1. 서 론
2. 연구 동향
3. 고강도 강관의 특성
3.1 터널에 적용되는 강관의 종류
3.2 강관 보강에 적용되는 고강도 강관과 일반 강관 비교
4. 강관의 인장강도 및 휨 전단력 실내실험
4.1 강관의 성능 확인시험
4.2 강관의 제작과 인장강도 및 전단력 시험
4.3 시험결과 및 분석
5. 강관의 응력을 고려한 현장 적용성 연구
5.1 강관의 발생응력 검토방법
5.2 굴착거리 및 이완하중고에 따른 강관의 발생응력
5.3 결과 분석
6. 현장 계측에 의한 강관의 보강효과
6.1 현장 계측개요
6.2 계측결과 및 분석
6.3 강관의 허용응력 검토결과와 계측결과에 대한 비교 분석
7. 결 론
1. 서 론
강관보강 그라우팅 공법은 터널 굴착 시 지반조건이 불량하거나 저토피 구간 등을 굴착하기 위해 사전에 터널 보강을 시행하거나 혹은 붕락된 구간을 복구하고 잔여구간을 원활히 굴착하기 위해 이완된 지반의 강성 증대 및 공극부 충전, 암반 붕락부의 봉합 등의 목적에 유용하게 적용되어 왔다.
그러나 이와는 다르게 강관보강 그라우팅으로 기 보강된 구간을 굴착하던 중 단층파쇄대, 함수층 등 매우 불량한 지반조건으로 인해 붕락된 사례를 보면 붕락이 발생된 구간에 설치되어 있던 강관이 심하게 꺾였거나 혹은 접합부가 파손되어 분리되는 등의 사례를 살펴볼 수 있으며 이 같은 사례는 Fig. 1에서 확인할 수 있다.
물론, 터널 붕락의 원인이 보강된 강관의 강성 문제만은 아니지만 강관과 주입재, 원지반의 복합지반으로 거동하는 특성을 고려할 때 강관의 강성은 터널의 안정성에 영향을 미치는 중요한 영향인자임에는 의심할 여지가 없다. 그러나 실무에서는 강관보강 그라우팅이 적용된 터널에 대한 보강효과를 검증함에 있어 단순히 수치해석에 의한 검토를 수행하고 있으며, 특히, 강관으로 보강된 영역은 복합지반으로 간주하여 검토한다. 또한, 복합지반의 물성치를 산정할 때 강관의 탄성계수 혹은 변형계수만을 영향인자로 고려하고 있으나 실제 강관이 보강된 터널의 거동과는 상이한 경우가 많으므로 다양한 조건에 대한 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 강관의 기계적 성질이 다른 강관이 터널에 미치는 보강 효과를 연구하기 위해 고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT275)의 연결부 유무에 따른 기초적인 인장강도 시험을 수행하고, 연결부 유무, 주입재의 충전 여부에 따른 휨 전단력 시험을 통해 보강 효과에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 기존 이론적인 강관보강 그라우팅의 설계법에서 제시된 이완하중에 따른 굴착거리별 강관의 발생응력 산정 결과를 통해 고강도 강관과 일반 강관의 경우 어떠한 차이가 발생하는지를 확인하였다. 특히, 실제 현장에 고강도 강관과 일반 강관을 동일 굴착면에 시공하고 강관의 변위 형상과 응력 계측을 통해 나타나는 거동 특성에 대해 분석하여 고강도 강관보강 그라우팅의 현장 적용성과 효과에 대해 검증하고자 하였다.
2. 연구 동향
강관보강 그라우팅에 대한 연구는 오랜 동안 국내외에서 매우 활발한 연구가 수행되고 있으며, 크게 4가지 분야로 구분할 수 있다. 보강 효과에 대한 연구, 강관의 거동에 대한 연구, 강관과 그라우트재가 주입된 복합 영역에 대한 등가물성의 산정방법에 대한 연구, 공법의 개발에 대한 연구로 구분할 수 있다. 먼저 보강 효과에 대한 연구사례는 수치해석을 통한 매개변수에 대한 연구와 현장 계측을 통해 터널과 주변지반의 거동 특성을 분석하고, 강관보강 그라우팅의 보강 효과를 확인하는 연구가 대부분을 이루고 있다. Barisone et al. (1982), Pelizza and Peila (1993), Choi et al. (1997)의 연구에서는 강관보강 그라우팅 적용 시 터널 굴착면의 안정효과와 터널 주변지반의 개량효과를 분석하였고, 터널 굴착면의 안정성을 증대시키고 지반침하 억제, 지하수 유입 차단 등에 매우 우수하다고 평가하였다. Yoo et al. (1995)은 보강영역의 강성, 횡방향 보강범위, 경사도에 대한 매개변수 변환연구를 3차원 수치해석을 통해 수행하였으며, 연구결과 UAM (Umbrella Arch Method) 공법은 지표침하보다는 천단침하 억제에 더욱 효과적이며, 강관의 경사도가 작을수록 하중경감 효과가 증대하고, 종방향 및 횡방향 아칭효과로 터널 주변의 접선응력과 토압이 현저히 감소하여 터널 안정성이 증대되는 것으로 연구결과가 도출되었다. 또한, Choi et al. (1997)은 보강효과 확인을 위해 보강 전후에 대한 수압시험과 지시약 반응시험, 빔 아치 형성에 의한 상부 토압 경감효과, 굴착 시 암괴 낙반현상에 따른 육안관찰에 의한 효과를 확인하여 터널의 안정성을 증대시킨 것으로 평가하였다. 한편, Kim (1995)은 지하철 터널을 모델로 2, 3차원 수치해석을 통해 주변 지반의 거동 억제효과, 지표침하 및 심도별 지층 변위 등을 비교, 분석하여 수직방향은 터널 천단부로부터 2D (D: 터널 직경)까지, 수평방향을 터널 중심에서 2D 영역까지 변위 억제 효과의 범위가 있는 것으로 평가하였고, Bae et al. (1997)은 국내 지하철에서 수집한 계측자료를 토대로 풍화암 지반에서 UAM 적용 시 기존 포오폴링 등 다른 보조공법에 비해 천단침하량은 25~50%, 지표침하량은 약 50% 정도 경감되고, 터널의 안정성도 약 2배 정도 증가한다고 하였다. Kim and Moon (2002)은 탄성계수와 지층두께에 대한 수치해석에 의한 매개변수 변환 연구를 수행하여 UAM의 보강효과를 천단변위에 대해 회귀분석을 실시하여 굴착면의 천단침하량(S0)과 수렴 후의 최대침하량(Smax)으로 표현되는 지수함수 형태의 천단침하량 예측식을 제안하였다.
한편, UAM으로 보강된 영역에 대한 등가물성 산정에 대한 연구사례로 Rhee et al. (1996)은 복합체 역학, 특히 변형률에너지법과 평균장 이론을 이용하여 원지반과 강화재의 혼합물성을 도출하는 방법에 대해 연구하였고, Bae et al. (1997)은 서울 지하철 5-A 공구에 대표 계측구간을 설정하여 여러 지반조사 방법에 의한 Umbrella Arch 공법의 시공효과 확인을 수행하여 시공 후 개량지반의 탄성계수가 약 4배 정도 증가한다는 결론을 제시하였다. Song and Cho (2006)은 보강영역의 물성치 결정에 있어 거시적 접근법의 개념을 기반으로 미시적 접근법을 적용한 등가 물성치를 결정하는 기법(5가지)을 제시하고 3차원 수치해석을 통해 제시한 기법의 적정성을 평가한 결과 강관과 구근의 직렬강성 시스템이 실제와 거의 유사한 거동을 나타내나 수치해석시 소요시간 과다 및 높은 난이도가 요구되므로 강관과 구근의 병렬연결 강성이 원지반과 직렬로 연결되는 보강지반의 직병렬 시스템으로부터 구한 등가 물성치를 이용한 해석법을 추천하였다. 최근 실무에서는 위 논문에서 제시한 등가 물성치 결정에 의한 기법이 많이 사용되고 있다.
강관의 거동에 관한 연구로는 Harazaki et al. (1998)가 충적층과 같은 연약지반에서는 UAM의 효과를 발현하기 위해서는 Face Bolting 등 굴착면의 보강에 의한 개량이 필요하다고 하였고, Oreste and Peila (1998)은 굴착면 전방을 독립된 스프링 연속체로, 강관은 선형탄성 거동을 한다고 가정하고, 강관의 부재력 분석에 관한 이론식을 제안하였다. 또한, Jang et al. (2002)은 터널 굴착면 지지에 요구되는 보강량을 정량적으로 계산할 수 있는 Beam-Spring 모델을 제안하였고, Cha (2004)는 강관에 의해 형성된 아치부 아래를 굴착하는 동안 강관은 빔으로 작용하게 되며, 형성된 빔의 축은 터널 축과 함께 거동하고 강관의 모멘트는 터널의 수직한 축방향의 변형에 반응한다는 연구결과를 발표하였다. Kim et al. (2002)은 강관에 변형율계를 부착하여 현장 계측을 통해 굴착 시 강관에 미치는 휨응력과 축응력 등의 변화경향을 계측하고, 하중계를 제안하였고, 아울러 이완하중에 따른 강관의 길이, 중첩시공거리, 설치 각도 등에 대한 설계법을 제안하였다.
앞서 수많은 연구 동향에서 알 수 있듯이 그동안 강관보강 그라우팅에 대한 대다수의 연구는 보강효과 확인을 위한 매개변수에 의한 수치해석적인 연구와 현장 계측이 주를 이루었고, 강관의 강성과 관련된 연구로는 Kim (2010)이 강관의 강성을 증가시키기 위해 철근 보강형 강관을 개발하여 휨강도에 대한 실내시험과 수치해석을 실시하여 보강효과를 검증한 정도일 뿐이다. 또한, 현장 실무에서 사용되고 있는 이중강관의 경우도 정량적인 연구보다는 정성적으로 강성을 40% 증가시켜 안정성에 유리하다는 정도로 인용되고 있다.
따라서 본 논문에서는 강관의 강성이 터널 안정성에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구를 위해 일반 강관(SGT275)의 강성이 두 배가 되는 고강도 강관(SGT550)에 대해 휨 전단력과 인장강도 시험결과를 비교 분석하고, Kim et al. (2003)이 제시한 강관의 응력 산정 방법을 통한 고강도 강관과 일반강관의 보강효과의 차이를 비교하였고, 마지막으로 실제 현장에 강관 보강 그라우팅 시공 중 계측을 통한 보강효과에 대해 검증하고자 하였다.
3. 고강도 강관의 특성
3.1 터널에 적용되는 강관의 종류
일반적으로 터널 보강공사에 사용되는 강관은 일반 구조용 탄소강관으로 SGT275 강종의 강관이 사용되고 있다. 강관 보강 그라우팅에 사용되는 강관의 길이는 일반적으로 12 m를 적용하기 때문에 현장에서는 작업의 효율성을 이유로 나사선이나 커플러 연결을 통해 6 m 혹은 4 m의 연결관(Fig. 2(a))이 사용되고 있으나 연결부의 취약성에 대한 문제가 제기되면서 최근에는 연결이 없는 단관(Fig. 2(b))과 병용되고 있다. 강관의 강성 증대에 대한 요구는 꾸준히 제기되었는데 실무에서는 SGT275의 이중관(Fig. 2(c))이 가장 많이 사용되고 있으며, 그 외에도 철근과 강관을 합성한 철근 보강형 강관(Fig. 2(d)) 등도 강성을 증대시키기 위한 강관으로 활용되고 있다.
한편, 우리나라와 유사한 일본에서는 2018년 일본 NSSMC, (주)오바야시구미, (주)카메야마가 공동으로 기술개발한 AGF공법에서 Φ114.3 mm × 3.5 t의 인장강도 1,000 MPa을 대구경 강관을 개발하여 실무에서 적용하고 있다.
3.2 강관 보강에 적용되는 고강도 강관과 일반 강관 비교
본 논문에서는 강관의 항복강도와 인장강도가 큰 SGT550 강종의 고강도 강관을 터널 보강용으로 적용하고자 연구를 수행하였다. 고강도 강관은 POSCO에서 개발된 PosH690 고강도 강판을 이용한 강관으로 항복강도가 550 MPa 이상으로 기존 일반 강관(SGT275)의 항복강도의 2배이며, 인장강도도 690 MPa로 일반 강관의 410 MPa보다 훨씬 큰 강관이다. 고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT275)의 기계적, 화학적 성질은 Table 1과 같다.
Table 1. Comparison of mechanical properties and chemical composition of steel pipes
강관 보강 그라우팅에 적용되는 고강도 강관(SGT550)의 제원은 가급적 기존 강관보강 그라우팅에 적용되는 일반 강관(SGT275)의 파일 부재력과 유사하도록 선정하였으며, 고강도 강관의 경우 직경과 두께를 모두 줄여 강관의 부재력은 기존 강관과 유사하되 동일한 천공경내에서 충분한 그라우트 주입이 될 수 있도록 하였다. 강관 보강 그라우팅에 적용되는 강관의 제원은 Table 2와 같다.
Table 2. Comparison of steel pipe specifications
Table 2에서 나타난 바와 같이 고강도 강관(SGT550)은 직경과 두께를 감소시켰음에도 부재력은 기존 일반 강관(SGT275)의 부재력보다 큰 것을 확인할 수 있으며, 반면 m당 단위중량은 감소된 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 시공성이나 작업성은 향상될 것으로 예상되며, 강관의 부재력이 증가함에 따라 안정성에도 기여할 것으로 예상된다. 이에 대한 성능확인을 위해 고강도 강관(SGT550) 과 일반 강관(SGT275)에 대한 강관의 인장강도 및 휨 전단력 시험을 수행하였다.
4. 강관의 인장강도 및 휨 전단력 실내실험
일반적으로 터널의 강관 보강 그라우팅시 12 m 강관을 적용하며, 이 때 강관의 형태는 단관 또는 연결관을 사용하고 있다. 단관은 12 m의 강관에 연결부가 없는 강관을 말하고, 연결관은 짧은 단관을 커플러로 연결하거나 암수 나사선을 주어 연결 혹은 한쪽 강관을 축관하고 연결하는 등의 방법을 통해 2개 이상의 강관을 연결한 것을 말한다. 이러한 연결관은 연결부가 가장 취약한 것으로 알려져 있어 최근에는 단관 형태의 강관의 사용이 늘어나고 있는 추세이다.
본 강관의 인장강도 및 휨 전단력 실내시험에서는 고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT275)에 대해 단관 뿐 만 아니라 연결관에 대한 인장강도 시험을 수행하여 상호 비교하였고, 휨 전단력 시험에는 강관의 이음방법에 따라 일반 커플러 형태(JY), 이음 강관에 암수 나사선을 주어 연결하는 방법(JY1), 한쪽 강관을 축관하여 연결하는 방법(JY2)에 대한 시험을 각각 수행하여 강도 특성을 확인하였으며, 이 때 강관의 내부가 그라우트로 완전히 충전된 경우와 그렇지 않은 경우에 대해서도 각각 시험을 수행하였다.
4.1 강관의 성능 확인시험
강관의 인장강도와 휨 전단력을 확인하기 위하여 실내시험을 수행하였으며, 시험을 통해 강관별 성능을 평가하고자 하였다. 시험은 강관 내부의 주입재 충전유무, 강관 연결부 유무 등 다양한 경우에 대해 수행하였다.
4.2 강관의 제작과 인장강도 및 전단력 시험
강관보강 그라우팅에 적용되는 강관의 인장강도 시험조건은 Table 3에 정리하였다.
Table 3. Tensile strength test cases of steel pipes
인장시험시에는 고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT275)의 대구경, 소구경에 대해 단관형태와 커플러를 통한 연결관의 강도시험을 총 27개의 강관에 대해 수행하였다. 강관 길이는 인장시험기의 제원을 고려하여 결정하였다.
한편, 강관의 전단력에 대한 시험조건은 Table 4에 정리하였다.
Table 4. Shear force test cases of steel pipes
휨 전단시험의 경우 강종별 대구경, 소구경에 대한 강관 이음여부(단관, 커플러, 나사선 및 축관), 강관 내 그라우트 충전 여부에 따라 휨 전단 시험을 수행하였으며, 총 54개의 강관에 대해 수행하였다. 시험용 강관의 제작과정은 Figs. 3, 4에서 보이는 바와 같다.
강관 시험체 내에 그라우트 주입 및 양생을 위해 한쪽에 주입구가 있는 마개를 제작하여 강관과 접합을 시킨 후 강관 내 주입하여 양생을 시켜 그라우트로 충전된 강관 시험체를 준비하였다.
4.3 시험결과 및 분석
고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT275)에 대한 휨 전단력과 인장강도 시험결과 고강도 강관이 강관의 직경과 두께가 작음에도 일반 강관과 비교하여 휨 전단력 및 인장강도 시험에서 강도가 우수한 것으로 나타났다. 강관의 연결 형태별 시험에서는 이음이 없는 단관의 경우가 커플러 등을 사용하여 연결하는 강관보다 우수한 강도를 나타냈다. 이러한 이유는 연결부에 나사선을 생성하기 위해 강관 접합부를 인위적으로 절삭하기 때문에 강관 두께가 얇아져 가장 취약부가 되기 때문이다.
인장강도 시험 전경과 시험결과는 Fig. 5와 Table 5에 정리하였다.
Table 5. Tensile strength test result of steel pipes
인장강도 시험결과 단관 형태의 강관이 커플러로 연결된 강관보다 일반 강관(SGT275)에서는 57.5~58.5% (대구경), 고강도 강관(SGT550)에서는 대구경은 43.8~45.3%, 소구경은 46.7% 정도의 큰 강도를 나타냈다.
커플러가 있는 경우 동일한 대구경의 고강도 강관이 일반 강관보다 58.8~60.9% 정도 큰 인장강도를 나타냈고, 단관 형태의 경우 대구경은 50.2%, 소구경은 47.0%가 고강도 강관이 더 큰 인장강도를 나타내 고강도 강관이 일반 강관보다 모든 경우에 대해 큰 인장강도로 나타나는 것을 알 수 있었다. 한편, 동일 강종에서는 대구경과 소구경의 인장강도의 차이가 크지 않는 것으로 나타났으며, 이는 직경이나 두께에 관계없이 강관의 인장강도는 강종에 따른 특성이기 때문으로 판단된다.
Table 4의 결과를 그래프로 나타내면 Fig. 6과 같다.
강관에 대한 휨 전단 시험 전경은 Fig. 7과 같다.
Fig. 7의 휨 전단력 시험에서 보이는 바와 같이 Fig. 6(a)는 연결부가 없는 단관 형태의 경우 휨 전단파괴 형상이고, Fig. 6(b), 6(c), 6(d)는 연결부가 있는 강관의 휨 전단파괴 형상이다. JY는 커플러를 통한 이음방식, JY1은 나사선에 의한 이음, JY2는 축관에 의한 이음방식이며, 모두 연결부에서 파괴가 발생했다.
휨 전단력에 대한 시험결과 연결부가 있는 경우 고강도 강관(SGT550)이 일반 강관(SGT275)에 비해 29.2~54.3% 정도 큰 휨 전단력이 나타났으며, 연결부가 없는 단관 형태의 경우는 고강도 강관이 일반 강관에 비해 40.8~49.1% 정도 크게 나와 연결부 유무와 상관없이 고강도 강관의 휨 전단력이 더 우수한 것으로 나타났다. 단관 형태일 경우 일반 강관의 경우는 연결부가 있는 강관대비 44% 이상 큰 휨 전단력를 나타냈고, 고강도 강관의 경우는 단관 형태가 78% 이상의 큰 휨 전단력을 나타냈다. 휨 전단력 시험결과는 Table 6에 정리하였다.
Table 6. Bending shear force test result of steel pipes
강관 연결부의 이음 방법에 따라 휨 전단력의 차이가 발생하는 것으로 나타났는데 시험결과 축관(JY2)이나 커플러(JY)를 사용하는 것이 강관에 나서선을 만드는 경우(JY1)와 비교하여 최소 18.8% 더 큰 휨 전단력을 나타냈다. 이는 나사선이 형성되는 구간에는 강관의 두께가 얇아지기 때문에 강관의 두께가 변함이 없는 커플러나 축관을 통한 이음 방법보다 나사선으로 연결하는 이음방법이 더 불리한 것으로 판단된다. 한편, 연결부가 있는 강관이 강종에 관계없이 휨 전단력이 크게 저하되므로 가급적 단관 형태의 강관을 적용하는 것이 안정성 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
Table 6의 결과를 그래프로 나타내면 Fig. 8과 같다.
Fig. 8에서 보이는 바와 같이 동일한 강종과 직경을 가진 경우 그라우트가 주입된 경우(Ⓕ)와 주입되지 않은 경우에 대해서는 일반 강관(SGT275)의 나사선 이음(JY1)방법의 경우를 제외하곤 휨 전단력 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 강관의 강도에 비해 상대적으로 그라우팅의 강도가 작고 그라우트는 인장에 대한 저항력이 매우 작기 때문에 휨 전단력에 미치는 영향이 미미한 것으로 판단되며 특히, Fig. 8(b)에서는 단관 형태의 연결부가 없는 소구경(S.D) 강관의 경우 그라우트 충전여부와 상관없이 모두 같은 휨 전단력이 측정되었다.
5. 강관의 응력을 고려한 현장 적용성 연구
5.1 강관의 발생응력 검토방법
일반적으로 설계단계에서는 강관보강 그라우팅이 적용된 터널의 안정성을 평가할 때 강관 그라우트가 보강된 부채꼴 모양의 등가영역을 설정한 후 보강영역의 물성치를 탄성계수와 점착력의 등가물성치로 적용하여 수치해석을 통한 터널의 안정성 검토를 수행하고 있어 강관의 응력에 따른 영향은 무시하는 경향이 있다. 하지만 앞서 살펴본 바와 같이 강관으로 보강된 터널의 붕괴사고 발생 시 보강영역의 복합강성이 아닌 강관의 강도 부족, 연결부 꺾임 등으로 인한 파괴가 발생하여 보강효과를 상실하는 경우가 많아 강관의 항복강도가 중요한 인자임을 알 수 있다. 따라서 본 절에서는 강관의 항복강도를 고려한 고강도 강관(SGT550) 및 일반 강관(SGT275) 적용 시 강관의 허용응력 검토를 통해 터널 굴착에 따른 보강효과를 비교 ‧ 평가하였다.
Kim et al. (2003)은 현장 계측을 통한 강관의 거동을 분석하고 실제 현장에서 적용될 수 있는 UAM 설계법을 제안한 바 있으며, 본 연구에서 강관의 작용응력은 이를 참조하여 산정하였다. 또한, Fig. 9는 강관에 작용하는 하중계를 의미하며, 강관 설치 후 터널을 굴착함에 따라 작용하는 하중은 크게 연직하중과 수평하중의 2가지로 구분된다.
Fig. 9와 같은 분포로 강관에 하중이 작용할 때 터널 굴착에 따른 강관에서의 최대 휨응력 발생위치는 x가 되며, 그 때의 길이로서 최종 Le (강관의 유효길이)가 결정된다. 또한, Fig. 10에서 강관에 작용하는 수평하중에 대해 상재압 및 지반과 그라우트재와의 마찰력에 의해 저항하는 길이(Lb)가 결정된다.
아울러 강관시공 후 굴착거리(xe)가 증가함에 따라 이완하중에 의해 강관에서 발생하는 조합응력(휨응력 + 축응력)이 만족하는 범위 내에서 최대 휨응력 발생위치(x)를 결정할 수 있으며, 이를 통해 최종적인 Le를 결정할 수 있다. 따라서 강관에서 발생하는 최대 휨응력과 축력이 식 (1)의 조건을 만족하는 범위 내에서 강관의 최종길이가 결정된다.
| $$x=\frac{P_\max}A\pm\frac{M_\max}Iy<\sigma_y$$ | (1) |
여기서, 는 수평하중의 합, 는 연직하중에 대한 최대 휨모멘트, 는 강관의 항복강도이다.
이러한 설계법은 토사, 풍화암과 같은 연속체 거동에서 강관보강 그라우팅의 효과를 평가하기에 적합하고, 암반의 경우에는 파괴 블록에 의한 불연속체 거동을 하기 때문에 강관 보강 그라우팅의 거동이 상이하므로 앞으로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
5.2 굴착거리 및 이완하중고에 따른 강관의 발생응력
강관의 발생 응력을 이완하중고에 따른 굴착거리별 고강도 강관(SGT550)과 일반 강관(SGT550)의 소구경 및 대구경 강관에 대해 산정하여 비교 ‧ 분석하였다. 지반물성치와 터널의 제원 등은 Table 7에 나타냈으며, 동일한 조건에서 연구를 수행하였다.
Table 7. Conditions for calculation of stress in steel pipe
터널의 제원은 일반적인 고속도로 터널에 적용되는 제원을 적용하였고, 굴착높이는 상반 굴착만을 고려하였으며, 강관의 설치 제원도 일반적인 간격과 설치각도를 적용하였다. 5.1절의 설계법을 통해 이완하중고에 따른 굴착거리별 소구경 및 대구경 강관에서 발생하는 응력을 산정한 결과는 Table 8과 Table 9에 나타내었다.
Table 8. Stress of small diameter steel pipe according to excavation distance and relaxed loads (MPa)
Table 9. Stress of large diameter steel pipe according to excavation distance and relaxed loads (MPa)
5.3 결과 분석
동일한 터널의 굴착조건에 대해 터널 굴착거리별, 이완하중고에 따른 강관의 발생 응력의 경향은 Fig. 11과 같다.
소구경 강관의 경우 일반 강관(SGT275)은 이완하중고 3.0, 4.0, 5.0 m에서 각각 굴착거리 5.5 m, 4.0 m, 3.0 m까지 강관에 발생하는 최대응력이 허용응력 이내로 강관의 안정성이 확보되는 것으로 검토되었으나 고강도 강관(SGT550)의 경우 이완하중고 5.0 m에서도 굴착거리 6.0 m까지 강관의 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다.
이러한 결과는 이완하중고가 4.0 m 이상 예상될 경우에는 일반 강관(SGT275)은 12 m 길이의 강관 중첩길이를 4.0 m씩 설치하여 3열 보강을 해야 강관의 허용응력을 만족하지만 고강도 강관(SGT550)은 중첩길이를 6.0 m씩 2열 보강을 하여도 강관의 허용응력을 만족하여 터널의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 즉, 기존의 일반 강관보다 고강도 강관을 사용할 경우 시공효율성이 증대되고, 보강효과가 더욱 우수하다는 것을 알 수 있다.
대구경 강관의 경우 일반 강관(SGT275)은 이완하중고가 5.0 m로 예상될 때 강관의 허용응력을 만족하는 굴착거리는 5.0 m까지인데 반해서 고강도 강관(SGT550)의 경우 6.0 m까지 강관의 허용응력에 대한 안정성을 확보하는 것으로 분석되었다.
이러한 결과로 볼 때 고강도 강관(SGT550)은 일반 강관(SGT275)에 비해 우수한 보강효과를 발휘할 수 있을 것으로 판단되며, 강관의 직경과 두께를 축소함에도 기존의 일반 강관 대비 동등 이상의 보강 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 현재 실무에서 강관보강 그라우팅에 대한 안정성 검토시 수행하고 있는 수치해석을 통한 터널의 안정성 검토 외에도 이와 같은 강관의 허용응력에 대한 안정성 여부에 대해서도 검토하여 강관의 설치 간격 등에 대한 적정성을 검토할 필요가 있다고 사료된다.
6. 현장 계측에 의한 강관의 보강효과
이론적인 방법에 의한 강관의 발생응력 산정을 통해 고강도 강관의 보강효과를 검증하였으나 실제 현장에 시공된 강관의 거동 특성도 이와 유사한지에 대한 확인을 위해 강관보강 그라우팅이 적용되는 대상 현장에 시험시공을 실시하여 계측결과를 토대로 고강도 강관(SGT550)과 일반강관(SGT275)에 대한 터널의 보강효과를 비교, 분석하였다.
6.1 현장 계측개요
강관의 보강효과를 검증하기 위해 실제 심층 풍화대 구간의 강관보강 그라우팅이 적용되는 구간에 일반 소구경 강관(SGT275 (D60.5 × 4 t))과 고강도 대구경 강관(SGT550 (D54.0 × 2.9 t))에 형상변위계와 변형율계를 부착하여 터널 좌, 우측에 대해 각 1공씩 설치하고 계측을 시행하였다.
현장 계측구간에 대한 시공 및 계측의 개략적인 개요는 Fig. 12와 같다.
터널 굴착면의 Face mapping 결과 굴착면 좌우측에 대한 지반조건 변화는 없으며, 굴착면 전체가 풍화대로 존재하는 지반조건이다. 지표부터 하부 약 13 m정도는 풍화토이고, 아래 터널 상반까지는 모두 풍화대가 존재하는 구간이다. 굴착 시 터널 거동을 파악하기 위해 천단 및 내공변위계를 설치하였고, 강관에는 형상변위계(1 m 간격)와 변형율계(2 m 간격)를 설치하였다
6.2 계측결과 및 분석
강관 보강 그라우팅 시공 후 상반 굴착을 약 6 m 거리까지 시행하였을 때 강관의 형상침하계와 변형율계의 계측결과는 Fig. 13과 같다.
강관에 부착된 형상변위계와 변형율계(응력)의 계측은 강관 설치 초기부터 상반 6 m 굴착 시까지 매회 계측을 실시하였으며 변위에 대한 경향은 Fig. 13(a)와 같이 나타났다. 일반 강관(SGT275)은 최대 0.515~1.125 mm의 변위가 발생하였으며, 고강도 강관(SGT550)은 0.255~0.490 mm의 변위가 발생되어 일반 강관에 비해 60% 정도 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 13(b)는 6 m 굴착 후 측정된 강관의 형상변위를 나타내며 일반 강관(SGT275)은 9~12 m 부분에서 다소 큰 변위형상을 나타내고 있으나 고강도 강관(SGT550)은 전체적으로 큰 편차 없는 변위형상을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 변형율계를 통한 강관의 응력 측정결과는 Fig. 13(c), 13(d)에 나타냈으며 전체적인 경향은 형상변위계의 형태와 유사하다. 일반 강관은 60.3~76.1 MPa의 범위로 발생하였으며, 고강도 강관은 16.6~21.1 MPa의 범위로 응력이 발생하였다. 고강도 강관에 발생하는 응력은 일반 강관에 비해 70% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 사유는 고강도 강관의 부재력이 일반 강관의 부재력보다 커 이완하중에 의해 전달되는 응력이 하중전이로 인해 실제 강관에 미치는 응력은 적기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 터널 천단 및 내공변위는 6 m 굴착이 완료된 후 측정결과 각각 1.3 mm와 2.6 mm 정도로 나타났으며, 미미한 영향을 나타내고 있다.
6.3 강관의 허용응력 검토결과와 계측결과에 대한 비교 분석
앞서 5절에서 제시된 이론식을 통한 강관의 발생응력과 현장 시험시공을 통해 계측된 결과를 비교하여 일반 강관과 고강도 강관의 보강 효과에 대해 비교 ‧ 분석하였고, 이를 Table 10에 나타냈었다.
Table 10. Stress comparison of steel pipes
Fig. 14에 나타난 바와 같이 일반 강관(SGT275)은 이론식을 통한 응력예상값과 현장 계측값이 유사하게 나타나고 있으나 고강도 강관(SGT550)의 경우는 응력예상값보다 훨씬 작은 응력이 계측된 것으로 나타난다. 이러한 경향은 지반 내 복합적인 원인(지하수, 측압계수, 발파 이완하중, 물성치 등)으로 인해 나타나게 되므로 구체적인 원인에 대해서는 많은 추가적인 연구가 필요하겠지만 앞서 기술한 바와 같이 고강도 강관이 응력의 하중전이에 따른 아칭효과에 더 유리한 원인도 있을 것으로 판단된다. 한편, Tables 11~16은 굴착 단계별 강관의 예상 응력과 실제 단계별로 계측된 응력을 비교하여 강관 위치별로 발생되는 응력을 표시한 것이다.
Table 11. Stress comparison of steel pipe after 1 m excavation
Table 12. Stress comparison of steel pipe after 2 m excavation
Table 13. Stress comparison of steel pipe after 3 m excavation
Table 14. Stress comparison of steel pipe after 4 m excavation
Table 15. Stress comparison of steel pipe after 5 m excavation
Table 16. Stress comparison of steel pipe after 6 m excavation
강관의 길이별로 작용하는 응력에 대한 분포 경향을 살펴 보면 일반 강관(SGT275)은 강관길이에 대한 인장과 압축응력의 변화폭이 상대적으로 크고, 발생응력도 크다. 반면, 고강도 강관(SGT550)의 경우 인장과 압축응력의 변화폭이 작고, 특히 강관의 11 m에 위치하는 계측위치에서는 일반 강관에 비해 약 70%정도 작은 값을 나타내고 있다. 즉, 일반 강관은 굴착에 따른 이완하중에 대해 하중 전이로 인한 변화폭이 크고, 고강도 강관의 경우는 하중 전이로 인한 강관의 변화폭이 작다는 것이며, 이는 강관의 강도에 의한 차이라고 판단된다.
이러한 경향으로 볼 때 고강도 강관(SGT550)은 일반 강관(SGT275)과 비교 ‧ 분석한 결과 동등 이상의 보강효과가 있으며, 현장 적용성도 충분한 것으로 판단된다.
7. 결 론
본 연구에서는 고강도 강관보강 그라우팅의 현장 적용성에 대한 연구를 위해 기존 연구동향에 대한 조사를 수행하고, 고강도 강관(SGT275)과 기존에 사용하는 일반 강관(SGT275)에 대한 휨 전단력과 인장강도에 대한 실내시험을 수행했으며, 기존에 제시된 이론적인 강관보강 그라우팅 설계법을 통해 굴착에 따른 강관의 응력경향에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 실제 현장에서 시공된 강관의 응력 경향을 파악하기 위해 고강도 강관과 일반 강관을 동일한 굴착면에 시공하여 계측된 응력과 변위에 대한 비교 ‧ 분석을 수행하여 고강도 강관의 현장 적용성과 보강효과에 대해 검증하였다.
본 연구 결과를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
1. 기존 실무에서 사용하는 강관보강 그라우팅 설계법은 보강된 영역을 복합물성치로 산정하기 위해 강관의 탄성계수만을 적용하여 수치해석을 통한 강관 보강 그라우팅의 효과에 대한 검증을 수행하고 있지만 이는 강관의 강도 차이에 따른 변화를 고려하지 못해 강관 보강 그라우팅의 효율적인 설계가 미흡한 것으로 판단된다.
2. 고강도 강관(SGT550)의 직경 및 두께를 변경하여 기존의 일반 강관(SGT275)의 파일 부재력과 유사하도록 강관을 제작하여 강관의 연결방법(이음이 없는 단관, 커플러 이음)에 따라 인장시험을 수행한 결과 단관 형태의 강관이 커플러로 연결된 강관보다 일반 강관의 경우 대구경은 57.5~58.5%정도 큰 강도를 나타냈고, 고강도 강관의 경우 대구경은 43.8~45.3%, 소구경은 46.7% 큰 강도를 나타냈다. 특히, 연결부가 있는 경우 모두 연결부에서 파괴가 발생되었다. 한편, 연결부가 없는 단관 형태의 경우 동일 강종에서는 대구경, 소구경에서 거의 동일한 인장강도를 나타냈다.
3. 강관의 휨 전단력 시험에서는 연결방법별(이음이 없는 단관형태, 커플러 이음, 나사선 이음, 축관 이음), 강관 내 주입재 충전 여부에 따른 시험을 수행하였으며, 고강도 강관이 일반 강관에 비해 29.2~54.3%정도 큰 휨 전단력을 나타냈다. 또한, 연결부가 있는 경우는 단관 형태에 비해 일반 강관은 44%, 고강도 강관의 경우 78%의 강도 차이가 발생하는 것으로 나타나 연결부가 있는 강관을 실제 현장에 적용하는 것은 지양하여야 할 것으로 사료된다.
4. Kim et al. (2003)이 제시한 이론적인 강관응력 산정방법을 통해 고강도 강관과 일반 강관에 대한 응력을 산정한 결과 이완 하중고에 따라 일반 강관은 종방향 4 m 간격으로 설치해야 하나, 고강도 강관의 경우에는 동일한 이완 하중고에서 종방향 6 m 간격으로 설치하여도 강관의 허용응력 이내로 확보되는 것으로 산정되었다. 이러한 방법을 통해 강관 보강 그라우팅의 설계의 효율성을 높이고, 시공성을 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
5. 실제 현장에 적용된 강관의 거동 특성을 파악하기 위해 동일한 굴착면에 고강도 강관과 일반 강관을 시공하여 변위 및 응력을 계측한 결과 고강도 강관은 일반 강관에 비해 변위의 경우 약 60%정도 감소하고, 응력은 약 70%정도 감소하는 것으로 나타나 고강도 강관 보강 그라우팅의 실제 보강효과가 매우 우수한 것으로 판단된다.
6. 또한, 굴착 단계별로 강관의 길이별 응력을 이론적인 방법과 실제 계측치와 비교 ‧ 분석한 결과 일반 강관의 경우 강관의 인장 및 압축응력의 변화폭이 상대적으로 큰 반면에 고강도 강관의 경우 변화폭이 작고 발생응력도 70%정도 감소한 것으로 나타났다. 이러한 사유는 강관의 강도 차이로 인해 굴착에 따른 이완하중의 하중 전이로 인한 아칭효과가 고강도 강관의 경우가 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.
7. 본 연구에서 나타난 결과를 토대로 실무에서 강관보강 그라우팅 설계 시 강관의 특성을 고려한 설계가 필요하다고 판단된다. 즉, 강관과 원지반, 충전재를 고려한 종합적인 거동 분석을 위한 수치해석적 검토뿐만 아니라 강관의 특성(예, 강도)을 고려하여 이론적 방법을 적용한 검토를 통해 강관의 보강 간격과 길이의 적정성을 제시하고, 보강각도에 따른 영향을 검토하여 적용할 경우 기존의 경험적인 설계와는 다른 최적화된 강관 보강 그라우팅의 설계를 수행할 수 있을 것으로 사료된다. 다만, 아직 명확한 설계법이 정립되지 않은 상태이므로 매개변수를 통한 추가적인 다양한 연구를 통해 향후 설계법의 정립화가 필요할 것으로 판단된다.
8. 이러한 연구 결과를 비추어 볼 때 고강도 강관을 활용한 보강 그라우팅을 현장에 적용할 경우 설계 효율성을 향상시킬 수 있고, 보강효과 측면에서도 우수한 것으로 나타나 충분한 현장 적용성을 지니고 있는 것으로 판단된다. 다만, 향후 지속적인 현장 계측자료를 수집하여 일반적인 경향을 도출하고, 신뢰성을 높일 필요가 있을 것으로 사료된다.
