1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 록볼트센서 검정
2.2 모니터링 시스템
3. 수치해석
3.1 개별요소해석(3DEC)
3.2 유한요소해석(ABAQUS ver.6.14)
4. 현장실험
4.1 모형사면 조성
4.2 센서 설치
4.3 사면붕괴 실험
4.4 현장실험 계측값
4.5 현장실험과 수치해석간 계측값 비교
5. 결 론
1. 서 론
록볼트는 비탈면 및 터널 등의 시공 시 주변 암지반의 지보 기능을 유리하게 활용하기 위한 부재이며, 암반사면에 시공되어 붕괴 예방 및 장기 안정성을 확보한다. 그러나 공사의 부실, 지진, 크리프, 시간 경과에 따른 자연 풍화 등의 다양한 원인으로 암지반이 활동하여 붕괴가 발생할 수 있으며, 이를 사전에 파악하기 어려운 문제점이 있다.
따라서 록볼트 설치 시, 모니터링이 가능한 변위 센서와 사물 인터넷을 활용하여 서버나 관리자의 스마트폰으로 모니터링 계측 값 및 위험 상태 정보를 IoT시스템을 통하여 실시간으로 제공 가능한 모니터링 시스템을 개발한다면 터널 및 절취사면 등 암반사면의 유지관리에 활용성이 높을 것으로 판단된다.
최근까지 보강재로서의 록볼트에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 국내의 록볼트 연구동향을 살펴보면 Kim and Bang(2005)은 록볼트로 보강된 터널주변지반의 강도정수 변화에 대하여 실내실험과 이론 고찰을 통해서 내부마찰각의 증가보다 점착력의 증가에 더 많은 영향을 준다는 것을 보고하였으며, Moon et al.(2005)은 록볼트 구속력에 따른 원지반 개량 정도 확인을 위해 모형실험을 실시하여 사질토 지반에서 록볼트 길이와 압력대 분포율에 수반한 원지반 보강효과를 분석하였다.
한편, 국내 사면의 거동 계측 및 모니터링에 관한 연구로는 위험 도로사면을 효과적으로 관리 및 감시할 수 있는 실시간 무인감시시스템 연구(Cho et al., 2004), USN기술을 이용한 사면 모니터링 시스템 연구(Shin and Song, 2012; Kim, 2013), 암반사면에 동축케이블의 전단 및 인장에 따른 전자기파 신호 측정 연구(Dowding et al, 1988), 사면이 붕괴되는 과정에서 음향방출센서를 통해 측정되는 신호를 이용한 사면 모니터링 연구(Michlmayr et al., 2017) 등이 있으나 변위 계측을 통한 록볼트 모니터링 시스템에 관한 연구는 미미한 실정이다.
본 연구에서는 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서가 시공된 실규모 사면을 대상으로 굴착실험을 수행한 후 록볼트에 부착된 센서로부터 획득된 데이터를 분석하고 굴착단계를 고려한 개별요소법 및 유한요소법의 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 실규모 현장 굴착실험 결과와 비교하여 암반사면에서의 GFRP 록볼트 센서의 적용성을 고찰하였다.
2. 재료 및 방법
본 연구에 사용된 록볼트는 검정을 통해 신뢰성이 확보된 사면붕괴 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서(Fig. 1(a) 참조)와 GFRP 록볼트 센서(Fig. 1(b) 참조)를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 록볼트 규격은 Table 1에 표시하였다. 무기 비금속 및 유기 비금속 복합체로 구성된 GFRP 재료는 플라스틱 베이스 복합 재료로서 접착성과 전기 절연성이 우수하고, 내열성 및 기계적 강도 또한 우수하다. 또 성형 수축 및 가소성이 적고, 경량이며, 시공이 간편한 장점이 있어 본 연구에 적용하였다. 나선형 철근 록볼트는 시중에서 판매하고 있는 제품을 구입하여 활용하였다.
Table 1. Product specification of strain sensor
길이 3,000mm, 외경 25mm의 록볼트(Fig. 2 참조)를 4등분하여 재료표면에 폭 10mm, 길이 100mm의 직사각형 영역에 센서 부착을 위하여 매끄럽게 연마 한 후, 센서를 수평으로 설치하여 절연 테이프로 센서를 보호하고 절연 및 방수가 되도록 부착하였다. 록볼트 센서의 외부는 비탈면 매설 시 센서 케이블의 파단을 막기 위해 록볼트 센서 부착 후 코팅제를 사용하여 마감 처리하였다.
2.1 록볼트센서 검정
본 연구에서 사용된 록볼트 센서는 응력이 작용하면 저항 값이 변하는 스트레인게이지를 이용하여 일정한 전압을 센서에 흘려주면 변화된 미소 전압값을 얻을 수 있다.
사면의 변형을 센서의 저항변화에 의한 전압검출을 기본원리로 하는 센서시스템의 신호처리 하드웨어와 알고리즘에 따라 센서의 미소한 전압의 변화를 드리프트신호(경년변화)와 구분하고 노이즈 성분을 제거하여 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 신호처리 하는 방식으로 설계하여 사면의 붕괴 전조를 Fig. 3에서 보인 것과 같이 사전에 파악할 수 있게 하였다.
2.2 모니터링 시스템
Fig. 4와 같이 센서의 신호를 수신하고 분석하기 위해서 사물인터넷을 이용한 모니터링 시스템을 이용하였다.
제작한 록볼트 센서는 IoT Sensor Node를 통해서 작은 아날로그 전압 값을 증폭시키고, 노이즈를 제거하기 위한 필터를 통과시켜 ADC를 통해 디지털 값으로 변환시킨다. 디지털 값은 MCU에서 통신규약에 의해 데이터 패킷을 만들고 LoRa 통신 모듈과 안테나를 이용하여 무선구간의 게이트웨이를 통해 서버와 스마트폰으로 전송된다.
3. 수치해석
3.1 개별요소해석(3DEC)
본 연구에서는 터널공사 현장에서 반출한 버럭으로 구성된 사면에서 사면굴착에 따른 지반 거동을 파악하기 위하여 3차원 불연속체 해석프로그램인 3DEC를 사용하였다.
3DEC 프로그램은 암반에 존재하는 단층, 파쇄대, 절리 등의 불연속면 특성을 효과적으로 모사 가능하며, 지반의 응력 및 변형이 블록사이의 불연속면의 거동에 지배를 받는 경우 효과적으로 적용 가능하다.
불연속면의 특성이 고려 가능한 개별요소법은 구조체를 개개의 블록으로 설정하여 모델링하는 특징이 있으며, 불연속면의 접촉특성을 고려하기 위해 접촉면의 강성, 전단 및 인장 물성치 등을 사용하며 운동방정식을 수치적분하기 위해 명시적 유한차분법을 사용한다.
Fig. 5는 해석에 사용된 모델을 도시한 것으로서 사면의 쇄석은 사면체의 개별블록으로 모델링하였으며 하부지반은 연속체로 구성하였다. 록볼트(3m 길이)는 케이블요소로, 숏크리트는 라이너요소를 이용하여 모델링하였다.
3.1.1 해석물성치
본 연구에는 Table 2와 같이 암석버럭 간 접촉물성치를 적용하였다. Table 3은 숏크리트 라이너 및 록볼트 입력변수를 나타내고 있다.
본 연구에서는 Table 4에서 제시된 바와 같이 원지반에 버럭이 성토된다는 점을 고려하여 사면모델의 물성을 두 가지로 나누어 정의하였다. 원지반에서의 점착력은 실제로 존재하지 않거나 매우 낮은 값일 것으로 추정되나 버럭 간 맞물림이 존재하기 때문에 0.3MPa의 점착력 값을 적용하였다.
Table 2. Contact material properties between rock mass
| Property | Values |
| Friction Angle (°) | 40 |
| Cohesion (kPa) | 0 |
| Normal Stiffness (MPa/m) | 1,000 |
| Shear Stiffness (MPa/m) | 100 |
| Remarks | Analysis was done by different shear stiffness |
Table 3. Properties of shotcrete and rock bolt
Table 4. Material properties of rock mass and substructure
| Specimen |
Unit Weight γt (kN/m3) |
Cohesion (MPa) |
Internal Friction Angle ø (°) |
Modulus of Deformation E (MPa) | Poisson’s Ratio υ | Remarks |
| Rock Mass Sub Ground | 20 19 | 0 0.3 | 35 40 | 200 100 | 0.25 0.28 | MC MC |
3.1.2 초기 사면 형성 단계해석 및 수치해석
Fig. 6은 사면굴착 전 발생한 지반변위 변위를 보여주고 있다. 초기 사면 형성 단계에서 록볼트 센서 매설 및 숏크리트 타설 시 지반영역의 탄성계수가 낮기 때문에 사면 굴착 전 사면의 상단에서 변위가 관찰된다.
Fig. 7은 록볼트 설치 사면의 굴착 후 발생한 지반변위 분포경향을 나타내고 있다. 굴착 후 사면 전면부와 록볼트 매설 부분에 비교적 큰 변위가 관찰되는 것을 볼 수 있다.
Fig. 8은 록볼트 설치 사면의 굴착 후 발생한 록볼트의 변위(Fig. 8(a) 참조) 및 축력 분포 경향(Fig. 8(b) 참조)을 나타내고 있다. 사면 굴착 후 록볼트의 변위값과 축력값 모두 숏크리트가 타설된 영역부터 그 크기가 급격히 증가하나 사면에 관입된 방향을 따라 점차 감소되는 것을 알 수 있다.
3.2 유한요소해석(ABAQUS ver.6.14)
본 연구에서는 개별요소 해석법과 동일하게 시공과정 및 굴착단계를 고려하여 해석 가능한 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS ver.6.14를 사용하여 탄소성 해석을 수행하였으며 이를 통해 록볼트의 변형, 사면 파괴 거동을 계측 및 검토하였다. 해당 프로그램은 지반거동을 재현을 위한 Mohr-Coulomb, Clay Plasticity, Drucker-Prager 등의 여러 탄소성 구성방정식 모델을 제공하며, 시공단계 재현이 가능하다.
숏크리트의 두께가 사면에 비해 상당히 얇기 때문에 연속된 격자망을 적용하는 것은 조밀한 격자망 생성이 불가피하며, 막대한 해석시간을 요구하게 된다. 이를 극복하기 위해 숏크리트는 원지반 및 사면과 별도의 격자망을 가지도록 모델을 형성하였고, 숏크리트와 지반영역 간 경계면에는 Tie Constraint에 의해 경계면에서의 절점이 일체적으로 거동될 수 있도록 하여 해석모델의 효율성을 제고하고자 하였다. 또한 록볼트는 축력만 받는 부재로 고려하였고, 표층 숏크리트와 사면 상단에 매입되어 상호작용할 수 있도록 Embedded Constraint를 적용하였다. 이를 통해 록볼트의 강성을 숏크리트 및 사면에 분산 적용시키는 것이 가능하고, 록볼트의 부재력 및 변형을 평가할 수 있다.
해석모델에서 지반에 적용된 요소는 3차원 정방형 고체요소이며, 숏크리트 영역 또한 고체요소를 사용하였다. 록볼트는 3차원 트러스 요소를 사용하였다.
해석 편의상 횡방향으로의 변위는 완전 구속을 가정한 3차원 모델을 사용하였다. 원지반의 측부 및 하단이 변위 구속된 상태로 초기 지중응력해석이 수행되었으며, 시공단계가 진행됨에 따라 사면층의 우측 경계면 및 횡방향으로 변위 구속조건이 활성화되도록 하였다.
지반의 경우 탄소성 모델을 적용한 것과 달리 강재 및 GFRP 록볼트의 재료모델은 선형모델을 적용하였다. 록볼트가 지반에 비해 큰 강성을 가지고 사면의 최종적인 파괴형상을 고려했을 때 록볼트가 소성영역에 다다르지 않았을 것으로 판단되므로 록볼트의 선형모델 적용은 타당성을 가진다.
3.2.1 초기 사면 형성 단계해석 및 수치해석
Fig. 9는 수치해석을 통해 시공단계에 따른 원지반 및 사면의 응력 및 변형을 나타낸다. 사면 적층과정에서 응력이 사면 하단부에 집중되는 것을 관찰할 수 있다(Fig. 9(b) 참조). 해당 영역에서 소성변형이 처음 발생하고 굴착이 진행됨에 따라 사면활동면을 형성하면서 전체적인 파괴상태(Fig. 9(c) 참조)에 이르게 됨을 확인할 수 있다. 지반영역의 탄성계수가 낮기 때문에 사면 표층 숏크리트에 비교적 큰 응력이 관찰된다.
흙에 적용된 MC 파괴기준은 지반의 응력상태가 인장에 근접할수록 소성에 이르기 쉽다. 또한 사면 표층에 작용되는 구속압의 크기가 작기 때문에, 해당 영역에서 탄성한계에 해당하는 전단강도는 다른 영역에 비해 상당히 낮다.
사면 하단부 굴착으로 인해 요소가 제거되어 노출된 표면은 요소 제거에 따른 등가 인장력을 받게 된다. 요소 제거 이전에 상당한 구속하중을 받던 상태에서 굴착으로 인한 인장응력을 받게 되므로, 사면 하단부는 다른 영역에 비해 MC 파괴기준을 초과하는 응력상태에 이르게 된다. 이러한 이유로 굴착으로 인한 노출면을 중심으로 최대 등가 소성변형률이 발생하게 되며, 이는 Fig. 10과 같이 굴착이 진행됨에 따라 증가하게 된다.
4. 현장실험
4.1 모형사면 조성
본 연구에서 사용된 록볼트 센서의 성능 검증을 위해 암반사면에 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 암반사면에 매설 후 붕괴 실험을 통하여 검증하는 것이 타당하나 실제로 암반사면을 붕괴시킬 수 있는 실험 장소를 찾기에는 쉽지 않기 때문에 본 연구에서는 터널 공사현장에서 반출한 버럭을 사용하여 계측용 모형사면을 조성 후 센서를 매설하여 사면붕괴 실험을 수행하였다.
우선 75mm 크기의 암반 버럭을 세로 15m, 가로 10m 규모로 성토하여 모형사면을 축조하고 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 매설 후 굴착하여 암반사면을 붕괴시키는 실험을 수행하였다.
Fig. 11은 모형사면 축조작업은 백호우를 사용하여 버킷에 의한 다짐 축조 후 천단부 높이 8.0m, 기울기 56°로 조성된 사면 현황을 나타낸다.
굴착 구간 및 깊이는 동일한 조건으로 적용하였으며, 굴착 구간별 대기시간을 부여하여 사면의 거동을 계측하였다.
4.2 센서 설치
천단 시점부에서 1.5m 이격된 위치에 3개의 나선형 철근 록볼트 센서와 3개의 GFRP 록볼트 센서 총 6개를 수평간격 1.5m 간격으로 매설하였다. 센서에서 계측한 데이터는 데이터 케이블을 통하여 Data Logger에 전송하여 계측 데이터를 자동으로 기록하도록 하였다.
센서 매설 후 물과 시멘트 1:3의 비율로 모르타르 혼합물을 실제 록볼트 타설 조건과 유사하게 조성하기 위해 록볼트 센서 주위에 타설하였으며, 시멘트 주변을 사석으로 고르게 덮은 후 성토하였다.
본 연구에서는 버럭 성토체를 실제 암반사면에 숏크리트가 타설된 현장과 유사하게 모사하기 위해 숏크리트를 사면 전면에 10cm 두께로 타설(Fig. 12 참조)하였다.
4.3 사면붕괴 실험
본 연구에서는 사면 높이 3m, 4m 위치에서 단계적으로 굴착을 실시하여(Fig. 13 참조) 모형사면의 붕괴거동을 고찰하였다. 굴착은 백호우를 이용하여 절토면이 평지와 수직이 되도록 3.0m 굴착과 4.0m 굴착 등 2단계로 수행하였다.
Fig. 14는 Data logger를 사용하여 사면의 붕괴에 따른 계측값을 수집하여 분석한 결과를 나타낸다. 모형사면 굴착 중 계측된 시간 경과에 따른 실험 조건별 변위값은 나선형 철근 록볼트 및 GFRP 록볼트 센서를 통하여 실시간 데이터로거로 전송되는데, 굴착 후 굴착선 하부의 버럭이 넓은 면적의 숏크리트와 함께 붕괴되는 양상을 나타냈다.
4.4 현장실험 계측값
Fig. 15(a)는 암반사면 3m 굴착 시 숏크리트가 10mm 타설된 버럭 성토체 사면에 매립된 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서의 계측 기록을 나타낸 것이다. 굴착개시 후 500초정도 시간 경과 후 암반사면에서 최대변위가 발생한 것을 볼 수 있다.
Fig. 15(b)는 3m 굴착개시 후 일정 시간 경과 후 4m 굴착 전의 변위값을 초기화 시키고 4m 굴착 후 변위값을 비교하여 최대변위 값을 측정한 결과이다.
현장실험 계측결과, 높이 3m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 최대변위는 203.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서는 42.0mm로 나타났으며, 높이 4m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서는 217mm 나선형 철근 록볼트 센서에서 170mm의 최대변위값이 계측되었다.
4m 굴착을 진행하고 약 120초 정도 경과 후부터 변위가 급격히 증가하는 양상(Fig. 15(b) 참조)을 나타내 사면이 붕괴되었음을 알 수 있다.
4.5 현장실험과 수치해석간 계측값 비교
Table 5는 현장실험과 수치해석(ABAQUS, 3DEC)의 변위 및 축력 결과를 나타낸 것이다. 사면의 암석블록을 불연속체로 모사한 3차원 불연속체 해석(3DEC)의 결과값은 현장계측결과와 유사한 경향을 나타낸 반면 사면을 연속체로 가정한 유한요소해석(ABAQUS)의 결과값은 실제 현장에서 측정한 변위값과 큰 차이를 나타냈다.
나선형 철근 록볼트와 GFRP 록볼트의 변위 및 축력 결과를 비교한 결과(Fig. 16 참조) 유한요소해석(ABAQUS)에서의 록볼트 변위값은 1.1mm로 동일하게 측정되었고, 축력값은 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다. 개별요소해석(3DEC)에서의 변위 및 축력값 모두 GFRP 록볼트가 나선형 철근 록볼트에 비해 높은 값이 측정되었다.
Table 5. Analysis result comparison of field measurement, DEM discrete element analysis, FEM finite element analysis
록볼트 센서는 앵커 정착부를 가지지 않고 거치 후 매설된 상태이고 긴장력을 가한 것도 아니므로 사실상 보강 효과는 없다고 판단된다. 해석모델이 연속체이고 보강재를 지반영역에 배치한 격자망에 Embedded 시킨 것으로 해석모델을 생성하였기 때문에 록볼트의 축강성이 지반영역 격자망에 대한 강성행렬에 반영된다.
수치해석과 계측 자료 비교 분석 결과, 3차원 개별요소(불연속체)해석을 통한 록볼트의 변위결과가 실제 현장에서 측정한 록볼트의 변위값이 비슷하게 나타나는 경향을 나타내었다.
본 연구에서는 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서의 계측 성능 검증을 통해 록볼트 센서가 암반사면의 초기 거동 및 사면붕괴에 이르기까지의 거동을 계측할 수 있음을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 붕괴초기에 발생하는 비탈면의 거동 특성을 분석하기 위하여 모니터링이 가능한 나선형 철근 록볼트 센서와 GFRP 록볼트 센서를 사용하여 버럭으로 조성된 모형사면에서 굴착에 따른 암반사면의 거동 특성을 분석하고 록복트의 적용성을 고찰하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
(1) 사면붕괴 실험을 수행한 결과, GFRP 록볼트 센서 및 나선형 철근 록볼트 센서가 암반사면의 초기 거동 및 붕괴 시 사면에서 발생한 변형 거동을 계측 가능함을 확인하였다.
(2) 현장실험 계측결과, 높이 3m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 최대변위값 203.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서는 42.0mm, 높이 4m 굴착시 GFRP 록볼트 센서에서 217.0mm, 나선형 철근 록볼트 센서에서 170.0mm로 모든 계측값에서 변위값이 급가속적으로 증가 후 붕괴되는 경향을 나타내어 사면 붕괴 예측 시 나선형 철근 록볼트 센서 및 GFRP 록볼트 센서를 적용 할 수 있을 것으로 사료된다.
(3) 유한요소해석 결과는 실규모의 3차원 해석모델과 현장실험간 다소 상이한 사면 거동 및 록볼트 거동이 관찰되었으며, 개별요소해석 결과는 실제 현장에서 측정한 록볼트의 변위값이 비슷하게 나타나는 경향을 나타내었으며, 동일한 조건에서 GFRP 록볼트 센서의 변위 감지 성능이 나선형 철근 록볼트 센서보다 우수한 것으로 나타났다.
(4) GFRP 록볼트 센서가 나선형 철근 록볼트 센서보다 감지 성능 및 재질적인 측면에서 사면 예･경보시스템 구축에 유리 할 것으로 사료된다.
