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문제 정의
- , 과지압 구간에서 갑작스럽게 발생할 수 있는 취성파괴에 대한 고려가 되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 국내 대표 암종인 화강암과 편마암을 대상으로 일축압축강도실험과 터널의 응력수준의 증가 및 종방향 아칭 현상을 고려한 손상제어실험을 수행하여 각각의 한계변형률 특성을 도출하고 터널 안정성 평가방안을 제시하였다.
- . 따라서 본 연구에서는 총 변위를 계측 또는 알 수 있다는 가정 하에 터널 안정성 관리 방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 한계변형률을 이용한 터널 안정성 관리 기준을 제시하기 위하여 우리나라의 대표적인 암종인 화강암 및 편마암에 대하여 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하였다. 각각의 실험으로부터 한계변형률을 얻었으며, 암종에 따른 한계변형률 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 1 MPa/sec로 설정하였다. ISRM에서 권장하는 일축압축강도실험의 하중재하속도는 0.5～1.0 MPa/sec이나 실험에 사용된 시료는 암석의 강도가 강하지는 않지만 암석성인의 특성상 크리프(creep) 현상이 발생하지 않으므로 하중재하속도의 영향이 강도에 미치는 영향이 미미할 것으로 판단되어 정확한 변형률을 구하기 위해서 하중재하속도를 0.1 MPa/sec로 설정하였다.
- 인 암종인 화강암 및 편마암에 대하여 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하였다. 각각의 실험으로부터 한계변형률을 얻었으며, 암종에 따른 한계변형률 특성을 분석하였다. 또한 한계변형률을 이용하여 터널 안정성 관리 기준 방안을 제시하였다.
- 6 MPa까지 구속압을 변화시켜가며 실내 실험을 수행한 결과 구속압에 따라서 한계변형률에 주는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다(김영수 등, 2008). 따라서 본 연구에서는 일축압축강도실험과 구속압을 0으로 설정한 손상제어실험을 수행하였다.
- . 따라서 본 연구에서는 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하여 각각의 실험으로부터 한계변형률 특성을 도출하였다.
- 각각의 실험으로부터 한계변형률을 얻었으며, 암종에 따른 한계변형률 특성을 분석하였다. 또한 한계변형률을 이용하여 터널 안정성 관리 기준 방안을 제시하였다. 이상의 연구로부터 얻어진 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 본 실험은 암석코어시료에 대해 재하(loading)와 제하(unloading)를 반복 수행하는데, 축방향 변형률, 횡방향 변형률, 축하중을 이용하여 각 싸이클마다 응력-변형률 곡선 및 체적변형률( εvol )(식 2)과 탄성체적변형률(εevol )(식 3)을 구할 수 있다.
- 본 연구에서의 일축압축강도실험은 ISRM 규정을 참고하여 실험을 수행하였고, 재하속도는 0.1 MPa/sec로 설정하였다. ISRM에서 권장하는 일축압축강도실험의 하중재하속도는 0.
- 이용하여 손상단계별 균열손상응력, 최대응력의 추이를 얻었다. 손상이 발생함에 따라 최대하중 이후 최대응력은 감소하는 양상을 보이며, 균열손상응력은 최대하중 부근에서 급격히 감소하는 양상을 관찰했다(그림 8). 여기서 균열손상응력은 체적팽창곡선의 기울기가 양에서 음으로 변화할 때의 응력으로, 균열손상응력 이하의 응력수준에서는 탄성거동 및 안정적인 균열이 발생하게 되는데 균열손상응력 이상의 응력수준에서는 균열에너지가 해방되며 불안정한 균열이 생성된다(Martin과 Chandler, 1994).
- 손상제어실험에서 각각의 싸이클마다 얻어진 탄성계수와 최대응력, 균열손상응력으로부터, 한계 변형률( ε0 )과 손상한계변형률( εd )을 구했다.
- 화강암과 편마암에 대하여 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하였다. 실험 전에 앞서 본 연구에서 사용할 암석에 대한 광물 입자의 크기와 광물 조성을 살펴보기 위해 박편을 제작하여 편광 현미경으로 관찰하였다. 그림 4와 5는 각각 화강암과 편마암의 박편 현미경 사진이다.
- 실험결과의 신뢰도를 높이기 위하여 암종별 5개 이상의 시료에 대해서 실험을 수행하였으며, 화강암 8개, 편마암 6개 시료에 대하여 일축압축강도실험결과를 얻었다. 실험으로부터 얻어진 축방향 변위, 하중으로부터 일축압축강도와 한계변형률, 파괴변형률 등을 산정하였다(표 2).
- 암 8개, 편마암 6개 시료에 대하여 일축압축강도실험결과를 얻었다. 실험으로부터 얻어진 축방향 변위, 하중으로부터 일축압축강도와 한계변형률, 파괴변형률 등을 산정하였다(표 2). 일축압축강도가 화강암 142.
- 이와 마찬가지로 각각의 싸이클에서 얻어진 균열손상응력( σcd )을 초기접선탄성계수(Ei)로 나누어 손상한계변형률을 구했다(식 (7)).
- 일축압축강도실험 및 손상제어실험에 사용되는 암석 시험편은 균질성을 유지하기 위하여 암체로부터 일정한 방향으로 NX 암석 코어 채취한 후, 암석 절단용 톱을 사용하여 직경 대 길이 비가 약 1:2가 되도록 절단하였고, 하중 재하시 편심을 받지 않도록 표면 연삭기를 사용하여 시료의 상․하단이 편평하게 표면을 연마하였다. 실험장비는 최대압축하중 1,100 kN까지 실험이 가능한 GCTS 사의 Triaxial Rock Testing System을 사용하였으며, 변위측정은 횡방향 1개, 축방향 2개의 LVDT(Linear Variable Differential Transformers)를 이용하였다(그림 6).
- 터널 안정성 평가기준으로 활용할 수 있는 한계변형률 특성을 도출하기 위해 우리나라 대표 암종인 화강암과 편마암에 대하여 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하였다. 실험 전에 앞서 본 연구에서 사용할 암석에 대한 광물 입자의 크기와 광물 조성을 살펴보기 위해 박편을 제작하여 편광 현미경으로 관찰하였다.
성능/효과
- 1. 본 연구에서 사용된 화강암과 편마암 시편에 대한 일축압축강도실험 결과 화강암과 편마암의 한계변형률은 약 0.250%정도로 나타났으며, 한계변형률을 파괴변형률로 나눈 정규화 한계변형률은 약 80～82%정도의 값이 나타났다.
- 2. 손상제어실험 결과 최대하중 이후로는 한계변형률이 감소하는 양상을 보이며, 손상한계변형률은 크게 감소하는 경향이 나타났으며 일정수준의 손상이 발생하게 되면 일정한 값으로 수렴하는 경향을 보인다. 이는 손상에 따른 최대응력과 균열손상응력의 추이와 비슷한 경향을 보여준다.
- 3. 일축압축강도실험 결과에서 얻은 한계변형률보다 손상제어실험에서 얻어진 한계변형률이 작게 나타났다. 응력수준의 증가 및 종방향 아칭으로 발생되는 암반 손상을 고려할 때 손상제어실험에서 얻어지는 한계변형률을 관리기준치로 사용하는 것이 좀 더 합리적으로 판단된다.
- 4. 일반적인 터널 시공 시에는 최대응력으로 계산된 한계변형률을 사용하고, 취성파괴가 발생할 염려가 있는 과지압 구간의 터널 시공 시에는 취성파괴가 발생할 수 있는 응력 수준인 균열손상 응력을 이용하여 구한 손상한계변형률을 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
- 그림 4와 5는 각각 화강암과 편마암의 박편 현미경 사진이다. 관찰결과, 화강암은 중립 내지 조립질 입상구조로 나타나는 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모이며, 부구성광물은 미사장석, 녹니석, 각섬석, 녹염석, 스핀, 백운모, 견운모, 불투명광물로 구성되어 있으며 흑운모 화강암으로 분석되었다. 또한 편마암의 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모이며, 부 구성 광물은 미사장석, 백운모, 견운모, 각섬석, 방해석, 불투명광물로 구성되어 있고, 흑운모 편마암으로 분석되었다.
- 0% 범위의 한계변형률을 보인다(박시현과 신용석, 2007). 또한 일축압축강도의 변화에 관계없이 한계변형률 값의 범위가 상한치, 하한치를 크게 벗어나지 않는 것으로 보아 편차가 크지 않고, 일정한 범위 내에서 연속적으로 변화하는 특징을 보인다.
- 관찰결과, 화강암은 중립 내지 조립질 입상구조로 나타나는 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모이며, 부구성광물은 미사장석, 녹니석, 각섬석, 녹염석, 스핀, 백운모, 견운모, 불투명광물로 구성되어 있으며 흑운모 화강암으로 분석되었다. 또한 편마암의 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모이며, 부 구성 광물은 미사장석, 백운모, 견운모, 각섬석, 방해석, 불투명광물로 구성되어 있고, 흑운모 편마암으로 분석되었다.
- 04 MPa 로 나타났는데, 두 암종 모두 극경암에 해당하는 것으로 판단된다. 또한 한계변형률은 두 암종 모두 약 0.250%정도로 나타났으며, 한계변형률을 파괴변형률로 나눈 정규화 한계변형률은 약 80～82%정도로 나타났다.
- 본 연구에서 제안한 방법으로 얻어진 화강암의 일반적인 관리 기준의 한계변형률은 0.085, 취성 파괴 관리 기준의 한계변형률은 0.030을 얻었다(그림 12
- 실험에서 얻어진 시료의 한계변형률과 일축압축강도를 각각 Sakurai(1982)가 제시한 일축압축강도에 따른 한계변형률 도표에 도시한 결과, Sakurai(1982)의 실험결과 중 화강암과 비슷한 위치에분포하였으며 한계변형률 역시 상한선과 하한선 사이에 위치하는 것으로 나타나는 것으로 미루어 보아 신뢰성 있는 실험이 이루어진 것으로 판단된다(그림 7).
- 암석 시료에 최대하중이 가해졌을 때 전체 싸이클 중에서 가장 큰 한계변형률이 나타났으며, 화강암의 한계변형률이 0.114%, 편마암의 한계변형률이 0.248%로 나타났다. 최대하중 이후로는 한계변형률이 감소하는 양상을 보이며, 손상한계변형률은 크게 감소하는 경향이 나타났으며 일정수준의 손상이 발생하게 되면 일정한 값으로 수렴하는 경향을 보인다.
- 실험으로부터 얻어진 축방향 변위, 하중으로부터 일축압축강도와 한계변형률, 파괴변형률 등을 산정하였다(표 2). 일축압축강도가 화강암 142.93 MPa, 편마암 166.04 MPa 로 나타났는데, 두 암종 모두 극경암에 해당하는 것으로 판단된다. 또한 한계변형률은 두 암종 모두 약 0.
- 일축압축강도실험과 손상제어실험에서 얻은 한계변형률을 비교한 결과, 화강암은 최대하중에서 한계변형률이 0.114%로 일축압축강도실험에서 얻은 화강암 한계변형률 0.256%보다 약 50%이상 감소하였다. 편마암의 경우 최대하중에서 한계변형률이 0.
- 248%로 나타났다. 최대하중 이후로는 한계변형률이 감소하는 양상을 보이며, 손상한계변형률은 크게 감소하는 경향이 나타났으며 일정수준의 손상이 발생하게 되면 일정한 값으로 수렴하는 경향을 보인다. 이는 앞서 얻은 손상에 따른 최대응력과 균열손상응력의 추이와 비슷한 경향을 보여준다.
- 여준다. 화강암과 편마암에 관계없이 모두 손상이 발생함에 따라 최대하중 이후 최대응력은 감소 하는 양상을 보이며, 균열손상응력은 최대하중 부근에서 급격히 감소하는 양상을 보여준다. 이는 Martin과 Chandler(1994)가 Lac du Bonnet 화강암에 대해서 손상제어실험을 수행한 결과와 비슷한 양상을 보인 것이다.
후속연구
- 취성파괴는 터널 굴착 시 파괴될 때의 응력 수준 이하인 균열손상응력 수준에서 점착력 손실로 인하여 갑작스럽게 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 손상제어실험에서 균열손상응력으로부터 얻어지는 수렴할 때의 손상 한계변형률을 이용하여 취성파괴의 발생여부를 미리 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 김광염 등(2003)은 NATM공법으로 시공되는 터널 현장의 막장 후방에 수평경사계를 설치하여 선행변위를 계측한 바 있는데, 즉 굴착 전에 막장 전방의 선행 변위를 계측할 수 있는 수평경사계 등을 설치하여 굴착 전에 나타나는 변형률과 손상한계변형률과의 비교를 통하여 취성파괴의 발생가능성을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 식 (10)은 터널 현장에서 일반적으로 계측을 수행하는 천단변위를 터널의 반지름으로 나누어 천단변형률을 구할 수 있는 식이다(그림 11(b)). 따라서 이 식을 이용하면 현장에서 계측된 변위를 변형률로 변환시켜 한계변형률 관리 기준으로 사용할 수 있을 것이다.
- 또한 현재까지 제시된 한계변형률을 이용한 관리 기준은 일반적인 터널 안정성 관리 기준으로만 사용될 수 있는데, 손상제어실험으로부터 얻어진 한계변형률 결과는 취성파괴가 발생할 수 있는 과지압 구간에 위치한 대심도 터널에도 적용가능 할 것으로 판단된다. 취성파괴는 터널 굴착 시 파괴될 때의 응력 수준 이하인 균열손상응력 수준에서 점착력 손실로 인하여 갑작스럽게 발생하는 것으로 알려져 있다.
- 070을 얻었다(그림 12(b)). 본 연구에서 얻어진 값들은 본 연구의 실험에서 사용된 암석시료가 기반암인 지반을 대상으로만 적용할 수 있으며, 이 방법을 다른 현장에 적용하기 위해서는 암석 시료를 채취하여 다수의 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하여 현장의 암석 특성에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 248%보다 약 12% 감소하였다. 이 결과는 암종이나 암석시료에 따른 편차는 존재하겠지만, 일반적으로 터널 굴착 시 응력 수준의 증가 및 종방향 아칭에 의해 암반이 손상을 받게 되면서 한계변형률 역시 초기암반이 가지고 있는 특성치보다 감소하는 것을 의미한 것으로 현재 제시되어 있는 한계변형률 기준을 달리 적용해야 함을 보인 것이다. 이는 그림 3에서 볼 수있듯이 계측변형률이 한계변형률 관리기준 상-하한 경계선 내부, 즉 불안정 영역에 위치하더라도 숏크리트의 균열 또는 파괴, 천단부에서의 붕락과 같이 파괴에 준하는 터널 손상이 발생한 경우가 다수 나타난 것으로 보아, 응력수준의 증가 및 종방향 아칭 효과를 고려한 한계변형률 관리 기준을 사용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
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