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문제 정의
- 절리 발달이나 굴착으로 인해 느슨해진 풍화암 사면의 경우는, 압력분사 그라우팅공법이 적절한 대안으로 떠오르고 있으나 압력분사 그라우팅에 따른 지반강도의 증진효과를 정량적으로 평가하는 것은 실험실 뿐만아니라 현장에서도 매우 어려운 일이므로 아직까지는 이에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 압력분사 그라우팅 네일과 기존의 네일을 동일한 사면에 시공하고 계측을 실시함으로써 거동특성의 차이를 확인하고 수치해석을 통하여 보강특성을 역해석함으로써 압력분사 그라우팅 네일에 의한 지반보강효과를 정량적으로 추적하고자 하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 현장에서 확인된 보강효과를 이용하여 역해석에 의해 지반강도의 증가정도를 추정하고자 하였다. 이를 위하여 동일한 사면에 시공된 네일과 그라우트 네일에서 측정된 응력변화로부터 수치해석기법을 이용하여 다음과 같은 절차를 거쳐 그라우트 네일의 효과를 역추적 하였다(그림 10).
- 본 논문에서는 절리가 발달해 있는 풍화암 사면에 대해 압력분사 그라우팅 네일 공법의 지반보강 특성을 파악하기 위하여 동일사면에 각각 기존의 네일공법과 압력분사 그라우팅 네일 공법을 병행하여 시공하였으며, 각각에 대한 장기거동을 계측함으로써 지반보강 거동 차이를 분석하였다. 이에 대한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 2. 압력분사 그라우팅에 의해 증가된 지반의 보강효과를 추정하여 설계인자로 이용하기 위해서는 지반강도 증가 정도의 정량화가 필요하며, 이를 위하여 그라우트 네일에 작용하는 응력 감소분을 그라우트에 의해 보강된 지반이 분담하는 것으로 가정하여, 지반의 강도증대정도를 역추적하는 기법을 제안하였다.
- 탄성계수의 변화에 따라 산정된 네일의 응력을 이용하여 사면의 안전율을 계산하고, 각 네일의 응력이 80%, 60%, 40%로 감해질 때의 사면안전율을 계산한 후, 감해진 네일의 응력에 의해 감소된 사면안전율이 원 응력인 100%의 네일 응력이 작용할 때의 안전율과 동일하도록 지반강도정수 중 점착력을 증가시켰다. 그 후 증가된 안전율이 다시 원 상태의 안전율이 될 때까지 네일의 간격을 늘이는 방법으로 진행하였다. 단, 해석시 동일한 개수의 네일을 설치하더라도 네일의 설치위치에 따라 다른 안전율이 계산되므로 해석단면상에서 네일의 수직간격은 고정한채 수평간격만을 조정하여 개개의 네일이 지지할 수 있는 면적을 변화시켰다.
- 그 후 증가된 안전율이 다시 원 상태의 안전율이 될 때까지 네일의 간격을 늘이는 방법으로 진행하였다. 단, 해석시 동일한 개수의 네일을 설치하더라도 네일의 설치위치에 따라 다른 안전율이 계산되므로 해석단면상에서 네일의 수직간격은 고정한채 수평간격만을 조정하여 개개의 네일이 지지할 수 있는 면적을 변화시켰다.
- 그라우트 네일에 작용하는 하중이 상대적으로 작은 것은 그라우트 주입에 의해 강성이 증가된 지반이, 나머지 응력을 지지하고 있기 때문인 것으로 추정할 수 있다. 따라서, 유한차분해석으로부터 구한 각 네일에 작용하는 하중을 임의로 각각 80%, 60%, 40%로 감한 후 각각의 경우에 대해 한계평형해석을 실시하고 이를 대상으로 역해석하였다.
- 본 공법 시공시 그라우트재의 지반침투에 의한 보강효과를 극대화 하기 위하여 다단그라우팅을 실시하도록 설계되었다.
- 지반거동 계측을 위한 계측기는 각각 네일 및 압력분사 그라우팅 네일에 설치되었으며 계측기 설치 세부내용은 그림 6과 같다. 본 사면에 보강된 압력분사 그라우팅 네일관의 길이는 8.0m의 것이 사용되었으며 시공 시 압력분사 그라우팅 네일관 위치별로 작용하는 응력 및 변형율을 측정하기 위하여 지표면에서부터 1.0m 이격되어 1.2m 간격으로 총 6개의 센서를 설치하였다. 또한 동일사면의 압력분사 그라우팅 네일 상부사면에 길이 10m의 네일이 시공되었으며 이 네일에도 응력 및 변형율 측정을 위한 센서가 설치되었다.
- 압력분사 그라우팅 네일관의 거동계측을 위한 계측기는 광섬유 격자센서를 이용하였으며 총 4개의 압력분사 그라우팅 네일관에 각각 6개의 광섬유격자센서가 그리고 1개의 압력분사 그라우팅 네일관에는 5개의 광섬유격자센서가 부착되어 총 29개의 센서에 의해 측정되었다. 또한 총 5개의 네일에도 30개의 광섬유격자센서가 부착되었다.
- 따라서, 본 논문에서는 현장에서 확인된 보강효과를 이용하여 역해석에 의해 지반강도의 증가정도를 추정하고자 하였다. 이를 위하여 동일한 사면에 시공된 네일과 그라우트 네일에서 측정된 응력변화로부터 수치해석기법을 이용하여 다음과 같은 절차를 거쳐 그라우트 네일의 효과를 역추적 하였다(그림 10).
- 해석은 지반의 강도정수를 일정하게 유지한 채 탄성계수를 변화시키며 해석을 실시하여 각 네일에 작용하는 응력을 계산하였다(그림 11 및 12). 탄성계수는 풍화암의 상태에 따라 약한 풍화암에서 강한 풍화암 정도의 일반적인 값을 적용하였으며 각각 3,000t/m2 , 5,000t/m2,10,000t/m2일 경우에 대해 해석을 실시하였다.
- 0t/m2, ∅=35°를 적용하였다. 탄성계수의 변화에 따라 산정된 네일의 응력을 이용하여 사면의 안전율을 계산하고, 각 네일의 응력이 80%, 60%, 40%로 감해질 때의 사면안전율을 계산한 후, 감해진 네일의 응력에 의해 감소된 사면안전율이 원 응력인 100%의 네일 응력이 작용할 때의 안전율과 동일하도록 지반강도정수 중 점착력을 증가시켰다. 그 후 증가된 안전율이 다시 원 상태의 안전율이 될 때까지 네일의 간격을 늘이는 방법으로 진행하였다.
- 파괴활동면은 지반의 탄성계수가 3000t/m2일 때의 네일응력을 적용하여 구한 활동면으로 고정하여 해석함으로써, 지반강도정수의 변화에 따른 활동면의 변화를 최소화하고자 하였다.
- 5m 간격으로 설치되었으며, 해석에 이용된 지반강도정수는 표 2와 같다. 해석은 지반의 강도정수를 일정하게 유지한 채 탄성계수를 변화시키며 해석을 실시하여 각 네일에 작용하는 응력을 계산하였다(그림 11 및 12). 탄성계수는 풍화암의 상태에 따라 약한 풍화암에서 강한 풍화암 정도의 일반적인 값을 적용하였으며 각각 3,000t/m2 , 5,000t/m2,10,000t/m2일 경우에 대해 해석을 실시하였다.
- 김태혁 등(2000)은 주입에 의한 암석 절리면의 수직 압축특성과 전단특성 변화를 규명하기 위하여 신선한 인공절리에 대하여 시멘트현탁액을 주입한 후, 절리압축시험과 직접전단시험을 실시하였다. 화강암과 대리석에 대한 강도 시험 결과로부터, 절리면의 파괴식으로 가장 많이 적용되고 있는 Barton의 식에 기초하여 주입후 절리면의 최대전단강도 예측식을 식 (3)와 같이 제안하였다. 이 식은 절리 간극이 비교적 크고 절리면이 신선한 경우에 대해서만 적용할 수 있으며, 절리압축강도가 주입재의 압축강도보다 작은 경우나 절리간극이 매우 작은 경우에는 적용할 수 없다.
대상 데이터
- 이 구간의 보강을 위하여 억지말뚝이 시공 되고 그림 5에서와 같이 사면의 상부에는 ∅25mm 철근을 이용한 네일공법(천공직경 105mm)이 적용되고 하부에는 압력분사 그라우팅 네일공법이 적용되었다. 본 공사에서 압력분사 그라우팅 네일은 중공의 FRP(Fiberglass Reinforced Plastic)관을 이용하였다.
- 압력분사 그라우팅 네일(천공직경 105mm, ∅50mm, t=5mm)에 대한 시험시공은 경부고속도로 구미-동대구간 확장공사 구간 중 절리면이 발달하여 사면의 안정이 문제시 되는 구간을 대상으로 시공하였다. 사면은 풍화암～ 연암 정도의 강도를 가지고 있으며, 시공중 일부 붕괴가 발생한 구간이다.
- Ata & Vipulanandan(1998)은 일축압축시험 및 인발시험 결과로부터 그라우트의 점착 및 부착강도가 silicate-grouted sand의 역학적 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 일축압축시험을 위한 시편은 그라우트와 grouted sand에 대하여 각각 준비되었으며, 최대 2년까지 양생기간을 변화시켜가며 시험을 실시하였다. Grouted sand의 압축강도는 식 (1)에서와 같이 그라우트의 압축강도 및 부착강도(σG, σAT)와 지반의 간극비(np)의 항으로 표현할 수 있다.
- 지반보강효과 추정을 위해 사용된 사면은 높이 10m, 경사 1:0.5(V:H)로서 네일은 총 5단이 중심간격 1.5m 간격으로 설치되었으며, 해석에 이용된 지반강도정수는 표 2와 같다. 해석은 지반의 강도정수를 일정하게 유지한 채 탄성계수를 변화시키며 해석을 실시하여 각 네일에 작용하는 응력을 계산하였다(그림 11 및 12).
데이터처리
- 수치해석에 의한 지반보강효과의 추정은 앞에서 언급한 절차를 이용하여 진행되었으며, 유한차분해석은 FLAC_2D 프로그램을 이용하였다.
- 해석은 TALREN97 프로그램을 이용하였으며, 해석시 지반물성치는 γ=2.0t/m2, c=3.0t/m2, ∅=35°를 적용하였다. 탄성계수의 변화에 따라 산정된 네일의 응력을 이용하여 사면의 안전율을 계산하고, 각 네일의 응력이 80%, 60%, 40%로 감해질 때의 사면안전율을 계산한 후, 감해진 네일의 응력에 의해 감소된 사면안전율이 원 응력인 100%의 네일 응력이 작용할 때의 안전율과 동일하도록 지반강도정수 중 점착력을 증가시켰다.
성능/효과
- 1. 계측결과, 압력분사 그라우팅 네일에 작용하는 응력은 일반 네일에 비하여 전체적으로 작은 응력만이 작용하고 있는 것으로 나타났으며, 최대 응력 값을 비교한 결과 지반을 가압그라우팅 하지 않은 일반 네일에 비하여 약 40%정도의 응력만이 작용하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 경향으로 부터 압력분사 그라우팅 네일 시공에 의해 그라우트재로 보강된 지반의 저항력이 증가된 것이라 추정할 수 있다.
- 3. 제안된 역추적 기법에 의해 가상단면을 수치해석한 결과 지반자체의 하중분담율이 증가하여, 네일에 작용하는 응력이 점차 줄어듦에 따라 동일한 안전율을 확보하는 압력분사 그라우팅 네일의 개수가 줄어들게 되고, 본 연구에서 가정한 단면의 경우는 네일응력이 약 40%정도로 감소될 경우, 압력분사 그라우팅 네일의 1개당 담당면적은 일반 네일에 비하여 약 2.3배 정도까지 증가될 수 있는 것으로 나타났다.
- 기존의 네일공법과 그라우트 네일공법의 현장계측결과 최대응력이 발생하는 네일을 대상으로 비교하였을 경우, 그라우트 네일공법에 의해 시공된 네일에 작용하는 하중은 기존의 네일에 작용하는 하중에 비하여 약 42%정도인 것으로 측정되었다. 그라우트 네일에 작용하는 하중이 상대적으로 작은 것은 그라우트 주입에 의해 강성이 증가된 지반이, 나머지 응력을 지지하고 있기 때문인 것으로 추정할 수 있다.
- 그림 7은 2000년 7월 3일 초기측정 이후 각 압력분사 그라우팅 네일에서 최대 응력값을 나타내는 센서에 대한 시간별 응력 변화이다. 대부분 설치 후 초기측정이 시작된 이후 9월 중순까지 응력이 지속적으로 증가하며 증가속도 변화량이 많은 것으로 측정되었으며, 11월 이후의 응력변화는 거의 안정을 찾고 있는 것으로 판단된다. 이는 우리나라 기후 특성상 7월부터 9월중순까지의 강우량이 많으며, 이는 동일한 사면내에 설치된 간극수압계에 의한 지하수위 측정결과로부터로도 알 수 있다(그림 8).
- 또한, 압력분사 그라우팅 네일을 시공한 사면과 동일한 사면 소단 상부에 10m 길이의 네일이 시공된 상태이며 이 네일에 설치된 총 30개의 광섬유센서 중 현재까지 가장 큰 응력을 나타낸 값은 613.33kg/cm2으로서 압력분사 그라 우팅 네일관에 설치된 최대 응력값인 179.8kg/cm2에 비하여 약 3.4배 정도 크게 작용하고 있는 것으로 측정되었다. 이를 단면을 고려하여 하중으로 환산하면, 네일에 작용하는 하중은 약 3.
- 본 연구에서 압력분사 그라우팅 네일관으로 사용된 FRP 관의 인장시험결과에 의하면 인장파괴시 하중은 약 21ton 정도로서 인장강도는 약 3,300kg/cm2 정도이고 계측결과 측정된 최대 응력은 이 값의 약 5.4% 정도이므로, 압력분사 그라우팅 네일에 의해 보강된 사면은 현재 안정에 별 문제 없는 것으로 판단된다(그림 9).
- 압력분사 그라우팅 네일관에 부착된 센서에 의해 측정된 값은 No.1 그라우팅 네일관(FRP No.1)에서 최대 약 179.8kg/cm2의 응력을 받고 있는 것으로 측정되었다. 각 보강재별 최대응력이 발생한 위치는 표1과 같다.
- 4배 정도 크게 작용하고 있는 것으로 측정되었다. 이를 단면을 고려하여 하중으로 환산하면, 네일에 작용하는 하중은 약 3.01ton/ea 이고 압력분사 그라우팅 네일에 작용하는 하중은 약 1.27ton/ea 정도로 계산되므로 압력분사 그라우트 네일에 의해 보강된 지반에서의 작용하중은 기존의 네일공법에 의해 보강된 부분에 비하여 약 42% 정도의 하중만이 작용하고 있는 것으로 평가된다. 이러한 경향은 최대값만을 비교한다는 점과 동일사면이라 하더라도 위치가 다소 다르다는 점에서 절대값의 비교에 다소 오차가 있을 수 있으나, 계측된 값의 경향을 비교할 때, 압력 분사에 의한 그라우트재의 지반 충진으로 활동에 대한 저항력이 커졌기 때문이라 추정할 수 있다.
- 해석결과 네일의 응력감소분이 클수록 즉, 그라우트에 의한 지반 응력분담율이 커질수록 개개의 네일이 분담하는 면적이 커지는 것으로 나타났으므로, 그라우트 네일에 의한 지반보강으로부터 시공되는 네일의 중심간 간격을 늘임으로써 전체적인 경제성을 확보할 수 있을 것이라 판단된다.
후속연구
- 4. 풍화암 사면에 시공된 압력분사 그라우팅 네일공법의 보강효과는 계측결과를 통하여 일부 확인할 수 있었으며, 향후 이어질 연구에서는 암반의 절리특성을 고려한 다양한 지반조건에서의 보강특성에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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