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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.4 pp.42-49
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.4.042

Effect of Uneven Excavation Method on Pull-Out Capacity of Fully-Grouted Rock Bolt

Hyun-Gi Kim1
1Professor, Department of Energy Plant Engineering, Catholic Kwandong University, Gangneung, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Kim, Hyun-Gi Department of Engegy Plant Engineering, Catholic Kwandong University, Gangneung, Korea. Tel: +82-33-649-7374, Fax: +82-33-649-7238 E-mail: khk2696@nate.com
June 3, 2020 July 23, 2020 July 26, 2020

Abstract


This paper relates to the rock bolting method of uneven excavation in order to improve the pull-out resistance of existing rock bolts. When manufacturing test specimens for performance experiments, a drill bit is used for excavation of an enlarged hole and wall irregularities are eliminated by grouting. In a model with wall unevenness brittle fracture of the rock occurred before rock bolt slipping and showed an average of 1.65 times the resistance effect of the model without unevenness. The unevenness filled with grout showed a secondary tensile resistance effect in the rock even when the grout was mechanically compromised by the compressive force. Additionally, studying the dependence of the depth of unevenness, a depth of 150mm showed a pull-out resistance approximately 1.12 times that of a depth of 60mm. This result shows that due to the brittleness of the rock, the adhesion between the rock and the grout was relatively large, and it was not possible to derive repeated and uniform test results, but verification of the formation of irregularities was performed. It is anticipated that optimal design of unevenness will be possible as a result of additional experiments and performance evaluation including variables such as depth, and spacing and number of unevenness.



요철형 암반굴착 락볼트 공법의 인발저항 성능실험

김 현기1
1가톨릭관동대학교 에너지플랜트공학과 교수

초록


본 연구는 요철형 암반굴착 락볼트 공법에 관한 것으로 암반 확공굴착 드릴비트를 이용하여 실험체를 제작하고, 요 철이 없는 모델과 요철을 형성시킨 모델의 인발저항 성능을 평가하기 위한 실험방법을 제시하고 실물실험을 통해 요철형 암반 굴착 락볼트의 성능을 평가하였다. 요철형성 모델은 슬립이 일어나기 전 암석의 취성파괴가 발생하였으며, 무형성 모델보다 평 균 1.65배의 저항효과를 보였고 그라우트로 충전된 요철은 압축력에 의해 그라우트가 파괴되더라도 암석 내에서의 2차적인 인 장저항효과를 보였다. 또한, 요철의 깊이가 150mm일 경우는 60mm의 경우보다 약 1.12배 인발저항효과를 나타내었다. 암석의 취성으로 인해 암석과 그라우트간의 부착력이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며, 반복적이고 균일한 실험결과의 도출은 불가능 했으나 요철형성 효과에 대한 충분한 검증이 이루어졌다. 향후 요철의 길이나 개수 등의 변수에 따른 추가실험과 성능평가를 통해 최적의 요철형성 설계가 가능할 것으로 판단된다.



    1. 서 론

    락볼트는 채굴, 터널링, 공학적인 동굴을 포함하여 지하굴착을 위해 가장 널리 사용되는 암반지지 수단 이다. 락볼트는 오랜기간 암반보강에 사용되어 왔지 만 암석전체 구조에서 어떻게 그 성능을 보이는지에 대해 명백하지 않은 여전히 많은 내용들이 연구되고 있다. 락볼트는 다양한 유형이 있고 암석조건에 가장 적합한 볼트 유형이 선택되어 져야 한다(Li, 2017).

    국토의 70%가 산지인 우리나라 지형 특성상 도로, 철도, 댐 등의 국가기반시설의 건설이 진행되면서 다 양한 사면안정 공법들이 적용되고 있다(Han et al., 2011). 사면안정 대책공법은 사면의 종류에 따라 억제 공법과 억지공법으로 구분할 수 있으며, 락볼트 공법 은 대표적인 억지공법으로 터널시공현장에서 사용되 기 시작하여 흙막이 가시설, 사면보강 등 광범위한 지반보강공법으로 적용되고 있다(Kim et al., 2014).

    지질상태나 사용목적, 시공방법에 따라 충분한 정착력을 갖도록 이형봉강, 케이블, 강관등의 긴장재 를 이용하고 레진 혹은 콘크리트 충진으로 정착강도 를 높이는 다양한 공법이 개발되고 있으나, 락볼트 는 불안정한 지반보강울 위해 도입된 축력이 시간경 과에 따라 암반의 응력이완, 부식, 부착력감소 등으 로 정착력은 감소되어 천공된 원지반과 충진재 사이 의 강도가 현저히 저하되는 문제가 발생되고 있다 (Jeong, 2017).

    본 연구는 암반에 요철을 형성시켜 락볼트 시공 후 인발저항이 장기간 유지될 수 있도록 고안하여 적용개소수를 줄일 수 있는 락볼트 공법에 관한 것 으로, 암반 확공굴착을 위해 고안된 드릴비트를 이 용하여 실험체를 제작하고, 요철이 없는 모델과 요 철을 형성시킨 모델에 대해 그라우트로 충진된 상태 에서 인발저항 성능을 평가하기 위한 실험방법을 제 시하고 실물실험을 통해 요철형 암반굴착 락볼트의 성능을 평가하고자 한다.

    2. 요철형 암반굴착 락볼트 공법

    2.1 사면보강 공법

    사면보강공법으로 FRP보강, Soil Nailing, Ancho공법 과 락볼트 공법이 있으며, 표토의 심도가 낮은 국내 지반환경 특성상 비탈면이 대형화 될수록 암반비탈 면에 대한 보강기술이 요구되기 때문에 현재 국내 에는 영구앵커, 락볼트 등 다양한 암반비탈면 보강 공법이 적용되고 있다(Choi and Seo, 2019). 암반을 보강하기 위한 락볼트의 사용은 1800년 미국광부에 의해 시작되었고 1900년대 초반 지반을 구속하기 위 해 탄광에서 락볼트가 도입되었다. 오늘날 지하광산 및 토목분야 터널의 암석지지 시스템에 가장 널리 사용되는 암반지지 시스템이다. 락볼트는 이완된 암 괴를 원지반에 고정시키는 봉합작용, 절리면의 전단 력을 전달하는 보 형성 작용, 직⋅간접 프리스트레 스를 이용해 축응력 상태를 유지시키는 내압작용, 항복이후의 잔류강도를 증가시켜주는 지반보강 작용 등을 한다. 초기에는 경암의 선단정착으로 사용되었 지만(Tao and Chen, 1984), 이후 전면 접착형 락볼트 가 개발되어 경암을 비롯한 연약지반에도 지보효과 가 좋고, 사용범위가 늘어났다(Reichert et al., 1991).

    2.2 요철형성 락볼트 공법

    기존의 락볼트 공법은 Fig. 1과 같이 ‘천공-락볼트삽 입-충진-정착’의 4단계로 이루어져 있다. 락볼트 시 공직후 인발시험을 실시하여 시간경과에 따른 락볼 트 축력변화 정도를 관리하지만, 시간경과에 따른 원지반과 그라우트간 미세한 간격으로 인해 축력감 소 현상이 발생하게 된다. 선단정착공법의 경우 암 반의 풍화, 집중호우로 인한 지하수위 증가해 축력 감소로 인한 위험성이 훨씬 커진다. 연암에 주로 사 용되는 전면 접착형 방식의 경우에 다양한 공법들이 시도되고 있으나, 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 천공 단계에서 확공기술에 기반한 요철(凹凸)을 형성시켜 충진재와 원지반 사이의 축력감소를 보완할 수 있는 방안을 제시하였다. 락볼트 삽입, 충진, 정착 단계를 갖는 기존의 공법에도 확공굴착 단계로 추가할 수 있어 활용범위가 넓을 것으로 예상된다.

    시공 후 시간경과에 따라 원지반과 그라우트 사 이 유격이 발생하더라도 요철형성 공법은 충분한 저 항력을 유지할 수 있으며, Fig. 3은 예상되는 효과를 나타낸다.

    2.3 수치해석을 통한 효과 검토

    요철형 암반굴착 락볼트 공법의 효과를 해석적으로 검토하기 위해 요철유무에 따른 2가지 모델(Type1, Type2)로 단순구분 하였고, ABAQUS/standard 옵션을 이용하여 모델링하였다(Dassault Systems, 2014).

    Fig. 4와 같이 연암의 외부지지조건은 충진부를 제외하고 모두 고정단으로, 두께 10mm를 적용한 등 방성 단면모델을 통해 2차원 해석을 수행하였다. 락 볼트의 직경은 25mm, 천공홀 직경 42mm, 연암의 압 축강도 100MPa, 그라우트 강도 18MPa을 적용하였 다. 3차원 해석이 실제와 유사한 거동을 보일것으로 예상되나 모델구성이 복잡하고 해의 수렴시간이 길 어 2차원 해석이 많이 이용되고 있다(Jeong et al., 2004).

    연암과 충진재의 연결은 Contact요소를 사용하여 접선방향의 거동과 수직방향의 거동을 고려하였고 접선방향 거동은 위해 Penalty옵션의 등방성 마찰계 수 0.65를 적용하였으며, 수직방향의 거동은 Hard contact을 사용하여 접촉거동후 수직방향으로 분리되 지 않도록 하였다. 두 모델의 상대적인 성능비교와 실험체 설계 변수설정이 목적이므로 단위하중을 충 전재 우측면에 적용하였으며, 락볼트와 충전재간의 Contact 요소는 모델링에서 배제하였다.

    Fig. 5(a)(b)는 요철유무에 따른 변위, (c)와 (d)는 응력을 나타내며 Table 1의 해석결과는 응력이 집중되는 단위하중 재하면에서 나타났다. 요철이 있 는 모델의 경우 최대변위가 1/2로 줄었고, 최대응력 은 1/3로 줄어들어 요철형성으로 인한 하중분산 효 과가 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서는 사면보강 을 위한 요철형 암반 굴착공법 개발의 기초적인 연 구로 요철형성 모델을 정립하여 요철형성 효과를 평 가하기 위한 수치해석을 수행하였고, 실험체 설계변 수의 설정에 활용하였다.

    3. 성능실험 및 결과

    3.1 실험개요

    락볼트의 인발저항에 관한 실험은 락볼트 자체의 개 선이나 그라우트 종류의 개선 등과 같이 새로운 공 법 개발에 따른 변수영향과 전면 및 선단지지 성능 평가를 위해 대부분 수행되고 있다. 인발부착에 관 한 성능시험은 대부분 현장에서 이루어지며 락볼트 설계기준과 시방서에서는 20m마다 또는 1회/50본의 빈도로 현장실험을 시행토록 규정되어 있다. 최근 이형철근과 FRP Hybrid Bar의 부착성능을 상대평가 하기위해 수행된 실험(Park et al., 2017)과 Fig. 6과 같이 하중변화에 따른 락볼트의 힘과 변위추정을 위 해 전단응력과 축력의 변화를 설명한 연구(Zhang et al., 2020)가 실내실험으로 수행되었고 대부분의 인발 실험은 별도의 실험용cage를 제작하는 방식으로 수 행되었다. 그러나, 압축성 간격재를 설치한 전면접착 식 볼트의 인발저항 거동평가를 목적으로 수행된 실 내실험에서는 락볼트와 그라우트간 부착강도, 그라 우트와 콘크리트간의 부착강도를 평가하기 위해 Table 2의 재료특성을 적용하여 Fig. 7과 같이 압축 실험을 실시하였다(Hwang and Lee, 2011). 락볼트의 인발실험에서는 암반과 그라우트간의 분리발생 전 락볼트와 그라우트간 분리가 먼저 발생하지 않아야 하므로 Table 3와 같이 선행연구의 부착강도 실험결 과를 재정리하여 분석하였다.

    부착길이가 늘어날수록 값의 차이는 증가하였고 락볼트와 그라우트간의 부착강도는 부착길이와 상관 없이 크게 나타나, 실험체의 부착길이를 약 0.5∼ 1.0m로 적용하여 부착강도의 차이를 명확하도록 해 야 될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 확공굴착으 로 형성되는 요철의 상대적인 효과를 평가하는 것이 목적이므로 일정한 크기로 재단한 압축강도 100MPa 급 연암을 기 개발된 드릴비트를 이용하여 굴착하고 락볼트 삽입 후 그라우팅 작업을 통해 실험체를 제 작하였고, 별도의 인발장치가 필요 없는 실내 압축 실험을 수행하였다. 현장실험의 경우 설계력에 대한 늘음량을 측정하여 평가가 이루어져 시공길이가 충 분히 확보되어야 가능한 실험방법이다.

    그라우트의 강도는 콘크리트 압축강도 시험방법 (KS F 2403, 2014)에 따라 수행하였고, 암석의 강도 는 석재의 압축강도 시험방법(KS F 2519, 2000)에서 제시하는 방법으로 실험체의 강도를 측정하여 목표 강도를 확인하였다.

    3.2 실험방안

    특정된 암, 적용길이등 현장조건을 모두 재현한 성 능평가는 불가능하므로 암석에 드릴링을 통해 요철 을 형성시킨 후 락볼트 삽입과 그라우팅으로 실험체 를 제작하였다. 또한, 인발실험의 경우 허용치를 한 정하기 어려우므로 실험체를 뒤집어 압축력을 가하 되 인발시 락볼트를 통해 전달되는 힘을 재현하고 요철형성 효과의 상대비교를 위해 그라우트 전면에 압축력이 가해질 수 있도록 하였다. 암석 내부의 그 라우팅표면 거칠기는 모두 동일한 것으로 가정하였 고, 암석의 경우 생성환경에 따라 결이 다를 수 있 어 동일원석을 절단 및 가공하여 제작하였다. Fig. 8 은 실험체 제작도를 나타내고 Fig. 9는 압축실험 계 획도를 나타낸다.

    요철형성 효과에 대한 성능실험은 요철이 없는 모델(REC#1)과 요철의 깊이, 요철의 갯수가 다른 모 델간의 상호비교를 위해 수행되었다. 실험체의 형상 은 사각형으로 제작하였고 실험체명은 REC로 표현 하였으며 요철깊이 60mm의 실험체는 2회 반복실험 으로 계획하였다.

    성능실험은 하단 가운데 부분이 비도록 지그를 배치하고 상부에서 하중을 가하는 방식으로 그라우 트 분리가 발생할 때까지 가력 하였다. 실험체 중앙 에 돌출된 락볼트 하단부에 계측범위 50mm, 감도 0.025mm의 LVDT를 사용하여 변위를 측정하였다. 중 앙부 실험장비는 100MN급 만능시험기를 이용하였으 며, 변위제어모드(2.0mm/min)로 하중증가에 따른 양 상을 분석하고 최대 하중을 확인한 후 파괴시까지 가력하여 요철형성 효과에 대한성능 평가를 수행하 였다.

    3.3 실험체 제작

    일축압축강도에 의한 무결암 분류에 의하면 25MPa 이 하는 연암(low strength) 혹은 극연암(very low strength), 25∼50MPa은 보통암, 50∼100MPa은 중경암, 100MPa 이상은 경암 혹은 극경암에 해당된다(Kim, 2018; ISRM, 1981). 따라서 요철확공 목표 암석강도 100MPa의 경암을 실험체로 제작하기 위해 압축강도 119∼132MPa의 조경용 석재를 충남 아산지역에서 조달하였다. Fig. 10는 실험체 제작과 요철이 형성된 모습을 나타낸다. 요철형 확공은 기본천공 φ110mm 에 20mm이상을 더한 φ130mm로 제작 되었다.

    가력되는 하중을 그라우팅 상단면 전체에 작용하 도록 하기위해 실험수행시 원형철판 두겹을 추가배 치하도록 계획하였을 뿐만 아니라 Fig. 11과 같이 실 험체 제작시에도 그라우팅 상단면에 작용하는 하중 이 하부단면까지 전달되도록 끝부분이 원형철판으로 용접된 이형봉강 25mm를 중앙부에 매입하고 그라우 트를 주입하였다.

    3.4 실험결과

    실험체로 사용된 암석은 석재의 압축강도 시험방법 (KS F 2519, 2000)에 따라 직육면체, 가로 5cm × 세 로 5cm × 높이 5cm, 가로 및 세로방향 결을 고려하 여 각각 5개씩 총10개의 시편을 시험하였다. Table 4 의 시험결과와 같이 실험체 제작에 쓰인 암석은 최 소 100MPa을 넘었고 평균 압축강도는 약 148MPa로 나타났다.

    Table 5는 주입 모르타르의 압축강도 시험방법 (KS F 2426, 2010)에 따른 그라우트 실험결과를 나 타낸다. 콘크리트 압축강도 시험방법과 동일하며, 동 일 공일체로 3번 반복 수행 하였다. 일반적인 락볼 트 공법에 이용되는 그라우트 강도 18MPa을 약간 넘어서는 20MPa로 평균값을 보였다.

    Fig. 12는 요철을 형성시키지 않은 REC #1 실 험체의 실험체 세팅 장면과 실험결과를 나타낸다. 하중은 2개의 강재원판 상단에 작용시켰고 분리된 그라우트와 락볼트가 실험지그 하단으로 돌출되었 다. 암석을 실험체로 사용하였으므로 100MPa 이상 의 하중이 작용할 경우 Fig. 13의 실험 후 장면과 같이 그라우트 분리전 암석이 파괴되는 결과를 나 타내었다.

    Fig. 14는 실험체 파괴후 요철형성된 그라우트 현 상을 나타내며, 요철형성 락볼트 공법의 충진재 품 질과 실험체 제작의 정확성을 위해 완전충진을 확인 하였다. Fig. 15 그래프는 REC#1 실험체의 하중-변위 관계도를 나타내며 최대하중 468.77kN에서 슬립이 발생하기 시작하였고, 초기변위는 LVDT 처짐이 실 험체 세팅과 재료에서 기인한 안정화 양상에 따라 완만한 증가를 나타내었고, 슬립발생 후에도 250kN 의 하중에 저항하며 변위증가에 따라 저항력이 감소 하는 경향을 보였다.

    REC#2, REC#3, REC#4 실험체는 Fig. 16과 같이 일정시간까지 선형적인 강도증가를 보이다가 하중임 계점에 도달했을 때 암반 실험체가 파괴되는 양상을 보였고 이때 실험을 중단하였다. 실험체의 파괴전까 지 실험체가 취성파괴로 인해 정확한 요철형성 효과 를 실험체별로 계측하기는 어려웠으나 비교실험체인 요철이 없는 모델이 약 469kN에서 슬립과 처짐이 발생한 것에 비해, Table 6의 실험결과와 같이 요철 이 형성된 모든 실험체가 슬립발생 없이 실험체가 먼저 파괴되는 결과를 보였으며, 최대하중점은 모두 요철이 없는 모델보다 높은 것으로 나타났다. 암석 은 재료의 취성으로 인해 초기 균열 발생기전이 파 괴의 중요한 요소로 작용하며, 그라우트 파괴시의 최대하중을 얻기 위해서는 연속체의 실험체가 요구 될 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구는 요철형 암반굴착 락볼트 공법에 관한 것 으로, 암반 확공굴착 드릴비트를 이용하여 실험체를 제작하고, 요철이 없는 모델과 요철을 형성시킨 모 델의인발저항 성능을 평가하기 위한 실험방법을 제 시하고 실물실험을 통해 요철형 암반굴착 락볼트의 성능을 평가하였다.

    요철형성 모델은 슬립이 일어나기 전 암석의 취 성파괴가 발생하였으며, 무형성 모델보다 평균 1.65 배의 저항효과가 있는 것으로 나타났다. 그라우트로 충전된 요철은 압축력에 의해 그라우트가 파괴되더 라도 암석 내에서의 2차적인 인장저항효과를 보이는 것으로 판단된다. 요철의 깊이가 150mm일 경우에는 60mm의 경우보다 약 1.12배 높은 성능을 보였다.

    암석의 취성으로 인해 암석과 그라우트간의 부착 력이 상대적으로 큰 것으로 평가되었으며 반복적이 고 균일한 결과를 도출하기는 불가능했으나 요철형 성 효과에 대한 검증은 충분한 것으로 판단된다. 향 후 실험결과를 이용한 수치해석 모델의 개발을 통해 요철의 길이나 갯수 등의 최적 요철형상 설계가 가 능할 것으로 기대되며, 관입깊이 전체를 밀실하게 그라우팅하여 품질을 확보할 수 있는 시공법의 개발 이 요구된다.

    Figure

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    Construction Procedure of Conventional Rock Bolt
    KOSACS-11-4-42_F2.gif
    Construction Procedure of Uneven Excavation Method
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    Effect Comparison of Uneven Excavation
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    Numerical Analysis Models for Pulling Resistance Effect Verification
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    Analysis Results of Displacement and Stress
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    Specimen and Hanging Basket for the Pull-Out Tests (Zhang et al., 2020)
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    Setup for Bonding Strength Tests (Hwang and Lee, 2011)
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    Specimen Production Drawing
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    Experimental Execution Plan
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    Uneven Excavation for Production of Specimens
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    Rock Bolt and Grouting of Specimens
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    Test Set-up and Result for REC#1
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    Scenes of Experiment before and after
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    Uneven Grout Shape after Specimen Failure
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    Relationship between Load and Displacement for REC#1
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    Comparison of Relationship between Load and Displacement

    Table

    Analysis results
    Material property of grout and concrete (Hwang and Lee, 2011)
    Results of bonding tests (Hwang and Lee, 2011)
    Results of compressive strength test of Natural building stone
    Results of compressive strength test of grout
    Results of maximum loading test for performance of uneven excavation model

    Reference

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