선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 0 MPa)을 가능하게 하여 그라우트의 품질향상 및 1회 압력그라우팅에 의한 시공성 증대로 중력식 쏘일네일링 공법의 단점을 보완하였으며, 또한 압력그라우팅에 의한 구근확대로 보강력 증가에 따른 경제성을 향상시켰다. 본 고에서는 발포우레탄패커를 이용한 압력식 쏘일네일링 공법의 소개 및 압력그라우팅을 가능하게 하는 발포우레탄 패커의 특성과 현장조건을 묘사한 실내시험을 실시하여 압력그라우팅에 의한 쏘일네일링의 인발저항력 증가 원인에 대하여 분석하였으며, 끝으로 압력식 쏘일네일링을 적용한 사면 및 흙막이벽체 설계/시공 사례를 분석하여 현장 적용시 압력식 쏘일네일링 공법의 효용성을 제시하고자 한다.
- 압력식 쏘일네일링의 지반 보강 효과 정도를 평가하기 위하여 입도분포곡선이 각기 다른 세 종류의 화강풍화토를 선택하여, 압력식 쏘일네일링의 거동특성에 관하 연구를 수행하였다. 이를 위해 현장 조건을 묘사한 실내실험을 실시하여, 그라우팅 주입에 따른 주변지반에 작용하는 압력 메커니즘을 규명하고, 지반의 팽창 정도를 파악하였다.
제안 방법
- 3차원 FEM해석을 수행하여 압력 그라우트시 주변지반의 영향을 검토하였다. 검토 결과 주입압이 증가함에 따라 주변 지반의 압밀영향 범위는 증가하는 것으로 나타났으며, 압력그라우트시 그라우트 압력에 의한 주변지반의 압밀로 인하여 주변지반의 점착력과 내부마찰각은 증가할 것으로 판단된다.
- 6회에 걸친 원격조사 및 현장지질조사, 수직시추(19회), 수평시추(5회) 결과를 취합,분석하여 지중 단층의 분포를 추정하였다. 당 현장의 단층파쇄대는 탄질을 다량 함유하고 있는 것으로 나타나 탄질을 포함하고 있을 경우 활동면으로 작용할 수 있으므로 탄질을 함유한 단층 구분하였다.
- 가시설의 거동을 분석하기 위하여 지중수평변위계, 지하수위계, 네일링 변형률계, 광파기타켓 및 건물 경사계를 최대 굴착 지점, 우각부 및 각 굴착면 등 위험단면에 집중배치하였다. 시공중 소규모 붕락 및 과다변위가 발생하였으나, 수평변위 분석결과 4단 굴착시까지 변위증가량이 일정 또는 증가하는 양상을 나타낸 후 점차적으로 감소하는 경향을 나타내고 있다.
- 가시설의 거동 분석을 위하여 지중경사계 5개소, 지하수위계 3개소, Nail용 응력계 86개소가 사용되었으며, 원수유입관의 거동분석을 위하여 건물경사계 5개소, EL-Beam 5개소가 사용되었다. 계측은 6월에서 11월까지만 6개월 동안 수행되었으며, 계측위치는 그림 17과 같이 각 구간별 1개소와 우각부에 집중배치 하였다.
- 6회에 걸친 원격조사 및 현장지질조사, 수직시추(19회), 수평시추(5회) 결과를 취합,분석하여 지중 단층의 분포를 추정하였다. 당 현장의 단층파쇄대는 탄질을 다량 함유하고 있는 것으로 나타나 탄질을 포함하고 있을 경우 활동면으로 작용할 수 있으므로 탄질을 함유한 단층 구분하였다.
- 당 현장 지반조사 결과 단층파쇄대가 발달되어 있으며 평면 및 쐐기 파괴 유발 절리가 다량 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 암괴블럭 탈락 방지 및 단층파쇄대와 절리면 충진이 가능한 압력식 쏘일네일링 공법을 선정하였으며 20m 소단하부 수직굴착 구간은 상부 변위를 억제하기 위하여 영구앵커와 혼용으로 적용하였다.
- 발포우레탄은 경화되면서 그 체적이 증가하는 특징을 가지고 있다. 따라서 패커가 그라우팅시 가해지는 압력에 충분히 저항할 수 있는 패커에 주입되는 우레탄의 적정량을 구하기 위하여 우레탄 주입량을 각각 50%, 75%, 100%로 달리하여 시험을 수행하였다. 압력그라우팅시 공내에서 작용하는 압력은 0.
- 또한, 압력식 쏘일네일링 거동의 이론적 규명을 위해 공팽창 이론 (Cavity Expansion Theory)에 의한 이론값과 실험값을 비교하였다. 또한 현장시험 및 수치해석을 수행하여 실내시험및 실제 시공시 압력식 그라우팅의 효과를 검증 하였다.
- 이를 위해 현장 조건을 묘사한 실내실험을 실시하여, 그라우팅 주입에 따른 주변지반에 작용하는 압력 메커니즘을 규명하고, 지반의 팽창 정도를 파악하였다. 또한, 압력식 쏘일네일링 거동의 이론적 규명을 위해 공팽창 이론 (Cavity Expansion Theory)에 의한 이론값과 실험값을 비교하였다. 또한 현장시험 및 수치해석을 수행하여 실내시험및 실제 시공시 압력식 그라우팅의 효과를 검증 하였다.
- 챔버는 직경 60cm, 높이 18cm의 규격이며, 챔버의 하부 판넬은 상하로 이동이 가능하여 모형지반에 구속압을 줄 수 있도록 하였다. 또한, 주입은 그라우트 탱크에서 챔버의 상부 뚜겅을 통해 이루어지도록 제작하였다.
- 발포우레탄 패커를 이용한 압력식 쏘일네일링공법의 효용성을 검증하고자 압력그라우팅을 할 수 있는 발포우레탄 패커의 특성과 현장조건을 묘사한 실내시험에 의한 압력그라우팅에 의한 쏘일네일링의 인발 저항력 증가 원인을 분석하고, 실제 압력식 쏘일네일링 공법을 적용한 사면 및 흙막이벽체 시공사례를 분석한 결과는 다음과 같다.
- 원안설계시 가시설 공법으로 H-Pile + SGR + Earth Anchor 공법이 적용되었으나, 지장물에 의한 배면공간 협소로 인한 매립층에서의 충분한 정착길이 미확보, H-Pile 설치로 인한 공기지연 및 대형장비의 사용제약, 공사비 고가의 이유로 가시설보강공법을 변경하였다. 변경 공법으로 시공이 단순하여 공기가 빠르고 경제적이며, 배면 공간이 협소하여도 안정성이 확보가 가능하며, 소형장비의 사용으로 활용성이 우수한 압력식 쏘일네일링 + 숏크리트 + JSP 공법을 선정하였다.
-
그림 16. 갱구부 비탈면 보강단면
보강설계 및 설계의 적정성을 검증하기 위하여 파쇄대 및 불연속면을 고려한 한계평형해석 및 유한요소해석을 수행하였다
. 특히 유한요소해석을 통하여 광역상수도터널의 Hydro Jacking에 의한 비탈면의 안정성을 검증하였다. - 본 현장의 보강공법 설계시 최대 중점사항은 주요지장물인 Pipe-Rack과 원수유입관의 파손방지를 위한 가시설 벽체의 변위억제 및 안정성 확보이므로, 지장물 및 지층현황에 따라 구간별로 경제적이며 안정성을 확보할 수 있는 보강계획을 수립하였다. (표 3 참조)
- 현장 적용시 압력식 쏘일네일링공법의 효용성을 검증하고자 압력식 쏘일네일링공법을 적용한 사면 및 흙막이 벽체 설계/시공 사례를 분석하였다. 시공사례는 파쇄대가 존재하며, 광역상수도터널과 인접한 도심지터널 대깍기 갱구비탈면 보강사례와 굴착깊이가 깊으며 지층이 매립층 구성된 흙막이 벽체 및 소규모 붕락 및 과다변위가 발생한 흙막이 벽체 보강사례 2개 현장을 분석 하였다.
- 실내시험 및 압력식 그라우팅 효과를 검증하기 위하여 현장에서 직접 중력식 쏘일네일링과 압력식 쏘일네일링을 시공 후 인발시험을 실시 하였다.
- 쏘일네일링 공법의 성능향상을 위하여 개발된 압력식 쏘일네일링공법은 우레탄패커 시스템을 적용, 압력그라우팅(0.5～1.0 MPa)을 가능하게 하여 그라우트의 품질향상 및 1회 압력그라우팅에 의한 시공성 증대로 중력식 쏘일네일링 공법의 단점을 보완하였으며, 또한 압력그라우팅에 의한 구근확대로 보강력 증가에 따른 경제성을 향상시켰다. 본 고에서는 발포우레탄패커를 이용한 압력식 쏘일네일링 공법의 소개 및 압력그라우팅을 가능하게 하는 발포우레탄 패커의 특성과 현장조건을 묘사한 실내시험을 실시하여 압력그라우팅에 의한 쏘일네일링의 인발저항력 증가 원인에 대하여 분석하였으며, 끝으로 압력식 쏘일네일링을 적용한 사면 및 흙막이벽체 설계/시공 사례를 분석하여 현장 적용시 압력식 쏘일네일링 공법의 효용성을 제시하고자 한다.
- 굴착면의 지층 분석결과 소규모 붕락이 발생한 지층은 화강풍화토 계열로, 지하수 등의 물과 접촉으로 인한 강도저하 및 팽창, 굴착시 응력이완으로 인한 급격한 강도 저하가 발생하였다. 앞서 기술한 화강풍화토의 특성 및 모암의 절리 경사방향 및 경사각 등 본 현장의 지반 여건으로 인해 그림 20에 나타난 바와 같이 일부구간에 소규모의 붕락이 발생하여 면정리 및 방수포 조치 등 초동조치를 실시하였다. 이후 조속히 하부 미굴착 구간 굴착시 굴착면의 탈락 방지를 위해 그림 24.
- 이를 바탕으로 σ = E × ε의 Hoock′s Law를 이용하여 패커의 팽창압을 확인하였다.
- 압력식 쏘일네일링의 지반 보강 효과 정도를 평가하기 위하여 입도분포곡선이 각기 다른 세 종류의 화강풍화토를 선택하여, 압력식 쏘일네일링의 거동특성에 관하 연구를 수행하였다. 이를 위해 현장 조건을 묘사한 실내실험을 실시하여, 그라우팅 주입에 따른 주변지반에 작용하는 압력 메커니즘을 규명하고, 지반의 팽창 정도를 파악하였다. 또한, 압력식 쏘일네일링 거동의 이론적 규명을 위해 공팽창 이론 (Cavity Expansion Theory)에 의한 이론값과 실험값을 비교하였다.
- 이와 같은 사항은 패커가 그라우팅시 압력에 대하여 충분히 저항할 수 있을 때에 적용되는 효과들이다. 이에 패커의 정착력 확인을 위하여 발포우레탄 패커의 팽창압시험을 수행하였다.
- 그라우팅 주입시험을 위해 실내 모형 실험 장치를 제작하였으며, 장치의 개략적인 구성은 다음의 그림 7과 같다. 챔버는 직경 60cm, 높이 18cm의 규격이며, 챔버의 하부 판넬은 상하로 이동이 가능하여 모형지반에 구속압을 줄 수 있도록 하였다. 또한, 주입은 그라우트 탱크에서 챔버의 상부 뚜겅을 통해 이루어지도록 제작하였다.
- 보강설계 및 설계의 적정성을 검증하기 위하여 파쇄대 및 불연속면을 고려한 한계평형해석 및 유한요소해석을 수행하였다. 특히 유한요소해석을 통하여 광역상수도터널의 Hydro Jacking에 의한 비탈면의 안정성을 검증하였다.
- 패커의 정착력을 측정하기 위해 압력식 쏘일네일링의 천공경과 같은 크기의 관에 발포우레탄을 주입한 후에 아크릴관에 미리 부착된 Strain Gauge의 변형율을 측정하였다. 이를 바탕으로 σ = E × ε의 Hoock′s Law를 이용하여 패커의 팽창압을 확인하였다.
- 현장 비탈면의 계측 시스템은 자동화 계측으로 2시간 주기의 실시간 계측으로 감독관, 관련지자체, 시공관리자, 설계자가 실시간 감시가 가능한 시스템을 적용하였다. 계측결과 비탈면의 수평변위 증가하는 시간경과에 따라 증가하는 추세를 보이나, 평균 1.
- 현장 적용시 압력식 쏘일네일링공법의 효용성을 검증하고자 압력식 쏘일네일링공법을 적용한 사면 및 흙막이 벽체 설계/시공 사례를 분석하였다. 시공사례는 파쇄대가 존재하며, 광역상수도터널과 인접한 도심지터널 대깍기 갱구비탈면 보강사례와 굴착깊이가 깊으며 지층이 매립층 구성된 흙막이 벽체 및 소규모 붕락 및 과다변위가 발생한 흙막이 벽체 보강사례 2개 현장을 분석 하였다.
대상 데이터
- 가시설의 거동 분석을 위하여 지중경사계 5개소, 지하수위계 3개소, Nail용 응력계 86개소가 사용되었으며, 원수유입관의 거동분석을 위하여 건물경사계 5개소, EL-Beam 5개소가 사용되었다. 계측은 6월에서 11월까지만 6개월 동안 수행되었으며, 계측위치는 그림 17과 같이 각 구간별 1개소와 우각부에 집중배치 하였다.
- 시공현장은 00지구 지방산업단지 폐수종말처리장 건축공사현장으로 굴착면적은 약 9,864m2(137m×72m)이고, 굴착 깊이는 11.0m ～12.5m 이다.
- 시공현장은 ○○단지조성 PROJECT 건축공사현장으로 보강구간은 공장동, 기숙사 A동, 오수처리동으로 구분되며, 보강연장은 약 463m, 굴착깊이는 3.7m ～11.8m이다. 지층은 붕적층, 풍화토, 풍화암 및 보통암으로 구성되어 있으며, 당초 설계시 풍화토의 N값은 4∼49(평균 N=25)로 점토 또는 실트 섞인 모래로 나타났다.
-
1.1 현황
현장은 강남순환 민자고속도로 제5공구 관악터널 건설공사 중 시점부 갱구부 비탈면 보강공사로 비탈면 현황은 그림 14와 같이 북측, 동측, 남측 비탈면으로 이루어져 있다
. 북측(좌측)비탈면은 높이 25～50m, 방향은 224°～179°이며 경사는 52°～90°이다.
성능/효과
- 지반에 작용하는 주입압 대비 잔류응력의 비율은 약 20% 정도인 것으로 나타나, 잔류응력은 차후 지반의 추가적인 초기 지중 응력으로 작용하며, 이는 영구 지보재로써의 압력식 쏘일네일링 공법의 강도 증진에 도움을 줄 것으로 기대된다.(그림 9.참조) 또한, 실험을 통해 산정한 천공경의 반경 변위 증가량을 공팽창 이론을 통해 산정한 이론값과 비교하였으며, 그 결과가 대체적으로 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 이를 통해 그라우팅 주입에 따른 변위 예측에 공팽창 이론을 이용해도 합당하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 1. 발포우레탄 패커의 특성 분석을 위한 팽창압시험 결과 압력그라우팅시 공내에 작용하는 압력에 대하여 패커가 충분히 저항(S.F=3.32)함을 알 수 있었으며, 시공성과 경제성을 고려할 때, 패커내 우레탄 주입량은 50%가 가정 적당하다고 판단된다.
- 230배 확대하여 그라우트 절단면을 관찰하고 그라우트의 단위중량을 확인한 결과 그라우트의 단위중량은 중력식 2.01(g/cm3), 압력식 2.01(g/cm3)으로 압력식 그라우트의 밀도가 106% 증가 하여 압력 그라우트시 밀실한 그라우트 품질확보를 확인 하였다.
- 3) 주입압으로 인한 주변 지반 압밀 효과 발생으로 주변지반의 점착력과 내부마찰각은 증가할 것으로 판단된다.
- 4. 압력식 쏘일네일링 공법을 적용한 사면 및 흙막이 벽체 시공사례 분석결과, 사면높이 60m인 단층 파쇄대가 출현하는 비탈면과, 굴착 깊이가 깊은 매립층 지반에서의 흙막이 벽체에서 계측결과는 안정한 것으로 나타나 압력식 쏘일네일링공법의 효용성이 검증되었으며, 특히 지반상태가 불량하여 소규모 붕락 및 과다변위가 발생한 현장의 경우에도 수직네일링 설치 또는 추가 네일링 보강 등의 조속한 조치에 의하여 흙막이 벽체의 안정성을 확보하여, 압력식 쏘일네일링 공법의 대처능력이 우수함을 입증 하였다.
- 3차원 FEM해석을 수행하여 압력 그라우트시 주변지반의 영향을 검토하였다. 검토 결과 주입압이 증가함에 따라 주변 지반의 압밀영향 범위는 증가하는 것으로 나타났으며, 압력그라우트시 그라우트 압력에 의한 주변지반의 압밀로 인하여 주변지반의 점착력과 내부마찰각은 증가할 것으로 판단된다.
- 현장 비탈면의 계측 시스템은 자동화 계측으로 2시간 주기의 실시간 계측으로 감독관, 관련지자체, 시공관리자, 설계자가 실시간 감시가 가능한 시스템을 적용하였다. 계측결과 비탈면의 수평변위 증가하는 시간경과에 따라 증가하는 추세를 보이나, 평균 1.58mm /10일로서 점검, 요주의 관측강화기준인 5mm/10일 이하로 나타나, 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났다. 또한, 쏘일네일링의 축력 분석결과 시간경과에 따라 네일링 축력은 수렴하는 경향을 나타내며, 네일링의 최대 축력은 허용응력의 5.
- 그 이유는 그라우트재 내의 물이 지반으로 빠지면서 그라우트는 반고체상태로 변하여 더 이상 압력이 전달되지 못하며, 지반에는 침투압이 작용하다가 침투가 종료되면서 압력은 점차 감소하여 잔류응력으로 수렴하게 되는 것으로 나타났다. 그라우팅 주입에 따라 그라우트 내의 물이 지반으로 빠지면서 초기에 50%의 함수비였던 그라우트의 함수비가 약 30%까지 줄어드는 것을 확인하였다. 이는 그라우트의 강성을 증가시킴으로써 지반의 rebound를 억제하고, 결국 지반에 잔류응력을 유발시키는 효과를 발휘한다.
- 지층은 붕적층, 풍화토, 풍화암 및 보통암으로 구성되어 있으며, 당초 설계시 풍화토의 N값은 4∼49(평균 N=25)로 점토 또는 실트 섞인 모래로 나타났다. 그러나 시공 중 지반상태를 분석한 결과, 화강편마암 계열의 화강풍화토로 그림 20에 나타난 바와 같이 굴착에 의한 이완시 급격한 강도저하 현상을 나타내어, 현장 시추결과 풍화토의 N값은 10이하로 나타났으며, 모암의 절리 및 단층대가 활성화된 상태로 나타났다. 또한, 모암의 절리 및 단층대는 굴착방향과 유사한 방향성을 지니고 있으며, 절리의 경사는 70° ∼110°의 고각을 형성하여 소규모 평면 및 전도파괴 발생가능성이 잠재되어 있다.
- 당 현장 지반조사 결과 단층파쇄대가 발달되어 있으며 평면 및 쐐기 파괴 유발 절리가 다량 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 암괴블럭 탈락 방지 및 단층파쇄대와 절리면 충진이 가능한 압력식 쏘일네일링 공법을 선정하였으며 20m 소단하부 수직굴착 구간은 상부 변위를 억제하기 위하여 영구앵커와 혼용으로 적용하였다.
- 따라서 현장에서 사용하는 용적율에 대하여 패커는 압력그라우팅의 압력에 대해 S · F=3.32를 확보하는 것으로 나타났다.
- 또한, 네일링 단별 네일링의 축력분석 결과 최대 네일링 축력은 21(ton)으로 허용축력인 17.34(ton) 이하로 안정한 것으로 나타났으며, 시간경과에 따른 네일링 축력 분석결과 네일링 축력은 굴착후 굴착완료 시점까지 증가하다가 굴착완료후 어느 일정한 값으로 수렴되는 경향을 보이고 있다.
- 58mm /10일로서 점검, 요주의 관측강화기준인 5mm/10일 이하로 나타나, 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났다. 또한, 쏘일네일링의 축력 분석결과 시간경과에 따라 네일링 축력은 수렴하는 경향을 나타내며, 네일링의 최대 축력은 허용응력의 5.04%로 기준인 80%에 미치지 못하여 네일링 축력에도 문제가 없어, 비탈면에 안정성에 문제가 없는 것으로 관측되었다.
- 참조) 또한, 실험을 통해 산정한 천공경의 반경 변위 증가량을 공팽창 이론을 통해 산정한 이론값과 비교하였으며, 그 결과가 대체적으로 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 이를 통해 그라우팅 주입에 따른 변위 예측에 공팽창 이론을 이용해도 합당하다는 것을 확인할 수 있었다. (그림 10 참조)
- 또한, 화강풍화토의 특성에 의하여 변위가 과다하게 발생된 구간에 대해서는 변위의 수렴을 위하여 주 2회 이상의 주기적인 계측수행 및 기존 설계된 네일링 사이에 추가 보강 쏘일네일링을 설치하여 변위를 억제하였다. (그림 25.
- 005H(Clough, 1990)의 최소값으로, 쏘일네일링 흙막이 벽체가 수평변위억제에 효과적이라는 것을 알 수 있다. 압력식 쏘일네일링 설치시 가시설 벽체의 거동분석 결과, 굴착완료후 시간 경과에 따른 가시설 벽체의 수평변위는 굴착시 발생한 수평변위와 거의 유사한 값을 나타내고 있다. 이는 압력식 쏘일네일링이 쏘일네일링의 기본 이론과 같이 중력식 옹벽의 역할을 하여, 시간이 경과하여도 변위의 증가없이 안정한 상태를 유지한다는 것을 나타낸다.
- 시공중 소규모 붕락 및 과다변위가 발생하였으나, 수평변위 분석결과 4단 굴착시까지 변위증가량이 일정 또는 증가하는 양상을 나타낸 후 점차적으로 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 과다변위가 발생하여 기존 설계된 네일링 사이에 추가 보강 쏘일네일링을 조속히 설치함으로 인해 지반내 네일링으로 인한 아칭효과로 수평방향으로의 안정성이 향상됨으로써 나타난 결과이다. 또한, 최대 수평변위는 각각 18.
- 전체적으로 패커의 길이방향으로는 균등한 팽창압을 보였다. 이는 패커의 전단면에 걸쳐서 안정적으로 정착력을 발휘할 수 있음을 의미한다.
- 중력식 쏘일네일링과 압력식 쏘일네일링 시공 후 인발시험을 수행하여 압력 그라우트시 그라우팅의 공경증가 및 거칠기를 확인하였다, 확인결과 중력식 쏘일네일링의 그라우트 공경은 105mm이고, 압력식 쏘일네일링의 공경은 128mm로 약 20%의 그라우트 유효경이 증가하였다, 또한, 중력식 그라우트와 압력식 그라우트의 표면관찰 결과, 압력식 그라우트시 그라우트의 Roughness가 증가함을 알 수 있다.
- 지층은 붕적층, 풍화토, 풍화암 및 보통암으로 구성되어 있으며, 당초 설계시 풍화토의 N값은 4∼49(평균 N=25)로 점토 또는 실트 섞인 모래로 나타났다.
후속연구
- 이는 그라우트의 강성을 증가시킴으로써 지반의 rebound를 억제하고, 결국 지반에 잔류응력을 유발시키는 효과를 발휘한다. 지반에 작용하는 주입압 대비 잔류응력의 비율은 약 20% 정도인 것으로 나타나, 잔류응력은 차후 지반의 추가적인 초기 지중 응력으로 작용하며, 이는 영구 지보재로써의 압력식 쏘일네일링 공법의 강도 증진에 도움을 줄 것으로 기대된다.(그림 9.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.