Characteristics of the Earth Pressure Magnitude and Distribution in Jointed Rockmass

地 盤 工 學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第31卷 第6C 號·2011年 11月 pp. 203~212

절리가 형성된 암반지층에서 발생된 토압의 크기 및 분포특성

Characteristics of the Earth Pressure Magnitude and Distribution in Jointed Rockmass

손무락*·윤철원**

Son, Moorak·Yoon, Cheolwon

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Abstract

This paper investigates the caharactheristics of the earth pressure magnigue and distribution in jointed rockmass for a safe and economic design and construction of earth retaining structures installed in rock stratum. For this purpose, this study will first investigate the limitations and problems of the existing earth pressure studies and then to overcome them th study will con- duct the discontinuum numerical parametric studies based on the Discrete Element Method (DEM), which can consider the joint characteristics in rock stratum. The controlled parameters include rock type and joint conditions (joint shear strength and joint angle), and the magnitude and distribution characteristics of earth pressure have been investigated considering the inter- actions between the ground and the retaining structures. In addition, the comparison between the earth pressures induced in rock stratum and Peck's earth pressure for soil ground has been carried out. From the comparison, it is found that the earth pressure magnitude and distribution in jointed rockmass has been highly affected by rock type and joint condition and has shown different characteristics compared with the Peck's empirical earth pressure. This result would hereafter be utilized as an important information and a useful data for the assessment of earth pressure for designing a retaining structures installed in jointed rockmass.

Keywords : rock excavation, earth pressure, rock type, joint shear strength, soil-structure interactions

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요 지

본 논문은 암반지층에 설치되는 굴착벽체의 안전하고 경제적인 설계 및 시공을 위해 절리가 형성된 암반지층에서 발생하 는 토압의 크기 및 분포특성을 조사한 것이다. 이러한 목표를 위해, 먼저 기존 선행연구의 한계성 및 문제점을 파악하고 이 를 극복하기 위해 암반지층의 다양한 절리특성 등을 고려할 수 있는 개별요소법(DEM)에 근거한 불연속체 수치해석적 매개 변수 연구를 수행하였다. 매개변수로는 암반종류 및 절리상태(절리면의 전단강도 및 절리경사각)가 고려되었으며, 지반과 굴 착벽체의 상호작용을 반영하면서 각 요소의 영향이 고려된 토압크기 및 분포특성이 파악되었다. 뿐만 아니라, 암반지층에서 발생된 토압과 토사지반에서의 경험토압인 Peck토압과의 상호 비교가 이루어졌다. 비교결과 절리가 형성된 암반지층에서 발 생된 토압의 크기 및 분포는 암반의 종류 및 절리상태에 따라서 크게 영향을 받은 것으로 나타났고 토사지반에 있어서 Peck의 경험토압과 비교하여 서로 다른 특징을 나타내었다. 이와 같이 조사된 결과는 향후 절리가 형성된 암반지층에서의 굴착벽체 설계를 위한 토압산정에 필요한 정보 및 기초자료로서 활용될 것이다.

핵심용어 : 암반굴착, 토압, 암반종류, 절리면의 전단강도, 절리경사각, 지반-구조물 상호작용

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1. 서 론

혼잡한 도심지에서의 각종 지반굴착공사들은 주변 환경에 다양한 문제점들을 야기하고 있으며, 특히 굴착벽체에 작용 하는 토압의 잘못된 산정은 굴착구조물의 붕괴로 이어질 수 있고 결국에는 공사중단, 법적소송 및 보상문제 등의 상당한 시간 및 경제적 손실을 초래할 수 있다.

지난 서울지하철 건설 및 국내 건설현장에서 조사된 자료 에 의하면 지하굴착에 의한 굴착벽체 붕괴 및 과도한 변형 에 따른 구조물 복구 및 피해액이 연간 평균 수백억 원에

이른다. 또한, 매년 굴착공사에 따른 민원 발생건수가 연간 2000건 이상으로 공사가 빈번히 중단되고 지연되어 이에 따 른 손실액도 막대한 것으로 집계되었다. 도심지에서의 다양 한 지하굴착공사에 따른 굴착벽체의 붕괴 및 과도한 변위로 부터 초래되는 다양한 문제점들은 주변 환경에 악영향을 미 쳐 사회적 문제로 대두되고 있다. 따라서 도심지 지하공간개 발을 위해 설치되는 지반굴착벽체 자체에 대한 안전을 확보 하는 것은 물론, 관련 문제점들을 최소화 하는 것은 사회적 으로나 경제적으로 매우 시급한 일이라 판단된다. 상기와 같 은 문제점들을 최소화하기 위해서는 각종 지반굴착이 수행

*정회원·교신저자·대구대학교 토목공학과 교수·공학박사·기술사 (E-mail : [email protected])

**대구대학교 토목공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])

되는 지반의 거동특성 및 설치되는 굴착벽체들의 전반적인 거동을 충분히 이해하고 있어야 할 뿐만 아니라, 지반/굴착 벽체 상호작용에 대한 폭넓은 이해가 수반되어야 할 것이다.

이와 같은 이해를 바탕으로 굴착벽체의 붕괴여부 및 과도한 변위예측을 굴착공사가 실시되기 전에 미리 평가하여 문제 가 예상된다면 필요한 대책을 강구해서 안전하고 경제적인 지반굴착을 통한 도심지개발이 이루어지도록 해야 할 것이 다. 도심지 지반굴착문제의 설계 및 시공수준 향상과 관련한 연구로는 크게 인접구조물 및 시설물의 피해를 최소화하기 위한 굴착벽체 및 주변지반의 거동예측 관련 분야와 굴착벽 체 구조물의 안전성과 경제성을 확보하기 위한 설계시 벽체 에 적용하는 겉보기토압 산정에 관한 분야로 구분할 수 있 다. 토사지층에 있어서 상기 두 분야에 대한 연구는 국.내외 를 불문하고 많은 연구가 수행되었으나, 암반지층에 대해서 는 국내·외를 불문하고 구체적이고 체계적인 연구가 전혀 이루어지지 않았다.

따라서, 본 연구에서는 암반지층에서의 안전하고 경제적인 굴착벽체의 설계 및 시공을 위하여 특히 굴착벽체에 작용하 는 겉보기토압 산정에 관한 기초연구를 수행하고 그 결과를 분석.종합하여 향후 암반지층에서의 굴착벽체 설계를 위한 토압산정에 필요한 정보 및 자료를 제공하고자 한다.

2. 선행연구의 현황 및 문제점 분석

도심지에서의 지반굴착공사로 인한 굴착벽체의 토압 및 거 동에 관한 연구는 국.내외에서 많이 수행되었으나, 대부분 토 사지반을 대상으로 하고 있다. 또한, 굴착벽체의 설계를 위 해 필요한 토압은 지반-벽체 및 버팀구조의 복잡한 상호거동 으로 인해 토압분포에 대한 이론적인 해법이 존재하지 않고 현장계측이나 모형실험을 통해 경험적 또는 실험적으로 파 악되어 제시되었다. 이렇게 제시된 토압은 벽체 및 현장 경 계조건 등에 따라 실제 벽체를 따라 발생하는 토압분포와는 같지 않아 겉보기토압(apparent earth pressure)이라 명명한 다. 겉보기토압에 관한 연구는 주로 국외에서 수행되었으며, 대표적인 현장계측 등을 통한 연구로는 Peck(1969) 및 Tschebotarioff(1973) 등(그림 1)이 있다.

이와 같이 제시된 겉보기 토압들은 일반적으로 실제현장에 서 측정되는 토압보다 크게 나타나는데 이는 제시된 겉보기 토압이 현장에서 측정된 최대토압과 안전성을 고려하여 보 수적인 값으로 제시되었기 때문이다. 그 외에도 NAFAC, 일 본건축학회 및 도로협회, 서울 지하철건설본부 등에서 각각

의 토압적용방법을 제시하였지만 앞에서 제시한 겉보기토압 을 일부 수정한 대동소이한 방법이라 판단된다. 상기에서 언 급한 겉보기토압은 사질토 또는 점성토지반으로 이루어진 단 일지층에서 획득된 계측자료를 토대로 제시되었기 때문에 실 제 지층구조가 다양하고 특히 토사지반이 아닌 암반지층으 로 구성된 현장에 적용하기에는 많은 제한성이 따르는 것으 로 지적되어 왔다. 이를 반영하여 다층지반으로 이루어진 현 장에서의 겉보기토압에 대한 연구가 계측결과를 토대로 다 수 수행되었으며 대표적인 연구로는 이종규와 전성곤 (1993), 채영수와 문일(1994), 홍원표와 윤중만(1995), 정은 택과 김석기(1997), 유충식과 김연정(2000) 및 김학문(2002) 등의 연구를 들 수 있다. 이와 같은 연구의 대부분은 벽체, 지반 및 시공조건에 따른 토압의 정량적인 분포 및 산정방 법을 제시하기보다는 굴착현장에서 계측된 토압분포 및 크 기를 기존의 국외연구자가 제시한 값과 비교하고 상기 언급 한 토사지반 겉보기토압의 국내지반에의 적용성을 검토하는 데 주안점을 두고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구들과 관련연구의 결과가 제시하는 중요한 의미는 암반층을 포함 한 다층지반 등에서의 토압분포가 기존에 제시된 경험토압 분포와 다를 수 있다는 것이며, 특히 절리를 포함한 암반지 층에서의 토압분포 및 크기에 관련한 연구가 시급히 필요하 다는 것을 지적하고 있다(이성민, 2004 등). 암반지층에서의 토압과 관련한 연구는 국내.외를 불문하고 매우 미흡한 실정 이며 국내에서는 경우에 따라서 단일 절리가 형성된 쐐기형 암반블록으로부터 발생되는 토압에 대해 힘의 평형조건을 이 용하여 산정하는 경우가 있지만 대부분 기존 토사지반의 경 험토압을 암반지층에서의 굴착벽체의 보호 및 관리를 위해 서 그대로 적용하고 있거나 개략적인 암반분류만으로 토압 을 적용하고 있는(그림 2) 실정이다. 다시 말해서, 암반지층 에서의 벽체 및 절리특성 등을 고려한 토압에 관한 연구는 국내 지층조건상 얕은 깊이에 암반층이 출현하고 굴착깊이 또한 점점 깊어지고 있는 현실에서 그 필요성이 매우 중요 함에도 불구하고 연구가 거의 이루어지지 않고 있는 실정이 다. 특히, 암반의 절리특성은 암반지층에서의 토압의 크기 및 분포에 큰 영향을 주는 인자임에도 불구하고 다층지반뿐만 아니라 단층지반에서조차 암반절리특성을 고려한 토압에 대 한 연구 및 비교가 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다.

이와 같은 이유는 아마도 암반지층에서의 절리면의 특성 및 거동 등을 고려하기 위해서는 토사지반해석에 일반적으 로 사용되는 연속체해석이 아닌 불연속체해석을 수행해야하 는 어려움과 암반지층은 토사지층보다 지반조건이 상대적으

그림 1. 토사지반에서의 겉보기토압 크기 및 분포도

로 양호하여 토사지반 토압을 적용해도 경제성은 둘째치더 라도 안전할 것이라는 막연한 생각이 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 하지만, 암반절리의 상태 및 활동암괴에 따라 굴 착벽체에는 상당한 토압이 작용될 수 있으며, 이러한 경우 암반토압을 등한시 할 경우 굴착벽체 붕괴 등의 문제 등을 초래할 수 있다. 반대로 암반상태가 양호한 경우에는 토압이 거의 작용하지 않아 토사지반 토압을 작용시키게 되면 막대 한 경제적 손실을 초래할 수 있는 문제점이 발생한다(그림 3).

특히 국내 지반은 일반적으로 토사층의 두께가 얕아 보통 10m 이상만 굴착하더라도 암반층이 자주 출현하게 되는 지 층구조를 이루고 있으며, 이와 더불어 최근 고층구조물 및 지하대심도 대형구조물들의 건설이 점점 증가하게 되어 대 규모/대심도 굴착이 많이 발생하고 있다. 굴착깊이가 점점 깊어짐에 따라 암반지층에 설치되는 굴착벽체의 상당부분이 암반층에 설치되는 상황이 발생(그림 4)하고 있으며 상기 언 급한 문제점들을 해소하기 위한 암반지층에서의 토압분포 산 정방법이 절실하게 요구되고 있는 실정인데도 불구하고 관 련연구가 매우 미흡한 실정이다. 다시 말해서 절리 등이 형 성된 암반지층에서의 절리 및 시공특성 등에 대한 체계적인 토압관리기준들이 정형화 되어 있지 않고, 설계 및 시공관리 시 지층 및 시공조건을 고려하지 않은 채 기존 토사지반에 서의 토압관리기준을 그대로 따르는 경향이 있으며, 경우에 따라 현장여건을 고려하여 책임기술자의 판단에 맡기지만 국 내.외를 불문하고 암반등급을 고려한 체계화된 토압관리지침

이 존재하지 않아 제대로 관리가 이루어지지 않고 있는 실 정이다. 이로 인해 암반지층에서의 굴착공사 중 벽체의 붕괴 및 과도한 변위 또는 과도한 설계로 인한 경제적 손실 등의 여러 가지 많은 문제점들이 점점 증가하고 있다.

따라서 본 논문에서는 현재 이용되고 있는 암반지층에서의 토압적용 방법의 문제점을 해소하고 보다 안전하고 경제적 인 지반굴착벽체의 설계와 시공을 도모하기 위한 기초연구 단계로서 특히 암반지층에서의 토압에 영향을 미칠 수 있는 요소 중 암반종류 및 절리상태(절리면의 전단강도 및 절리경 사각)를 고려하는 매개변수해석을 수행하여 지반-벽체구조물 상호작용이 고려된 암반지층에서의 토압에 관한 기초정보 및 자료를 제공하고자 한다.

그림 3. 암반지층에서의 암반상태에 따른 굴착관련 사례 그림 2. 암반지층에서의 토압검토 방법 예

그림 4. 암반지층에 설치된 굴착벽체 사례

3. 수치해석적 매개변수 연구

본 연구는 암반지층 굴착현장에서 자주 발생되는 토압산정 과 관련한 문제에 대한 기초연구로서 암반지층 토압에 영향 을 미칠 수 있는 다양한 요소(지층분포, 절리상태, 절리간 격, 절리방향, 절리연속성, 절리군의 수 등)들에 대해서 제한 적 사항을 가정한 매개변수연구를 수행하여 향후 보다 확장 된 연구의 토대 및 기초정보를 제공하고자 하였다.

본 연구에서는 암반에서 발달된 불연속면을 고려하여 암반 블록 자체의 거동보다 절리의 거동에 의해 전체적인 거동이 지배되는 암반특성을 평가하기 위해 개별블록의 상대적인 큰 변위를 허용할 수 있는 개별요소법에 근거한 UDEC(Universal Distinct Element Code)을 사용하였으며, 해석에 사용된 암 반블록은 탄성체로 모델링하였으며, 절리면의 거동은 Coulomb Slip Model을 이용하여 모델링하였다.

수치해석에 사용된 해석모델은 가로 68.8m, 높이 31.5m의 크기로 모델링하였으며, 굴착벽체는 20.5m의 깊이로 설정되 고 굴착깊이는 19.0m, 굴착폭은 20.0m로 가정하였다(그림 6).

해석에서 굴착벽체 및 버팀대(strut)는 탄성체로 가정하였 으며, 굴착벽체와 암반의 인터페이스에서의 거동은 Coulomb Slip Model을 이용하여 해석하였다. 최외각 Boundary에 대 해선 변위구속을 통해 경계조건을 부여하였으며, Ko=0.5의 조건으로 초기응력을 부여한 후 수치해석을 실시하였다.

다양한 매개변수 해석을 위해 암반블록의 종류를 경암, 연 암, 풍화암, 완전풍화암으로 구분하였으며, 각 암반에 해당되 는 절리 물성치는 양호, 보통, 불량, 매우불량에 해당되는 물성치(표 1 및 2 참조)를 부여하였다. 각 해석경우에 있어 서 절리각도를 0^o, 30^o, 60^o, 및 90^o로 달리하여 해석을 수 행하였고, 절리간격은 모든 경우에 있어서 1m로 가정하였다.

수치해석은 암반에서의 시공조건 및 단계굴착에 따른 토압 분포 및 크기를 반영하기 위하여 총 8단계로 굴착을 수행하 였다. 1단계에서는 굴착벽체를 설치하고, 2단계에서 최초 1m 굴착한 후 굴착면위 0.5m지점에 1단 strut을 설치하고, 3단 계부터 차례로 3m씩 추가굴착을 하고, 굴착면위 0.5m 지점 에 strut을 설치하는 순서로 총 19m를 굴착하였으며 최종굴 착단계에서는 strut를 설치하지 않았다(그림 6 참조).

본 연구에서 사용된 굴착벽체는 H-pile+토류판 벽체이며, 수치해석에서 벽체는 아래 그림과 같이 환산단면을 결정하 여 적용하였다.

굴착벽체의 형상이 실제현장에서 벽체에 발생하는 토압 및 변위에 대하여 큰 영향을 미치지는 않지만 수치해석에서는 모델링의 접합부 등에서의 응력집중현상등과 같은 영향으로 수치해석 결과에 큰 영향을 가져올 수 있고, 실제 벽체의 형상을 수치해석에서 완벽하게 모사하기란 어려운 점이 많 다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 아래의 환산단면 공식 (1)을 이용해 벽체의 강성과 단면 성질을 고려하여 환산단면 으로 치환하여 수치해석에 적용하였다(표 2 참조).

(1) 여기서, Ep는 H-pile의 탄성계수를 나타내며, Ew는 토류판의 탄성계수, Ea는 환산단면의 탄성계수, Ip는 H-pile의 단면 2 차 모멘트, Iw는 토류판의 단면 2차 모멘트절리간격, Ia는 환산단면의 단면 2차 모멘트, Np는 단위m당 H-pile의 수, Nw는 1을 나타낸다.

표 2는 해석에 사용된 굴착벽체에 대한 물성치, 암석 및 절리 물성치, 암반과 굴착벽체의 인터페이스 물성치를 나타 내고 있다.

표에서 경암의 경우 절리특성이 양호하며, 절리간격 1m에 해당하는 RMR값 85를(Hoek & Brown, 1988)가정하여

E_pI_p×N_p+E_wI_w×N_w=E_aI_a

그림 5. 수치해석 모델링 예 (절리간격 1m, 절리각도 60^o인 경우) 표 1. 수치해석 조건

암반종류 절리특성 벽체종류 절리간격(m) 절리상태 절리각도(^o)

경 암

H-pile+

토류판

1.0 양호 ― ― ― 0, 30, 60, 90

연 암 1.0 ― 보통 ― ― 0, 30, 60, 90

풍화암 1.0 ― ― 불량 ― 0, 30, 60, 90

완전풍화암 1.0 ― ― ― 매 우불량 0, 30, 60, 90

Em=2RMR − 100(Bieniawski, 1976)의 관계로부터 절리를 포 함한 암반의 탄성계수(Em)를 결정한 후에 아래의 식(2, 3)을 (Goodman, 1989) 이용하여 수직강성계수(kn) 및 전단강성계 수(ks)를 결정하였다.

수직강성계수 : (2)

전단강성계수 : (3)

여기서, Em은 암반의 탄성계수를 나타내며, Gm은 암반의 전 단탄성계수, Er은 암석의 탄성계수, Gr은 암석의 전단탄성계 수, s는 절리간격을 나타낸다.

위의 식에서 암반의 전단탄성계수(Gm)는 아래의 식 (4)의 E항에 암반의 탄성계수(Em)을 적용하여 결정하였고, 암석의 전단탄성계수(Gr)는 암석의 탄성계수(Er)을 적용하여 결정하 였다.

(4) 나머지 암반들에 대하여는 암반의 탄성계수(Em)를 경암을 기준으로 연암은 10배, 풍화암은 100배, 완전풍화암은 1000 배를 줄여서 결정하였으며, 마찬가지로 식 (2, 3)을 이용하여 수직 및 전단강성계수를 결정하였다. 암반과 굴착벽체의 인 터페이스의 수직강성계수(kn) 및 전단강성계수(ks)는 암반절 k_n E_mE_r

s E( _r–E_m) ---

=

k_s G_mG_r s G( _r–G_m) ---

=

G E

2 1( +ν) ---

=

그림 6. 해석에 사용된 굴착 진행단계(절리각도 60^o인 경우)

그림 7. H-pile +토류판의 치환벽체

리에서와 같은 값으로 가정하였으며, 인터페이스에서의 마찰 각은 암반절리에서 마찰각의 2/3를 적용하였다.

4. 발생토압의 크기 및 분포특성 비교 4.1 암반종류에 따른 토압분포 비교

그림 8은 각 절리각도에서의 암반종류별 발생된 겉보기토 압과 φ=35^o인 모래지반을 가정한 Peck의 경험토압 비를 비 교한 것이며, 표 3은 암반종류별 절리각도에 따른 발생 최 대 겉보기토압 비를 비교한 것이다.

절리각도가 0^o인 경우, 경암의 경우에는 다른 암반종류와 비교하여 토압이 거의 발생하지 않았으며, 최대 겉보기토압

비는 상단에서 0.02로 나타났고 굴착 깊이가 깊어짐에 따라 서 토압비가 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 연암의 경우 에도 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 토압비가 경암에서와 마 찬가지로 다소 감소하는 경향을 나타내었으며, 최대 겉보기 토압 비는 상단에서 0.13으로 나타났다. 풍화암의 경우에 발 생된 겉보기토압은 벽체의 양단보다 중간에서 다소 크게 나 타났으며, 약 0.72의 최대 겉보기토압 비가 발생하였다. 완 전풍화암의 경우 지표면 근처에서 발생된 토압은 상대적으 로 작으나 굴착 깊이가 깊어질수록 토압이 증가하여 굴착저 면 부근에서 약 2.0의 최대 겉보기토압 비가 발생하였다.

절리각도가 30^o인 경우, 앞에서와 마찬가지로 경암의 경우 에는 다른 암반종류와 비교하여 토압이 거의 발생하지 않았 표 2. 해석에 사용된 굴착벽체, 암석 및 절리, 암반과 굴착벽체의 인터페이스 물성치

case

굴착벽체 암석 및 절리

암반과 굴착벽체의 인터페이스

암석 절리 비고

E_a (MPa)

E_aI_a (MPa·m⁴)

γt

(t/m³) E_r

(MPa) ν γt

(t/m³) c, σt

(MPa) φ (^o)

k_n (MPa/m)

k_s (MPa/m)

c, σt

(MPa) φ (^o)

k_n (MPa/m)

k_s (MPa/m) 1

(경암) 1.03×10⁴ 23.20 0.79 1.0×10⁵ 0.2 2.7 0 50 2.33

×10⁵ 0.96

×10⁵ 0 33 2.33

×10⁵ 0.96

×10⁵

절리상태양호 (RMR=85) 2

(연암) 1.03×10⁴ 23.20 0.79 1.0×10⁴ 0.22 2.6 0 40 2.33

×10⁴ 0.95

×10⁴ 0 27 2.33

×10⁴ 0.95

×10⁴

절리상태보통 (RMR=61) 3

(풍화암)1.03×10⁴ 23.20 0.79 1.0×10³ 0.25 2.5 0 35 2.33

×10³ 0.93

×10³ 0 23 2.33

×10³ 0.93

×10³

절리상태불량 (RMR=44) 4

(완전 풍화암)

1.03×10⁴ 23.20 0.79 1.0×10² 0.3 2.4 0 30 2.33

×10² 0.92

×10² 0 20 2.33

×10² 0.92

×10²

절리상태매우불량 (RMR=30) 참조: Ea=굴착벽체의 탄성계수; EaI_a=굴착벽체의 휨강성; γt=굴착벽체 또는 암석의 단위중량; Er=암석의 탄성계수; ν=프아송비; c=절리 또는 인터페이스 점착력; σt=절리 또는 인터페이스 인장강도; φ=절리 또는 인터페이스 마찰각; kn=절리 또는 인터페이스 수직강성계수;

k_s=절리 또는 인터페이스 전단강성계수

그림 8. 암반종류별 겉보기토압 비(H-pile+토류판 벽체, 절리간격 1m)

으며, 최대 겉보기토압 비는 상단에서 0.02로 나타났고 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 토압비가 약간 감소하는 경향을 나 타내었다. 연암의 경우에도 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 토 압비가 다소 감소하는 경향을 나타냈으며 최대 겉보기토압 비는 상단에서 0.19로 나타났다. 풍화암의 경우에 발생된 겉 보기토압은 앞에서와 마찬가지로 벽체의 양단보다 중간에서 다소 크게 나타났으며, 약 0.79의 최대 겉보기토압 비가 발 생하였다. 완전풍화암의 경우 지표면 근처에서 발생된 토압 은 상대적으로 작으나 굴착 깊이가 깊어질수록 토압이 증가 하여 굴착저면 부근에서 약 1.91의 최대 겉보기토압 비가 발생하였다.

절리각도가 90^o인 경우, 앞에서와 마찬가지로 경암의 경우 에는 다른 암반종류와 비교하여 토압이 거의 발생하지 않았 으며, 최대 겉보기토압 비는 상단에서 0.02로 나타났고 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 토압비가 약간 감소하는 경향을 나 타내었다. 연암의 경우에도 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 토 압비가 다소 감소하는 경향을 나타내었으며 최대 겉보기토 압 비는 상단에서 0.19로 나타났다. 풍화암의 경우에 발생된 겉보기토압은 앞에서와 마찬가지로 벽체의 양단보다 중간에 서 다소 크게 나타났으며, 약 0.88의 최대 겉보기토압 비가 발생하였다. 완전풍화암의 경우 지표면근처에서 발생된 토압 은 상대적으로 작으나 굴착 깊이가 깊어질수록 토압이 증가 하여 굴착저면 부근에서 약 1.94의 최대 겉보기토압 비가 발생하였다.

절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우 발생된 토압은 모든 암반종류에서 절리각도에 따라서는 크게 차이가 나타나지 않 고 단지 암반 및 절리상태에 따라서 크게 차이가 있는 것으 로 나타났다. 절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우 경암과 연 암에서 발생된 겉보기토압은 Peck의 경험토압에 비해 상대 적으로 다소 작게 나타났으며(최대 겉보기토압 비 0.13~

0.19), 최대 겉보기토압은 벽체의 상단에서 발생하였다. 풍화 암에서 발생된 겉보기토압은 경암 및 연암과 비교하여 훨씬 크나 Peck의 경험토압과 비교하여 다소 작은 토압이 발생하 였고(최대 겉보기토압 비 0.72~0.88), 벽체의 중앙부에서 최 대 겉보기토압이 발생하였다. 완전풍화암에서 발생된 겉보기 토압은 다른 암반과 비교하여 훨씬 큰 토압이 발생하였으며, Peck의 경험토압과 비교하여 벽체 상단에서는 다소 작게 나 타났고(겉보기토압 비 0.66), 벽체하단에서는 Peck의 경험토 압과 비교하여 최대 2배 정도의 토압이 발생하였다.

하지만 절리각도가 60^o인 경우에는 절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우와 비교하여 서로 다른 토압발생 및 경향을 나타 내었다. 경암과 연암의 경우에 굴착벽체의 상단에서 발생한 표 3. 암반종류별 절리각도에 따른 발생 최대 겉보기토압 비

암반종류 절리각도(^o) 최대 겉보기토압 비

경암

0 0.02

30 0.02

60 1.34

90 0.02

연암

0 0.13

30 0.19

60 1.43

90 0.19

풍화암

0 0.72

30 0.79

60 1.15

90 0.88

완전풍화암

0 1.99

30 1.91

60 1.89

90 1.94

그림 8. 계속

최대 겉보기토압 비는 각각 1.34 및 1.43으로 나타났으며 굴착 깊이가 깊어질수록 토압비가 감소하는 경향을 나타내 었다. 풍화암의 경우 굴착벽체 상단에서 최대 겉보기토압 비 가 약 1.15로 나타났지만 전반적으로 굴착벽체 전체에 걸쳐 약 1.0의 비교적 일정한 겉보기토압 비가 발생했다. 완전풍 화암의 경우 다른 암반과 달리 굴착벽체 상단에서 약 0.25 의 다소 작은 겉보기토압 비가 발생했으나 굴착 깊이가 깊 어질수록 토압비가 증가하여 굴착저면에서는 최대 겉보기토 압 비 약 1.89가 발생하였다.

이와 같이 절리각도 60^o인 경우가 절리각도 0^o, 30^o 및 90^o인 경우와 비교하여 상대적으로 토압이 크게 발생한 이유 는 암반굴착에 따른 절리면에서의 활동이 유발되었기 때문 인 것으로 판단된다. 특히 경암과 연암에 있어서 벽체상단부 에서 발생된 최대 겉보기토압이 풍화암에서 발생된 토압보 다 다소 크게 나타났는데, 이는 작은 구속압하에서의 암반강 성과 관련한 블록거동에 기인한 것으로 판단된다. 완전풍화 암인 경우에는 절리각도에 따라 발생된 토압의 크기 및 분 포에 있어서 큰 차이가 없었으며, 이로부터 암반 및 절리상 태가 불량한 경우에는 절리각도가 발생토압에 크게 영향을 미치지 않는 사실을 발견할 수 있었다. 또한, 경암과 연암같 은 절리상태가 상대적으로 좋은 경우에는 벽체 하부보다 상 부에서 토압이 크게 발생하는데 이는 암반블록이 구속압이 작은 벽체상단부에서 보다 큰 변위에 노출되었기 때문인 것 으로 판단된다. 하지만 완전풍화암과 같이 암반이 매우불량 한 경우에는 벽체 하부로 갈수록 토압이 크게 발생하는데 이 이유는 깊은 심도까지 암반블록이 전체적으로 활동하여 벽체 하단부로 큰 압력을 유발시켰기 때문인 것으로 판단된다.

4.2 절리각도에 따른 토압분포 비교

그림 9는 각 암반종류에서 절리각도별 발생된 겉보기토압

과 φ=35^o인 모래지반을 가정한 Peck의 경험토압 비를 비교 한 것이며, 표 4는 절리각도별 암반종류에 따른 발생 최대 겉보기토압 비를 비교한 것이다.

경암에서 절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우에 발생된 겉 보기토압은 Peck의 경험토압과 비교하여 매우 작았으며 최 대 겉보기토압 비는 모두 약 0.02로 나타났다. 하지만, 절리 각도가 60^o인 경우에 발생된 토압은 Peck의 경험토압보다 다소 크게 나타났고 굴착깊이가 깊어짐에 따라서 겉보기토 압 비가 감소하는 경향을 나타냈으며 발생된 최대 겉보기토 압 비는 상단에서 1.34로 나타났다.

연암에서는 절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우에 발생된 겉보기 토압은 경암보다 조금 크게 나타났지만(최대 겉보기 토압 비 0.13~0.19) Peck의 경험토압과 비교하여 여전히 상 대적으로 작게 나타났다. 하지만, 절리각도가 60^o인 경우에 발생된 토압은 Peck의 경험토압보다 다소 크게 나타났고 발 생된 최대 겉보기토압 비는 상단에서 1.43으로 나타났다. 겉 보기토압 비는 절리각도에 관계없이 굴착깊이가 깊어짐에 따 라서 감소하는 경향을 나타냈으며, 특히 절리각도가 60^o인 경우에 다소 급격히 감소하였다.

풍화암에서 절리각도가 0^o, 30^o 및 90^o인 경우 발생된 겉 보기토압은 경암, 연암과 비교하여 상대적으로 크게 나타났 지만(벽체 중앙부에서 최대 겉보기토압 비가 0.72~0.88) Peck의 경험토압보다는 여전히 작게 나타났다. 하지만, 절리 각도가 60^o인 경우에는 Peck의 경험토압과 비교하여 비슷하 게 나타났으며, 발생된 최대겉보기토압 비는 벽체 중앙부에 서 약 1.15로 나타났다.

완전풍화암에서는 다른 암반과 달리 절리각도에 관계없이 굴착깊이가 깊어짐에 따라서 겉보기토압 비가 증가하는 경 향을 나타내었고, 발생된 겉보기토압은 벽체 중앙부부터 Peck의 경험토압과 비교하여 크게 발생한 것으로 나타났다.

그림 9. 절리각도별 겉보기토압 비(H-pile+토류판 벽체, 절리간격 1m)

발생된 최대 겉보기토압 비는 절리각도가 0^o, 30^o, 60^o 및 90^o인 경우 벽체하단부에서 각각 1.99, 1.91, 1.89 및 1.94 로 나타났다.

요약하면 경암과 연암에서는 절리각도가 60^o인 경우 발생 된 토압은 굴착깊이가 깊어질수록 감소되는 경향을 나타내 나, 완전풍화암에서는 굴착깊이가 깊어짐에 따라 발생된 토 압이 증가하는 경향을 나타내었다. 풍화암인 경우에는 이러 한 암반의 중간적인 특징을 나타내어 굴착깊이 전체에 걸쳐 다소 유사한 크기의 토압이 발생하였다. 또한 경암과 연암에 서 발생된 토압은 절리각도에 따라(특히 60^o) 매우 큰 차이

를 나타내고 있으나, 완전풍화암인 경우에 발생된 토압은 절 리각도에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 풍화암인 경우에는 이들 암반의 중간적 특징을 나타내어 절리각도에 따라 약간의 차이가 있는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 암 반상태가 양호할수록 토압은 작게 나타났으며, 암반이 매우 불량한 완전풍화암에서는 Peck의 토압보다 훨씬 더 큰 토압 이 발생할 수 있음을 알았다. 특히 절리각도가 60^o인 경우 에서는 절리면에서 활동이 발생하여 토압이 다른 절리각도 에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이상의 결과에서 살펴본 바와 같이 기존의 선행연구자들과 마찬가지로 암반 지층에서의 토압분포가 토사지반에서의 경험토압분포와 다를 수 있다는 것을 명확히 확인하였다. 특히 본 연구를 통해 절리를 포함한 암반지층에서의 토압분포 및 크기는 암반상 태 및 절리각도에 따라서 크게 차이가 날 수 있다는 것을 알았다. 따라서 향후 암반치층에서 굴착벽체 설계시 암반상 태 및 절리각도를 고려하여 설계토압을 산정하여야 하며 일 반적인 Peck토압의 무분별한 사용은 지양하여야 할 것으로 판단된다.

5. 결 론

암반굴착에서의 절리특성을 고려한 발생토압에 관한 수치 해석적 연구를 수행하였으며, 다양한 조건의 절리특성을 고 려하여 발생된 토압과 Peck에 의해 제시된 경험토압을 비교 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 절리면에서의 활동이 발생하지 않은 절리가각도가 0^o, 30^o, 90^o인 경우에 발생된 토압은 전반적으로 암반상태가 양호할수록 작게 나타났으며 Peck의 경험토압 대비 발생 된 최대 겉보기 토압비는 경암에서 약 0.02, 연암에서 0.13-0.19, 풍화암에서 0.72-0.88, 완전풍화암에서 1.9-2.0 그림 9. 계속

표 4. 절리각도별 암반종류에 따른 발생 최대 겉보기토압 비

절리각도(^o) 암반종류 최대 겉보기토압 비

0

경암 0.02

연암 0.13

풍화암 0.72

완전풍화암 1.99

30

경암 0.02

연암 0.19

풍화암 0.79

완전풍화암 1.91

60

경암 1.34

연암 1.43

풍화암 1.15

완전풍화암 1.89

90

경암 0.02

연암 0.19

풍화암 0.88

완전풍화암 1.94

로 나타났다. 이를 통해 절리가 형성된 암반이 매우 불량 한 완전풍화암에서는 Peck의 토압보다 더 큰 토압이 발생 할 수도 있음을 알 수 있었다.

2. 절리각도별 발생한 토압을 비교해 본 결과, 절리각도 60^o 인 경우에는 절리각도 0^o, 30^o, 90^o인 경우와 비교하여 암반굴착에 따른 절리면에서의 활동이 유발되어 상대적으 로 큰 토압이 발생하였다. 절리각도가 60^o인 경우에 있어 서 발생된 최대 겉보기 토압은 Peck의 경험토압 대비 경 암에서 약 1.3, 연암에서 약 1.43, 풍화암에서 약 1.15, 완전풍화암에서 약 1.89로 나타났다. 특히 벽체상단부에서 경암과 연암에서 발생된 토압이 풍화암에서 발생된 토압 보다 다소 크게 나타났는데, 이는 작은 구속압하에서의 암 반강성과 관련한 블록거동에 기인한 것으로 판단된다. 또 한, 다른 암반과 달리 암반이 불량한 완전풍화암의 경우에 는 절리각도에 따른 발생토압의 차이가 크게 나타나지 않 음을 알 수 있었다.

3. 암반상태가 양호할수록(경암 및 연암) 발생토압은 굴착 깊 이가 깊어짐에 따라서 다소 감소하는 경향을 나타냈으나, 암반상태가 매우 불량한 완전풍화암의 경우 굴착 깊이가 깊어짐에 따라서 증가하였다. 풍화암의 경우에는 이러한 암반의 중간적인 특징을 나타내어 굴착 깊이 전체에 걸쳐 다소 유사한 크기의 토압이 발생하였다. 이러한 이유는 암 반상태가 양호한 경우에는 구속압이 작은 벽체 상단부에 서 보다 큰 변위에 노출되는 반면, 완전풍화암과 같이 암 반이 매우 불량한 경우에는 깊은 심도까지 암반블록이 전 체적으로 활동하여 벽체하단부로 큰 압력을 유발시켰기 때 문인 것으로 판단된다.

4. 암반굴착에서 발생하는 토압은 암반조건, 절리특성에 따라 상이하게 나타날 수 있다는 것을 알았으며, 따라서 기존 경험토압식을 무분별하게 암반에 적용하는 것은 문제가 될 수 있는 것으로 판단된다. 다시말해서, 암반굴착에서의 토 압은 반드시 암반조건, 절리특성을 고려하여 토압크기 및 분포가 산정되어야 할 것으로 판단된다.

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