[논문]편토압 및 측압이 터널거동에 미치는 영향

안현호; 서병욱; 김동현; 민동호; 이선복; 이석원

문제 정의

따라서 본 논문에서 제시되는실험결과는 상호 비교 또는 정성적인 경향만을 나타내는 한계를 가지고 있음을 밝혀두고자 한다. 결국 편토압지역에서 편향 배치 지보구조의 적용성 역시 정성적 판단으로 적용가능성이 있음을 제시하고자 한다.
관찰하고자 하였다. 따라서 모형실험 결과의 정성적 경향은 검토되어야하며, 이를 위하여 본 연구에서는 모형실험 자체에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과와 모형실험 결과의 정성적 경향 분석을통하여 모형실험 결과의 타당성을 검토하였다.
다만 몇 개의 모델에 대한실험결과의 상대비교를 통하여 상호간의 정성적 비교만이 가능하다고 판단된다. 따라서 본 논문에서 제시되는실험결과는 상호 비교 또는 정성적인 경향만을 나타내는 한계를 가지고 있음을 밝혀두고자 한다. 결국 편토압지역에서 편향 배치 지보구조의 적용성 역시 정성적 판단으로 적용가능성이 있음을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 전술한 바와 같이 모형실험을 통하여편토압 및 측압의 변화에 따른 터널 거동의 변화 양상을변위관점에서 관찰하고자 하였다. 따라서 모형실험 결과의 정성적 경향은 검토되어야하며, 이를 위하여 본 연구에서는 모형실험 자체에 대한 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 축소모형실험을 통하여 편토압 및 측압이 터널 거동에 미치는 영향을 연구하고자 하였다 모형실험 결과의 타당성은 수치해석을 통하여 검토하고자하였다. 터널에 작용하는 편토압을 감소시킬 수 있는 방안으로 편향 배치된 지보구조를 제안하고 이 방안의 적용성을 검토화고자 하였다 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 편토압 및 측압이 터널의 안정성에 미치는 영향과 편향 배치된 새로운 지보구조의 가능성을검토하기 위하여, 편토압을 받는 지형에서 편향 배치된지보구조의 적용 여부와 측압계수 조건을 달리하여 축소 모형실험을 수행하였다. 또한 갱구부의 거동을 파악하고자 편토압 및 측압의 영향을 고려한 3차원 갱구부축소 모형실험을 수행하였다.
터널에 작용하는 편토압을 감소시킬 수 있는 방안으로 편향 배치된 지보구조를 제안하고 이 방안의 적용성을 검토화고자 하였다 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

3차원 갱구부를 모사하기 위하여 이전의 2차원 실험모델과 달리 그림 10과 같이 터널의 위치를 중앙으로부터 좌측으로 1D만큼 이동시켜 실험을 수행하였다. 이는갱구부 뿐만 아니라 사면의 기울기를 고려하기 위한 결정이었다.
가장 먼저 모형을 배합비에 맞게 제작하여 10일간 양생시켰다. 이때 록볼트를 설치하는 경우는 모형 거푸집에 록볼트를 정확한 위치에 미리 설치하고 모형 재료를배합한 후 거푸집에 부어 양생하였다.
길이에 대한 축소율형 터널의 폭을 20 cm로 정한 후 현장 터널의 폭 1,500 cm를 고려하여 1/75로 하였다.은 모형의 크기(100X100X10 cm) 를 고려하여 터널의 상.
또한 얇은 띠에 13개의 록볼트를 용접하는 과정에서 직경 2 mm 이하의 강봉을 수직도를 유지하면서 설치하는 것은 기술적으로 어려운 상황이다. 따라서 록볼트가 성형과정에서 휘어지거나 용접과정에서 방향이 틀어지는 것을 방지하고자 현실적인 대안으로 직경 2.5 mm의 강봉을 선택하였다. 록볼트의 길이는 터널 크기의 축소율과 같게 1/75로 하여 짧은 록볼트는 7 cm, 긴 록볼트는 11 cm로제작하였다.
모형실험을 수행하였다. 또한 갱구부의 거동을 파악하고자 편토압 및 측압의 영향을 고려한 3차원 갱구부축소 모형실험을 수행하였다. 이러한 조건을 고려하여본 연구에서 수행한 축소 모형실험은 다음의 5가지 경우에 해당한다.
길이를 각각 100X100 cm로 설정하였다. 또한 변위의관측이 용이하도록 그리드의 간격을 다소 크게 하였으며, 결과 보정을 위하여 그리드 간격을 조밀하게 하여 수치해석을 실시한 결과와 비교하여 정성적인 부분에서 동일한양상을 나타내는 것을 확인하고 최종 결과로 사용하였다또한 경계조건은 해석영역 하부와 좌측부를 각각 y와 X축방향에 대하여 변위를 고정하여 수행하였다.
이러한 조건을 고려하여본 연구에서 수행한 축소 모형실험은 다음의 5가지 경우에 해당한다. 또한 본 연구에서 수행한 실험결과의 정성적 경향이 타당한지를 검토하기 위하여 실험 자체에 대한 수치해석을 병행하였다.
특히, 편토압을 모사하기 위하여 상부에 5개, 좌.우 측면에 각각 1개씩,총 7개의 유압 복동식 램을 설치하여 각각 다른 하중을가하면서 실험을 수행하였다.
록볼트의 설치간격은 좌.우가 대칭이 되도록 하였으며, 본 실험에 적용된 터널 단면 크기가 작은관계로 록볼트 간의 중첩효과가 발생(즉, 록볼트 보강지반이 완전 강성지반으로 보강되는 효과)하는 것을 방지하도록 정성적으로 좌.우에 6개씩 총 13개를 배치하였다.
원지반의 물성치는 지반조사 결과를 통하여 설계사로부터 제공된 지반 물성치를 축소 모형실험 조건에 적합하도록 차원해석을 수행하여 사용하였으며, 결과적으로 수치해석에 사용된 원지반 물성치는 다음 표 1과 같다. 터널보강에 사용된 지보재는 표준형 록볼트로서 이는 FLAC 에서 제공되는 록볼트 물성의 기본값을 사용하였다.
50 kPa씩 증가시켜 나갔다. 이와 같이 흐)중을 50 kPa씩 증가시키면서 각 단계마다 디지털 카메라로사진촬영을 하여 PhotoModeler Pro 5로 변형 양상을분석했다.
이때 록볼트를 설치하는 경우는 모형 거푸집에 록볼트를 정확한 위치에 미리 설치하고 모형 재료를배합한 후 거푸집에 부어 양생하였다. 전면의 프레임과아크릴만을 제거한 후 토조장치에 모형을 거치시키고 변위를 측정하기 위하여 일정한 간격으로 포인트를 찍었다 터널 주변과 같이 중요한 부분은 상황에 따라서 조금더 조밀하게 포인트를 찍었다. 이는 사진측량 software 인 PhotoModeler Pro 5를 이용하여 모형의 변위를 측정하기 위한 것이다.
편토압 지역에서 측압계수가 큰 경우 한쪽 방향으로수평압을 크게 받게 되어 이는 기존의 터널 거동 양상과다르므로 측압계수, k=L0인 Model 1과 k=3.0인 Model 2의 결과를 비교.분석하였다.

대상 데이터

3차원 갱구부의 실험은 Model 4와 Model 5로서 동일한 조건에서 측압계수만을 달리하여 실험을 수행하였다. 측압계수, k=1.
모형 크기는 축소 모형실험의 조건과 같이 가로X세로의 길이를 각각 100X100 cm로 설정하였다. 또한 변위의관측이 용이하도록 그리드의 간격을 다소 크게 하였으며, 결과 보정을 위하여 그리드 간격을 조밀하게 하여 수치해석을 실시한 결과와 비교하여 정성적인 부분에서 동일한양상을 나타내는 것을 확인하고 최종 결과로 사용하였다또한 경계조건은 해석영역 하부와 좌측부를 각각 y와 X축방향에 대하여 변위를 고정하여 수행하였다.
본 연구를 수행하기 위하여 그림 2와 같이 229X193X 71 cm(가로X세로X폭) 크기의 모형 토조 실험 장치를 제작하였다. 하부면은 철판으로 고정되어 있고 전.
특성을 충분히 반영할 수 있어야 한다. 이를 위하여 암반역학 연구를 위한 모형재료로 많이 사용되는 모래 +석고+물의 혼합물을 사용하였다(김종우 등 2004; 양형식과 이희근, 1990). 본 연구에서 설정한 모형재료의 목표강도는 500 kPa 이고 이와 같은 모형을 만들기 위하여각 재료의 배합비를 달리하여 일축압축강도 시험을 실시하였는데, 모래:석고물의 배합비가 21:1.
같다. 터널보강에 사용된 지보재는 표준형 록볼트로서 이는 FLAC 에서 제공되는 록볼트 물성의 기본값을 사용하였다. 물성값은 다음 표 2와 같다.
편향 구조를 갖는 지보재의 형상은 그림 1과 같이 먼저 터널 모양을 둘러싼 얇은 띠를 기준으로 왼쪽 부분은짧은 록볼트만을 사용하였고 오른쪽 부분은 짧은 록볼트와 긴 록볼트를 번갈아 가며 설치하였다 록볼트에 사용한 재질은 직경 2.5 mm의 강봉이다. 비록 2.

데이터처리

따라서 모형실험 결과의 정성적 경향은 검토되어야하며, 이를 위하여 본 연구에서는 모형실험 자체에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과와 모형실험 결과의 정성적 경향 분석을통하여 모형실험 결과의 타당성을 검토하였다.
편토압 지역에서 편향 배치된 지보구조의 가능성을검토하기 위하여 Model 1과 Model 3의 결과를 비교.분석하였다

이론/모형

단 본 연구에서의 3차원 실험은 하중관점에서 완전한 3차원실험은 아님을 밝히고자 한다. 그러나전술한 2차원 실험과 조건이 다르고 일정부분 3차원의실험결과를 유도할 수 있다는 판단에 전술한 다른 2차원실험과의 구별을 위하여 3차원이란 용어를 사용하였다.
한계가 있었다. 본 실험에서 상재 하중에 대해 각 부분의 정확한 변위와 거동 양상을 추적하기 위해 EOS Systems에서 개발한 사진측량 software 인 PhotoModeler Pro 5를 사용하였다. PhotoModeler Pro 5는 삼각측량원리를 이용하여 타겟의 위치를 추적해내는 프로그램으로써 일반적인 고해상도 카메라를 이용할 때 1/5000의 정확도를 보이며, 본 연구에서는 최소 계측한계를 0.

성능/효과

1. 편향 배치된 지보구조의 가능성을 검토한 결과, 편향 배치된 지보구조를 적용함으로서 발생되는 변위가 전체적으로 줄어들었고, 초기 균열이 발생되는 하중도 증가되었다. 또한 터널의 안정성에 크게 문제가 되는 최대 편압 수직하중 역시 증가함을 알 수 있었다.
2. 편토압 지역에서 측압계수의 영향을 검토한 결과, 측압이 커짐에 따라 수평방향 변형이 우세해지고 초기 균열 발생 위치가 터널의 우측 어깨부에서 바닥부로 이동하여 터널의 측벽보다 바닥부가 안정성 면에서 더 취약함을 알 수 있다. 또한 측압이커짐에 따라 측압이 작용하는 우측 어깨부 및 바닥부에서 수평방향 변위가 매우 크게 증가하고 반대로 수직방향 변위는 측압이 증가함에 따라 변형량이 감소함을 알 수 있다.
4. 수치해석 결과, 축소 모형실험의 결과와 유사한 경향을 나타내어 본 연구에서 수행한 축소 모형실험이 타당하게 이루어졌다고 판단된다.
결론적으로 모형실험과 수치해석의 두 결과를 비교하여 보면, 변형 절대량에서는 다소의 차이가 있으나 정성적인 변위 양상은 거의 동일한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 본 연구의 경우, 변형 절대량은 수치해석 시 사용되는 물성치(모형 재료의 물성치)의 조정에 의해서 조절이 가능함을 고려해 볼 때, 본 과업에서 수행한 축소 모형실험은 타당하게 이루어졌다고 판단된다.
즉, 수평(X축) 방향 변위가 우세하여 그림 4에서 보는 바와 같이 벡터가 전체적으로 누워있는 것을 알 수 있다. 따라서 측압계수가 커짐에 따라 X축 변형이 우세하고 터널의 측벽보다 바닥부가 안정성 면에서 더 취약함을 알 수 있다. k=1.
0 mm로 나타나 변형량이 감소함을 알 수 있다. 또한 최대 편압 수직하중 500 kPa에서 편향배치를 하지 않은 Model 1의 우측 어깨부에서의 수직 및 수평방향 변형량은 각각 4.7 mm 및 4.4 mm인데 반하여 지보재를 편향 배치한 Model 3의 우측어깨부에서의 수직 및 수평방향 변형량은 각각 0.7 mm, 3.7 mm로 나타나 변형량이 감소함을 알 수 있다.
편향 배치된 지보구조의 가능성을 검토한 결과, 편향 배치된 지보구조를 적용함으로서 발생되는 변위가 전체적으로 줄어들었고, 초기 균열이 발생되는 하중도 증가되었다. 또한 터널의 안정성에 크게 문제가 되는 최대 편압 수직하중 역시 증가함을 알 수 있었다. 따라서 지형적인 요인 등으로 인하여편토압이 작용하는 경우, 편향 배치된 지보구조와같은 대책공법을 적용함으로서 터널의 안정성을 증가시킬 수 있다고 판단된다.
이를 위하여 암반역학 연구를 위한 모형재료로 많이 사용되는 모래 +석고+물의 혼합물을 사용하였다(김종우 등 2004; 양형식과 이희근, 1990). 본 연구에서 설정한 모형재료의 목표강도는 500 kPa 이고 이와 같은 모형을 만들기 위하여각 재료의 배합비를 달리하여 일축압축강도 시험을 실시하였는데, 모래:석고물의 배합비가 21:1.5 인 공시체를 10일간 양생시켰을 때 원하는 강도를 얻을 수 있었다
본 연구의 경우, 변형 절대량은 수치해석 시 사용되는 물성치(모형 재료의 물성치)의 조정에 의해서 조절이 가능함을 고려해 볼 때, 본 과업에서 수행한 축소 모형실험은 타당하게 이루어졌다고 판단된다.

후속연구

3차원 갱구부의 거동 양상을 3차원 축소모형실험으로 검토한 결과, 2차원 축소 모형실험과 유사한결과를 얻었다. 이는 본 연구결과에서 나타난 바와같이 2차원 실험결과를 3차원 실험결과에 일부 적용 할 수 있음을 암시하고 있으나, 이를 검증하기 위해서는 보다 대규모의 3차원 모형실험이 필요하다고 판단된다.
그러나 실험 결과, 전술하였듯이 2차원 실험결과와 거의 유사하였으며 따라서 상세한 결과 서술은 생략하기로 한다. 이러한 본 실험 결과에서 나타난 바와 같이 2차원 실험결과를 3차원 실험결과에 일부 적용할 수 있음을 암시하고 있으나, 이를 검증하기 위해서는 본 연구에서 수행한 토조의 폭보다 큰 토조에서의 실험결과를 통하여 알 수 있다.

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