쌓기 암버력에 대한 지반강도정수 산정

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(1)기술기사. 쌓기 암버력에 대한 지반강도정수 산정. 김홍배 한국도로공사 심사처 팀장 (kimhb@ex.co.kr). 김형무 한국도로공사 심사처 차장 (hyoungmoo@ex.co.kr). 신은철 인천대학교 교수 (ecshin@inu.ac.kr). 송평현 (주)세일지오텍 대표이사 (geosph@empa1.com). 이아름 인천대학교 석사과정 (94arum2@naver.com). 1. 서 론 터널굴착시 발파로 인해 발생되는 암버력을 재활용하는 것은 경제적인 면에서 상당히 바람직한 현상이다. 그러나, 암버력에 대한 공학적 물성치시험 결과는 거의 전무한 현실이다. 특히, 암버력 쌓기재는 그 크기가 매 우 커 전단강도시험을 실시하는데 한계가 있어 대부분 문헌에 의한 지반강도정수를 사용하고 있으며 실제보 다 과소한 지반강도정수를 사용하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 대형전단시험기를 이용하여 암버력 쌓기재에 대한 전단강도시험을 실시하여 암버 력에 대한 전단강도를 규명하고자 하였다.. 026.

(2) 1.1 개 요 Mohr Coulomb에 의한 암석의 전단강도는 겉보기점착력(apparent cohesion)과 내부마찰각(internal friction angle), 연직응력(normal pressure)의 함수로 식 (1.1)과 같이 구성된다. τ= ca+σntanΦ . (1.1). 여기서, τ : 암석의 전단강도, ca : 겉보기점착력, σn: 연직 작용응력, Φ : 내부마찰각 현재 고속도로 암버력 쌓기비탈면 안정해석시 사용되는 전단강도정수는 표 1.1과같이 겉보기점착력은 무 시하고 내부마찰각은 35∼38°정도로 적용하고 있는 실정이다. 실제 암버력 쌓기재의 전단강도는 암버력들 이 서로 얽혀 쌓여 있어 전단파괴시 암버력 자체가 파괴되지 않고 암버력 입자들을 타 넘는 현상(그림 1.1)이 나 미끌림현상(그림 1.2)이 발생하여 겉보기점착력이 발생한다. 실제 암버력의 내부마찰각 또한 현재 설계시 표 1.1. 고속도로 암버력 쌓기재 설계반영 지반강도 정수 현황 구 분. 단위중량 (γ, kN/m3). 겉보기점착력 (ca, kPa). 내부마찰각 (∅, °). ○○∼○○ 고속도로 실시설계(제1공구). 20. 0. 37. 고속국도 제14호선 ○○∼○○간 건설공사(제2공구). 20. 0. 35. 경부선 387.2km ○○ 나들목 개량공사. 20. 0. 38. 027. 그림 1.1. 암석파괴개념. 그림 1.2. 미끌림에 의한 거동개념. 그림 1.3. 절리면 전단조건. 그림 1.4. 암버력 쌓기 전단조건. _Geotechnical Engineering.

(3) 기술기사. 반영하고 있는 값보다 큰 값으로 보고되고 있다. 개체가 분리된 암석의 절리면 전단시험시(그림 1.3)의 전단강도는 겉보기점착력이 있는 것으로 나타나며, 이는 절리면 거칠기에 따라 전단시 거칠기각을 타 넘는 현상(체적팽창수반, 그림 1.4)이 점착력 성분으로 나 타나게 되는 것이다.. 2. 암버력 쌓기재의 전단강도 사례 2.1 국내 암버력 쌓기재 전단강도 사례 국내의 암버력에 대한 전단강도실험은 대형 댐 건설시 주로 수행하였다. 신동훈등(2009a)이 대형삼축압축 시험에 의한 자갈질 재료의 기본물성시험결과와 전단강도정수는 표 2.1과 표 2.2에 각각 나타내었다. 한편, 신동훈등(2009b)이 발표한 대형삼축시험에 의한 상사입도 조립재료의 기본물성시험결과와 전단강 도정수는 표 2.3과 표 2.4에 각각 나타내었다.. 표 2.1. 자갈질재료의 기본물성시험 결과 구 분. A(gravel). B (gravel). C(Rockfill). 비 중. 2.60. 2.60. 2.69. 마모율(%). 32.1. 30.8. 29.6. 흡수량(%) 최대입경 (mm). 0.65. 0.67. 0.73. 원입도. 500. 500. 1500. 상사입도. 50.8. 50.8. 50.8. 7.3. 10.0. 5.0. 평균입경 D50(mm). 표 2.2. 자갈질재료의 전단강도정수 구 분. A(gravel). B (gravel). C(Rockfill). 겉보기점착력(c, kg/㎠). 0.386. 0.509. 0.164. 내부마찰각(Φ, °). 42.2. 42.8. 41.0. 표 2.3. 조립재료의 기본물성 구 분. 원입도. 상사입도(Dmax50). 상사입도(Dmax20). 상사입도(Dmax10). 균등계수(Cu). 27.97. 24.00. 24.26. 24.23. 곡률계수(Cc). 1.05. 1.07. 1.13. 1.03. U.S.C.S. GW. GW. SW~SM. SW~SM. 비 중. 2.60~2.70. 마모율(%). 0.65. 028.

(4) 표 2.4. 상사조립재료의 전단강도정수 구 분. 상사입도(Dmax50). 상사입도(Dmax20). 상사입도(Dmax10). 겉보기점착력(c, kg/㎠). 0.154. 0.193. 0.119. 내부마찰각(Φ, °). 41.537. 39.680. 38.675. 표 2.5. 국내 댐 사석재의 내부마찰각 적용 사례 구분. 재료입경(mm). 내부마찰각(φ, °). 한탄강댐(2002). 암버력. 34.8∼37.9. 화북댐(2004). 부항댐(2006). 300. 41.3. 600. 34.0. 150. 38.0∼39.5. 500. 40.9∼41.3. 800. 37.0∼42.1. 1500. 37.1∼39.6. 비고. 사석재. 사석재. 평림댐(1999). 사석재. 42. 감포댐(1999). 사석재. 42. 항만 및 어항설계기준. 사석재. 35~45. 대한토목학회(2002). 사석재 800mm. 44.5. 점착력 20kN/㎡. 국내에서 현재까지 댐사석재로 사용한 암버력과 사석의 겉보기점착력과 내부마찰각은 표 2.5와 같다.. 2.2 해외 암버력 쌓기재의 전단강도 사례 암버력에 대한 해외 전단강 도실험은 주로 대형 댐 건설 시 수행하였다. 대형댐공사시 사용한 채석장 암버력과 강 하상골재의 사진은 그림 2.1 과 그림 2.2와 같다(Sharma Pankaj et al., 2013). 이 시료들 의 전단강도 정수는 표 2.6과 같다.. 029. _Geotechnical Engineering. 그림 2.1. 채석장 암버력. 그림 2.2. 강 자갈.

(5) 기술기사. 표 2.6. 암버력 쌓기재의 입경 및 전단강도정수 재 료 채석장 암버력. 강 자갈. 구 분. Dmax:20mm. Dmax:40mm. Dmax:50mm. 점착력(c, kg/㎠). -. -. -. 내부마찰각(Φ, °). 45.08. 44.02. 43.69. 점착력(c, kg/㎠). -. -. -. 내부마찰각(Φ, °). 44.90. 47.12. 48.11. Dmax:80mm. 42.99. 49.31. 표 2.7. 삼축압축시험과 평면변형시험에 의한 암버력의 내부마찰각 연직응력(kPa). 삼축압축시험(Φ, °). 평면변형시험(Φ, °). 14. 53. 57. 35. 50.5. 54. 70. 48.5. 52. 140. 46.5. 50. 350. 44. 47.5. 700. 42. 45.5. 1400. 39.5. 43. 3500. 37.5. 41. 댐제방에 사용된 암버력의 구속응력별 삼축압축시험에 의한 내부마찰각과 평면변형 시험에 의한 내부마 찰각은 표 2.7과 같다(USSD, 2011).. 3. 암버력 쌓기재의 대형전단시험 3.1 대형전단시험기의 제원 및 암버력시료 본 연구에서 수행한 암버력시료 에 대한 전단강도 정수는 그림 3.1 에 나타난 대형전단시험기를 이 용하여 도출하였다. 대형전단시 험기의 제원은 폭이 80cm, 길이가 130cm, 그리고 높이가 80cm이다. 전단시험기의 상부상자는 50cm ×120cm×50cm이고, 하부상자는 50cm×120cm×30cm이다.. 그림 3.1. 대형전단시험기의 제원. 030.

(6) (a) 암버력시료의 무게 확인. (b) 동적장비를 이용한 다짐 그림 3.2. 대형직접전단시험의 준비과정. (a) 암버력시료 운반. (b) 시료 No-1. (c) 시료 No-2. (d) 시료 No-3 그림 3.3. 암버력시료들의 형상. 암버력시료의 단위중량을 측정하여, 다짐도를 맞추기 위하여 그림 3.2의 시료준비과정을 수행하였다. 전단시험용 암버력시료는 경기도 양평과 충남 아산에 위치한 터널현장에서 각각 채취하였다. 그림 3.3에 나타난 암버력시료는 모암이 다른 편마암으로 판명되었다.. 031. _Geotechnical Engineering.

(7) 기술기사. 표 3.1. 암버력 시료의 입도 시험 결과 통과 입경 (mm). 시료번호. Cu. Cg. USCS. 68.72. 1.51. 1.01. GP. 52.93. 60.63. 1.46. 1.12. GP. 49.87. 63.37. 1.82. 1.13. GP. D10. D30. D60. No-1. 45.65. 56.39. No-2. 41.31. No-3. 34.78. 표 3.2. 암버력 시료의 흡수율 및 비중시험 구분. No-1. No-2. No-3. 흡수율. 1.4 (%). 0.8(%). 0.62(%). 비중. 2.629. 2.558. 2.88. 표 3.3. 암버력시료의 압축강도, 탄성계수, 포아송비 공시체규격(mm) 직경. 길이. 단면적 (mm2). 최대하중 (kN). 일축압축강도 (MPa). 탄성계수 (MPa,x104). 포아송비. 1-1. 40. 80. 1,256. 117.47. 93. 1.13. -. 1-2. 40. 80. 1,256. 190.27. 151. 1.37. 0.24. 2-1. 40. 80. 1,256. 210.57. 168. 2.27. -. 2-2. 40. 80. 1,256. 127.26. 101. 1.48. 0.26. 3-1. 40. 80. 1,256. 215.87. 172. 1.70. 0.23. 3-2. 40. 80. 1,256. 145.70. 116. 0.95. -. 시료번호. No-1. No-2. No-3. 3.2 암버력의 기본물성시험 및 압축강도시험 결과 각각의 암버력시료에 대하여 입도분포시험(표 3.1)와 흡수율 및 비중 시험(표 3.2)을 실시하였다. 또한, 암 버력에서 코아를 채취하여 표 3.3에 나타난바와 같이 각 시료에 대한 일축압축강도, 탄성계수, 포아송비를 도 출하였다. 암석시료의 모암의 종류와 풍화도에 따라 일축압축강도의 편차를 보이며, 포아송비는 0.23∼0.26의 범위 를 보이고 있다.. 3.3 암버력시료의 대형전단시험 결과 연직응력(normal stress)은 50kN/m2, 100kN/m2, 150kN/m2의 조건으로 대형전단시험을 실시한 결과 각 시료별 전단강도 정수는 다음과 같다.. 032.

(8) 표 3.4. 암버력 시료별 시험 결과 시료구분. 겉보기점착력(kPa). 내부마찰각(°). No-1. 56.3~94.3(평균:76.5). 47.5~49.2(평균:48.2). No-2. 65.5~98.6(평균:77.5). 49.5~51.1(평균:50.5). No-3. 73.3~87.0(평균:80.3). 50.2~52.6(평균:51.4). 전체 평균. 78.1. 50.0. 각 암버력시료별 전단응력과 변형율의 관계는 그림 3.4 좌측에 도시하였으며, 이 결과로부터 그림 3.4 우측 의 전단강도 값을 도시하였다.. 시료 No-1 전단응력-변형률 곡선. 시료 No-1 전단강도. 시료 No-2 전단응력-변형률 곡선. 시료 No-2 전단강도. 시료 No-3 전단응력-변형률 곡선. 시료 No-3 전단강도. 그림 3.4. 암버력시료의 직접전단시험결과. 033. _Geotechnical Engineering.

(9) 기술기사. 3.4 전단시험 결과분석 3.4.1 암종별 특성 시료 No-1(호상흑운모편마암), 시료 No-2(호상편마암), 시료 No-3(화강편마암)의 전단시험 결과 화강 편마암(시료 No-3)의 전단강도가 다소 크게 나타났으며, 호상흑운모편마암(시료 No-1)의 전단강도가 다소 작게 나타났다. 암종별 전단강도변화의 뚜렷한 경향을 찾기가 어려우나 흑운모가 함유되어 있는 시료 No-1 에 비해 표면 거칠기가 다소 거친 화강편마암인 시료 No-3의 전단강도가 약간 큰 경향을 보여 표면의 강도 가 전단강도에 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.. 3.4.2 일축압축강도와의 연관성 표 3.5에 기술된 일축압축 시험결과 시료 No-1(호상흑운모편마암)은 122MPa, 시료 No-2(호상편마암)는 134.5MPa, 시료 No-3(화강편마암)은 144MPa로 나타나 호상흑운모편마암의 강도가 가장 작게, 화강편마암 의 강도가 가장 크게 나타났다. 직접전단시험결과 시료 No-1(호상흑운모편마암)의 겉보기점착력은 76.5kPa, 내부마찰각은 48.2°, 시료 No-2(호상편마암)의 겉보기점착력은 77.5kPa, 내부마찰각은 50.5° , 시료 No-3(화강편마암)의 겉보기점착. (a) 일축압축강도와 겉보기점착력관계. (b) 일축압축강도와 내부마찰각 관계. 그림 3.5. 일축압축강도와 겉보기 겉보기점착력, 내부마찰각 관계. 표 3.5. 암버력시료의 일축압축강도, 전단강도 시험결과 일축압축강도(MPa). 겉보기점착력(kPa). 내부마찰각(°). 범위. 평균. 범위. 평균. 범위. 평균. No-1. 93~151. 122.0. 56.3~94.3. 76.5. 47.5~49.2. 48.2. No-2. 101~168. 134.5. 65.5~98.6. 77.5. 49.5~51.1. 50.5. No-3. 116~172. 144.0. 73.3~87.0. 80.3. 50.2~52.6. 51.4. 시료번호. 034.

(10) 표 3.6. 균등계수 및 곡률계수에 따른 전단강도 시험결과 겉보기점착력(kPa). 내부마찰각(°). Sample번호. 균등계수 Cu. 곡률계수 Cg. 범위. 평균. 범위. 평균. Sample No-1. 1.51. 1.01. 56.3~94.3. 76.5. 47.5~49.2. 48.2. Sample No-2. 1.46. 1.12. 65.5~98.6. 77.5. 49.5~51.1. 50.5. Sample No-3. 1.82. 1.13. 73.3~87.0. 80.3. 50.2~52.6. 51.4. (a) 균등계수와 겉보기점착력. (b) 곡률계수와 내부마찰각. 그림 3.6. 균등계수와 겉보기점착력, 곡률계수와 내부마찰각의 관계. 력은 80.3kPa, 내부마찰각은 51.4°로 나타났다. 호상흑운모편마암의 전단강도가 가장 작게, 화강편마암의 전 단강도가 가장 크게 나타났다. 이는 일축압축강도가 클수록 암버력의 전단강도가 커짐을 의미하나 많은 수량 의 시험을 통하여 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다.. 3.4.3 균등계수와의 연관성 균등계수 및 곡률계수가 클수록 암버력의 전단강도가 커지는 경향을 보이는 것으로 나타났으나 편차는 크 지 않은 것으로 나타났다.. 4. 비탈면 안정해석 4.1 비탈면 안정해석 암버력 전단강도와 지층특성에 따른 비탈면의 안전율 변화를 분석하기 위하여 그림 4.1∼4.4와 같이 다양 한 조건에 따른 사면안정해석을 실시하였다. 연약지반 치환 암버력 쌓기재의 내부마찰각을 37°, 40° , 45° , 50°로 하고 겉보기점착력을 0kPa, 25kPa의 조건에 대하여 각각 하부의 치환 깊이를 1.0m, 2.0m, 3.0m, 4.0m로 하는 경우에 대하여 비탈면 안정해석을. 035. _Geotechnical Engineering.

(11) 기술기사. 그림 4.1. 연약지반이 분포하는 조건의 해석단면. 그림 4.2. 일반 퇴적층이 분포하는 조건의 해석단면. 그림 4.3. 고성토 표준경사 비탈면안정 검토 단면. 그림 4.4. 고성토 비탈면 경사완화 적용단면. 표 4.1. 비탈면사면 안정해석에 사용된 지반정수 구 분. 단위중량(γt, kN/m3). 점착력(ca, kPa). 내부마찰각(∅, °). 흙 쌓기재. 19.0. 15.0. 25.0. 연약지반(점성토). 18.0. 20.0. 0.0. 퇴적층(사질토). 18.0. 0.0. 25.0. 풍화토(N ≤ 30). 18.0. 10.0, 16.0(양양). 26.0(양양), 30.0. 풍화암. 20.0. 30.0. 33.0. 암버력 쌓기재. 20.0. 0.0~50. 37.0~50.0. 036.

(12) 그림 4.5. 겉보기점착력 0kPa 일때 내부마찰각에 따른 안전율 (건기시). 그림 4.6. 겉보기점착력 25kPa일때 내부마찰각에 따른 안전율 (건기시). 그림 4.7. 겉보기점착력 0kPa일 때 쌓기고별 내부마찰각에 따른 안전율(건기시). 그림 4.8. 겉보기점착력 25kPa일 때 쌓기고별 내부마찰각에 따른 안전율(건기시). 실시한 결과 내부마찰각 및 겉보기점착력이 클수록 안전율이 커지는 경향을 보였다.. 4.2.2 일반 퇴적층이 분포하는 조건 일반 퇴적층이 분포하는 조건의 지반에서 암버력 쌓기재의 내부마찰각을 37°, 40°, 45°, 50°로 하고 겉보 기점착력을 0kPa, 25kPa의 조건에 대하여 각각 암쌓기 높이를 2.5m, 5.0m, 7.5m, 10.0m로 하는 경우에 대하 여 비탈면 안정해석을 실시한 결과 암버력 내부마찰각 40° , 겉보기점착력 25kPa 조건에서는 쌓기높이 2.5m 시 건기 안전율 1.595로 기준을 만족하는 것으로 나타났다.. 4.2.3 암버력 고성토 조건(○○∼○○ 고속도로 적용사례) ○○∼○○ 고속도로 사례의 경우 내부마찰각을 35°로 하고 암버력 쌓기재의 경사를 표준경사로 하는 경 우 기준안전율을 만족하지 못하는 것으로 나타났으며 내부마찰각 40°인 경우 기준안전율을 만족하는 것으 로 나타났으며,겉보기점착력을 추가하면 보다 높은 안전율이 확보됨을 유추할 수 있다.. 037. _Geotechnical Engineering.

(13) 기술기사. 그림 4.9 내부마찰각 변화에 따른 겉보기점착력별 안전율(건기시) 그림 4.10 겉보기점착력 변화에 따른 내부마찰각별 안전율(건기시). 5. 결 론 암버력 쌓기재는 그 크기가 매우 커 실내실험에 의한 전단강도를 파악하기가 어려운 문제가 있어 설계시 문헌에 의한 경험치를 사용하거나 작은 크기의 암편을 이용하여 삼축압축시험 시험을 실시한 값을 사용하고 있는 실정이었다. 그러나, 지나치게 보수적인 값을 사용하는 문제, 시험에 사용되는 암편의 크기가 작아 일반 적으로 고속도로에서 시공되고 있는 암버력 쌓기재의 전단강도를 대변하기가 곤란한 문제점이 있다. 따라서, 각종문헌조사 및 대형직접전단시험을 실시하여 암버력 쌓기재의 전단강도를 파악하였다. 암버력 에 대한 국내외 관련문헌 및 금회 대형직접전단시험결과, 현재 고속도로 설계시 적용하고 있는 경험치보다 큰 값인 것으로 파악되었다. 따라서, 현재 고속도로에서 적용하고 있는 암버력의 점착력은 무시하고 내부마찰각 만 35°∼38°정도로 적용하고 있는 것은 실제보다 매우 작은 전단강도 값인 것으로 판단되며, 본 기술기사에서 해석하였던 연약 지반조건, 일반퇴적층 분포조건, 고성토 조건에 대한 암버력 치환, 쌓기높이, 표준경사 변화등과 각종 문헌을 고려할 때 내부마찰각 40°이상과 점착력은 20kPa이상의 값이 타당한 것으로 판단된다.. 참고문헌 1. ‌신동훈, 조성은, 임은상, 박한규(2009a), 자갈질 재료의 비선형적 전단강도 특성 평가법, KGS Spring National Conference 2009, March pp.27∼28 2. 신동훈, ‌ 김광일, 임은상, 김기영(2009b), 대형삼축시험에 의한 상사입도 조립재료의 변형 및 전단강도 특성, 한국지반공학 회논문집 제25권 12호 2009년 12월 pp. 57∼67 3. ‌Sharma Pankaj, Mahure NV, Gupta SL, Dhanote Sandeep and Singh Devender(2013), Estimation of Shear Strength of Prototype Rockfill Materials, International Journal of Engineering Sciences, 2(8) August 2013, pp. 421∼426 4. ‌USSD(2011), Materials for Embankment Dams, January, pp. 27∼28. 038.

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