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문제 정의
- 본 연구에서는 터널 시공 중 주로 적용되고 있는 전면접착형 록볼트를 모형화하였다. 모형볼트의 재질은 그라우트와 볼트간의 마찰력이 충분히 발현될 수 있도록 한국산업 표준 규격 KS B 1037에 제시된 직경 10mm의 전산볼트(stud bolt)를 사용하였다(표 1 참조).
- 본 연구에서는 터널에 시공되는 경사볼트의 보강효과를 분석하기 위하여 볼트와 숏크리트로 보강된 사질토 지반을 단순보로 가정한 실내모형시험을 실시하였다. 볼트의 설치각도, 종방향 및 횡방향 설치간격, 토피고 등을 변수로 하였으며, 단순보로 조성된 모형지반의 처짐량 및 연직토압을 측정하여 시스템 경사볼트의 설계기준 제시를 위한 보강효과를 확인하였다.
제안 방법
- 모형볼트의 종방향(4case) 및 횡방향(2case) 설치간격, 모형볼트의 설치각도(4case) 및 모형지반의 높이(3case) 등을 변수로 하여 총 96회의 모형시험을 실시하였으며, 무보강 지반에 대하여 모형지반의 높이를 변화시켜 3회 실시하여 총 99회의 시험을 실시하였다. 표 3는 모형볼트의 종방향 및 횡방향 설치간격에 따른 모형볼트 설치개수 정리하여 나타낸 것이며, 표 4은 모형볼트를 설치한 시험 case의 시험 변수에 대해서 정리하여 나타낸 것이다.
- 모형시험 과정에서 강판 상부의 중앙부(A지점) 및 강판 상부에서 12cm 떨어진 지점(B지점, 90도 설치각도에서 모형 볼트의 선단위치)에 토압계를 설치하여 연직토압을 측정하였다. 토압 측정결과를 이용하여 변형 후 모형지반에서 발생된 토압감소량(모형지반 변형 전 측정된 연직토압과 모형지반 변형 후 측정된 연직토압의 차)을 그림 10에 나타내었다.
- 실험조건상 모형지반에서 그라우트 타설에 어려움(삽입홀의 붕괴)이 있었으며, 정착재료의 경화에 많은 시간이 소요(최소 재령강도 7일)되는 관계로 모형볼트를 사전 제작하여 사용하는 것으로 계획하였다(그림 1 참조). 모형지반과 그라우트의 마찰력이 발현할 수 있도록 모형볼트 제작 시 모형 지반 조성조건과 동일한 조건에서 모형볼트 설치하여 그라우팅을 실시하였으며, 그라우트의 강도가 충분히 발현될 수 있도록 모형볼트 제작지반에서 28일간의 습윤 양생기간 후 사용하였다. 또한, 터널표준시방서에서는 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하나 조기 접착력의 발현이 필요한 경우 급결제 등을 혼합하거나 조강 시멘트를 사용하도록 제시되어 있으나, 모형볼트를 사전 제작하여 사용하는 점을 고려하여 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 본 연구에서는 터널에 시공되는 경사볼트의 보강효과를 분석하기 위하여 볼트와 숏크리트로 보강된 사질토 지반을 단순보로 가정한 실내모형시험을 실시하였다. 볼트의 설치각도, 종방향 및 횡방향 설치간격, 토피고 등을 변수로 하였으며, 단순보로 조성된 모형지반의 처짐량 및 연직토압을 측정하여 시스템 경사볼트의 설계기준 제시를 위한 보강효과를 확인하였다.
- 시험토조는 강재로 제작하였으며, 전면을 투명한 아크릴 판으로 구성하여 모형지반의 조성과정 및 변형을 확인할 수 있도록 하였다. 토조의 내부 공간은 1,200×700×200mm(길이×높이×폭)이며, 토조의 하부 양끝단에 롤러를 설치하여 강판의 자연적인 변형이 발생할 수 있도록 제작하였다(그림 5참조).
- 실험조건상 모형지반에서 그라우트 타설에 어려움(삽입홀의 붕괴)이 있었으며, 정착재료의 경화에 많은 시간이 소요(최소 재령강도 7일)되는 관계로 모형볼트를 사전 제작하여 사용하는 것으로 계획하였다(그림 1 참조). 모형지반과 그라우트의 마찰력이 발현할 수 있도록 모형볼트 제작 시 모형 지반 조성조건과 동일한 조건에서 모형볼트 설치하여 그라우팅을 실시하였으며, 그라우트의 강도가 충분히 발현될 수 있도록 모형볼트 제작지반에서 28일간의 습윤 양생기간 후 사용하였다.
- 모형시험은 모형지반의 조건 및 규모를 실제와 가깝게 할수록 치수에 의한 영향이 작게 발생하나, 실제 시험에서는 시험조건을 고려하여 시험에 취급이 용이한 재료 및 모델을 사용하는 것이 일반적이다. 이 연구에서는 모형볼트 보강효과에 의하여 형성되는 지반아치 및 강판은 합성보로 고려하였으며, 모형볼트 상부에 균일한 밀도로 조성되는 모형지반의 자중은 합성보에 등분포하중으로 작용하는 것으로 고려하였다. 이 합성보의 지점구조는 단순보로 형성하였으며, 합성보의 처짐량 및 모형볼트에 의하여 형성되는 지반아치에 대한 연직토압을 측정하여 시스템 경사볼트에 대한 보강효과를 확인하였다.
- 이 연구에서는 시스템 경사볼트의 보강효과를 확인하기 위하여 모형볼트로 보강된 사질토 지반을 단순보로 형상화하여 모형볼트의 설치각도, 횡방향 및 종방향 설치간격, 토피고를 변화하여 총 99회의 모형시험을 수행하였다. 모형시험에서 측정한 모형지반의 침하량 및 연직토압의 변화 분석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 이 연구에서는 모형볼트 보강효과에 의하여 형성되는 지반아치 및 강판은 합성보로 고려하였으며, 모형볼트 상부에 균일한 밀도로 조성되는 모형지반의 자중은 합성보에 등분포하중으로 작용하는 것으로 고려하였다. 이 합성보의 지점구조는 단순보로 형성하였으며, 합성보의 처짐량 및 모형볼트에 의하여 형성되는 지반아치에 대한 연직토압을 측정하여 시스템 경사볼트에 대한 보강효과를 확인하였다. 모형시험 순서와 계측기 설치 위치는 각각 그림 3 및 그림 4와 같다.
- 토조 하부는 강판의 변형이 발생할 수 있도록 빈 공간으로 형성되어 있으며, 모형지반 조성 시 강판의 변형발생을 억제할 수 있도록 별도 제작한 처짐제어 장치(그림 6)를 설치하여 강판의 변형을 억제하였다. 측정장치로 토조의 중앙 하부에 변위센서(LVDT)를 설치하였으며, 모형지반에 작용하는 연직토압의 변화를 측정하기 위하여 모형지반 조성 중 2개소(A지점 및 B지점)에 측정용량 200kPa인 토압계를 설치하여 모형지반의 변형 전/후의 연직토압을 측정하였다
- 토조의 내부 공간은 1,200×700×200mm(길이×높이×폭)이며, 토조의 하부 양끝단에 롤러를 설치하여 강판의 자연적인 변형이 발생할 수 있도록 제작하였다(그림 5참조).
대상 데이터
- 강판(두께=8mm, 길이=1.5m, 폭=20cm)은 숏크리트를 모형화 하기 위하여 사용하였으며, 모형볼트의 종방향 및 횡방향 설치간격에 따라서 모형볼트 설치가 가능하도록 미리 모형볼트 삽입구멍을 형성하여 사용하였다. 모형볼트와 강판의 결합은 너트를 이용하였다.
- 모형지반과 그라우트의 마찰력이 발현할 수 있도록 모형볼트 제작 시 모형 지반 조성조건과 동일한 조건에서 모형볼트 설치하여 그라우팅을 실시하였으며, 그라우트의 강도가 충분히 발현될 수 있도록 모형볼트 제작지반에서 28일간의 습윤 양생기간 후 사용하였다. 또한, 터널표준시방서에서는 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하나 조기 접착력의 발현이 필요한 경우 급결제 등을 혼합하거나 조강 시멘트를 사용하도록 제시되어 있으나, 모형볼트를 사전 제작하여 사용하는 점을 고려하여 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 제작된 모형볼트의 직경은 14mm, 그라우팅 길이는 120mm이다.
- 록볼트의 그라우트(정착재료)는 시멘트 모르타르, 시멘트 페이스트, 수지 등이 있으나, 본 연구에서는 실제 터널 시공 현장에서 주로 사용되고 있는 레진(Resin)을 사용하지 않고 실험실에서 제작 및 사용이 편리한 시멘트 페이스트를 사용하였다. 터널표준시방서에 의하면 시멘트를 그라우트로 사용하는 경우 물-시멘트비를 40~50%로 제시하고 있어 본 연구에서는 물-시멘트비 45%의 시멘트 페이스를 그라우트로 사용하였다.
- 5m, 폭=20cm)은 숏크리트를 모형화 하기 위하여 사용하였으며, 모형볼트의 종방향 및 횡방향 설치간격에 따라서 모형볼트 설치가 가능하도록 미리 모형볼트 삽입구멍을 형성하여 사용하였다. 모형볼트와 강판의 결합은 너트를 이용하였다.
- 본 연구에서는 터널 시공 중 주로 적용되고 있는 전면접착형 록볼트를 모형화하였다. 모형볼트의 재질은 그라우트와 볼트간의 마찰력이 충분히 발현될 수 있도록 한국산업 표준 규격 KS B 1037에 제시된 직경 10mm의 전산볼트(stud bolt)를 사용하였다(표 1 참조).
- 또한, 터널표준시방서에서는 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하나 조기 접착력의 발현이 필요한 경우 급결제 등을 혼합하거나 조강 시멘트를 사용하도록 제시되어 있으나, 모형볼트를 사전 제작하여 사용하는 점을 고려하여 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 제작된 모형볼트의 직경은 14mm, 그라우팅 길이는 120mm이다.
- 록볼트의 그라우트(정착재료)는 시멘트 모르타르, 시멘트 페이스트, 수지 등이 있으나, 본 연구에서는 실제 터널 시공 현장에서 주로 사용되고 있는 레진(Resin)을 사용하지 않고 실험실에서 제작 및 사용이 편리한 시멘트 페이스트를 사용하였다. 터널표준시방서에 의하면 시멘트를 그라우트로 사용하는 경우 물-시멘트비를 40~50%로 제시하고 있어 본 연구에서는 물-시멘트비 45%의 시멘트 페이스를 그라우트로 사용하였다.
이론/모형
- Rabcewicz의 아치이론에 따라 모형볼트의 설치각도 90°에서 지반아치의 두께가 5.0cm 이상이 형성될 수 있는 모형볼트의 설치길이(12.0cm)를 산정하여 적용하였다.
성능/효과
- 5-2LineA75-60의 시험 Case를 제외하고 이완하중 발생률이 모두 95% 이상으로 보강효과가 매우 작은 것으로 나타났다. 또한, 그림 11(a)~11(c)를 비교하면 토피고 감소에 따라 이완하중 발생률이 증가하였으며, 설치각도에 따른 이완하중 발생률을 분석하면 설치각도 75~60도 사이의 이완하중 발생률 변화경향이 90~75도 및 60~45도 사이의 변화경향보다 크게 나타났다. 이 결과는 앞에서 설명한 변형량 및 연직토압에 따른 볼트의 효과적인 설치각도와 유사하다.
- 그림 11(b) 및 그림 11(c)에서 보는 것과 같이 횡방향 설치간격 20cm(1열 배열조건, 실선)에서 토피고가 36cm 및 24cm인 경우의 시험 case에서는 이완하중 발생률이 95% 이상으로 나타나 모형볼트 보강효과가 미소하게 발생하거나 보강효과가 없는 것으로 나타났으며, 그림 11(a)에서 보는 것과 같이 토피고 60cm와 횡방향 1열 배열을 적용한 조건(실선)에서는 최소 이완하중 발생률이 77.8%로 2열 배열 조건(점선)에 비해서 보강효과가 작은 것으로 나타났다. 그림11(a)~(c)에서 나타난 것과 같이 11.
- 1. 토피고가 60cm인 경우에 변형 발생 후 연직토압의 감소가 가장 큰 것으로 나타나 변형발생 전 원지반이 아칭효과 발현에 적합한 토피하중이 확보되는 경우에 시스템볼트에 의한 보강효과가 극대화 되며, 시스템볼트의 보강효과가 효과적으로 나타나는 토피고는 볼트길이의 5배 정도인 것으로 판단된다.
- 2. 설치각도에 따른 침하량, 연직토압의 변화 및 이완하중 발생률을 분석하면 설치각도 75~60도 사이의 변화경향이 90~75도 및 60~45도 사이의 변화경향보다 크게 나타났으며, 최적의 보강효과를 얻기 위한 설치각도는 90~75도 범위인 것으로 판단된다.
- 3. 볼트의 부담면적 115cm2에서 인접한 부담면적인 140cm2 및 100cm2과 비교하여 이완하중 발생률이 큰 것으로 나타났으며, 이 분석결과로 횡방향 지지링의 형성보다는 종방향의 지지링 형성이 볼트의 보강효과 발현에 더 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다.
- 4. 변형량 및 이완하중 발생률을 분석하면 볼트의 종방향 설치간격이 감소하면 볼트 보강효과는 더 크게 발현되는 것으로 나타났다. 그러나 볼트 1개당 부담면적 100cm2을 기준으로 하는 경우 통상적인 록볼트 설치각도인 90도에서의 이완하중 발생률에 대비하는 경우 경사볼트의 가장 효과적인 최소 설치각도의 범위로 나타난 75도에서는 부담면적이 15% 감소하는 경우에 동등 이상의 보강효과가 발현되는 것으로 나타났다.
- 변형량 및 이완하중 발생률을 분석하면 볼트의 종방향 설치간격이 감소하면 볼트 보강효과는 더 크게 발현되는 것으로 나타났다. 그러나 볼트 1개당 부담면적 100cm2을 기준으로 하는 경우 통상적인 록볼트 설치각도인 90도에서의 이완하중 발생률에 대비하는 경우 경사볼트의 가장 효과적인 최소 설치각도의 범위로 나타난 75도에서는 부담면적이 15% 감소하는 경우에 동등 이상의 보강효과가 발현되는 것으로 나타났다. 따라서 시스템 경사볼트 설치 시 종방향 간격을 15% 정도 감소시키는 경우에 가장 경제적인 보강효과가 발현될 것으로 판단된다.
- 그림 10에서 토압감소효과에 대한 설치각도의 영향을 비교해 볼 때 설치각도가 작아질수록 연직토압 감소량도 감소하는 경향을 나타내었다. 동일한 조건에서 설치각도가 75도에서 60도로 작아질 때 토압감소량의 변화가 비교적 큰 것으로 나타났다. 따라서 연직토압 측정결과를 비교해 볼 때 시스템 경사볼트에 의한 보강효과는 90~75도의 설치각도에서 가장 효과적으로 발생한 것으로 판단되며, 이러한 결과는 앞에서 설명한 변형량에 따른 효과적인 설치각도의 결과와 유사한 것으로 나타났다.
- 그러나 볼트 1개당 부담면적 100cm2을 기준으로 하는 경우 통상적인 록볼트 설치각도인 90도에서의 이완하중 발생률에 대비하는 경우 경사볼트의 가장 효과적인 최소 설치각도의 범위로 나타난 75도에서는 부담면적이 15% 감소하는 경우에 동등 이상의 보강효과가 발현되는 것으로 나타났다. 따라서 시스템 경사볼트 설치 시 종방향 간격을 15% 정도 감소시키는 경우에 가장 경제적인 보강효과가 발현될 것으로 판단된다.
- 동일한 조건에서 설치각도가 75도에서 60도로 작아질 때 토압감소량의 변화가 비교적 큰 것으로 나타났다. 따라서 연직토압 측정결과를 비교해 볼 때 시스템 경사볼트에 의한 보강효과는 90~75도의 설치각도에서 가장 효과적으로 발생한 것으로 판단되며, 이러한 결과는 앞에서 설명한 변형량에 따른 효과적인 설치각도의 결과와 유사한 것으로 나타났다.
- 또한, 횡방향 2열 설치(실선) 조건이 1열 설치(점선) 조건에 비해서 종방향 설치간격의 변화에 따른 처짐량 감소의 변화가 상대적으로 더 크고 뚜렷한 것으로 나타났다. 따라서 횡방향 1열 설치 조건에서는 모형볼트 설치에 의한 보강효과가 크게 발현되지 않는 것으로 나타났다.
- 3%로 나타났다. 따라서, 시스템 경사볼트 설치 시 볼트 1개소의 부담면적이 약 15%정도 감소되는 경우에 통상적인 록볼트 설치에 의한 보강효과와 비교하여 동등 이상의 보강효과 발현되는 것으로 나타났다.
- 그림 12에서 보는 것과 같이 시스템 경사볼트의 보강효과가 충분히 발현되는 토피고 60cm에서는 변형량 발생경향 및 연직토압 변화량 발생경향과 같이 모형볼트 설치각도가90~75도인 경우에 이완하중 발생률이 60~45도의 이완하중 발생률보다 작게 나타났다. 또한 모형볼트 1개가 부담하는 면적 100cm2을 기준 면적으로 하는 경우 일반적인 록볼트 설치각도인 90도에서의 이완하중 발생률은 59.5%이며, 효과적인 경사볼트의 보강효과를 얻어지는 최소 설치각도인 75도에서는 기준 부담면적에서 15% 감소(부담면적 85cm2)하는 경우에 이완하중 발생률이 57.3%로 나타났다. 따라서, 시스템 경사볼트 설치 시 볼트 1개소의 부담면적이 약 15%정도 감소되는 경우에 통상적인 록볼트 설치에 의한 보강효과와 비교하여 동등 이상의 보강효과 발현되는 것으로 나타났다.
- 모형볼트 설치에 따른 처짐량 감소량을 분석한 결과 볼트는 90도에서 75도 범위에서 설치되는 경우에 최상의 보강효과가 나타나는 것으로 나타났으며, 설치각도가 60도 이하인 경우에는 효과적인 보강효과가 나타나지 않을 것으로 판단되었다. 또한, 볼트의 종방향 설치간격이 감소할수록 보강효과도 증가하는 것으로 나타났다.
- 횡방향 2열 설치(실선)인 경우와 비교하여 횡방향 1열 설치(점선)인 경우에는 상대적으로 작은 처짐량 감소가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 횡방향 2열 설치(실선) 조건이 1열 설치(점선) 조건에 비해서 종방향 설치간격의 변화에 따른 처짐량 감소의 변화가 상대적으로 더 크고 뚜렷한 것으로 나타났다. 따라서 횡방향 1열 설치 조건에서는 모형볼트 설치에 의한 보강효과가 크게 발현되지 않는 것으로 나타났다.
- 모형볼트 설치에 따른 처짐량 감소량을 분석한 결과 볼트는 90도에서 75도 범위에서 설치되는 경우에 최상의 보강효과가 나타나는 것으로 나타났으며, 설치각도가 60도 이하인 경우에는 효과적인 보강효과가 나타나지 않을 것으로 판단되었다. 또한, 볼트의 종방향 설치간격이 감소할수록 보강효과도 증가하는 것으로 나타났다.
- 모형지반 형성에 사용된 주문진 표준사의 상대밀도시험(KSF 2308) 결과 최대건조단위중량(γdmax)은 16.79kN/m3, 최소건조단위중량(γdmin)은 13.96kN/m3으로 나타났으며, 모형지반조성 시 강사장치를 이용하여 상대밀도(Dr) 80%를 만족하는 건조단위중량(γd) 16.14kN/m3의 모형지반을 형성하였다.
- 상대밀도 80%로 조성된 모래시료에 대한 압밀-배수 삼축압축시험(CD Test)을 실시한 결과 전단저항각은 40.1°, 점착절편은 0kN/m2으로 나타났다.
- 시험과정에서 확인된 연직토압의 감소량은 아칭효과에 의하여 모형볼트에 전이되어 있는 것으로 고려할 수 있으며, 시험지반의 변형에 의한 발생한 이완하중은 보강조건에 따라서 초기 연직토압에 비해 감소하는 것으로 나타났다. 변형 전 연직토압(σ1, 초기 연직토압)에 대한 변형 후 하중(σ2, 이완하중)의 크기는 이완하중 발생률로 식 (1)과 같이 산정할 수 있으며, 이완하중 발생률이 작을수록 보강효과는 우수하다.
- 이런 아칭효과의 발현은 모형볼트를 횡방향 간격 20cm(1열 설치)로 설치한 조건보다는 횡방향 간격 10cm(2열 설치)로 설치한 조건에서 크게 나타났으며, 이러한 결과는 토피고가 60cm인 조건에서 가장 크게 나타났다. 이 결과는 변형 발생 전 원지반이 아칭효과 발현에 적합한 토피하중이 확보되는 경우에 시스템볼트에 의한 보강효과가 극대화되며, 시스템볼트의 보강효과가 효과적으로 나타나는 토피고는 볼트길이의 약 5배인 것으로 판단된다.
- 0cm)과 비교하여 이완하중이 크게 발생하여 보강효과가 상대적으로 작아지는 것으로 나타났다. 이 결과는 볼트의 종방향 설치간격이 넓어짐에 따라 볼트와 지반간의 아칭효과에 의한 원지반 아치(원지반 지지링) 두께의 감소에 의한 영향으로 판단되며, 볼트에 의한 보강효과 발현에서는 횡방향 원지반 아치 형성보다는 종방향 원지반 아치 형성이 더 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다.
- 그림 8(a)~(c)에서 보는 바와 같이 종방향 설치간격에 따른 처짐량 감소를 비교해 보면 종방향 설치간격이 감소할수록 처짐량 감소효과가 큰 것으로 나타났다. 특히 종방향 설치간격이 11.5cm인 경우에는 L11.5-2Line-A90-60 및 L11.5-2Line-A75-60(그림 8(a) 참조)인 2개 시험 Case를 제외하고는 처짐량 감소는 1.0mm 이하로 나타났으며, 종방향 설치간격이 10.0cm에서 11.5cm로 증가하는 경우에 처짐량 감소가 가장 큰 것으로 나타났다.
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