콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 비파괴 탄성파 기법의 개발 Development of a Nondestructive Seismic Technique for Flexural Rigidity of Concrete Track as Slab Displacement Index원문보기
최근 고속전철의 자갈도상에 대한 대안으로 콘크리트 슬래브궤도가 도입되어 고속전철 신규노선에 시공되고 있다. 콘크리트 슬래브궤도는 자갈도상에 비해 내구성, 유지관리 측면에서의 경제성, 열차운행의 안정성 등의 측면에서 우위에 있지만, 우수 및 지하수로 인한 노반강성의 저하, 연약한 원지반의 침하 등으로 인한 슬래브궤도의 처짐은 열차안정성에 치명적인 결함이 된다. 본 연구에서는 슬래브궤도의 처짐 지표로서 슬래브궤도의 휨강성을 설정하고, 슬래브궤도의 휨강성을 2차원 영상으로 표현할 수 있는 FRACTAL (Flexural-Rigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) 기법이라는 비파괴 탄성파 기법을 제안하였다. 이론적 근거 확보를 위하여 콘크리트 슬래브궤도에서의 탄성파 시험을 수치해석적으로 모사하여 영향인자 연구를 수행하였고, FRACTAL 기법의 적용성 평가를 위하여 실제 고속전철 슬래브궤도에 적용하여 보았다. 그리고 FRACTAL 시험측선과 동일 측선에서 Impulse-Response 기법과 인접지반에서 전기비저항시험을 수행하여, FRACTAL 기법의 신뢰성을 검증하였다.
최근 고속전철의 자갈도상에 대한 대안으로 콘크리트 슬래브궤도가 도입되어 고속전철 신규노선에 시공되고 있다. 콘크리트 슬래브궤도는 자갈도상에 비해 내구성, 유지관리 측면에서의 경제성, 열차운행의 안정성 등의 측면에서 우위에 있지만, 우수 및 지하수로 인한 노반강성의 저하, 연약한 원지반의 침하 등으로 인한 슬래브궤도의 처짐은 열차안정성에 치명적인 결함이 된다. 본 연구에서는 슬래브궤도의 처짐 지표로서 슬래브궤도의 휨강성을 설정하고, 슬래브궤도의 휨강성을 2차원 영상으로 표현할 수 있는 FRACTAL (Flexural-Rigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) 기법이라는 비파괴 탄성파 기법을 제안하였다. 이론적 근거 확보를 위하여 콘크리트 슬래브궤도에서의 탄성파 시험을 수치해석적으로 모사하여 영향인자 연구를 수행하였고, FRACTAL 기법의 적용성 평가를 위하여 실제 고속전철 슬래브궤도에 적용하여 보았다. 그리고 FRACTAL 시험측선과 동일 측선에서 Impulse-Response 기법과 인접지반에서 전기비저항시험을 수행하여, FRACTAL 기법의 신뢰성을 검증하였다.
Recently, concrete tracks are introduced into high-speed railroads as an alternative to ballast tracks. Concrete tracks are superior to ballast tracks in the aspect of durability, maintenance and safety. However, deteriorated stiffness of railroad bed and settlement of soft ground induced by trapped...
Recently, concrete tracks are introduced into high-speed railroads as an alternative to ballast tracks. Concrete tracks are superior to ballast tracks in the aspect of durability, maintenance and safety. However, deteriorated stiffness of railroad bed and settlement of soft ground induced by trapped or seepage water lead to problems in safety of train operation. In this research, flexural rigidity of concrete tracks was employed as an index of track displacement and a new seismic technique called FRACTAL (Flexural-Rigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) method was proposed to delineate flexural rigidity of concrete tracks in a 2-D image. In this paper, to establish theoretical background, parametric research was performed using numerical simulations of stress-wave tests at concrete tracks. Feasibility of the FRACTAL technique was proved at a real concrete track for Korean high-speed trains. Validity of the FRACTAL technique was also verified by comparing the results of impulse-response tests performed at the same measurement array and the results of DC resistivity survey performed at a shoulder nearby the track.
Recently, concrete tracks are introduced into high-speed railroads as an alternative to ballast tracks. Concrete tracks are superior to ballast tracks in the aspect of durability, maintenance and safety. However, deteriorated stiffness of railroad bed and settlement of soft ground induced by trapped or seepage water lead to problems in safety of train operation. In this research, flexural rigidity of concrete tracks was employed as an index of track displacement and a new seismic technique called FRACTAL (Flexural-Rigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) method was proposed to delineate flexural rigidity of concrete tracks in a 2-D image. In this paper, to establish theoretical background, parametric research was performed using numerical simulations of stress-wave tests at concrete tracks. Feasibility of the FRACTAL technique was proved at a real concrete track for Korean high-speed trains. Validity of the FRACTAL technique was also verified by comparing the results of impulse-response tests performed at the same measurement array and the results of DC resistivity survey performed at a shoulder nearby the track.
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문제 정의
본 연구에서는 일련의 수치실험을 통하여 콘크리트 슬래브 궤도/하부지반의 휨강성을 측정하기 위한 새로운 탄성파 기법, FRACTAL 기법을 새로이 제안하였다. 시험방법 면에서는 CapSASW 기법과 기본적으로는 동일하지만, 해석과 자료정리시 Lamb파를 사용한다는 측면에서 Rayleigh 파를 사용하는 CapSASW 기법과 차이를 보이고 있다.
본 연구에서는 콘크리트 슬래브의 처짐 현상을 사전에 파악할 수 있는 평가지표를 도출하기 위해서, 콘크리트 슬래브 궤도와 하부지반간의 휨강성을 평가하는 비파괴 탄성파 기법을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 비파괴 탄성파 기법은 FRACTAL (Flexibility Evaluation of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) 기법이라고 하며, FRACTAL 기법 개발과 관련하여 확인된 연구결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 하부지지층에 대한 콘크리트 슬래브 궤도의 휨강성을 비파괴적으로 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 하부 지지층과 콘크리트 슬래브를 포함한 슬래브궤도 시스템에서의 탄성파의 거동특성, 하부지지층에 대한 콘크리트 슬래브의 휨강성 등을 수치해석적으로 평가해 보고, 이로부터 획득된 결과를 이용하여 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 새로운 탄성파 기법(FRACTAL; FlexuralRigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves)을 제시하였다.
Impulse-Response 기법의 지배주파수와 동적강성, CapSASW 기법의 Lamb파 위상속도 등이 정량적 평가를 위한 특성지수로 사용가능하였다. 본 절에서는 Impulse-Response 기법과 CapSASW 기법을 이용하여 콘크 리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 FRACTAL(Flexibility Evaluation of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) 기법을 제안하였다. FRACTAL 기법은 시험방법측면에서는 CapSASW 시험과 동일하지만, FRACTAL 기법은 Lamb파 속도를, CapSASW 시험은 표면파 속도를 측정한다는 측면에서 차이가 있다.
그러나 콘크리트 슬래브 궤도의 경우, 상부 면은 대기에 노출 되어 있지만 하부 면은 지반과 접해 있어서 슬래브의 변위가 지반강성으로 인해 제한되어 있고, 지반강성의 크기에 따라 슬래브 하부면의 구속 상태도 변하게 된다. 본 절에서는 지반의 강성 크기에 따라 콘크리트 슬래브궤도에서의 표면파 특성이 어떻게 달라지는지 수치해석적으로 분석하여 보았다.
평판형 콘크리트 구조물 중에서 콘크리트 슬래브궤도에 대한 기존의 탄성파 기법이 보여주는 특성을 수치 해석적으로 규명하고, 이로부터 도출된 결과를 이용하여 콘크리트 슬래브 궤도 전용 비파괴 평가기법의 이론적 근간을 마련하고자 하였다. 수치모델링은 원지반, 강화노반, HSB(Hydraulically Stabilized Base Course), TCL(Track Concrete Layer) 등의 층구조를 가지고 있는 KTX용 콘크리트 슬래브궤도 모델 (그림 4)에 대하여 수행되었다.
1981; Kausel and Peek, 1982)을 이용하여 수치 모사하였다. 평판형 콘크리트 구조물에서의 표면파 기법 적용을 위한 기초연구로서 표면파와 Lamb파의 간섭과 모드변환, 콘크리트 슬래브를 지지하는 하부 지지층 휨강성의 크기에 따른 Lamb파의 기여도 등에 관한 연구를 수행하였다.
가설 설정
그림 2(b)의 주파수 2,933Hz 대역에서 돌발적인 위상각 스펙트럼의 불연속이 나타났고, 그림 2(c)의 주파수 2,933Hz 대역에서도 갑자기 국부적으로 진폭이 감소하는 현상이 나타났다. 따라서 콘크 리트 포장에서 표면파 시험시 그림 2(b)와 같이 측정될 때, 모드변환이 발생하는 2,933Hz 이하의 위상속도는 Lamb파의 위상속도이고, 그 이후의 위상속도는 표면파의 위상속도라고 인지하여야 한다.
제안 방법
한편 동일 측점 2m, 8m 지점에서 Impulse-Response 시험으로 결정한 동적강성 또한 2m 지점의 슬래브 강성이 더 큰 것으로 평가되어, FRACTAL 시험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. FRACTAL 시험의 경우는 2m 측선을 1m 간격으로 중첩하여 모두 19회 측정을 수행하였고, ImpulseResponse 시험은 1m 간격으로 연속적으로 측정하여 모두 23개 지점에 대한 평가를 수행하였다. 연속적으로 수행한 FRACTAL 시험의 Lamb파 위상속도를 2차원으로 정리한 결과를 그림 11(a)에 도시하였고, 또한 연속 ImpulseResponse 시험결과를 그림 11(b)에 정리하여 나타내었다.
한편, 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성은 콘크리트 슬래브보다는 주로 하부지반의 강성에 의해 좌우된다고 할 수 있기 때문에, FRACTAL 시험이나 Impulse-Response 시험으로 측정한 강성의 변화는 하부지반의 강성 변화라고도 할 수 있다고 판단된다. 그리고 강화노반의 시공이 매우 엄격히 관리되고 있다는 사실을 고려할 때, 하부지반의 강성변화는 강화노반보다는 성토층이나 원지반의 침하로 인한 것이라고 판단하는 것이 타당할 것이 므로, 원지반 지층구조의 기복이나 변화를 평가하기 위하여 전기비저항 시험을 수행하였다.
하부 지지층과 콘크리트 슬래브를 포함한 슬래브궤도 시스템에서의 탄성파의 거동특성, 하부지지층에 대한 콘크리트 슬래브의 휨강성 등을 수치해석적으로 평가해 보고, 이로부터 획득된 결과를 이용하여 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 새로운 탄성파 기법(FRACTAL; FlexuralRigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves)을 제시하였다. 그리고 제안된 FRACTAL기법을 실제 충청남도 오송의 KTX 기지내에 있는 콘크리트 슬래브궤도에 시험 적용하여, FRACTAL기법의 정확성, 신뢰도, 실용성 등을 평가해 보았다. 또한 슬래브궤도의 인접지 반에 대하여 전기비저항 시험을 수행하고, 이로부터 확인된 지층구조의 분석을 통하여 제안된 FRACTAL기법의 신뢰성을 확인하였다.
FRACTAL 기법은 시험방법측면에서는 CapSASW 시험과 동일하지만, FRACTAL 기법은 Lamb파 속도를, CapSASW 시험은 표면파 속도를 측정한다는 측면에서 차이가 있다. 따라서 본 논문의 이후 내용에서는 CapSASW 시험보다는 FRACTAL 시험이라는 용어를 사용하도록 한다.
그리고 제안된 FRACTAL기법을 실제 충청남도 오송의 KTX 기지내에 있는 콘크리트 슬래브궤도에 시험 적용하여, FRACTAL기법의 정확성, 신뢰도, 실용성 등을 평가해 보았다. 또한 슬래브궤도의 인접지 반에 대하여 전기비저항 시험을 수행하고, 이로부터 확인된 지층구조의 분석을 통하여 제안된 FRACTAL기법의 신뢰성을 확인하였다.
FRACTAL 기법은 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성을 연속 적으로 평가하여 침하의 가능성이 있는 부분을 시각적으로 확인할 수 있도록 하는 기법으로, Lamb파의 위상속도를 기본 평가지수로 활용하며, Impulse-Reponse 기법으로 평가한 동적강성을 보조적 평가지수로 활용하도록 하였다. 발진원, 감진기 위치, 측정 주파수대역 등과 같은 FRACTAL 기법을 위한 최적 실험구성을 결정하기 위하여 아래와 같이 추가적인 수치실험을 수행하였다.
본 절에서는 FRACTAL 기법의 신뢰성을 검증하기 위하여, 오송 KTX 기지에 시험 시공되어 있는 콘크리트 슬래브궤도의 측선에 대하여 FRACTAL 시험과 Impulse-Response 시험을 수행하였고, 콘크리트 궤도에 인접하여 있는 노견지반에 대하여 전기비저항 시험을 수행하여 성토층과 원지반층의 층상구조 및 매질의 변화를 측정하였다. ImpulseResponse 시험은 콘크리트 슬래브궤도의 동적강성을 평가해 주는 것으로 FRACTAL 시험으로 측정하는 슬래브궤도의 휨 강성과 정성적인 연관성을 가진다고 할 수 있다.
평판형 콘크리트 구조물 중에서 콘크리트 슬래브궤도에 대한 기존의 탄성파 기법이 보여주는 특성을 수치 해석적으로 규명하고, 이로부터 도출된 결과를 이용하여 콘크리트 슬래브 궤도 전용 비파괴 평가기법의 이론적 근간을 마련하고자 하였다. 수치모델링은 원지반, 강화노반, HSB(Hydraulically Stabilized Base Course), TCL(Track Concrete Layer) 등의 층구조를 가지고 있는 KTX용 콘크리트 슬래브궤도 모델 (그림 4)에 대하여 수행되었다.
연약지반 위의 콘크리트 슬래브(그림 1)에 있어서 표면파 전파특성을 수치 해석적으로 살펴보았다.
콘크리트 슬래브궤도의 휨강성을 평가하기 위한 Lamb파 위상속도 측정 방법으로 FRACTAL 시험을 제안하였으나, 콘크리트 슬래브궤도 평가에 적용할 최적 FRACTAL 실험구성 요소는 보다 구체화될 필요가 있다. 즉 FRACTAL 시험을 위한 감진기 간격, 발진원과 감진기간 간격, 측정 주파수 대역 등의 실험구성요소들을 최적화하기 위하여 수치실험을 수행하였다. 콘크리트 궤도의 실제형상과 크기를 고려하여, FRACTAL 시험의 감진기간 간격으로 1m, 2m, 발진원과감진기간 간격으로 감진기간 간격의 1, 2, 4배 등을 설정하여, 최적 구성을 선정하도록 하였다.
즉 FRACTAL 시험을 위한 감진기 간격, 발진원과 감진기간 간격, 측정 주파수 대역 등의 실험구성요소들을 최적화하기 위하여 수치실험을 수행하였다. 콘크리트 궤도의 실제형상과 크기를 고려하여, FRACTAL 시험의 감진기간 간격으로 1m, 2m, 발진원과감진기간 간격으로 감진기간 간격의 1, 2, 4배 등을 설정하여, 최적 구성을 선정하도록 하였다. 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 Lamb파의 위상속도는 파장이 약 10m 보다 큰 부분에 해당되는데, 이 부분의 위상속도 크기와 경향을 검토하였다.
콘크리트 슬래브 휨강성은 Impulse-Response 기법, CapSASW 기법 등과 같은 탄성파 기법에 의해 Lamb파 속도의 형태로 정량적 평가가 가능하다는 것을 2.2절의 수치실험으로 확인하였다. Impulse-Response 기법의 지배주파수와 동적강성, CapSASW 기법의 Lamb파 위상속도 등이 정량적 평가를 위한 특성지수로 사용가능하였다.
콘크리트 슬래브궤도 표면에 센서를 설치하고 7.5cm 이격된 위치에서 타격하여 센서위치에서 변위스펙트럼을 획득하였고, 이를 이용하여 그림 5에서 도시한 바와 같은 최대수직변위, 공진주파수, 유사 재료감쇠비 등의 결과를 얻었다. 우선 강화노반 강성의 증가로 인해 최대수직변위가 감소함을 알 수 있는데, 이는 슬래브 하단에서 체적파의 반사율 감소, 투과율 증가로 인한 파동에너지 손실로 인한 것이라고 판단된다.
앞에서 동강성행렬법에 의한 역학적 해석으로 규명한 바와 같이, 평판형 콘크리트 구조물의 강성에 대한 하부구조의 휨 강성은 Lamb파 속도로 평가가능하다. 콘크리트 슬래브궤도의 강성에 대한 강화노반 휨강성을 평가해 보기 위하여 CapSASW(조성호 등, 2005) 수치실험을 수행하였다. CapSASW 실험은 일련의 주파수 또는 파장에 대해 위상속 도를 측정하는 것으로 측정되는 모드에 따라 표면파 또는 Lamb파가 될 수도 있다.
콘크리트 궤도의 실제형상과 크기를 고려하여, FRACTAL 시험의 감진기간 간격으로 1m, 2m, 발진원과감진기간 간격으로 감진기간 간격의 1, 2, 4배 등을 설정하여, 최적 구성을 선정하도록 하였다. 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 Lamb파의 위상속도는 파장이 약 10m 보다 큰 부분에 해당되는데, 이 부분의 위상속도 크기와 경향을 검토하였다. 그림 8을 참고하면, 파장이 약 2~3 m 이하가 되는 영역에서는 감진기, 발진원 위치와 관계없이 거의 동일한 위상속도가 계산되었지만, 이보다 큰 파장 영역에서는 위상속도가 감진기, 발진원의 위치에 따라 달라짐을 알수 있었다.
평판형 구조물의 강성을 측정할 수 있는 또 다른 방법인 Impulse-Response 기법이 콘크리트 슬래브궤도에서 어떻게 작용하는지를 평가하기 위하여 동강성행렬법에 기반을 둔 수치실험을 수행하였다. 콘크리트 슬래브궤도의 TCL과 HSB는 동일한 강성을 유지한 채 강화노반의 전단파속도를 50, 220, 400m/sec로 변화시켜 가면서 수치실험을 수행한 결과, 그림 6과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 하부지지층에 대한 콘크리트 슬래브 궤도의 휨강성을 비파괴적으로 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 하부 지지층과 콘크리트 슬래브를 포함한 슬래브궤도 시스템에서의 탄성파의 거동특성, 하부지지층에 대한 콘크리트 슬래브의 휨강성 등을 수치해석적으로 평가해 보고, 이로부터 획득된 결과를 이용하여 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가를 위한 새로운 탄성파 기법(FRACTAL; FlexuralRigidity Assessment of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves)을 제시하였다. 그리고 제안된 FRACTAL기법을 실제 충청남도 오송의 KTX 기지내에 있는 콘크리트 슬래브궤도에 시험 적용하여, FRACTAL기법의 정확성, 신뢰도, 실용성 등을 평가해 보았다.
이론/모형
예를 들어 그림 7의 경우, 점선의 박스로 도시한 부분은 표면파의 모드가 단절된 부분으로 Lamb파임을 확연하게 알 수 있다. 강화노반의 강성이 50, 220, 400m/sec인 경우에 대하여 Lamb파 속도를 동강성행렬법에 근거한 수치모델링으로 해석 적으로 결정하였다. 그림 7에 도시한 바와 같이, 강화노반 강성이 작을수록 Lamb파 속도도 확연히 작아지는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 콘크리트 슬래브의 처짐 현상을 사전에 파악할 수 있는 평가지표를 도출하기 위해서, 콘크리트 슬래브 궤도와 하부지반간의 휨강성을 평가하는 비파괴 탄성파 기법을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 비파괴 탄성파 기법은 FRACTAL (Flexibility Evaluation of Concrete Tracks by Antisymmetric Lamb Waves) 기법이라고 하며, FRACTAL 기법 개발과 관련하여 확인된 연구결과는 다음과 같다.
본 연구에서 활용한 표면파 기법은 SASW 기법 (Stokoe et al., 1995)으로서, 표면파 및 체적파의 파동전파를 해석적으로 모델링하는 동강성 행렬법(Kausel and Roesset. 1981; Kausel and Peek, 1982)을 이용하여 수치 모사하였다. 평판형 콘크리트 구조물에서의 표면파 기법 적용을 위한 기초연구로서 표면파와 Lamb파의 간섭과 모드변환, 콘크리트 슬래브를 지지하는 하부 지지층 휨강성의 크기에 따른 Lamb파의 기여도 등에 관한 연구를 수행하였다.
성능/효과
오송 KTX 기지의 콘크리트 슬래브궤도에서의 측점 2m와 8m 지점에서 획득한 FRACTAL 시험결과와 ImpulseResponse 시험결과를 그림 10에 도시하였다. 그림 10(a)에도시된 FRACTAL 시험의 결과에 의하면, 측점 2m 지점의 경우는 Lamb파의 속도가 600~700 m/sec, 측점 8m 지점의 경우는 Lamb파의 속도가 200~300 m/sec로 측정되었다. 따라서 8m 지점의 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성, 즉 하부지 반의 강성이 작은 것으로 측정되어, 2m 지점보다 콘크리트 슬래브 궤도의 처짐 가능성이 높은 것으로 사료된다.
이와 같은 모드변화는 두 감지기간 전달함수의 위상각 스펙트럼과 진폭 스펙트럼에서 명확하게 인지되고 있다. 그림 2(b)의 주파수 2,933Hz 대역에서 돌발적인 위상각 스펙트럼의 불연속이 나타났고, 그림 2(c)의 주파수 2,933Hz 대역에서도 갑자기 국부적으로 진폭이 감소하는 현상이 나타났다. 따라서 콘크 리트 포장에서 표면파 시험시 그림 2(b)와 같이 측정될 때, 모드변환이 발생하는 2,933Hz 이하의 위상속도는 Lamb파의 위상속도이고, 그 이후의 위상속도는 표면파의 위상속도라고 인지하여야 한다.
1. 콘크리트 슬래브의 휨강성은 Impact-Echo 기법, ImpulseResponse 기법, CapSASW 기법 등과 같은 탄성파 기법에 의해 정량적으로 평가 가능하였다. 휨강성의 정량적 평가를 위한 특성지수로는 Impact-Echo 기법의 지배주파수와 최대변위, Impulse- Response 기법의 지배주파수와 동적강성, CapSASW 기법의 Lamb파 위상속도 등이 활용 가능하였다.
2.2절의 수치해석 연구에 의하면, Impulse-Response 시험도 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성을 평가하는데 효과적인 것으로 평가되기 때문에, FRACTAL 시험과 더불어 ImpulseResponse 시험도 병행하여 수행하는 것이 바람직하다. Impulse-Response 시험은 FRACTAL 시험을 위한 실험구성에서 단순히 타격지점만 첫 번째 감진기에서 2m 떨어진 곳으로 이동하여 추가적으로 타격해 주기만 하기 때문에, Impulse-Response 시험을 위하여 추가적으로 소요되는 노력은 그리 크지 않다고 할 수 있다.
3. FRACTAL 기법의 실험구성은 2개의 가속도계와 1개의 발진원으로 구성되는데, 감진기는 2m 간격으로 설치하고, 발진원은 첫 번째 감진기에서 8m 떨어진 곳에서 타격을 가하는 것이 가장 적절한 것으로 확인되었다.
4. 오송 KTX 기지의 콘크리트 슬래브와 인접지반에서 개별 적으로 수행한 전기비저항 시험, 연속 Impulse-Response 시험과 FRACTAL 시험들의 결과는 상호 일관성이 있는 것으로 평가되어, 본 연구에서 제안한 FRACTAL 기법의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
그림 10(a)에도시된 FRACTAL 시험의 결과에 의하면, 측점 2m 지점의 경우는 Lamb파의 속도가 600~700 m/sec, 측점 8m 지점의 경우는 Lamb파의 속도가 200~300 m/sec로 측정되었다. 따라서 8m 지점의 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성, 즉 하부지 반의 강성이 작은 것으로 측정되어, 2m 지점보다 콘크리트 슬래브 궤도의 처짐 가능성이 높은 것으로 사료된다. 한편 동일 측점 2m, 8m 지점에서 Impulse-Response 시험으로 결정한 동적강성 또한 2m 지점의 슬래브 강성이 더 큰 것으로 평가되어, FRACTAL 시험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
그림 7에 도시한 바와 같이, 강화노반 강성이 작을수록 Lamb파 속도도 확연히 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 CapSASW 실험구성으로 측정한 콘크리트 슬래브궤도의 Lamb파 속도는 슬래브의 휨강성을 반영 하는 것으로 확인할 수 있다.
그림 8을 참고하면, 파장이 약 2~3 m 이하가 되는 영역에서는 감진기, 발진원 위치와 관계없이 거의 동일한 위상속도가 계산되었지만, 이보다 큰 파장 영역에서는 위상속도가 감진기, 발진원의 위치에 따라 달라짐을 알수 있었다. 본 연구에서 고려한 감진기, 발진원 위치에 대한총 6가지 실험구성에 대하여 위상속도를 살펴보면, 몇 가지 경우에서 하부지반의 강성이 명확하게 위상속도로 평가될 수있음을 알 수 있다. 그 중에서도 감진기간 간격이 2m, 발진 원-첫번째 감진기간 간격이 8m인 경우가 가장 바람직한 실험구성으로 평가된다.
전기비저항치로 평가하였을 때, 약 심도 4m 정도에 30 이하의 지반이 원지반으로 파악된다. 이러한 시공이력과 전기비저항 측정결과를 조합하여 평가하여 볼 때, 성토층의 시공시 성토층 매질이 일부구간 즉, 2~4m, 10~14m, 18~20m 구간에서 원지반을 밀고 하강하여 성토되었고, 이렇게 일부 하강된 성토층 상부에 강화노반이 시공되었다고 판단된다. 따라서 연약한 점토층인 원지반 일부까지 양질의 성토층이 침투한 ㅎ그렇지 않은 구간에 비해 상대적으로 강성이 큰 매질로 구성되어 있다고 평가된다고 판단된다.
따라서 8m 지점의 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성, 즉 하부지 반의 강성이 작은 것으로 측정되어, 2m 지점보다 콘크리트 슬래브 궤도의 처짐 가능성이 높은 것으로 사료된다. 한편 동일 측점 2m, 8m 지점에서 Impulse-Response 시험으로 결정한 동적강성 또한 2m 지점의 슬래브 강성이 더 큰 것으로 평가되어, FRACTAL 시험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. FRACTAL 시험의 경우는 2m 측선을 1m 간격으로 중첩하여 모두 19회 측정을 수행하였고, ImpulseResponse 시험은 1m 간격으로 연속적으로 측정하여 모두 23개 지점에 대한 평가를 수행하였다.
콘크리트 슬래브의 휨강성은 Impact-Echo 기법, ImpulseResponse 기법, CapSASW 기법 등과 같은 탄성파 기법에 의해 정량적으로 평가 가능하였다. 휨강성의 정량적 평가를 위한 특성지수로는 Impact-Echo 기법의 지배주파수와 최대변위, Impulse- Response 기법의 지배주파수와 동적강성, CapSASW 기법의 Lamb파 위상속도 등이 활용 가능하였다.
후속연구
여기서 동적강성은 유동성 스펙트럼에서 초기접선기울기의 역수로 정의되는 변수이다. 따라서 Impulse-Response의 경우는 유동성 스펙트럼의 저주파대역 지배주파수와 동적강성을 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성 평가에 활용할 수 있으리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 표면파가 발생되는 이상적인 조건은 무엇인가?
일반적으로 표면파가 발생되는 이상적인 조건은 한쪽 면이 노출되어 구속받지 않는 비구속 상태에 있는 반무한체라고 할 수 있다. 대표적인 예로 지반의 경우 지표면이 대기에 노출되어 비구속 상태에 있으므로 체적파의 간섭 없이 표면파가 발생할 수 있는 조건아래 있다고 할 수 있다.
본 논문에서 개발한 콘크리트 슬래브 궤도와 하부지반간의 휨강성을 평가하는 비파괴 탄성파 기법과 관련하여 확인된 연구 결과는?
1. 콘크리트 슬래브의 휨강성은 Impact-Echo 기법, ImpulseResponse 기법, CapSASW 기법 등과 같은 탄성파 기법에 의해 정량적으로 평가 가능하였다. 휨강성의 정량적 평가를 위한 특성지수로는 Impact-Echo 기법의 지배주파수와 최대변위, Impulse- Response 기법의 지배주파수와 동적강성, CapSASW 기법의 Lamb파 위상속도 등이 활용 가능하였다.
2. FRACTAL 기법은 콘크리트 슬래브궤도의 휨강성을 연속적으로 평가하여 침하의 가능성이 있는 부분을 시각적으로 확인할 수 있도록 하는 기법으로, Lamb파의 위상속도를 기본 평가지수로 활용하며, Impulse-Reponse 기법으로 평가한 동적강성을 보조적 평가지수로 활용하도록 하였다.
3. FRACTAL 기법의 실험구성은 2개의 가속도계와 1개의 발진원으로 구성되는데, 감진기는 2m 간격으로 설치하고, 발진원은 첫 번째 감진기에서 8m 떨어진 곳에서 타격을 가하는 것이 가장 적절한 것으로 확인되었다.
4. 오송 KTX 기지의 콘크리트 슬래브와 인접지반에서 개별 적으로 수행한 전기비저항 시험, 연속 Impulse-Response 시험과 FRACTAL 시험들의 결과는 상호 일관성이 있는 것으로 평가되어, 본 연구에서 제안한 FRACTAL 기법의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
콘크리트 슬래브 궤도가 갖고 있는 특징은?
콘크리트 슬래브 궤도는 시공성, 경제성 등의 측면에서 자갈도상보다 우위에 있지만, 한편으로 하부지반과의 상호작용 으로 발생되는 부차적인 문제를 피할 수 없다. 즉, 콘크리트 슬래브 궤도는 상대적으로 강성이 약한 지반 위에 시공되는 특징을 가지고 있다. 따라서 과도한 슬래브 궤도의 순간침하, 열차의 반복하중 재하로 인한 지반의 다짐, 우수, 지하수 등으로 인한 지반내 물의 흐름 등으로 인하여 슬래브 궤도 하부 지반은 약화될 수 있으며 궁극적으로 지반침하로 이어지게 된다.
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