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문제 정의
- 이 중에서 FRP 보강 그라우팅 공법으로 보강한 지반의 파괴 시 변위에 따른 저항력은 초기 변위 발생 직전까지 주로 FRP 관과 구근의 전단력이 대부분을 지지하게 된다. 따라서 본 연구에서는 FRP 그라우트체의 전단 저항 능력을 알아보기 위하여 FRP 그라우트 체에 대한 전단 강도를 측정하였다. 이를 위하여 양면 전단개념의 전단 시험기를 이용하여 다음의 전단저항력을 측정하였다.
- 그러나 지반보강 메카니즘을 고려한 FRP 보 강재 및 FRP 그라우트 보강지반의 전단 특성에 대한 연구자료가 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 FRP 그라우체에 대한 양면 전단시험과 FRP 그라우트 보강 지반에 대한 직접 전단시험을 실시하여 FRP 관을 이용한 그라우트 보강지반의 전단 거동 및 특성을 종합적으로 평가하였다.
제안 방법
- FRP 관의 전단 강도를 구하기 위해 FRP 관 자체와 내부를 충전한 상태의 FRP 관의 전단저항력은 물론 그라우팅한 복합체의 전단저항력과 또한 그라우트 재의 전단 강 도를 측정하였다. 또한, 그라우트체(초속경시멘트)에 대한 실험에서 최대전단 저항값(Pcmt-max)을 측정하여 초속경시멘트의 전단응력 값( r cmt-max)을 구하고 이를 토대로 각각의 실험에서 FRP 관의 전단 강도를 구하였다.
- FRP 관의 전단저항력을 측정하기 위하여 FRP관 내부의 전단면 위치에 전단 강도를 무시할 수 있는 스티로폼을 설치하고 다른 부분은 초속경 시멘트로 충전하여 전단 틀에 FRP 관만 정중앙에 위치시키고 미충전 상태의 FRP관(PFS01-00 및 PFS01-01)의 양면 전단실험을 2회 실시하였다.
- FRP 구근을 전단 틀 내부의 정중앙에 위치시키고 FRP와 전단 틀 내부에 초속경시멘트를 충전시킨 후 양면 전 단 시험을 실시하였다.
- 양면 전단 실험기는 암체가 절리를 따라 활동을 일으킬 때에 FRP 보강 그라우트체의 전단 저항능력을 측정하기 위하여 아주대학교 토목기술연구센터에서 개발한 장비를 본 연구에 이용하였다. 두께 100mm로 제작한 전단 틀을 설치하고, 전단 틀 사이에는 전 단체를 위치 시 키며, 전단 시 전단 틀 내부 지점 팽창과 FRP 관의 휨 파괴 방지를 위해 전단 틀 양측 외부에 각각 두께 30mm의 철판을 부착하였다. 그리고 각 틀 사이에는 판 베어링을 설치하여 전단 방향의 마찰을 최대한 제거하였다.
- 즉, 변위 초기에는 무보강 지반에서처럼 지반자체가 전단에 대하여 저항하고, 최 대곡률 점을 지난 후부터 비로서 FRP 주변 지반의 수동 저항이 나타나고 전단 변위가 크게 진행되면 FRP 그라 우트체의 전단저항력이 발휘되는 것으로 추정되었다. 따라서 FRP 보강지반의 강도 정수는 변위 초기의 최대 곡률 점과 전단응력의 증가율이 감소하다가 증가되는 위치에서의 전단응력으로부터 구하였다.
- 이 중에서 FRP 그라우트체의 전단 저항능력은 설계에 직접적으로 반영할 수 있는 값이다. 따라서 본 연구에서는 Im3의 화강풍화토지반을 일정한 다짐 상태로 조성하고 실제 현장과 동일한 방법으로 천공하고 압력 라우팅한 후에 그라우트 재가 양생 되기를 기다렸다가 직접 전단 방식으로 전단시험을 실시하여 지반보강효과를 확인하였다 이 때에 단위 면적당 FRP 보강 그라우팅 효과를 알아보기 위하여 Impmxlmxlm)의 토 체를 1, 2, 3개의 FRP로 각각에 대해서 수직압력을 3가지로 변화시키면서 전단시험을 실시하여 파괴 포락선을 그려서 강도 정수를 구하였고 무 보강상태에서도 전단시험을 실시하여 FRP 보강 그라우팅에 의한 지반보강 효과를 정량적으로 확인하였다.
- 0m3 용량의 전단 상자에 시료를 조성하여 KS F2343의 직접 전단 시험과 같은 방법으로 직접 전단시험을 수행할 수 있도록 고안되 었으며 통상적으로 사용하는 소형 직 접전 단시 험에서와 비슷하거나 조금 더 큰 응력수준에서 시험할 수 있다. 또한 큰 하중(수직력 50ton, 전단력 lOOton)에서 변형되지 않도록 특수한 형태로 설계 제작하였다.
- FRP 관의 전단 강도를 구하기 위해 FRP 관 자체와 내부를 충전한 상태의 FRP 관의 전단저항력은 물론 그라우팅한 복합체의 전단저항력과 또한 그라우트 재의 전단 강 도를 측정하였다. 또한, 그라우트체(초속경시멘트)에 대한 실험에서 최대전단 저항값(Pcmt-max)을 측정하여 초속경시멘트의 전단응력 값( r cmt-max)을 구하고 이를 토대로 각각의 실험에서 FRP 관의 전단 강도를 구하였다. 이때 의 전단은 양면에서 발생되었으므로 전단 저항값은 최대 전단 저항측정치의 절반을 취하였다.
- 그리고 각 틀 사이에는 판 베어링을 설치하여 전단 방향의 마찰을 최대한 제거하였다. 본 양 면 전단 시험기는 최대 직경 140mm까지의 공시체에 대한 전단저항력을 측정할 수 있으며, UTM(Universal Test Machine)으로 하중을 재하하면서 구근의 전단저항력을 측정하도록 고안하였다.
- 시험지반의 기본 물 성을 파악하기 위하여 본시험에 앞서 입도 분석, 다짐시험, 액. 소성 한계시험, 비중시험 및 직접 전단시험 등을 실시하였다. 시험 결과 시험에 사용된 지반은 세립분을 비교적 많이(약 36%) 포함하는 SC 지반으로 최적함수비 는 12.
- 순수한 주입재(초속경 시멘트)만의 전단저항력을 구하기 위하여 FRP 보강 그라우팅 구근과 동일한 배합비로 전단 틀 내부에 직경 140mm로 그라우트체 시편을 제작하여 양면 전단실험을 실시하였다. 이 경우 전단에 대해서 그라우트체가 저항하게 되며 전단체에 재하량이 증가함에 따라 전단저항력은 급격한 증가를 보이며, 최대전단저항력(Pcmt-max)은 변위가 2.
- 시험 지반은 가압 그라우팅 시 어느 정도 다짐 되어 점착력을 갖는 화강풍화토로 시험하는 것이 적당할 것으로 판단되어 일반적으로 접하기 쉬운 화강풍화토를 일정한 정도로 다짐하여 조성하였다. 시험지반의 기본 물 성을 파악하기 위하여 본시험에 앞서 입도 분석, 다짐시험, 액.
- 시험 토 체는 아주대학교에서 개발한 대형직접 전단 시 험기의 전단 박스에 일정한 에너지로 다짐하여 조성하였으며, 이렇게 조성된 토 체에 천공하고 실제 시공과 동일한 압력, 재료 및 배합비를 적용하여 그라우트 보강하였다. 아주대학교 지반 공학연구실에서 개발하여 사용 중인 대형 직접전단시험기의 외관은 그림 員과 같으며 최대 가능 수직 응력 및 전단응력은 각각 50t/m2, lOOt/n? 이다.
- 반면에 상부의 실린더 시스템을 이용하면 상 판이 기우는 것을 방지 할 수 있다. 시험기는 1.0m3 용량의 전단 상자에 시료를 조성하여 KS F2343의 직접 전단 시험과 같은 방법으로 직접 전단시험을 수행할 수 있도록 고안되 었으며 통상적으로 사용하는 소형 직 접전 단시 험에서와 비슷하거나 조금 더 큰 응력수준에서 시험할 수 있다. 또한 큰 하중(수직력 50ton, 전단력 lOOton)에서 변형되지 않도록 특수한 형태로 설계 제작하였다.
- 이것eFRP를 2개, 3개 보강할 때에 전단 방향에 대해 직각인 방향으로 일렬로 배치하여 FRP 배치 선상에서 균열이 발생되었기 때문으로 추정되며, 전단시험 후 해체과정에서 발생된 균열을 확인할 수 있었다. 앞서의 결과분석과 같이 최대곡률 점과 변곡점에서의 전단 강도로 나누어 FRP 그라우팅 갯수가 증가함에 따른 강도 정수의 변화를 분석했다. 이때 FRP 보강 갯수에 따른 전단 강도의 증가 효과는 보강 단면적이 적은데 비해 FRP 보강 수량이 많았기 때문에 보강 갯수에 의한 강도증가 효과가 작게 나타난 것으로 판단된다.
- 양면 전단 실험기는 암체가 절리를 따라 활동을 일으킬 때에 FRP 보강 그라우트체의 전단 저항능력을 측정하기 위하여 아주대학교 토목기술연구센터에서 개발한 장비를 본 연구에 이용하였다. 두께 100mm로 제작한 전단 틀을 설치하고, 전단 틀 사이에는 전 단체를 위치 시 키며, 전단 시 전단 틀 내부 지점 팽창과 FRP 관의 휨 파괴 방지를 위해 전단 틀 양측 외부에 각각 두께 30mm의 철판을 부착하였다.
- 따라서 본 연구에서는 FRP 그라우트체의 전단 저항 능력을 알아보기 위하여 FRP 그라우트 체에 대한 전단 강도를 측정하였다. 이를 위하여 양면 전단개념의 전단 시험기를 이용하여 다음의 전단저항력을 측정하였다.
- 최대 곡률 점에 의한 전단 강도 정수를 결정하기 위하여 전단응력-전단 변위 곡선으로부터 최대 곡률 점에서 의 전단응력을 선택하였다.
대상 데이터
- 주입재는 FRP 보강 그라우팅에서 지반보강 및 차수재 로서 FRP관 외에 중요한 설계 인자로 작용하고 있으며, 시멘트는 대표적인 그라우팅 재료로서 토사 및 암반의 공극 또는 균열에 대한 주입에 많이 사용되고 있고 고강도 발현과 무수 축재의 역할을 할 수 있는 혼화재를 첨가하여 FRP 보강 그라우팅의 주입재로 사용한다. 본 시험에 사용된 초속경시멘트는 보통 포틀랜드시멘트에 존재하지 않는 수화활성도가 높고 안정한 수화물을 생성시키는 3CaO . 3A1Q3 .
- 본 연구에서는 국내에서 개발한 UDMat + filament winding 방식으로 제조한 외경 47mm, 내경 37mm의 FRP 관을 사용하였으며, FRP 보강재의 역학적 특성은 표 1과 같다.
성능/효과
- (1) FRP 그라우트체의 전단 저항은 FRP 관의 전단 강도에 크게 의존하며 FRP 관은 내부가 충전된 상태에서 전 단저항이 크게 측정되었다.
- (2) FRP 관은 직경 47mm인 경우에 약 3.2 tonf 정도의 전단 저항을 할 수 있으며, 비교적 적은 전단 변위에서 최대치에 도달되었고 그 이후에는 변위가 진행될수록 전단 저항이 비교적 완만하게 감소하였다.
- (3) 주입재로 충전된 FRP 관은 약 3.5tonf 정도의 전단 저 항을 보였으며, 내부에 충전된 주입재의 전단저항능 력은 10% 미만으로 미약한 편이었다.
- (4) 직경 140mm의 천공공간을 채운 충전재는 취성거동을 보이며 순수 그라우트체의 전단저힝력은 약 6.66 tonf 정도이었으며 그 자체의 전단 강도는 43.3 繼/c%2정도 가 되었다.
- (5) 직경 47mm의 FRP 관을 사용하고 천공직경이 압력 주입에 의한 영향으로 140mm로 확공 되었을 경우에 FRP 그라우팅 복합체는 약 9tonf 의 전단 저항을 나타냈으며 이는 위의 (3) 과 (4) 의 합한 크기 정도이므로 각 부재의 전단 저항을 각각 적용하여 예측할 수 있음이 확인되었다.
- (7) FRP 보강 그라우팅 지반에 대한 전단 강도증가는 내 부 마찰각에 의한 것이 아니라 점착력의 증가에 기인 하는 것으로 나타났다.
- (8) 지반의 전단이 어느 정도 진행된 상태에서는 FRP보 강 그라우팅 효과에 의하여 점착력뿐만 아니라 내부 마찰각도 약간 증가하는 것으로 나타났으며 Im’ 에 1개의 FRP관으로 보강한 지반의 점착력은 128% 증가하였고 내부 마찰각은 20% 정도 증가하였다.
- (9) FRP보강 그라우팅 보강 지반의 전단 저항은 전단 초 기에는 지반 자체의 저항이 주가 되며, 그 후에 FRP 그라우트체에 의한 지반의 수동저항이 추가되고 전단변위가 어느 정도 커지면 비로소 FRP 그라우트체의 자체전단 저항이 발휘되는 것으로 측정되었다.
- 0tf으로 환산되며, 최대전단저항력 이후에는 점진적으로 저항력이 감소하는 경향을 나타내었다. FRP 그라우트 복합체의 전단 강 도( Tcmt+FRP+주입액-max)는 58.461迎成招으로 나타났으며, 그라우트 재의 전단응력 값을 토대로 FRP 관의 전단 강도 ( T FRP-max)를 다음의 수식을 이용하여 계산하면 402.81 kgf/cm² 이다.
- FRP 그라우팅 보강지반의 내부마찰각은 거의 변화가 없었으나, 점착력은 52%의 증가를 나타내었다. FRP 그라우팅 보강지반에서 전 단초기에는 지반이 전단에 대해 저항하고 그 후에는 FRP 그라우트 체에 의한 수동저항이 가세되며 전단변형 이 어느 정도 경과하였을 때 비로소 FRP 그라우트체 자체의 전단 저항이 증가되는 것으로 판단되었다. 이와 같이 FRP 그라우트체의 전단 저항이 발휘되기 시작하는 전단변형량은 지반의 종류에 따라 달라질 것이다.
- 변곡점을 기준으로 판단한 FRP 그라우팅에 의한 전단 강도 증가는 보강지반의 초기 변형 시의 전단 저항에 해당하며, 지반 자체의 전단 강도가 주요한 전단저항으 로 작용하는 것으로 판단된다. FRP 그라우팅 보강지반의 내부마찰각은 거의 변화가 없었으나, 점착력은 52%의 증가를 나타내었다. FRP 그라우팅 보강지반에서 전 단초기에는 지반이 전단에 대해 저항하고 그 후에는 FRP 그라우트 체에 의한 수동저항이 가세되며 전단변형 이 어느 정도 경과하였을 때 비로소 FRP 그라우트체 자체의 전단 저항이 증가되는 것으로 판단되었다.
- 전단력-변위 그래프 및 단면에 의한 분석 결과를 정리하면 표 2와 같다. 그라우트재 충전 FRP 관에 대한 시 편의 전단 강도 값은 계산 값에 비하여 4.5%, FRP 그라우트 복합체의 전단 강도 값은 계산 값에 비하여 6.0% 작게 측정되었다. 이것은 최대전단 강도 값을 갖는 변위값이 서로 다르기 때문으로 판단되며, 복합체의 전단 강도는 각 부분의 전단 강도의 합계에서 큰 차이가 나지 않는다 는 것을 알 수 있다.
- 그라우트체와 동일한 조건하에서 양생시킨 공시 체에 대하여 일축 압축강도 시험을 실시한 결과 일축압축강도 는 80kgW, 변형율은 대략적으로 8X 10-4 정도로 측정되었다.
- 소성 한계시험, 비중시험 및 직접 전단시험 등을 실시하였다. 시험 결과 시험에 사용된 지반은 세립분을 비교적 많이(약 36%) 포함하는 SC 지반으로 최적함수비 는 12.5%이고 최대건조단위 중량은 1.93g/cm3으로 측정되었다. 액성 및 소성 한계는 각각 43.
- 전단 틀 중앙에는 관의 내부를 주입재로 충전한 FRP 관을 위치시키고 전단 면에는 주입재로 충전된 FRP 관만 을 위치시킨 후, 양면 전단시험을 실시하면 전단에 대해서 FRP관 + 내부충진재가 저항하게 된다. 실험 결과 양면의 최대전단 측정치가 7.0tf이므로 단면의 최대전단 저 항력(Pfrp+주입액-max)은 전단 변위가 4.8~5.6mm(전단변형 율 3.4~4%)일 때 3.5tf으로 환산되며, 하중-변위 관계 는 전단저항력이 최대치에 도달한 직후에 급격히 감소하고 전단변형이 계속 증가되면 점차적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 그라우트 재로 충전된 FRP 관의 전 단 강도 3 FRP+주입액-max)는 201.
- 실험 결과 전단저항력은 최대치 (PFRP-max)에 도달한 직후 급격히 감소하다가 변위가 계속됨에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다.
- 그림 13과 그림 17의 파괴 포락선으로부터 FRP 보강 에 따른 지반의 전단 강도 변화를 한눈에 볼 수 있다. 여기에서 FRP의 지반보강에 따른 전단 강도 증가는 내부 마찰각보다는 점착력의 증가에 기 인하는 것으로 나타났다. 표 3은 전단응력 곡선의 최대 곡률 점을 기준으로 구한 전단 강도 및 강도 정수이다.
- FRP의 보강에 따른 전단 강도의 증가는 뚜렷하지만 보강된 FRP의 갯수가 증가함에 따른 전단 강도의 증가는 갯수에 비례하지는 않았다. 이것eFRP를 2개, 3개 보강할 때에 전단 방향에 대해 직각인 방향으로 일렬로 배치하여 FRP 배치 선상에서 균열이 발생되었기 때문으로 추정되며, 전단시험 후 해체과정에서 발생된 균열을 확인할 수 있었다. 앞서의 결과분석과 같이 최대곡률 점과 변곡점에서의 전단 강도로 나누어 FRP 그라우팅 갯수가 증가함에 따른 강도 정수의 변화를 분석했다.
- 이때의 양면의 최대전단 측정치가 6.4tf이므로 단면의 최대전단저항력은 변위가 약 4~5mm일 때 3.2tf 으로 환산되었다 따라서 순수한 FRP 관의 최대 전단저항력(PFRP-max) 즉 전단 강도( T FRP-max)는 484.851/如구으로 나타났다(FRP 관의 단면적 Ab = 6.60cm²).
- 무 보강지반의 경우는 최대곡률 점을 지나서 전단응력의 증가율이 완만히 감소하나 FRP 보강지반의 경우, 최 대곡률 점으로 판단되는 지점을 지나서 일정 구간 선형에 가까운 증가를 보이다가 전단이 더욱 진행되면 오히려 응력증가율이 증가하였다. 즉, 변위 초기에는 무보강 지반에서처럼 지반자체가 전단에 대하여 저항하고, 최 대곡률 점을 지난 후부터 비로서 FRP 주변 지반의 수동 저항이 나타나고 전단 변위가 크게 진행되면 FRP 그라 우트체의 전단저항력이 발휘되는 것으로 추정되었다. 따라서 FRP 보강지반의 강도 정수는 변위 초기의 최대 곡률 점과 전단응력의 증가율이 감소하다가 증가되는 위치에서의 전단응력으로부터 구하였다.
- 이와 같이 FRP 그라우트체의 전단 저항이 발휘되기 시작하는 전단변형량은 지반의 종류에 따라 달라질 것이다. 표 5 와 표 6의 결과에 의하면 일정변형이 발생한 변곡점을 기준으로 판단한 FRP 보강 그라우팅 지반의 강도 정수는 내부마찰각은 27.9%, 점착력은 128%의 증가를 나타내었다.
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