[국내논문]불연속암반의 공학적 특성에 따른 원형수직구 편하중에 관한 연구 A study on asymmetric load on circular shaft due to engineering characteristics of discontinuous rock masses원문보기
원형수직구의 경우 지형적인 요인과 지반의 불균질성으로 인하여 등분포의 대칭하중이 작용하는 경우보다는 비대칭의 편하중이 작용하는 경우가 많을 것으로 예상된다. 지금까지 지반조건에 따른 원형수직구 벽체에 작용하는 편하중 산정을 위한 정량적인 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 불연속암반의 불균질성을 고려한 불연속체 해석을 통하여 이방성 거동에 따른 원형수직구 벽체에 작용하는 편하중 분포특성을 분석하였다. 또한, 깊이에 따른 암반등급 및 초기응력이 편하중에 미치는 영향을 분석하였다. 검토 결과 절리특성에 따라 양호한 경암반에서는 25%이하의 편하중이 발생하는 것으로 분석되었으며, 수직구 깊이에 따른 암반등급의 영향을 검토한 결과 경암의 편하중비는 25%이하, 연암에서는 $30%{\sim}40%$로 나타났다. 또한, 풍화가 진행된 파쇄연암의 편하중비는 $40{\sim}50%$로 나타났다. 깊이 100m의 경암반에 대하여 초기응력을 나타내는 측압계수(Ko)를 변수로 한 불연속체 해석을 수행하였다. 해석 결과 측압계수가 2.0보다 작은 경우의 편하중비는 약 25%의 값을 나타내나 측압계수가 2.0보다 큰 경우에는 편하중비가 점차 증가하는 경향을 나타냈다.
원형수직구의 경우 지형적인 요인과 지반의 불균질성으로 인하여 등분포의 대칭하중이 작용하는 경우보다는 비대칭의 편하중이 작용하는 경우가 많을 것으로 예상된다. 지금까지 지반조건에 따른 원형수직구 벽체에 작용하는 편하중 산정을 위한 정량적인 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 불연속암반의 불균질성을 고려한 불연속체 해석을 통하여 이방성 거동에 따른 원형수직구 벽체에 작용하는 편하중 분포특성을 분석하였다. 또한, 깊이에 따른 암반등급 및 초기응력이 편하중에 미치는 영향을 분석하였다. 검토 결과 절리특성에 따라 양호한 경암반에서는 25%이하의 편하중이 발생하는 것으로 분석되었으며, 수직구 깊이에 따른 암반등급의 영향을 검토한 결과 경암의 편하중비는 25%이하, 연암에서는 $30%{\sim}40%$로 나타났다. 또한, 풍화가 진행된 파쇄연암의 편하중비는 $40{\sim}50%$로 나타났다. 깊이 100m의 경암반에 대하여 초기응력을 나타내는 측압계수(Ko)를 변수로 한 불연속체 해석을 수행하였다. 해석 결과 측압계수가 2.0보다 작은 경우의 편하중비는 약 25%의 값을 나타내나 측압계수가 2.0보다 큰 경우에는 편하중비가 점차 증가하는 경향을 나타냈다.
In the case of a circular shaft, it is expected that asymmetric loads should apply on the surface rather than symmetric loads due to geographical factors and the non-homogeneity of the jointed rock masses. In this study, discontinuous numerical analysis was carried in order to analyze the characteri...
In the case of a circular shaft, it is expected that asymmetric loads should apply on the surface rather than symmetric loads due to geographical factors and the non-homogeneity of the jointed rock masses. In this study, discontinuous numerical analysis was carried in order to analyze the characteristics of asymmetric load distribution on the wall of the circular shaft due to anisotropy caused by heterogeneity of rock masses affected by the discontinuities like as a Joint. And it was also analyzed that the effect of the mechanical properties varied with the rock mass rating and horizontal stress with depth had influence in the asymmetric load on the wall of the shaft. In the case of considering the effect of the joint as variable, asymmetric load ratio $(R_p)$, which was defined as the ratio of the load subtracted minimum from maximum to minimum, was below 25% in the hard rock. As regarding the variation of the rock mass rating with depth as variable, the value of $R_p$ was below than 25% in the hard rock, and the value between 30% and 40% in the soft rock. On the other hand, the $R_p$ of fractures rock was between $45{\sim}50%$ which value was much higher than that in better rock mass rating.
In the case of a circular shaft, it is expected that asymmetric loads should apply on the surface rather than symmetric loads due to geographical factors and the non-homogeneity of the jointed rock masses. In this study, discontinuous numerical analysis was carried in order to analyze the characteristics of asymmetric load distribution on the wall of the circular shaft due to anisotropy caused by heterogeneity of rock masses affected by the discontinuities like as a Joint. And it was also analyzed that the effect of the mechanical properties varied with the rock mass rating and horizontal stress with depth had influence in the asymmetric load on the wall of the shaft. In the case of considering the effect of the joint as variable, asymmetric load ratio $(R_p)$, which was defined as the ratio of the load subtracted minimum from maximum to minimum, was below 25% in the hard rock. As regarding the variation of the rock mass rating with depth as variable, the value of $R_p$ was below than 25% in the hard rock, and the value between 30% and 40% in the soft rock. On the other hand, the $R_p$ of fractures rock was between $45{\sim}50%$ which value was much higher than that in better rock mass rating.
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문제 정의
본 연구에서는 2차원 불연속체 해석을 통하여 불연속암반의 불균질성, 깊이에 따른 암반등급 및 측압계수가불연속 암반내에 위치하는 원형수직구의 벽체에 작용하는 편하중에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 불연속 암반의 이방성 거동에 주로 영향을 미치는 절리특성 외에 초기응력 및 깊이에 따른 암반 등급의 영향을 분석하고자 하였다 절리특성은 앞에서 기술한 바와 같이 국내에서 수행된 지반조사 결과 중 절리의 방향성 및 역학적 특성 값의 신뢰도가 높은 자료를 선정하여 해석에 적용하였다. 이 중에서 해석 결과의 대표성을 갖는 CASE를 대상으로 초기응력 및 깊이에 따른 암반등급별 영향검토를 수행하였다
본 연구에서는 실제 현장에서 조사된 절리특성을 고려하여 원형수직구에 대한 불연속체 해석을 수행하였으며, 절리의 영향을 받는 암반지반에서 절리특성에 따른 수직 구에 작용하는 편하중에 대한 정량적인 연구를 수행하였다 추가적으로 깊이에 따른 암반등급과 초기응력이 편하중에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다
가설 설정
동일한 절리의 방향성 및 절리면의 역학적 특성을 갖는 암반이더라도 초기응력의 대소에 따라 그 거동이 다를 것이다. 따라서, 이러한 초기응력의 영향 검토를 위 해수 직구 깊이 100 m, 암반등급은 I등급인 조건에 대하여 하중 분담률은 60%-20%-20%를 적용하였다.
암반내 절리특성이 수직구의 변형 및 응력변화에 반영되도록 절리 간격, 연장성 및 충전상태 등은 심도에따라 균일한 것으로 가정하였으며, 수직구의 반경 방향으로 작용하는 암반의 측압은 해석외부 경계에 균등 하중으로 작용하여 측압조건을 모사하였다
제안 방법
상당부분이 암반구간에 분포한다. 따라서, 암반의 강도 및 변형특성에 지배적인 영향요소로 작용하는 절리 특성을 반영한 수직구 벽체에 작용하는 하중의 분포 특성 분석을 위하여 암반의 강도 및 변형특성 외에 초기응력 및 깊이 등의 대표적인 영향요소를 변수로 하여 불 연속체 해석을 수행하였다
선정하여 해석에 적용하였다. 이 중에서 해석 결과의 대표성을 갖는 CASE를 대상으로 초기응력 및 깊이에 따른 암반등급별 영향검토를 수행하였다
절리면의 분포특성 및 역학적 특성값은 각각의 조사 및 시험을 통하여 획득된 결과를 적용하였으며, 암반 특성값은 각 과업의 암반등급별 특성값을 적용하였다 연구 대상으로 하는 수직구는 깊이 100 m의 응력조건에서측압계수는 1.0이고 암반등급은 I등급인 조건을 대상으로 하였다 수직구 3차원 거동의 2차원해석을 위한 하중 분담률은 시공순서에 따라 굴착-연한숏크리트 및 록 볼트-굳은숏크리트의 단계로 나눠 60%-20%~20%를 적용하였다
절리특성의 영향 검토결과 편하중비가 약 25%인 CASE 5의 절리조건에 대하여 깊이에 따른 암반등급 및초기응력의 영향검토를 위한 수치해석을 수행하였다
발생하는 것으로 판단된다. 절리특성의 영향분석을 위하여 편하중비의 개념을 도입하였다. 편 하중 비는 최소하중에 대한 최대하중과 최소하중의 차의 비율로 정의하였다.
따라서, 이러한 초기응력의 영향 검토를 위 해수 직구 깊이 100 m, 암반등급은 I등급인 조건에 대하여 하중 분담률은 60%-20%-20%를 적용하였다. 초기응력조건을 고려하기 위한 측압계수는 지금까지 국내에서 수행된 지반조사결과에 의한 심도별 측압계수 값을 적용하였다(표 3).
한편, 실제 존재할 수 있는 절리의 조건은 매우 다양하다 따라서, 본 연구에서는 그림 1 및 표 1과 같이 실제 현장에서 지반조사를 통하여 얻어진 다섯 가지의 절리 특성에 대하여 수치해석을 수행하였다 절리특성은 지표 지질조사, 시추조사, 시추공내 영상촬영, 절리면 전단시험 등을 통하여 조사되었다
대상 데이터
본 연구에서 대상으로 한 수직구 단면은 그림 2와 같이 일반적으로 지하구조물 건설시 설계 및 시공되는 수직구 단면을 적용하였다 터널 직경은 10 m, 숏크리트 두께는 160 mm, 록볼트 길이는 4.0 m, 록볼트 간격은종방향 2.0 이와 횡방향 1.2 m로 고려하였다
데이터처리
본 연구는 제한된 조건에 대한 수치해석 결과로서 연구 결과의 적용성 확보를 위해서는 현장계측을 통한 비교.분석 등의 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다
이론/모형
또한, 암석블록의 구성모델은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였고 절리의 구성모델은 Barton-Bandis 모델을 적용하여 각 조건별 불연속체 해석을 수행하여 수직 구라 이닝의 각 측점에 작용하는 하중을 산정하였다 불연속체해석 프로그램은 UDEC(Ver. 4.0)을 사용하였다
성능/효과
1. 불연속암반의 절리특성을 매개변수로 한 불연속체해석을 수행하여 수직구 벽체에 작용하는 하중의 분포 특성을 분석한 결과, 각 검토조건별로 다른 절리 특성에 따라 13.3%~33.4%(평균 19.9%)의 편 하중이 발생하는 것으로 분석되었다
2. 수직구 깊이에 따른 암반등급을 변수로 한 불연속체해석을 수행하여 수직구 벽체에 작용하는 하중의 분포 특성을 분석한 결과, 암반자체의 역학적 특성에 따라 변형성은 크고 강도특성은 작을수록 편하중의 영향은 증가하는 것으로 나타났다.
3. 측압계수가 2.0보다 클 경우에는 암반등급에 따른 편 하중 비 외에 추가적으로 측압계수의 크기에 따라 1.0 이상의 편하중비 증가계수를 적용하여야 할 것으로 판단된다.
4. 불연속 암반의 다양한 공학적 특성에 의하여 원 형수 직구 배면의 반경방향응력은 다양한 크기의 비대칭분포를 보이는 것은 명백한 것으로 판단된다. 따라서 불연속면의 공학적 특성을 고려한 불연속체 해석을 통하여 원형수직구 벽체에 작용하는 깊이에 따른 편 하중의 크기를 산정 후 벽체 구조계산에 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
편 하중 비는 최소하중에 대한 최대하중과 최소하중의 차의 비율로 정의하였다. 각 검토조건별로 다른 절리특성에 따라 13.3%~33.4%(평균 19.9%)의 편하중이 발생한 것으로 분석되었다 따라서, 수직구 벽체 설계시 수직구 주변 암반의 공학적인 강도특성이 양호한 경암반의 경우에는 25%이하의 편하중비 적용이 적정할 것으로 판단된다.
본 절에서는 3.3절과 같이 깊이 100 m의 경암반에 대하여 초기응력을 나타내는 측압계수를 변수로 한 불연속체 해석을 수행한 결과를 나타냈다 수직구 벽체에 작용하는 하중을 분석한 결과, 그림 9, 그림 10, 그림 11 및 표 8과 같은 경향을 나타냈다.
수직구 깊이에 따른 암반등급을 변수로 한 불연속체해석을 수행하여 수직구 벽체에 작용하는 하중의 분포 특성을 분석한 결과 그림 7, 그림 8 및 표 7과 같은 경향을 나타냈다 수직구 깊이에 따른 암반등급별 편하중비분석결과 경암에서는 25%이하, 연암에서는 30%~40% 로 나타났으며, 풍화가 진행된 파쇄연암에서는 40% ~50%의 비교적 큰 편하중비가 나타났다
수직구 주변 암반의 측압계수 변화에 따른 편 하중 비를 검토한 결과, 그림 10과 같이 측압계수가 2.0보다 작은 경우에는 편하중비는 약 25% 이하의 값을 나타내나측압계수가 2.0보다 큰 경우에는 편하중비가 점차 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 측압계수가 큰 경우 지중응력이 증가하고 불연속면의 전단강도를 초과하는 응력이 작용하게 되면 불연속면에 전단변형이 증가하기 때문으로 판단된다.
이러한 결과는 동일한 절리 특성 및 초기응력 조건에 대한 해석결과로서 암반자체의 역학적 특성에 따라 변형성이 크고 강도특성이 작을수록 편하중의 영향이 증가하는데 기인하는 것으로 판단된다.
절리특성을 변수로 한 불연속체 해석을 수행하여 수직구 벽체에 작용하는 하중의 분포특성을 분석한 결과,그림 6 및 표 6과 같이 편하중이 작용하는 것으로 검토되었다 편하중에 영향을 미치는 공학적 특성은 절리의 방향성, 강도 및 강성 등으로 다양하나 수치해석을 통한 검토 결과 절리의 방향성이 주 영향 인자인 것으로 판단된다 즉 그림 1과 그림 6을 비교하여 보면 두 개의 절리 군이 만나는 방향으로 편하중이 크게 작용하는 것을 알 수 있다
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