5. 이완하중 산출 및 하중재하 예시
1) 이완하중 산출방식
이완하중을 산출하기 위해서는 각 식에 대한 이해도 뿐 아니라 설계의 추세, 이완하중이 적용될 지반의 특성 등을 고려해야 한다.
한 가지 가상의 프로젝트를 생각해서 이완하중을 산출하는 순서를 보여주고자 한다.
프로젝트 : XX철도건설 프로젝트 제X공구
터널형식 : NATM
지반특성 : 터널계획구간 풍화암~4등급 분포, 단층대 2개소 존재
과업특징 : 심도 40~60m, 도심지 통과구간 터널, 터널통과구간 상부 교량 등
설계지반정수 :
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구 분 |
단위중량(kN/m3) |
점착력(kPa) |
내부마찰각(ﾟ) |
변형계수(MPa) |
포아송비 |
투수계수(cm/sec) |
|
|
매립층 |
18.0 |
- |
27 |
10 |
0.35 |
4.0X10-4 |
|
|
붕적층 |
18.5 |
- |
30 |
15 |
0.34 |
6.6X10-4 |
|
|
퇴적층 |
점성토 |
17.5 |
80 |
- |
3.5 |
0.40 |
4.0×10-6 |
|
모래 |
18.0 |
- |
28 |
10 |
0.35 |
8.4X10-4 |
|
|
자갈 |
19.0 |
- |
32 |
30 |
0.33 |
7.2X10-4 |
|
|
풍화토 |
N＜50 |
18.5 |
15 |
28 |
40 |
0.32 |
3.6X10-4 |
|
N≥50 |
19.0 |
20 |
30 |
60 |
|||
|
풍화암 |
20.0 |
30 |
31 |
200 |
0.31 |
2.0X10-4 |
|
|
연암 |
22.0 |
140 |
33 |
800 |
0.29 |
8.6X10-5 |
|
|
보통암 |
24.0 |
650 |
36 |
3,900 |
0.26 |
2.8X10-5 |
|
|
경암 |
26.0 |
2,500 |
42 |
9,000 |
0.22 |
9.5X10-6 |
|
|
파쇄대 |
21.0 |
60 |
31 |
380 |
0.31 |
1.8X10-4 |
|
|
Ⅴ |
22.0 |
100 |
32 |
450 |
0.31 |
9.8X10-5 |
|
|
Ⅳ |
23.0 |
200 |
34 |
2,000 |
0.28 |
5.8X10-5 |
|
|
Ⅲ |
25.0 |
700 |
37 |
4,800 |
0.25 |
5.0X10-5 |
|
|
Ⅱ |
26.0 |
2,000 |
41 |
8,500 |
0.22 |
5.2X10-6 |
|
|
Ⅰ |
27.0 |
3,500 |
46 |
13,000 |
0.21 |
1.6X10-6 |
|
다음과 같은 특성을 가지고 있는 프로젝트에서 이완하중을 산정해보도록 하자.
(1) 설계기준을 검토하고, 사용가능한 이완하중식을 선정한다.
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KC C-12040 콘크리트 라이닝 설계시 고려해야할 하중 (국가철도공단, 2021)
(2) 이완하중 전체를 비교해보도록 한다.
→ Terzaghi 암반 이완하중, Unal, Barton 등 모든 이완하중을 산출한다 (*첨부엑셀 참고)
(3) 터널 형식과 과업 현황과 각 이완하중 계산식의 특징을 비교한다
→ 지반-주지보재-콘크리트 라이닝 상호작용 모델 : 토사에 과소하게 적용됨, 암반에서 비교적 정확
→ Terzaghi 암반 이완하중식 : 토사에서 다소 부정확함,
→ Unal 이완하중식 : 전체 이완하중식들과 비교시, 낮은 지보패턴에서 과다함
→ Barton 이완하중식 : 전체 이완하중식들을 비교시, 5패턴 이후로 과소적용됨
→ Terzaghi 이론식 : 암반구간에서 다소 부정확하게 산정됨, 토사지반 이완하중 계산시 비교적 정확
(4) 유사과업 사례 및 최근 설계 사례 분석
→ 수도권 광역 급행철도 프로젝트(2022) 분석 결과 : 지반-주지보재-콘크리트 라이닝 상호작용 모델 적용
→ XX국토건설 프로젝트(2022) 분석 결과 : 지반-주지보재-콘크리트 라이닝 상호작용 모델 적용
→ XX철도건설 프로젝트(2021) 분석 결과 : Terzaghi 이론식 적용
다음과 같은 검토 결과에 따라, 지반-주지보재-콘크리트 라이닝 상호작용 모델을 이용한 지반하중을 이완하중 산정식으로 고려하기로하였다. (*excel식 참조)
2) 하중재하
(1) 설계기준을 검토하고, 사용가능한 이완하중 재하방식을 선정한다.
→ 고속도로의 설계의 경우에는 고속도로 설계기준에 이완하중 재하방식또한 기준에 나와있다.
→ 하지만 철도의 경우 기준으로 나와있지 않기 때문에 어떤 재하방식을 적용해도 상관이 없다.
(2) 과업구간에 대한 분석
→ 과업구간은 심도가 깊은곳에 위치하고 있고, 암반구간에 계획되어있으므로 이완하중이 과다하게 산정될 경우에는 철근 및 콘크리트 두께가 과다하게 적용될 수 있다.
→ 그러므로 하중은 연직, 수평방향과 부재 축방향으로 고려하겠음
(3) 터널형식 대한 분석
→ 쉴드터널이나 토사지반을 통과하는 경우, 지반이 불안정하므로 연직방향의 부재력 적용방향을 적용하나, 일반적인 NATM 형식의 터널이므로, 연직, 수평방향 및 부재 축방향으로 고려함.
(4) 부재력 결정
→ 철도설계기준은 아니나, 고속도로 설계 기준에 나와있으면서 과업 구간과 터널 형식을 고려했을 때 모두 부합하는 부재 축방향 하중 재하 방식을 선택함.
6. 총론
이완하중을 산정하는 여러 가지 식들을 살펴보았고 각각의 산정식마다의 특징을 알아보았다.
산정식을 산출하게된 근거와, 산출식을 적용하는 것은 엔지니어의 판단에 맡기는 부분이기에 엔지니어 각각의 생각과 적용하게 되는 지반의 형태, 지반의 조건 등 여러 가지 상황을 고려해가며 합리적이고 해석하고자 하는 구조물의 조건에 부합하는 이완하중식을 적용해야 할 것으로 사료 된다.
이완하중고가 적게 나오고, 그로 인해 적은 이완하중을 산정해서 무분별하게 구조물에 적용하는 것은 옳지 않으며 모든 조건식을 따져보고 생각하며 적정하게 적용해야 할 필요성이 있다는 얘기이다.
적절한 이완하중을 선정하여 설계를 진행하고, 과다한 설계가 이루어지지 않도록 하는 것, 안전한 설계가 이루어지도록 하는 것은 엔지니어의 역할이기 때문이다.
부재력을 재하하는 방식 또한 마찬가지이다.
부재의 축방향으로 부재력을 적용하는 방식이 가장 부재력이 적게 나오는 결과를 나타내고 있긴 하나, 부재력이 나오는 형태, 부재에 하중을 적용해야하는 지반의 조건등을 따져가며 하중 재하 방식에도 많은 고민과 합리적인 선택이 필요할 것이다.
또한 이번 자료에서 설명한 내용들의 경우에는 터널설계기준, 도로설계기준, 철도설계기준 등 다양한 설계기준과 설계프로젝트 및 현황에 맞는 설계기준을 찾아가며 적용해야 할 것으로 생각된다.
참고자료 및 참고문헌
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Rose, D. (1982), “Revising Terzaghi’s tunnel rock load coefficient”, Proceedings of 23rd U.S Symposium on Rock Mechanics, AIME, New York, pp. 953-960.
-
Terzaghi, K. (1946), Introduction to tunnel geology in rock tunneling with steel supports, Commercial shearing and stamping company, Youngstown, Ohio.
-
Unal, E. (1983), Design guideline and roof control standards for coal mine roofs, Ph.D. Thesis, The Pennsylvania State University.
-
Grimstad, E., Barton, N. (1993), “Updating the Q-system for NMT”, Proceedings of int. symp. on sprayed concrete - modern use of wet mix sprayed concrete for underground support, Fagernes, Oslo, pp. 46-66.
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한국건설기술연구원(2013), 철도건설 경쟁력 확보를 위한 제반 연구 –터널분야- 최종보고서
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서울과학기술대학교 건설시스템공학과 졸업
서울대학교 건설환경종합연구소 연구원 근무
터널 전문 설계사 근무
종합 설계사 근무
