4. 조사성과 종합분석 및 활용방안

4.1 단층, 파쇄대 분석

4.1.1 개요

4.1.1.1 검토방향

- 광역분석(인공위성영상판독, 지표지질조사, DEM 음영기복도), 예비조사(탄성파탐사, 전기비저항탐사), 상세조사(시추조사, 굴절법토모그래피탐사) 등의 단계별 조사결과를 종합분석하여 과업구간내 단층, 파쇄대 영향 검토

- 해상교량구간과 육상구간을 구분하여 파쇄대 분포 위치 및 범위를 고려한 대책방안 수립

4.1.1.1.1 조사 단계별 검토항목

(1) 사전조사(광역조사)단계 : 인공위성영상분석, 지표지질조사 및 DEM 음영기복도에 의한 선구조 파악

(2) 예비조사단계 : 사전조사에서 나타난 선구조 및 중요구조물에 대한 탄성파탐사, 전기비저항탐사에 의한 이상대 파악

(3) 상세조사단계 : 토모그래피탐사, 시추조사에 의한 파쇄대 여부 및 범위 확인

4.1.1.1.2 검토방향

(1) 단계별 조사에 의해 나타난 선구조, 파쇄대, 단층 유무 검토

(2) 단층 및 파쇄대가 구조물에 미치는 영향검토

- 거금연도교(해상구간) : 파쇄대에 따른 각 기초위치의 적정성 판단

- 거금터널 및 소록터널 : 파쇄대의 영향을 고려한 지보패턴 선정

- 기타구조물 : 파쇄대 구간에서의 보강여부 판단

4.1.1.2 주요조사위치

4.1.1.3 단층 파쇄대의 영향성

4.1.2 단층 및 파쇄대 분석

4.1.2.1 광역조사에 의한 파쇄대 분석

- 인공위성영상판독에 의한 선구조분석

- 지표지질조사에 의한 지질구조분석

- 수치지형도에 의한 DEM 음영기복도 분석

4.1.2.1.1 인공위성영상판독에 의한 선구조분석

(1) 평가

- 소록도 구간 NE 방향 선형구조 발달하나 계획노선까지 연장되지 않음

- 거금도 구간 NE, NW 방향 선형구조 발달하며 깎기 1구간 및 금진교차로 구간에 간접적으로 영향을 미칠것으로 판단됨

- 위성영상판독은 개략분석이므로 수치지형도에 의한 DEM 음영기복도 분석에 의한 선형구조분석결과 참조

4.1.2.1.2 지표지질조사에 의한 파쇄대 분석

(1) 분석내용

- 거금도 구간은 대부분의 노두발달 미약으로 인해 단층이나 파쇄대가 관찰되지 않음

- 소록도구간의 경우 소록터널 위치에 충상단층(Thrust Fault)이 교차하고 있으며 노선에서 서측으로 떨어진 곳에 주향이동단층이 관찰됨

(2) 판단

- 상세지표지질조사에서 나타난 단층 파쇄대 : 소록터널 STA.5+440 전후에 충상단층(Thrust Fault)이 교차하는 것으로 나타남

- 충상단층의 확인 및 터널에 미치는 영향은 상세조사결과를 종합분석하여 판단

4.1.2.1.3 수치지형도에 의한 DEM 음영기복도분석

4.1.2.1.3.1 과업전구간 광역 선구조분석

(1) 구조선 현황

(2) 주요구조물과 구조선과의 관계

- DEM 음영기복도 분석결과 파쇄대 가능성이 보통 이상인 곳은 거금터널시점 부근, 금진교차로 일부, 제3깎기부, 소록교 시점부 정도로 나타났으며 탐사 및 시추조사결과를 종합하여 파쇄대 여부 및 분포범위를 판단

- 해상구간에 대한 파쇄대 검토는 해저지형도를 이용하여 시행

4.1.2.1.3.2 거금연도교구간(해상구간) 선구조 분석

(1) 구조선 현황

(2) 각 교각 기초와 구조선과의 관계

- 해상구간 DEM 음영기복도 분석에 의해 파악된 구조선은 거금연도교 일부 교각(EPY1)을 제외하면 교차되는 교각이 없으므로 기초 안정성에 직접적인 영향은 없을 것으로 판단됨

- EPY1의 경우 구조선이 20m 정도 이격된 곳에 위치하고 있어 시추조사를 통해 영향 유무를 상세파악해야 할 것으로 판단됨

4.1.2.1.3.3 광역조사에 의한 주요구조물의 구조선 및 파쇄대 현황 요약

- 선구조가 나타난 구간에 대해서는 예비조사와 상세조사결과를 종합하여 파쇄대 여부를 최종판단

4.1.2.2 예비조사에 의한 파쇄대 분석

(1) 해상구간 (거금연도교구간)

- s음영기복도분석에 의하면 해상구간 각 기초위치에는 단층, 파쇄대가 없어 기초의 안정성에 미치는 영향은 없을 것으로 판단되나 음영기복도에 나타나지 않은 파쇄구간 파악을 위해 해상탐사결과에서 나타난 이상대를 분석

(2) 육상구간

- 음영기복도에 나타난 거금터널, 제3,4깎기부 등의 파쇄대 확인을 위해 탄성파, 전기비저항탐사시행

- 지표지질조사에서 나타난 소록터널 구간 단층 파쇄대 확인을 위한 탐사시행

4.1.2.2.1 해상구간 (거금연도교 구간) 반사법탐사에 의한 분석

(1) 반사법 탐사결과 광역조사(DEM 선구조분석)와 일치하는 구간은 아래와 같음

- EPY1~EPY2 구간 (깊은 풍화대)

- PY1 북측구간 (최대수심구간)

(2) 상기구간은 파쇄대와 100m 이상 이격되어 있어 기초 안정에 영향이 없을 것으로 판단됨

4.1.2.2.2 터널구간

4.1.2.2.2.1 거금터널구간 전기비저항탐사에 의한 분석

(1) 분석위치

(2) 분석단면

4.1.2.2.2.2 소록터널구간 전기비저항탐사에 의한 분석

(1) 분석위치

(2) 분석단면

4.1.2.2.2.3 분석결과

(1) 거금터널구간 : 선구조분석 + 전기비저항탐사

- DEM 선구조분석에 의한 구조선은 터널시점과 75m이격된 STA.1+490으로 영향성 없음

- 전기비저항탐사에 의한 저비저항대가 STA.1+700~1+730에 위치 -〉 지보패턴선정시 고려

(2) 소록터널구간 : 지표지질조사 + 전기비저항탐사

- 지표지질조사결과 STA.5+440 전후에 Thrust Fault존재

- 전기비저항탐사에서도 STA.5+400~5+440에 저비저항대 존재 -〉 지보패턴선정시 고려

4.1.2.2.3 깎기구간

4.1.2.2.3.1 제3, 4깎기구간 전기비저항탐사에 의한 분석

(1) 분석위치

(2) 분석단면

- 선구조분석에서는 제3깎기구간 중 STA.2+660, 제4깎기구간중 STA.2+880에 파쇄대가 분포하는 것으로 나타났으며 이 구간에 대한 전기비저항탐사결과는 상기 그림과 같이 선구조위치에서 저비저항대가 확인되어 파쇄대 가능성이 있음

- 그러나 본 구간은 깎기면 전체가 토사로 구성되어 있어 특별한 대책은 필요하지 않을 것으로 사료되며 비탈면 안정성 검토를 통해 보강여부를 결정해야 할 것으로 판단됨

4.1.2.2.4 예비조사에 의한 주요구조물의 파쇄대 영향성 검토

- 소록터널구간은 충상단층(Thrust Fault)가 관찰되고 전기비저항탐사의 저비저항대가 일치하고 있으므로 상세조사를 통해 단층여부 확인 및 규모 파악

4.1.2.3 상세조사에 의한 파쇄대 분석

- 거금연도교의 경우 각 교각위치가 파쇄대의 영향권을 배제한 위치에 선정되어 있어 안정성에는 영향을 미치지 않을 것으로 판단됨 (시추에 의한 교각별 상세평가는 “4.3 지층분포 특성분석”에 기술)

- 사전조사 및 예비조사결과 파쇄대에 의해 직접적인 영향을 받을 수 있는 구간은 소록터널 구간으로 분석되었음

- 따라서 소록터널 단층파쇄대 구간에 대하여 수평시추조사, 격자형전기비저항탐사, 굴절법토모그래피탐사를 시행하여 파쇄대의 분포범위를 파악하고 이를 통해 터널지보패턴 선정에 반영하였음

4.1.2.3.1 소록터널구간 파쇄대 파악을 위한 상세조사 위치

4.1.2.3.1.1 굴절법토모그래피에 의한 분석

- 상세지표지질조사 및 전기비저항탐사시 파악된 충상단층의 이상대에 대하여 굴절법토모그래피에 의한 정밀탐사결과 STA.5+400~5+420 구간에 이상대 관찰됨

-〉 터널구간 지반분류시 등급하향조정

4.1.2.3.1.2 격자형전기비저항탐사에 의한 분석

- 본선종단측선에서 STA.5+400~5+450 사이의 터널심도에서 저비저항대가 관찰되나 4개의 횡단측선을 검토한 결과 일부(STA.5+440, 5+460의 터널상부)구간에만 저비저항대 관찰됨

- 저비저항대는 절대값이 아닌 파쇄경향을 나타내는 참고치이나 파쇄대 전구간에 대한 시추 조사 자료가 없으므로 터널지보패턴 설계시 이를 반영하도록 함

4.1.2.3.1.3 수평시추조사에 의한 분석

- 해상구간 DEM 음영기복도 분석에 의해 파악된 파쇄대는 거금연도교 각 교각과 교차되는 부분이 없어 파쇄대가 기초 안정성에 미치는 영향은 없을 것으로 판단됨

4.1.3 종합평가

- 조사단계별로 중요구조물의 단층, 파쇄대 존재 유무를 평가

- 광역조사는 과업 전구간에 걸쳐 시행하였으며 예비조사에서는 해상구간과 육상구간으로 구분하여 평가

- 광역조사 및 예비조사에서 단층이나 파쇄대로 예상된 구간 중 지층특성, 구조물의 중요도를 감안하여 상세조사를 실시하여 분포상태를 파악하여 대책 수립

4.1.3.1 조사결과 종합평가

주) ○ : 파쇄대 존재가능성 있음, × : 파쇄대 존재가능성 없음

4.1.3.2 구조물별 영향성 평가

(1) 거금연도교 교각

- 모든 교각의 기초위치가 주요구조선 및 풍화대를 배제한 곳에 선정되어 있으므로 파쇄대의 영향은 거의 받지 않을 것으로 판단됨(구조선과 인접한 EPY1은 “4.3 지층분포 특성분석”에서 평가)

(2) 거금연도교 앵커리지

- 남북측 앵커리지 모두 파쇄대나 단층의 영향 없음

(3) 거금터널

- 저비저항대가 터널구간에 위치하고 있어 터널지보패턴시 이를 반영토록 함

(4) 소록터널

- 터널구간에 충상단층이 존재하고 있어 터널지보패턴선정시 이를 반영토록 함

(5) 깎기구간

- 일부 위치에 파쇄대가 위치하나 비탈면이 대부분 토사로 구성되어 있어 파쇄대에 의한 영향은 미소할 것으로 판단됨

4.2 불연속면 특성분석

4.2.1 개요

4.2.1.1 분석방향

- 불연속면은 그 특성이 불균질하며 지역 및 심도에 따라 다양한 방향, 경사, 연장성, 틈새 및 충진물 등이 나타남

- 불연속면 개략 지표지질조사, Scanline 조사, 조사창(Window)방법, Bips 및 Televiewer 등 조사에서 나타난 불연속면의 특성을 파악하고 이를 불연속면의 설계정수 산정에 활용

- 불연속면의 설계정수가 필요한 터널구간, 깎기 비탈면 및 구조물 설치구간으로 나누어 각 지역의 불연속면 특성을 분석함

4.2.1.2 조사 현황 및 수량

(1) 조사선(Scan Line) 방법

(2) 조사창(Window) 방법

(3) 불연속면 개략 조사

(4) BIPS(시추공영상촬영)

(5)TELEVIEWER

- Scanline, Window

- Bips, Televiewer

4.2.2 터널구간 불연속면 특성분석

4.2.2.1 거금터널

활용자료 : 노두 개략절리조사 + BIPS TB-3

(1) 방향성

(2) 간격

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 확률지 도시결과, Lognormal 분포함수를 따름

- 불연속면 Set별 간격은 산술평균이 약 0.17m~0.48m의 범위를 갖음

- Lognormal 분포에서의 평균간격치는 Set 1이 0.09m, Set 2가 0.18m이며 Set 3는 0.23m 임

(3) 틈새

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 확률지 도시결과, Lognormal 분포함수와 Normal 분포함수 모두 따르지 않음

- Lognormal 분포를 따를 때, 전체 절리군의 평균 크기는 약 9.21mm, 개구성 절리군의 평균 크기는 약 31.79mm

- 절리군별로는 Set 1이 가장 큰 틈을 갖음

- 전체 절리군의 틈새크기에 대한 산술 평균은 약 60.5mm

(4) JCS

(5) JRC

4.2.2.2 소록터널

활용자료 : 스캔라인 SC-1 + BIPS TB-11, BH-43

(1) 방향성

(2) 간격

(3) 연장성

(4) 틈새

- 전체 절리군와 Set 1의 경우 적합한 분포함수가 없음

- Set 2의 경우 모든 분포함수에 적합한 것으로 나타났으나, 카이검정과 유의수준차가 정규분포함수의 경우 더 크게 나타나기 때문에 정규분포함수 채택

- Set 3의 경우 정규분포 및 음지수분포함수에 적합한 것으로 나타났으나, 카이검정과 유의수준차가 음지수분포함수의 경우 더 크게 나타나기 때문에 음지수분포함수 채택

(5) JCS

(6) JRC

4.2.3 깎기비탈면

4.2.3.1 거금터널 시점부 좌측사면

활용자료 : BIPS TB-3

(1) 방향성

- 총 190개의 불연속면(All Discontinuity)이 관찰됨 주 방향성은 024/61 (Dipdirection /Dip) 으로 나타남

- 절리등 균열면의 형상은 Irregular~Plannar한 형태로 나타나고, 12∼24m 사이에 파쇄대가 집중되어 있음

- 풍화상태는 상부층에서 부분적으로 심한풍화를 받았으며, 하부로 갈수록 대체적으로 신선함

- 불연속면들의 경사각은 30∼60°의 중경사각이 우세하게 나타남

- 시추공은 전반적으로 심한풍화를 받은 상태를 보임

(2) 간격

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 확률지 도시결과, lognormal 분포함수를 따름

- 불연속면 Set별 간격은 산술평균이 약 0.17m~0.48m의 범위를 갖음

- Lognormal 분포에서의 평균간격치는 Set 1이 0.09m, Set 2가 0.18m이며 Set 3는 0.23m 임

(3) 틈새

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 확률지 도시결과, 대수정규분포함수와 정규분포함수 모두 따르지 않음

- Lognormal 분포를 따를 때, 전체 절리군의 평균 크기는 약 9.21mm, 개구성 절리군의 평균 크기는 약 31.79mm

- 절리군별로는 Set 1이 가장 큰 틈을 갖음

- 전체 절리군의 틈새크기에 대한 산술 평균은 약 60.5mm

4.2.3.2 거금터널 종점부 좌측사면

- 활용자료 : 노두 개략절리조사 + BIPS TB-3

- 방향성은 노두 개략절리조사 결과를 반영하였으며 절리 간격 및 틈새는 시점부와 동일하게 적용함

4.2.3.2.1 방향성

4.2.3.3 본선 좌측사면

활용자료 : BIPS CB-4

(1) 방향성

- 총 69개의 불연속면(All Discontinuity)이 관찰되고 주방향성은 161/45(Dip direction /Dip)으로 나타남

- 절리 등 균열면의 형상은 Irregular내지 Plannar한 형태로 나타나고 파쇄대는 12∼17m 사이에 집중되어 있음

- 풍화상태는 상부층에서 전반적으로 심한풍화를 받았으며 하부로 갈수록 부분적으로 신선함

(2) 간격

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 확률지 도시결과, 대수정규분포 함수를 따름

- 불연속면 Set별 수선방향으로의 간격은 산술평균이 약 0.15m~0.56m의 범위를 갖음

- Lognormal 분포에서의 평균간격치는 Set 1이 0.07m, Set 2가 0.4m이며 Set 3는 0.08m를 보임

(3) 틈새

- 불연속면 간격치의 확률분포함수는 대수정규분포함수와 정규분포함수 모두 따르지 않음

- 대수정규분포를 따를 때 전체 절리군의 평균 크기는 약 4.3mm, 개구성 절리군의 평균 크기는 약 16.3mm

- 절리군별로는 Set 3가 가장 큰 틈을 갖으며 전체 절리군의 틈새크기에 대한 산술 평균은 약 19.2mm

4.2.4 구조물구간(앵커리지부)

4.2.4.1 북측앵커사면

활용자료 : 스캔라인 SC-1 + BIPS BH-43

(1) 방향성

(2) 간격

(3) 연장성

(4) 틈새

(5) JCS

(6) JRC

4.2.4.2 남측앵커리지

활용자료 : 스캔라인 SC-3, SC-5 + BIPS BH-39

(1) 방향성

(2) 간격

- 전체절리군의 경우 검정결과에 의한 적합한 분포함수가 없으나, 가장 근사한 분포함수는 대수정규분포함 수인 것으로 나타남

- Set 1의 경우 검정결과에 의한 적합한 분포함수가 없으나, 가장 근사한 분포함수는 대수정규분포함수인 것으로 나타남

- Set 2의 경우 검정결과, 대수정규분포함수가 가장 적합한 것으로 나타남

- Set 3의 경우 음지수함수분포와 대수정규분포함수에 모두 적합한 것으로 판정되었으나, 카이검정값과 유의수준의 차가 대수정규분포함수의 경우 더 크게나기 때문에 대수정규분포함수 채택

(3) 연장성

- 전체 절리군의 경우 대수정규분포함수분포가 가장 적합한 것으로 판정됨

- Set 1의 경우 대수정규분포함수분포가 가장 적합한 것으로 판정됨

- Set 2의 경우 대수정규분포함수분포가 가장 적합한 것으로 판정됨

- Set 3의 경우 대수정규분포함수분포가 가장 적합한 것으로 판정됨

(4) 틈새

- Set 1, 2 3 모두 가장 근사한 분포함수는 대수정규분포함수인것으로 나타남

(5) JCS

- 전체적으로 정규분포함수와 가장 근사한 분포를 따름

(6) JRC

- 전체적으로 정규분포함수와 가장 근사한 분포를 따름

4.3 지층분포 특성분석

4.3.1 분석방향

- 주요구조물에 대한 지층분포 특성을 분석하여 지층상태가 구조물에 미치는 영향을 검토

- 검토대상으로는 타구조물에 비해 규모 및 중요성이 큰 거금연도교구간(주경간교, 접속교, 앵커리지 구간), 터널구간(거금터널, 소록터널)을 선정하였음

4.3.1.1 거금 연도교

- 해상구간의 전반적인 지층상태(해저면, 기반암선)를 3차원적으로 도시하여 노선선정 및 기초위치 선정을 위한 기본자료로 활용

- 확정된 교량노선과 각 위치별 지층분석을 통해 문제점 파악 및 안정성 검토방안 수립

- 앵커리지구간 지반조건 상세검토를 통한 기초위치의 적정성 판단

4.3.1.2 터널 구간

- 거금터널 및 소록터널의 갱문위치결정 및 지형에 따른 응력조건 검토를 위한 지층상태를 3차원적으로 검토

- 지층구분선과 파쇄대 분포를 고려하여 지반등급결정 및 지보패턴선정에 활용

4.3.2 분석절차

(1) 3차원 지형 DATA 추출

- 육상구간 : 지형측량결과 이용

- 해상구간 : 음파탐사(수심측량)결과 이용

(2) 3차원 지형도 작성

- 수치지형도상의 X, Y, Z Data 추출

- GIS 소프트웨어를 이용한 3차원 지형도 작성

(3) 지층특성분석

- 육상구간 : 굴절법탐성파탐사 및 시추조사성과 이용

- 해상구간 : 해상탄성파탐사 및 시추조사성과 이용

4.3.3 지층분석결과

4.3.3.1 거금연도교 구간

- 해상탄성파탐사 및 시추조사를 이용한 주요노선별 3차원 지층분포상태 예측

- 최종선정노선에 대하여 기초위치별 지층상태 상세분석 및 공학적 특성분석

4.3.3.1.1 비교노선별 지층상태 분석

(1) 비교노선 위치도

(2) 기본설계안 (A안) 지층현황

- 3차원 지층현황

- 지층종단

(3) 대안2노선 (B노선) 지층현황

- 3차원 지층현황

- 지층종단

(4) 대안3노선 (C노선) 지층현황

- 3차원 지층현황

- 지층종단

(5) 기본노선 및 비교노선에 대한 지반공학적 평가

4.3.3.1.2 대안1노선 (설계노선) 지지층의 공학적 특성평가

(1) 기반암 특성요약

(2) 암질특성을 고려한 기반암 근입심도 기준설정

- 기초의 지지력과 반력과의 관계를 검토하여 지지력이 확보되는 암질을 평가하면 RMR이 35이상이어야 함(상세검토는 "7. 교량기초설계"참조)

- 기반암하부 1m, 2m, 3m에서의 암질을 평가한 결과 접속교구간인 P1~P2에서는 근입심도가 2~2.5m이상, 주경간교인 PY1, PY2는 1m 정도이면 되는 것으로 나타남

(3) 기반암 특성을 고려한 기반암 근입심도 추천

4.3.3.1.3 주경간교 주탑기초의 불연속면에 대한 안정성 평가

4.3.3.1.4 거금연도교구간 지층상세평가

4.3.3.1.4.1 거금연도교 구간 3차원 지층현황

(1) 구간별 지층특성

- I 접속교구간 : 깊은 파쇄대, 불규칙한 기반암

- II 주경간교구간 : 기반암분포 균일, 깊은 수심

- III 남측앵커리지 : 완경사사면, 기반암조기출현

- Ⅳ 북측앵커리지 : R.Q.D = 100 정도의 양호 암반

(2) 기초위치에 대한 문제구간 분석

- ①풍화파쇄대존재, 기초근입심도증가

- ②구조선 2개 교차

- ③최대수심구간, 우물통근입심도 증가

- ④구조선 및 연약층 출현

- 상기 ①~④ 는 기초위치로 부적절

4.3.3.1.4.2 지층상태를 고려한 교각별 평가 및 대응방안

문제점 및 평가내용

(1) EPY1 : 우물통 기초가 파쇄대와 인접하여 계획 -〉 대심도 시추조사결과를 이용한 수치해석

(2) EPY2 : 동일교각내 기반암 심도차가 5m 이상으로 시공시 편기발생 우려 -〉 토사층의 두께를 고려한 지층상태 평가

(3) PY1 : 토사층 두께가 2m 내외인 경사 지역에 위치하며, 기반암 심도차 5m이상으로 최초거치시 편기발생우려 -〉 경사지반기초 평가를 위한 불연속체 해석수행, 편기방지를 위한 시공방법 개선

4.3.3.1.4.3 문제위치 지층상세평가 및 대응방안

(1) EPY1

(1.1) 지층상세

(1.2) 문제점 및 대응방안

- 구조선의 영향으로 일부 풍화대가 기초하단에서 9m 하부에 존재하나 풍화대 하부는 양호한 암반이므로 응력영향 및 침하영향을 검토하여 안정성 판단

- 유한요소해석결과 침하영향은 미소한 것으로 파악되었음

(1.3) 해석결과

(2) EPY2

- 지층상세

- 문제점 및 대응방안

(3) PY1

- 지층상세

- 문제점 및 대응방안

4.3.3.2 북측앵커리지 구간

4.3.3.2.1 지층상태평가

(1) 원지반 지층상태

(2) 구조물구간 지층 단면도

(3) 지층상태 상세평가

(3.1) A 구간 지층평가(미시추조사)

- 앵커체 전면 구간의 지층상태는 일부 절리가 관찰되나 그 방향성이 주로 수직을 이루고 있어 구조물 안정성에는 영향없음

(3.2) B 구간 지층평가(시추구간)

- 앵커체가 존재하는 B구간의 기반암상태는 RQD = 100, RMR = 80으로 매우 양호함

4.3.3.2.2 공학적 특성치 분석

(1) 변형특성

- 변형계수는 심도에 따라 증가

- 설계적용치 E = 2.0×10₅kgf/c㎡

- 변형계수 : 유한요소해석을 통한 거동검토의 입력자료로 활용

(2) 암질 및 강도특성

- RMR = 22~79

- 일축강도 qu = 820~930kgf/c㎡

- 암석강도특성 : 암석자체의 강도를 활용하는 앵커리지구간의 Prestress 작용시 안정성검토

(3) Creep 특성

- Creep 특성에 의한 영향 없음

- Creep시험결과 : 앵커리지 Creep 특성을 고려한 영향성 평가

4.3.3.2.3 불연속면 특성분석

앵커리지구간 불연속체 해석 및 암반비탈면 안정성 검토

- BIPS 및 노두조사

- 불연속체 해석 적용절리망

4.3.3.2.4 내진특성분석 및 기타특성

- Down Hole 시험성과

기반암 G_d = 7.78×10⁴ kgf/c㎡

- 이방성 특성분석

E1/E2 = 1.34 -〉 Low Anisotropy

- 수리특성

기반암 K = 1.22×10^-6cm/sec

- G_d, E_d, V_d : 북측앵커리지 내진해석 정수로 활용 (3차원 유한요소해석에 의한 검토)

- 이방성특성 : 이방성을 고려한 3차원 유한요소해석

4.3.3.3 남측앵커리지 구간

4.3.3.3.1 지층상태평가

(1) 원지반 지층상태

(2) 구조물구간 지층 단면도

(3) 지층상태 상세평가

(3.1) 종방향 단면

- 탄성파속도층의 변화가 완만하여 기반암의 급격한 변화는 없을 것으로 판단됨

(3.2) 횡방향 단면

- 대화도에서 바다쪽으로 갈수록 퇴적층 두께 및 수심이 점진적으로 증가하는 경향임

4.3.3.3.2 공학적 특성치 분석

(1) 변형계수 : 유한요소해석을 통한 거동검토의 입력자료로 활용

(2) 암석강도 및 암질상태 : 기초의 지지력 산정자료로 활용

(3) 변형특성

- 변형계수 E = 106,000tf/㎡ 으로 양호함

(4) 암석강도특성

- 암석일축압축강도q_u = 380~1180kgf/c㎡ 으로 연암~경암수준

(5) 암질상태

- 지지층인 기반암의 RMR = 29~42 정도로 III~Ⅳ등급

4.3.3.3.3 불연속면 특성분석

- 변형계수 : 유한요소해석을 통한 거동검토의 입력자료로 활용

- 암석강도 및 암질상태 : 기초의 지지력 산정자료로 활용

- Scan Line 및 BIPS 조사성과

- 불연속체 해석 적용 절리망

4.3.3.3.4 내진특성분석

북측앵커리지 내진해석 정수로 활용

- 굴절법토모그래피탐사결과 (S파)

- 내진특성치 분석

4.3.3.4 거금터널구간

4.3.3.4.1 지층상태평가

(1) 원지반 지층상태

(2) 구조물구간 지층 단면도

(3) 지층상태 상세평가

(3.1) 탄성파탐사성과

- 터널갱구부는 풍화암, 연암에 위치

- 기타구간은 연암, 경암에 위치

(3.2) 전기비저항탐사성과

- 저비저항이상대 : STA.1+700~1+730

- RMR-전기비저항 상관분석으로 암반등급 분류

4.3.3.4.2 공학적 특성치 분석

(1) 변형특성

- 변형계수는 심도에 따라 증가

- RMR과 연관분석하여 설계적용

- 변형계수 : 유한요소해석을 통한 거동검토의 입력자료로 활용

(2) 암질 및 강도특성

- RMR = 22~79

- 일축강도 qu = 820~930kgf/c㎡

- 암질 및 강도특성 : 터널지반분류 및 지보패턴 결정

(3) 지중응력특성

- Ko = 2.58~3.46 (설계적용 : 3.0)

- 지중응력특성(AE/DRA시험) : 터널안정성 검토 (수치해석)

4.3.3.4.3 불연속면 특성분석

거금터널 불연속체 해석 및 갱구비탈면 안정성 검토

- BIPS 조사 + 노두조사

- 불연속체 해석 적용절리망

4.3.3.4.4 내진특성분석 및 기타특성

(1) 내진특성

- 터널구간 G_d = 7.78×10⁴ kgf/c㎡

- G_d, E_d, V_d : 거금터널 내진해석

(2) 발파특성

- V_95% = 239.6(SD)^-1.651

- 발파특성 : 발파패턴 및 발파공법 선정

(3) 수리특성

- 기반암 K = 1.22×10^-6cm/sec

- 수리특성 : 터널배수검토

4.3.3.5 소록터널구간

4.3.3.5.1 지층상태평가

(1) 원지반 지층상태

(2) 구조물구간 지층 단면도

(3) 지층상태 상세평가

(3.1) 탄성파탐사

- 터널갱구부는 토사, 풍화암에 위치

- 기타구간은 연암, 경암에 위치

(3.2) 전기비저항탐사

- 저비저항이상대 : STA.5+400~5+440

- RMR-전기비저항 상관분석으로 지반분류

4.3.3.5.2 공학적 특성치 분석

(1) 변형특성

- 변형계수는 심도에 따라 증가

- RMR과 연관분석하여 설계적용

- 변형계수 : 유한요소해석을 통한 거동검토의 입력자료로 활용

(2) 암질 및 강도특성

- RMR = 22~79

- 일축강도 q_u = 560~860kgf/c㎡

- 암질 및 강도특성 : 터널지반분류 및 지보패턴 결정

(3) 지중응력특성

- Ko = 1.72~1.82 (설계적용 : 1.8)

- 지중응력특성(AE/DRA시험) : 터널안정성 검토 (수치해석)

4.3.3.5.3 불연속면 특성분석

- G_d, E_d, V_d : 거금터널 내진해석

- 발파특성 : 발파패턴 및 발파공법 선정

- 수리특성 : 터널배수 및 주변영향 검토

- 불연속면 특성분석

- 불연속체 해석 적용절리망

4.3.3.5.4 내진특성분석 및 기타특성

- G_d, E_d, V_d : 소록터널 내진해석

- 발파특성 : 발파패턴 및 발파공법 선정

- 수리특성 : 터널배수 및 주변영향 검토

- 내진특성

- 터널구간 G_d = 1.01×10⁵ kgf/c㎡

- 발파특성

V_95% = 483.15(SD)^-1.855

- 수리특성

기반암 K = 6.95×10^-6cm/sec

4.4 설계정수 산정

4.4.1 설계정수 산정방향

4.4.1.1 항목별 산정방법

(1) 조사항목

- 각종 실내시험

- 각종 현장시험

- 암반분류 결과

- 시험 및 암반분류결과를 이용한 각종 경험식

- 문헌자료 및 설계사례

(2) 분석방안

- 물성치 상관성 분석

- 시험결과 및 경험식에 의한 지반물성치 분석

- 통계확률기법 적용 Monte-Carlo 통계처리

- 방법별 산정결과 종합 분석

(3) 적용기준

- 토사층(붕적토, 풍화토) : 현장시험 위주, 참고문헌과 설계사례를 비교

- 암반 연속체해석 물성치 : 실내, 현장시험, 경험식 등에 통계기법을 적용, 종합분석후 적정 기준값 산정

- 암반 불연속체해석 물성치 : 실내시험 및 경험식을 활용하여 적정 설계물성치 도출

4.4.1.1.1 토사 및 풍화암층 지반설계정수 항목별 산정방법

4.4.1.1.2 암반층 지반설계정수 항목별 산정방법

4.4.1.2 지반설계정수의 산정방향

4.4.1.2.1 토사 및 풍화암의 설계정수 산정 방향

4.4.1.2.1.1 지반설계정수 산정흐름

4.4.1.2.1.2 공내전단시험을 통한 강도정수(c, ø)산정

- 시추공별 성과분석

- 깎기구간 성과분석

4.4.1.2.1.3 관련문헌 및 기존자료분석

(1) 표준관입시험을 이용한 강도정수(c, ø)산정

- 내부마찰각(ø)과 N치와의 관계

- 사질토의 강도특성 상관도(NAVFAC DM 7.1)

(2) 암버력 쌓기재료 : 관련문헌에서 제시된 다짐 쌓기지반의 지반설계정수를 검토

- 실내시험결과와 비교, 분석하여 적용

(3) 토사 쌓기재료

(4) 원지반 토사층의 변형계수 (Em) 및 포와송비 산정

- 본 과업 토사층의 변형계수 및 포와송비는 문헌에서 제시하는 값을 상호 비교하여 토질특성에 합당하다고 판단된 값을 선정함

- Schmertmann의 관계식 E_o(kgf/c㎡) = αN, α = 8~10 적용 (현장시험결과는 E_o = 7.8N 임)

4.4.1.2.2 암반의 연속체 설계정수 산정 방향

4.4.1.2.2.1 개요 및 목적

- 설계적용 지반정수는 토공구간, 교량 및 구조물구간, 터널구간으로 나누어 선정

- 각종 현장 및 실내시험결과, 기존 경험식 등을 비교분석하여 현장시험결과를 위주로 설계지반정수를 산정하고 필요시 인접구간 조사결과를 반영

- 시험결과의 불확실성을 고려하여 Monte-Carlo Simulation 통계처리기법을 적용함으로서 설계정수에 대한 신뢰도 향상 및 합리적인 지반 설계정수 도출

4.4.1.2.2.2 지반설계정수 산정흐름

4.4.1.2.2.3 경험적 추정방법

(1) 실내시험 보정방법

(2) RMR 경험식 추정방법

4.4.1.2.2.4 Hoek ＆ Brown 파괴기준을 이용한 지반물성치 산정식 및 배경

(1) 각종 암석에 대한 많은 실내암석시험(일축,삼축)을 토대로 주응력간의 관계를 분석 정립한 비선형 파괴기준식과 지하수, 불연속면 방향성을 가장 양호한 상태로 평가한 암반평가치(RMR)를 기준으로 하는 지질강도지수(Geological Strength Index)를 도입하여 암반의 강도정수를 산정

(2) 즉 GSI는 RMR평가를 기준으로 하되 평가 요소 중 절리면상의 지하수 상태, 불연속면 방향성은 실질적인 강도특성과는 관련이 없는 요소라는 점을 강조

(3) 암반의 교란상태를 나타내는 지수 D값을 도입하여 종래의 GSI값의 범위에 대한 단속적인 암반정수값 산출대신 연속적인 값 산출 가능

(4) 산정순서

(4.1) 원지반 암반의 GSI값 산정

- GSI = RMR₁₉₇₆ (RMR₁₉₇₆〉18일 때), GSI = RMR₁₉₈₉-5 (RMR〉23일 때)

- GSI = 9lnQ+44 (RMR₁₉₇₆〈18, RMR〈23)

(4.2) 실내암석시험 결과(삼축압축 시험) 분석에 의한 암반정수(m_i)도출

- m_i = 1/σ_c√{(∑xy - (∑xy/n)/∑x²-((∑x²/n))}

- σ_c = √[∑y/n - {∑_xy-(∑_x∑_y/n)/∑x²-(∑x)²/n)}∑_x/n]

(5) GSI값과 m_i , D값을 사용하여 암반정수(m_b, s, a) 도출

- m_b = miexp(GSI-100)/(28-14D)

- s = exp(GSI-100)/(9-3D), α = 0.5+1/6(e^-GSI/15-e^-20/3)

(6) 일련의 최소 주응력(σ₃)을 가정하여 아래의 HoeK-Brown 파괴기준식을 이용하여 최대주응력(σ₁)을 산정

- σ₁ = σ₃+σ_c[m_b(σ₃/σ_c)+S]^α

(7) 아래의 수정된 Balmer(1952)식을 이용 상기에서 구한 일련의 주응력 값들로부터 연직 응력(σ_n), 전단응력 (τ_n)을 산정

- σ_n' = (σ₁'+σ₃')/2 - (σ₁'-σ₃')/2 · (dσ₁'/dσ₃'-1)/(dσ₁'/dσ₃'+1)

- τ = (σ₁'-σ₃')· √(dσ₁'/dσ₃')/(dσ₁'/dσ₃'+1) 여기서, dσ₁'/dσ₃' = 1+αm_b(m_bσ₃'/σ_ci+S)^α-1

(8) 산정된 연직(σ_n), 전단응력(τ)을 회귀분석하여 Mohr-Coulomb 암반강도정수(C, Φ)를 도출

4.4.1.2.2.5 공내재하시험 및 암질과의 관계식에 의한 변형계수 산정 방법

현장 암반을 대상으로 공내재하시험을 통해 직접 산출하는 방법으로 풍화암 구간은 등분포재하법(PMT),연암~경암은 등변위재하법(Elastometer, GoodmanJack)에 의해 암반의 변형계수 산정

- 터널구간의 암반에서 실시한 공내재하시험결과를 이용하여 암반등급(RMR)과의 상관관계 분석 수행

- 변형계수 E (kgf/c㎡) = 659·RMR-37529 (단, RMR 〉 30 인 경우)

4.4.1.2.2.6 감쇠지수와 RQD를 고려한 변형계수 산정

- 실내 암석시험은 무결암(Intact Rock)에 대한 시험값으로 불연속면을 포함한 암반(Rock Mass)에 적용 불가

- 본 설계에서는 기존의 경험식에 의한 감쇠지수를 적용하는 대신 본 현장의 원위치시험에 의한 변형계수(E_m)와 실내 암석시험에서 산출된 탄성계수(E_int)와의 비, 그리고 RQD 간의 상관성에 의한 감쇠지수를 산출하여 적용성 여부를 평가함

- 공내재하시험과 실내시험결과와의 비를 산출하기 위하여 암석시험 시료채취 위치를 공내재하시험 위치를 고려하여 선정, 시험 수행

4.4.1.2.2.6.1 상관관계

(1) 터널구간의 공내재하시험과 실내시험비, RQD와의 상관관계 분석함

(2) RF = -0.061RQD + 2.3378

(3) 분석결과 감쇠지수와 RQD와의 관계는 연관성이 매우 낮게 나타나고 있어 검토에서 제외함

4.4.1.2.2.7 Monte Carlo Simulation을 이용한 강도정수(C, Φ)산정

- Hoek ＆ Brown( Hoek et al., 2002)의 파괴기준에 의하여 Mohr-columb의 점착력과 마찰각의 확률 분포함수를 산정하기 위하여 일축압축시험, m_i, GSI값을 산정

- 실내 삼축압축 시험의 결과와 점하중 강도, 일축압축 시험 결과를 이용하여 일축압축 강도, 신선 암반의 m_i 값을 구하였으며, RMR분류 결과를 이용한 GSI값을 산정

- m_i 값은 실험 자료의 제한성으로 인해 정규분포를 따르는 것으로 가정하였으며, 일축압축 강도와 GSI값에 대해서는 각 암반 등급에 대해서 확률 분포 해석을 시행

- 확률 분포 함수는 일반적으로 정규분포함수, 대수정규분포함수, 감마분포함수 중 유의 수준 0.05에 대해 카이제곱 검증 시행 결과 적합한 함수를 선택

- 또한 검증결과 모든 함수가 적합하지 않을 경우 가장 근접한 함수를 채택

4.4.1.2.2.8 도로설계 실무편람(한국도로공사)에 의한 방법

4.4.1.2.3 암반의 불연속체해석 설계정수 산정방향

4.4.1.2.3.1 목적

- 암반의 거동을 연속체로 취급한 Mohr-Coulomb의 탄성모델(MC모델)은 불연속면을 따른 미끄러짐, 분리현상(부피팽창현상), 절리의 움직임에 따른 암반블럭의 회전 및 이동현상 등과 같은 불연속면의 역학적 거동을 정확히 묘사할 수 없음

- 따라서 암반내 존재하는 불연속면의 거동특성을 규명하기 위한 비선형 Barton-Bandis 절리모델(BB모델)을 적용한 불연속체해석(UDEC)에 의해 지반거동을 평가하는 것이 합리적임

- 개별요소해석시 실제 절리거동 표현 및 입력자료의 취득이 용이하고 객관성 측면에서 MC 모델보다 우수한 BB 모델을 적용하고 이에 따른 입력설계정수 산정

- 불연속면 자료는 절리면 직접 전단시험과 시추 Core 분석 및 Scanline 조사, BIPS, Televiewer 통계자료를 종합 분석하여 결정

- 조사자료를 확률론적 통계처리기법(Monte-Carlo Simulation)과정을 거쳐 90% 신뢰구간에 해당하는 평균과 표준편차를 산정함

4.4.1.2.3.2 불연속체 지반설계 산정 흐름도

4.4.1.2.3.3 현장조사 결과를 이용한 JRC 및 JCS 산정

Scanline, 시추코아분석을 이용한 절리군의 거칠기(JRC)와 일축압축강도(JCS)의 확률밀도 함수 결정

4.4.1.2.3.4 절리면 전단시험결과의 보정을 통한 JRC 및 JCS 산정

절리면전단시험 결과 역해석을 통한 JRC 산정

- 절리면 전단시험 결과치인 Φ_r, JRC, JCS를 사용하여 작도한 Barton Criterion과 실내암석시험결과는 일치 않는 경우가 많음

- Φ_r과 JCS는 전단시험과 슈미트해머시험치인 반면 JRC 산정방법은 Profile의 정성적 평가, 프랙탈방법, Z2 Parameter 등 절리면의 형상을 사용하여 산정함

- 전단시험결과로부터 JRC를 구하기 위하여 Barton 식의 좌변을 JRC로 놓고 나머지를 이항하면

JRC₀ = arctan(τ/σ_n-Φ_r)/log₁₀(JCS₀/σ_n)

- JCS₀는 절리면에 대한 슈미트해머값을 사용하고, Φ_r는 절리면 전단시험 결과치를 사용하면 암석시험 결과치와 정확히 일치하는 JRC₀를 얻을 수 있음

4.4.1.2.3.5 규모종속성을 고려한 JRC와 JCS의 산정

JCS와 JRC는 규모종속이 매우 심하며 규모보정에 대한 보정식은 다음과 같음(Barton ＆ Bandis, 1982)

4.4.1.2.3.6 암석시험결과에 의한 수직강성 및 전단강성 산정

- 불연속면의 파괴거동은 암반자체의 강도에 의한 파괴규준을 따라 발생되기보다는 암반내에 발달해 있는 절리 특성에 의해 지배되는 경우가 많으며 이 경우 절리면의 강도정수가 암반자체의 거동을 지배하는 기준이 되므로 절리면의 강성(Normal Stiffness : Kn, Shear Stiffness : K_s)을 구하기 위하여 절리면 전단강도 시험을 수행함

- 본 시험 결과치는 터널 천정부에 작용하는 유효 수직응력 및 절리면의 연직응력을 고려하여 불연속체 해석(UDEC)시 입력치로 사용

- 유효 수직 응력은 지하수에 대한 영향을 고려하였으며 수직강성은 Richard E. Goodman의 「Introduction to Rock Mechanics, 1980」식을 이용하여 현장 BIPS결과와 대비하여 보정

※ 그림에서 절리면에 해당하는 x'plane의 수직성분인 S_x'와 Shear 성분인τ_x'는 다음과 같음

S_x' = (σ_xcosα)cosα+(τ_xycosα+(σ_ysinα)sinα+(τ_yxsinα)cosα

= σ_x(-sinαcosα)+σ_x(sinσcosσ)+τ_xy(cos²α-sin²α)

τ_x = - (σ_xcosα)sinα+(τ_xycosα)cosα+(σ_ysinα)cosα+(τ_yxsinα)sinα

= σ_xcos²α+σ_ysin²α+τ² _xysinαcosα

∵ σ_H = K·σ_v(K = 측압계수) σ_v = σ_y, σ_H = σ_x

이므로, 위의 수식을 측압 0.5, 1.0, 1.5일 때를 각각 고려하여 수직강성 결과치를 결정

4.4.1.2.3.7 Barton ＆ Bandis 경험식에 의한 절리면 수직강성 및 전단강성 산정

- 수직강성 K_n = K_ni[1-{σ_n/(V_mK_ni+σ_n)}]^-2

- 전단강성 K_s = (100/L)σ_ntan[JRC log₁₀(JCS/σ_n)+Φ_r]

여기서, K_ni(초기수직강성) = -7.15+1.65JRC+0.02(JCS/α_j)

α_j(절리의 초기간극, mm) = JRC/5(0.2(σ_c/JCS)-0.1)

V_m(절리의 최대폐합, mm) = -0.296 - 0.0056JRC+2.241(JCS/α_j)^-0.2450

4.4.1.2.3.8 Barton-Bandis 절리 모델 (Barton ＆ Bandis, 1990)

BB모델의 특징은 불연속면의 엇물림에 따른 수직강성변화의 허용, 불연속면의 거칠기에 따른 틈새(Aperture)의 자동계산, 파괴 이후 거동에 따른 불연속면의 손상정도의 파악, 전단변위에 따른 Dilation의 발생 허용 등으로 요약

(1) Barton-Bandis(BB) 모델 및 Mohr - Coulomb(MC) 모델의 비교

(2) Barton-Bandis 적용 입력자료

4.4.2 토공구간 지반설계정수 산정

4.4.2.1 쌓기재 지반정수

4.4.2.1.1 암버력 쌓기재료의 지반정수

- 깎기구간 및 터널굴착으로 발생하는 암버력의 대부분은 편마암임

- 암버력 쌓기재료의 설계지반정수는 실재시험을 통한 산정이 곤란하므로 시험시공을 실시하여 추정하여야 하며 본 설계에서는 현장시험시공 연구결과들과 참고문헌을 참조하여 설계지반정수를 선정함

4.4.2.1.1.1 문헌자료

- 관련문헌에서 제시된 다짐 쌓기지반의 지반설계정수를 검토

- 실내시험결과와 비교, 분석

4.4.2.1.1.2 암버력 쌓기의 지반정수 산정 결과

4.4.2.1.2 토사 쌓기재료의 지반정수

4.4.2.1.2.1 관련문헌자료

(1) 자연지반의 토질종류별 설계정수(한국도로공사, 도로설계요령)

(2) 사질토의 강도특성 상관도 검토(NAVFAC, DM7.2-39)

- 본 과업구간의 토층은 흙의 분류상 대부분 실트질 모래(SM)로 구성되어 있고 흙의 건조단위중량은 1.7 tf/㎥ 정도로 나타남

- 우측의 사질토의 강도특성 상관도에서 보듯이 내부마찰각은 32°정도로 나타남

(3) 다짐토사의 평균 전단강도(Huang, 1993)

4.4.2.1.2.2 기존설계자료 분석

4.4.2.1.2.3 토사 쌓기재의 지반정수 산정결과

4.4.2.2 원지반 토사층 지반정수

- 표준관입시험, 공내전단시험, 직접전단시험 결과로부터 설계지반정수를 결정하고 문헌자료와 비교·검토 후 최종적인 설계적용 지반정수를 결정함

- 한계평형해석 입력자료로 단위중량, 점착력, 내부마찰각을 산정하고 수치해석 입력자료로 변형계수 및 포와송비를 산정함

- N치를 이용한 경험식 적용시 로드에너지 전달율[ERr(%)]을 고려한 수정N치(N₆₀)을 적용토록 함

4.4.2.2.1 지층분석 및 시추공별 대표N치 산정

- 깎기부

- 쌓기부

- 지층별 대표 N치 산정결과

4.4.2.2.2 기본문헌 및 설계자료

- 문헌자료

- 기타 설계 자료

4.4.2.2.3 원지반 토사층의 강도정수 (C, φ) 산정

4.4.2.2.3.1 공내전단시험 결과

- 깎기구간의 시추공에 대한 공내전단시험(BST) 8개소 실시

- 시험결과 깎기구간에 분포하는 풍화토층의 강도정수는 C = 2.9~8.54(tf/㎡), φ = 29.1~ 37.9°, 풍화암층은 C = 4.8~5.37(tf/㎡), φ = 35.8°로 나타남

- 풍화토

C = 2.9~7.7 tf/㎡ (CB-6, TB-5 결과 제외)

Φ = 29.2~37.9° 29.2~37.9°

- 풍화암

C = 5.2~5.4 tf/㎡ (CB-6, TB-5 결과 제외)

Φ = 29.2~37.9°

4.4.2.2.3.2 경험식에 의한 강도

- 내부마찰각(ø)과 N치와의 관계

- 사질토의 강도특성 상관도(NAVFAC DM 7.1)

4.4.2.2.3.3 토사층의 강도정수(C) 산정결과

- 내부마찰각(Φ, 。 )

- 점착력(C, tf/㎡)

4.4.2.2.4 원지반 토사층의 단위중량 (Υt) 산정

(1) 단위체적중량의 기준(자연지반)

(2) 단위체적중량의 기준(토질별)

(3) 설계적용

4.4.2.2.5 원지반 토사층의 변형계수 (Em) 및 포와송비 산정

- 본 과업 토사층의 변형계수 및 포와송비는 문헌에서 제시하는 값을 상호 비교하여 본 구간에 분포된 토질특성에 합당하다고 판단된 값을 선정함

- Schmertmann의 관계식 : Eo(kgf/c㎡) = αN, α = 8~10 적용

4.4.2.2.6 원지반 토사층의 지반정수 산정결과

4.4.2.3 풍화암 지반정수

- 풍화암은 불교란시료 채취가 곤란하며, 불교란시료를 채취하여 직접전단시험을 수행하였다 하더라도 채취된 시료의 응력해방으로 인한 이완작용으로 시험결과가 매우 적게 산출되는 경향이 있음

- 따라서 원지반 풍화암은 구간에서 직접 전단강도특성을 파악할 수 있는 공내전단시험 및 공내재하시험을 실시하고 그 결과를 문헌자료와 비교, 분석하여 설계지반정수를 결정

4.4.2.3.1 관련문헌 및 경험식에 의한 추정식

(1) 서울시 지반분류(1996)

(2) 경험식에 의한 풍화암층의 내부마찰각(ø) 산정

(3) 관련문헌 및 기존설계사례 분석

4.4.2.3.2 풍화암의 설계정수 산정결과

4.4.2.4 암반의 연속체 설계정수

4.4.2.4.1 기본방향

- 암반비탈면의 거동은 암석(Intact Rock)의 강도보다는 암반내에 존재하는 불연속면의 특성에 의해 좌우되므로 암반의 지반설계정수와 절리면의 강도정수를 구분하여 산정

- 현장시험 및 실내시험결과를 근거로 관련문헌과 비교·분석을 통해 암반의 지반설계정수 산정

- 본 과업구간에 분포하는 암반비탈면 구간은 거금터널 시점부 및 거금터널 종점부 갱구비탈면에 대해 경암 및 연암으로 구분하여 산출(북측앵커리지 구간은 “4.3 교량 및 앵커리지구간 설계정수산정”참조)

- 각 구간에 대해 각 2개소(총 4개소, TB-1, 2, 4, 5)의 시추조사를 실시하였고 암석시험을 실시하여 설계정수 산출에 반영

4.4.2.4.2 변형계수 산정

(1) 경험적 추정 방법

(2) Hoek ＆ Brown 파괴기준을 이용한 변형계수 산정

(3) 공내재하시험에 의한 방법

- 현장 암반을 대상으로 공내재하시험을 실시하여 암반의 등급과의 관계식을 설정하여 변형계수 산정

- 터널구간의 암반에서 실시한 공내재하시험결과를 이용하여 암반등급(RMR)과의 상관관계 분석 수행

- E (kgf/c㎡) = 1078.9×exp(0.0618×RMR)(단, RMR 〉 20 인 경우)

(4) 암반 등급별 변형계수(E)산정 결과

- 현장시험(공내재하시험)과 실내암석시험결과를 감쇠지수에 적용하여 산정한 값, 각종 추정식, 기존 적용 사례를 고려한 암반등급별 변형계수를 산정한 결과는 다음과 같음

주) 공내재하시험 결과와 암반등급간의 상관관계를 산출하고 RMR 경험식을 이용하여 산정

4.4.2.4.3 암반의 점착력과 내부마찰각

(1) 경험적 추정 방법

(2) Hoek ＆ Brown 파괴기준을 이용한 변형계수 산정

(3) 각 구간별 암반의 점착력(C)과 내부마찰각(Ø) 산정결과

4.4.2.4.4 단위체적중량 및 포와송비

암반층의 실내시험 및 경험식(Tsuchiya,1984) 산정결과를 바탕으로 단위중량 및 포와송비를 산정

4.4.2.5 암반의 불연속체해석 설계정수

- 불연속면의 물성치는 지표지질조사, BIPS, Scanline 조사 및 절리면전단시험 결과를 바탕으로 각 지역에 분포하는 대표절리군의 JRC, JCS, 연장성, 절리간격, 수직강성 및 전단강성 산출

- 본 절에서는 비탈면부 불연속면 전단강성, 전단변위특성 및 수직강성을 구하고 비탈면해석시 필요한 각 절리면 설계정수는 해석단면 및 파괴양상에 따라 다르므로 6.8.5 암반비탈면 안정성"에서 직접 산출하였으며 산정결과만 수록함

4.4.2.5.1 불연속체 설계정수 산정결과

- 깎기부에 사용산출된 점착력 및 마찰각은 비탈면파괴(평면파괴, 쐐기파괴)시 발생하는 암괴블록의 수직응력에 따라 산출된 값임

- 상기와 같이 점착력이 작게 나타나는 것은 암괴의 크기가 매우 작게 나타나고 있기 때문으로 판단됨

4.4.2.5.2 불연속체 해석을 위한 전단 강도 산정

불연속면 직접 전단 시험 결과(규모 효과 고려)를 이용하여 전단강도를 산정함

4.4.3 교량 및 앵커리지구간 설계정수 산정

4.4.3.1 암반의 연속체 설계정수

- 모든 구조물 기초 예정위치에서 채취된 시추코아를 이용한 일축압축강도시험 및 점하중시험을 실시 -〉 암반의 일축압축강도 추정

- 교대 및 교각을 지지하는 지반의 물성치를 산정하고 앵커리지 설치지역은 연암 및 경암으로 구분하여 전체암반의 평균물성치를 산정함

4.4.3.1.1 지반설계정수 산정요약

4.4.3.1.2 변형계수

실내시험보정 방법, 경험적 방법(RMR), Hoek ＆ Brown(2002), 공내재하시험결과 및 공내재하시험과 RMR 관계식을 이용한 방법 등을 이용하여 교량구간 암반의 변형계수 산정

4.4.3.1.2.1 경험식에 의한 산정

4.4.3.1.2.2 Hoek ＆ Brown(2002)을 이용한 변형계수, 강도정수 산정

(1) BH-3 : m_i = 38.3

- R² = 0.71

(2) BH-28 : m_i = 11.11

- R² = 0.93

(3) 결과

- BH-3와 BH-28의 삼축압축시험에 대해 회귀시킨 후 R² 값을 산정한 결과 BH-3의 경우 R²이 0.71로 낮은 상관관계를 보여 삼축압축시험에 사용된 시편이 균질하지 않은 시료로 판단.

- BH-28의 경우 0.93의 높은 상관관계를 보여주고 있어 BH-28의 삼축압축시험을 사용하여 교량부분의 강도산정시 m_i값을 11.11로 결정함

- Disturbance Factor D의 값은 암반 비탈면의 형성과 유사한 조건이 형성된다고 가정하여 D = 0.7로 정함

- 구해진 m_i값과 각각 기초가 놓이는 암반의 GSI, 일축 압축 강도값을 이용하여 Hoek-Brown의 파괴기준에 따른 암반의 변형계수 및 강도값을 산정함

4.4.3.1.2.3 공내재하시험 결과와 RMR 상관 분석

교량구간의 암반에서 실시한 공내재하시험결과를 이용하여 암반등급(RMR)과의 상관관계 분석 수행

- 변형계수 E (kgf/c㎡)

= 298.4×exp(0.0919×RMR)

4.4.3.1.2.4 암반등급별 변형계수(E) 산정 및 설계 적용치(단위 : tf/㎡)

(1) 거금연도교

(2) 소록교

4.4.3.1.3 암반의 점착력과 내부 마찰각

4.4.3.1.3.1 RMR을 이용한 경험적 산출법

4.4.3.1.3.2 각 교량별 암반의 점착력(c)과 내부마찰각(Φ) 산정결과

(1) 거금연도교

(2) 소록교

주) 내부마찰각은 Tsuchiya 경험식을 적용하였으며 접착력은 Bieniawski(1989) RMR 경혐식을 적용함

4.4.3.1.4 암반의 단위체적중량 및 포와송비

- 암반층의 실내시험 및 경험식(Tsuchiya,1984) 산정결과를 바탕으로 암반층의 RMR 등급별 단위중량 및 포와송비를 산정

- 교량부 암반등급 중에서 I~III 등급은 경암, IV 등급은 연암에 해당되는 것으로 판단되므로 이에 따라 교량부 암반의 단위체적중량 및 포와송비를 산정

4.4.3.1.4.1 거금연도교

4.4.3.1.4.2 소록교

4.4.3.1.5 압축강도

- 암석시험중 기초 근입 심도를 고려하여 강도값을 적용

- 시험값중 절리면에 의해 파괴된 값은 적용에서 제외함

- EPY1 : 암석시험 값이 Joint 가 파괴 인해로 점하중 강도 적용

- 거금연도교

- 앵커리지부

4.4.3.2 암반의 불연속체해석 설계정수

북측앵커리지의 경우 앵커리지부 시공을 위한 암반 깎기비탈면이 형성되어 불연속체 해석을 위한 물성치를 산출함

4.4.3.2.1 북측앵커리지 불연속면 설계정수

4.4.3.2.1.1 불연속면 전단강도 산정

(1) BH-45의 절리면 전단시험 결과

(2) 지표지질 조사 결과를 이용 JRC 및 JCS 측정

4.4.3.2.1.2 불연속체 강성 선정

(1) 전단강성

- 전단 강성 시험 결과 Barton-Bandis의 식과의 비교를 통해 낮은 수직응력에서는 실험값과 Barton-Bandis의 경험식이 일치하나 10kg/c㎡이 넘는 수직응력에서는 낮은 전단강성을 보임

- 선형 회귀 분석을 통해 설정된 수직응력과 전단 강성의 관계와 경험식에서 얻어진 값들에 대해 평균값을 적용하여 계산

(2) 수직강성

4.4.3.2.1.3 적용 불연속면 설계정수

4.4.3.2.2 확률 해석 (Monte Carlo Simulation)

- 불연속면 군의 분포함수는 Fisher 분포함수를 따르는 것으로 하였음

- 지표지질조에 의한 불연속체에 대한 특성을 종합하면 다음과 같음

4.4.3.2.2.1 Scanline 조사, BIPS조사 결과 종합

잔류마찰각은 절리면 직접 전단시험의 평균값을 이용하여 정규분포로 가정하였으며 JRC 분포함수는 카이제곱 검증결과 어떤 함수에도 적합하지 않은 것으로 나타났으나 정규분포로 가정하여 해석

4.4.3.2.2.2 방향성의 재생성

- Fisher constant를 이용하여 다음 95%의 신뢰구간에 대한 각도를 구함

- Fisher's K 값에 따른 대표 방향성의 표준 편차 값 산정

- Fisher(1953)에 의해 대표 방향성(r_n : 대표 방향성의 크기)이 θ만큼의 각도내에서 어떤 방향으로 분포할 확률 P_r(〉θ)는(신뢰수준) 다음과 같다. P_r(〈θ) = 1-(M-｜r_n｜/M-｜r_n｜cosθ)^M-1

- M이 충분히 클 때 θ를 도출하면 다음과 같다. cosθ = 1+ln(1-P_r(〈θ))/K｜r_n｜

- 위에 의해 하나의 신뢰구간을 정하고 K값에 의해 θ 값의 범위(방향성의 표준편차)를 정하여 이를 통해 불연속면 방향성을 생성함

- 소록앵커 비탈면의 불연속체 안정성 해석을 위해 방향성 생성의 신뢰 구간은 95%로 둠

4.4.3.2.2.3 강도정수의 확률 해석 결과

(1) Set 1

(2) Set 2

마찰각은 정규분포함수가 적합한 것으로 나타났으며 점착력은 어떤 함수도 적합하지 않은 것으로 나타났으나 카이제곱과의 차이가 가장적은 대수정규분포를 채택

(3) Set 3

마찰각은 정규분포함수가 적합한 것으로 나타났으며 점착력은 어떤 함수도 적합하지 않으나 카이제곱과의 차이가 가장적은 대수정규분포를 채택

4.4.3.2.2.4 소록 앵커 비탈면 불연속면 물성치 산정 결과

4.4.4 터널구간 지반설계정수 산정

4.4.4.1 암반의 연속체 설계정수

4.4.4.1.1 검토개요

- 터널은 거금도 및 소록도에 각 1개소씩 2개소의 터널구간이 계획되어 있음

- 암종은 화강암질편마암, 안구상편마암, 화강암 및 흑운모 호상편마암이 분포하나 터널구간내 기반암은 대부분 화강암질 편마암이며 소록터널 시점부 일부지역에 흑운모호상편마암이 분포하고 소록터널 종점측은화강암이 분포함

- 화강암은 화강암질 편마암과 같은 기원을 갖는 암종으로 물리적 특성은 비슷하나 호상 흑운모 편마암은 이방성이 강하고 쪼개짐이 발달하여 상대적으로 불량한 암반으로 형성됨

- 따라서 암반등급에 따른 설계지반정수 산정시 화강암과 화강암질편마암은 동일한 정수치를 적용하였으며 호상흑운모편마암 우세구간은 암반등급 분류시 하향조정 하였음

- 암반등급은 국내의 터널시공현장에서 가장 많이 사용하는 RMR 분류를 기준으로 암반등급 I~Ⅴ로 구분하여 시공시 암반등급에 따른 지반정수의 Feed Back이 용이하도록 함

- Ⅴ등급의 경우 암질의 불량으로 인해 현장시험 및 실내시험의 제한으로 인해 풍화암 설계정수를 적용함

4.4.4.1.1.1 산정 결과 요약

4.4.4.1.2 변형계수 산정

(1) 경험적 추정 방법

(2) Hoek-Brown 파괴기준 해석 방법(Roclab을 이용)

(3) 공내재하시험에 의한 방법 : 현장 암반을 대상으로 공내재하시험을 통해 직접 산출하는 방법으로 풍화암 구간은 등분포재하법(PMT),연암~경암은 등변위재하법(Elastometer)에 의해 암반의 변형계수 산정

- 터널구간의 암반에서 실시한 공내재하시험결과를 이용하여 암반등급(RMR)과의 상관관계 분석 수행

- 변형계수 E (kgf/c㎡) = 659·RMR-375 (단, RMR 〉 30 인 경우)

(4) 감쇠지수와 RQD를 고려한 변형계수 산정

- 본 설계에서는 기존의 경험식에 의한 감쇠지수를 적용하는 대신 본 현장의 원위치시험에 의한 변형계수(Em)와 실내 암석시험에서 산출된 탄성계수(Eint)와의 비, 그리고 RQD 간의 상관성에 의한 감쇠지수를 산출하여 적용

- 실내에서 시험한 암석(Intact Rock)의 탄성계수는 불연속면을 포함한 암반(Rock Mass)에서 직접 사용할 수 없어 암석시험 결과를 경험식에 의한 감쇠지수를 이용하여 적용

- 본 현장의 공내재하시험과 실내시험결과와의 비를 산출하기 위하여 암석시험 시료채취 위치를 공내재하시험 위치를 고려하여 선정, 시험 수행

(4.1) 감쇠지수(실내, 공내재하시험 결과) 산정

- 터널구간의 공내재하시험과 실내시험비, RQD와의 상관관계 분석

- RF = -0.061RQD + 2.3378

- 분석결과 감쇠지수와 RQD와의 관계는 연관성이 매우 낮게 나타나고 있어 검토에서 제외함

(5) 기존 사례 검토

- 본 과업구간과 기반암은 대부분 화강암질 편마암으로 구성되어 있어 화강암과 비슷한 암반 특성을 나타내어 최근 적용된 기존 과업 중 화강암과 화강암질 편마암에 적용되 설계 정수를 비교 검토함

(6) 암반 등급별 변형계수(E)산정 결과

4.4.4.1.3 강도정수(c,ø) 산정

4.4.4.1.3.1 경험적 추정 방법

4.4.4.1.3.2 Hoek-Brown 파괴기준 해석 방법(Roclab을 이용)

4.4.4.1.3.3 Monte Carlo Simulation을 이용한 확률해석을 통한 강도정수(C, Ø)산정 결과

- Hoek ＆ Brown( Hoek et al., 2002)의 파괴기준에 의하여 Mohr-columb의 점착력과 마찰각의 확률 분포함수를 산정하기 위하여 입력 자료로 일축압축시험, m_i, GSI값을 산정

- 실내 삼축 압축 시험의 결과와 점하중 강도, 일축 압축 시험 결과를 이용하여 일축 압축 강도, 신선 암반의 m_i 값을 구하였으며 RMR분류 결과를 이용한 GSI값을 산정

- m_i값은 실험 자료의 제한성으로 인해 정규분포를 따르는 것으로 가정하였으며(평균 : 17.78, 표준편차 : 1.22, 상한 : 20, 하한 : 15) 일축압축 강도와 GSI값에 대해서는 각 암반 등급에 대해서 확률 분포 해석을 시행

- 확률 분포 함수는 일반적으로 정규분포함수, 대수정규분포함수, 감마분포함수 중 유의 수준 0.05에 대해 카이제곱 검증 시행 결과 적합한 함수를 선택

- 또한 검증결과 모든 함수가 적합하지 않을 경우 가장 근접한 함수를 채택

4.4.4.1.3.3.1 σci의 확률 분포 함수 산정

4.4.4.1.3.3.2 GSI의 확률 분포 함수 산정

4.4.4.1.3.3.3 Hoek ＆ Brown 파괴기준을 적용하기 위한 확률분포함수 선정

4.4.4.1.3.3.4 강도정수의 확률 해석 결과

입력자료의 확률분포함수를 따르는 Random Generation을 통해 입력변수를 1000번 재생성 하였으며 이를 통해 점착력, 마찰각, 변형계수를 산정하였으며 산정된 강도정수 분포는 다시 카이제곱 검증을 통해 적합한 함수를 선정하는 단계를 거침

(1) 점착력(C, tf/㎡)

(2) 마찰각(Ø,°)

(3) 변형계수(E,Gpa)

4.4.4.1.3.3.5 확률 해석 결과 종합

4.4.4.1.3.4 암반등급별 강도정수 결과 적용

4.4.4.1.3.5 포와송비

- 실내시험결과, 각종 추정식, 기존사례 등을 이용하여 산정

4.4.4.1.3.6 단위중량

4.4.4.2 암반의 불연속체해석 설계정수

- 산정결과 요약

4.4.4.2.1 거금터널

4.4.4.2.1.1 불연속체 전단 강도 선정

(1) 현장조사 및 실내시험

- TB-2, TB-5의 불연속면 직접전단시험 결과

- 지표지질 조사 결과

(2) 불연속면 강도정수 산정

(2.1) 잔류마찰각 적용

- 불연속면의 잔류마찰각은 암종에 의해 영향을 받으나 가장 큰 영향은 절리면의 고유한 특성에 따름.

- 거금도 1단계 설계시 절리면 잔류마찰각값들과 금번 2단계 때의 잔류 마찰각 값들을 비교하여 안전측으로 고려하였음

- 절리 특성은 1단계의 경우와 마찬가지로 70을 넘는 고각의 절리군들이 연장성이 우수하게 발달하고 있으므로 이를 고려하여 적용

- 위의 절리면 직접전단시험과 지표지질 조사 결과를 이용하여 각 불연속면의 특성을 다음과 같이 구함

4.4.4.2.1.2 불연속체 강성 선정

(1) 전단강성

- TB-2

- TB-5

- Barton-Bandis의 식과 비교 검토 결과 낮은 수직응력 하에서는 실험값과 Barton-Bandis의 경험식이 잘 일치하나 10kgf/c㎡이 넘는 수직응력에서는 잘 일치하지 않음

- 선형 회귀 분석을 통해 설정된 수직응력과 전단 강성의 관계와 경험식에서 얻어진 값들에 대해 평균값을 적용하여 계산

(2) 수직강성

- TB-2

- TB-5

4.4.4.2.1.3 거금터널 불연속면 물성치

- 거금터널에 분포하는 3개조의 절리군에 대한 불연속면 특성은 다음과 같이 나타나고 있음

- 주향(방향성)은 3개조의 절리가 다양하게 나타나고 있으나 경사는 60~79°로 이루고 있음

- 산출된 강성의 특징은 전단강성의 값이 수직강성에 비해 매우 작게 나타나고 있는데 이는 적용된 수직응력의 값이 낮게 나타나고 있기 때문으로 판단됨

- 일반적인 불연속면의 값에 비해 상기의 점착력은 낮게 나타나고 있고 마찰각은 높게 나타나고 있음

- 상기값은 현장 및 실내시험에 얻어진 값들을 산출한 것으로 보다 합리적이고 현장여건에 맞는 물성치를 얻기 위해서는 확률해석을 통한 불연속면의 분포특성을 파악하여야 함

4.4.4.2.1.4 거금 터널에 대한 불연속체 확률 해석을 위한 전단 강도 산정

- 지표지질 조사 결과 인지된 불연속체의 특성을 종합하면 다음과 같음

- 불연속면 군의 분포함수는 Fisher 분포함수를 따르는 것으로 가정함

- 잔류마찰각은 절리면 직접 전단시험의 평균값을 이용하여 정규분포로 가정하였음

4.4.4.2.1.4.1 현장조사(Scanline 및 BIPS) 결과 종합

4.4.4.2.1.4.2 방향성의 재생성

(1) Fisher Constant를 이용하여 다음 95%의 신뢰구간에 대한 각도를 구함

- Fisher's K 값에 따른 대표 방향성의 표준 편차 값 산정

(2) Fisher(1953)에 의해 대표 방향성(r_n :대표 방향성의 크기)이 θ만큼의 각도내에서 어떤 방향으로 분포할 확률 P_r(〉θ) 는(신뢰수준) 다음과 같음

P_r(〈θ) = 1-{(M-｜r_n｜)/(M-｜r_n｜cosθ)}^M-1

(3) M이 충분히 클 때 θ를 도출하면 다음과 같음

cosθ = 1+ln(1-P_r(〈θ))/K｜r_n｜

(4) 위에 의해 하나의 신뢰구간을 정하고 K값에 의해 θ값의 범위(방향성의 표준편차)를 정하여 이를 통해 불연속면 방향성을 생성함

(5) 소록터널의 불연속체 안정성 해석을 위해 방향성 생성의 신뢰 구간은 95%로 둠

4.4.4.2.1.4.3 확률밀도 함수 산정결과

(1) Set 1

- 마찰각과 점착력은 둘다 적합한 함수가 없는 것으로 나타났으나 각각 카이제곱과의 차이가 가장 적은 정규분포와 대수정규분포를 채택하였음

(2) Set 2

(3) Set 3

4.4.4.2.1.4.4 불연속면 물성치 산정 결과

4.4.4.2.2 소록터널

4.4.4.2.2.1 불연속체 전단 강도 선정

(1) 현장조사 및 실내시험

- BH-45의 절리면 전단시험 결과

- 지표지질 조사 결과

(2) 강도정수 산정

- 수직응력과 Barton식으로 각 불연속면에 작용하는 점착력과 마찰각을 얻음

- 잔류마찰각은 평균을 구함

4.4.4.2.2.2 불연속체 강성 선정

(1) 전단 강성

- Barton-Bandis의 식과의 비교를 통해 낮은 수직응력 하에서는 실험값과 Barton-Bandis의 경험식이 잘 일치하나 10kgf/㎠이 넘는 수직응력에서는 낮은 전단강성을 보임

- 선형 회귀 분석을 통해 설정된 수직응력과 전단 강성의 관계와 경험식에서 얻어진 값들에 대해 평균값을 적용

- BH-45

(2) 수직강성

- 수직강성은 암석시험 결과를 이용하여 Barton ＆ Bandis의 경험식으로 구함

- BH-45

(3) 강도정수 산정 결과

4.4.4.2.2.3 소록 터널에 대한 불연속체 확률 해석을 위한 전단 강도 산정(Monte Carlo Simulation)

- 지표지질 조사 결과 인지된 불연속체에 대한 특성을 종합하면 다음과 같음

- 불연속면 군의 분포함수는 Fisher 분포함수를 따르는 것으로 가정

- 잔류마찰각은 절리면 직접 전단시험의 평균값을 이용하여 정규분포로 가정하였으며, JRC 분포함수는 카이제곱 검증결과 어떤 함수에도 적합하지 않은 것으로 나타났으나, 정규분포로 가정하여 해석 하였음

4.4.4.2.2.3.1 현장(Scanline 및 BIPS) 조사 결과를 종합.

4.4.4.2.2.3.2 방향성의 재생성

(1) Fisher Constant를 이용하여 다음 95%의 신뢰구간에 대한 각도를 구함

- Fisher's K 값에 따른 대표 방향성의 표준 편차 값 산정

(2) Fisher(1953)에 의해 대표 방향성(r_n :대표 방향성의 크기)이 θ만큼의 각도내에서 어떤 방향으로 분포할 확률 P_r(〉θ) 는(신뢰수준) 다음과 같다.

P_r{(〈θ) = 1-(M-｜r_n｜)/(M-｜r_n｜cosθ)}^M-1

(3) M이 충분히 클 때 θ를 도출하면 다음과 같다.

cosθ = 1+{ln(1-P_r(〈θ))/K｜r_n｜}

(4) 위에 의해 하나의 신뢰구간을 정하고 K값에 의해 θ 값의 범위(방향성의 표준편차)를 정하여 이를 통해 불연속면 방향성을 생성함

(5) 소록터널의 불연속체 안정성 해석을 위해 방향성 생성의 신뢰 구간은 95%로 둠

4.4.4.2.2.3.3 확률밀도함수 산정

(1) Set 1

- 마찰각의 경우 정규분포함수가 가장 적합한 것으로 나타났으며, 점착력의 경우에는 대수정규분포와 감마분포가 적합한 것으로 판정되었으나 카이제곱과의 차이가 가장 적은 대수 정규 분포 함수를 채택하였음

(2) Set 2

(3) Set 3

- 마찰각의 경우 정규분포와 감마분포가 적합하나 카이제곱과의 차이가 적은 정규분포를 채택하였으며 점착력의 경우 대수정규분포가 가장 적합한 것으로 나타났다.

4.4.4.2.2.3.4 소록터널 불연속면 물성치 산정 결과

4.4.4.3 측압계수

암반의 원위치 응력 산정을 위하여 AE/DRA시험 3개소(거금터널시점, 거금터널중앙,소록터널시점) 실시

4.4.4.3.1 국내·외 측압계수 자료 분석

(1) 국외 측압계수관련 제안식

(2) 국내·외 측압계수관련 제안식 상관관계

(3) DRA 및 AE 시험성과 분석

(4) 본 과업의 측압계수 적용

4.4.5 수리해석을 위한 지반정수 산정

- 터널 시공 전·후의 수계 흐름특성 규명을 목적으로 함

- 터널 시공에 의한 인근지역의 영향평가

- 본 과업구간에 실시된 현장투수시험과 수압시험을 토대로 투수계와 RQD, Q값과 Lu의 상관관계분석

4.4.5.1 토사 및 풍화암층의 투수계수

4.4.5.1.1 현장투수시험 결과

- 풍화토의 투수계수는 1.66×10-4 cm/s, 풍화암의 투수계수는 4.89×10^-5 cm/s로 산정

4.4.5.1.2 관련문헌분석

(1) 흙의 종류에 따른 일반적인 투수계수(J. Ratrick Powers, 1992)

(2) Hazen의 입경에 의한 방법

K = C_s·(0.7~0.03 T)·D₁₀ ²

여기서,

K : 투수계수(cm/s)

T : 온도(℃)

D₁₀ : 유효경(cm)

Cs : 입자에 따른 계수 (GW, SW : 60, 느슨한 가는모래 : 116, 조밀한 가는모래 : 70)

(3) D₂₀ 에 따른 투수계수(Creager, 1985)

4.4.5.1.3 투수계수 산정결과

4.4.5.2 기반암층의 투수계수

4.4.5.2.1 수압시험 결과

4.4.5.2.2 투수계수와 암반분류값의 상관분석

(1) RQD와 투수계수(K)의 상관분석

(1.1) 설계활용

- 미시험구간에 대한 투수계수 산정시 활용

- RQD에 따른 관계식은 상기 그림과 같음

(2) RMR과 투수계수(K)의 상관분석

(2.1) 설계활용

- RMR과 투수계수의 상관식은 K = 0.0007 EXP(-0.085RMR)로 미시험구간에 적용

- 상기식 적용시 기본 RMR적용

4.4.5.2.3 루전치(Lugeon Value)와 암반분류값의 상관분석

(1) Vp, Lu - Q값과의 개략적인 관계(Barton, 1999)

- 1999년 Nick Barton교수는 Vp-Lugeon-Q 값과의 관계를 다음과 같은 그래프로 제시

- 지반의 Q값을 통하여 간접적으로 Lu값을 추정하여 미시험구간 지반의 Lu 값을 사용

(2) Lu 시험치와 Barton 제안식과의 비교

(3) 검토결과

- Lu값과 Qc의 관계는 서로 역수의 관계를 갖는 것으로 판단되며 Barton 제안식과 유사한 결과를 나타냄

- 이상의 결과로부터 시험구간의 Qc값을 산정하여 설계에 적용

- Qc값이 1이상인 구간은 루전치가 대체로 0에 가까움

4.4.5.2.4 암반투수계수 및 루전치 선정

4.4.6 내진해석을 위한 지반정수 산정

4.4.6.1 개요

- 과업구간의 동적물성을 산정하기 위하여 Suspension P/S검층 하향식탄성파탐사(DHT), MASW, CWT 등의 현장시험을 통해 산정하였음

- 지층별/GeoType별 최대전단탄성계수(Gmax)값은 각 시험치 및 경험식값중 대표치를 적용토록 하고 미소변형률 하에서의 감쇠비(Dmin)는 공진주시험 및 기존연구사례값을 비교 검토하여 적정값을 선정하도록 함

- 실내시험으로는 공진주시험 및 암석코아에 대한 충격반향시험을 실시하여 재료감쇠비 등의 동적설계정수를 산정하였음

4.4.6.1.1 내진관련 시험항목

4.4.6.2 터널구간의 내진정수

4.4.6.2.1 토사 및 풍화암층의 내진정수

(1) 기존 경험식에 의한 전단파 속도(Vs) 산정

지반의 전단파속도는 조성상태와 연관이 있음으로 많은 실 측정사례를 바탕으로 지반조성상태를 나타내는 표준관입시험치(N)와의 관계로 분석이 이루어져왔으며 이에 대한 대표적 경험적 추정 상관식은 다음과 같음

(2) 사질토 지반의 N치에 의한 지반 전단파 속도(Vs)의 경험적 추정식

(3) 공진주시험결과

- 정규화 전단탄성계수(G/Gmax) : (퇴적토,BH-29)

- 정단변형율에 따른 감쇄비 : (퇴적토,BH-29)

- 정규화 전단탄성계수(G/Gmax) : (퇴적토,BH-29)

- 정단변형율에 따른 감쇄비 : (퇴적토,BH-29)

(4) 토사 및 풍화암층 전단파 속도(Vs) 산정 및 적용치

- 경험적 산정식에 의한 토사층 전단파 속도 산정시 표준관입시험 N = 10~30 범위를 적용

- 풍화암층의 경우 N = 50을 적용

- 토사층의 경우 실험값과 기존 경험식중 신뢰성을 인정받고 있는 Imai(1982) 계산식의 결과를 비교 검토하여 토사층의 전단파 속도를 선정하였음

(5)　토사 및 풍화암층 전단파 속도(Vs) 산정결과

(6) 동적지반특성치 (G_d , E_d, K_d) 산정 및 적용치 (단위 : tf/㎡)

(6.1) 터널구간 내 분포하는 토사 및 풍화암층에 대한 상기의 전단파속도(V_s) 값을 이용하여 지층에 대한 동전단계수(G_d), 동탄성계수(E_d), 동체적계수(K_d)등의 동적 특성치는 다음식을 적용하여 산정

- 동전단계수 : G_d = p · V² _s

- 동탄성계수 : E_d = 2G_d · (1+v)

- 동체적계수 : K_d = E_d/3(1-2v)

여기서,

ρ = γ/g

γ = 단위중량

g = 9.81 m/s²

4.4.6.2.2 터널구간 암반의 내진정수

4.4.6.2.2.1 동 포와송비(υd)

- 암반층의 동 포와송비를 산정하기 위하여 터널구간에서 수행된 하향식 탄성파 탐사 (Down Hole Test)결과 및 S-PS 검층결과와 실내암석시험결과를 비교 분석하여 다음과 같이 암반층의 동 포와송비(υd)를 산정

- 암반등급 Ⅴ의 경우에는 동 포와송비 산정을 위한 자료가 충분하지 않아 기존 설계자료를 참고하여 결정

주)V_d = (V_p ²- 2V_s ²)/2(V_p ²-V_s ²)

4.4.6.2.2.2 전단파속도의 산정

(1) RMR과 Vs 상관관계

(1.1) 설계활용

- 미탐사구간의 Vs추정, 내진해석에 이용 : Vs = 12 X RMR^1,240

(2) 물리탐사를 통한 동적계수 산정

(2.1) 설계활용

- 굴절법 탐사, DownHole Test, SPS검층을 통해 지반의 전단파속도(Vs)측정

- Vs를 이용한 지반의 동적계수 산정

4.4.6.2.2.3 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(1) Geotype II

- 전단파속도 (V_s, m/sec)

- 동전단탄성계수 (G_d, kg/㎠)

- 동포와송계수 (V_d)

(2) Geotype III

- 전단파속도 (V_s, m/sec)

- 동전단탄성계수 (G_d, kg/㎠)

- 동포와송계수 (V_d)

(3) Geotype Ⅳ

- 전단파속도 (V_s, m/sec)

- 동전단탄성계수 (G_d, kg/㎠)

- 동포와송계수 (V_d)

4.4.6.2.2.4 암반등급별 전단파 속도 (Vs) 산정결과

각 시험방법에 대한 암반등급별 전단파 속도(V_s) 분석결과를 바탕으로 설계 적용치를 선정한 결과는 다음과 같음

4.4.6.2.2.5 동적 지반 특성치 (Vd, Gd, Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.3 깎기구간 내진정수

4.4.6.3.1 토공부

(1) Down Hole 시험결과(CB-4)

(2) 동적 지반 특성치 (υd, G_d , E_d, K_d) 산정 및 적용치

4.4.6.4 구조물구간 내진정수

4.4.6.4.1 거금연도교(접속교)

(1) Down Hole 시험결과(연도교 교대1, BH-36)

(2) Suspension-PS 시험결과(접속교 EPY1, BH-17)

(3) 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(4) 동적 지반 특성치 (υ_d, G_d , E_d, K_d) 산정 및 적용치

4.4.6.4.2 거금연도교(주경간교, PY1)

(1) Suspension-PS 시험결과(거금연도교 PY1,BH-3)

(2) 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(3) 동적 지반 특성치 (υd, Gd , Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.4.3 거금연도교(주경간교, PY2)

(1) Suspension-PS 시험결과(거금연도교 PY2, BH-29)

(2) 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(3) 동적 지반 특성치 (υd, Gd , Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.4.4 남측앵커리지-CWT

(1) P, S파 굴절 토모그라피 탐사결과(남측앵커리지, 대화도)

(2) 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(3) 동적 지반 특성치 (υd, Gd , Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.5.4 북측앵커리지

(1) Down Hole Test 시험결과(북측앵커리지, 소록도, BH-43)

(2) 통계적 기법을 이용한 동적계수(Dynamic Parameter) 산정

(3) 동적 지반 특성치 (υd, Gd , Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.4.6 기타교량구간

(1) Down Hole Test 시험결과(소록교 ,BB-4)

(2) 동적 지반 특성치 (υd, Gd , Ed, Kd) 산정 및 적용치

4.4.6.4.7 내진설계를 위한 교량구간 동적 지반설계정수 요약

4.4.6.5 지반계수

- 교량구간의 지반상태를 등급별로 분류한 지반계수(S)를 산정하여 내진설계를 위한 지진력 산정시 적용

- 본 과업에서는 하향식 탄성파 탐사(Down Hole Test)결과와 Suspension PS 검층결과를 이용하여 지반계수(S) 산정

4.4.6.5.1 지반계수

4.4.6.5.2 내진설계를 위한 지반분류

4.4.6.5.3 구간별 지반계수의 결정

4.4.6.6 Damping 계수

- 지반이나 암반의 전단변형률에 따른 전단탄성계수와 재료감쇠비의 결정은 합리적인 지반응답해석에 있어서 매우 중요한 인자임

- 토사의 경우에는 일반적인 공진주 시험이나 비틈전단실험에 의해서 전단탄성계수와 재료감쇠비의 전단변형률 특성을 용이하게 측정할 수 있지만 암석의 경우에는 시험장비의 한계성, 암석코아의 강성이 암석코아를 고정시키는 에폭시보다 더 강하기 때문에 발생하는 문제점 등으로 인하여 일반 공진주 시험을 적용하는 데에는 문제가 있음

- 따라서 암석코아에 대한 최대전단탄성계수와 최소 재료감쇠비는 충격반향기법(Impact-Echo Testing)을 이용하여 암석코아의 최대전단탄성계수와 최소재료감쇠비를 측정하였음

4.4.6.6.1 Impact Echo 시험결과

4.4.6.6.2 결과분석

- Impact Echo 시험으로 구한 암석의 감쇠비는 0.68~2.04% 정도로 나타났음

- 일반적인 내진해석시 적용하는 암반의 감쇠비 2%에 비해 작게 평가되었는데 이는 암석코아에 의한 값으로 암반내부에 존재하는 절리나 파쇄영향이 고려되지 않음

- 따라서 실제 해석시에는 암반의 일반적인 값인 감쇠비 = 2%를 적용하였음