록볼트 긴장에 의한 수평절리암반의 보강효과
Reinforcing Effect of the Pre-tensioned Rock Bolts in Jointed Rocks
- 주제(키워드) 록볼트 , 록볼트 긴장력 , 록볼트에 의한 압력대 , 지반변형계수 , 단순보 조건
- 발행기관 아주대학교
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설교통공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000010781
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 터널 등 지하공동 굴착시 주요 지보재로 사용되는 록볼트의 원지반 보강효과를 정량적으로 파악하고, 록볼트의 긴장력 도입시 원지반 강도 증가에 미치는 영향을 규명하여 합리적인 록볼트 설계에 필요한 기초자료를 제공하고자 수행하였다. 긴장력을 가한 록볼트의 원지반 보강효과를 검증하기 위하여 단순보 조건으로 모형지반을 조성하여 대형모형실험을 실시하였고, 수치해석을 통하여 모형실험결과와 비교․검증하였다. 모형지반은 0.2m(길이)×0.15m(높이)×0.45m(폭) 크기의 콘크리트 블록을 수평방향 연속절리를 갖도록 4.8m(길이)×1.05m(높이)×0.45m(폭) 규모로 조성하여 압력대 두께와 긴장력 크기에 따라 모형실험을 실시하였다. 모형지반 하부에는 숏크리트를 설치하고, 조성된 모형지반과 숏크리트를 록볼트로 구속한 후에 기초지반을 제거해서 모형지반의 처짐을 유도하였으며 지보재에 가해지는 응력을 측정하였다. 모형실험은 무보강 조건을 포함한 총 19개의 실험변수에 대하여 수행하였다. 록볼트의 설치간격과 길이에 의해 결정되는 압력대 두께를 3가지 경우, 즉 0.5(6개 보강), 0.65(8개 보강), 0.8(12개 보강)인 경우와 록볼트의 긴장력은 6가지 경우 즉, 5, 10, 15, 20, 25, 30kN의 경우로 변화시키면서 실험하였다. 각 실험에 대하여 보다 확실한 결과를 도출하기 위하여 기초지반을 제거하여 자중에 의한 처짐이 완료된 후 중앙부에 집중하중을 7가지의 경우 즉, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 70kN으로 재하하고, 70, 50, 40, 30, 20, 10, 5kN 까지 차례로 제하하여 그 특성을 분석하였다. 수치해석은 록볼트 긴장력과 압력대 두께를 모형실험과 동일한 조건으로 모델링하여 수행하였으며, 수치해석 결과로부터 모형지반에 발생되는 응력을 분석하고, 록볼트 긴장력 및 압력대 두께에 따른 압력대 압축응력 변화와 분포경향을 확인하였다. 수치해석결과는 모형실험 결과와 비교·검증하였다. 모형실험을 통해 계측된 처짐량을 단순보 처짐공식에 대입하여 지반변형계수를 산출하고, 록볼트 긴장력 및 압력대 두께와 지반변형계수가 상관관계를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 록볼트 긴장력과 압력대 두께에 따른 지반변형계수의 상관성을 하나의 일반화된 관계식으로 도출하여 록볼트 긴장에 의한 지반보강효과를 정량적으로 구할 수 있도록 하였다.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 4
제 2 장 이론적 배경 5
2.1 지반응력과 지보재의 상관관계 5
2.2 록볼트의 작용원리 7
2.2.1 록볼트의 거동특성 7
2.2.2 록볼트 보강효과에 대한 실험적 검증 8
2.2.3 록볼트의 정착방식에 따른 거동 9
2.3 록볼트로 형성되는 원지반 아치 14
2.3.1 Talbore의 원지반 아치 이론 14
2.3.2 Rabcewicz의 원지반 아치효과 15
2.3.3 Lang의 잠재 아치 이론 17
2.3.4 록볼트와 숏크리트의 복합효과 19
2.4 록볼트 긴장력에 의한 보강효과 20
2.5 록볼트의 설계 23
2.5.1 록볼트의 배치와 길이 23
2.5.2 록볼트의 매달기 이론 25
2.5.3 록볼트 보강지반의 휨 이론 26
2.5.4 내압효과를 고려한 록볼트 설계 27
2.5.5 록볼트에 대한 등가지보 이론 28
2.5.6 절리면 마찰 접근법 29
2.5.7 보강암반체 이론 30
2.5.8 경험적 방법 31
제 3 장 대형모형실험 34
3.1 실험개요 34
3.1.1 압력대 두께 결정 35
3.1.2 실험변수 37
3.2 실험장치 38
3.2.1 모형지반 39
3.2.2 경계조건 40
3.2.3 하부구조 41
3.2.4 록볼트 및 숏크리트 42
3.2.5 하중재하장치 42
3.3 모형지반 및 지보재의 물리·역학적 특성 43
3.3.1 블록의 일축압축강도시험 43
3.3.2 블록의 전단시험 44
3.3.3 모형지반의 암질분류 45
3.3.4 지보재(숏크리트, 록볼트) 47
3.4 실험순서 48
3.4.1 기초지반 조성 및 지보재 설치 53
3.4.2 모형지반 조성 54
3.4.3 계측기 설치 및 록볼트 긴장력 재하 55
3.4.4 기초지반 제거 56
3.4.5 집중하중 재하 57
3.5 계 측 58
3.5.1 계측기기 58
3.5.2 계측위치 59
3.6 대형모형실험 결과 61
3.6.1 무보강실험 결과 61
3.6.2 기초지반 제거실험 결과 63
3.6.3 집중하중 재하실험 결과 81
3.6.4 지반변형계수 산정 89
제 4 장 수치해석 92
4.1 수치해석 개요 92
4.2 수치해석방법 93
4.2.1 수치해석방법 93
4.2.2 적용 프로그램 94
4.3 해석조건 95
4.3.1 모형지반의 적용물성치 95
4.3.2 해석경계조건 및 모델링 95
4.4 수치해석 결과 97
4.4.1 굴착에 따른 모형지반의 처짐형상 97
4.4.2 모형지반의 응력분포 102
4.4.3 록볼트 축력 112
4.4.4 숏크리트 응력 114
4.5 합성보 조건에서의 수치해석 결과 122
제 5 장 분석 및 고찰 123
5.1 모형실험 결과 124
5.1.1 기초지반 제거시 지반변형계수 산정 124
5.1.2 집중하중 재하시 지반변형계수 산정 129
5.2 수치해석 결과 133
5.2.1 록볼트 보강에 따른 압력대 형성 133
5.2.2 모형실험 결과와의 비교 138
5.3 록볼트 보강에 의한 관계식 산정 142
5.3.1 록볼트 보강효과에 대한 관계식 산정 142
5.3.2 관계식 부합성 검토 148
5.4 고 찰 149
제 6 장 결 론 151
참 고 문 헌 154
부 록
A. 모형실험 : 기초지반 제거 161
A.1 경과시간에 따른 보강지반 처짐거동 162
A.2 압력대 두께비에 따른 보강지반 처짐거동 198
A.3 록볼트 긴장력에 따른 보강지반 처짐거동 205
A.4 단계별 기초지반 제거에 따른 록볼트 축력거동 209
B. 모형실험 : 집중하중 재하 218
B.1 단계별 하중재하에 따른 보강지반 처짐거동 219
B.2 압력대 두께비에 따른 보강지반 처짐거동 255
B.3 록볼트 긴장력에 따른 보강지반 처짐거동 262
C. 수치해석 266
C.1 보강지반 처짐량 267
C.2 보강지반 압축응력 273
C.3 보강지반 전단응력 279
C.4 보강지반 압력대 분포 285
C.5 숏크리트 응력 291
C.6 숏크리트 휨모멘트 297
D. 실험사진 303
Abstract 323
감사의 글 325
