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문제 정의
- 길이의 코어들을 많이 회수할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 대안으로서 다단계 직접전단시험을 실시하였다. 다단계 직접전단시험에서는 어느 한 수직 응력 수준에서 최대 전단응력 이 관찰되 면 그 다음 수준으로 수직응력을 증가시켜 또 다시 최대 전단응력이 관찰될 때까지 시험을 반복하는 방식으로 실험이 수행된다 (그림 4).
- 따라서 본 연구에서는 실제 터널 벽면에서 회수된 숏크리트 및 암석 코어시료에 대해 직접전단시험과 수직 강성실험을 실시하여 숏크리트와 암석 사이의 인터페이스 특성을 평가하였다. 이로부터 재령별 점착력, 최대 내부마찰각, 최대 인장력, 전단강성 및 수직강성 등을 측정하였다.
- 본 연구에서는 실제 터널벽면으로부터 코어링을 실시하여 숏크리트와 암석의 인터페이스면을 포함한 시료를 얻고자 하였다. 실험 이 수행된 현장은 성남-장호원 구간 제2공구의 O。터널이었으며 코어가 회수된 구간의 RMR은 70이상인 양호한 지반조건으로 편마암이 주를 이루고 있다.
제안 방법
- 각 재령별로 모든 실험은 3회 이상 실시되었으며, 연구가 수행된 현장의 숏크리트는 표 1과 같이 알칼리프리계 급결제를 사용한 습식 강섬유보강 숏크리트, S(fr) 로 배합설계되었다.
- 그러나 암석 절리 면과는 달리 인터페이스 수직강성을 결정하기 위해서는 암석과 숏크리트의 서로 다른 변형 특성을 고려해야만 한다. 따라서 본 연구에서는 Goodman(1976)이 제안한 수직 압축시험의 기본 개념에 근거하여, 일축압축시험에서 얻어진 암석 및 숏크리트의 변형특성과 인터페이스를 포함한 시료의 수직압축시험에서 얻어진 변형특성으로부터 그림 2와 같이 인터페이스 수직강성을 유도하였다. 즉, 인터페이스를 포함한 시료의 수직압축시험에서 얻어진 전체 변형으로부터 동일한 응력수준에서 얻어진 암석 및 숏크리트의 변형을 빼서 인터페이스에서의 순수 변형을 다음의 식 (2)와 같이 구할 수 있다.
- 이때 재령에 따른 특성변화를 고찰하기 위하여 숏크리트 타설후 재령 1일, 2일, 4일, 7일 및 28일에 시험을 실시하였다. 또한 비교를 위해 동일한 재령에서 숏크리트의 압축강도와 탄성계수와 같은 역학적 특성들의 측정도 병행하였다.
- 01mm /sec의 속도로 변위를 제어하여 실시하였다. 또한 재령에 따른 인터페이스 특성들과 역학적 특성들을 비교하기 위하여 숏크리트 코어에 대해서 일축압축시험을 실시하여 압축강도 및 탄성계수를 측정하였다. 각 실험 시에 시료의 변형을 측정하기 위하여 2개의 스트레인 게이지와 2개의 LVDT를 사용하였다.
- 숏크리트 라이닝과 지반 사이의 인터페이스를 고려하기 위하여 주로 UDEC-BB를 사용했던 수치 해석에서 가정되었던 값들(Chryssanthalds 등, 1997; Chiyssanthakis 등, 1998)과 이상과 같이 본 연구에서 얻어진 인터페이스 특성들을 비교하였다(표 2). 그 결과 본 연구에서 재령 28일에 대한 시료로부터 얻어진 실험결과들은 기존 수치해석 연구들에서 가정되었던 인터페이스 특성들보다 전반적으로 작게 나타났다.
- 숏크리트 타설 후 재령 1 일, 2일, 4일, 7일 및 28일인 위치를 선정하여 코어링을 실시하였다.
- 앞서 설명한 인터페이스면에 대한 수직 압축시험으로부터 초기수직강성 및 최종수직강성을 결정하였다. 초기수직강성은 시간에 따른 경화특성이 뚜렷하게 나타났지만, 최종수직강성은 재령 2일 이후로는 대체로 유사하게 나타났다(그림 11).
- 다단계 직접전단시험에서는 어느 한 수직 응력 수준에서 최대 전단응력 이 관찰되 면 그 다음 수준으로 수직응력을 증가시켜 또 다시 최대 전단응력이 관찰될 때까지 시험을 반복하는 방식으로 실험이 수행된다 (그림 4). 이때 일정수직하중(Constant Normal Load, CNL) 조건에서 실험을 실시하였으며, 수직응력 조건은 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 MPa로 설정하였다.
- 이로부터 재령별 점착력, 최대 내부마찰각, 최대 인장력, 전단강성 및 수직강성 등을 측정하였다. 이때 재령에 따른 특성변화를 고찰하기 위하여 숏크리트 타설후 재령 1일, 2일, 4일, 7일 및 28일에 시험을 실시하였다. 또한 비교를 위해 동일한 재령에서 숏크리트의 압축강도와 탄성계수와 같은 역학적 특성들의 측정도 병행하였다.
- 특성을 평가하였다. 이로부터 재령별 점착력, 최대 내부마찰각, 최대 인장력, 전단강성 및 수직강성 등을 측정하였다. 이때 재령에 따른 특성변화를 고찰하기 위하여 숏크리트 타설후 재령 1일, 2일, 4일, 7일 및 28일에 시험을 실시하였다.
- 코어링 동안의 진동과 충격으로 인한 인터페이스의 손상을 최소하고자 이중 배럴 형식 (double-barrel type) 의 보링장비를 사용하여 NX 크기의 시료를 회수하였다. 숏크리트 타설 후 재령 1 일, 2일, 4일, 7일 및 28일인 위치를 선정하여 코어링을 실시하였다.
대상 데이터
- 또한 재령에 따른 인터페이스 특성들과 역학적 특성들을 비교하기 위하여 숏크리트 코어에 대해서 일축압축시험을 실시하여 압축강도 및 탄성계수를 측정하였다. 각 실험 시에 시료의 변형을 측정하기 위하여 2개의 스트레인 게이지와 2개의 LVDT를 사용하였다.
- 본 연구에서는 직접전단시험을 위해 미국 SBEL사에서 제작한 DR-44 장비를 사용하였다. DR-44는 서보밸브(servo valve)를 통하여 수직하중과 전단하중을 제어할 수 있도록 만들어 졌으며 수직하중은 44.
이론/모형
- 얻어진 실험결과들이다. 수직응력에 따른 최대 전단응력을 Mohr-Coulomb 파괴 기준으로 근사하였다. 이로부터 재령별 인터페이스에서의 점착력과 최대마찰 각을 그림 7 및 8과 같이 추정하였다.
성능/효과
- 특성들을 비교하였다(표 2). 그 결과 본 연구에서 재령 28일에 대한 시료로부터 얻어진 실험결과들은 기존 수치해석 연구들에서 가정되었던 인터페이스 특성들보다 전반적으로 작게 나타났다. 특히 본 연구에서 얻어진 재령 28일의 인터페이스 인장강도는 유럽통합기준(EFNARC, 1996)과 기타 기준들(Malmberg, 1993)에 제시되어 있는 접착 강도보다 낮은 수준임을 확인할 수 있다.
- 숏크리트가 경화함에 따라 숏크리트와 암석 사이의 부착성도 시간에 따라 증가하여 접착력 및 부착력과 관련된 특성인 인터페이스 점착력과 인장강도도 뚜렷한 시간 의존적인 특성을 나타내었다. 그러나 숏크리트가 충분히 경화되기 이전인 조기재령에서의 최대마찰각은 전단에 의해 인터페이스면이 심하게 손상되어 기본 마찰각과 유사한 값으로 얻어졌다.
- 왜냐하면 조기 재령에서는 숏크리트 재료가 충분히 경화되지 않았기 때문에 전단하중을 받는 과정에서 인터페이스의 거칠기가 매우 손상되었을 것으로 추정할 수 있기 때문이다. 실제 재령 1 일 시료에 대한 전단시험 후 시료면을 관찰한 결과 인터페이스면이 전단 과정에 의해 심하게 손상되어 매우 평탄하게 나타났다. 그러나 재령 2일 이후의 최대 마찰각은 40.
- 실험결과 재령에 따른 숏크리트의 압축강도와 탄성계수는 매우 뚜렷한 시간의존적 경화특성을 보였다(그림 5). 재령 28일의 숏크리트 압축강도 및 탄성계수는 재령 1 일의 경우보다 각각 1.
- 이상과 같이 Mohr-Coulomb 파괴포락선들로부터 추정된 인터페이스에서의 인장강도는 점착력의 경우와 매우 유사한 시간의존적 거동을 보였다(그림 9). 특히 회귀분석으로부터 얻어진 경화상수 a가 0.
- 재령 28일의 숏크리트 압축강도 및 탄성계수는 재령 1 일의 경우보다 각각 1.7배 및 3.7배정도 크게 나타났다. Oreste(2003)는 숏크리트의 역학적 특성들에 대한 시간 의존적 거동을 모사하기 위하여 식 (3)과 같은 함수 형태를 제안하였다.
- 112와 매우 유사하게 나타났다. 즉, 숏크리트가 경화됨에 따라 인터페이스의 접착강도 (bond strength)를 구성하는 인터페이스 점착력과 인장강도가 거의 유사한 시간의존적 거동을 보인다는 것이 확인되었다. 하지만 전반적으로 인터페이스에서의 인장강도는 점착력보다 대략 2배정도 작게 나타났다.
- 직접전단시험에 사용되지 않은 시료의 인터페이스 거칠기를 프로파일게이지(profile gage)를 사용하여 측정한 결과, JRQJoint Roughness Coefficient)는 대략 17 정도로 나타났다. 또한 편마암의 일축압축강도는 124MPa 이었다.
- 그 결과 본 연구에서 재령 28일에 대한 시료로부터 얻어진 실험결과들은 기존 수치해석 연구들에서 가정되었던 인터페이스 특성들보다 전반적으로 작게 나타났다. 특히 본 연구에서 얻어진 재령 28일의 인터페이스 인장강도는 유럽통합기준(EFNARC, 1996)과 기타 기준들(Malmberg, 1993)에 제시되어 있는 접착 강도보다 낮은 수준임을 확인할 수 있다.
후속연구
- 대한 기준을 제시하고 있는 실정이다. 그러나 아직까지 국내에서는 이에 대한 기준과 연구가 전무하므로 지반과 숏크리트 라이닝의 상호작용 측면에서 중요한 인터페이스 특성들에 대한 추가적인 보완 연구가 필요할 것이다.
- 즉, 다음 수준의 수직응력으로 증가시키는 속도가 인터페이스 전단 강성에 상당한 영향을 미칠 수 있는 것으로 보인다. 다단계 직접전단시험으로는 이와 같이 전단강성을 구하는데 문제가 있기 때문에 인터페이스 전단강성에 대해서는 추가적인 보완 연구가 필요할 것이다.
- 특히 지반과 숏크리트 라이닝의 상호작용 측면에서 이와 같은 인터페이스 특성들이 상당히 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며 국외에서도 인터페이스 특성인 접착 강도에 대한 기준을 제시하고 있는 실정이다. 따라서 국내에서도 향후 고성능 숏크리트에 대한 기준으로서 인터페이스 특성을 고려할 필요가 있으며 이를 위해 추가적인 보완 연구가 계속 필요할 것으로 판단된다.
- 대한 보완연구가 필요할 것이다. 또한 다양한 여굴 면의 거칠기와 배합조건에 따른 숏크리트의 재료 특성 그리고 직접전단시험시 시료의 크기효과 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 고려된다.
- 특히 본 연구에서는 발파 손상 등으로 인해 실험이 가능한 코어 시료가 제한되어 다단계 직접 전단시험을 수행하였기 때문에 인터페이스의 잔류강도 및 전단 강성에 대한 보완연구가 필요할 것이다. 또한 다양한 여굴 면의 거칠기와 배합조건에 따른 숏크리트의 재료 특성 그리고 직접전단시험시 시료의 크기효과 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 고려된다.
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