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문제 정의
- 현재까지 국내에서 시공된 사례가 없기 때문에 설계기준도 확실하게 명시되지 않아 설계에 어려움이 있는 현실이다. 따라서 본 설계사례 연구를 통하여 구체적인 설계방법에 대해 소개하고자 한다.
가설 설정
- 지중정착식 앵커리지가 계획된 묘도측 지역은 노두암 관찰과 시추코아 조사결과 퇴적암인 사암에 화강반암이 불규칙적으로 관입된 상태로 챔버 주변은 암질이 좋은 반암이 존재한다. PHASE2를 통한 안정성 해석을 위해 조사결과를 반영하여 RQD와 RMR에 의한 암층을 구분하여 반영하였고, 불연속체 해석을 위한 절리(joint)와 사암의 층리(bedding)가 지표면까지 지속적으로 존재하는 것으로 가정한 연속체 해석을 수행하였다. 그림 7과 같이 스트랜드 긴장단계시 챔버측벽에 0.
제안 방법
- (1) 묘도-광양간 현수교 시점측 앵커리지 시공위치는 배산지형으로 기반암 출현심도가 얕고 기반암이 양호하며 앵커리지 시공시 육상조건으로 시공성이 우수하고 견고한 암반층의 지지기반을 충분히 활용하여 암굴착량을 최소화하여 환경 훼손이 적은 지중정착식 앵커리지를 적용하였다.
- (3) 지중정착식 앵커리지의 수치해석은 2, 3차원 연속체해석 및 불연속체해석을 통하여 안정성을 검증하였으며, 특히 불연속면을 고려한 수치해석시 강도저감계수 이용 및 하중-변위곡선 방법 등을 사용하여 활동쐐기에 대한 관용법 계산결과와 비교를 통해 앵커리지의 안정성을 검증하였다.
- (4) 암반의 장기거동에 대한 앵커리지의 Creep거동시 안정성을 검토하였으며, 장기적으로 지하수 및 해수의 유입에 의한 케이블 부식문제 해결을 위해 HDPE관을 설치하였고, 그 내외부에 시멘트 그라우팅을 시공하도록 설계하였다.
- 국내 현수교에서 현재까지 시공사례가 없는 지중정착식 앵커리지로 설계된 묘도-광양간 현수교의 설계사례를 통하여 구체적인 설계방법과 수치해석을 통한 전체계 안정성을 검증하였다. 본 설계를 통해 얻어진 결과는 다음 아래와 같다.
- 또한 주변암반의 절리를 통한 지하수와 해수의 유입 가능성이 존재하며 이로 인해 발생할 수 있는 케이블의 부식에 대한 장기적인 품질확보를 위해 금속 쉬스관 대신에 HDPE(High Density Poly Ethylen)관을 설치하고, 암반과 HDPE관 사이에 시멘트 그라우팅 및 HDPE관 내부의 추가 그라우팅을 계획하였다.
- 묘도-광양간 현수교의 시점측 앵커리지는 기본계획 당시 해상에 위치하여 원형 Cell식 가물막이에 의한 중력식 앵커리지로 설계되었다. 그러나 광양항을 지나는 초대형 컨테이너선박(18,000 TEU급)의 안전성을 위한 필요 항로폭을 만족시키기 위하여 현수교의 주경간장을 당초 1,100m에서 최소 1,300m 이상으로 연장하면서 앵커리지 위치도 변하게 되었다.
- 본 교량의 묘도측 앵커리지 시공위치는 배산지형으로 기반암 출현심도가 얕고 기반암이 양호하며 앵커리지 시공시 육상조건으로 시공성이 우수하고 견고한 암반층의 지지기반을 충분히 활용하여 암굴착량을 최소화하여 환경 훼손이 적은 지중정착식 앵커리지를 적용하였다.
- 수직구 주변 사면의 녹지훼손을 최소화하고 적절한 안정성을 확보하기 위해 수직구 진입부에 H-pile을 이용한 철근콘크리트 벽체구조물을 만든 후 NATM공법으로 약 30m 깊이의 수직구를 굴착한 후 수평방향으로 길이 63m의 챔버를 시공하는 계획을 수립하였다.
- 쐐기 파괴법에서 가정된 조건의 불확실성과 불연속면의 3차원 절리특성을 반영하기 위하여 다음과 같은 수치해석을 통해 지중정착식 앵커리지의 전체계 안정성을 검증하였다.
- 앵커리지 계획부지에 대해 지표지질조사, 공내영상촬영, 초음파 주사검층, 경사시추 및 각종 실내시험을 통해 기반암의 물리ㆍ화학적 및 공학적 특성을 분석한 후 관용적 방법으로 활동쐐기에 대한 안정성을 확인하였으며, 지층 및 암반특성을 반영한 연속체 및 불연속체 수치해석을 통하여 안정성을 검증하였다.
- 앵커리지가 위치하는 해안지역의 노두암을 관찰한 결과 퇴적암의 층리(Bedding)는 남쪽 또는 남서쪽으로 낮은각으로 내려가는 양상을 보이기도 하지만 퇴적층인 사암에 화성반암이 관입되어 일반 퇴적암 암반에 비해 암강도(UCS 50MPa ~ 200MPa)가 높고, 불연속면 방향성이 케이블 하중에 대해 저항에 유리한 방향으로 발달하여 암반에 직접 케이블을 정착시키는 지중정착식 앵커리지를 선정하였다.
- 앵커리지 위치가 당초 해상에서 해안측으로 접근함에 따라 육상 시공이 가능해졌고 주변지반조건 및 IP점의 계획성을 고려하여 인근 산악지형에 앵커리지를 정착시키는 앵커리지 형식을 고려하게 되었다. 이로 인하여, 가물막이의 최소화로 시공성 증대, 경제성 증가 및 환경오염을 최소화하는 공법을 적용하였다.
- 지속적인 케이블 하중을 받는 지지암반의 장기적인 거동분석을 살펴보기 위해 FLAC을 통한 Creep 해석을 실시하였다. 실내에서 암반의 일축압축강도 대비 30%, 50%, 70%의 시험응력으로 암반 Creep 시험을 실시한 결과 응력비가 50%이하가 되면 Creep에 대한 영향은 매우 작아졌다.
- 지표면에서 지하에 있는 챔버에 케이블을 정착시키기 위해 36m길이의 경사천공을 계획하였으며 하부 정착판의 천공위치를 지그재그식으로 배치하여 간섭을 최대한 배제하였으며 천공시 발생할 수 있는 시공오차에 대해서도 충분히 확보하였다.
- 40m 아래에 존재하게 된다. 챔버에 이르는 접근 터널을 시공하기 위해 묘도측의 산악지형을 고려해본 결과 경사가 우안에서 좌안으로 형성되어 있고 수직구가 아닌 횡갱으로 계획시 터널길이가 길어져서 공기와 시공비 측면에서 불리하여 앵커리지 좌측에 직경 6m의 수직구를 굴착하는 것으로 계획하였다.
- 수직구와 챔버는 전단면 굴착방법으로 숏크리트와 락볼트를 이용하여 안정성을 확보하였다. 특히 챔버에서 정착판이 설치되는 위치는 큰하중이 작용하므로 지지력을 유지하고 큰 변형에도 안정성 확보에 탁월한 swellex 볼트를 적용하였다.
이론/모형
- 수직구와 챔버는 전단면 굴착방법으로 숏크리트와 락볼트를 이용하여 안정성을 확보하였다. 특히 챔버에서 정착판이 설치되는 위치는 큰하중이 작용하므로 지지력을 유지하고 큰 변형에도 안정성 확보에 탁월한 swellex 볼트를 적용하였다.
성능/효과
- (2) 지중정착식 앵커리지는 케이블 하중에 저항하기 위한 암반 구조체를 형성하기에 적합한 양질의 암반상태를 확인하였고 시추조사와 노두암조사를 통한 불연속면의 방향성이 케이블 하중에 대해 저항하기에 유리한 방향으로 존재함을 확인하였다.
- 3DEC 해석을 통한 3차원 불연속체 안정성 해석결과는 케이블 하중으로 인해 응력이 집중되는 챔버에 존재하는 하부 정착판 주변 암반 블록의 변위는 최대 6.5mm 발생하였고, 절리면 전단변위는 최대 17mm로 나타났다. 절리면의 전단변위는 챔버에서 발생한 블록 변위에 비해 큰 값을 나타냈으나, 가상 쐐기영역 경계선과 무관하게 개별적으로 분포하여 일정한 방향성을 나타내지 않았다.
- FLAC 해석을 통한 2차원 연속체 안정성 해석결과는 긴장재에 프리스트레스력이 도입될 때 지표부 암반의 변위가 최대 10mm 발생하지만, 케이블하중 작용시의 최대변위는 2.5mm 발생하였다. 2차원 연속체 해석결과는 아래의 표와 같다(표 4 참조).
- UDEC 해석을 통한 2차원 불연속체 안정성 해석결과는 지표부 암반에 발생되는 변위는 1.91mm이고 케이블하중 작용시 발생변위는 1.12mm정도로 앵커리지 전체 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다.
- 0으로 강화하였다. 각종 실내시험을 통해 안정성 검토에 영향을 끼치는 주요 설계인자(암반의 점착력과 내부마찰각 및 단위중량)에 대한 정확한 값을 도출하였으며, 검토 결과 안전율은 3.28로 앵커리지 전체 안정성을 확보하였다.
- 지중정착식 앵커리지는 케이블하중에 대하여 암반쐐기의 자중과 전단력에 의해 저항하는 지지매커니즘을 지닌 것으로 고려하였다. 그래서, 그라운드 앵커방법과 터널식 앵커리지 검토방법 등을 비교 검토한 결과, 본 교량에 적용하는 지중정착식 앵커리지의 안정성 검토방법은 기본적으로 터널식 앵커리지의 지지 매커니즘을 따르는 것으로 하였다.
- 견고한 지반을 이용함으로써 콘크리트를 절감할 수 있으나, 대규모 경사 터널을 시공해야 하고 터널내부의 방식에 대한 유지관리가 필요하다. 마지막으로, 지중정착식 앵커리지는 견고한 지반에 직접 케이블을 정착시켜 암반의 블록쐐기 자중과 마찰저항으로 케이블 하중을 지지하는 방식으로 친환경적이며 경제적인 시공이 가능하다. 케이블을 지하 암반에 정착시키기 위한 터널(챔버)과 그 접근 터널이 필요하며, 정착 암반의 암질상태가 양호해야 한다는 제약조건이 있다.
- 본 설계시 케이블 하중으로 인해 상부정착판 주변 암반에 작용하는 최대응력이 2.2MPa이고, 암반의 평균 일축압축강도가 112MPa임을 고려할 때, 설계 응력비는 2%이므로, 케이블 하중에 대한 Creep 영향은 무시할 있는 것으로 검토되었다.
- 암반 Creep 시험 결과로 산정된 Kelvin계수와 Maxwell계수를 이용하여 2차원 Creep 수치해석을 수행한 결과 챔버실에 존재하는 하부정착판에 최대 7.4mm의 변위가 발생하고 그 이후는 수렴하는 것으로 나타나 암반의 장기거동에 대해 앵커리지는 안전한 것으로 검토되었다.
- 절리면의 분포양상과 그 특성을 반영한 3차원 전체계 불연속체 해석결과는 양호한 암반에 정착시킨 앵커리지의 계획은 적절하며 전체적으로 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다(표 6 참조).
- 5mm 발생하였고, 절리면 전단변위는 최대 17mm로 나타났다. 절리면의 전단변위는 챔버에서 발생한 블록 변위에 비해 큰 값을 나타냈으나, 가상 쐐기영역 경계선과 무관하게 개별적으로 분포하여 일정한 방향성을 나타내지 않았다.
- 앵커리지 형식은 케이블 하중에 저항하는 방식에 따라 중력식, 터널식 및 지중정착식으로 구분한다(그림 2 참조). 첫째, 중력식 앵커리지는 구조물 자중으로 케이블 하중에 저항하는 방식으로 지반조건에 관계없이 적용가능하며 지지매커니즘이 가장 확실하다. 그러나 거대한 구조물 자중이 요구되어 콘크리트 중량과 그에 대한 넓은 가설공간이 필요하다.
- 5mm 최대연직변위가 발생하였다. 터널 챔버의 하부 정착판에서 load factor 방법에 의한 하중변위 그래프에서 선형적으로 예상파괴가 발생하기 전 변화구간에서의 load factor는 2.5 ~ 3.5 이므로 예상 안전율은 3.0정도의 안전율을 확보하는 것으로 검토되었다.
후속연구
- (5) 향후 시공시 및 공용시에 있어 앵커리지 구조물 및 인접 암반에 대한 계측을 지속적으로 수행하여 계측결과와 해석결과의 비교·분석을 하여야 할 것이며, 이를 토대로 국내 지중정착식 앵커리지에 대한 설계기준을 정립하는 계기가 되었으면 한다.
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