[국내논문]침하가능성 확인을 위한 자갈도상 철도노반의 탄성계수 단층영상화 Cross-Sectional Imaging of Elastic Modulus for Railway Trackbed under Ballast for Identification of Potential Settlement원문보기
최근 경부고속철도 자갈도상 구간의 일부에서 침하가 발생되고 이로 인하여 열차의 안전 및 운행속도와 승차감 저하라는 문제가 발생하였다. 따라서 이 문제를 해결하고 KTX 열차 운행을 정상화하기 위한 긴급대책이 요구된 적이 있었다. 본 논문에서는 이러한 현장의 요구에 대처하기 위해 철도노반 단층영상화 기법을 도입하게 되었다. 철도노반 단층영상화 기법은 철도노반의 지반강성을 단층영상의 형태로 가시화함으로써, 잠재적으로 과도한 침하를 유발할 수 있는 철도노반의 연약부위를 찾는데 있어서 현장기술자의 신속한 판단을 가능하게 하는 기법이다. 제안된 기법의 타당성과 적용성을 평가하기 위하여 실제 자갈도상 철도노반과 신설 철도노반 등 두 현장에 적용하여 보았고, SASW, PBT, DCP, FWD 시험결과와 비교하였다.
최근 경부고속철도 자갈도상 구간의 일부에서 침하가 발생되고 이로 인하여 열차의 안전 및 운행속도와 승차감 저하라는 문제가 발생하였다. 따라서 이 문제를 해결하고 KTX 열차 운행을 정상화하기 위한 긴급대책이 요구된 적이 있었다. 본 논문에서는 이러한 현장의 요구에 대처하기 위해 철도노반 단층영상화 기법을 도입하게 되었다. 철도노반 단층영상화 기법은 철도노반의 지반강성을 단층영상의 형태로 가시화함으로써, 잠재적으로 과도한 침하를 유발할 수 있는 철도노반의 연약부위를 찾는데 있어서 현장기술자의 신속한 판단을 가능하게 하는 기법이다. 제안된 기법의 타당성과 적용성을 평가하기 위하여 실제 자갈도상 철도노반과 신설 철도노반 등 두 현장에 적용하여 보았고, SASW, PBT, DCP, FWD 시험결과와 비교하였다.
Recently a limited section of trackbed with ballast at KTX railway were reported to have settled down and led to problems such as reduced speed and passenger discomfort. Therefore, an urgent remedy for the settled trackbed is required to recover normal operation of KTX trains. In this paper, a new t...
Recently a limited section of trackbed with ballast at KTX railway were reported to have settled down and led to problems such as reduced speed and passenger discomfort. Therefore, an urgent remedy for the settled trackbed is required to recover normal operation of KTX trains. In this paper, a new technique is proposed to visualize the elastic modulus of cross sections at railway trackbeds under ballast for practical identification of potential settlement. The proposed technique is based on ICSW technique, enabling use of impact source and overcoming inherent limitations of CSW method. To verify validity and feasibility of the proposed method, the method was employed to construct cross-sectional images of elastic modulus of two railway trackbeds and compared with other tests such as SASW, PBT, DCP and portable FWD tests.
Recently a limited section of trackbed with ballast at KTX railway were reported to have settled down and led to problems such as reduced speed and passenger discomfort. Therefore, an urgent remedy for the settled trackbed is required to recover normal operation of KTX trains. In this paper, a new technique is proposed to visualize the elastic modulus of cross sections at railway trackbeds under ballast for practical identification of potential settlement. The proposed technique is based on ICSW technique, enabling use of impact source and overcoming inherent limitations of CSW method. To verify validity and feasibility of the proposed method, the method was employed to construct cross-sectional images of elastic modulus of two railway trackbeds and compared with other tests such as SASW, PBT, DCP and portable FWD tests.
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문제 정의
시험이 수행된 위치는 경기도 팔당 지역의 중앙선 폐구간과 경기도 양평에 위치한 중앙선 신설 구간이며, 각 시험 구간에서 표면파속도 분산곡선과 전단파속도 주상도를 결정하였다. 본 연구에서는 ICSW 시험으로 결정한 지반강성 단층영상 결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 SASW 시험, DCP 시험, 간편형 FWD 시험 등의 결과와 비교하였다.
일단 분니가 발생하게 되면 자갈이 침투한 심도, 노반이 약화된 정도 등을 평가하여야, 분니개소에 대한 보수계획을 수행할 수 있게 된다. 본 연구에서는 이와 같이 분니가 발생하였거나 발생할 가능성이 있는 자갈도상 철도노반의 경우와 또한 잠재적 침하가능성이 있는 철도노반의 지반강성 평가를 위하여 본 연구에서 제안하는 철도노반 지반강성 단층영상 기법을 적용하여 일련의 시험을 수행하였다. 시험을 수행한 지역은 Fig.
시험결과는 각 ICSW 시험으로부터 표면파속도 분산곡선을 일차적으로 구하고, 이어서 역산해석을 수행하여 전단파 속도 주상도를 구하였다. 실제 현장에서는 표면파속도 분산 곡선으로 현장관리를 할 수 있지만, 본 연구에서는 전단파 속도 주상도와의 정성적 비교를 수행하기 위하여 추가의 역산해석을 수행하였다. 그리고 총 18개의 표면파속도 분산곡선, 전단파속도 주상도를 취합하여 단층영상으로 정리한 것을 Fig.
철도노반의 침하문제는 열차운행시 안전문제와 직결되기 때문에, 신속하게 원인 규명을 하여 대책을 강구하는 것이 필요하다. 침하는 결국 매질의 탄성계수와 연계가 되기 때문에, 지반매질의 어떠한 공학적 물성보다 탄성계수를 현장에서 직접 평가하는 것이 중요한데, 본 연구에서는 빈번한 열차통행으로 여유가 없는 운행선에서도 실시간으로 지반탄성계수의 단층영상을 탐사할 수 있도록 본 기법을 제안하게 되었다. 본 연구에서 제안한 기법은 실제 자갈도상 철도노 반과 신설 철도노반 현장 등 두 개의 현장에 적용하여 그 신뢰성과 적용성을 확인하였다.
제안 방법
ICSW 시험은 한번의 시험으로 표면파속도 분산곡선를 결정하게 되는데, 연속되는 측선에서 ICSW 시험을 계속적으로 수행하게 되면, 각 측선에 대한 표면파속도 분산곡선를 획득하게 된다. 이렇게 획득한 다수의 표면파속도 분산곡선를 결합하여 이차원 보간법을 적용하여 컨투어를 형성하여 이차원 단층영상을 구한다. 이를 보다 구체적으로 Fig.
본 연구에서 제안한 철도노반 지반강성의 이차원 단층영상 결정방법의 신뢰성과 현장 적용성을 평가하기 위하여 일련의 ICSW 시험을 수행하였다. 시험이 수행된 위치는 경기도 팔당 지역의 중앙선 폐구간과 경기도 양평에 위치한 중앙선 신설 구간이며, 각 시험 구간에서 표면파속도 분산곡선과 전단파속도 주상도를 결정하였다.
시험이 수행된 철도노반은 자갈도상이 비교적 오랫동안 관리되지 못한 곳으로서 분니현상으로 의심되는 구간이 곳곳에서 발견되고 있었으며, 철도제방은 인근 지표면에서 약 5m 높이를 이루고 있었다. 시험측선은 총 연장을 54m로 설정하였는데, 이는 3m 측선의 ICSW 시험을 모두 18회 수행함으로써 전 시험측선이 모두 조사되도록 하였다. 각 ICSW 시험은 총 4개의 감진기를 이용하여 수행하였으며 감진기간 간격은 약 1m 정도를 유지하였고 정확한 위치는 별도로 측정하여 해석시 반영하였다.
시험측선은 총 연장을 54m로 설정하였는데, 이는 3m 측선의 ICSW 시험을 모두 18회 수행함으로써 전 시험측선이 모두 조사되도록 하였다. 각 ICSW 시험은 총 4개의 감진기를 이용하여 수행하였으며 감진기간 간격은 약 1m 정도를 유지하였고 정확한 위치는 별도로 측정하여 해석시 반영하였다. ICSW 시험에서 사용한 충격해머로는 슬레지 해머를 사용하였으며, 약 2 kHz 대역까지 고주파 에너지를 발생하는 것으로 측정되었다.
시험결과는 각 ICSW 시험으로부터 표면파속도 분산곡선을 일차적으로 구하고, 이어서 역산해석을 수행하여 전단파 속도 주상도를 구하였다. 실제 현장에서는 표면파속도 분산 곡선으로 현장관리를 할 수 있지만, 본 연구에서는 전단파 속도 주상도와의 정성적 비교를 수행하기 위하여 추가의 역산해석을 수행하였다.
철도노반 단층영상 평가가 수행된 전체 측선 중 일부 개소에 대하여 ICSW 시험의 신뢰도를 확인하기 위하여 Fig. 5에 도시한 바와 같이 간편형 FWD 시험과 DCP 시험을 수행하였다. 두 시험 모두 측정 가능한 심도는 모두 0.
6m 범위로서 자갈도상과 철도노반 상부의 일부에 국한해서만 측정이 가능한 특징이 있다. 그리하여 본 연구에서 평가한 단층영상의 자료 중에서 심도 1m 정도 (파장으로는 약 3m) 까지의 자료에 대해서만 비교를 수행하였다.
또한 이동형 FWD 시험도 DCP 시험이 수행된 동일지점에서 비교실험으로 수행하였으며, Fig. 7에 두 시험결과를 비교하여 도시하였다. FWD 시험으로 측정한 강성은 70~90kPa 범위로 측정되었으며, 비교측점 4개소 중 측점 41.
경기도 양평군의 최근 시공된 철도노반에서 철도노반 단층영상 기법의 신뢰성과 타당성 평가를 수행하였다. 철도노반 단층영상 기법의 신뢰성은 SASW 시험과의 비교를 통하여 평가하였으며, 타당성은 철도노반 단층영상 과정에서 결정한 영탄성계수와 PBT 시험으로 측정한 지반반력계수와의 비교를 통하여 확인하였다.
경기도 양평군의 최근 시공된 철도노반에서 철도노반 단층영상 기법의 신뢰성과 타당성 평가를 수행하였다. 철도노반 단층영상 기법의 신뢰성은 SASW 시험과의 비교를 통하여 평가하였으며, 타당성은 철도노반 단층영상 과정에서 결정한 영탄성계수와 PBT 시험으로 측정한 지반반력계수와의 비교를 통하여 확인하였다. 여기서 영탄성계수는 표층 30cm 매질에 대한 평균값이고, 지반반력계수 또한 직경 30cm 평판으로 구한 수치이므로 대략적으로 표층 30cm 매질에 대한 평균값이라고 할 수 있기 때문에, 두 공학적 물성의 비교는 합리적이라고 할 수 있다.
침하는 결국 매질의 탄성계수와 연계가 되기 때문에, 지반매질의 어떠한 공학적 물성보다 탄성계수를 현장에서 직접 평가하는 것이 중요한데, 본 연구에서는 빈번한 열차통행으로 여유가 없는 운행선에서도 실시간으로 지반탄성계수의 단층영상을 탐사할 수 있도록 본 기법을 제안하게 되었다. 본 연구에서 제안한 기법은 실제 자갈도상 철도노 반과 신설 철도노반 현장 등 두 개의 현장에 적용하여 그 신뢰성과 적용성을 확인하였다. 현장적용 단계에서 SASW, PBT, DCP, 이동형 FWD 등의 시험을 동일 현장에 적용하였으며, 본 연구 제안기법의 결과와의 비교를 통하여 확인한 사실은 1.
자갈궤도 철도노반 평가를 위하여 본 연구에서 활용하는 표면파 기법은 1996년 Menzies 등이 제안한 CSW (Continuous Surface-Wave Method) 기법[5]를 개선하고 보완한 것[7,8]으로, 파장영역의 엘리어싱(aliasing)문제와 전자기식 발진기의 필수사용 문제 등을 해결하고 자료해석의 자동화를 가능하게 함으로써 다짐시공지반, 자갈궤도 철도노반 등의 전단강성 평가에 최적화하여 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 기법은 ICSW (Impact-Source Continuous Surface-Wave Method) 기법을 근간으로 하여, 실시간으로 탄성계수의 단층영상을 탐사할 수 있는 기법이며, 본 기법의 타당성과 신뢰성 평가를 위해 중앙선 일부 폐구간과 신설 철도노반 현장에 적용하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제안한 철도노반 지반강성의 이차원 단층영상 결정방법의 신뢰성과 현장 적용성을 평가하기 위하여 일련의 ICSW 시험을 수행하였다. 시험이 수행된 위치는 경기도 팔당 지역의 중앙선 폐구간과 경기도 양평에 위치한 중앙선 신설 구간이며, 각 시험 구간에서 표면파속도 분산곡선과 전단파속도 주상도를 결정하였다. 본 연구에서는 ICSW 시험으로 결정한 지반강성 단층영상 결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 SASW 시험, DCP 시험, 간편형 FWD 시험 등의 결과와 비교하였다.
시험이 수행된 철도노반은 자갈도상이 비교적 오랫동안 관리되지 못한 곳으로서 분니현상으로 의심되는 구간이 곳곳에서 발견되고 있었으며, 철도제방은 인근 지표면에서 약 5m 높이를 이루고 있었다. 시험측선은 총 연장을 54m로 설정하였는데, 이는 3m 측선의 ICSW 시험을 모두 18회 수행함으로써 전 시험측선이 모두 조사되도록 하였다.
각 ICSW 시험은 총 4개의 감진기를 이용하여 수행하였으며 감진기간 간격은 약 1m 정도를 유지하였고 정확한 위치는 별도로 측정하여 해석시 반영하였다. ICSW 시험에서 사용한 충격해머로는 슬레지 해머를 사용하였으며, 약 2 kHz 대역까지 고주파 에너지를 발생하는 것으로 측정되었다.
DCP 지수는 해머타격당 관입되는 깊이를 mm로 표현한 것인데, DCP 지수가 작을수록 지반매질의 강성이 높은 것으로 이해할 수 있다. DCP 시험은 총 4개소에 수행되었고, 그 시험위치는 Fig. 6의 철도노반 단층영상에 수직선으로 표시해 둔 바와 같다. Fig.
여기서 영탄성계수는 표층 30cm 매질에 대한 평균값이고, 지반반력계수 또한 직경 30cm 평판으로 구한 수치이므로 대략적으로 표층 30cm 매질에 대한 평균값이라고 할 수 있기 때문에, 두 공학적 물성의 비교는 합리적이라고 할 수 있다. 현장 시험은 두 지역에서 진행되었는데 성토 깊이가 깊으며 토사재료로 성토한 곳이 YP1, 성토 깊이가 얕으며 암석을 파쇄한 재료로 성토한 곳이 YP2이다.
데이터처리
철도노반 단층영상을 획득하기 위한 ICSW 시험은 동일한 시험구성으로 SASW 시험과 동시에 진행되었으며, 시험 결과는 영탄성계수의 값으로 정리하여 Fig. 9에 비교하였다. Fig.
이론/모형
자갈궤도 철도노반 평가를 위하여 본 연구에서 활용하는 표면파 기법은 1996년 Menzies 등이 제안한 CSW (Continuous Surface-Wave Method) 기법[5]를 개선하고 보완한 것[7,8]으로, 파장영역의 엘리어싱(aliasing)문제와 전자기식 발진기의 필수사용 문제 등을 해결하고 자료해석의 자동화를 가능하게 함으로써 다짐시공지반, 자갈궤도 철도노반 등의 전단강성 평가에 최적화하여 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 기법은 ICSW (Impact-Source Continuous Surface-Wave Method) 기법을 근간으로 하여, 실시간으로 탄성계수의 단층영상을 탐사할 수 있는 기법이며, 본 기법의 타당성과 신뢰성 평가를 위해 중앙선 일부 폐구간과 신설 철도노반 현장에 적용하였다.
성능/효과
이와 같은 표면파속도 분산곡선으로 이차원 단층영상을 결정하는 것은 현장에서 시험과 동시에 실시간으로 수행할 수 있는 장점이 있다. 즉 전체 시험 구간에 대하여 ICSW 시험을 수행하여 현장에서 자동화된 소프트웨어를 통하여 표면 파속도 분산곡선의 단층영상을 검토할 수 있으며, 이로부터 국부적으로 취약한 지역을 파악한 후, 해당 지역에 대하여 역산해석을 수행하여 보다 정확한 연약부 위치와 심도를 평가할 수 있다.
또한 좌측 15m 구간에서는 암선이 다소 높게 분포되어 있는데, 이 또한 두 단층영상간에 동일한 경향을 보이고 있다. 따라서 표면파속도에 비해 상당히 많은 노력을 요구하는 전단파속도를 구하기 위한 역산해석을 수행하지 않더라도 그에 상응하는 결과를 표면파속도 단층영상을 통하여 확인할 수 있음을 알 수 있다.
7에 두 시험결과를 비교하여 도시하였다. FWD 시험으로 측정한 강성은 70~90kPa 범위로 측정되었으며, 비교측점 4개소 중 측점 41.8m 위치의 지반강성이 가장 작은 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 DCP 시험과 ICSW시험으로 측정한 표면파속도 단층 영상과 일치하고 있다.
11에 도시한 바와 같이 다소의 분산정도는 있지만 거의 선형 관계를 보이고 있다. 즉 ICSW 시험으로 측정한 영탄성계수 (ESASW)는 PBT 시험으로 측정한 지반반력계수(k30)와 거의 비례관계에 있음도 확인할 수 있다. Fig.
본 기법과 SASW 기법은 실무적으로 동일한 결과를 제시하였고, 2. DCP시험, 이동형 FWD 시험과 전반적으로 유사한 경향의 결과를 도출하였으며, 3. 본 기법으로 추정한 영탄성계수와 PBT로 측정한 지반반력계수와는 선형적 관계를 가지고 있다는 것이다. 향후 본 연구에서 제안한 기법을 전용으로 구현할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 개발된다면 실무에서의 적용성은 현저히 제고될 것이라고 판단된다.
후속연구
본 기법으로 추정한 영탄성계수와 PBT로 측정한 지반반력계수와는 선형적 관계를 가지고 있다는 것이다. 향후 본 연구에서 제안한 기법을 전용으로 구현할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 개발된다면 실무에서의 적용성은 현저히 제고될 것이라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
운행선의 특수한 상황에서 노반재료의 공학적 특성을 조사하기 위하여는 표면파기법과 같은 비파괴적 기법을 도입해야 하는 이유는 무엇인가?
즉 철도노반의 침하특성을 평가할 수 있는 노반재료의 공학적 특성, 탄성계수 등을 현장조사 해야 한다. 그런데 운행선의 경우 열차통과의 빈도가 매우 높아서 시추공 조사와 같이 많은 시간이 소요되는 현장조사 기법은 사용할 수 없는 문제가 있다. 따라서 운행선의 특수한 상황에서 노반재료의 공학적 특성을 조사하기 위하여는 표면파기법과 같은 비파괴적 기법을 도입하지 않을 수 없는 상황이다.
철도노반의 침하문제는 무엇으로 초래되는가?
철도노반의 침하는 열차운행시 대형 참사를 초래할 수 있는 중요한 철도시설물의 구조적 문제 중의 하나이다. 일반적으로 철도노반의 침하문제는 원지반의 지반조사 부실, 철도노반의 재료 및 다짐시공의 불량 등의 다양한 원인으로 초래된다. 일단 철도노반에 침하가 야기되면 철도궤도의 변형과 휨으로 이어지게 되고, 궁극적으로 열차운행의 안전성 문제, 현저한 승차감 저하 등의 후속 문제를 초래하게 된다.
철도노반에 침하가 야기되면 어떤 문제를 초래하는가?
일반적으로 철도노반의 침하문제는 원지반의 지반조사 부실, 철도노반의 재료 및 다짐시공의 불량 등의 다양한 원인으로 초래된다. 일단 철도노반에 침하가 야기되면 철도궤도의 변형과 휨으로 이어지게 되고, 궁극적으로 열차운행의 안전성 문제, 현저한 승차감 저하 등의 후속 문제를 초래하게 된다. 예를 들어, 최근 경부고속철도선의 자갈도상 중 일부 구간에서 침하가 발생되었고, 이 문제에 대한 원인규명과 대책 강구를 위한 연구가 진행 중이다.
참고문헌 (8)
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S.-H. Joh, H.S. Koh, T.-H. Kang (2004) Wavelength Restoration Technique for the Automated Determination of Dispersion Curves in CSW Measurements. Journal of KSCE, pp. 35-47.
I.-W. Lee (2004) "Analytical Study for dispersed Phase Velocity Information of Love Waves," Journal of the Korean Society for Railway, 7(4), pp.177-185.
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