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문제 정의
- 따라서 이러한 문제점을 개선하면서 록볼트의 시공 품질확인 및 확보기술 개발에 대하여 현장에서의 사용이 간편하고 신뢰성이 높은 새로운 비파괴조사(non-destructive testing) 시스템을 개발, 활용하기 위해 본 연구를 수행하였다. 본 논문의 주요내용은 서론에 이어서 우선 터널구조물에 대한 안전진단과 비파괴조사기법에 대한 국내외 기술현황을 조사하였고, 유도파의 전달특성과 그 이론적 고찰, 분산성분석, 실내시험 및 분석결과, 그리고 마지막으로 토의 및 결론으로 구성하였다.
제안 방법
- 본 록볼트그라우팅 시스템의 비파괴시험에서 사용될 파에 대하여 보다 적절한 파의 선정, 감쇠정도의 파악 및 사용주파수대역의 선택을 위하여 영국의 Imperial College에서 개발한 “DISPERSE" 라는 프로그램을 사용하여 유도파의 분산성을 분석하였다.
- 록볼트 건전도 평가에서 그라우팅의 강도는 록볼트와 주변지반간의 부착력과 밀접한 관계가 있으며, 보통 강도가 클수록(탄성계수가 클수록) 부착력이 크다. 그러므로 그라우팅강 도에 따른 발생신호파의 특성 분석을 위하여 배합비를 다르게 함으로써 시험체의 강도변화를 주었다. 또한, 공동 결함에 따른 파특성 분석을 위해 철근 연장 50% 이상의 무작위 (random) 공동결함을 모사하여 시험을 하였고, 배합비에 따른 Impact-echo시험결과는 그림 9와 같다.
- 비파괴조사시 사용수단인 유도파(guided wave)에 대한 이해를 돕고, 유도파 분산성분석과 타당한 적용을 위하여 유도파에 대한 기본이론을 전개하였고 분산성 및 분산선도의 의미를 고찰하였다. 또한 유도파이론에 근거한 분산성해석 프로그램을 이용하여 록볼트그라우팅 구조체를 모델링한 후, 수치해석적인 방법에 의하여 조건별 분산성분석을 수행하였고, 수치 해석결과와 실제 실내·외 시험과 연계하여 보다 타당한 조사기법과 구성장비를 선정하기 위하여 록볼트그라우팅이나 주변암반 강성조건별로 민감도분석 수행과 그 영향을 검토하였다.
- 따라서 이러한 문제점을 개선하면서 록볼트의 시공 품질확인 및 확보기술 개발에 대하여 현장에서의 사용이 간편하고 신뢰성이 높은 새로운 비파괴조사(non-destructive testing) 시스템을 개발, 활용하기 위해 본 연구를 수행하였다. 본 논문의 주요내용은 서론에 이어서 우선 터널구조물에 대한 안전진단과 비파괴조사기법에 대한 국내외 기술현황을 조사하였고, 유도파의 전달특성과 그 이론적 고찰, 분산성분석, 실내시험 및 분석결과, 그리고 마지막으로 토의 및 결론으로 구성하였다.
- 비파괴조사시 사용수단인 유도파(guided wave)에 대한 이해를 돕고, 유도파 분산성분석과 타당한 적용을 위하여 유도파에 대한 기본이론을 전개하였고 분산성 및 분산선도의 의미를 고찰하였다. 또한 유도파이론에 근거한 분산성해석 프로그램을 이용하여 록볼트그라우팅 구조체를 모델링한 후, 수치해석적인 방법에 의하여 조건별 분산성분석을 수행하였고, 수치 해석결과와 실제 실내·외 시험과 연계하여 보다 타당한 조사기법과 구성장비를 선정하기 위하여 록볼트그라우팅이나 주변암반 강성조건별로 민감도분석 수행과 그 영향을 검토하였다.
- 시험은 광대역 주파수를 갖는 감지기(accelerometer)를 에폭시(epoxy)를 이용해서 철근 두부 표면에 부착시켜 Hammer로 충격하중을 가하였고, 발생한 진동을 감지하여 획득한 신호를 동적 신호 분석기(dynamic signal analyzer)를 통해 저장하고 분석하였다. 실내시험의 전체적인 전경은 그림 7과 같다.
- 유도파와 파전달에 따른 분산성에 대한 이해와 타당한 적용을 위하여 파(wave)의 기본이론을 고찰하였다. 프로그램을 이용하여 해석조건별 민감도 분석과 분산성 검토를 하였으며, 검토결과 주변암반의 영향이 작고 시험목적에 적합한 파의 Mode는 L(0,1)으로써 적정 주파수 대역은 대략 20 kHz～110 kHz의 저주파수 대역일 것으로 나타났다.
- 비파괴조사장치는 탐사대상인 피검체, Triggering과 수진을 함께 할 수 있는 1개의 감지 기(accelerometer), 신호파 수신 및 처리장치인 Digitizer, 장비제어시스템(software 및 PC)으로 구성된다. 장비제어와 신호수집 및 처리를 위하여 NI(National Instrument)사에서 개발한 LabView 프로그램을 이용하였고, 이산신호처리(discrete signal processing)를 위하여 적절한 Sampling rate 선정, Noise처리와 필요시 High-pass 등의 필터링을 하였다.
- 주변암반의 강성과 그라우팅의 두께 및 강성변화에 따른 주파수대비 감쇠특성에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 그 결과는 그림 6과 같다.
대상 데이터
- 시험에 사용된 가진방법은 강철구를 이용한 구경별 Hammer, Pointed hammer, 진자운동 Pointed rod, 6mm 플라스틱 구슬을 발사 가진 할 수 있는 Gun을 사용하였다. 시험결과, Hammer에 의한 가진파는 가능한한 Frequency는 크고 Amplitude가 작은 파(wave)일수록 반사 수진된 신호파의 결과가 뚜렷하였으며, 그 적용성이 좋은 것으로 나타났다.
- 시험에 사용된 시험체는 공동결함의 유무와 위치, 그라우팅의 강도에 따라 구분하여 제작하였고, 시험에 사용된 그라우팅의 물성은 표 2와 같고 시험체별 형상을 각각 표 3 및 그림 8에 나타내었다.
- 해석을 위한 록볼트 시스템에 대한 모델링은 다음 그림 3과 같이, 주변지반을 모사한 암반층, 시멘트 모르타르 그라우팅피복, 그리고 철근 강봉 총 3개의 층으로 적용하였으며, 구성층의 해석물성은 표 1과 같다.
이론/모형
- 시험결과, Hammer에 의한 가진파는 가능한한 Frequency는 크고 Amplitude가 작은 파(wave)일수록 반사 수진된 신호파의 결과가 뚜렷하였으며, 그 적용성이 좋은 것으로 나타났다. 따라서, Hammer를 이용한 Impact-echo 시험 방법에서 진자운동 Pointed rod를 가진원으로 선정하였다.
- 록볼트에 대한 비파괴조사 시험은 록볼트의 지중근입 조건을 고려하여 반사파를 이용한 Impact-echo 방법을 사용하였고, 적용 가진원은 Hammer타격에 의한 탄성파를 이용하였다.
성능/효과
- 철근만의 시험 결과를 보면 시간이 지남에 따라 감쇠가 나타나기는 하나 그라우팅피복이 되어 있는 시험체에 비하여 감쇠의 정도가 상대적으로 작게 나타났다. 그림 9의 (b)와 (c) 또는 (d)와 (e)의 결과를 보면 고강도일수록 감쇠정도가 크고, 공동결함부 상태에 따른 시험 결과는 무작위 공동결함부 시험체의 경우가 강도변화에 의한 경우보다 뚜렷하게 감쇠가 큰것으로 나타났다. 이는 시험체 공동부가 균질하지 않게 분포하는 경우로써 파전달시 Leaking외에 반사와 굴절 등으로 인하여 상대적으로 감쇠가 커진 것으로 예상된다.
- 그림 10 (a)는 철근만의 시험결과이며 발생 파가 일정하게 감쇠하고 있고, 다른 그라우팅 피복 시험체의 경우 철근만 있는 경우에 비하여 감쇠가 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 그라우팅피복강도에 따른 감쇠결과에서는 그 차이가 작으나 고강도 시험체가 저강도 시험체 보다 감쇠가 크게 나타났다. 이는 그라우팅강도가 증가함에 따라 Leaking현상이 커져 감쇠가 크게 나타나는 것으로 예상된다.
- 그림 6에 나타낸 바와 같이 분산성 분석결과, 비파괴조사시험에 적절한 파의 Mode는 L(0,1) 으로서, 약 20 kHz 의 주파수대역이 주변암반의 강성변화에 큰 영향이 없을 것으로 나타났으나, 그림 5의 결과에 의하면 감쇠정도가 가장 작고 에너지속도가 커서 파전달 거리가 가장 클 것으로 예상되는 주파수 대역은 약 50 kHz내외일 것으로 예상할 수 있다. 그리고 대략 20～110 kHz영역의 주파수대역에서의 전반적으로 감쇠치가 약 50±25 dB/m 값의 비교적 일정한 값을 나타내었다.
- 이는 그라우팅강도가 증가함에 따라 에너지손실(또는 leaking) 현상이 커져 감쇠가 크게 나타난 것으로 판단된다. 또한, 시험체가 그라우팅으로 피복되어 있을 경우, 공동결함부 시험체의 경우가 다른 무결함시험체 경우보다 반사파의 감쇠가 크게 나타났다. 이는 공동결함부의 분포에 의하여 파전달시 Leaking외에 반사, 굴절현상 등이 발생하여 상대적으로 감쇠효과가 보다 크게 나타난 것으로 예상된다.
- 본 연구의 중요한 결과로써 가진된 입력파에 대하여 그라우팅의 경연정도, 특히 결함부의 분포정도에 따라 파특성의 변화가 뚜렷하게 있었고 감쇠특성변화 등을 해석적 및 실험적 결과를 통하여 파악할 수 있었다.
- 시험에 사용된 가진방법은 강철구를 이용한 구경별 Hammer, Pointed hammer, 진자운동 Pointed rod, 6mm 플라스틱 구슬을 발사 가진 할 수 있는 Gun을 사용하였다. 시험결과, Hammer에 의한 가진파는 가능한한 Frequency는 크고 Amplitude가 작은 파(wave)일수록 반사 수진된 신호파의 결과가 뚜렷하였으며, 그 적용성이 좋은 것으로 나타났다. 따라서, Hammer를 이용한 Impact-echo 시험 방법에서 진자운동 Pointed rod를 가진원으로 선정하였다.
- 파감쇠특성은 주변매질의 음향학적 임피던스의 차이가 작을수록 커지는 것이 일반적이며, 이는 록볼트철근 주변의 매질이 단단함을 의미한다. 시험결과에서도 고강도 그라우팅 시험체의 진폭감쇠가 저강도 그라우팅 시험체 경우보다 크게 나타났음을 알 수 있었다. 이는 그라우팅강도가 증가함에 따라 에너지손실(또는 leaking) 현상이 커져 감쇠가 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 자유구속 조건에서 그라우팅피복을 하지 않은 강봉(철근)에 가진된 발생파는 파전달 에너지가 크고, 감쇠특성이 작은 것으로 나타났고, 그 반면에 그라우팅피복을 한 강봉의 경우는 그라우팅 피복을 하지 않은 경우에 비하여 에너지손실(leaking)에 의한 감쇠가 상대적으로 크게 나타나 피검체내에서 보다 멀리 파가 전달되지 못할 것으로 예상된다.
- 자유구속상태의 그라우팅 피복상태의 분산성 분석결과는 다음 그림 4와 같다. 주파수 0.1MHz 이하의 저주파 대역에서 에너지감쇠가 가장 작은 것으로 나타났으며, 특히 약 40kHz 주파수에서 에너지속도가 최대값을 보이고 있다.
- 유도파와 파전달에 따른 분산성에 대한 이해와 타당한 적용을 위하여 파(wave)의 기본이론을 고찰하였다. 프로그램을 이용하여 해석조건별 민감도 분석과 분산성 검토를 하였으며, 검토결과 주변암반의 영향이 작고 시험목적에 적합한 파의 Mode는 L(0,1)으로써 적정 주파수 대역은 대략 20 kHz～110 kHz의 저주파수 대역일 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나, 인발시험을 수행하지 않은 록볼트, 특히 전면접착형 록볼트의 그라우팅이 불량 시공되었을 경우, 이에 대한 확인 및 대책수립이 불가능한 실정이다. 더욱이 록볼트 시공품질이 확보되지 않았을 때, 단기적으로는 시공 중 터널붕락사고를, 장기적으로는 터널주변지반이 이완되어 추가적인 장기하중이 유발됨으로써 구조물안전성에 악영향을 미칠 수 있다는 점을 감안하면 시공중의 록볼트의 품질 확보·확인 방안 개발이 필수적인 과제라 할 수 있다.
- 이러한 연구결과는 터널구조물의 주지보재중의 하나인 록볼트에 대하여 시공품질 즉, 시공전후의 구조물안정성과 내구성 확보를 위한 비파괴조사기법 활용의 기초적인 성과로써, 보다 구체적인 록볼트그라우팅 건전도에 따른 평가나 평가규준의 설정 등에 대한 2차적인 후속연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다. 이를 위하여 타격에 의한 탄성파 외에 초음파 (ultrasonic wave) 등의 적합성에 대한 연구가 심화되어야 하고, 또한 보다 타당한 적합한 주파수의 선택, 장비의 구성 및 실내외시험과 연계함으로써 종합적이고 실용적인 연구개발이 지속되어야 할 것이다.
- 이러한 연구결과는 터널구조물의 주지보재중의 하나인 록볼트에 대하여 시공품질 즉, 시공전후의 구조물안정성과 내구성 확보를 위한 비파괴조사기법 활용의 기초적인 성과로써, 보다 구체적인 록볼트그라우팅 건전도에 따른 평가나 평가규준의 설정 등에 대한 2차적인 후속연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다. 이를 위하여 타격에 의한 탄성파 외에 초음파 (ultrasonic wave) 등의 적합성에 대한 연구가 심화되어야 하고, 또한 보다 타당한 적합한 주파수의 선택, 장비의 구성 및 실내외시험과 연계함으로써 종합적이고 실용적인 연구개발이 지속되어야 할 것이다.
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