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문제 정의
- 즉 앵커기초 설계를 위한 앵커의 간격, 정착깊이, 앵커개수, 적용가능한 암반조건 및 주어진 하중조건하에서의 합리적 안전율 산정 등 설계파라메타를 결정하는 일이다. 본 연구에서는 이와 같은 의문을 해결하기 위하여 국내의 몇몇 대표적인 암반지역에 대해 현장시험을 수행하여 암반앵커기초의 파괴메커니즘 및 거동을 평가하였다. 현장시험은 단일앵커 및 실규모 군앵커시험으로 구분하여 수행하였으며, 다양한 암반조건에서 앵커의 정착심도 및 앵커종류별로 시험을 수행하여 각각에 대한 파괴모드 및 인발지지력 특성을 평가하였다.
- 또한 실규모 군앵커시험을 통해 군앵커 효과를 파악하였으며, 단일앵커시험 결과를 검증하고, 국내 154kV 규모의 송전철탑기초에 본 앵커공법의 적용성을 평가하였다. 이 중 본 논문에서는 1차로 수행한 태안지역 변성암에 대한 현장인발시험결과를 논하고자 한다.
- 0m) 일경우 그라우트와 암반사이의 부착파괴로 나타났다. 이때 암반과 그라우트사이의 평균부착강도는 선행연구결과 및 본 시험결과를 종합해 볼 때 암반의 압축강도와 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났으며, 이에 대한 논의는 추후 기술하고자한다(그림 17).
제안 방법
- 본 연구에서는 이와 같은 의문을 해결하기 위하여 국내의 몇몇 대표적인 암반지역에 대해 현장시험을 수행하여 암반앵커기초의 파괴메커니즘 및 거동을 평가하였다. 현장시험은 단일앵커 및 실규모 군앵커시험으로 구분하여 수행하였으며, 다양한 암반조건에서 앵커의 정착심도 및 앵커종류별로 시험을 수행하여 각각에 대한 파괴모드 및 인발지지력 특성을 평가하였다. 또한 실규모 군앵커시험을 통해 군앵커 효과를 파악하였으며, 단일앵커시험 결과를 검증하고, 국내 154kV 규모의 송전철탑기초에 본 앵커공법의 적용성을 평가하였다.
- 현장시험은 단일앵커 및 실규모 군앵커시험으로 구분하여 수행하였으며, 다양한 암반조건에서 앵커의 정착심도 및 앵커종류별로 시험을 수행하여 각각에 대한 파괴모드 및 인발지지력 특성을 평가하였다. 또한 실규모 군앵커시험을 통해 군앵커 효과를 파악하였으며, 단일앵커시험 결과를 검증하고, 국내 154kV 규모의 송전철탑기초에 본 앵커공법의 적용성을 평가하였다. 이 중 본 논문에서는 1차로 수행한 태안지역 변성암에 대한 현장인발시험결과를 논하고자 한다.
- 약 25%는 퇴적암이 차지하고 있다. 이를 참고로 지표 지질조사를 통하여 아래의 지역을 시험장소로 선정하여 시추조사를 실시하였다(그림 3).
- 선정된 부지 내 암반앵커시험 지역의 지층상태를 파악하고 제반 지반공학적 자료수집을 위하여 시추조사를 실시하였다. 시추기는 심도 300m이상의 굴진 능력을 가진 유압식 로타리형 시추기를 사용하였으며, 시추 공경은 NX 크기로 하였다.
- 시추작업과 병행하여 지층의 상대밀도 및 연경도와 구성성분을 파악하기 위하여 표준관입시험을 한국산업규격(KS F-2318)에 의거 심도 1.5m마다 또는 지층이 변할 때마다 실시하였으며, 이때 교란된 시료도 함께 채취하였다. 공내재하시험은 시추공 공벽에 하중을 가했을때 나타나는 변위를 측정하는 원위치 암반변형시험의 일종으로 본 시험에서는 가압과 감압을 반복하는 다단계 반복시험방법을 사용하였으며, 지반상태에 따라 압력조건을 조정하여 실시하였다.
- 공내재하시험은 시추공 공벽에 하중을 가했을때 나타나는 변위를 측정하는 원위치 암반변형시험의 일종으로 본 시험에서는 가압과 감압을 반복하는 다단계 반복시험방법을 사용하였으며, 지반상태에 따라 압력조건을 조정하여 실시하였다. 각 압력에서의 탄성변형을 파악하기 위하여 측정시간을 재하 후 1분이 경과한 후에 읽은 데이터를 기록하였으며, 지반상태에 따라 재하 시는 5~20kgf/cm2간격으로 압력을 증압시키고, 하중 제거 시는 10~20kgf/cm2간격으로 감압시켜 각 압력단계마다 변위를 측정 기록하였다. 암반 앵커시험을 위해 태안지역에서는 총 13공(NX)의 시추조사를 실시하였으며, 시추조사결과 지층의 분포상태는 상부로부터 매립, 풍화대, 연암, 경암 등의 순으로 되어 있으며, 지층분포상태는 표 1 및 2와 같다.
- 표 3과 같이 총 30회를 실시하였다. 즉 암반조건에 따른 파괴형태 및 전단저항치를 산정하기 위하여 다양한 암질별로 시험을 수행하였으며, 정착깊이에 따른 효과를 파악하기 위하여 앵커의 심도를 l.0~4.0m 까지 변화시켜가면서 인발지지력 특성을 살펴보았다.
- 쪽의 값을 최대하중으로 인발하였다. 본 시험은 단일앵커의 암반에 대한 극한 인발저항력을 파악하는 것이 목적이므로 D51 이형철근을 앵커 텐던으로 사용한 경우에는 최대 반복하중을 80톤으로 하고, 최대반복하중의 1/8을 단계 하중으로 하여 표 4와 같이 각 단계마다 하중을 증가시킨 직후 시간경과에 따른 변위를 측정하였으며(BS 8081, 1989), 80톤 이후에는 5톤 간격으로 증분을 두어 130톤까지 하중을 가하였다.
- 한편 앵커의 천공홀은 그라우트 내에서의 파괴를 방지하기 위하여 천공홀과 텐던의 직경비를 약 50% 확보한 100mm로 하였으며, 암반파괴를 유도하기 위해 시험시 그라우트의 강도는 340kgf/cm2 이상으로 하였다. 또한 그라우트는 자유장 없이 지표까지 채워(fiilly grouted) 시험을 수행하였다. 앵커에 의한 암반의 파괴는 일반적으로 역 원뿔 형태가 되므로 이에 대한 간섭효과를 배제하기 위하여 시험체에서 유압잭까지의 거리를 3.
- 본 절에서는 태안지역의 단일앵커에 대한 현장 실험 결과를 통해 암반앵커의 인발저항력을 지배하는 요소를 도출하고 다양한 지반조건 및 앵커특성에 따른 파괴모드를 분석하였다. 앵커의 정착깊이 및 암반의 암질(RQD, 코아회수율)에 따라 파괴형태를 분석하여 파괴 시 정착심도 및 인발저항각을 추정하였으며, 텐던에 부착된 변형율 게이지에 의해 측정된 값과 비교하였다.
- 분석하였다. 앵커의 정착깊이 및 암반의 암질(RQD, 코아회수율)에 따라 파괴형태를 분석하여 파괴 시 정착심도 및 인발저항각을 추정하였으며, 텐던에 부착된 변형율 게이지에 의해 측정된 값과 비교하였다. 이를 통해 암반의 콘파괴에 대한 평균전단저항치를 산정하고 기존의 값과 비교하였으며, 이로부터 단일앵커의 인발지지력을 평가하였다.
- 앵커의 정착깊이 및 암반의 암질(RQD, 코아회수율)에 따라 파괴형태를 분석하여 파괴 시 정착심도 및 인발저항각을 추정하였으며, 텐던에 부착된 변형율 게이지에 의해 측정된 값과 비교하였다. 이를 통해 암반의 콘파괴에 대한 평균전단저항치를 산정하고 기존의 값과 비교하였으며, 이로부터 단일앵커의 인발지지력을 평가하였다.
- 국내 154kV 송전철탑기초에 암반앵커를 적용하고자 태안지역 암반에 대한 인발시험을 수행하고 지지력 평가를 수행하였으며, 그 결과로부터 다음 결론을 얻었다.
- 5m마다 또는 지층이 변할 때마다 실시하였으며, 이때 교란된 시료도 함께 채취하였다. 공내재하시험은 시추공 공벽에 하중을 가했을때 나타나는 변위를 측정하는 원위치 암반변형시험의 일종으로 본 시험에서는 가압과 감압을 반복하는 다단계 반복시험방법을 사용하였으며, 지반상태에 따라 압력조건을 조정하여 실시하였다. 각 압력에서의 탄성변형을 파악하기 위하여 측정시간을 재하 후 1분이 경과한 후에 읽은 데이터를 기록하였으며, 지반상태에 따라 재하 시는 5~20kgf/cm2간격으로 압력을 증압시키고, 하중 제거 시는 10~20kgf/cm2간격으로 감압시켜 각 압력단계마다 변위를 측정 기록하였다.
대상 데이터
- 제반 지반공학적 자료수집을 위하여 시추조사를 실시하였다. 시추기는 심도 300m이상의 굴진 능력을 가진 유압식 로타리형 시추기를 사용하였으며, 시추 공경은 NX 크기로 하였다.
- 각 압력에서의 탄성변형을 파악하기 위하여 측정시간을 재하 후 1분이 경과한 후에 읽은 데이터를 기록하였으며, 지반상태에 따라 재하 시는 5~20kgf/cm2간격으로 압력을 증압시키고, 하중 제거 시는 10~20kgf/cm2간격으로 감압시켜 각 압력단계마다 변위를 측정 기록하였다. 암반 앵커시험을 위해 태안지역에서는 총 13공(NX)의 시추조사를 실시하였으며, 시추조사결과 지층의 분포상태는 상부로부터 매립, 풍화대, 연암, 경암 등의 순으로 되어 있으며, 지층분포상태는 표 1 및 2와 같다.
성능/효과
- 1 톤으로 나타났다. 본 시험에서는 인발에 의한 암반이 들어올려지면서 절리가 방사상으로 발달, 파괴되는 양상을 보이고 있으며, 텐던 및 그라우트, 암반 사이의 부착파괴는 발생하지 않았다. 따라서 앵커체 주면의 인발저항값(tlim)은 산정이 불가능 하였다.
- 따라서 앵커체 주면의 인발저항값(tlim)은 산정이 불가능 하였다. 한편, 탄성변형거동을 나타내는 앵커의 유효자유길이 검토 결과 하중 30톤에서 정착부의 약 40%가 파괴되 었고 80톤에서 정착 부의 약 50%가 기능을 상실한 것으로 나타났다. 그림 7의 경우 앵커의 근입심도가 좀더 깊은 2.
- 0m일 때 보다 한계하중이 증가됨을 알 수 있다. 즉 81.0 톤 이후 변위증가에 따라 더 이상 인장력이 증가되지 않았으며, 탄성신장이 상한선을 넘는 본 시험앵커의 한계하중은 51.8 톤으로 나타났다. 파괴형태는 텐던주위의 암반이 들려지고 일부 절리가 발달하여 파괴에 이르는 형태가 발생하였으며, 부착파괴는 일어나지 않았다.
- 따라서 앵커체주면의 극한 인발저항치 산정은 불가능하였다. 단계별 인장흐}중에 대해 탄성거동을 나타내는 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 자유장을 고려하여 파괴시 앵커정착깊이의 약 50%로 나타났다. 그림 8은 심도가 가장 깊은 3.
- 4 톤으로 나타났다. 또한 파괴시 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 앵커정착길이의 약 50%인 것으로 나타났다. 이상에서 살펴본 바와 같이 연암의 경우 앵커의 인발저항력은 정착깊에 따라 증가함을 알 수 있으며, 파괴시 유효길이(파괴 꼭지점 위치)는 대략 정착깊이의 50% 내외인 것으로 나타났다.
- 또한 파괴시 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 앵커정착길이의 약 50%인 것으로 나타났다. 이상에서 살펴본 바와 같이 연암의 경우 앵커의 인발저항력은 정착깊에 따라 증가함을 알 수 있으며, 파괴시 유효길이(파괴 꼭지점 위치)는 대략 정착깊이의 50% 내외인 것으로 나타났다.
- 6 톤으로 나타났다. 본 시험에서는 암반의 절리면이 파단되는 형태의 파괴가 발생되었으며, 부착파괴는 미소하게 나타났다. 단계별 인장하중에 대해 탄성거동을 나타내는 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 자유장을 고려하여 파괴시 앵커정착깊이의 약 75%로 연암에 비해 파괴깊이가 상대적으로 크게 나타났다.
- 본 시험에서는 암반의 절리면이 파단되는 형태의 파괴가 발생되었으며, 부착파괴는 미소하게 나타났다. 단계별 인장하중에 대해 탄성거동을 나타내는 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 자유장을 고려하여 파괴시 앵커정착깊이의 약 75%로 연암에 비해 파괴깊이가 상대적으로 크게 나타났다. No.
- 또한 파괴는 암반의 일부가 들어올려지면서 절리의 발달이 관찰되었고, 부착파괴는 일어나지 않았다. 단계별 인장하중에 대해 탄성거동을 나타내는 앵커의 유효자유길이는 검토결과, 자유장을 고려하여 파괴시 앵커정착깊이의 약 95%로 대부분의 정착부분이 파괴된 것으로 나타났다.
- 3-11 시험위치 역시 RQD는 0이고 코아회수율은 10이하로서 절리가 발달한 불량암에 속한다. 즉 16.0 톤 이후 변위증가에 따라 인장력의 증가는 미소하였으며, 탄성신장의 상한선을 넘는 점은 소성신장을 포함하고 있어 정확한 판단이 어려우나 대략 5.0 톤 전후에서 나타나 인발저항강도가 대단히 작은 것으로 파악되었다. 본시험 결과, 암반의 절리면 파단이 심하게 발생되었으며, 그라우트와 암반 사이의 부착파괴는 상부관찰 결과 일부 진행된 것으로 나타났다.
- 0 톤 전후에서 나타나 인발저항강도가 대단히 작은 것으로 파악되었다. 본시험 결과, 암반의 절리면 파단이 심하게 발생되었으며, 그라우트와 암반 사이의 부착파괴는 상부관찰 결과 일부 진행된 것으로 나타났다. 따라서 본 시험앵커의 파괴 형태는 암파괴 및 그라우트-암반 부착파괴의 조합으로 판단된다.
- 따라서 본 시험앵커의 파괴 형태는 암파괴 및 그라우트-암반 부착파괴의 조합으로 판단된다. 앵커의 유효길이는 각단계의 탄성 신장량에서 역산하나 본 시험에서는 탄성신장량이 파악되지 않았기 때문에(1 cycle 진행중 앵커체가 파괴됨) 산정이 어렵고, 하중-변위관계로 추정해본 결과 파괴시 앵커의 유효자유길이는 정착깊이의 약 90% 이상으로 판단된다. 한편, 태안지역 풍화암구간에서 심도 1.
- 본 풍화암지역에서 인발시험을 실시한 결과를 요약해 보면 비록 암질이 양호하지 않다 하더라도 정착길이를 깊게 하면 지지력이 증가됨을 알 수 있으며, 정착길이가 짧을 경우 몇몇 앵커에서 암반의 파괴에 앞서 부착파괴가 발생하였다. 또한 파괴시 유효자유장은 연암 및 경암에 비해 더욱 깊게 나타남을 알 수 있다.
- 이상에서 살펴본 바와 같이 앵커의 파괴형태는 암반조건 및 앵커의 정착길이와 밀접한 관계가 있으며, 파괴 시 앵커의 유효자유길이는 암반상태에 지배를 받는 것을 알 수 있었다. 또한 탄성변위 및 하중과의 관계를 통해 계산된 한계하중은 앵커의 인발저항각을 산정하는데 매우 유용하며, 이때 인발저항각은 암반조건 및 앵커의 심도에 따라 변화함을 알 수 있었다.
- 본 실험을 통해 얻어진 결과를 분석해보면 탄성거동을 나타내는 암반앵커의 유효자유길이는 풍화암의 경우 정착길이의 약 60~70%를 나타냈으며, 연암 및 경암의 경우에는 정착깊이의 약 45~55%를 나타냈다. 또한 인발저항각 산정방법(BS8081 Appendices D3.
- 또한 인발저항각 산정방법(BS8081 Appendices D3.5.3-Table 23, 1989) 및 현장에서 균열길이를 측정하여 추정한 결과를 종합해 보면 인발저항각은 풍화암의 경우 40~80°, 연암의 경우 90-95°, 경암 100-140° 로 나타났으며, 동일한 암반조건일 경우라도 앵커의 정착깊이가 작을수록 인발저항각은 증가하였다. 예를 들어 연암지반에 정착깊이 3m로 설치된 앵커의 경우 약 90°의 저항 각을 보여주었다.
- 본 시험앵커의 경우 암반파괴에 앞서 텐던파괴 및 텐던-그라우트, 그라우트-암반의 부착파괴는 발생하지 않았다. 또한 시험종료후 암반파괴에 의해 발달한 절리의 길이를 측정한 결과, 연암에서는 앵커 정착심도의 약 50% 로 나타나 파괴면을 선형으로 가정할 경우 대략 콘파괴의 끝단은 앵커정착길이의 약 1/2로 추정된다(그림 16). 한편, No.
- 이며, 시험지역 에서 실시한 지반조사 자료에 의하면, RQD는 0~24%, 코어회수율은 10~74% 사이에 분포하고 있다. 본 지역에서의 단일 앵커시험 결과 파괴하증은 5~95톤으로 나 타났으며, 정착깊이 및 RQD, 코아회수율 등에 따라 달라짐을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 인발지지력을 콘의 자중과 파괴면에서의 전단강도로 환산해보면 콘의 자중은 전체지지력의 3~35%로 나타났다.
- 본 지역에서의 단일 앵커시험 결과 파괴하증은 5~95톤으로 나 타났으며, 정착깊이 및 RQD, 코아회수율 등에 따라 달라짐을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 인발지지력을 콘의 자중과 파괴면에서의 전단강도로 환산해보면 콘의 자중은 전체지지력의 3~35%로 나타났다. 따라서 인발에 대한 저항력은 콘 내부의 자중보다 파괴면에서의 전단강도가 대부분을 감당하고 있음을 알 수 있다.
- 30-50 범위의 풍화암이었다. 시험 결과를 살펴보면 풍화암의 경우 한계하중이 앵커의 정착길이와 비례관계가 형성되는 것을 알 수 있다. 또한 본 지역에서는 일부 시험앵커체에서 그라우트-암반의 부착파괴가 나타났으며, 이때 앵커 제거 후 소성변형량을 관찰한 결과 연암이상의 암반에 비해 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있었다.
- 시험 결과를 살펴보면 풍화암의 경우 한계하중이 앵커의 정착길이와 비례관계가 형성되는 것을 알 수 있다. 또한 본 지역에서는 일부 시험앵커체에서 그라우트-암반의 부착파괴가 나타났으며, 이때 앵커 제거 후 소성변형량을 관찰한 결과 연암이상의 암반에 비해 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있었다. 이러한 파괴형태는 암의 코어회수율은 비교적 좋으나 RQD가 낮게 형성된 곳에 시공된 정착깊이가 Im 이하인 앵커의 일부에서 관찰되었다.
- (1) 암반앵커의 인발저항력을 지배하는 요소는 암반의 종류 및 암질, 앵커 정착길이, 암반의 강도 등으로 나타났다.
- (2) 풍화암의 일부에서 정착심도가 1.0m 일 때 그라우트-암 부착파괴를 볼 수 있었으나, 연암급 이상의 암반에서의 파괴모드는 모두 암 파괴로 나타났다. 따라서 자연암반의 지지력을 효과적으로 이용하기 위해서는 연암급 이상의 암반이 필요할 것으로 판단된다.
- (3) 암반의 파괴깊이 및 인발저항각의 크기는 암반조건 및 앵커의 정착심도에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 태안지역 연암급 암반의 경우 대략 정착깊이의 약 1/2지점에서 역 원뿔 형태의 파괴가 발생하였고 이때 인발저항각의 각도는 약 90° 이었다.
- (4) 인발시험결과로부터 계산해본 결과 암반 파괴면에서의 평균전단강도는 연암급 이상에서 0.2~2.0kgf/cm2 로 나타났으며, 파괴면 전단저항에 의한 인발지지력은 콘 무게의 약 3~35배 범위임을 알 수 있었다. 따라서 파괴면의 전단강도를 무시하고 콘 무게만으로 인발저항력을 산정하는 것은 지나치게 보수적인 설계가 될 수 있다.
- (5) 본 연구를 통해 암반앵커를 적용하기 위해서는 일정등급이상의 암반에 소요의 정착깊이를 확보해야 하는 것을 알 수 있었다. 한편 암반은 지역에 따라 그 특성을 달리하므로 좀더 다양한 지역의 암반에 대해 현장실증시험을 수행하고 파괴모드를 분석한 후 부착형 암반앵커의 인발지지력을 평가할 수 있는 방법을 제시할 예정이다.
- 알 수 있었다. 또한 탄성변위 및 하중과의 관계를 통해 계산된 한계하중은 앵커의 인발저항각을 산정하는데 매우 유용하며, 이때 인발저항각은 암반조건 및 앵커의 심도에 따라 변화함을 알 수 있었다.
후속연구
- 즉, 시험을 통해 지지력에 영향을 주는 인자를 파악하고 파괴모드를 분석하여 적용가능한 암반등급을 결정하여야 한다. 또한 텐던과 그라우트 사이의 부착강도는 전체 지지력을 결정하는 중요한 요소이므로 그라우트 품질에 따른 부착강도가 평가되어야 한다. 아울러 실규모 실증시험을 통해 앵커기초의 안전에 대한 신뢰성을 확인할 필요가 있다.
- 즉, 대략적인 암반 종류만으로는 파괴형상 및 전단응력을 추정하기 어렵기 때문에 현재로써는 해당 지역에서의 인발시험 결과가 없는 경우, 간단한 실내시험만으로 인발저항값을 추정하여야 하므로 과대한 안전율을 사용하여 왔다. 따라서 암반의 상태에 따라 다양한 시험을 한 후 현장 시추조사만으로도 그 지역 암반의 인발 저항값을 쉽게 추정할 수 있는 연구가 진행되면 높은 신뢰도를 갖는 경제적인 설계가 가능할 것이다.
- 것을 알 수 있었다. 한편 암반은 지역에 따라 그 특성을 달리하므로 좀더 다양한 지역의 암반에 대해 현장실증시험을 수행하고 파괴모드를 분석한 후 부착형 암반앵커의 인발지지력을 평가할 수 있는 방법을 제시할 예정이다.
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