[논문]폐타이어의 철도진동 저감효과에 대한 실험적 연구

김진만; 이광우; 조삼덕; 오세용

문제 정의

철도의 진동성분 중 10～30Hz의 주파수 범위는 사람의 몸으로 직접 체감하기에 충분한 물리적 진동을 제공한다. 본 실험의 목적은 철도진동의 탁월주파수 대역에서 가진원의 진동을 변화시켜가면서 폐타이어가 20～30Hz 주파수 대역의 철도진동저감에 효과적인가를 진동계측을 통하여 평가하는데 있다.
본 연구에서는 여러 개의 진동측정센서를 임의 지점에 설치하여 최대 20회까지 연속측정이 가능한 진동측정 장비를 사용한 일련의 현장계측 결과를 토대로, 궤도 중심으로부터 열차 주행 시 전달되는 지반진동의 각 방향별 진동성분 특성 및 전파거리에 따른 지반진동의 감쇠정도를 분석 하였다.
본 연구에서는 폐타이어의 철도 지반진동 저감 재로서의 적합성을 평가하기 위해 평판재하시험(KS F 2310)을 수행하여 건설부 철도시방서 시방 기준과 비교하였다. 그림 7은 현장실험에 대한 개략도이다.
실험 현장지반은 전형적인 서해안 지역의 매립지역이어서 연약층이 15m 깊이로 분포하고 있으며, 현재는 압밀촉진을 통한 지반개량을 위하여 4～6m 정도를 성토한 상태이다. 본 현장을 실험현장으로 선정한 이유는, 실험 시 실물 모형 성토체에 가진원을 이용하여 진동하중을 가했을 때 암반층 등에 의해 발생되는 반사파의 영향을 최소화하기 위해서이다.
이에 본 연구에서는 급증하고 있는 폐타이어의 재활용률 증진 방안의 하나로, 지하철, 고속철도 및 일반철도의 열차운행에 따라 발생되는 지반진동을 저감하기 위해 일정 크기로 자른 폐타이어를 철도의 진동방지층 포설재로 사용한 경우의 진동저감효과를 일련의 실험을 통해 평가하고자 한다.
진동 저감재로서 폐타이어의 효과를 규명하기 위한 일련의 현장모형실험시 성토체의 크기 결정 및 가진원의 선정에 활용하기 위하여, 실제 열차 주행 시 지반을 통해 전달되는 철도 지반진동의 특성을 평가하였다.

제안 방법

열차하중 운행 시 발생하는 지반진동의 측정위치는 그림 3에 나타내었다. 그림 3에서 알 수 있는 바와 같이 철도의 지반진동 측정은 현장조건을 고려하여 궤도 중심으로부터 10m 이내의 5개 지점에 진동측정센서를 설치하여 수행하였으며, 열차 통과 시 열차의 주행속도를 동시에 측정하였다.
그림 4에서 국내 철도차량의 주요 진동 주파수 대역인 것으로 평가된 20～40 Hz의 범위를 갖는 가진원을 선정하기 위하여, 소형 진동햄머, 1t 다짐롤러, 11t 다짐롤러 등 다양한 진동 장비를 이용한 진동측정을 실시하였으며, 그 결과 탁월주파수 대역이 진동의 강약 조절시 20～34 Hz 범위를 보이는 것으로 나타나 철도차량의 탁월주파수 대역과 유사한 것으로 평가된 11t 다짐롤러를 가진원으로 선정하였다.
그림 7은 현장실험에 대한 개략도이다. 본 실험에서는 진동저감 효과가 발현될 수 있는 폐타이어층의 최소두께를 장비를 이용하여 포설 가능한 최소두께인 20cm로 정하고, 최대 포설두께는 폐타이어의 경제성을 고려하여 50cm로 결정하여 지지력 특성을 평가하였다. 이때 폐타이어 상부의 복토층 두께를 50cm, 80cm, 100cm로 변화시켜 가면서 평판재하시험을 수행하였고, 복토층에 대한 현장다짐은 1ton 용량의 소형진동롤러를 사용하여 수행하였으며, 다짐된 각 층에 대해 들밀도시험을 수행하여 다짐도를 확인하였다.
실물모형 성토체의 다짐은 11t 대형 진동롤러를 이용하여 고속전철사업기획단(1991)에서 제시한 1：1.5 구배를 유지하면서 수행하였으며, 각 다짐층마다 들밀도시험을 수행하여 일정한 다짐밀도를 유지하도록 하였다.
본 실험에서는 진동저감 효과가 발현될 수 있는 폐타이어층의 최소두께를 장비를 이용하여 포설 가능한 최소두께인 20cm로 정하고, 최대 포설두께는 폐타이어의 경제성을 고려하여 50cm로 결정하여 지지력 특성을 평가하였다. 이때 폐타이어 상부의 복토층 두께를 50cm, 80cm, 100cm로 변화시켜 가면서 평판재하시험을 수행하였고, 복토층에 대한 현장다짐은 1ton 용량의 소형진동롤러를 사용하여 수행하였으며, 다짐된 각 층에 대해 들밀도시험을 수행하여 다짐도를 확인하였다.
이러한 성토체 단면은 그림 5에 나타낸 열차진동에 의한 거리에 따른 입자속도의 계측결과와 그림 8에 나타낸 평판재하시험에 의한 지지력 특성 평가 결과를 토대로 결정하였다. 즉, 국내 철도 주변의 진동은 20～40 Hz의 탁월주파수 대역을 갖는 철도차량의 운행에 의해 철도 중심으로 부터 거리 3m 지점에서 대략 10mm/sec의 진동이 발생하는 것으로 나타났기 때문에, 선정된 가진원인 11t 진동롤러를 이용하여 성토고를 20cm씩 높여가면서 수행한 진동측정 결과 성토단면으로부터의 거리 3m 지점에서 10 mm/sec의 입자 속도가 측정된 성토높이 0.8m를 모형성토체 높이로 결정하였다. 또한 성토고 0.
철도지반진동을 열차의 종류와 주행속도에 따라 측정하여 얻은 분석결과를 토대로, 철도진동 저감방안으로 사용된 폐타이어 조각(한변의 길이가 대략 5cm인 정사각형 형상) 포설층의 진동감쇠효과를 평가하기 위한 실물모형실험을 수행하였다. 연구결과 얻은 결론은 다음과 같다.
폐타이어 포설층의 진동저감효과를 분석하기 위하여 실물모형실험을 수행하였다. 본 실험은 경기도 ○○지구의 해안매립지역에서 수행되었다.
한편, 경부선 구간의 경우에는 호남선과 지반 조건이 유사하고 철도 노반고가 0.3m 및 0.5m인 곳을 선정하여 진동측정을 수행하였다.
한편, 본 논문에서는 성토고가 대략 0.8m로서 성토체 자중에 의한 수직하중이 1.6t/m²인 제한된 조건에서 수행된 현장실험결과를 분석하였다. 그러나 철도의 진동특성은 궤도노반의 성토고에 크게 영향을 받을 것으로 사료되며, 따라서 이에 대한 영향이 추가적으로 평가되어야 할 것으로 사료된다.
8m 정도로 경부선과 호남선에서 볼 수 있는 일반적인 성토체의 높이와 유사하다. 현장시험시 폐타이어층은 그림 9에 보인 바와 같이 포설층 상단면이 원지 반고와 일치하도록 하여 20cm 및 50cm 두께로 포설 하였고, 진동센서는 성토체 단면으로부터 3m, 5m, 7m, 9m, 11m 거리에 각각 설치하였으며, 주파수 대역은 20Hz와 33Hz로 변화시켜 가면서 폐타이어층을 통과한 진동의 거리별 감쇠정도를 평가하였다.
호남선 1개소와 경부선 2개소에서 열차 운행시 지반진동을 측정하였다. 호남선의 경우는 단선철도구간으로 총 20회 측정하였고, 경부선 구간의 경우는 복선구간으로 왕복 통과차량중 한 방향에 대해서 총 45회를 측정하였다. 이때 스피드건에 의한 열차주행속도는 새마을 107～120km/hr, 무궁화 95～110km/hr, 통일호 75～114km/hr 이었다.

대상 데이터

폐타이어 포설층의 진동저감효과를 분석하기 위하여 실물모형실험을 수행하였다. 본 실험은 경기도 ○○지구의 해안매립지역에서 수행되었다. 실험 현장지반은 전형적인 서해안 지역의 매립지역이어서 연약층이 15m 깊이로 분포하고 있으며, 현재는 압밀촉진을 통한 지반개량을 위하여 4～6m 정도를 성토한 상태이다.
본 연구에서 철도 운행시의 지반진동 측정은 호남선 철도 1개소와 경부선 철도 2개소에서 수행하였다. 호남선 구간에 위치한 현장은 현재 복선화 공사가 계획되어 사전지반조사가 이루어진 구간 중 철도 노반고가 1m정도이고 진동측정시 다른 진동원에 의한 간섭이 없는 곳을 선정하였다.
본 실험은 경기도 ○○지구의 해안매립지역에서 수행되었다. 실험 현장지반은 전형적인 서해안 지역의 매립지역이어서 연약층이 15m 깊이로 분포하고 있으며, 현재는 압밀촉진을 통한 지반개량을 위하여 4～6m 정도를 성토한 상태이다. 본 현장을 실험현장으로 선정한 이유는, 실험 시 실물 모형 성토체에 가진원을 이용하여 진동하중을 가했을 때 암반층 등에 의해 발생되는 반사파의 영향을 최소화하기 위해서이다.
호남선 1개소와 경부선 2개소에서 열차 운행시 지반진동을 측정하였다. 호남선의 경우는 단선철도구간으로 총 20회 측정하였고, 경부선 구간의 경우는 복선구간으로 왕복 통과차량중 한 방향에 대해서 총 45회를 측정하였다.
본 연구에서 철도 운행시의 지반진동 측정은 호남선 철도 1개소와 경부선 철도 2개소에서 수행하였다. 호남선 구간에 위치한 현장은 현재 복선화 공사가 계획되어 사전지반조사가 이루어진 구간 중 철도 노반고가 1m정도이고 진동측정시 다른 진동원에 의한 간섭이 없는 곳을 선정하였다. 그림 2는 선정된 호남선 구간의 지층단면도이다.

성능/효과

1. 호남선 및 경부선 구간에서 수행한 열차 운행중 지반진동 측정실험 결과, 열차 운행시 지반 진동의 주파수 성분은 열차 종류에 관계없이 5Hz ～100Hz 범위 안에 있으며 상대적으로 높은 레벨의 진동에너지가 집중되는 탁월주파수는 20Hz～40Hz 범위를 보인다.
2. 열차 운행 중 지반진동 측정 결과, 거리에 따른 입자속도는 철로의 중심으로부터 3m 지점까지 급격히 감쇠하고 이 후 점차 완만해 지는 경향을 보이며, 선로중심으로부터 측정거리 10m지점에서는 입자속도가 2mm/sec인 것으로 나타나 진동에 의한 영향이 미소함을 알 수 있다.
3. 폐타이어층을 진동저감 방안으로 사용한 경우의 지지력 특성을 평가하기 위해 수행한 평판 재하시험 결과, 철도시방서의 성토재료 기준을 만족하는 폐타이어층 상부의 최소 복토두께는 폐타이어 조각을 20cm 포설한 경우 50cm 이상, 폐타이어층을 50cm 포설한 경우에는 80cm 이상인 것으로 나타났다.
4. 폐타이어 조각 포설층의 진동감쇠효과를 평가하기 위한 실물모형실험 결과, 폐타이어 포설 두께에 따른 감쇠정도는 실험대상 주파수(23Hz 및 33Hz)에서, 포설두께 20cm인 경우 16～30%, 50cm인 경우에는 24～36%인 것으로 나타나 포설두께가 클수록 진동저감효과가 커지는 것으로 판명되었으며, 진동수가 클 수록 진동저감효과 또한 증가하는 것으로 나타났다.
5. 이상의 연구결과 폐타이어 조각을 철도노반하부층에 일정두께로 포설함으로써, 열차 운행으로 인한 지반진동을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하였다.
그림 10에서는 가진원의 진동에 의한 거리별 입자속도를 보여준다. 그림 10에서 보듯이 최대 입자속도는 대략 5m 거리까지 급격한 감소추세를 보이다가 점차 완만해 지는 경향을 보이고 있고, 그림 5에 나타낸 실제 철도주변 지반의 감소추세와 유사한 경향을 보이고 있어 실물 모형성토체의 제작이 잘 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 특히, 폐타이어층에 의한 진동저감은 가진원으로부터 3m인 지점에서, 23Hz 일 때 폐타이어 포설 20cm인 경우 16%, 폐타이어 포설 50cm인 경우 24%, 33Hz 일 때 폐타이어 포설 20cm인 경우 30%, 폐타이어 포설 50cm 인 경우 36%로 평가되어 폐타이어의 진동저감효과는 진동수 33Hz일 때가 진동수 23Hz 일 때 보다 더 큰 것으로 평가되었다.
2kg/cm³인 것으로 평가되었다. 따라서 철도시방서의 성토재료 기준을 만족하는 최소 복토두께는 폐타이어 20cm 포설층에서 최소 복토두께 50cm 이상, 폐타이어 50cm 포설층에서는 80cm 이상임을 알 수 있다.
또한 폐타이어 포설두께에 따른 감쇠정도는 실험대상 주파수에서, 포설두께 20cm인 경우 16～30%, 50cm인 경우에는 24～36%인 것으로 나타나, 포설두께가 클수록 진동저감효과가 커지는 것으로 판명되었다. 따라서 철도진동 저감을 위해 폐타이어층을 일정두께로 포설하는 방안을 실제 현장에 적용하고자할 때에는, 현장여건과 폐타이어의 재료비가 현재로는 고가인 점 등을 충분히 고려하여 효율적인 폐타이어층의 포설두께를 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
또한 폐타이어 포설두께에 따른 감쇠정도는 실험대상 주파수에서, 포설두께 20cm인 경우 16～30%, 50cm인 경우에는 24～36%인 것으로 나타나, 포설두께가 클수록 진동저감효과가 커지는 것으로 판명되었다. 따라서 철도진동 저감을 위해 폐타이어층을 일정두께로 포설하는 방안을 실제 현장에 적용하고자할 때에는, 현장여건과 폐타이어의 재료비가 현재로는 고가인 점 등을 충분히 고려하여 효율적인 폐타이어층의 포설두께를 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
그림 5에서 보듯이 거리에 따른 입자속도는 철로의 중심으로부터 3m 지점까지 급격이 감쇠하고 점차 완만해 지는 경향을 보인다. 이러한 감쇠특성은 터널 발파나 말뚝의 항타진동 등의 감쇠에서 보여주는 일반적인 감쇠특성과 유사하며, 입자속도는 3m 지점에서 대략 10mm/sec, 10m 지점에서는 2mm/sec로 나타나 대략 철로로부터 10m 이상의 거리에 위치하면 진동에 의한 영향이 크게 우려되지 않는 것으로 나타났다.
그림 10에서 보듯이 최대 입자속도는 대략 5m 거리까지 급격한 감소추세를 보이다가 점차 완만해 지는 경향을 보이고 있고, 그림 5에 나타낸 실제 철도주변 지반의 감소추세와 유사한 경향을 보이고 있어 실물 모형성토체의 제작이 잘 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 특히, 폐타이어층에 의한 진동저감은 가진원으로부터 3m인 지점에서, 23Hz 일 때 폐타이어 포설 20cm인 경우 16%, 폐타이어 포설 50cm인 경우 24%, 33Hz 일 때 폐타이어 포설 20cm인 경우 30%, 폐타이어 포설 50cm 인 경우 36%로 평가되어 폐타이어의 진동저감효과는 진동수 33Hz일 때가 진동수 23Hz 일 때 보다 더 큰 것으로 평가되었다. 이러한 폐타이어의 진동저감효과는 폐타이어의 재료특성에 기인한 것으로, 가진원으로부터 외력(진동)이 작용할 때 폐타이어 성토체내에 발생하게 되는 마찰과 진동에 의해 외력으로 인한 일(Work)이 소산되면서 발현된다.
평판재하시험을 수행한 결과, 폐타이어층을 포설한 경우의 지반반력계수는 그림 8에서 알 수 있는 바와 같이, 폐타이어가 20cm 포설된 경우 Ksv는 복토 50cm에서 8.2kg/cm³ , 복토80cm에서 10.9kg/cm³으로 나타났고, 폐타이어 포설두께가 50cm인 경우는 복토두께 50cm에서 6.3kg/cm³,복토두께 80cm에서 9.6kg/cm³, 복토두께 100cm에서 11.2kg/cm³인 것으로 평가되었다. 따라서 철도시방서의 성토재료 기준을 만족하는 최소 복토두께는 폐타이어 20cm 포설층에서 최소 복토두께 50cm 이상, 폐타이어 50cm 포설층에서는 80cm 이상임을 알 수 있다.
실물모형 구축에 사용된 폐타이어시료는 트럭용 대형타이어에서 발생하는 타이어를 칼날식 회전커터로 절단하여 제작되었으며, 그림 6에 보인 바와 같이 한변의 길이가 대략 5cm인 정사각형 형태의 일정한 형상을 가지고 있다. 한편, 본 실험에서 성토재로 사용한 흙시료는 비중이 2.62이고, D 다짐 결과 최대건조밀도가 1.99 g/cm³ , 최적함수비는 10.4%인 화강풍화토로서 통일분류법상 SM-SW로 분류된다.

후속연구

6t/m²인 제한된 조건에서 수행된 현장실험결과를 분석하였다. 그러나 철도의 진동특성은 궤도노반의 성토고에 크게 영향을 받을 것으로 사료되며, 따라서 이에 대한 영향이 추가적으로 평가되어야 할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반진동은 어떻게 대별되는가?	지반진동은 각종 형태의 대형 건설공사에 따른 건설 진동과 지하철, 철도 등의 차량 주행에 의한 진동으로 크게 나눌 수 있다. 이러한 지반진동은 어느 한계치를 넘어서게 되면 인접구조물에 손상을 일으키거나 인근 주민에게 불안감을 주어 여러 가지 사회적인 문제점들을 야기 시킨다.
	오스트리아에서 폐타이어 활용 사례는 무엇이 있는가?	Humphrey & Manion(1992)은 폐타이어를 혼합한 경량성토재의 공학적 특성을 평가하였고, Nguyen(1996)은 폐타이어로 보강된 성토층의 거동특성을 현장시험을 통해 평가하였으며, Garga & O'Shaughnessy(2000)는 미주 및 유럽 지역에서 토공구조물에 타이어를 실제 적용한 다양한 사례를 소개한 바 있다. 또한 오스트리아의 한 폐타이어 처리업체에서는 연간 40,000톤의 폐타이어를 가공처리하여 스포츠 경기장 건설, 도로 및 소음방지 분야 그리고 학교 및 유치원의 바닥깔개 등으로 활용하고 있고, 독일은 연간 610,000 톤의 폐타이어를 원료로써 재활용하고 있는 것으로 보고된바 있다(한국자원재생공사, 2005).
	최근 국․내외에서 폐타이어의 재활용률을 높이기 위한 연구가 활발히 수행되고 있는 이유는 무엇인가?	국내의 폐타이어 회수비율은 약 40～80%로서 전량 수거되고 있지 못한 형편일 뿐만 아니라, 수거된 폐타이어의 재활용률도 약 70% 정도여서 미처리되는 양이 적지 않은 실정이다(한국자원재생공사, 2005; 윤여원 등, 2004). 재활용되지 못한 폐타이어를 그대로 방치할 경우 야외 적치 등으로 주변경관을 해칠 뿐 아니라, 해충의 서식처 제공, 화재발생 위험성 상존 등의 환경적인 문제와 더불어 야적장 확보의 어려움 등 그 처리에 따르는 많은 문제가 발생된다. 따라서 최근 국․내외에서 폐타이어의 재활용률을 높이기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다.

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