[논문]이방성 암반의 방향성과 측압조건을 고려한 터널 모형실험 연구

정형래; 김종우

문제 정의

본 연구에서는 상기의 물성을 갖는 모형 재료를 만들기 위해서 모래, 석고, 물의 혼합물을 사용하였는데 이는 중량 배합비 및 건조로 온도에 따라 다양한 강도를 갖는 재료를 구성할 수 있는 장점이 있다(Coquard, 1994).
본 연구에서는 이방성 암반에서 절리의 경사 방향과측압조건이 서로 다른 총 15가지 모형에 대한 축소모형실험을 통하여 터널 주변 지반의 변형거동을 조사하였다. 먼저, 이방성 암반에서 절리의 경사 방향을 0°, 10°, 30°, 45°, 50°, 70°, 90。인 7가지 경우로 변화시켜 가면서 측압계수가 1인 조건(K=l)에 대해 축소모형실험을 실시하였다 다음으로 측압계수가 터널 주변 지반의 변형 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 검토하기 위하여측압계수를 달리한 두 가지 조건(K=0.
본 연구에서는 이방성 암반의 방향성 및 측압조건이터널 변형거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 총 15 가지 실험모형에 대한 축소모형 실험을 실시하였다. 본연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다
본 연구에서는 이방성 암반의 절리 경사와 측압조건에 따른 터널 변형 거동 특성을 규명하기 위해 총 15개의 모형 시험체를 제작하여 실험을 실시하고, 터널 주변 지반에 어떠한 영향을 미치는지 검토하였다
5, K=2)에 대해 0°, 30°, 50°, 90。인 4가지 경우를 변화 시켜 가면서 각각 실험을 실시하였다. 이러한 실험을 통하여 암반 내 터널 주변 지반의 지압 조건에 의해 발생하는 수직 변위와 수평변위에 따른 터널 변형 거동 특성과 터널 파괴양상을 조사함으로써, 절리의 경사방향과 측압조건이 터널의 변형거동 및 안정성에 미치는 영향에 대해 연구하였다

제안 방법

(4) 평면 변형률 조건의 설정 : 터널의 응력-변형 상태인 평면 변형률 조건을 모형실험에 적용하기 위하여, 터널 축 방향으로 두께 10 mm 인 아크릴판으로 고정시켜 터널 축 방향의 변위를 억제하도록 하였다
(7) 결과 해석 : 가압 실험 중에는 수시로 사진을 촬영하고 균열 발달 상황을 기록하였으며, 실험 후에는 촬영된 사진들을 분석하여 파괴양상 및 측점 변위를 정량적으로 구하였다.
48 tVn?가 될 때 시험체를 건조기 밖으로 빼낸 후 단위 중량 1.4 tf/n? 가 될 때까지 일정 기간 자연양생을 시킨 후 비로소 실험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 상기의 배합비를 갖는 혼합물을 본 실험의 모형재료로 사용하였으며, 이 재료에 대하여 압열인장시험, 직접 전단시험 등을 추가로 실시하였다 한편, Fig. 3은 절리가 없는 괴상 모형재료와 절리를 포함한 층상 모형재료에 대한 직접전단실험에 의한 파괴 특성으로서 각 모형재료의 점착력과 내부마찰각을 나타낸 것이다.
하나의 핸드 펌프에 의해 작동된다. 또한, 모형 시험체에 가해지는 하중의 크기는 핸드펌프에 부착되어있는 디지털 압력계로부터 측정하였다. 실험 장치의 크기는 가로 1.
하중을 가하기 전에 모형 시험체를 90。로 회전 시켜 가압 실험 시에 중력을 자연적으로 포함히도록 하였고 현장의 상태를 그대로 재현하기 위해서 수직상태로 고정시킨 후 실험을 실시하였다.
본 언구에서는 이방성 암반의 절리 방향과 측압조건이 터널 주변 지반의 변형 거동에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위하여 Fig. 4와 같은 7가지 모형 시험체를 제작하였다.
완성된 모형 시험체의 양생 조건으로는 자연양생보다는 건조기에 의한 강제 조건 방법을 사용하였다. 자연양생에서는 온도와 습도를 일정하게 유지하기 힘들며, 또한 본 연구에서의 단위 중량 (1.
흐k 좌. 우에 위치한 네 개의 램에 하중을 작용시키되, K의 조건대로 모형 시험체에 연속적인 하중을 재하하면서 하중 증가에 따른 모형터널 주위의 변형 거동을 관찰하였다
9와 같이 터널의 천정부와 하반부 및 좌 . 우측 벽 부에 위치한 총 4개 측점을 이용하여 모형별 변위를 조사하였다.
70°, 90。의 7가지 경우로 방향성을 변화시켜가며 실험을 실시하였다 다음으로 측압조건의 영향을 알아보기 위해 K=0.5, K=l, K=2로 달리한 3가지 조건에 대해 실험을 실시하면서 하중에 따른 터널변형 거동을변형거동을 조사하였다 Table 3은 각 모형의 명칭을 나타낸 것으로서
90。인 4가지 모형들에 대해 측압조건(K=0.5, K=l, K=2)을 달리하여 실험을 실시하였으며, 여기서 하중 단계별 수직 및 수평 변위를 조사하였다. Fig.
45°, 50°, 70°, 90。인 7가지 경우로 변화시켜 가면서 측압계수가 1인 조건(K=l)에 대해 축소모형실험을 실시하였다 다음으로 측압계수가 터널 주변 지반의 변형 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 검토하기 위하여측압계수를 달리한 두 가지 조건(K=0.5, K=2)에 대해 0°, 30°, 50°, 90。인 4가지 경우를 변화 시켜 가면서 각각 실험을 실시하였다. 이러한 실험을 통하여 암반 내 터널 주변 지반의 지압 조건에 의해 발생하는 수직 변위와 수평변위에 따른 터널 변형 거동 특성과 터널 파괴양상을 조사함으로써, 절리의 경사방향과 측압조건이 터널의 변형거동 및 안정성에 미치는 영향에 대해 연구하였다

대상 데이터

모래, 석고 물의 중량비가 133:67:100인 혼합물을 사용하여 모형 시험체를 제작하였으며, 사용한 모래는 주문진산 표준사이다. 모형시험체는 480 mmx480 mmx 76 mm 규격이며 Fig.
본 실험에 부합하는 모래, 석고 물의 배합비를 결정하기 위하여 다음과 같은 순서로 실내 물성 실험을 실시하였다 우선 모래, 석고 물의 비율을 결정하기 위해서 총 300 g에서 물 100 g을 고정시키고, 모래와 석고의 혼합비율을 달리한 13가지 종류의 혼합물에 대해 직경 50 mm, 길이 100 mm 규격의 원주형 시험편을 5개씩 제작하고, 이 시험편들을 일정 시간 동안 건 조로에서 건조 시킨 후 시험편의 단위 중량이 1.4 佰? 이 될 때 일축 압축시험을 실시하였다 Fig. 2는 실내 물성실험의 결과로서 배합비에 따른 일축 압축강도의 변화를 그림으로 나타낸 것이며, 여기서 석고/물?/W)의 비율이 증가할수록 일축 압축강도가 급속히 증가하는 것을 볼 수 본 실험에 사용된 실험 장치는 축압과 측압을 조절할 수 있는 유압식 이축 압축 장치로서 4방향에 25톤 용량의 램(ram)이 부착되어 있으며, 수직방향과 수평 방향은 각각 하나의 핸드 펌프에 의해 작동된다. 또한, 모형 시험체에 가해지는 하중의 크기는 핸드펌프에 부착되어있는 디지털 압력계로부터 측정하였다.
실험 모형은 J0K1, J10K1, ……, J90 K2(절리경사*90。이고 K=2인 모형) 등과 같이 총 15개이다
또한, 모형 시험체에 가해지는 하중의 크기는 핸드펌프에 부착되어있는 디지털 압력계로부터 측정하였다. 실험 장치의 크기는 가로 1.5 m, 세로 1.5 m, 두께 20 cm이며, 모형 터널 주변의 변위는 고성능 디지털카메라를 사용하여 측정하였으며, 이때 변위의 측정오차는 1화소당 0.2 mm 로 나타났다. Fig.

성능/효과

(1) 모래, 석고, 물의 배합비를 달리한 여러가지 종류의 모형재료에 대한 일축 압축시험 결과 석고/ 물의 비율이 증가할수록 강도와 변형계수는 증가하였다
(2) 모든 모형은 응력이 집중되는 곳에서 전단파괴가 발생하였다. 또한, 절리 면이 터널에 노출되는 곳에서 최초의 균열이 발생함과 동시에 미끄러짐이 발생하여 이방성 암반에서 절리 면의 경사 방향이 터널 변형거동에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다
(4) K=0.5인 경우에는 수직 방향의 내공변위가 크게 나타났고, K=2인 경우에는 수평 방향의 내공 변위가 크게 발생하였다. 이는 가해진 수직 및 수평 하중의 상대적 비율에 기인한 것으로서 판단 ⑦ J90K1 : 터널 좌우 측벽 부는 수직압력에 의해 굴곡파괴가 뚜렷하게 발생하였으며, 터널 천정부에서 수직변위가 크게 발생하였다 파괴 후 터널의 면적은 약 31% 축소하였다
30。가 가장 많이 발생한 것을 확인할 수 있었다
또한, 절리 면이 터널에 노출되는 곳에서 최초의 균열이 발생함과 동시에 미끄러짐이 발생하여 이방성 암반에서 절리 면의 경사 방향이 터널 변형거동에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다
⑤ J50K1 : 터널의 좌. 우 측벽 부에서 절리 경사 방향에 따라 균열이 발생하였으며, 터널 천정부에서는 수직변위가 크게 발생하였다 파괴 후 터널의 면적은 약 43% 축소하였다
① J0K1 : 터널 좌. 우 측벽 부에서 큰 균열이 발생하였으며, 터널 하반부에서는 반 팽창(floor heaving) 현상이 관찰되었다 또한, 파괴 후 터널의 면적은 초기 면적과 비교하였을 때 약 38% 축소하였다
이와 같은 현상은 10°, 30°, 45°, 50。인 모형에서 터널 천정부와 하반부에서 미끄러짐 현상이 관찰되어 시험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 절리 경사 방향이 수평이거나 이에 근접한 경사에서는 터널 하반부에 절리가 노출된 상태로 터널 바닥부에 위치한 Slab이 수평압력의 영향으로 굴곡 파괴됨에 따라 반 팽창 현상이 크게 발생하는 것으로 판단되며, 그 중에서 10。와 30。가 가장 많이 발생한 것을 확인할 수 있었다
축소모형실험을 할 때 사용하는 모형재료는 대상 지반의 물리적인 특성을 충분히 대변할 수 있는 것이라야 한다 본 연구 대상 암반의 일축 압축강도는 600-1, 200 kgf/cn/인데, 여기에 강도 축소율인 1/174를 적용하면 실제로 사용되어야 하는 모형재료는 3.45-6.90 kgecm² (평균값 5.18 kgf/cn?)의 강도를 갖는 물질인 것으로 나타났다.
한편 선술한 바와 같이 본 실험의 모형재료로 사용해야 하는 물질은 5.18 kgf/cn/의 강도를 갖는 물질이므로 이에 적합한 P/W를 (2) 식으로부터 구하면 0.67 이다 이와 같이 본 연구에서는 배합비가 133:67:100인 혼합물이 가장 적합한 모형재료임을 알 수 있었다

후속연구

한편, 수평보다는 수직 방향으로의 내공변위가 크게 발생함에 따라 경사 지층에 본 연구와 같은 형상의 터널을 굴착할 때에는 층리면에 수직 방향으로 록 볼트를 시공하고 터널 하반부에 인버터 등의 지보를 설치하여 층리면 사이에 압축영역을 발생시키는 동시에 단면 폐합을 실시하면 터널의 지속적인 유지에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.

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