[논문]GFRP 록볼트 계측을 통한 사면 거동 분석

김기환; 임현택; 타망 비벡; 장석현; 김용성

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.011

초록
AI-Helper

국내 외에서 사면 붕괴 조기 경보를 위한 모니터링 및 자동측정기에 대한 많은 연구가 있지만 대부분 사면 붕괴 측정기가 사면의 표층에 설치되어 있어 사면의 붕괴 등 재난이 발생되기 전에 감지 및 경보가 가능한 시스템에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 본 연구에서는 록볼트에 센서를 부착하여 사면 붕괴 모의 실험을 수행하였고, 사면 붕괴 초기에 발생하는 사면 거동 특성을 분석하였다. 또한, 숏크리트를 타설한 사면과 자연사면, GFRP와 나선형 철근 록볼트를 사용하여 사면 조건 및 재료 조건에 따른 실험을 수행하고 결과를 비교 검토하였다. 본 연구는 급경사지 및 산사태 위험 지역 등 사면 붕괴 발생 전 조기 감지 및 경보를 통하여 사전에 대피할 수 있는 예 경보시스템 개발 시 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although many researches related to monitoring and automatic measuring devices for early warning system during slope failure have been carried out in Korea and aboard, most of the researches have installed measuring devices on the slope surface, and there are only few researches about warning system...

Although many researches related to monitoring and automatic measuring devices for early warning system during slope failure have been carried out in Korea and aboard, most of the researches have installed measuring devices on the slope surface, and there are only few researches about warning systems that can detect and warn before slope failure and disaster occurs. In this study, slope failure simulation experiment was performed by attaching sensors to rock bolts, and initial slope behavior characteristics during slope failure were analyzed. Also, the experiment results were compared and reviewed with varied slope conditions, i.e. shotcrete slope and natural slope, and varied material conditions, i.e. GFRP and steel rock bolt. This study can be used as a basic data in development of warning and alarm system for early evacuation through early detection and warning before slope failure occurs in steep slopes and slope failure vulnerable areas.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Construction of model slope
그림 Fig. 2. Cross section view of model slope
그림 Fig. 3. GFRP strain sensor
그림 Fig. 4. Steel bar strain sensor
표 Table 1. Product specification
그림 Fig. 5. Schematic diagram of strain sensor
그림 Fig. 6. Sensor displacement measuring
그림 Fig. 7. Calibration of strain sensor (GFRP)
그림 Fig. 8. Calibration of strain sensor (Steel)
그림 Fig. 9. Schematic view of sensor installment
그림 Fig. 11. Sensor drilled into the model slope
그림 Fig. 10. Data logging system
그림 Fig. 12. Shotcrete spraying
그림 Fig. 14. Cross section showing stepwise excavation process
그림 Fig. 13. End of shotcrete spray
그림 Fig. 15. Excavating model slope
그림 Fig. 16. Excavating model slope (Case 1-1)
그림 Fig. 18. Excavating model slope (Case 2-1)
그림 Fig. 20. All GFRP displacement data during 3.0 m height excavation
그림 Fig. 17. Excavating model slope (Case 1-2)
그림 Fig. 19. Excavating model slope (Case 2-2)
그림 Fig. 21. All GFRP displacement data during 4.0 m height excavation
그림 Fig. 22. All steel bar displacement data during 3.0 m height excavation
그림 Fig. 23. All steel bar displacement data during 4.0 m height excavation

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

23에서 숏크리트를 타설한 사면에서의 계측 결과에서 사면 굴착 시 숏크리트가 일체화 거동하여 록볼트 센서에서 변위가 암반 버럭으로 성토한 사면에서 계측된 기록보다 크게 계측되는 경향이 나타났다. 본 연구 에서는 록볼트 센서의 계측 성능을 검증하고자 하였으며 록볼트 센서가 사면의 초기 거동 및 붕괴에 이르기까지의 거동을 적절히 계측할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서를 이용하여 사면 붕괴 실험을 수행하였으며 붕괴 초기에 발생하는 사면의 거동 특성에 분석하고 암반사면 에서의 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서의 활용 가능성에 대해 고찰하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과물은 건설공사 및 급경사지, 붕괴 위험 지역 등의 유 지관리 시 사면 붕괴나 산사태 발생 전에 사전 대피할 수 있는 예·경보시스템 개발 시 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서를 이용하여 사면 붕괴 실험을 수행하였으며 붕괴 초기에 발생하는 사면의 거동 특성을 분석하고 암반사면 에서의 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서의 활용 가능성에 대해 고찰하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

록볼트 센서의 성능을 검증하기 위해서는 암반사면에 록볼트 센서 설치 후 붕괴 실험을 통해 검증하는 것이 타당하나 실제 암반사면을 붕괴시킬 수 있는 현장을 찾기에 는 쉽지 않은 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서는 터널 현장에서 반출한 버럭이 쌓여진 현장에서 센서 계측용 사면 붕괴 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 GFRP과 나선형 철근형 록볼트 등 두가지 종류의 변위타입 센서를 제작하였으며, 각 장치의 변위 -변형률 응답을 검정하였다. 오른쪽 끝에서 1/4길이의 위치를 고정단으로 하고, 자유단에 하중을 가하여 변위를 측정하는 방식으로 캔틸레버보 조건과 같은 검정방법을 사용하였으며, 하중 부여에 의해 발생하는 변형과 응답변형률을 측정하였다(Fig.
우선, 75mm 암반 버럭을 성토하여 모형사면을 축조하고 록볼트 센서를 매설한 후 굴착하여 사면을 붕괴시키는 실험을 수행하였다.
제체 상단에서 1.5m 깊이의 사면을 파고, GFRP 및 나선형 철근 록볼트 센서를 상부면에서 1.5m 간격으로 좌우 측으로 등거리 배치하였으며 약 20mm 두께로 모래를 쌓고 그 위에 록볼트 센서를 설치하였다(Fig. 11 참조).

대상 데이터

19는 8m 높이의 성토사면(Case 2)에서 굴착 깊이가 각각 3m(Case 2-1)와 4m(Case 2-2)인 모형사 면의 굴착실험 중 및 실험 후 전경을 나타낸다. GFRP 록 볼트 센서 1개와 나선형 철근 록볼트 센서 1개 등 총 2개 를 설치하고 사면의 붕괴에 따른 계측 기록을 수집하여 분석하였다. Fig.
숏크리트는 10cm 두께로 타설되었다. GFRP 록볼트 센서 3개와 나선형 철근 록볼트 센서 3개 등 총 6개를 설치하고 사면의 붕괴에 따른 계측 기록을 수집하여 분석하였다.
또한 가소성 및 성형 수축이 적고, 경량이며, 시공이 간편하다. 나선형 철근형 록볼트는 시중에서 판매하는 록볼트를 구입하여 활용하였다.
본 연구에서 사용한 록볼트 센서는 각각 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)와 나선형 철근을 기본으로 하여 제작하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 GFRP 재료는 몸체와 보강재를 포함하는 유기 비금속 및 무기 비금속 복합체로 구성된 플라스틱 베이스 복합 재료로서 전기 절연성과 접착성이 우수하고, 기계적 강도 및 내열성 또한 우수하다.
외경 25mm, 길이 3,000mm의 록볼트를 1/4 등분하여 재료표면에 길이 100mm, 폭 10mm 정도의 직사각형 영역에 센서 부착을 위해 매끄럽게 연마한 후, 센서를 직선으 로 설치하고 절연 테이프로 권선을 반복하여 센서 보호, 방수 및 절연이 되도록 부착하였다. 록볼트 센서의 외부는 사면 매설 시 센서의 와이어와 케이블의 파단을 막기 위하여 센서 부착 후 코팅제로 처리하였다(Fig.

데이터처리

본 연구에서는 GFRP과 나선형 철근형 록볼트 등 두가지 종류의 변위타입 센서를 제작하였으며, 각 장치의 변위 -변형률 응답을 검정하였다. 오른쪽 끝에서 1/4길이의 위치를 고정단으로 하고, 자유단에 하중을 가하여 변위를 측정하는 방식으로 캔틸레버보 조건과 같은 검정방법을 사용하였으며, 하중 부여에 의해 발생하는 변형과 응답변형률을 측정하였다(Fig. 6).

이론/모형

사면의 숏크리트 공법은 토사 또는 풍화된 암반 비탈면에 풍화 및 유실 등의 진행성 작용을 막기 위해 시멘트 혼합 재료를 뿜어 붙여 표면의 강도를 증가 시키는 방법이 나 본 연구에서는 버럭 성토체를 암반사면에 좀 더 가깝게 모사하기 위해 사면에 숏크리트 공법을 적용하였다(Fig. 12∼Fig. 13 참조).

성능/효과

(1) 숏크리트를 타설한 사면에서의 계측 결과에서 사면 굴착 시 숏크리트가 일체화 거동하여 록볼트 센서에서 변위가 암반 버럭으로 성토한 사면에서 계측된 기록보다 크게 계측되는 경향이 나타났으며 록볼트 센서가 사면의 초기 거동 및 붕괴에 이르기까지의 거동을 적절히 계측할 수 있음을 확인하였다.
(2) 현장실험 계측결과, 3m 굴착 시 GFRP 록볼트 센서의 경우 3mm∼203mm 정도의 변위가 발생하였으며 나 선형 철근형 록볼트 센서는 1.2mm~42mm 정도, 4m 굴착 시 GFRP 록볼트 센서는 313mm∼530mm, 나선형 철근 록볼트 센서는 140mm∼310mm의 변위를 나타내었고, 급가속적으로 증가 후 파괴되는 것으로 계측되어 GFRP 록볼트 센서 및 나선형 철근형 록볼트 센서는 암반사면 붕괴 예측 시 록볼트 센서로서의 활용이 가능할 것으로 사료된다.
(3) GFRP 록볼트 센서의 경우 나선형 철근 록볼트 센서보다 동일한 조건에서의 변위 감지 성능이 높은 것으 로 나타나 재질적인 측면으로는 GFRP 록볼트 센서가 사면 예･경보시스템 구축에 나선형 철근 록볼트 센서보다 유리할 것으로 사료된다.
GFRP 록볼트 센서와 같이 굴착2단계 굴착이 진행된 시작 시각이 3750초이므로 이를 기준으로 살펴보면 3m 굴착 후 시간이 일정 정도 경과하여 4m 굴착 전의 초기치 변위 값이 Case 1-4-1부터 순서대로 각각 310mm, 50mm, 55mm, 71mm 등으로 나타났으며, 4m 굴착을 진행하고 3분 정도 경과 후 암반 버럭으로 성토한 사면에 매설된 나 선형 철근 록볼트 센서에서 80mm의 변위를 기록하고 급격히 감소하는 양상을 나타내 사면이 붕괴된 것으로 판단 된다. 숏크리트 사면에서는 약 4분 정도 경과 후부터 변위가 크게 나타나기 시작하여 Case 1-4-2(Steel bar)와 Case 1-4-3(Steel bar)의 최대변위는 각각 190mm와 140mm를 기록하였으며 Case 1-4-1(Steel bar)는 1000mm가 넘는 변위를 나타냈다.
특히 GFRP 록볼트 센서의 경우 나선형 철근 록볼트 센서 보다 동일한 조건에서의 변위 감지 성능이 높은 것으로 나타나 재질적인 측면으로는 GFRP 록볼트 센서가 사면 예·경보시스템 구축에 나선형 철근 록볼트 센서 보다 유리할 것으로 사료된다.

후속연구

급경사지 안정을 위해 시공되는 록볼트는 설치 후에 대부분이 그대 로 존치되나, 지진이나 집중호우 등으로 인해 지반 시설물의 붕괴 위험이 있는 경우, 이를 알 수가 없다는 문제점이 있다. 따라서 록볼트 설치 시, 변위 센서와 사물 인터넷을 통해 직접 서버나 관리자의 스마트폰으로 계측 값 및 위험 상태 정보를 실시간으로 제공하는 록볼트 시스템이 개발된다면 절취사면 및 터널 등 암반사면의 안정적 유지관리에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
또한 하중부가에 따른 록볼트 자유단의 변형에 따른 응답변형률이 비교적 명확하게 판별되어, 지반 변형거동의 분석에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 본 검정결과에서 는 록볼트의 변위에 따른 응답 변형률이 각각 다소 상이함이 확인되었다.
본 연구에서는 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서를 이용하여 사면 붕괴 실험을 수행하였으며 붕괴 초기에 발생하는 사면의 거동 특성에 분석하고 암반사면 에서의 GFRP 록볼트 센서와 나선형 철근 록볼트 센서의 활용 가능성에 대해 고찰하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과물은 건설공사 및 급경사지, 붕괴 위험 지역 등의 유 지관리 시 사면 붕괴나 산사태 발생 전에 사전 대피할 수 있는 예·경보시스템 개발 시 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.
향후 지속적인 연구가 진행되어 암반사면 붕괴에 대한 사전예측 분석의 명확한 기법 확립이 필요하며, 그 결과는 암반사면 계측관리기준 등의 기초자료로 활용 가능하고, 암반사면 붕괴 등의 재해로 발생하는 재산 및 인명피해에 대한 경감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	록볼트 설치 시 생길 수 있는 문제점은?	현재 절취사면, 터널 등의 시공 시에 암반층에 록볼트를 삽입하여 암반 약화로 인한 붕괴를 예방하고 있으나, 록볼트를 삽입한 암반이라고 하더라도 지진, 공사의 부실, 시 간 경과에 따른 자연 풍화 등 다양한 원인으로 지반이 활동하여 붕괴가 발생할 수 있는 위험성이 있다. 급경사지 안정을 위해 시공되는 록볼트는 설치 후에 대부분이 그대 로 존치되나, 지진이나 집중호우 등으로 인해 지반 시설물의 붕괴 위험이 있는 경우, 이를 알 수가 없다는 문제점이 있다. 따라서 록볼트 설치 시, 변위 센서와 사물 인터넷을 통해 직접 서버나 관리자의 스마트폰으로 계측 값 및 위험 상태 정보를 실시간으로 제공하는 록볼트 시스템이 개발된다면 절취사면 및 터널 등 암반사면의 안정적 유지관리에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
	숏크리트 공법이란?	사면의 숏크리트 공법은 토사 또는 풍화된 암반 비탈면에 풍화 및 유실 등의 진행성 작용을 막기 위해 시멘트 혼합 재료를 뿜어 붙여 표면의 강도를 증가 시키는 방법이 나 본 연구에서는 버럭 성토체를 암반사면에 좀 더 가깝게 모사하기 위해 사면에 숏크리트 공법을 적용하였다(Fig. 12∼Fig.
	급경사지 안정을 위해 어떠한 방향으로 시스템이 개발되면 좋은가?	급경사지 안정을 위해 시공되는 록볼트는 설치 후에 대부분이 그대 로 존치되나, 지진이나 집중호우 등으로 인해 지반 시설물의 붕괴 위험이 있는 경우, 이를 알 수가 없다는 문제점이 있다. 따라서 록볼트 설치 시, 변위 센서와 사물 인터넷을 통해 직접 서버나 관리자의 스마트폰으로 계측 값 및 위험 상태 정보를 실시간으로 제공하는 록볼트 시스템이 개발된다면 절취사면 및 터널 등 암반사면의 안정적 유지관리에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

참고문헌 (13)

Biron, C. and Arioglu, E. (1983), Design of Supports in Mines, Ed. John Wiley & Sons, p.248.
Bischoff, J. A. and Smart, J. D. (1975), A method of computing a rock reinforcement system which is structurally equivalent to an internal support system, 16th Symposium on Rock Mechanics, Minneapolis, Minnesota, pp.179-184.
Cho, S. D., Lee, K. W., Yoon, S. H. and Kim, C. S. (2004), Development of automated slope monitoring system for management and failure forecast of load cut slopes, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.24, No.1C, pp.1-10 (In Korean).
Cording, E. J. and Deere, D. U. (1972), Rock tunnel supports and field measurements, Proceedings Vol. I, North American Rapid Excavation and Tunneling Conference, Chicago, pp.601-622.
Hyett, A. J., Bawden, W. R., Hedrick, N. and Blackall, J. (1996), A laboratory evaluation of the 25 mm Garford bulb anchor for cable bolt reinforcement, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 33, No. 4, pp.172.
Jeffrey, R. G. and Daeman, J. K. (1983), Analysis of rockbolt reinforcement of layered rock using beam equations, Proc. of the Int. Sym. on Rock Bolting, Abisko, pp.173-185.
Kim, J. S. (2013), A study on the construction of monitoring system based on USN for prediction of landslide collapse, Ph.D Thesis, Kangwon National University. (In Korean)
Kim, S. H. and Bang, G. M. (2005), A Study on the change of strength parameters reinforced rock bolt in the ground around tunnel, Tunnelling technology, Journal of the Korean Tunnel Engineering, Vol.7, No.1, pp. 51-61. (In Korean)
Li, C. and Stillborg, B. (1999,) Analytical models for rock bolts, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 36, pp.1013-1029.

상세보기
Moon, W. J., Im, H. D., Jung, K. B., Kim, J. S. and Lee, S. D. (2005), Supporting effects of system bolting at the tunnel in sandy ground, Proc. of Korean Society of Civil Engineers, pp.5555-5558. (In Korean)
Natau, O. and Wullshlager, D. (1983), Studies of the composite system of rock mass and non-prestressed grouted rock bolts, Proc. of the Int. Sym. on Rock Bolting, Abisoko, pp.75-85.
Shin, J. H. and Song, B. H. (2012), Development of slope monitoring system using VW Piezometer and Inclinometer, Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol.10, No.3, pp.37-45. (In Korean)
Villasecaus, E. (2008), Quantifying the performance of resin anchored rock bolts in the Austrailian underground hard rock mining industry, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol.45, pp.94-102.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

GFRP 록볼트 계측을 통한 사면 거동 분석
Slope Behavior Analysis Using the Measurement of GFRP Underground Displacement 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (24)

표/그림 (24)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

GFRP 록볼트 계측을 통한 사면 거동 분석 Slope Behavior Analysis Using the Measurement of GFRP Underground Displacement 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (24) 모든 표/그림 보기

표/그림 (24) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김기환 (2) 임현택 (16) 타망 비벡 (1) 김용성 (85)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

GFRP 록볼트 계측을 통한 사면 거동 분석
Slope Behavior Analysis Using the Measurement of GFRP Underground Displacement 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (24)

표/그림 (24)

AI 본문요약
AI-Helper