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문제 정의
- 이 연구에서는 2차로 도로터널에 경사 시스템 볼트가 적용되는 경우에 발생하는 터널의 변형을 분석하기 위하여 2차원 수치해석을 수행하였다. 한국도로공사에서 제시한 2차로 도로터널의 표준 지보패턴에 의하면 1타입은 랜덤 볼트가 적용되어 있으며, 2타입은 터널의 천단과 어깨부에 시스템 볼트가 적용된다.
- 이 연구에서는 사질토에서 경사 시스템 볼트의 보강효과를 파악하기 위하여 모형 록볼트의 설치간격, 설치각도 및 토피고를 변화하는 모형시험을 실시한 이재덕 등(2012)의 연구결과를 바탕으로 모형 록볼트의 정착 길이 변화시킨 24case의 모형시험을 실시하였다. 모형시험 결과로 모형 록볼트의 정착길이 변화에 따른 경사 시스템 볼트의 보강효과를 분석하였다.
- 이 연구에서는 일반적으로 터널 굴착방향에 수직으로 설치되는 시스템 록볼트의 보강효과와 터널 굴착방향에 경사지게 설치되는 경사 시스템 록볼트의 보강효과를 비교하고자 모형시험과 2차원 수치해석을 실시하였으며, 모형시험과 수치해석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- 따라서 모형시험에서 나타난 연직토압 감소범위를 고려하여 합성보(철판, 모형지반 및 모형 록볼트)의 두께는 철판 상부 12cm 지점까지인 것으로 고려하였다. 그리고 합성보에 작용하는 등분포 하중은 모형지반과 철판의 자중으로 가정하였으며, 합성보의 변형계수는 Eq. (5)를 이용하여 산정하였다.
- 이 연구에서는 모형 록볼트가 설치된 복합지반을 단순보로 가정하여 모형시험을 실시하였다. 그리고 등분포하중이 작용하는 단순보에서는 단순보의 최대 처짐량 산정공식을 이용하여 단순보의 변형계수를 산정할 수 있다.
제안 방법
- (2)를 이용하여 이완하중 발생률[변형 전연직토압(σ1, 초기 연직토압)에 대한 변형 후 하중(σ2, 이완하중)의 비]을 산정하였다.
- 각 지보패턴에 대한 지반조건은 지보패턴에 대한 암반분류에 따라서 3타입은 연암으로, 4타입은 풍화암으로 그리고 5타입은 풍화암 및 풍화토로 결정하였다. 각 지반조건에 대한 물성값은 도로설계편람(2010) 제6편 터널에 제시된 국내 터널 시공 실적에 의한 암반의 대표 물성값을 참조하여 Table 4와 같이 결정하였으며, 지반 파괴모델은 Mohr-Coulomb의 항복기준을 적용하였다.
- 모형시험 결과로 모형 록볼트의 정착길이 변화에 따른 경사 시스템 볼트의 보강효과를 분석하였다. 그리고 2차로 도로터널의 지보패턴 중 터널 천단 및 측벽부에 시스템 볼트가 적용되는 3타입, 4타입 및 5타입에 대하여 2차원 유한차분법 수치해석을 실시하여 그 결과를 모형시험 결과와 비교하고, 해석기법의 타당성 및 적용성을 검토하였다.
- 10). 그리고 각 지보패턴에서의 지보효과에 해당하는 변형계수는 천단침하량을 기준으로 산정하였다.
- 0cm로 결정하였다. 그리고 모형시험은 총 24회를 수행하였다. Table 2는 이 연구에서 수행한 모형시험 조건(토피고 및 모형볼트의 설치간격)에 대하여 정리하여 나타낸 것이다.
- 이완하중 발생률과 정착 길이의 상관관계는 유사한 것으로 나타났다. 그리고 분석된 상관관계를 이용하여 기준시험과 동일한 이완하중 발생률이 발현되는 모형 록볼트의 정착 길이를 산정하였다. 그 결과 모형 록볼트의 설치각도 75°와 60°에 대하여 기준시험과 동일한 이완하중이 발현되는 모형 록볼트의 정착 길이는 14.
- 그는 록볼트의 길이와 간격에 대한 경험식을 굴착길이에 대하여 식 (1)과 같이 제안하였다. 그리고 이 연구에서는 Rabcewicz의 원지반 아치이론과 경험식을 바탕으로 모형 록볼트의 정착 길이를 결정하였다. 모형 록볼트의 기준 설치간격은 10.
- 그리고 단순보 처짐공식에 의하여 산정된 변형계수를 수치해석으로 검증한 결과, 단순보 처짐공식에 의하여 산정한 변형계수는 충분한 신뢰성을 가진다고 발표하였다. 따라서 이 연구에서는 모형 록볼트가 설치된 복합지반의 변형계수를 등분포 하중이 작용하는 단순보의 최대 처짐량 산정공식을 이용하여 산정하였다.
- 그리고 3타입, 4타입 및 5타입은 터널의 천단과 측벽에 시스템 볼트가 적용된다. 따라서 이 연구에서는 지보패턴 3타입, 4타입 및 5 타입에 대하여 모형시험에서 산정한 변형계수 증가율을 적용한 2차원 수치해석(FLAC-2D)을 수행하였으며, 수치해석 결과를 모형시험 결과와 비교하였다.
- 또한 모형시험변수는 모형 록볼트의 정착길이 12cm에서의 모형시험결과를 분석하여 토피고는 60cm, 설치각도는 45°, 60°, 75°와 90°, 횡방향 설치간격은 10.0cm 그리고 종방향 설치간격은 10.0cm, 8.5cm 및 7.0cm로 결정하였다.
- 18m) 이상으로 설정하였다. 또한 터널 천단에서 지표면까지의 토피고는 표준 지보패턴 3타입, 4타입 및 5타입(Table 3 참조)에 대하여 각각 3D, 2D 및 1D로 설정하였으며, 2차원 수치해석 단면은 Fig. 11과 같다.
- 록볼트에 대한 구조부재 모형화 방법은 록볼트 설치각도가 90°인 경우에 적용하였으며, 주변지반의 공학적 특성을 변화시키는 모형화 방법은 록볼트 설치각도가 90°인 경우와 경사지게 설치되는 록볼트에 대하여 적용하였다.
- 이 연구에서는 사질토에서 경사 시스템 볼트의 보강효과를 파악하기 위하여 모형 록볼트의 설치간격, 설치각도 및 토피고를 변화하는 모형시험을 실시한 이재덕 등(2012)의 연구결과를 바탕으로 모형 록볼트의 정착 길이 변화시킨 24case의 모형시험을 실시하였다. 모형시험 결과로 모형 록볼트의 정착길이 변화에 따른 경사 시스템 볼트의 보강효과를 분석하였다. 그리고 2차로 도로터널의 지보패턴 중 터널 천단 및 측벽부에 시스템 볼트가 적용되는 3타입, 4타입 및 5타입에 대하여 2차원 유한차분법 수치해석을 실시하여 그 결과를 모형시험 결과와 비교하고, 해석기법의 타당성 및 적용성을 검토하였다.
- 수치해석 영역은 지반의 경계가 해석결과에 영향을 미치지 않도록 터널의 좌측, 우측 및 하부에 대하여 4.5D(D : 터널 환산직경≒10.18m) 이상으로 설정하였다. 또한 터널 천단에서 지표면까지의 토피고는 표준 지보패턴 3타입, 4타입 및 5타입(Table 3 참조)에 대하여 각각 3D, 2D 및 1D로 설정하였으며, 2차원 수치해석 단면은 Fig.
- 모형시험에서 사용한 시험토조 하부는 모형 록볼트 보강지반의 변형이 발생할 수 있도록 빈 공간으로 형성되어 있으며, 모형 록볼트 보강지반 형성 시 변형발생을 억제할 수 있도록 별도 제작한 처짐 제어장치를 설치하여 강판의 변형을 억제하였다. 연직토압은 Fig. 4와 같이 2개 지점(A지점 및 B지점)에서 측정하였으며, 이 연구에서는 B지점에서 모형 록볼트 보강지반의 변형 전과 후의 연직토압 측정결과를 이용하여 모형 록볼트에 의한 보강효과를 분석하였다. 그리고 자세한 모형시험 순서 및 방법은 이재덕 등(2012)의 연구와 동일하다.
- 일반적으로 터널 지보재로 사용되는 록볼트, 숏크리트 등을 수치해석에서 모형화 하는 방법은 연속체 요소로 모형화하는 방법, 구조부재로 모형화하는 방법 및 주변 지반의 공학적 특성을 변화시키는 방법이 있다. 이 연구에서는 록볼트와 숏크리트를 구조부재로 모형화하는 지보재 모형화 방법과 록볼트의 지보효과를 주변 지반의 공학적 특성 변화로 지보재를 모형화하는 방법을 사용하여, 각 방법의 타당성 및 적용성을 검토하였다(Fig. 10). 록볼트에 대한 구조부재 모형화 방법은 록볼트 설치각도가 90°인 경우에 적용하였으며, 주변지반의 공학적 특성을 변화시키는 모형화 방법은 록볼트 설치각도가 90°인 경우와 경사지게 설치되는 록볼트에 대하여 적용하였다.
- 이 연구에서는 이재덕 등(2012) 연구를 참고하여 전면접착형 록볼트를 모형화하였다. 모형 록볼트는 그라우트와 모형화 록볼트의 주면마찰력이 충분히 발현될 수 있는 직경 10mm의 전산볼트(stud bolt)를 사용하였다(Fig.
- 이 연구에서는 이재덕 등(2012)의 연구결과를 참고하여 모형 록볼트의 정착 길이를 증가시킨 모형시험을 수행하였다. 모형 록볼트의 정착길이는 12cm에서 14cm 및 16cm로 증가시켰다.
대상 데이터
- 1). 그라우트 재료는 터널표준시방서를 참조하여 물-시멘트 비가 45%인 시멘트 페이스를 사용하였으며, 충분한 강도가 발현할 수 있도록 28일 양생 후 모형시험에 사용하였다. 그리고 모형 숏크리트는 다수의 반복되는 모형시험 실시되는 점을 고려하여 현실적으로 취급이 용이한 재료인 강판(두께=8mm, 길이=1.
- 그라우트 재료는 터널표준시방서를 참조하여 물-시멘트 비가 45%인 시멘트 페이스를 사용하였으며, 충분한 강도가 발현할 수 있도록 28일 양생 후 모형시험에 사용하였다. 그리고 모형 숏크리트는 다수의 반복되는 모형시험 실시되는 점을 고려하여 현실적으로 취급이 용이한 재료인 강판(두께=8mm, 길이=1.5m, 폭=20cm)을 사용하였다.
- 이 연구에서는 이재덕 등(2012) 연구를 참고하여 전면접착형 록볼트를 모형화하였다. 모형 록볼트는 그라우트와 모형화 록볼트의 주면마찰력이 충분히 발현될 수 있는 직경 10mm의 전산볼트(stud bolt)를 사용하였다(Fig. 1). 그라우트 재료는 터널표준시방서를 참조하여 물-시멘트 비가 45%인 시멘트 페이스를 사용하였으며, 충분한 강도가 발현할 수 있도록 28일 양생 후 모형시험에 사용하였다.
- 모형지반은 이재덕 등(2012)의 연구를 참고하여 주문진 표준사를 사용하였으며, 강사장치를 이용하여 상대밀도(Dr) 80%를 만족하는 건조단위중량(γd) 16.14 kN/㎥의 모형지반을 형성하였다.
이론/모형
- 각 지보패턴에 대한 지반조건은 지보패턴에 대한 암반분류에 따라서 3타입은 연암으로, 4타입은 풍화암으로 그리고 5타입은 풍화암 및 풍화토로 결정하였다. 각 지반조건에 대한 물성값은 도로설계편람(2010) 제6편 터널에 제시된 국내 터널 시공 실적에 의한 암반의 대표 물성값을 참조하여 Table 4와 같이 결정하였으며, 지반 파괴모델은 Mohr-Coulomb의 항복기준을 적용하였다. 그리고 숏크리트와 록볼트에 대하여 적용한 물성값은 Table 5 및 Table 6과 같다.
성능/효과
- (1) 모형 록볼트의 각 설치각도에서 모형 록볼트의 보강효과는 부담면적 감소율이 감소함에 따라서 증가하는 것으로 나타났다. 또한 정착길이가 증가함에 따라서 모형 록볼트의 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다.
- (3) 록볼트를 구조부재로 모형화하여 각 지보패턴에서 록볼트의 부담면적 감소율(종방향 설치간격이 감소) 변화에 대하여 록볼트의 환산강성이 변화하는 2차원 수치해석을 수행한 결과, 록볼트 최대 축력은 부담면적이 감소함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 천단침하량과 숏크리트 응력은 일정한 경향을 보이지 않는 것으로 나타나 록볼트를 구조부재로 모사하고 록볼트 설치간격 변화에 따른 환산강성을 적용하는 수치 해석 방법은 터널의 거동을 예측하는데 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다.
- (4) 록볼트의 지보효과에 대응하는 변형계수를 적용하여 터널의 천단 변형 발생량을 산정하고 이를 모형시험에서 측정한 처짐 변형 발생량을 비교한 결과, 수치해석과 모형시험의 변형량 발생경향은 유사한 것으로 나타났다. 따라서 지보재 모형화 방법으로 터널 지보재 설치효과를 주변 지반의 공학적 특성 증가로 간주하는 방법은 충분히 수치해석에 적용할 수 있는 것으로 나타났다.
- Fig. 5에서 나타난 것과 같이 기준시험의 이완하중 발생률이 발현되는 부담면적 감소율과 설치각도의 상관관계는 비교적 우수한 것으로 나타났다. 그리고 이 연구에서 수행된 모형시험 결과에 의한 상관관계는 Eq.
- 5와 같다. 각 설치각도에서 모형 록볼트 부담면적과 이완하중 발생률은 유사한 상관관계를 가지는 것으로 나타났다. 각 설치각도에서 기준시험(B12-L10.
- 각 지보패턴에서 록볼트 부담면적 감소율 변화에 따른 수치해석을 수행한 결과, 록볼트 축력 증가량(Fig. 13)은 부담면적 감소(록볼트 종방향 설치간격 감소)에 따라서 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 3타입과 4타입에서 부담면적이 감소에 따라서 숏크리트 응력(Fig.
- 그 결과 모형 록볼트의 설치각도 75°와 60°에 대하여 기준시험과 동일한 이완하중이 발현되는 모형 록볼트의 정착 길이는 14.2cm와 15.9cm인 것으로 나타났다.
- (3) 록볼트를 구조부재로 모형화하여 각 지보패턴에서 록볼트의 부담면적 감소율(종방향 설치간격이 감소) 변화에 대하여 록볼트의 환산강성이 변화하는 2차원 수치해석을 수행한 결과, 록볼트 최대 축력은 부담면적이 감소함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 천단침하량과 숏크리트 응력은 일정한 경향을 보이지 않는 것으로 나타나 록볼트를 구조부재로 모사하고 록볼트 설치간격 변화에 따른 환산강성을 적용하는 수치 해석 방법은 터널의 거동을 예측하는데 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다.
- 13)은 부담면적 감소(록볼트 종방향 설치간격 감소)에 따라서 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 3타입과 4타입에서 부담면적이 감소에 따라서 숏크리트 응력(Fig. 14)은 0.01MPa과 0.02MPa 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 5타입에서는 숏크리트 응력이 0.
- 또한 정착길이가 증가함에 따라서 모형 록볼트의 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 각 설치각도에서 부담면적 감소율 및 정착길이에 대한 이완하중 발생률은 유사한 상관관계를 나타났다.
- 안정환과 이상덕(2009)은 긴장력을 가하는 록볼트가 설치된 수평절리암반에 대하여 단순보 지점 구조를 형성한 실내모형시험과 실내모형시험을 모형화한 3차원 수치해석을 실시하였다. 그리고 단순보 처짐공식에 의하여 산정된 변형계수를 수치해석으로 검증한 결과, 단순보 처짐공식에 의하여 산정한 변형계수는 충분한 신뢰성을 가진다고 발표하였다. 따라서 이 연구에서는 모형 록볼트가 설치된 복합지반의 변형계수를 등분포 하중이 작용하는 단순보의 최대 처짐량 산정공식을 이용하여 산정하였다.
- 12). 그리고 모형시험(토피고=60cm, 정착 길이=12cm 및 횡방향 2열)의 종방향 설치간격에 변화에 따른 처짐 감소량과 비교한 결과, 수치해석의 천단 침하 감소량 변화경향은 유사한 상관관계를 형성하지 못하는 것으로 나타났다.
- (2)를 이용하여 이완하중 발생률[변형 전연직토압(σ1, 초기 연직토압)에 대한 변형 후 하중(σ2, 이완하중)의 비]을 산정하였다. 그리고 이완하중 발생률이 작을수록 모형 록볼트 설치에 의한 보강효과는 우수한 것으로 평가할 수 있다.
- 17에서 나타나듯이 천단침하 증가량 발생경향은 모형시험(토피고=60cm, 정착 길이=12cm 및 횡방향 2열)의 처짐량 발생 경향과 유사한 것으로 나타났다. 따라서 수치해석에서 모형시험의 변형계수 증가율 적용하여도 터널 거동을 평가하는데 유용한 방법으로 사용될 수 있는 것으로 판단된다.
- (4) 록볼트의 지보효과에 대응하는 변형계수를 적용하여 터널의 천단 변형 발생량을 산정하고 이를 모형시험에서 측정한 처짐 변형 발생량을 비교한 결과, 수치해석과 모형시험의 변형량 발생경향은 유사한 것으로 나타났다. 따라서 지보재 모형화 방법으로 터널 지보재 설치효과를 주변 지반의 공학적 특성 증가로 간주하는 방법은 충분히 수치해석에 적용할 수 있는 것으로 나타났다.
- (1) 모형 록볼트의 각 설치각도에서 모형 록볼트의 보강효과는 부담면적 감소율이 감소함에 따라서 증가하는 것으로 나타났다. 또한 정착길이가 증가함에 따라서 모형 록볼트의 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 각 설치각도에서 부담면적 감소율 및 정착길이에 대한 이완하중 발생률은 유사한 상관관계를 나타났다.
- 11MPa 증가하는 것으로 나타났다. 또한 천단 침하 감소량은 부담면적 감소에 따라 증가하고 있으나 일정한 경향이 없는 것으로 나타났다(Fig. 12). 그리고 모형시험(토피고=60cm, 정착 길이=12cm 및 횡방향 2열)의 종방향 설치간격에 변화에 따른 처짐 감소량과 비교한 결과, 수치해석의 천단 침하 감소량 변화경향은 유사한 상관관계를 형성하지 못하는 것으로 나타났다.
- 록볼트에 대한 지보효과는 숏크리트를 구조부재로 모형화하고 록볼트가 설치되는 영역의 지반 변형계수가 증가하는 것으로 간주하였다(Fig. 10). 그리고 각 지보패턴에서의 지보효과에 해당하는 변형계수는 천단침하량을 기준으로 산정하였다.
- 변형계수 증가율은 설치각도 변화에 따라서 44.6%∼56.5% 증가하는 것으로 나타났다.
- 변형계수를 산정한 결과, 시스템 록볼트 설치에 의한 지보효과는 주변지반의 변형계수를 13.39∼20.62MPa(평균 17.66 MPa) 정도 증가시키는 효과인 것으로 나타났다(Table 8).
- 상대밀도 80%로 조성된 모래시료에 대한 압밀-배수 삼축압축시험(CD Test)을 실시한 결과 전단저항각은 40.1°, 점착절편은 0kPa으로 나타났다(Table 1).
- 이 연구에서 수행된 모형시험결과에 의하면 연직토압의 감소효과는 철판 상부로부터 12cm 지점(A지점, Fig. 4)까지 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 모형시험에서 나타난 연직토압 감소범위를 고려하여 합성보(철판, 모형지반 및 모형 록볼트)의 두께는 철판 상부 12cm 지점까지인 것으로 고려하였다.
- 주변지반의 변형계수와 터널의 최대 천단침하량 관계는 터널 주변지반의 변형계수가 증가함에 따라서 터널의 최대 천단침하량이 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 15). 그리고 숏크리트 응력은 변형계수 증가에 따라서 감소하는 것으로 나타났다(Fig.
- (2) 강판 상부 12cm 지점까지를 합성보 부재로 고려하고 모형지반 및 강판의 자중이 등분포 하중으로 작용하는 것으로 가정하는 경우, 모형 록볼트가 설치된 복합지반의 변형계수는 단순보의 처짐량 산정식을 이용하여 구할 수 있다. 토피고 60cm일 때의 모형 록볼트의 설치각도에 따른 변형계수 증가율과 부담면적 감소율을 비교한 결과, 변형계수는 설치각도가 감소에 따라 작아지는 것으로 나타났다.
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