강지보재 보강 숏크리트의 거동에 관한 연구

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2008 한국암반공학회춘계학술발표회 / 2008.3.20

손정훈(한라산업개발(주)) 박연준, 유광호, 김수만, 임두철(수원대학교) 이상돈(한국도로공사)

1. 서론

기존의 터널 지보재 설계에서는 지반이 불량한 조건에서 강지보재를 지보설계에 반영하고 있는데, 실제 터널 시공현장에서는 강지보재가 최대의 지보효과를 발휘할 수 있는 방식으로 시공이 이루어지 지 않고 있을 뿐만 아니라 일체화된 강지보재와 숏크리트의 지보능력에 대한 검증과 이를 설계에 직 접 반영할 수 있는 방법 등이 아직 제시되지 않고 있다. 또한 다소 불량한 지반조건에서 일반적으로 사용되는 H-beam 지보재는 비교적 무거워서 시공시 불편함이 따르고 또한 지보재 설치 후 지보재 배면에 숏크리트가 완전히 타설 되지 않아 타설 배면에 공동이 생기는 등의 문제점이 종종 발생하고 있다. 이런 문제의 해결을 위해, 원형 강봉을 삼각대 형태로 엮어 만든 격자지보를 사용하고 있으며, 최근 국내에서도 여러 현장에서 적용을 하고 있지만 외국의 경험적인 평가에 따라 시공이 이루어지 고 있어 국내 실정에 맞는 경량의 지보재를 도입할 필요성이 대두되고 있다. 이러한 지보재로서 NMT에서 이용하고 있는 철근보강 숏크리트(RRS; Reinforced Ribs of shotcrete)의 도입을 고려해 볼 수 있으며, 철근보강 숏크리트는 지보재 시공에 소요되는 비용을 줄일 수 있을 것이며, 강지보재를 시공할 때 발생되는 배면 공극을 없애 철근과 숏크리트가 완전 일체화되도록 시공함으로써 지보능력 을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있으나, 이러한 부분들은 아직 국내에서는 연 구가 진행되지 않고 있는 실정이다. 또한 숏크리트와 함께 시공되는 강지보재 종류별 지보성능이 아 직 제대로 규명되어 있지 않고, 숏크리트와 관련된 지보재의 성능을 설계에서 직접 고려하지 않고 있 으나, 이를 합리적으로 고려하여 지반 조건에 적합한 지보재 설계방법을 확립할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 휨인성 시험을 통하여 일반 숏크리트, 강섬유보강 숏크리트, 강지보재 종류에 따른 숏크리트에 관한 거동 특성을 파악하고, 강지보재별 성능을 비교분석하였으며, 시험결과로 얻어지는 이들의 변형 및 파괴 거동 특성을 설계 및 수치해석에 반영하기 위해 강지보재와 숏크리트를 등가물 성으로 고려하여 2차원 수치해석을 실시하였다.

2. 강지보재별 휨인성 시험 2.1 시험변수 및 시편제작

강지보재의 지보능력은 강지보재가 설치된 영역을 제외한 강섬유보강 숏크리트의 영역 크기에 영

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향을 받을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 시료의 폭과 길이를 다르게 시료를 제작하였다. 강지보재별 (H-beam, lattice girder, 철근보강, 섬유보강, 강섬유보강) 160×400×1200mm 크기의 시료와 160×160×1200mm 크기의 시료 두 종류를 거푸집에 부어서 시편을 제작하였고, 강지보재별 (H-beam, lattice girder, 철근보강, 강섬유보강) 160×400×1700mm 크기의 시편을 숏팅하지 않 고 거푸집에 타설하는 방법과 숏팅하는 방법으로 두 종류의 시편을 제작하였다. 실험의 차이를 두기 위해 시편의 길이를 500mm 늘여서 시편을 제작하였다. 제작된 시료의 종류와 규격은 표 2.1과 같다.

표 2.1 시료의 실험 변수 및 시편 종류

시편번호 지보재종류 강섬유 종류 시편크기 시료수 비고

HB-FW

H-beam

강섬유

400×160×

1200mm

3개

-

HB-FN 160×160×

1200mm -

LG-FW

lattice girder

400×160×

1200mm -

LG-FN 160×160×

1200mm -

RB6-FW 철근6개 400×160×

1200mm Steel ratio : 0.0244

RB4-FW 철근4개 400×160×

RB2-FN 철근2개 160×160×

SF-FW - 400×160×

1200mm -

SF-FN - 160×160×

1200mm -

PP-F - 합성

섬유

160×160×

1200mm -

HB-C H-beam

강섬유 400×160×

1700mm

3개 콘크리트

HB-S 6개 숏크리트

LG-C lattice girder

3개 콘크리트

LG-S 6개 숏크리트

RB6-C

철근6개

3개 Steel ratio : 0.0244 콘크리트

RB6-S 6개 Steel ratio : 0.0244

숏크리트 RB4-C

철근4개

3개 Steel ratio : 0.0163 콘크리트

RB4-C 6개 Steel ratio : 0.0163

숏크리트

SF-C - 3개 콘크리트

SF-S - 6개 숏크리트

철근보강 숏크리트의 적용 암반을 Q 분류값 0.1(RMR=35) 부근의 다소 불량한 암반으로 고려하 고 있기 때문에 강지보재는 한국도로공사 도로설계요령에 제시된 H-beam(100×100×6×8)과

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lattice girder(50×20×30)을 이용하여 시료를 제작하였다.

강지보재(H-beam 또는 lattice girder)시료의 두께는 숏크리트 타설 두께와 여굴을 고려하여 160mm로 하였으며, 피복두께는 스페이서를 이용하여 상⦁하부 동일하게 30mm로 제작하였다.

숏크리트 배합은 현재 한국도로공사의 강섬유보강 숏크리트 표준배합을 기준으로 하여 현장골재 함수비와 현장 강도발현 특성을 고려한 수정배합을 그대로 적용하였다.

2.2 시험방법

본 연구에서 수행된 각각의 강도시험은 길이가 1200mm인 시편은 KS F 2408 콘크리트 휨강도 시험법(단순보의 3등분점 하중법), 길이가 1700mm인 시편은 KS F 2407콘크리트 휨강도 시험법 (단순보 중앙점 하중법)에 따라 수행하였으며, 보 시편의 경우 그림 2.4(a)와 2.4(b)와 같은 기존의 Yoke 방식에 의거하여 시편의 순수처짐을 측정할 수 있도록 하여 시험을 수행하였으며, 거치대를 지 지점으로 사용하고 시편 양쪽 중앙에 LVDT를 설치하여 처짐을 측정하였다.

a)3등분점 하중재하 방식의 휨인성 시험 장면 b)중앙점 하중재하 방식의 휨인성 시험 장면 그림 2.2 하중재하 방식의 휨인성 시험 장면

2.3 강섬유보강 숏크리트의 강지보재별 휨인성 시험결과

각 시편에 대한 하중-처짐 곡선을 구하여, JSCE-G552에서 제시한 휨인성 평가방법으로 휨강 도, 등가휨강도, 잔류강도, 등가휨강도비를 파악하였다.

아래 그림 2.3 에서는 휨인성 시험 수행 후 강지보재별 시편의 대표적인 파괴형태를 볼 수 있다.

그림 2.3 (a), (b), (c)의 H-beam, lattice girder, 철근4개로 보강된 시편의 경우는 하중 재하점 근처에 휨인장 파괴가 발생한 모습을 볼 수 있지만, 철근보강중 RB4-C의 시편을 제외한 그림 2.3(d)의 철근보강 시편에서는 휨인장 균열이 나타나지 않고, 균열의 발생 형태가 거의 45〫의 경사를 이루는 전단 파괴의 현상이 지배적으로 나타났다. 이런 전단파괴는 H-beam과 lattice -girder로 보강된 시편과 RB4-C 시편과는 달리 바람직하지 못한 취성파괴를 야기한다. 취성파괴의 양상은 시 편의 파괴형태와 더불어 그림 2.4의 강지보재별 하중-변위곡선에서도 확인할 수 있다. 그림 2.4(d) 는 철근보강 시편의 하중-변위 곡선으로 하중이 급격한 곡선을 그리며 감소하는 모습을 볼 수 있으 며, 철근보강 시편의 취성파괴는 다른 시편에 비해 휨인성 시험을 통해 얻은 등가휨강도와 잔류강도 의 저하의 문제로 나타났다.

철근콘크리트에서는 전단에 의한 영향을 받지 않기 위해서는 받침부와 하중 재하점 사이의 거리 로 표현되는 전단경간 a와 보의 유효깊이 d를 따라 파괴형상이 달라진다고 하였다. a/d가 7을 초과

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할 경우 휨인장 파괴가 나타나며, a/d가 7이하에서는 전단응력의 영향을 받는 사인장 균열이나 전단 압축파괴, 전단인장파괴 등이 나타나는 것으로 알려졌다.

시험에 사용된 철근보강 콘크리트의 시편의 a/d는 7이하였으며, 향후 시편의 제작 시에는 철근보강 콘크리트의 정확한 성능평가를 위해서는 전단경간 a와 보의 유효깊이 d를 7이상, 안전측으로 8이상으 로 해야 할 것으로 판단된다. 또한 숏팅시 시편의 재료분리 현상과 뒤틀림 현상으로 하중 재하 시 편심 이 발생하여 시료 전체에 걸쳐 균등한 하중을 재하하지 못한 것이 영향을 미친 것으로 사료된다.

(a) H-beam (b) lattice girder

(c) 철근4개(RB4-C) (d) 철근6개(RB6-S) 그림 2.3 강지보재별 휨인성 시험에서의 지보재별 파괴 형태

(a) H-beam (b) lattice girder

(c) 철근4개(RB4-C) (d) 철근6개(RB6-S) 그림 2.4 강지보재 종류에 따른 하중-처짐곡선

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표 2.2는 강지보재별 시료의 평균휨강도 결과를 정리한 것이다. 각각의 시편별 평균휨강도는 SF-S시편을 제외한 모든 시편이 강지보재의 영향으로 한국도로공사 휨강도 기준 4.4MPa를 상회하 는 결과를 보여주고 있으며, 철근보강 콘크리트의 경우 시료 폭에 관계없이 다른 시편들보다 변동계 수가 큰 것으로 보아 전단파괴의 영향으로 휨인장 파괴가 발생하지 않아 철근의 성능이 제대로 발휘 되지 못한 것으로 판단된다. 강지보재별 보강된 폭 400mm 시편의 휨강도보다 폭 160mm의 휨강도 가 높게 나타난 이유는 강지보재의 단면적은 동일하지만, 콘크리트의 단면적이 2.5배정도 큰 것이 영향을 미친 것으로 보이며, 콘크리트보다 강지보재가 휨강도를 결정하는 중요한 요소라고 판단된다.

SF-FN, SF-FW, SF-C (강섬유보강)는 평균휨강도의 차이가 거의 없는 것으로 보아 시료 폭 에 영향은 미미한 것으로 나타났다. PP-F(합성섬유보강)의 휨강도는 강섬유보강 콘크리트보다 평 균휨강도가 약 8%정도 낮아, 지보효과는 강섬유보강 콘크리트보다 작은 것으로 판단된다. 시험장비 설치와 준비과정에서 SF-FW 시편 1개가 파괴되어 시험을 수행하지 못하였다.

숏크리트 시편의 경우 콘크리트 시편보다 변동계수가 큰 것으로 보아 숏팅시 재료분리 현상과 시 료의 뒤틀림 현상으로 하중 재하시 편심이 생겨 시료의 균등한 하중을 재하하지 못해 생기는 현상으 로 판단된다. 이와 같은 원인으로 인해 숏크리트의 휨강도 보다 콘크리트의 휨강도가 20%∼40%가 량 높게 나타났다. 이러한 결과는 숏팅하는 방법 및 작업자의 숙련도에 따라 시험결과가 다르게 나 타날 수도 있다.

표 2.2 휨인성 시험에서의 각 시편별 평균 휨강도

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표 2.3 강섬유보강 concrete의 강지보재별 보시편 등가휨강도비 평가결과 (_=30mm)

_

표 2.3은 강섬유보강 콘크리트의 경우에는 처짐 10mm에서의 결과를 정리한 것이고, 나머지 시료 는 처짐 30mm에서의 결과를 정리한 것이다. H-beam, lattice girder, 철근4개보강 콘크리트 시료 의 경우에는 잔류강도비가 모두 90%를 상회하는 것으로 나타났다. 시편에 휨인장 균열 발생 후에도 강지보재가 인장부재의 역할을 하여 일정 처짐에서도 강도발현을 하는 것으로 판단된다.

등가휨강도비는 모든 시료가 한국도로공사 기준 등가휨강도비 68%기준을 상회하는 결과를 나타 냈다. 등가휨강도비의 경우에는 철근6개가 들어간 RB6-C의 시편이 가장 낮게 나타났다. RB4-C시 편의 등가휨강도비가 높게 나온 이유는 등가휨강도비는 휨강도에서 등가휨강도를 나눈 것이므로, 휨 강도가 상대적으로 낮게 나타난 RB4-C시편에서의 등가휨강도가 RB6-C시편보다 상대적으로 높게 나타난 것으로 판단된다.

3. 등가물성을 고려한 해석 및 결과

수치해석은 지반 해석용 프로그램인 FLAC-2D ver 5.0을 사용하여 수행하였다. 지반은 높이 100m, 폭 50m 이며, 2차원해석에 사용된 터널형상 및 지반모델은 터널의 대칭성 및 계산 속도를

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줄이기 위하여 터널의 우측 반만을 모델링 하였다.

그림 3.1은 2차원 해석에 사용된 요소망이며, 터널형상은 한국도로공사의 2차선 도로터널 표준단 면을 사용하였으며, 측면 및 하부경계는 터널 굴착 시 발생하는 굴착상당외력을 감안하여 천단부에 서 상부경계와 바닥면에서 아래경계까지는 각각 5D(D: 터널 폭)로 모델링 하였고, 측벽부에서 좌, 우측경계까지는 4D(D: 터널 폭)로 모델링 하였다. 2차원 해석에 사용된 요소망수는 5400개이며 전 체 요소의 좌, 우측면 경계는 x방향(수평방향)변위를 구속하였고 하부경계는 y방향(수직방향)을 구 속하여 경계조건을 설정하였다. 또한 지반 심도가 터널에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 천단부에 서 지반심도를 변화시켜가며 응력조건에 따른 지보재의 거동을 살펴보았다.

일반적으로 강지보재는 숏크리트 강도가 발현되기 전에 설치와 동시에 역할을 수행하는 임시 지 보재로 간주되어 터널의 안정검토 시 고려하지 않으나, 매우 불량한 지반조건에서는 숏크리트와 일 체화되어 지속적인 지보효과를 발휘한다. 따라서 지보설계 시 다음의 식 (3.1)과 (3.2)에서 제시한 등가탄성계수(_)와 등가단면2차모멘트(_)를 산정하여 수치해석에 적용할 수 있다.

등가탄성계수 _ _ _

__ __

(3.1)

등가단면2차모멘트 __{= }

_

__ __

(3.2)

_ : 숏크리트의 탄성계수 _ : 강지보재의 탄성계수 _ : 숏크리트의 단면적 _ : 강지보재의 단면적 _ : 숏크리트 단면2차모멘트 _ : 강지보재 단면2차모멘트

상기한 식(3.2)가 성립하려면 숏크리트와 강지보재의 결합정도가 매우 양호하고, 균열 발생 시에 도 강지보재와 숏크리트의 분리가 없어야 하는 등 다소 무리가 있는 가정이 필요하다. 본 연구에서 는 이에 대한 고려로 시험결과에 의거하여 숏크리트가 인장파괴되면 잔류인장강도로 강도가 저하되 는 것으로 가정하였다.

강지보재와 숏크리트의 등가탄성계수와 등가단면2차모멘트를 구하였으며, 암반등급에 따른 강지 보재의 종간격을 고려하여 4등급 암반에서는 1.5m, 5등급 암반에서는 1.2m로 강지보재의 면적과 단면2차모멘트를 나누어 산정하였다.

표 3.1은 4등급과 5등급 암반에서 측압계수에 따른 등가지보재의 해석결과를 정리한 것이다. 4등 급 천단변위와 측벽변위 모두 유사하였으며, 최대 휨압축응력 또한 강지보재별로 유사하게 나타났다.

최대 휨압축응력 발생위치는 어깨부에서 모두 발생하였으며, 최대 휨인장응력은 발생하지 않았다.

4등급 암반에서는 모두 유사한 거동을 보이는 것을 볼 수 있고, 측압계수 2.0에서 1.0보다 천단부 에 휨압축응력이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 또한 어깨부에서 최대 휨압축응력을 나타냈으며, 5등 급 암반에서는 어깨부에서 최대 휨압축응력을 측벽부에서 최대 휨인장응력을 나타낸 것을 확인할 수 있다.

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표 3.1 4등급과 5등급 암반에서 측압계수에 따른 강지보재별 등가지보재의 해석결과

그림 3.1은 5등급 암반, 측압계수 2.0에서의 등가지보재별 파괴결과를 도시한 것이다. 모든 경우 에 23번 요소에서 인장파괴가 발생하였으며, H-beam과 lattice girder의 경우에는 천단부에서 압 축파괴가 발생하였다.

30 29

28 27

26 25 24 23 22 21 20 19 1718 1516 1314 1112 910 7 8 5 6 3 4 1 2

Compression failure Tension failure

H beam lattice girder 철근 H beam

lattice girder

그림 3.1 5등급암반에서의 등가지보재별 파괴양상 비교(측압계수=2.0)

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4. 결론

휨인성 시험결과 강지보재로 보강된 모든 시편에서는 강지보재의 영향으로 최대휨강도는 한국도 로공사 강섬유보강 숏크리트의 휨강도 기준 4.4MPa를 크게 상회하였다. 그러나 철근보강 시편에서 는 휨인장 파괴가 아닌 전단파괴가 발생하여 등가휨강도 및 등가휨강도비가 저하된 것으로 판단된 다. 시험 결과를 비교하였을 때, H-beam이 가장 고른 성능을 나타내었으며, 다음으로 lattice girder, 철근의 순이며, 철근 보강의 경우에는 전단파괴의 영향을 배제할 수 있도록 시편을 제작할 필요가 있다.

실제 터널에서는 암반등급에 따라 강지보재 설치간격이 달라지는데 이 간격 변화에 따른 강도의 변 화를 정확히 파악하기 위해서는 1m 폭 이상의 대형 공시체에 대한 시험이 필요할 것으로 판단된다.

강지보재는 일반적으로 해석에서 무시되나, 자립성이 약한 지반의 경우 숏크리트와 더불어 지보 력을 발휘하므로 해석에 고려하는 것이 바람직하다. 강지보재 성능 평가를 고려한 수치해석 결과 강 지보재 는 숏크리트의 파괴를 억제 시켜주는 효과가 있었다, 따라서 본 연구에서 제안된 숏크리트- 강지보재 복합체에 대한 등가물성을 구하여 해석에 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

참고문헌

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3. 이상필, 전석원, 터널 영구 지보재로서의 숏크리트고성능화 및 내구성 평가에 관한 연구, 서울대학 교, 공학박사 학위논문, 2006.

4. 천원공업(주), 터널용 강지보(Lattice Girder), 홍보 팜플렛, 1996.

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6. 한국도로공사, 터널숏크리트 품질개선, 2003.

7. JSCE, Steel fiber reinforced concrete research subcommittee, recommendation for design and construction of steel fiber reinforced concrete, Concrete Library of JSCE, No. 3, 1984.