< Previous28 #*. #*. #*.-0%Â-0% ê #*. -0% æê _-0%-0% #*.-0%_ -0%ê #*. ê #*. êÒ ÂêÒ#*. ê #*. -N -N +$53BNQ" -N 3BNQ# -N 65ZQF #09 -N -N -N -N +$53BNQ" -N 3BNQ# -N ê À ÀÀÂÀþ Òê ÀÒÂê ê#*. Ï7PM /P 29 #*. ê  ÀÇ 3BNQ#PY 65ZQF ê65ZQF #PY ó üä ê ó3BNQê #*. BC Ò ê Â ê30 #*. #*. D ÒÂE 3BNQüä 3BNQÀÇ -0%-0% ì æ#*. Ìê ì #*. Ò #*. #*. äÀ#*.ê üä äÀ À7PM /P 31 À Âó ìó #*.ê ì À#*.ÒóÀ _ À #*.À #*. 4#*. CFZPOE #*. #*. "VUPEFTL #*. ,*$5 <ÒþÂ>32 자연,터널 그리고 지하공간 1. 서 론 지반조사(Site investigation)는 지표 및 지하의 제반 특성을 파악하고 분석하는 일련의 행위로 대상지역의 지반정보를 얻는 모든 수단이라 말할 수 있다. 지반조사의 목적은 토목, 건설공사 대상지반의 지층분포, 토질이나 암반 등의 공학적 성질을 파악하여 지반 지반조사 이론 및 실내시험 천대성 한국지질자원연구원 방사성폐기물지층처분연구단 <그림 1> 모델링 기반 지반구조물 설계 접근방식의 순서도(Feng과 Hudson, 2011)Vol. 23, No. 3 33 지반조사 이론 및 실내시험 구조물의 계획, 설계, 시공 및 유지관리를 수행하는 데 필요한 정보를 제공하는 것으로, 그림 1에서와 같이 지반조사는 실내 및 현장시 험을 포괄하는 개념으로 설계 전 단계에 해당한다. 지반조사는 방법에 따라 기존 자료나 문헌을 조사하는 간접적인 방법과 시추조사, 원위치시험 등의 직접적인 방법으로 나뉠 수 있으며, 조사 또는 시험의 대상과 장소에 따라 현장조사 및 시험, 실내조사 및 시험 등으로 구분하기도 한다. 또한 조사 시기에 따라 사전조사, 예비조사, 상세조사, 보완조사, 시공 중 조사 등으로 구분할 수 있다. 현장조사 및 시험에는 지표지질조사, 시추조사 및 시료채취, 재료원 조사, 원위치시험 및 공내검층, 물리탐사 등이 있으며, 실내시험에는 토성시험, 암석시험, 지반환경시험 등이 있다. 이중 본 기술 강좌는 지반조사의 이론과 함께 실내시험 및 조사 부분에 대해 소개하고자 한다. 2. 지반구조물의 설계 건축구조물과 지반구조물의 큰 차이점 중 하나는 구조물을 구성하고 있거나 또는 구조물 주변에 분포하는 재료의 특성이라 할 수 있다. 건축구조물의 경우 이미 잘 알려진 재료를 사용하는 인공 구조물인 반면, 지반구조물은 미지의 자연적인 재료인 흙이나 암석을 대상으로 만들어진 인공 구조물이다. 따라서 지반구조물을 시공하는 데 있어 불확실성이 존재할 수밖에 없으며, 이에 대한 대응방안 중 하나로 충분한 지반조사를 통한 신뢰 가능한 정보를 획득하고 이를 바탕으로 설계를 수행하는 것이다. 지반구조물의 설계는 계측을 이용한 방법, 경험적 방법, 해석적 방법, 수치적 방법 그리고 운동학적 방법 등이 있으며, 이에 대한 간략한 내용은 다음과 같다. 2.1 계측을 활용한 설계 계측이란 용어는 1940년 대 Terzaghi가 처음 사용한 것으로 알려져 있으며, 계측을 활용한 설계 방법은 시공을 진행하면서 학습하 는 방식 즉, ‘Learn as you go’로 표현된다. 이 방법은 실제 현상과 설계에서 설정한 가정사이의 차이를 시공 과정에서 가능한 많이 기록하여 그 차이를 점진적으로 줄여가는 방법이다. 기존 가정, 이론과 시공 중 획득한 정보사이의 차이가 클 경우 또는 안정성에 심각한 영향을 줄 경우에는 시공 중 설계를 변경한다. 그림 2는 이러한 방법에 대한 절차를 표현한 것이다. <그림 2> 계측을 활용한 지반구조물 설계 절차 예(좌: Itasca.com, 우: ege.co.kr)기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 34 자연,터널 그리고 지하공간 2.2 경험적 방법을 활용한 설계 설계 대상과 유사한 암반상태나 암반구조의 건설과정에서 획득한 기존 경험에 기반을 두어 설계하는 방법으로 RMR, Q-system, GSI 등의 암반분류법을 이용하여 설계하는 방법이다. 오늘날 경험적 방법은 설계에 있어 필수적으로 활용되고 있다. 암반분류는 간접 적으로 암반의 거동, 파괴기준 등에도 활용되어 최종적으로 수치적 설계방법과 연관되어 있다(그림 3). <그림 3> 경험적 방법을 활용한 지반구조물 설계 절차 2.3 해석적 방법을 활용한 설계 지반구조물을 설계하는 데 있어 응력, 재료 등 복합적인 요인과 함께 복잡한 특성을 고려하는 것이 필수적이다. 다만 가정 등을 통해 초기 설계과정에서 단순화가 가능하며 이는 소위 ‘CHILE(Continuous, Homogeneous, Isotropic, Linear Elastic behavior)’로 표현된다. 이와 같이 단순화된 해석방법은 높은 응력과 닫힌 절리가 주를 이루는 심부 지하공간 환경에서 보다 잘 맞는 반면에 낮은 응력과 균열, 풍화 등 가정과 배치되는 천부의 경우 CHILE 개념을 적용할 때는 문제가 발생할 수 있다. 그림 4는 Hoek 등(1995)이 제시한 낮은 응력조건과 암반등급에 따른 파괴유형을 제시한 것으로 구조적인 파괴가 주된 현상임을 알 수 있다. <그림 4> 응력조건과 암반등급에 따른 파괴유형(Hoek 등, 1995)Vol. 23, No. 3 35 지반조사 이론 및 실내시험 해석적 방법 중 하나인 한계평형법(LEM, Limit Equilibrium Method)은 사면 안정성 해석에 대부분 이용되고 있으며, 다양한 파괴모 드에 대해 정적 기반의 힘과 모멘트 평형 조건을 활용하여 해석하는 방법이다. 저항하는 힘 대 작용력 또는 전단강도 대 전단응력의 비로 표현되는 안전율을 이용하여 안정성을 평가하는 데 활용된다. 2.4 수치적 방법을 활용한 설계 지반구조물에서 암석, 암반, 불연속면 등의 강도와 변형특성을 고려하여 응력-변형률 상태를 적용하는 방법으로 해석적 방법의 적용이 불가할 때 유용한 방법이다. 현재는 지반구조물 설계에 있어 기본적으로 사용하고 있다. 수치적 방법이나 수치 모델링을 하는 주된 목적은 대상 구조물에서 지배적인 변형과 파괴 메커니즘에 대한 이해, 절대적 수치의 예측보다는 정성적 경향과 함께 결과에 따른 대안 모색, 그리고 입력물성의 변화에 따른 영향을 분석하는 것이다. 모델링 방법은 적분 방식을 사용하느냐 미분 방식을 사용하 느냐에 따라 구분되기도 하고, 연속체여부에 따라서 구분되기도 한다. 위와 같이 다양한 방법의 설계를 위한 지반 또는 암반의 물성을 산정하는 것이 중요하다. 앞서 전술한 바와 같이 노두나 시추코어, 시추공 등을 활용한 접근방법이 있으며, 실내 및 현장조사· 시험, 경험식의 사용, 기존 사례의 적용, 통계적 방법이나 AI 기법의 적용 등 다양한 방법이 존재한다. 설계에 사용되는 물성은 대푯값을 주로 사용하지만 상황에 따라 공학적 지식과 시방서에 기초한 합리적인 판단이 요구된다. 3. 지반조사 이론 설계에 필요한 정보를 획득하는 측면에서 고려해야할 중요한 지반조사 및 시험 요소로 암석이나 암반의 강도와 변형특성, 현지응력 의 크기와 방향, 암반분류와 파괴기준 등이 있다. 암반분류나 암반등급은 계측을 활용한 설계나 경험적 설계에 직접적으로 활용되며, 파괴기준 등은 해석적, 수치적 방법을 이용한 설계에 직접 활용된다. 3.1 파괴기준 암석의 강도를 초과하는 힘이 작용할 때 파괴에 이르며 암석에 따라 각각 파괴포락면이 존재한다. 이러한 파괴포락면은 파괴기준 또는 파괴기준식으로 표현이 가능하다. 파괴나 파손 등은 재료의 특성이나 목적 등에 따라 표현이 세분될 수 있다. 이희근과 양형식 (2002)에 따르면 파손(failure)은 어느 구조가 규정된 기능으로 설계되었을 때 그 기능을 수행할 능력이 상실되는 것을 말하며, 파괴 (fracture)는 균열(crack) 개념에서 비롯되어 새로운 균열이 발생하거나 기존 균열이 확대되는 파손과정을 말한다. 파단(rupture)은 암석이 그 강도 한계를 넘어섰을 때 발생하는 깨짐 현상을, 강도(strength)는 암석 시험편이나 암반이 파손(또는 파괴, 파단)될 때의 최대 응력수준을, 항복(yield)은 새로운 균열이 발생하거나 기존 균열이 확대되는 파손과정을 말한다. 지반공학 특히 암반공학분야에서 파괴기준(식)은 초기에 주로 이론적 측면과 금속 재료의 항복조건에 대해 다루어졌다. 이후 취성 을 띈 암석에 대한 Griffith 균열이론으로부터 암석의 파괴기준이 발전되었다. 초기 미시역학의 이론적 조건식이 실험이나 시험결과 와 불일치가 발생하게 되었고, 이에 경험적으로 제시된 파괴기준식이 대부분을 차지하게 되었다. 지반공학분야에 알려진 파괴기준식 으로 최대 전단응력설(Tresca 이론), 내부마찰각설(Coulomb-Navier 이론), 응력포락선설(Mohr 이론), Griffith 이론과 그 수정이론, Von Mises/Huber-Hencky/Nadai 이론 등과 같은 전단변형에너지설, Drucker-Prager 이론, Hoek-Brown 이론, Lade 이론과 그 수정이론 등 다양하게 제시되어 있다. 기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 36 자연,터널 그리고 지하공간 최대 전단응력설, 내부마찰각설, 응력포락선설은 무결함 혹은 균질한 재료를 대상으로 발전한 이론이며, Griffith 이론과 그 수정이 론은 재료 내 결함, 즉 미소균열을 고려하여 균열주변의 응력집중현상으로부터 발전한 이론이다. 일반적으로 최대주응력과 최소주응 력을 고려한 파괴기준이 대부분이지만, 전단변형에너지설이나 Druker-Prager 이론, Lade 이론 등은 중간 주응력을 고려한 파괴기준 이다. Hoek-Brown 이론은 대표적인 경험적 방법의 파괴기준으로 재료 내 발달된 절리 등의 불연속면을 고려하였으며 Mohr-Coulomb과 달리 비선형이다. 이중 지반공학분야에 널리 활용되는 Mohr-Coulomb과 Hoek-Brown 파괴기준에 대해 간략하게 소개하면 다음과 같다. 3.1.1 Mohr-Coulomb(MC) 파괴기준 Coulomb의 기준과 Mohr의 선형포락선식은 같다고 볼 수 있어 이 둘이 결합되어 명명되었으며, 삼축응력상태에서 주어진 면에 작용하는 전단응력을 계산하는 식에 해당한다(식 (1)과 그림 5). tan (1) : 파괴면에서 전단응력, 수직응력 : 무결암의 점착력, 내부마찰각 <그림 5> Mohr-Coulomb 파괴기준(a: 선형파괴포락선, b: 주응력공간에서의 파괴포락면)(ISRM, 2014)Vol. 23, No. 3 37 지반조사 이론 및 실내시험 Mohr-Coulomb 파괴기준의 장점으로 수학적 단순성, 변수의 명확한 물리적 의미, 일반적 수준에서 수용 가능성 등이 있으며, 단점 또는 제한사항으로 실제 파괴포락선이 선형이 아닌 반면에 선형으로 표현된 점, 예측된 인장강도가 실제보다 높게 나타나는 점, Drucker-Prager와 달리 -평면의 모서리를 포함하여 수치적 구현의 한계(그림 6) 등이 있다는 것이다. <그림 6> -평면에서 Mohr-Cou lomb와 Drucker-Prajger 파괴기준 비교(ISRM, 2014) 3.1.2 Hoek-Brown(HB) 파괴기준 구속응력이 증가함에 따라 등방 암석의 강도가 비선형적으로 증가하는 현상을 설명하기 위해 도입된 경험적 기준식으로 식 (2)와 같이 표현된다. (2) : 파괴 시 최대 및 최소주응력 : 일축압축강도 : 경험상수 그림 7(a)는 전단응력-수직응력 평면에 Hoek-Brown과 Mohr-Coulomb 파괴기준식을 같이 제시한 것으로 수직응력의 변화에 따 라 선형과 비선형 파괴기준의 차이를 보여준다. 그림 7(b)는 경험상수인 m에 따라 비선형 파괴포락선의 변화 양상을 나타낸다. 이 둘의 그림으로부터 수직응력과 경험상수에 따라 암석에 적용되는 파괴포락선이 어떻게 달라질 수 있는지 알 수 있다.Next >