2014. 3. 20. 13:14ㆍ# 공부방
암반의 초기응력 측정방법과 원리 및 응용
초기지압(initial ground stress)이라 함은 지반내부에 터널 또는 지하발전소와 같은 공동을 굴착할 때 그 이전에 지반에 작용하고 있던 1차지압(primary ground stress)을 가리키며, 굴착 이후에는 초기지압의 국부적 해방으로 지반내 응력상태가 변화하여 2차지압(secondary ground stress)이 형성된다. 이때, 1차지압 및 2차지압을 총칭하여 지압이라 하며, 특히 암반의 지압을 암압(rock stress), 토사지반의 지압을 토압이라 하고, 지압의 수평성분과 연직성분의 비를 측압계수라 한다.
초기지압상태에 영향을 미치는 인자로서는 지표까지의 암반자중에 의한 응력, plate tectonics에 의거한 지각구조에 관계된 힘 또는 암반이 과거에 받은 지각변동, 암반의 물리, 화학적 변화에 의한 응력 등으로 구분할 수 있다.
초기지압의 분포를 구하는 일반적인 방법은 이론해석으로서는 탄성이론에 의한 유한차분법 또는 유한요소법, 실험방법으로서는 광탄성시험, 측정방법으로서는 응력해방법 등으로 구분된다.
1. 초기지압 측정방법
초기지압은 암반구조물의 안정에 크게 영향을 미치므로, 초기지압의 측정은 대형 교각, 댐, 원자로기초, 터널, 지하발전소 등의 설계 및 시공계획에 매우 중요하다.
초기지압의 측정방법은 응력해방법(stress relief technic)과 응력회복법(stress recovery technic)으로 대별되며, 응력해방법에는 암반벽면, 보링공저, 보링공벽, 보링공내의 변형률측정, 보링공경측정, 보링공내압력측정 등의 방식이 있고, 응력회복법에는 Flat jack법, 응향방출(AE)법 등이 고안되어 있으나, 응력회복법은 원리적으로는 응력을 직접적으로 구하는 이점이 있지만 측정방법에 난점이 많기 때문에 현재로서는 응력해방법을 많이 이용하고 있다.
(1) Flat jack method
플랫 잭 방법은 먼저 strain을 개방시킬 수 있도록 대응하는 측점사이의 암반에 공을 천공하고 flat jack이라는 평판모양의 gage를 투입한 후 grouting을 한다. grout가 경화된 수 strain gage가 초기치를 나타낼 때까지 flat jack을 가압한 후 그 값을 읽어 초기응력을 측정한다. 이 방법은 측정이 암반의 성질과는 무관하게 수행될 수 있으므로 연약암반이나 비탄성 암반 내에도 응력측정이 가능하다. 그러나 flat-jack 공을 기이 천공하기가 어려우므로 공구 표면에서만 측정해야 하는 단점이 있다.
(2) 공경변형법(Borehole defomation method)
공경변형법은 지압을 받아 변형율을 일으키고 있는 암반의 일부분글 굴착, 제거하면 그 부분은 무응력 상태가 되고 변형율이 소멸되므로 이 때의 변형율의 변화량을 측정함으로써 응력을 구하는 방법으로, 조작이 비교적 간편하고 탄성이론에 의한 측정치 처리가 용이하다.
(3) Doorstopper method(공저변형법의 일종)
이 방법은 공저변형법의 일종으로 먼저 측정지점까지 borehole을 천공한 뒤 공의 바닥면을 연마하여 그 중앙에 rosette gage(doorstopper)를 부착시키고 gage의 초기치를 읽는다. 그 후 공경변형법과 같이 대구경 bit로 overcoring을 하여 변형율을 해방시키면서 변형치의 변화량으로부터 공저면의 응력을 해석한다.
(4) 공벽변형법(Borehole strain method)
측정용 소구경 공벽면 내의 한 단면에 3개의 rosette gage를 부착한 후 대구경 bit로 overcoring을 하여 응력을 해방시키고 이 때의 변형율의 변화량으로부터 암반응력을 측정하는 방법이다.
(5) Borehole inclusion stressmeter method
공 내에 strain gage를 삽입하여 측정한 변형율의 변형량으로 응력을 구하는 앞의 방법과는 달리 공내에 stressmeter를 삽입, 밀착시켜 응력의 변화를 직접 측정하는 방법이다.
(6) 수압파쇄법(Hydraulic fracturing)
시추공을 이용하여 수압펌프와 시추공 상하 양단의 물을 막는 packer를 사용하여 시추공내 수압을 가하여 암반에 균열을 발생시키는 방법으로 응력을 측정하는 방법이다. hydraulic fracturing은 처음 석유개발에서 많이 사용되었고 평지에서 많이 적용되어 암반내 응력의 주응력방향이 수직, 수평방향이라는 전제에서 수직균열이 발생하나 실제 암반에서 주응력방향이 수직, 수평이 아닌 경우가 많고 경사를 갖는 경우가 많다. 그러므로 최근에는 균열방향을 impression packer로 탐지하여 주응력방향을 결정하는 해석방법도 연구 개발되었다.
2. 지하구조물 설계시 암반 응력(In-situ stress)의 중요성
지하암반에 분포하는 응력상태는 지하구조물 설계시 지하구조물의 위치, 모양, 크기, 방향, 채굴순서, 보강대책 및 안정성 분석에 parameter가 되므로 중요하다.
1) 응력측정의 중요성
양수발전소, 핵폐기물저장소, 유류 및 가스저장소 등 지하구조물의 동굴과 터널에 대한 설계목적은 다음과 같다.
① 가장 적절한 위치선택
② 가장 합리적인 모양과 크기의 설계
③ 가장 좋은 방향 선택
④ 가장 능률적이고 안전한 채굴순서
⑤ 보강의 필요성 판단과 이에 대한 설계
암반의 응력상태는 위의 각 설계목적 항목과 연관되어 있으므로 이의 자료가 있으면 보다 좋은 설계를 할 수 있는 중요한 설계변수이다.
(1) 지하구조물의 위치선택은 대개 지형과 지질적인 조건에 의하여 결정되어 진다. 즉, 급경사를 이루는 산록에 위치하는 터널과 산기저에 위치하는 터널이나 심부지하동굴에서 암반의 거동은 대단히 다를 것이다. 이들에 대한 응력상태를 알면 응력집중상태를 평가할 수 있으며, 따라서 가장 응력집중이 적은 곳을 택하여 지하구조물의 위치를 결정할 수 있다.
(2) 지하동굴 및 터널의 크기와 모양결정에는 각종 기기의 설치에 따라 약간의 유동성이 있으므로 응력 집중을 고려하여 안전하고 인공적인 지보를 최소로 줄이도록 하여야 한다. 이들 모양을 결정짓는 가장 중요한 요인은 응력상태로 특히 수직과 수평응력의 비율이다. 최소 응력집중을 받게 하기 위하여 수직과 수평응력의 비율에 맞추어 압축응력이 균일하도록 설계되어야 하기 때문이다.
(3) 이와 같이 응력분포는 지하구조물 layout결정에 중요한 요인이 될 뿐만 아니라 지하 구조물 채굴시 안전하고 경제적인 공사를 하기 위하여 터널의 lining support, reinforcement 등 보강설계에 응력분포 파악의 기초자료가 되므로 중요하다. 채굴시 암반거동의 안정성을 확인하기 위한 변위 측정시 정확한 해석을 위해서도 응력의 자료가 필요하다.