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문제 정의
- 금회 개발한 밀봉패커에 대하여 차수성을 확인하기 위하여 실험을 실시하였다. 금회 개발한 혼화재가 발포하기 시작되면 그대로 거치시켜 발포의 형태를 육안 관찰하고 발포가 완료되면 물감을 섞은 물을 부어 물이 새는지 확인한다.
- 록볼트 천공경의 그라우팅 충전재가 시공 시 흘려내림으로써 록볼트 보강 효과를 나타내지 못하는 문제가 있으므로 본 논문에서는 록볼트 채움재가 흘러내리는 것을 방지하기 위한 밀봉패커를 개발하기 위하여 지반조건을 모사한 후 록볼트를 설치하고 모형토조를 이용하여 인발시험을 실시하여 밀봉패커가 설치된 록볼트의 지반 보강효과와 마찰효과를 확인하였으며 배합시험, 차수시험 등을 통한 밀봉패커의 적용성도 확인하고자 하였다.
- 본 연구는 천공 홀 내에서 그라우팅재의 역류방지를 위해 개발된 밀봉패커의 적용성을 평가하기 위하여 자료조사, 실내 모형 토조실험과 인발시험을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 천공 홀에서 그라우팅 충전재의 역류를 막아 작업자의 안정성 확보와 록볼트의 안정성 및 추가 시공으로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있는 밀봉 패커를 개발하는 것이다.
제안 방법
- (6) 원형 아크릴을 이용한 밀봉패커의 차수시험을 실시하여 차수성을 확인하였고, 경화시험에서는 공기 중의 경화속도와 수중의 경화속도를 비교하였다. 경화시험결과 공기 중보다 수중에서 경화속도가 1.
- 시멘트의 양이 증가할수록 발포시점은 느려지나, 발포 완료시점은 빨라지는 경향을 나타내었고 시멘트 양이 증가할수록 우레탄의 팽창률이 300% 이하로 저하되며, 경화 후 우레탄액이 남아있는 것을 확인하였다. 강도, 팽창률(평균 374.3%), 발포시간 등을 고려하여 최적의 배합비를 선정하였다.
- 원형 아크릴을 이용한 경화시험에서는 공기 중의 경화속도와 수중의 경화속도를 비교하였다. 경화속도의 기준은 밀봉 패커의 우레탄이 충분히 발포하는 시간을 비교하였으며 공기 중과 수중에서 반복 시험하였다. 시험결과 공기 중보다 수중에서 1.
- 이를 통하여 원형철관으로 구속된 상태에서 발포 및 경화 양상을 관찰할 수 있었다. 그리고 금회 개발한 패커설치 후 철근(D16, L=77cm)에 추를 재하하여 천공경내 그라우팅을 고려하지 않은 상태에서 철근에만 작용되는 최대하중을 알아보았다.
- 금회 개발한 밀봉패커에 대하여 차수성을 확인하기 위하여 실험을 실시하였다. 금회 개발한 혼화재가 발포하기 시작되면 그대로 거치시켜 발포의 형태를 육안 관찰하고 발포가 완료되면 물감을 섞은 물을 부어 물이 새는지 확인한다. 패커의 방수시간은 일반적으로 그라우트체가 굳는 시간인 12시간을 기준으로 측정하였으며 그림과 같이 차수성을 확보하는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서 실시한 시험조건은 Table 2와 같고 원형 모형 토조시험기는 인장시험기를 이용한 록볼트 인발시험 측정시스템과 록볼트 시편고정용 지그에 장착되며 인장압축 시험기는 하중을 30ton까지 측정할 수 있고 엑츄에이터의 유격거리는 50mm이다. 돌출된 록볼트는 유압 그립으로 잡아서 인발실험을 수행하였다.
- 노르웨이에서는 원지반의 지지능력을 최대로 활용하고 1차 지보재로 보강하여 터널을 장기적으로 안정시키는 NATM의 개념과 일치하지만 고강도의 록복트를 주지보재로 하고 일반 숏크리트 대신 점착력이 양호한 고강도의 강섬유 보강 습식 콘크리트를 사용하여 주변암반과 일체화하는 지보공법인 NMT공법을 개발하여 사용 중이다(김성수 등, 2003). 록볼트 보강효과에 관한 실험적인 연구로 사질토 지반에 대한 단순보 모델 모형시험을 실시하여 록볼트 보강에 의한 원지반의 보강효과를 분석하였다(Moon, 2007).
- 실험 순서는 원형 토조 내에 지반조건을 고려하여 바닥층에 하부 콘크리트를 타설하고 록볼트를 설치하고 그라우팅 충전재를 일반토사(통일분류 SM)로 채운 후 상부 콘크리트를 타설하고 밀봉패커를 설치하였으며 콘크리트 타설 후 7일이 경과 후 인발시험을 13회 실시하였다. 록볼트 인발시험은 록볼트의 긴장력과 변위관계를 변수로 하여 분석하였고 인발시험 후 하부지반과 콘크리트를 굴착하여 설치된 밀봉패커의 형상을 실측하였다.
- 록볼트 채움재는 순간경화로 천공홀 입구를 밀폐시킴으로 그라우팅의 작업속도가 빠르므로 전체 시공속도가 향상되고, 그라우팅재의 역류에 의한 안전사고를 방지하고 유동성이 높은 시멘트 밀크를 그라우팅재로 사용가능하므로 환경적으로 우수하고 터널 천정부에서도 그라우팅의 흘러내림 및 역류 방지되는 조건으로 고려하였다. 팽창 및 경화 촉진의 기능을 가진 혼화제 중 우레탄, 에폭시 계열 등의 혼화제로 적용범위를 축소시켜 그 배합비를 변화시키면서 배합시험을 실시하였다.
- 모형토조(5개)의 크기는 직경 200mm, 높이 1,000mm로 철제로 제작하였으며 인발시험기는 최대 30ton 하중이 재하되었고 록볼트(철근 D25)를 사용하였다. 록볼트 천공경을 모사하여 진행되는 인발시험의 데이터는 인발 측정시스템을 이용하여 저장하였으며 센서도 각 철근당 3개를 설치하여 계측하였으며 측정시스템은 아래 그림과 같다. 실험 순서는 원형 토조 내에 지반조건을 고려하여 바닥층에 하부 콘크리트를 타설하고 록볼트를 설치하고 그라우팅 충전재를 일반토사(통일분류 SM)로 채운 후 상부 콘크리트를 타설하고 밀봉패커를 설치하였으며 콘크리트 타설 후 7일이 경과 후 인발시험을 13회 실시하였다.
- 본 연구에서 실시한 시험조건은 Table 2와 같고 원형 모형 토조시험기는 인장시험기를 이용한 록볼트 인발시험 측정시스템과 록볼트 시편고정용 지그에 장착되며 인장압축 시험기는 하중을 30ton까지 측정할 수 있고 엑츄에이터의 유격거리는 50mm이다. 돌출된 록볼트는 유압 그립으로 잡아서 인발실험을 수행하였다.
- 실제 지반조건에서 밀봉패커 설치 후 천공경의 발포 및 경화상태를 파악하기 위하여 원형철관시험기를 제작하였다. 철제 원형토조로서 직경은 내경 80mm, 외경 100mm이고, 길이가 1,000mm이며 1개를 Fig.
- 록볼트 천공경을 모사하여 진행되는 인발시험의 데이터는 인발 측정시스템을 이용하여 저장하였으며 센서도 각 철근당 3개를 설치하여 계측하였으며 측정시스템은 아래 그림과 같다. 실험 순서는 원형 토조 내에 지반조건을 고려하여 바닥층에 하부 콘크리트를 타설하고 록볼트를 설치하고 그라우팅 충전재를 일반토사(통일분류 SM)로 채운 후 상부 콘크리트를 타설하고 밀봉패커를 설치하였으며 콘크리트 타설 후 7일이 경과 후 인발시험을 13회 실시하였다. 록볼트 인발시험은 록볼트의 긴장력과 변위관계를 변수로 하여 분석하였고 인발시험 후 하부지반과 콘크리트를 굴착하여 설치된 밀봉패커의 형상을 실측하였다.
- 원형 모형 토조시험으로 내부에 철근과 모형지반을 모사하여 인발시험을 실시하였으며 바닥층은 콘크리트 또는 몰탈, 중간층은 모래지반, 상부층은 콘크리트 지반으로 형성하였다. 천공 후 패커를 설치한 상태에서 철근 인발시험을 13회 실시하였다.
- 원형 아크릴을 이용한 경화시험에서는 공기 중의 경화속도와 수중의 경화속도를 비교하였다. 경화속도의 기준은 밀봉 패커의 우레탄이 충분히 발포하는 시간을 비교하였으며 공기 중과 수중에서 반복 시험하였다.
- 원형 철관 시험을 위하여 철근 D25, 포틀랜드 시멘트와 잔골재를 이용하며 바닥을 채우고, 토사를 이용하여 중간층을 형성하였으며 금회 개발한 패커를 이용하여 발포 및 경화시험을 실시하였다.
- 인발응력은 재하판을 통하여 인발하중이 작용되는 유압 실린더의 단면적으로 인발하중을 나누어 계산하였으며 인발 주면마찰저항은 인발하중에 대하여 금회 설치된 밀봉패커의 설치깊이를 고려하여 패커의 주변 면적으로 나누어 환산하였다.
- 그러므로 금회 개발한 밀봉패커는 록볼트, 쏘일네일, 그라운드 앵커 등 지보강재에 대한 적용성이 우수한 것으로 판단된다. 인발하중을 금회 개발한 패커의 주변면적으로 나누어 구한 인발주면마찰저항과 패커의 하중시험으로 구한 록볼트 내 패커만의 최대하중(그라우팅 무게 및 철근 무게를 고려한 현장 천공경 내 패커에 미치는 하중시험값 24kg)을 비교하여 패커의 마찰저항력을 검증하였다. 현장 천공경내 그라우팅 및 철근 하중으로 인하여 패커주변에 미치는 마찰저항은 0.
- 원형 모형 토조시험으로 내부에 철근과 모형지반을 모사하여 인발시험을 실시하였으며 바닥층은 콘크리트 또는 몰탈, 중간층은 모래지반, 상부층은 콘크리트 지반으로 형성하였다. 천공 후 패커를 설치한 상태에서 철근 인발시험을 13회 실시하였다. 인발시험결과 하중-변위관계를 살펴보았을 때 적정한 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 록볼트 채움재는 순간경화로 천공홀 입구를 밀폐시킴으로 그라우팅의 작업속도가 빠르므로 전체 시공속도가 향상되고, 그라우팅재의 역류에 의한 안전사고를 방지하고 유동성이 높은 시멘트 밀크를 그라우팅재로 사용가능하므로 환경적으로 우수하고 터널 천정부에서도 그라우팅의 흘러내림 및 역류 방지되는 조건으로 고려하였다. 팽창 및 경화 촉진의 기능을 가진 혼화제 중 우레탄, 에폭시 계열 등의 혼화제로 적용범위를 축소시켜 그 배합비를 변화시키면서 배합시험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 모형토조(5개)의 크기는 직경 200mm, 높이 1,000mm로 철제로 제작하였으며 인발시험기는 최대 30ton 하중이 재하되었고 록볼트(철근 D25)를 사용하였다. 록볼트 천공경을 모사하여 진행되는 인발시험의 데이터는 인발 측정시스템을 이용하여 저장하였으며 센서도 각 철근당 3개를 설치하여 계측하였으며 측정시스템은 아래 그림과 같다.
- 실제 지반조건에서 밀봉패커 설치 후 천공경의 발포 및 경화상태를 파악하기 위하여 원형철관시험기를 제작하였다. 철제 원형토조로서 직경은 내경 80mm, 외경 100mm이고, 길이가 1,000mm이며 1개를 Fig. 8과 같이 제작하였다. 제작한 원형토조와 채움재로 사용한 토사의 토질특성은 원형 모형 토조시험에 적용한 조건과 같다.
성능/효과
- (2) 원형 모형 토조시험으로 내부에 철근과 모형지반을 모사하여 인발시험을 13회 실시하였으며 하중-변위, 주면 마찰력-변위관계로 철근, 패커의 안정성을 확인하였다.
- (3) 인발시험 결과 철근 인발응력은 최대 582.72kg/cm2, 금회 개발한 밀봉패커의 주변마찰에 따른 저항력은 22.12kg/cm2까지 확보되는 것으로 나타났다.
- (4) 금회 개발한 밀봉패커의 주변마찰에 따른 저항력이 확보되어 현장 천공경 내의 그라우팅 및 철근의 무게로 패커에 미치는 마찰력(0.06kg/cm2)을 충분히 견디는 것으로 나타났다.
- (5) 원형 철관시험을 통하여 밀봉패커 설치 시 밀봉패커가 철근무게와 그라우팅재 무게를 합한 무게 이상 작용 시 변위가 발생하는지 사하중 재하시험을 실시하였으며 70kg 이상에 대하여 충분히 견디는 것으로 파악되었다.
- (6) 원형 아크릴을 이용한 밀봉패커의 차수시험을 실시하여 차수성을 확인하였고, 경화시험에서는 공기 중의 경화속도와 수중의 경화속도를 비교하였다. 경화시험결과 공기 중보다 수중에서 경화속도가 1.5배 지연되는 것으로 파악되었다. 지반조건이 수중보다는 공기 중에서 지하수가 포함된 상태에서 밀봉패커가 시공되므로 배수층을 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 금회 밀봉패커가 설치된 상태에서 인발시험은 실제 현장의 천공경 105mm를 기준으로 하여 실시하였으며 원형 토조 하부에 설치된 콘크리트의 양생시간에 따라 록볼트에 대해 인발시험을 실시한 결과 양생시간에 따른 인발시험 결과에 있어서 최대인발하중은 10ton을 넘지 않았으며 콘크리트의 양생시간이 길어질수록 증가하는 경향을 보였다.
- 또한, 인발시험을 종료한 후 모형토조와 지반을 굴착하여 해체하고 밀봉패커 형상을 실측한 결과 밀봉패커의 당초 설치 길이보다 최대 11cm 정도 경화 길이가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 패커를 기준으로 횡방향(직경방향)으로 최대 2cm 경화부분이 증가한 것을 확인하였다.
- 또한, 인발시험을 종료한 후 모형토조와 지반을 굴착하여 해체하고 밀봉패커 형상을 실측한 결과 밀봉패커의 당초 설치 길이보다 최대 11cm 정도 경화 길이가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 패커를 기준으로 횡방향(직경방향)으로 최대 2cm 경화부분이 증가한 것을 확인하였다. 그러므로 밀봉 패커의 해체 시에 발포 후 부착된 경화부분이 일부 떨어져나간 길이도 있으므로 실제 밀봉패커의 규모(직경, 길이)보다 발포 및 경화 부분이 증가하므로 밀봉효과와 차수효과가 발휘될 것으로 간접적으로 판단할 수 있을 것이다.
- 2는 배합 후 경화시간(발포시간)을 나타내고 있으며 Table 1은 강도, 팽창율, 발포시간을 고려한 최적의 배합비 한 예이다. 시멘트의 양이 증가할수록 발포시점은 느려지나, 발포 완료시점은 빨라지는 경향을 나타내었고 시멘트 양이 증가할수록 우레탄의 팽창률이 300% 이하로 저하되며, 경화 후 우레탄액이 남아있는 것을 확인하였다. 강도, 팽창률(평균 374.
- 경화속도의 기준은 밀봉 패커의 우레탄이 충분히 발포하는 시간을 비교하였으며 공기 중과 수중에서 반복 시험하였다. 시험결과 공기 중보다 수중에서 1.5배 지연되는 것으로 파악되었다. 일반적으로 지반조건은 수중보다는 공기 중에서 지하수가 포함된 상태로 밀봉패커가 시공되므로 배수층을 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 9에서 패커재하시험 시 실제 시공 시에 적용될 수 있는 무게(실험실에서 재하할 수 있는 값으로 실제 시공 시 철근 길이와 무게, 그라우팅 무게를 고려)의 5배 이상을 고려하여 혼화재의 강도를 예측할 수 있도록 하였다. 실험 결과에 따르면 실제 시공 시 천공경 내 그라우팅 무게와 철근의 무게를 고려하더라도 금회 개발한 밀봉패커가 설치된 후 철근이 견딜 수 있는 무게는 70kg 이상 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 인발시험 결과 시공 시 그라우팅재 대신 모래층을 형성하여 천공 시 밀봉 패커만큼의 그라우팅재가 감소 설치되고 중간 모래층을 설치하였음에도 불구하고 밀봉패커 설치된 상태에서의 인발시험 시 충분한 인발강도를 유지하는 것으로 판단된다. 이는 그라우팅재가 일부 감소되더라도 경화 후 밀봉패커부분의 우레탄 잔류응력이 남아있어서 충분한 강도를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 천공 후 패커를 설치한 상태에서 철근 인발시험을 13회 실시하였다. 인발시험결과 하중-변위관계를 살펴보았을 때 적정한 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 06kg/cm2로 계산되었다. 인발시험으로 구한 금회 개발한 밀봉패커의 주변마찰에 따른 저항력은 22.12kg/cm2까지 확보되는 것으로 나타나 현장 천공경 내의 그라우팅 및 철근의 무게로 패커에 미치는 마찰력를 충분히 견디는 것으로 나타났다.
- 인발응력은 최대 582.72kg/cm2까지 발휘되었으며 개발한 밀봉패커의 주변마찰에 따른 저항력은 22,012kg/cm2까지 확보되는 것으로 나타났다. 이 값은 록볼트와 충전재가 파괴되지 않은 상태이므로 라이너스크류가 파괴되지 않았다면 더 큰 값을 얻을 수도 있을 것이다.
후속연구
- 72kg/cm2까지 발휘되었으며 개발한 밀봉패커의 주변마찰에 따른 저항력은 22,012kg/cm2까지 확보되는 것으로 나타났다. 이 값은 록볼트와 충전재가 파괴되지 않은 상태이므로 라이너스크류가 파괴되지 않았다면 더 큰 값을 얻을 수도 있을 것이다. 금회 개발된 밀봉 패커가 설치되는 경우 패커의 부착력은 원형토조 벽면의 마찰력과 록볼트와 콘크리트의 부착력을 합한 값 이상으로 발휘되는 것을 확인할 수 있었다.
- 록볼트에 대한 연구는 주로 정착방법이나 록볼트 소재 및 재료적인 측면에 대한 연구가 대부분으로 터널과 같이 록볼트를 비교적 상향으로 시공하므로 그라우팅 충전재가 흘러내리는 방법에 대한 연구는 매우 적다. 이로 인하여 경제적, 시공적인 손실이 발생하고 있으며 터널 이외 사면보강분야는 록볼트를 하향으로 시공하므로 그라우팅이 역류하지 않아 본 연구와 같은 기술개발의 필요성이 적었다.
- 10ton의 하중이 작용된 후에는 라이너스크류가 균열이 다수 발생하여 수회 재인발시험을 실시하였으나 더 이상의 하중을 재하할 수 없었으며 록볼트와 충전재가 파괴되지 않은 상태이었다. 향후 현장적용 시에는 그라우팅 충전재의 인성 증대로 인해 대변형 발생 시에도 상당한 인발내력의 확보가 가능할 수 있을 것으로 판단되므로 불리한 지반조건에도 적용이 가능할 것이다.
- 또한, 흘러내림 방지용 캡을 이용하여 유동성 모르타르가 새어 나오지 않도록 하는 록볼트 시공기술도 연구되었으나(이두화, 1998) 본 논문과 같이 빠른 시간 내에 경화하고 밀봉시키는 장치인 패커를 개발하는 기술은 아직까지 이루어지지 않은 실정이었다. 현장에서의 적용성은 설치 후 빠른 시간안에 경화하고 사용하기 편한 밀봉장치가 필요할 것으로 판단된다.
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