류마찰각의 영향을 검토하기 위해 기본해석의 фr = 30°값에 대해 각각 фr = 35°(case 6), фr = 25°(case 7)에 대해 비교검토를 수행하였다. 해석결과 фr의 증가에 따라 변위가 감소하는 경향을 보이며, 이는 BB모델의 구성에 정확히 일치함을 보여주고 있다.
그림 10 ∼그림 12는 JCS 값의 변화에 따른 좌ㆍ우측터널의 천단 및 내공 변위의 변화 경향을 보여준다. 암반의 변형에 기여하는 절리벽면강도의 영향을 검토하기 위해 기본해석의 JCS=175MPa 값에 대해 각각 JCS=200MPa(case 4), JCS=150MPa(case 5)에 대해 비교검토를 수행하였다. 해석결과 JCS 값의 증가에 따라 변위는 감소하는 경향을 보여주며 이러한 이유는 JCS 값 증가에 따른 절리면의 전단강성증가에 기인한 것으로 보이며, 좌ㆍ우측 터널에서 내공변위의 차이가 발생하는 것은 절리발생시 굴착면에 발생된 절리밀도에 기인한 것으로 판단된다.
절리면의 변형특성에 대한 연구는 Barton 등(1977, 1990), Bandis 등(1981), Goodman등(1976, 1980)에 의해 이루어 졌으며, 절리면 물성을 평가하는데 이들의 경험식을 많이 이용하여 왔다. 절리면을 대상으로 측정한 절리면의 특성(JRC, JCS)과 모암의 물성(단위중량, 일축압축강도)을 근거로 불연속체 해석시 절리면의 입력정수(절리면 수직 및 전단강성, 마찰각, 점착력)를 산정하는 경험적인 방법을 조사하며 특히 주관적인 결정에 의해 그 측정값의 변동이 심한 JRC 값의 평가에 대해 검토한다.
절리암반속 터널의 거동은 암반의 변형과 체적BB 모델의 중요 입력변수인 JRC, JCS, фr의 영향을 검토하기 위해 표 3과 같은 경우에 매개변수분석(parametric study)을수행하였다.
이론/모형
절리면의 팽창성을 결정하는 Dilation 값은 BartonBandis 모델에서 다음과 같이 입력되었으며, MohrCoulomb 모델에 적용한 값은 감소지수를 고려하여 Barton-Bandis 모델 적용값의 절반을 입력하였다.
성능/효과
1) 검토된 해석단면에 BB 모델의 입력정수에 대한 매개변수 분석을 수행한 결과 JRC 및 фr의 영향이 JCS에비해상대적으로큰것으로평가되었다.
2) 불연속체 해석을 위해 BB 모델적용시 JRC 값과 터널 천단 및 내공 변위와 반비례 관계가 성립되지 않으므로, 안정해석을 위한 입력정수 산정시 낮은 JRC 값을 채택하는 것이 반드시 불안전측을 고려하는 것은 아님을 보여주고 있다. JRC 값은 조사된 범위에서 매개변수분석을 통한 최종 안정성여부를 판단하여 사용하는 것이 타당함을 알 수 있다.
3) JCS의 증가는 절리면의 전단강성을 증가시켜 전단 강도를 증가시키는 효과를 보이며 이에 따라 터널의 천단 및 내공변위가 감소하게 되나 실제 절리면의 JCS 값은 치수효과, 지하수 상태 및 충진물 등의 영향을 고려할 때 실험실 값에 비해 적게 되므로 이에 대한 영향을 충분히 고려한 후 입력정수를 선정하는 것이 적절할 것으로 판명되었다.
5) 암반의 거동을 예측하는데 있어 전단시 절리면의 팽창효과가 암반의 거동에 중요한 역할을 하는 경우, 전단변형 진행에 따라 절리면의 거동을 효과적으로 구현할 수 있는 BB모델이 MC모델에 비해 더욱 적절함을 알 수 있었다.
시추조사를 통해 분석한 불연속면의 특징은 전체적으로 20/128 (N38E/20SE)의 주된 경사각과 경사방향이 나타나고 있으며, 33/29 (N61W/33NE), 61/302(N32E /61NW)계열의 불연속면이 부방향으로 분포하고 있다. 그 외에는 산발적으로 분포하며 특히, 주시 이미지에서의 연장성이 뚜렷한 파쇄 절리면들은 20/128 (N38E/20SE)의 주된 경사각과 경사방향을 나타내고 있다.
전단시 절리면의 팽창이 암반의 거동에 중요한 요소임은 주지의 사실이며 이러한 결과를 종합적으로 검토하여 볼 때 Dilation 현상이 중요한 지중 터널의 거동은 BB모델의 적용이 보다 적절한 해석기법이라고 판단할 수 있다.
암반의 변형에 기여하는 절리벽면강도의 영향을 검토하기 위해 기본해석의 JCS=175MPa 값에 대해 각각 JCS=200MPa(case 4), JCS=150MPa(case 5)에 대해 비교검토를 수행하였다. 해석결과 JCS 값의 증가에 따라 변위는 감소하는 경향을 보여주며 이러한 이유는 JCS 값 증가에 따른 절리면의 전단강성증가에 기인한 것으로 보이며, 좌ㆍ우측 터널에서 내공변위의 차이가 발생하는 것은 절리발생시 굴착면에 발생된 절리밀도에 기인한 것으로 판단된다.
암반의 변형에 기여하는 잔류마찰각의 영향을 검토하기 위해 기본해석의 фr = 30°값에 대해 각각 фr = 35°(case 6), фr = 25°(case 7)에 대해 비교검토를 수행하였다. 해석결과 фr의 증가에 따라 변위가 감소하는 경향을 보이며, 이는 BB모델의 구성에 정확히 일치함을 보여주고 있다.
후속연구
4) фr은 암반의 거동에 큰 영향을 주는 중요 요소임을 알 수 있으나 본 입력정수에 대해 구체적인 조사 없이 기존 문헌 등에서 제시한 값을 여과 없이 인용하여 사용하는 것은 적절하지 못하며 향후 합리적인 터널의 거동분석을 위해 이에 대한 фr값에 대한 시험을 수행해야 함을 알 수 있었다.
6) BB모델의 적용은 절리면의 비선형을 고려할 수 있다는 점에서 매우 합리적인 것으로 사료되나 향후 실제 현장에서 얻어진 계측결과의 비교(feed back)을 통해 수정 및 보완이 필요할 것으로 판단된다.
Hoek(1983), Nilsen & Thidemann(1993)에 의해 강조된 것처럼 절리면의 비선형성을고려할 수 있는 이러한 강력한 해석수단에 대해 그 잠재력과 한계를 명확히 인식하여실제 설계 및 시공에 이용될 수 있도록 지속적인 연구가필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
NMT 공법의 올바른 적용을 위해 선행되어야 하는 것은?
NMT 공법의 올바른 적용을 위해선 암반속 절리면 거동분석이 선행되어야함을 인식하고 절리면의 전단특성 및 구성모델을 검토하였다. 특히, Barton-Bandis 모델로 대변되는 비선형 절리 모델의 정확한 이해와 모델을 구성하고 있는 제반 물성치의 합리적인 산출을 위하여 암반의 불연속체 거동을 지배하는 중요인자인 절리면 거칠기(JRC), 절리면 압축강도(JCS) 및 잔류마찰각(${\phi}_r$)에 대한 매개변수 분석을 수행하여 합리적인 입력값 산정이 가능하도록 하였다.
Q-System에 의한 암반분류법은 어떤 현장에 적용되고 있는가?
NMT공법의 가장 대표적인 특징은 정확한 암반상태의 평가와 합리적인 지보선정 및 지보재료에 의해 안전하고 경제적인 터널을 구축하는데 있다. 특히, 노르웨이의 NGI(Norwegian Geotechnical Institute: 노르웨이 지반공학 연구센터)에서 개발되어 이미 우리나라 지반에도 잘 부합된다고 평가되고 있어 현재 많은 터널현장에 적용되고 있는 Q-System에 의한 암반분류법은 도로터널, 철도터널, 수력발전용터널, 암반비축공동 등의 다양한 현장에 적용되고 있다. NMT 공법의 대표적인 특징 중의 하나는 2차 라이닝 설치여부이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.