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초록
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철도에서 강화노반은 궤도의 변형에 직접적인 영향을 주는 중요한 노반층이다. 따라서 강화노반재료의 거동에 대한 깊은 이해가 요구된다. 이에 본 연구에서는 철도의 강화노반재료로 사용되는 재료를 대상으로 입도 특성과 시공조건 및 하중조건에 따른 회복탄성계수에 대한 실험적 연구를 대형삼축압축시험으로 수행하였다. 시험 결과 최대입경, 입도분포, 다짐함수비 등이 회복탄성계수로 평가된 재료 성능에 영향을 미치지만 하중 주파수는 큰 영향이 없다는 것을 확인할 수 있었다. 열차 운행 환경에 적합한 시험 결과를 제시하여 향후 강화노반 재료의 해석 등의 유용한 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 제한적이지만 회복탄성계수 예측 모델에 대한 상수값을 제시하여 다양한 하중조건에 따라 회복탄성계수를 적용하도록 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Reinforced trackbeds are an important layer that has a significant effect on the deformation of the track, therefore, a deeper understanding of reinforced trackbeds is necessary. In this paper, we conduct a large triaxial test in order to evaluate the resilient modulus ($M_R$) of reinforc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 대입경 조립지반재료에 대한 반복재하 식의 대형삼축압축시험은 시험장비가 많지 않고 시험절차가 어려울 뿐 아니라 시험자의 숙련도에 따라 결과의 일관성이 떨어지기 때문에 보편적으로 적용하는데 한계가 있다([3,17]). 따라서 여러 구속압과 축차응력의 조합 조건에서 수행된 시험 결과를 바탕으로 기존의 축차응력모델, 체적응력모델의 계수를 제시하고자 한다. 먼저 기존에 제안되어 가장 널리 사용되는 기본적인 모델들에 대해 권기철[7]의 논문을 인용 하여 정리하면 다음과 같다.
  • 탄성계수는 재료의 밀도, 최대입경, 입도조건, 함수비, 축차응력, 구속압, 하중주파수 등 다양한 재료 및 시험방법의 여러 요소에 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 철도 지반구조물 조건 하에서 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 영향 요소를 고려해서 최대입경 등 입도분포 이외에도 다짐함수비, 하중주파수 등을 달리 하여 그 영향을 분석하고자 하였다. 시험 조건은 Table 3과 같으며 모든 시편은 M40시편에서 수행된 다짐시험 결과에 따라 최대건조단위중량으로 조성하였다.
  • 본 연구에서는 철도의 강화노반재료로 사용되는 재료를 대상으로 입도특성과 시공 조건 그리고 하중조건에 따른 회복 탄성계수에 대한 실험적 연구를 대형삼축압축시험으로 수행하여 그 결과를 제시하고 제한적이지만 예측 모델 상수값을 제시하고자 하였으며, 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
  • 이상과 같이 궤도 직하부 강화노반부의 하중조건에서 회복탄성계수 평가와 더불어, 본 연구에서는 M40재료(KS F2525, 도로용 부순골재)에 대한 회복탄성계수를 다양한 하중조건에서의 적용을 하나의 목표로 하였다. 이를 위해 회복탄성계수 예측 모델을 제시하고자 여러 구속압과 축차응력 조건에서 시험을 수행하였다.
  • 이미 도로 포장 분야에서는 미국 도로교통협회(AASHTO)가 경험적 포장설계법을 탈피하고 역학적 포장 설계를 위해 회복 탄성계수를 채택한 바 있다. 이에 본 연구에서는 강화노반 재료 및 도로 보조기층재료로 사용되는 M40재료에 대해 대형삼축압축시험을 수행하고 그 결과에 대해 앞서 소개하고 설명하였다. 그러나 대입경 조립지반재료에 대한 반복재하 식의 대형삼축압축시험은 시험장비가 많지 않고 시험절차가 어려울 뿐 아니라 시험자의 숙련도에 따라 결과의 일관성이 떨어지기 때문에 보편적으로 적용하는데 한계가 있다([3,17]).
  • 특히 국내의 경우 철도 강화노반이나 도로의 보조기층재료와 같이 입경이 큰 조립재료에 대한 회복탄성계수에 대한 실험적 연구는 일부 수행된 바 있으나[14-16] 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 철도의 강화노반재료로 사용되는 재료를 대상으로 입도특성과 시공 조건 그리고 하중조건에 따른 회복탄성계수에 대한 실험적 연구를 대형삼축압축시험으로 수행하여 그 결과를 제시하고 제한적이지만 예측 모델 상수값을 제시하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
축차응력 모델만을 적용하여 입상재료의 회복탄성계수를 평가하면 안되는 이유는 무엇인가? 현재 AASHTO에서 추천하고 있고 가장 일반적으로 받아들여지고 있는 노상토에 대한 구성 모델은 축차응력모델이다. 축차응력모델은 응력상태, 하중주 파수, 하중반복회수 등의 다양한 영향요소들 중에 축차응력의 영향만을 고려하는 모델로서 구속응력 또는 체적응력의 영향은 무시하고 있다[7]. 그러나 권기철 등[6]의 연구에 의하면 국내에 사용되는 노상토는 대부분 비점성의 모래질 재료이고 축차응력과 함께 구속응력의 영향도 대단히 큰 것으로 밝혀진 바 있다. 따라서 축차응력 모델만을 적용하여 입상재료의 회복탄성계수를 평가하면 상당한 오차를 내포할 가능성이 클 것으로 예상하였다[7].
노상토의 회복탄성계수에 대한 영향요소는 어떻게 구분할 수 있는가? 회복탄성계수는 철도 및 도로 포장재료의 구조체 해석, 설계뿐 아니라 유지관리에 있어서도 매우 중요한 입력변수로 활용된다. 노상토의 회복탄성계수에 대한 영향요소는 크게 재료적 요인(간극비, 함수비, 입도분포 등)과 하중재하 조건(응력상태, 하중주파수, 하중반복회수, 변형률 크기 등)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 함수비를 제외한 나머지의 재료적 요인은 시공이 완료되면 일정한 상태를 유지하게 되는데 이에 반하여 하중 재하 조건은 흙노반 상부의 탄성계수와 층 두께, 그리고 차량 하중의 크기와 속도, 탄성계수를 평가하는 여러 시험 조건 등에 따라 변화하게 된다[11].
회복탄성계수는 어떻게 활용되는가? 회복탄성계수는 철도 및 도로 포장재료의 구조체 해석, 설계뿐 아니라 유지관리에 있어서도 매우 중요한 입력변수로 활용된다. 노상토의 회복탄성계수에 대한 영향요소는 크게 재료적 요인(간극비, 함수비, 입도분포 등)과 하중재하 조건(응력상태, 하중주파수, 하중반복회수, 변형률 크기 등)으로 구분할 수 있다.
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참고문헌 (18)

  1. AASHTO (1992) Resilient modulus of unbounded granular base/subbase materials and subgrade soils-SHRP Protocol p-46 AASHTO, T-294-92I, AASHTO, Washington D.C. 

  2. J. Biarez (1962) Contribution a l'Etude des properties mecaniques des sols et des maeriau pulverulents, Doctoral Thesis, University of Grenoble. 

  3. E.C. Drumm, Z. Li, J.S. Reeves, M.R. Madgett (1996) Alternative test method for resilient modulus of fine grained subgrades, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, 19(2), pp. 141-154. 

  4. Korea Rail Network Authority (2011) Korea Railway Design Code(11-B551219-000018-14). 

  5. KS F 2525 (2007) Crushed aggregate for Road Construction. 

  6. G.C. Kweon (1999) Alternative MR Testing methods for subgrade and subbase materials considering deformational characteristics of soils, PhD Thesis, KAIST. 

  7. G.C. Kweon (2000) Constitutive models for resilient modulus of subgrade soils in Korea, Journal of Korea Society of Civil Engineering, 20(3-D), pp. 301-310. 

  8. S.J. Lee, Y.K. Kim, Y.W. Choo, S.H. Lee, et al. (2010) Development and verification of large triaxial testing system for dynamic properties of granular materials, Journal of the Korean Geotechnical Society, 26(12), pp. 5-17. 

  9. S.J. Lee, Y.K. Kim, I.W. Lee, J.S. Lee, et al. (2010) Building of large triaxial testing apparatus and static triaxial testing for railway ballast, Journal of the Korean Society for Railway, 13(1), pp. 84-91. 

  10. S.J. Lee, Y.W. Choo, S.B. Hwang, K.J. Kim (2012) Test method for Young's modulus of parallel graded coarse granular materials by large triaxial test, Korea Society of Civil Engineers, 32(5C), pp. 211-220. 

  11. S.J. Lee, Lee, S.H., Lee, I.W., Hwang, S.B. et al. (2013) Study on Young's modulus of geomaterials used in Korean railway infrastructures, IJR(International Journal of Railway), 6(2), June, pp. 53-58. 

  12. S.J. Lee, Y.W. Choo, J.W. Lee, M. Sagong (2013) Young's modulus of coarse granular materials via cyclic large triaxial tests : Effect of parallel grading and loading pattern, Geotechnical Testing Journal, 36(3), pp. 429-441. 

  13. S.J. Lee, S.B. Hwang, S.H. Lee, S.H. Lee, K.J. Kim (2014) Dynamic properties for Geomaterials of railway as determined by large-scale cyclic triaxial test, Journal of the Korean Society for Railway, 17(1), pp. 43-51. 

  14. Y.J. Lim, J.K. Hwang, H.J. Cho (2012) Development of permanent deformation prediction model for trackbed foundation materials based on shear strength parameters Journal of the Korean Society for Railway, 15(6), pp. 623-630. 

  15. Y.J. Lim, S.H. Lee, J.W. Lee, H.J. Cho (2012) Evaluation of dynamic properties of crushed stones used as reinforced trackbed foundation materials using midsize resonant column test apparatus Journal of the Korean Society for Railway, 15(5), pp. 476-484. 

  16. Y.J. Lim, D.S. Kim, H.J. Cho, M. Sagong (2013) Investigation of stiffness characteristics of subgrade soils under tracks based on stress and strain levels, Journal of the Korean Society for Railway, 16(5), pp. 386-393. 

  17. C.S. Park, C.Y. Choi, C.L. Choi, Y.J. Mok (2008) Resilient modulus of sub-ballast and subgrade materials, Journal of the Korean Society for Railway, 11(1), pp. 54-60. 

  18. S.S. Won, J.W. Lee, S.H. Lee, Y.H. Jung (2014) Prediction of cumulative plastic displacement in the concrete track roadbed caused by cyclic loading Journal of the Korean Society for Railway, 17(1), pp. 52-58. 

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