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문제 정의
- 본 연구에서는 고속선 도상자갈의 수명을 평가·예측하기 위한 선행조건으로 실내·외 실험을 실시하였다.
가설 설정
- 3.1절에서 가진주파수 및 환산하중값 결정시 가정한 것과 같이 본 연구에서는 모든 통과톤수를 17톤 축중에 의해서 평가하고 KTX 기관차 즉, 차축 4개(2개 대차)에 해당하는 통과톤수를 1개의 하중사이클로 가정하였다. 따라서, 샘플 구간의 총 누적통과톤수에 대한 환산하중 재하 횟수는 1,280,000회가 되며, 변수 N1(29회)과 N2(128만회)값을 식 (3)에 대입하면 9.
- 본 연구에서는 자갈도상의 압력분포를 “침목 중앙부의 1/3 구간에 도상 반력(Ballast Reaction)이 없는 상태에서 균일한 크기의 압력이 발생한다”고 가정하고, Fig. 5와 같이 중앙부를 제외한 침목 유효지지부[6] 구간에서 시료의 교란을 최대한 방지하며 조심스럽게 샘플을 채취하였다.
제안 방법
- Fig. 4와 같이 MTT와 DTS장비를 사용하여 3회, 6회, 9회, 12회, 15회, 20회, 30회, 40회 각각의 도상다짐 및 궤도안정화 작업을 반복하였다. 실제 고속선에서 실시하는 유지보수 형태를 최대한 모사하기 위하여 MTT 1회 + DTS 1회의 작업방식으로 총 40회를 실시하였으며, 실제와 동일한 다짐시간 및 다짐봉 진동주기(35Hz)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 고속선 도상자갈의 수명을 평가·예측하기 위한 선행조건으로 실내·외 실험을 실시하였다. 대형 장비다짐작업으로 인한 세립화와 누적되는 열차통과하중을 도상열화의 주요 요인으로 판단하였으며, 시험용 궤도 부설을 통한 현장실험(실외 실측 시험)과 실제의 운행환경을 모사한 모형실험(실내 모형실험)을 통하여 도상자갈의 파쇄특성을 분석하였다. 또한, 실제 운용선상의 시료를 채취하여 세립화 정도를 파악하고 시료채취 구간의 보수이력데이터를 분석하여 실험결과값과 비교하였다.
- 도상 진동다짐기를 이용하여 100mm 두께의 각 층마다 자갈을 다지며 도상을 부설하였고, 최종 궤광조립 후에는 선로의 선형정정, 다지기 및 도상안정화를 위하여 MTT와 DTS(동적궤도안정기; Dynamic Track Stabilizer)작업을 실시하였다.
- 2). 도상과 노반 사이에 시트를 부설하여 노반입자의 혼입을 방지하였고, 시료의 섞임을 방지하기 위하여 설치한 각각의 5개 시험틀 내부에는 시료채취의 용이성을 위해 Fig. 3과 같이 시료채취망을 추가 설치하였다.
- 도상다짐작업에 따른 도상자갈의 파쇄특성을 분석하기 위하여 MTT작업에 의한 실외 실측실험을 수행하였다. 실험 내용으로는 도상다짐작업 횟수에 따른 자갈의 세립화 정도를 파악하기 위한 체가름시험과 자갈입자 크기 변화 정도를 파악하기 위한 입도분포시험을 수행하였다.
- 도상자갈의 수명을 평가·예측하기 위한 선행실험의 하나인 누적통과톤수에 의한 도상자갈의 파쇄 특성을 분석하고자 실내 모형실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 고속선 도상자갈의 주요 열화요인을 대형 장비다짐작업과 누적통과톤수로 가정하고 현장실험과 모형실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시험용 궤도의 부설에 있어, 사전 현장레벨측량을 통하여 시험선의 부설높이를 확인하고 노반의 상면까지 도상을 굴착하였다. 차량통행 및 노반의 장기간 방치에 따라 일부의 노반 표면이 고르지 않을 수 있으므로 시험용 궤도를 부설하기 전에 노반 평탄작업 및 다짐작업을 시행하여 정확한 레벨이 확보되도록 노반을 정리하였다(Fig.
- 실내·외 실험에서 얻은 연구결과의 정확도를 측정하기 위한 방법으로 실제 운행선상에서 채취한 시료의 도상자갈 파쇄입자 비율을 기준으로 실험모델식을 검증하였다.
- 4와 같이 MTT와 DTS장비를 사용하여 3회, 6회, 9회, 12회, 15회, 20회, 30회, 40회 각각의 도상다짐 및 궤도안정화 작업을 반복하였다. 실제 고속선에서 실시하는 유지보수 형태를 최대한 모사하기 위하여 MTT 1회 + DTS 1회의 작업방식으로 총 40회를 실시하였으며, 실제와 동일한 다짐시간 및 다짐봉 진동주기(35Hz)를 사용하였다. 본 연구에서는 자갈도상의 압력분포를 “침목 중앙부의 1/3 구간에 도상 반력(Ballast Reaction)이 없는 상태에서 균일한 크기의 압력이 발생한다”고 가정하고, Fig.
- 도상다짐작업에 따른 도상자갈의 파쇄특성을 분석하기 위하여 MTT작업에 의한 실외 실측실험을 수행하였다. 실험 내용으로는 도상다짐작업 횟수에 따른 자갈의 세립화 정도를 파악하기 위한 체가름시험과 자갈입자 크기 변화 정도를 파악하기 위한 입도분포시험을 수행하였다.
- 시험용 궤도의 부설에 있어, 사전 현장레벨측량을 통하여 시험선의 부설높이를 확인하고 노반의 상면까지 도상을 굴착하였다. 차량통행 및 노반의 장기간 방치에 따라 일부의 노반 표면이 고르지 않을 수 있으므로 시험용 궤도를 부설하기 전에 노반 평탄작업 및 다짐작업을 시행하여 정확한 레벨이 확보되도록 노반을 정리하였다(Fig. 2). 도상과 노반 사이에 시트를 부설하여 노반입자의 혼입을 방지하였고, 시료의 섞임을 방지하기 위하여 설치한 각각의 5개 시험틀 내부에는 시료채취의 용이성을 위해 Fig.
- 파쇄에 대한 입자기준을 입경 22.4mm 미만, 마모에 대한 입자기준을 입경 1.7mm 미만[8]으로 하여 도상자갈 체 가름시험을 수행하였다. 입자기준에 의한 분석은 큰 입자의 파쇄를 고려하지 못할 수도 있으나, 파쇄된 입자가 둘로 나뉘어져도 입경이 다소 큰 경우 도상자갈의 기능을 충분히 수행할 수 있으므로 본 실험의 분석에서는 무시하였다.
대상 데이터
- 대형 장비다짐작업 횟수에 따른 도상자갈의 파쇄 특성분석을 위하여 경부고속선 영동보수기지 구내 측선(#14)에 시험선을 부설하였다. Fig. 1과 같이 시험선 총 연장 25m에 침목 2정당 하나의 case로 총 5개의 시험틀을 구성하였으며, 도상의 깊이는 현 고속철도 설계기준인 침목하면으로부터 350mm로 하였다. 시험용 궤도의 부설을 위하여 사용된 자갈은 현재 고속선에 사용되고 있는 도상자갈과 동일한 재료이며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 본 실험에 사용된 모형토조는 침목과 도상두께를 고려하여 400×600×600mm의 크기로 제작하였으며, 하중재하판으로 사용된 침목조각은 현재 고속선에 사용되고 있는 PC침목을 거동 묘사영역에 맞추어 절단하여 사용하였다.
- 실내·외 실험에서 얻은 연구결과의 정확도를 측정하기 위한 방법으로 실제 운행선상에서 채취한 시료의 도상자갈 파쇄입자 비율을 기준으로 실험모델식을 검증하였다. 시료채취구간 선정은 잦은 인력보수와 장비작업으로 인하여 도 상자갈의 치환을 결정한 지점으로 선정하였으며, 시료채취 구간은 경부고속선 하행(T1) 78.347km 지점이다. 실외 실측실험과 동일한 방법으로 시료를 채취하여 KS F 2502 시험방법에 근거하여 도상자갈 체가름시험을 수행하였으며, 시험결과 운행선 시료채취구간의 도상자갈 파쇄비율은 8.
- 1과 같이 시험선 총 연장 25m에 침목 2정당 하나의 case로 총 5개의 시험틀을 구성하였으며, 도상의 깊이는 현 고속철도 설계기준인 침목하면으로부터 350mm로 하였다. 시험용 궤도의 부설을 위하여 사용된 자갈은 현재 고속선에 사용되고 있는 도상자갈과 동일한 재료이며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 대형 장비다짐작업으로 인한 세립화와 누적되는 열차통과하중을 도상열화의 주요 요인으로 판단하였으며, 시험용 궤도 부설을 통한 현장실험(실외 실측 시험)과 실제의 운행환경을 모사한 모형실험(실내 모형실험)을 통하여 도상자갈의 파쇄특성을 분석하였다. 또한, 실제 운용선상의 시료를 채취하여 세립화 정도를 파악하고 시료채취 구간의 보수이력데이터를 분석하여 실험결과값과 비교하였다.
- 94N/mm이다. 위의 결과를 토대로 하여 실험용 토조의 폭 400mm에 해당하는 환산하중값(33.176kN)을 계산하였고, 이를 활용하여 실내 모형실험을 수행하였다.
이론/모형
- 도상다짐작업 횟수에 의한 자갈의 입도분포 변화 정도를 파악하기 위하여 KS F 2502 시험방법[9]에 근거하여 입도분포시험을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 실외 실측실험의 경우, 도상다짐작업 횟수의 증가에 따른 자갈 파쇄입자 비율은 선형적인 증가분포를 보였으며, 결정계수 0.9781로 매우 높은 데이터 상관관계를 보였다.
- (2) 자갈 공급 초기의 경우, 입도분포가 전체적으로는 현행 고속철도 입도기준을 만족하지만 40mm체에 해당하는 누적통과율이 상당히 높은 것으로 나타났다. 도상다짐작업 횟수별로 측정한 입도분포시험 결과, 도상자갈의 입도는 작업횟수의 증가에 따라 전 입자에 대해 점차적으로 기준을 벗어나는 결과를 보였다.
- (3) 실내 모형실험의 경우, 누적통과톤수의 증가에 따라 점차적으로 입도기준을 벗어났으며 파쇄입자 비율도 1차 함수의 형태로 선형적인 증가 추세를 보였다.
- (4) 실제 운행선상의 시료를 채취하여 세립화 정도를 파악한 결과 22.4mm체를 통과하는 파쇄입자비율은 8.46%였다. 시료채취 구간의 보수이력데이터 분석을 통해 산출해낸 각각의 변수 값을 실험모델식에 대입하여 얻은 결과값은 9.
- 4.1절에서 언급한 운행선 샘플의 파쇄입자 비율(%) 결과 값은 고속선 개통(2004년 4월) 초기부터 도상자갈치환이 이루어진 2008년 3월까지의 지난 4년간 MTT작업횟수와 누적통과톤수에서 기인한다. 이에 관련한 선로보수이력데이터 분석을 통해 산출해 낸 MTT투입횟수는 29회이며, 지난 4년간의 총 누적통과톤수는 약 86,865,000톤(2004년~2008년 3월)이다.
- 결과적으로, 4.1절의 운행선에서 직접 채취한 시료의 도 상자갈 파쇄비율값 8.46%는 실험모델식을 통해 산출해 낸 계산결과값(9.73%)과 비교하여 전반적으로 양호한 결과를 보였다.
- 도상다짐작업 횟수별로 측정한 입도분포시험 결과, Fig. 9와 같이 도상자갈의 입도는 다짐작업횟수의 증가에 따라 전 입자에 대해 점증적으로 기준을 벗어나는 결과를 보였다. 이는 도상다짐작업으로 인한 자갈입자의 파쇄가 모든 입자에 걸쳐 전체적으로 고르게 발생하며, 자갈입도의 변화로 인하여 도상의 지지력이 약화되고 도상의 수명이 단축될 수 있음을 의미한다.
- (2) 자갈 공급 초기의 경우, 입도분포가 전체적으로는 현행 고속철도 입도기준을 만족하지만 40mm체에 해당하는 누적통과율이 상당히 높은 것으로 나타났다. 도상다짐작업 횟수별로 측정한 입도분포시험 결과, 도상자갈의 입도는 작업횟수의 증가에 따라 전 입자에 대해 점차적으로 기준을 벗어나는 결과를 보였다.
- 7mm체 통과량도 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한, Fig. 7과 같이 도상다짐작업 횟수의 증가와 함께 자갈 파쇄입자 비율은 회귀분석 결과 1차 함수의 형태로 선형적인 증가분포를 보였으며, 추세선을 이용한 함수식과의 결정계수(R2 , Coefficient of Correlation)도 0.9781로 1에 가까운 매우 높은 상관관계를 보였다. 여기서, 파쇄량(Crushing Weight)은 파쇄된 시료의 중량이고 파쇄비율(Crushing Rate)은 22.
- 반복하중재하 횟수의 증가와 함께 도상자갈 파쇄입자 비율은 1차 함수의 형태로 선형적인 증가분포를 보였으며, 40만회부터 급격한 변화를 나타내었다. 또한, 추세선을 이용한 함수식과의 결정계수(R2)도 0.
- 46%였다. 시료채취 구간의 보수이력데이터 분석을 통해 산출해낸 각각의 변수 값을 실험모델식에 대입하여 얻은 결과값은 9.73%로 양호한 결과를 나타냈다.
- 347km 지점이다. 실외 실측실험과 동일한 방법으로 시료를 채취하여 KS F 2502 시험방법에 근거하여 도상자갈 체가름시험을 수행하였으며, 시험결과 운행선 시료채취구간의 도상자갈 파쇄비율은 8.46%였다.
- 입도분포시험 결과, Fig. 13과 같이 하중재하횟수의 증가와 함께 점차적으로 입도기준을 벗어나는 결과를 보였으며, 그 변화는 40mm 입자크기에서 현저했다.
- 체가름시험 결과, Fig. 6과 같이 도상다짐작업 횟수 12회부터 22.4mm체 통과량이 급격히 증가하였으며 1.7mm체 통과량도 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한, Fig.
후속연구
- 이상과 같이 본 연구에서 수행한 실내·외 실험에 대한 결과를 바탕으로 도상자갈의 수명예측을 정확하게 나타내기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서 자갈의 마모와 파쇄로 인한 입자형상 변화에 대한 연구 및 운행선 구간의 추가적인 시료채취분석이 필요하다. 향후, 본 연구의 실험에서 얻은 연구결과를 바탕으로 도상자갈의 수명을 평가·예측할 수 있는 알고리즘을 개발할 계획이다.
- 이상과 같이 본 연구에서 수행한 실내·외 실험에 대한 결과를 바탕으로 도상자갈의 수명예측을 정확하게 나타내기에는 한계가 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 자갈의 마모와 파쇄로 인한 입자형상 변화에 대한 연구 및 운행선 구간의 추가적인 시료채취분석이 필요하다. 향후, 본 연구의 실험에서 얻은 연구결과를 바탕으로 도상자갈의 수명을 평가·예측할 수 있는 알고리즘을 개발할 계획이다.
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