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문제 정의
- 과거 조립재료에 대한 연구에서 암 성토재료(rockfill)에 대한 연구가 많이 이루어진 바 있으나, 철도 도상 자갈(railway ballast)의 거동과는 분명히 다른 응력 경로와 구속응력 등으로 인해 큰 차이가 있음이 확인되었다 [4], 이에 본 논문에서는 도상자갈재료에 대한 대형삼축압축시험으로 수행할 수 있는 기초연구로서 먼저 낮은 구속압 하에서의 전단강도, 입자파쇄(particle degradation) 등에 대해 소개할 것이다.
- 본 연구에서는 철도, 도로 등 대형 성토지반구조물의 주요 지반재료인 입경이 큰 조립재료에 대해 전단강도, 변형계수, 응력-변형 거동과 같은 지반공학적 설계정수를 평가 산정할 수 있는 대형삼축압축시험장비를 구축하고, 이를 활용한 도상자갈재료에 대한 정적삼축압축시험 결과를 통해 그 의미와 적용 가능성을 제시하였다.
- 뒤를 이어 한국철도기술연구원에서는 최근 직경 150mm, 300mm, 500mg의 공시체와 사각시편(중간주응력/평면변형률) 등보다 크고 다양한 입경의 조립재료에 대한 실험 뿐 아니라 Ko, 중간주응력 조건, 온도제어(동결/융해)조건 등을 재현할 수 있는 부대장비를 갖추어 보다 현장 조건을 합리적으로 반영할 수 있는 대형삼축압축시험 시스템을 설계/구축하였다. 세부적인 특수시험 조건에 대한 내용은 다른 논문에서 소개, 설명할 계획이며, 본 논문에서는 먼저 이번에구축된 대형삼축압축시험장비의 기본적인 구성 및 사양과특성에 대해서 설명하고, 도상자갈 재료에 대해 수행한 정적삼축압축시험 결과의 분석으로 시험장비의 적용분야 및의미를 설명하고자 한다.
제안 방법
- 5OO0x 900H의 셀(cell)은 Fig. 3(a)의 첫 번째 셀과 같이 전체적으로 투명한 창으로 구성되어 실험 상황을 눈으로 관측할 수있도록 하였으며, 그 외의 삼축실험용 셀(cell)은 내부에 카메라를 설치하여 실험 상황을 관찰하고 녹화할 수 있도록하였다. 또한 대형오이도미터 실험을 위해 오이도미터셀을두 종류(1OOO0X6OOH, 6OO0X6OOH)로 구성하였다.
- 1) 본 연구에서 구축한 장비는 최대입경 100mm의 조립재료까지 실제 입도로 시험이 가능하도록 공시체 직경을 500mm, 300mm, 150mm로 다양화 하였다. 또한 중간주응력 조건, 평면변형률 조건, Ko 응력상태, 온도 (동결/융해) 변화 등 보다 현실적인 현장 구속 및 환경 조건 하에서 실험이 가능하도록 설계 구축하였다.
- 본 연구에서 구축된 장비도 포화시료의 실험이나 고압의 구속압이 요구되는 대부분의 경우에는 구속압을 물로 가압할 수 있도록 하였다. 그러나 본 실험 대상인 도상자갈의 경우 거의 모든현장에서 대기에 노출된 상태로 포화조건이 아니며 20-80 kPa 정도의 낮은 구속압 조건에서 거동([10])하므로 본 실험에서는 실험의 효율성을 높이기 위해 구속압을 진공압 (vacuum)으로 제어하여 실험을 수행하였다. 본 실험은 현장 도상자갈의 조건을 모사한 요소시험으로서 건조상태에서 유효구속압을 진공압(vacuum)으로 30kPa, 55kPa, 80 kPa 세가지 조건 하에서 실험을 수행하여 그 특성을 평가하였다.
- 실험에서 목적으로 하는 밀도를 정하고 그에 맞는 시료를 성형하기 위해서는 공시체를 균일하게 반복 재현가능한 하중으로 성형할 수 있어야 할 것이다. 따라서 본 장비를 구축하면서 현장다짐조건에 근접한하중 제어를 통한 공시체 제작을 위해 하중크기(최대 100kN)와 주파수제어(30Hz, ± 1.85mm at 100kN)가 가능한전용 다짐장비를 제작하여 시료를 성형하였다(Fig. 5).
- 3(b)와 같이 15O0X3OOH, 3OO0x6OOH, 5OO0X1OOOH의 공시체의 실험이 가능하도록셀(cell)은 5OO0X9OOH, 7OO0X12OOH, 9OO0X165OH으로 각각 구성하였다. 또한 중간 주응력 실험을 위한 셀(cell)과동결융해조건 실험용 셀(Cell)을 별도로 구성하여 효율적인 실험이 가능하도록 하였다. 모든 실험 셀(cell)은 최대구속압 2MPa하에서 안전하도록 설계 제작되었다.
- 또한 중간주응력 조건, 평면변형률 조건, Ko 응력상태, 온도 (동결/융해) 변화 등 보다 현실적인 현장 구속 및 환경 조건 하에서 실험이 가능하도록 설계 구축하였다.
- 그러나 본 실험 대상인 도상자갈의 경우 거의 모든현장에서 대기에 노출된 상태로 포화조건이 아니며 20-80 kPa 정도의 낮은 구속압 조건에서 거동([10])하므로 본 실험에서는 실험의 효율성을 높이기 위해 구속압을 진공압 (vacuum)으로 제어하여 실험을 수행하였다. 본 실험은 현장 도상자갈의 조건을 모사한 요소시험으로서 건조상태에서 유효구속압을 진공압(vacuum)으로 30kPa, 55kPa, 80 kPa 세가지 조건 하에서 실험을 수행하여 그 특성을 평가하였다.
- 본 실험장비에서는 보다 다양한 입도의 조립재료와 현실적인 환경 및 구속조건에 대한 요소시험이 가능하도록 여러 종류의 삼축셀을 구축하였다(Fig. 3(a)).
- 가압하고 제어하는 것이 일반적이다. 본 연구에서 구축된 장비도 포화시료의 실험이나 고압의 구속압이 요구되는 대부분의 경우에는 구속압을 물로 가압할 수 있도록 하였다. 그러나 본 실험 대상인 도상자갈의 경우 거의 모든현장에서 대기에 노출된 상태로 포화조건이 아니며 20-80 kPa 정도의 낮은 구속압 조건에서 거동([10])하므로 본 실험에서는 실험의 효율성을 높이기 위해 구속압을 진공압 (vacuum)으로 제어하여 실험을 수행하였다.
- 본 장비에서는 시료의 포화를 위해 Air Compressor, Air Drying 시스템, De-airing장비, 이산화탄소 공급장치, 고압레귤레이터, 진공펌프 등으로 구성된 루프시스템을 구축하였으며, 루프상의 밸브와 압력제어는 컨트롤러에서 컴퓨터로 제어가 가능하도록 구성하여 실험자의 편의성을 높였다<Fig. 4).
- Plate) 등으로 구성되어 있다. 시험장비의 최대 높이는 약 6m 정도로 최대 Im 높이의 공시체와 이를 위한 삼축셀, 로드셀 등 각종 지그류의 설치가 가능하도록 하였다
- 이 외에도 본 실험 장비에서는 일반적인 삼축압축시험 (CD, CU, UU) 이외에도 Ko구속압 제어, 삼축인장시험, 중간주응력제어시험, 온도제어(동결/융해), 미소변형 수준의동적물성실험 등으로의 실험장비 확장이 가능하도록 하였다. 이와 같이 구축된 한국철도기술연구원의 대형삼축압축시험장비는 주요 구성 및 사양을 정리하면 다음 Table 1과같다.
대상 데이터
- 3(a)의 첫 번째 셀과 같이 전체적으로 투명한 창으로 구성되어 실험 상황을 눈으로 관측할 수있도록 하였으며, 그 외의 삼축실험용 셀(cell)은 내부에 카메라를 설치하여 실험 상황을 관찰하고 녹화할 수 있도록하였다. 또한 대형오이도미터 실험을 위해 오이도미터셀을두 종류(1OOO0X6OOH, 6OO0X6OOH)로 구성하였다.
- 본 실험에 사용한 재료는 철도 현장에 공급되는 도상 자갈로서 암석학적으로는 편마암(gneiss)로 분류되며 Fig. 6 과 같은 입도분포를 보였다. 시험 기준들([6], [7], [8], [9]) 에 따라 수행되어 얻어진 암석입자에 대한 비중, 흡수율, 공극률, 탄성파속도, 압축강도, 점하중강도 등 기본 물성은 Table 2와 같으며, 실험에 사용한 공시체는 직경 300mm, 높이 620mm로 부피는 0.
- 본 장비의 메인프레임은 2개의 액츄에이터(2000kN, 200 kN)를 거치하고 하중의 반력대로 사용되는 Cross Head(약 180kN), Cross Head의 상하이동을 위한 400kN급의 유압실린더, Cross Head를 4축 Post에 고정시키는 4800kN의 유압 클램프, 중간주응력을 제어할 수 있는 300kN 액츄에이터 (2ea)와 이를 고정 및 이동시킬 수 있는 베이스플레이트 및삼축압축실험셀을 거치하고 이동할 수 있는 무빙플레이트 (Moving Plate) 등으로 구성되어 있다. 시험장비의 최대 높이는 약 6m 정도로 최대 Im 높이의 공시체와 이를 위한 삼축셀, 로드셀 등 각종 지그류의 설치가 가능하도록 하였다
성능/효과
- 본 연구의 실험도 앞서 언급된 바와 같이 lOOkPa 이하의낮은구속압단계에서 수행된 자료로써, Table 2의 암석 점하중 일축압축강도 실험결과 153, 000(kPa)를 고려하여 제안된 하한계 상수에 근접한 m=0.13, "=0.73으로 산정하여예측하였을 때 실험결과를 비교적 근접하게 재현하였다 (Fig- 13). 즉, 일반적으로 사용되는 암석재료들을 암석자체의 강도로 분류하고 이에 대한 대형삼축압축시험에 대한합리적인 자료가 축적되어 이와 같은 수식과 상수값이 제시된다면 모암의 압축강도와 적용 대상의 구속압 수준으로전단강도의 파괴포락선을 손쉽게 예측할 수 있어 도상 및노반의 적용가능 기준으로 활용할 수 있을 것이다.
- 2) 도상자갈과 같이 거의 지표면에 설치되어 포화의 가능성이 적고, 구속압이 낮은 경우에는 진공압(vacuum) 으로 구속압을 제어하는 방식으로 효과적인 실험이가능함을 확인할 수 있었다. 그러나 이러한 실험방식의 경우 시편의 부피 변화 측정을 위해서는 별도의 장치가 추가되어야할 것이다.
- 3) 유효구속응력 30kPa, 55kPa, 80kPa에서 수행된 삼축 압축 시 험 에서 축변형률 1% 이 내의 초기 변형 계수도 구속 응력과 단위중량에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 여기서 궤도 주변 자갈의 확실한 다짐의 필요성을 다시 확인할 수 있었다.
- 4) 도상자갈 재료의 삼축압축시험 결과로 구속압별 전단강도, 변형 계수, 입자파쇄 영향 등의 합리적 인 결과와 경향을 확인하였으며 모암의 입자강도, 구속압 등의 영향을 고려하여 전단강도 포락선을 예측할 수 있는 Indraratna 식에 적합한 재료 상수를 산정(m=0.13, m=0.73), 적용해 실험 결과를 근접하게 재현해낼 수있었다.
- 10과 같이 표현되며, 3개의 실험에서 얻어지는 강도정수는 #로 얻어졌다. 그러나 자갈의 재료적 특성을 고려하여 점착력을 0으로 고정하고 구속압별 내부마찰각을 평가하는 것이 보다 합리적 인 전단강도일 것으로 판단되며, Fig. 11과 같이 구속압이 증가함에 따라 감소하는 특성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 암성토(rockfill)재료에 대해 수행되었던 많은 연구들([11], [12], [13])에서도 확인할 수 있었으며, 특히 낮은 구속압력 수준이나 입도분포가 균일(unifbrtn)할수록 그 경향은 더욱 뚜렷한 것으로 나타나고 있다.
- 포화도를 높일 수 있도록 하였디-. 그리고 실험 도중시편 내부의 배압(back pressure) 제어 시 고압에서 공기가시편 내부 간극수로 녹-아들어 발생될 수 있는 포화도 저하를 최소화 하기 위해 질소, 산소 등 일반대기의 기체에 비해 그 용해도가 약 10-20%에 불과한 헬륨을 이용해 배압을 제어할 수 있는 시스템이 추가되었다. 포화시료의 실험중에 시료의 부피변화는 시료 내부 간극수의 변화량으로측정할 수 있으며, 불포화 시료의 경우 셀내부의 구속압을제어하는 물의 부피변화로 부피변화를 측정할 수 있도록하였다.
- 또한 시험은공시체 직경의 1/5J/6의 최대 입경을 갖는 시료에 대해 합리적으로 실험이 가능하며, 단부효과를 최소화하기 위해시험시편의 높이는 직경의 2배 이상이 필요하다[5]. 따라서본 연구에서 사용된 도상자갈의 최대입경이 63mm 이하인것으로 고려하여 직경 300mm 공시체의 실험이 합리적인것으로 판단할 수 있다.
- Indraratna 등(1998)의 현무암 계열의 도상자갈에 대한 결과(1)와 비교했을 때, 작은 변형계수의 경향을 보이고 있으며, 이는 시편의 단위중량 차이에 기인하는 것으로 판단된다. 본 실험의 경우 정적삼축압축시험결과에서 1% 변형률 수준의 변형계수를 계산한 것으로 실제 운영 중에 발생되는미소한 변형률 수준에서의 변형계수와는 또 다른 차이를 보일 수 있다. 따라서 추후에는 시료 단부의 변형률 오차(bedding error)를 제거하고 다양한 변형률 수준에서의 시험을 위해 시료 중간 부분의 변형을 측정하여보다 합리적인 설계변수의 적용이 가능하도록 할 필요가 있다.
- 8과 같다. 예상할 수 있는 바와 같이 축차응력은 구속응력의 증가와 함께 증가하는 경향을 보였으며, 축변형률 1% 이내의 초기변형계수# Fig. 9와 같이 구속응력에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Indraratna 등(1998)의 현무암 계열의 도상자갈에 대한 결과(1)와 비교했을 때, 작은 변형계수의 경향을 보이고 있으며, 이는 시편의 단위중량 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
- 입자파쇄는 보다 큰 입자들이 높은 구속압을 받을 때 더 크게 발생된다[15]. 이번 실험에서도 다짐 전 입도와 구속압별 삼축압축시험 후 입자파쇄의 영향을 반영한 입도를 검토한 결과 다음 Fig. 12와 같이 높은 구속압 하에서의 압축시험 시더 많은 입자파쇄로 인한 세립화 경향이 더 크게 나타나는것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 5) 본 논문에서 수행된 정적압축시험의 목적은 전단 강도 등 정적거동 평가를 위한 목적 이외에도 반복삼축시험에서 수행할 수 있는 최대 응력수준의 확인과 높은 변형률 수준에서의 강도, 강성의 비교, 검토에도 활용될 수 있을 것이다.
- 7) 도상자갈 및 암성토재료의 기본 입자 및 광물특성 등과 지속적인 대형삼축압축실험 결과의 축적으로 향후 도상 및 노반 설계 시공에 열차운행 및 각종 영향요소의 조건에 따라 적용 가능한 재료범위를 제시하여 보다 안전하고 경제적인 시공과 유지보수에 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이다.
- 의해 거동하게 된다. 따라서 보다 경제적이고 안전한 도상자갈의 유지관리를 위한 가이드라인 제시를 위해서는 실제 열차하중을 모사한 반복삼축압축시험으로 자갈의 입자파쇄 대한 지속적인 실험과 자료 축적이 필요할 것이다.
- 본 실험의 경우 정적삼축압축시험결과에서 1% 변형률 수준의 변형계수를 계산한 것으로 실제 운영 중에 발생되는미소한 변형률 수준에서의 변형계수와는 또 다른 차이를 보일 수 있다. 따라서 추후에는 시료 단부의 변형률 오차(bedding error)를 제거하고 다양한 변형률 수준에서의 시험을 위해 시료 중간 부분의 변형을 측정하여보다 합리적인 설계변수의 적용이 가능하도록 할 필요가 있다.
- 중요한 과정이다. 실험에서 목적으로 하는 밀도를 정하고 그에 맞는 시료를 성형하기 위해서는 공시체를 균일하게 반복 재현가능한 하중으로 성형할 수 있어야 할 것이다. 따라서 본 장비를 구축하면서 현장다짐조건에 근접한하중 제어를 통한 공시체 제작을 위해 하중크기(최대 100kN)와 주파수제어(30Hz, ± 1.
- 73으로 산정하여예측하였을 때 실험결과를 비교적 근접하게 재현하였다 (Fig- 13). 즉, 일반적으로 사용되는 암석재료들을 암석자체의 강도로 분류하고 이에 대한 대형삼축압축시험에 대한합리적인 자료가 축적되어 이와 같은 수식과 상수값이 제시된다면 모암의 압축강도와 적용 대상의 구속압 수준으로전단강도의 파괴포락선을 손쉽게 예측할 수 있어 도상 및노반의 적용가능 기준으로 활용할 수 있을 것이다.
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