강관 팽창형 핀홀 록볼트 거동에 관한 연구 :A study on the behavior of inflatable pin-holed rockbolt

김경철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김경철 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 신종호

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

강관 팽창형 핀홀 록볼트 거동에 관한 연구

김경철 토목공학과 2017.01 학위논문

팽창형 강관 록볼트의 암반 강성에 따른 정착 거동 특성

김경철 , 김호종 , 정영훈 외 1명 한국터널지하공간학회 논문집 2017.01 학술저널

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록볼트는 터널 및 지하구조물에서 가장 널리 사용되는 주요 지보재로써 일반적으로 이형봉강과 주입재를 이용한 전면접착 방식을 선호해왔다. 그러나 다량의 유입수가 발생하는 현장에서 전면접착 방식의 록볼트는 주입재 탈락의 우려가 있고 정착력 발현에 많은 시간이 걸리는 단점이 있다.
마찰형 록볼트는 이러한 조건에서 가장 빠르고 안전하게 시공할 수 있는 록볼트이다. 미리 접혀진 강관 내부에 수압을 가하여 팽창시키고, 이에 따라 천공홀 내주면과 록볼트 사이의 마찰력으로 정착력을 발현한다. 따라서 신속시공이 가능하고 즉시 지보효과를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 정착부가 그라우트 주입에 의한 전면접착형 방식인 핀홀 앵커(Pin-holed anchor)의 단점을 보완한 강관 팽창형 핀홀 록볼트(Inflatable pin-holed rockbolt)의 개념을 제시하였다. 강관 팽창형 핀홀 록볼트는 수발공의 기능을 하여 터널 주변 라이닝의 수압을 저감시킴과 동시에, 마찰형 정착장치인 팽창형 강관에 의한 신속한 지보가 가능하다.
1980년부터 팽창형 록볼트에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔지만, 이론적인 검토에서 탄성론에 국한되어 있는 한계점이 있다. 또한 수치해석적 연구에서도 축력과 전단응력에 의한 인발력 발현에 대한 연구가 주로 이루어졌고 단면에서 강관의 탄소성을 고려한 설치거동에 대한 연구는 미미하다.
본 연구에서는 록볼트 주변지반의 소성영역에 발생에 따른 영향을 이론적으로 검토하고, 록볼트의 단면방향에서 접촉응력의 분포를 수치해석을 통하여 조사하였다. 또한 록볼트 주변 지반의 다양한 제반조건에 대한 영향을 수치해석을 통하여 분석하므로써 팽창형 록볼트의 설계에 활용할 수 있게 하였다. 대표적인 지반에 대한 실내실험을 통해 수치해석의 신뢰도를 재고하였다.

A rockbolt is widely used for rock reinforcement, which may be used in tunnels or underground structures. Grouted bolts, which is using deformed bar for internal and cement mortar or resin for the external fixture, have been preferred cause it is easy to secure the materials. But the bolt type may have a problem which is a drop out of the external fixture and delay time until reinforcing effect occur due to curing time of cement mortar especially in a condition that bring a substantial inflow water.
Frictional rockbolt is the best substitution for the condition. Water is injected into the folded steel pipe at high pressure so the pipe starts to swell, then the contact stress takes effect between borehole and the external surface of the pipe. So the process of installation is fast and the stabilizing effect occurs immediately.
In this study, the concept of ‘Inflatable pin-holed rockbolt’ is introduced. It is compensated from the problem of ‘pin-holed anchor’ which has grouted bolt anchoring. The rockbolt has frictional anchoring and drainage hole so that can support the ground right after installation and reduce hydraulic pressure around lining at the same time.
Even though various research on frictional rockbolt has been conducted since the 1980s, the theoretical study is limited under elasticity. Also, the purpose of studies was focused on pull-out resistance caused by shear stress and axial force of pipe in numerical analyses. There is no precedent of elasto-plastic analysis of pipe installation in the view of the cross section along the pipe.
In this study, theoretical analysis for adjacent ground after excavation of borehole has been conducted. And the distribution of contact stress around the borehole was revealed from the numerical study using ABAQUS. Also, influences of ground parameters were investigated in various condition so that can be used for frictional rockbolt design. The reliability of numerical study has been verified from experimental model tests for typical cases.

#마찰형 록볼트 #팽창형 강관 #수치해석 #실내실험

제1장 서론 1
제1절 연구배경 및 목적 1
제2절 연구내용 및 범위 2
제2장 강관 팽창형 핀홀 록볼트 5
제1절 개요 5
제2절 록볼트의 개념 및 종류 5
제3절 정착방식에 따른 비교 7
제4절 팽창형 강관의 용수구간 적용 9
제5절 핀홀 앵커와 강관 팽창형 핀홀 록볼트 9
제3장 강관 팽창형 록볼트 거동의 이론 13
제1절 개요 13
제2절 탄성론에 의한 강관의 팽창 이론 해석 16
제3절 소성론에 의한 강관의 팽창 이론 해석 23
1. 개요 23
2. 굴착에 따른 지반 응력 이론해 24
제4장 강관 팽창형 록볼트 인발 실험 32
제1절 개요 32
제2절 재료거동 특성 및 기본 시험 34
1. 강관 응력-변형 거동 34
2. 인공 암반의 일축압축 강도 시험 34
3. 강관과 인공 암반 사이의 마찰 실험 37
제3절 실험 결과 39
1. 내압-강관 팽창 거동 39
2. 인발 거동 40
제5장 강관 팽창형 록볼트 수치해석 41
제1절 수치해석 개요 41
제2절 수치해석 이론 41
1. 개요 41
2. 뉴튼-랩슨법(Newton-Raphson method) 42
3. 접촉 해석(Contact analysis) 45
제3절 해석 모델링 50
1. 기하학적 모델링 50
2. 비선형 거동의 고려 53
3. 재료 및 물성 53
제4절 지반에 따른 대표 해석 53
1. 대표 암반 지반 해석 54
2. 대표 토사 지반 해석 60
제5절 지반에 따른 록볼트 거동 66
1. 탄성계수에 따른 거동 분석 66
2. 전단저항각에 따른 거동 분석 70
제6절 영향 분석 73
1. 천공홀 직경에 따른 영향 분석 73
2. 지반 응력에 따른 영향 분석 76
제6장 결론 87
참고문헌 89
국문초록 92

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