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문제 정의
- 한국철도기술연구원에서는 RSR 공법의 철도분야 적용을 위하여 강성벽 일체형 보강노반의 장점은 부각시키고, 단점을 최소화하기 위한 연구를 수행하였다. 짧은 보강재를 적용하여 외국에서 적용하고 있는 강성벽 일체형 철도 보강노반(Tatsuoka et al, 1997)의 안정성을 확보하면서도, 25% 이상 경제적이면서 시공성이 향상된 국내 실정에 적합한 보강노반을 개발하고자 하였다.
제안 방법
- 짧은 보강재 적용 보강노반의 안정성 검증하기 위하여 높이*폭*길이(5m*6m*20m)의 단선 철도노반을 설계 시공하였으며, 계측을 통한 안정성 평가 결과는 다음과 같다.(1) 시공 중 안전율 1.1을 적용한 활동 안정성에 대한 이론적 고찰을 통하여 시공 중 안정성을 확보할 수 있는 높이별 최소보강재 길이에 대하여 다음과 같은 기준을 제시하였다.
- 5m이상 이격개소의 다짐용으로 사용하였다. 100kN 롤러를 적용 근접 다짐 시 벽체 배부름 정도를 평가하기 위하여 전면 0.5m까지 근접 다짐을 추가로 실시하였다.
- 기존 설계기준의 50%수준의 짧은 보강재를 적용한 보강노반의 시공 중 안정성을 평가하기 위하여 최소 보강재 길이 및 경제성에 대한 이론적 고찰을 실시하였다. 짧은 보강재 적용 보강노반의 안정성 검증하기 위하여 높이*폭*길이(5m*6m*20m)의 단선 철도노반을 설계 시공하였으며, 계측을 통한 안정성 평가 결과는 다음과 같다.
- 9와 Table 2는 시험체 평면도에 보강재 연직 배치간격 및 설치 길이 변화를 보여준다. 보강재 연직 배치간격은 30cm와 40cm의 2종류를 적용하였으며, 보강재 길이는 높이의 30～40%까지 변화시켜 적용하였다.
- 75m, 2m를 각각 적용하였다. 시공 중 노반의 안정성 및 사용성을 확인하기 위하여 변형(침하 및 수평변위) 및 토압 계측을 실시하였다.
- 시공 중 다짐 작업 효율성 확보 및 수평 변형을 최소화하기 위하여 각 층 전면에 “ㄴ”자형 철근망 기준틀과 투수가 용이한 유실 방지용 흐름방지막을 설치하였다.
- 6kPa로, 향후 균질한 다짐 품질 확보를 위한 기계장비 사용범위 및 방법에 대한 세심한 관리가 필요할 것으로 판단되었다. 시공 중 발생하는 수평토압을 측정하기 위하여 전면 끝단 기준틀 내측에 토압계를 설치하였다. 시공 중 수평토압 변화량은 미미하였으나, 시공 후 시간 경과와 함께 최대 21.
- 시공 중 다짐 작업 효율성 확보 및 수평 변형을 최소화하기 위하여 각 층 전면에 “ㄴ”자형 철근망 기준틀과 투수가 용이한 유실 방지용 흐름방지막을 설치하였다. 시험시공을 통하여 상하부노반의 다짐은 각 각 100kN 다짐 롤러 15회 및 12회를 적용하였다. 다짐 장비는 100kN 롤러, 10kN 롤러 및 소형 컴팩터 3종류를 사용하였다.
- 기존 설계기준의 50%수준의 짧은 보강재를 적용한 보강노반의 시공 중 안정성을 평가하기 위하여 최소 보강재 길이 및 경제성에 대한 이론적 고찰을 실시하였다. 짧은 보강재 적용 보강노반의 안정성 검증하기 위하여 높이*폭*길이(5m*6m*20m)의 단선 철도노반을 설계 시공하였으며, 계측을 통한 안정성 평가 결과는 다음과 같다.(1) 시공 중 안전율 1.
- 짧은 보강재를 적용한 시공 중 안정성을 확인하기 위하여 높이*폭*길이 5m*6m*20m인 철도노반을 설계 시공하였다. 사용된 짧은 보강재 길이는 높이의 30%, 35%, 40%인 1.
- 13과 같이 설치하였다. 총 51개의 계측기가 사용되었으며, 63채널 데이터로거를 사용하여 매시간당 1회씩 자동계측을 수행하였다. Table 3은 계측에 사용된 계측기의 종류와 수량을 보여준다.
대상 데이터
- 6은 단선용 철도보강노반 시험체 개념도이다. 1층 두께 30cm와 40cm 2개의 노반을 조성하였다. 시험체 조성 부지에 대한 지반조건, 뒤채움 흙의 종류 및 특성, 시험체 구성, 작업 순서 및 내용은 다음과 같다.
- 시험시공을 통하여 상하부노반의 다짐은 각 각 100kN 다짐 롤러 15회 및 12회를 적용하였다. 다짐 장비는 100kN 롤러, 10kN 롤러 및 소형 컴팩터 3종류를 사용하였다. 소형 컴팩터는 전면에 설치되는 배수층 자갈 다짐용으로, 10kN 롤러는 벽체 전면으로부터 1.
- 보강노반 시공 중 노반의 변형정도를 파악하기 위하여 기준틀 외측 총 12개 지점(단면별 3개 지점)에 레이저 변위계를 설치하였다. Fig.
- 짧은 보강재를 적용한 시공 중 안정성을 확인하기 위하여 높이*폭*길이 5m*6m*20m인 철도노반을 설계 시공하였다. 사용된 짧은 보강재 길이는 높이의 30%, 35%, 40%인 1.5m, 1.75m, 2m를 각각 적용하였다. 시공 중 노반의 안정성 및 사용성을 확인하기 위하여 변형(침하 및 수평변위) 및 토압 계측을 실시하였다.
- 상하부노반에 사용된 재료의 공학적 특성은 Table 1과 같다. 상부노반에는 자갈질 흙(GP-GM)을, 하부노반에는 모래질(SP-SM) 흙을 사용하였다. 시험에 사용된 보강재는 국내에서 생산 되고 있는 OOO사의 지오그리드형 토목섬유를 사용하였다.
- 다짐 장비는 100kN 롤러, 10kN 롤러 및 소형 컴팩터 3종류를 사용하였다. 소형 컴팩터는 전면에 설치되는 배수층 자갈 다짐용으로, 10kN 롤러는 벽체 전면으로부터 1.5m이내의 다짐용으로, 100kN 롤러는 전면벽체로부터 1.5m이상 이격개소의 다짐용으로 사용하였다. 100kN 롤러를 적용 근접 다짐 시 벽체 배부름 정도를 평가하기 위하여 전면 0.
- 상부노반에는 자갈질 흙(GP-GM)을, 하부노반에는 모래질(SP-SM) 흙을 사용하였다. 시험에 사용된 보강재는 국내에서 생산 되고 있는 OOO사의 지오그리드형 토목섬유를 사용하였다. 동 제품의 제조사 제시 인장강도는 60kN/m이었고, 시공성 감소계수 등을 고려한 장기 설계인장강도는 34.
- 시험체 조성은 Fig. 8과 같이 철도설계기준의 상하부노반 기준에 적합한 재료의 흙을 사용하였다. 상하부노반에 사용된 재료의 공학적 특성은 Table 1과 같다.
성능/효과
- (2) 시공 중 계측을 통하여 토공 완료시점에서의 발생침하량은 29mm(0.58%H)였고, 232일간의 잔류침하는 27mm 발생하였다. 시공 중 발생 수평변위 검토 결과, 보강재 간격(40cm)이 클수록 큰 수평변위가 발생하였으며, 짧은 보강재 길이에 대한 영향(0.
- (3) 시공 중 토압 측정결과로부터 강우로 인한 높은 함수비의 흙 사용은 연직토압 증가의 주요원인이며, 벽체 전면의 다짐 부족으로 인한 낮은 토압이 관찰되었다. 동 결과로부터 강우 시 다짐 흙 관리와 100kN 장비에 의한 기계다짐의 영향 및 그 중요성을 확인할 수 있었다.
- 19). P5(51.5kPa) 및 P6(89.6kPa)에서의 토압 측정 결과로부터 상부노반 토체 전면 근처의 다짐이 부족하여 P5에서 측정된 연직토압이 상대적으로 낮은 값을 보인 것으로 판단되었다. 대형 기계다짐이 상대적으로 부족한 부분(P5)과 과했던 부분(P4)에서의 토압 차이는 85.
- 5와 같다. 가장 오른쪽이 국내 설계기준(KRNA, 2011)에 근거하여 제시된 보강재 길이(높이의 70%, 0.7H)이며, 짧은 보강재(0.35H)와 장보강재를 혼용하는 경우 51%의 보강재를 사용하여 국내 설계기준보다 19% 적은 보강재를 적용할 수 있음을 보여준다.
- 16은 시공 중 및 시공 완료 후 발생한 수평변위이다. 각 단면에서 수평변위가 가장 크게 발생한 지점인 높이 2.8m에서의 수평변위 측정 결과로, 2R 단면 28.7mm, 1R 단면 26.4mm, 1L 단면 19.6mm의 수평변위가 발생하였다. 수평변위 발생량은 2R > 1R > 1L 순으로 보강재 연직간격 배치 증가(30cm → 40cm)와 수 평변위 증가와의 연관성을 확인할 수 있었다.
- (3) 시공 중 토압 측정결과로부터 강우로 인한 높은 함수비의 흙 사용은 연직토압 증가의 주요원인이며, 벽체 전면의 다짐 부족으로 인한 낮은 토압이 관찰되었다. 동 결과로부터 강우 시 다짐 흙 관리와 100kN 장비에 의한 기계다짐의 영향 및 그 중요성을 확인할 수 있었다. 시공 중 보강재에 발생한 변형률은 0.
- 35H)은 크지 않았으며 근접 시공 등 시공 품질 영향이 클 수 있음을 확인할 수 있었다. 비록 100kN 대형 다짐롤러를 사용한 0.5m 근접 시공을 실시하였으나, 시공 중 최대 28.7mm(0.57%H)의 배부름 현상이 확인되었다. 노반의 안정성을 해치는 파괴수준까지는 도달하지 않았으나, 향 후 시공 중 배부름을 최소화할 수 있는 연직도 확보가 가능한 품질관리 노력이 필요할 것으로 판단되었다.
- 수평변위 발생량은 2R > 1R > 1L 순으로 보강재 연직간격 배치 증가(30cm → 40cm)와 수 평변위 증가와의 연관성을 확인할 수 있었다.
- 58%H)였고, 232일간의 잔류침하는 27mm 발생하였다. 시공 중 발생 수평변위 검토 결과, 보강재 간격(40cm)이 클수록 큰 수평변위가 발생하였으며, 짧은 보강재 길이에 대한 영향(0.30H와 0.35H)은 크지 않았으며 근접 시공 등 시공 품질 영향이 클 수 있음을 확인할 수 있었다. 비록 100kN 대형 다짐롤러를 사용한 0.
- 시공 중 발생하는 수평토압을 측정하기 위하여 전면 끝단 기준틀 내측에 토압계를 설치하였다. 시공 중 수평토압 변화량은 미미하였으나, 시공 후 시간 경과와 함께 최대 21.2kPa의 수평토압이 발생되어 점진적으로 하중이 전이되어 가는 것을 확인할 수 있었다.
- 이와 같이 짧은 보강재(0.35H)와 장보강재를 혼용하는 경우 국내 설계기준(0.7H)보다 19% 적은 보강재를 사용하게 되어 보강재 사용측면에서 보다 경제적인 설계가 가능할 수 있음을 확인하였다.
- 이는 설계시 고려하는 보강재 인장변형률의 5%의 6%에 해당되는 낮은 수준으로, 상대적으로 작은 보강재 변형이 발생되었음을 의미한다. 전면부 근접 보강재에서의 변형이 후면부 보강재 변형보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 7은 시험체가 조성된 부지에 대한 시추조사 결과로, 지표로부터 심도에 따라 매립층(GM), 실트질 점토층(CL), 실트질 모래층(SM), 풍화토(SM), 풍화암(WR) 순으로 지층이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 표준관입시험을 통하여 3～4m까지 N값은 6~12 범위의 분포를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 지반조건 및 5m 쌓기고를 고려할 때, 어느 정도의 시공 중 및 시공 후 침하가 예상되었다.
후속연구
- 57%H)의 배부름 현상이 확인되었다. 노반의 안정성을 해치는 파괴수준까지는 도달하지 않았으나, 향 후 시공 중 배부름을 최소화할 수 있는 연직도 확보가 가능한 품질관리 노력이 필요할 것으로 판단되었다.
- 6kPa)에서의 토압 측정 결과로부터 상부노반 토체 전면 근처의 다짐이 부족하여 P5에서 측정된 연직토압이 상대적으로 낮은 값을 보인 것으로 판단되었다. 대형 기계다짐이 상대적으로 부족한 부분(P5)과 과했던 부분(P4)에서의 토압 차이는 85.6kPa로, 향후 균질한 다짐 품질 확보를 위한 기계장비 사용범위 및 방법에 대한 세심한 관리가 필요할 것으로 판단되었다. 시공 중 발생하는 수평토압을 측정하기 위하여 전면 끝단 기준틀 내측에 토압계를 설치하였다.
- 35H)의 짧은 보강재를 적용한 기준이 고려되어 있지 않다. 본 연구를 통하여 검증된 결과를 토대로 향 후 현 국내 설계기준보다 짧은 보강재가 현장에 적용될 수 있도록 설계기준 보완이 이루어질 수 있기를 기대해 본다.
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