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1.2 모형강관의 제원
원형관과 사각관은 축소율에 따라 실제 현장에서 사용되고 있는 관의 1/10로 축소하여 사용하였으며, 관의 변형에 의한 융기 및 침하량은 없다고 가정하였다
. 길이와 직경이 동일하고 형태가 다른 2개의 관을 사용하였으며, 표 2는 실험에 사용된 모형관의 세부제원을 나타낸 것이다.
제안 방법
- 침하실험은 그림 3(a)와 같이 강사장치로 토조 중간지점까지 지반조성을 한 뒤, 관을 아크릴 전면판을 통해 300mm까지 삽입한 후 강사장치를 이용하여 지반을 조성하였다. 그 다음, 그림 3(b)와 같이 관의 내부에 삽입되어 있던 내부블럭을 원형관추진장치를 이용하여 50mm/min의 속도로 10mm간격으로 빼내어 침하량을 레이저변위계를 사용하여 측정하였다.
- 침하실험은 그림 3(a)와 같이 강사장치로 토조 중간지점까지 지반조성을 한 뒤, 관을 아크릴 전면판을 통해 300mm까지 삽입한 후 강사장치를 이용하여 지반을 조성하였다. 그 다음, 그림 3(b)와 같이 관의 내부에 삽입되어 있던 내부블럭을 원형관추진장치를 이용하여 50mm/min의 속도로 10mm간격으로 빼내어 침하량을 레이저변위계를 사용하여 측정하였다.
- 고호성 등(1996)은 지반조성시 모래강사법 관련 연구결과를 발표한 바 있다. 그림 2(c)와 같이 원형관 및 사각관의 토피고별(5, 10, 15, 20cm) 전면 판을 각각 4개씩 제작하였으며, 관 사이로 모래유출을 방지하기 위해 직경이 83.5mm인 내부블럭을 관속에 삽입하였다. 실험관은 D=850mm인 파이프를 기준으로하여 1/10 로 제작하였다.
- 본 논문에서는 선로하부를 통과하는 여러가지 비개착 공법의 대표적인 특징인 관입관의 형태에 따라 관 관입시에 상부지반의 거동을 실내모형실험으로 재현하였다. 관의 추진 및 굴착에 따른 침하 및 융기거동을 확인하고자 수행된 실험으로 대표적으로 표준사를 이용하여 지반을 조성하였다. 이를 위해 먼저 현재 국내에서 많이 시공되고 있는 대표적인 지하횡단 공법을 조사하여 관의 형태별로 분류하였고, 105cm(폭), 60cm(높이), 60cm(길이) 크기의 실내모형실험 장치에 토피고를 5, 10, 15, 20cm별로 변화시키며, 관입관을 원형관과 사각관으로 나누어 융기 및 침하 실험을 수행하였다.
- 이에 따라, 본 논문에서는 국내 및 국외에서 많이 사용되는 대표적인 강관의 형태인 원형관과 사각관을 사용강재로 하여 궤도노반의 지반거동을 비교분석하였다. 관의 형태에 따른 지반의 파괴 메커니즘을 확인하고 정량적인 결과를 도출하기 위해, 실내모형실험을 통해 관이 지반에 관입될 때에 상부 작용하는 마찰로 인한 지반의 거동특성을 규명하였다. 이를 위해 실제와 유사하게 지반을 모델링하고 원형관과 사각관의 강관추진시 궤도노반의 역학적 거동을 분석하여 지중 속에서 제거된 토사량의 상부 및 주변 변형분포와의 관계를 실험적으로 고찰하였다.
- 그림 1(b)와 같이 토조의 크기는 105cm×60cm×60cm이고, 강관추진장치(Loading Tester of Computer Control System)는 한국철도기술연구원에서 개발한 것으로 Load Cell 1000kg을 이용하여 최대하중 500kgf 추진이 가능하며, 그림 1(a)와 같이 반력 플레이트, 전자식 로터셀, 컨트롤 박스로 구성되어 있다. 그리고 강관추진에 따른 지중변 위를 측정하기 위하여 속도 및 하중을 제어하여 실시간 그래프를 출력하였다.
- 단계별 굴착에 의한 지반거동의 정확한 측정을 위해 지표면 상부에 1/1000mm의 정밀도를 가진 레이저변위시스 템을 설치하였다. 岸田 潔 등(2009)과 같은 많은 학자들이 레이저변위계를 이용한 정밀계측에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.
- 본 논문에서는 선로하부를 통과하는 여러가지 비개착 공법의 대표적인 특징인 관입관의 형태에 따라 관 관입시에 상부지반의 거동을 실내모형실험으로 재현하였다. 관의 추진 및 굴착에 따른 침하 및 융기거동을 확인하고자 수행된 실험으로 대표적으로 표준사를 이용하여 지반을 조성하였다.
- 사각관 및 원형관의 토피고별 융기량 비교는 관 길이의 50%지점인 15cm에서의 계측 데이터를 가지고 비교분석하였다. 변위량은 관의 직경비의 %로 나타내었다.
- 사각관 및 원형관의 토피고별 침하량 비교는 최대 침하 발생 지점인 6cm에서의 계측 데이터를 가지고 비교분석하였다. 토피고 5, 10cm일 경우 초기 1~2cm 굴착 시 까지 사각관과 원형관 모두 점진적으로 증가하다 3cm 굴착 이후부터 침하량이 사각관이 원형관에 비해 약 4~6%정도 크게 나타났다(그림 8(a), 8(b)).
- 시료로 사용된 주문진표준사의 공학적 성질을 파악하기 위해서 입도분포시험과 기본 물성실험을 실시하였으며, 실험결과 균등한 입도분포를 가지고 있으며 통일분류 법상 SP로 분류되었다. 사질토지반의 상대밀도의 결정을 위해 최소 건조단위중량과 최대건조단위중량을 구하는 실험을 실시하였고, 그 결과 14.
- 융기실험은 그림 4와 같이 모래의 유출을 방지하기 위하여 내부블럭을 원형관추진 장치에 고정한 후 실험을 실하였으며, 침하실험과 마찬가지로 원형관추진장치를 이용하여 관을 30mm씩 관입하여 그에 따른 융기량을 레이저 변위계로 측정하였다.
- 관의 추진 및 굴착에 따른 침하 및 융기거동을 확인하고자 수행된 실험으로 대표적으로 표준사를 이용하여 지반을 조성하였다. 이를 위해 먼저 현재 국내에서 많이 시공되고 있는 대표적인 지하횡단 공법을 조사하여 관의 형태별로 분류하였고, 105cm(폭), 60cm(높이), 60cm(길이) 크기의 실내모형실험 장치에 토피고를 5, 10, 15, 20cm별로 변화시키며, 관입관을 원형관과 사각관으로 나누어 융기 및 침하 실험을 수행하였다. 실내축소모형 실험의 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 관의 형태에 따른 지반의 파괴 메커니즘을 확인하고 정량적인 결과를 도출하기 위해, 실내모형실험을 통해 관이 지반에 관입될 때에 상부 작용하는 마찰로 인한 지반의 거동특성을 규명하였다. 이를 위해 실제와 유사하게 지반을 모델링하고 원형관과 사각관의 강관추진시 궤도노반의 역학적 거동을 분석하여 지중 속에서 제거된 토사량의 상부 및 주변 변형분포와의 관계를 실험적으로 고찰하였다.
- 현재 국내에서는 주로 원형관을 이용한 지하횡단공법이 주류를 이루고 있으나, 국외에서는 사각관을 이용하여 엘리먼트의 이음부가 결속되게 삽입하는 견인방식에 의한 시공사례가 다수 이루어지고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 국내 및 국외에서 많이 사용되는 대표적인 강관의 형태인 원형관과 사각관을 사용강재로 하여 궤도노반의 지반거동을 비교분석하였다. 관의 형태에 따른 지반의 파괴 메커니즘을 확인하고 정량적인 결과를 도출하기 위해, 실내모형실험을 통해 관이 지반에 관입될 때에 상부 작용하는 마찰로 인한 지반의 거동특성을 규명하였다.
- 김종우 등 (2004)은 모형실험시 실험요소에 대한 차원해석을 실시하고, 그에 따라 선정한 축소모형모델을 이용한 실험결과를 발표하였다. 표 1과 같이 세가지 기본 차원을 길이[L], 시간[T], 질량[M]으로 하였으며, 길이에 대한 축소율을 결정하고 나서 이를 이용하여 시간, 밀도, 질량, 강도 등의 축소율을 차례로 산정하였다.
대상 데이터
- 원형관과 사각관은 축소율에 따라 실제 현장에서 사용되고 있는 관의 1/10로 축소하여 사용하였으며, 관의 변형에 의한 융기 및 침하량은 없다고 가정하였다. 길이와 직경이 동일하고 형태가 다른 2개의 관을 사용하였으며, 표 2는 실험에 사용된 모형관의 세부제원을 나타낸 것이다. 실험case는 표 3과 같다.
- 5mm인 내부블럭을 관속에 삽입하였다. 실험관은 D=850mm인 파이프를 기준으로하여 1/10 로 제작하였다.
데이터처리
- 岸田 潔 등(2009)과 같은 많은 학자들이 레이저변위계를 이용한 정밀계측에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 대상지반 상부의 수직, 수평변위를 측정하였으며, 측정된 데이터들은 한국철도기술연구원에서 개발한 데이터분석 프로그램을 통해 분석하였다. 계측에 사용된 상부변위시스템의 구성 내용은 표 4와 같다.
성능/효과
- (1) 융기실험 결과, 관의 초기 관입 시 모든 토피고에서 가장 급격한 융기의 증가량을 보이며, 관입량이 많아지고 토피고가 높아질수록 그 증가량은 작아졌으며, 관의 50% 정도 관입 시부터 융기량 증가율은 점점 감소하는 경향을 보였다. 침하실험 결과, 융기실험과 마찬가지로 초기굴착단계에서 가장 큰 증가량을 보이며, 굴착량이 많아 질수록, 토피고가 높아질수록 침하량은 점점 감소하는 경향을 보였다.
- (2) 동일한 지반에서 관의 관입 및 굴착을 통한 융기 및 침하량을 측정한 결과 동일한 토피고에서 사각관이 원형관 보다 관의 직경의 5∼10%정도 융기와 침하가 많이 일어났다.
- (3) 토피고에 의한 변위량의 차이가 관의 형태에 의한 변위량의 차이보다 크게 나타났다. 토피고에 의한 변위량의 차이는 대략 10~15% 정도로 토피고가 낮을수록 점점 커지는 경향을 보이는 반면, 형태에 의한 변위량의 차이는 대략 5~10% 정도로 토피고에 상관없이 일정한 경향을 보였다.
- 그림 5와 6은 원형관과 사각관 관입 시 상부에서의 토피고에 따른 융기량으로, 원형관과 사각관 모두 토피가 높아질수록 융기량은 감소하는 것으로 나타났다. 각각의 경향을 비교하면 관의 50% 관입 시까지는 지속적으로 증가하다가 관의 50%이상 관입 시 부터는 더 이상 증가하지 않고 수렴하는 것으로 나타났다. 사각관 관입 시에도 원형관 관입 시와 유사하며, 관의 50% 관입 시 까지는 지속적으로 증가하다가 점진적으로 융기가 감소하여 수렴하는 것으로 나타났다.
- 각각의 경향을 비교하면 관의 50% 관입 시까지는 지속적으로 증가하다가 관의 50%이상 관입 시 부터는 더 이상 증가하지 않고 수렴하는 것으로 나타났다. 사각관 관입 시에도 원형관 관입 시와 유사하며, 관의 50% 관입 시 까지는 지속적으로 증가하다가 점진적으로 융기가 감소하여 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 관의 관입으로 인한 선단 저항력의 영향으로 관입 초기에는 지반이 융기되었다가 상부지반이 교란되어 융기량이 더 이상 증가하지 않고 수렴하는 것으로 판단된다.
- 시료로 사용된 주문진표준사의 공학적 성질을 파악하기 위해서 입도분포시험과 기본 물성실험을 실시하였으며, 실험결과 균등한 입도분포를 가지고 있으며 통일분류 법상 SP로 분류되었다. 사질토지반의 상대밀도의 결정을 위해 최소 건조단위중량과 최대건조단위중량을 구하는 실험을 실시하였고, 그 결과 14.07kN/m3, 15.87kN/m3으로 측정되었다.
- 원형관과 사각관의 융기경향을 살펴보면 토피고 5, 10cm일 경우 초기 6cm 관입 시 까지 사각관과 원형관 모두 점진적으로 증가하다 관 길이의 40% 관입 이후부터 융기량이 사각관이 원형관에 비해 약 6~7%정도 커지는 것을 확인할 수 있었다(그림 7
- 이는 관의 관입으로 인한 선단 저항력의 영향으로 관입 초기에는 지반이 융기되었다가 상부지반이 교란되어 융기량이 더 이상 증가하지 않고 수렴하는 것으로 판단된다. 융기량은 원형관의 경우 직경의 6%정도 융기되는 것으로 나타났고, 사각관의 경우에는 직경의 10%정도 융기되는 것으로 나타났다.
- 초기 3cm 관입시 부터는 사각관과 원형관의 융기량은 일정한 차이를 두고 증가하는 것을 확인하였고, 관 길이의 40% 관입 이후부터는 5cm와 마찬가지로 사각관이 원형관에 비해 융기 량이 각각 약 6%, 4%정도 커지는 것을 확인할 수 있었다 (그림 7(c), 7(d)). 융기량을 살펴보면 원형관의 경우 직경의 6%정도 융기되는 것으로 나타났고 사각관의 경우에는 직경의 10%정도 융기되는 것으로 나타났다.
- (1) 융기실험 결과, 관의 초기 관입 시 모든 토피고에서 가장 급격한 융기의 증가량을 보이며, 관입량이 많아지고 토피고가 높아질수록 그 증가량은 작아졌으며, 관의 50% 정도 관입 시부터 융기량 증가율은 점점 감소하는 경향을 보였다. 침하실험 결과, 융기실험과 마찬가지로 초기굴착단계에서 가장 큰 증가량을 보이며, 굴착량이 많아 질수록, 토피고가 높아질수록 침하량은 점점 감소하는 경향을 보였다.
- 토피고에 따른 관의 형태별 융기량을 분석한 결과 전체적으로 사각관이 원형관에 비해 융기량 약 6%정도 크게 나타났다. 이는 사각관이 원형관보다 지반과 닿는 접촉면 적이 넓어 상대적으로 마찰이 증가하여 융기량도 큰 것으로 판단되며, 또한 사각관의 면적이 원형관에 비해 크기 때문에 융기량이 큰 것으로 판단된다.
- 토피고에 따른 관의 형태별 침하량을 분석한 결과 전체적으로 사각관이 원형관에 비해 침하량은 약 5%정도 크게 나타났다. 이는 사각관의 면적이 원형관에 비해 크기 때문이라고 판단된다.
- (3) 토피고에 의한 변위량의 차이가 관의 형태에 의한 변위량의 차이보다 크게 나타났다. 토피고에 의한 변위량의 차이는 대략 10~15% 정도로 토피고가 낮을수록 점점 커지는 경향을 보이는 반면, 형태에 의한 변위량의 차이는 대략 5~10% 정도로 토피고에 상관없이 일정한 경향을 보였다.
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