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문제 정의
- 제안 접속구조는 토목섬유와 시멘트처리한 재료를 이용하여 어프로치블럭을 자립시킴으로써 이론적으로는 교대에 토압이 작용하지 않게 하였으며, 토목섬유의 인장보강효과를 이용하여 강성을 증대시켰다. 또한 사용재료로 흙자갈을 적용함으로써 유용토의 활용을 증대시키고 우수의 침입을 저감시키고자 하였다. 검토방안은 제안 구조와 현재 적용중인 기존 구조에 대하여 동일조건하에서 실물의 가속시험을 실시하여 각 조건별 장기 공용성을 검토하였다.
- 더불어 침하량 감소를 위한 다짐도 향상, 다짐으로 인한 교대변형의 방지, 교대에 작용하는 수평토압의 경감 등이 있지만 모든 사항을 만족하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 변형 또는 발생문제를 최소화하는 방향으로 접근할 필요가 있다. 본 논문에서는 교대와 어프로치블럭을 분리 시공하는 토목섬유보강 접속구조를 제시하였다. 토목섬유로 인장보강된 어프로치블럭을 자립시킴으로써 다짐시 교대에 미치는 영향을 배제하였으며 시공 후에도 교대에 작용하는 토압을 최소화할 수 있게 하였다.
- 5m의 토조에 설치하고 현장시공 기준을 적용하여 시공한 후, 시험목적에 부합한 하중조건을 재하하여 평가한다. 본 논문에서는 두 개의 구조를 동일한 조건하에서 동시에 재하(loading)하여 시험조건에 의한 차이가 발생하지 않도록 하였다. 각 시험에 대한 상세한 시험단면 및 재하조건은 다음과 같다.
- 이에 본 논문에서는 기존의 교량/토공 접속구조의 단점을 보완하고 성능을 개선하기 위한 방안으로 토목섬유와 시멘트처리채움재로 보강된 접속구조를 제안하고 장기공용성 평가를 위한 실물가속시험을 수행하였다. 제안 접속구조는 토목섬유와 시멘트처리한 재료를 이용하여 어프로치블럭을 자립시킴으로써 이론적으로는 교대에 토압이 작용하지 않게 하였으며, 토목섬유의 인장보강효과를 이용하여 강성을 증대시켰다.
- 또한 보강재 끝단은 토목섬유를 타원형으로 둥글게 말아 내부에 채움재를 채우는 방식으로 자립도를 확보하였다. 채움재는 유용토의 활용도를 높이기 위해 흙과 자갈이 혼합된 골재를 시멘트처리하여 사용하는 방안을 제시하였다.
제안 방법
- 1) 접속구조별 반복재하횟수에 따른 침하특성을 비교하기 위하여 동일조건하에서의 누적침하량을 비교하였다. 기존구조와 제안구조가 초기침하량은 다소 차이가 나지만 재하횟수에 따른 침하경향은 차이 없이 수렴하여 모두 안정적인 침하경향을 나타내었다.
- 3) 함수비의 변화에 따른 저항성능 평가를 위하여 가속시험중에 살수를 실시하여 침하특성을 평가하였다. 시험 결과, 기존 구조는 살수시점에서 급격한 침하가 발생하고 그 이후에도 지속적으로 침하가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 4) 교대에 발생하는 수평 및 수직토압의 저감효과를 정량적으로 평가하기 위하여 토압의 변화특성을 검토하였다. 제안 접속구조가 기존 접속구조와 비교하여 수평토압은 75~90%까지 저감되며 수직토압은 약 30~60%까지 저감되는 것을 확인하였다.
- HL25 설계하중을 적용하는 고속철도를 대상으로 궤도로부터 노반면에 전달되는 최대응력은 0.1MPa이고 재하판의 면적은 0.33×1.8m이므로 작용하중은 59kN에 불과하지만 가혹조건하에서의 성능평가를 위하여 177kN을 적용하였다.
- 5m, 높이 2m, 폭 3m이다. 가장 하중이 크게 작용하는 조건을 설정하기 위하여 어프로치슬래브를 적용하지 않은 상태에서 교대에서부터 일정 구간을 사용하였다. 토압계는 심도 0.
- 또한 사용재료로 흙자갈을 적용함으로써 유용토의 활용을 증대시키고 우수의 침입을 저감시키고자 하였다. 검토방안은 제안 구조와 현재 적용중인 기존 구조에 대하여 동일조건하에서 실물의 가속시험을 실시하여 각 조건별 장기 공용성을 검토하였다.
- 토목섬유와 시멘트처리채움재로 보강된 교량/토공 접속구조의 성능평가를 위하여 실물가속시험을 실시하였다. 기존 구조와의 비교시험을 통해서 성능의 개선정도를 파악하고자동일조건으로 시험체를 조성하고 동일위치에 계측기를 매설 하여 수행하였다. 시험항목은 구조별 탄성변위, 누적침하, 함수비, 교대에 작용하는 수평 및 수직 토압을 검토하여 장기 공용성을 평가하고자 하였다.
- 다짐도를 위하여 고속철도 노반지지력을 평가하는 지수로 활용되는 Ev2시험을 수행하였다. 시험결과, 기존 접속구조의 Ev2는 355MPa, 섬유보강형 접속구조는 450MPa로써 지지력은 섬유보강형 접속구조가 더 크게 나타났는데, 그 이유는 채움재의 입도 및 섬유보강효과 등의 영향인 것으로 판단된다.
- 보강재 인장강도는 통상적으로 생산되는 50kN/m, 100kN/m 강도의 토목섬유를 적용하는 것으로 하였다. 또한 보강재 끝단은 토목섬유를 타원형으로 둥글게 말아 내부에 채움재를 채우는 방식으로 자립도를 확보하였다. 채움재는 유용토의 활용도를 높이기 위해 흙과 자갈이 혼합된 골재를 시멘트처리하여 사용하는 방안을 제시하였다.
- 5Hz로 2,000회까지 저속의 반복하중으로 안정화시킨 후 본 시험을 실시하였다. 반복재하 횟수는 총 이백만회이며, 백만회 재하 후 함수비 변화의 영향을 재현하기 위하여 살수를 통해 재료의 함수비를 충분히 높인 후 백만회를 추가 재하하였다. 시험에 사용된 하중패턴은 다음 Fig.
- 이에 구조별 사용재료의 함수비 변화가 장기침하에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가속시험 중에 살수를 실시하였다. 백만회 재하까지는 자연함수비상태에서의 침하특성을 평가하고, 백만회 재하시점에서 채움재료의 함수비가 증가하도록 충분히 살수(0.029m3/min)한 후 추가로 백만회 시험을 실시하여 총 이백만회 동안의 누적침하경향을 평가하였다. 이때 기존 접속구조는 조립골재이기 때문에 충분히 함수비가 증가되는 것을 확인하였고 제안 접속구조는 시멘트처리된 다짐토이기 때문에 물의 침투가 어려워 표면에서의 함수비만 증가하는 것으로 나타났다.
- 5m, 1m심도에 수직 및 수평방향으로 설치하였으며 추가로 2m심도에 수평방향 토압계를 설치하여 수직하중에 대한 토압성분과 교대에 작용하는 수평토압의 크기를 측정하고자 하였다. 변위계는 기존구조와 동일하게 하중을 재하하는 재하판과 재하판 주변의 노반상면에 각 3개를 설치하였고 재하위치는 교대에서부터 1m위치로 설정하였다. 구조적 특성으로 인하여 발생하는 교대와 어프로치블럭 사이의 공간은 모래로 채웠으며 별도의 다짐을 실시하지는 않았다.
- 본 절에서는 제안 접속구조에서 교대에 발생하는 수평 및 수직토압의 저감효과를 정량적으로 평가하기 위하여 Fig. 5 및 6과 같이 시험토조의 벽면 및 층별로 토압계를 설치하고 재하횟수에 따른 토압의 변화특성을 검토하였다.
- 비교평가를 위하여 시멘트처리된 입도조정쇄석을 사용하는 기존 접속구조와 토목섬유와 시멘트처리된 흙자갈을 사용하는 제안 접속구조를 동일조건하에서 시험하였다. 시험 장비는 RLS(Railroad Loading System)장비를 활용하였다.
- 5의 경사), 각 층의 간격은 30cm로 하였다. 상부로부터 매 2단을 최소 길이의 등장보강재를 적용하고 매 세 번째 단에는 장척보강재(extended geosynthetics)를 적용하였다. 보강재 인장강도는 통상적으로 생산되는 50kN/m, 100kN/m 강도의 토목섬유를 적용하는 것으로 하였다.
- 시공은 기존 접속구조의 경우에는 고속철도 노반시방서[8]를 준용하여 시공하였으며, 제안 접속구조인 경우에도 다짐 방법 등은 기존 접속구조와 동일하나, 토목섬유의 끝단을 튜브형태로 현장 가공하기 위하여 별도의 시공장치를 사용하였다. Fig.
- 4는 철도연구원에서 보유하고 있는 RLS장비로써 12축의 재하축을 이용하여 이동하중을 재현할 수 있는 시험장비로 최대 1,500kN까지 재하가 가능하다. 시험시에는 실물의 노반구조를 깊이 5m, 폭 4.5m의 토조에 설치하고 현장시공 기준을 적용하여 시공한 후, 시험목적에 부합한 하중조건을 재하하여 평가한다. 본 논문에서는 두 개의 구조를 동일한 조건하에서 동시에 재하(loading)하여 시험조건에 의한 차이가 발생하지 않도록 하였다.
- 5와 동일하며 재하위치는 가장 취약한 직상단면을 기준으로 하였다. 시험에 사용된 토압계는 0.5m, 1m심도에 수직 및 수평방향으로 설치하였으며 추가로 2m심도에 수평방향 토압계를 설치하여 수직하중에 대한 토압성분과 교대에 작용하는 수평토압의 크기를 측정하고자 하였다. 변위계는 기존구조와 동일하게 하중을 재하하는 재하판과 재하판 주변의 노반상면에 각 3개를 설치하였고 재하위치는 교대에서부터 1m위치로 설정하였다.
- 기존 구조와의 비교시험을 통해서 성능의 개선정도를 파악하고자동일조건으로 시험체를 조성하고 동일위치에 계측기를 매설 하여 수행하였다. 시험항목은 구조별 탄성변위, 누적침하, 함수비, 교대에 작용하는 수평 및 수직 토압을 검토하여 장기 공용성을 평가하고자 하였다. 각 평가항목에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 흙이나 골재를 이용하여 채움을 하는 경우, 다짐시의 함수비나 우수가 성토체의 장기적인 침하특성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다[9-11]. 이에 구조별 사용재료의 함수비 변화가 장기침하에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가속시험 중에 살수를 실시하였다. 백만회 재하까지는 자연함수비상태에서의 침하특성을 평가하고, 백만회 재하시점에서 채움재료의 함수비가 증가하도록 충분히 살수(0.
- 접속구조별 반복재하횟수에 따른 침하특성을 비교하기 위하여 백만회 재하 동안의 누적침하량을 비교하였다. 누적침하량은 접속구조의 침하특성을 대표하는 측정값으로써 접속 구조의 성능평가에 가장 중요한 항목이라 할 수 있다.
- 접속구조별 실물재하시험에 따른 누적침하, 탄성변위, 수직 및 수평 토압, 함수비 변화의 영향을 비교 검토하여 제안 접속구조의 장기공용성을 평가하였다.
- 접속구조별 탄성변위의 크기를 비교하였다. 탄성변위는 하중이 재하(loading)되었을 때와 제하(unloading)되었을 때의 탄성영역에서의 변위차이로써 열차하중이 이동할 때 발생하는 궤도슬래브의 변위량과 동일하다고 할 수 있다.
- 이에 본 논문에서는 기존의 교량/토공 접속구조의 단점을 보완하고 성능을 개선하기 위한 방안으로 토목섬유와 시멘트처리채움재로 보강된 접속구조를 제안하고 장기공용성 평가를 위한 실물가속시험을 수행하였다. 제안 접속구조는 토목섬유와 시멘트처리한 재료를 이용하여 어프로치블럭을 자립시킴으로써 이론적으로는 교대에 토압이 작용하지 않게 하였으며, 토목섬유의 인장보강효과를 이용하여 강성을 증대시켰다. 또한 사용재료로 흙자갈을 적용함으로써 유용토의 활용을 증대시키고 우수의 침입을 저감시키고자 하였다.
- 최대 골재크기, 단위중량, 편장석 함유량, 마모율, 모래당량, 체가름 입도에 대한 시험결과는 아래 Table 1과 같이 호남고속철도 설계지침을 모두 만족한다[7]. 중량대비 시멘트비율은 3%이며 현장에서 백호를 이용하여 배합하였다.
- 1에서 제시한 일본의 시멘트개량 보강토 교대의 단면을 참조하여 제시하였다. 토목 섬유보강토체의 법면 경사를 12:1로 하였으며, 보강토의 끝단을 둥글게 말아올려 자립도를 향상시키고자 하였다. 단면에서 등장보강재(standard geosynthetics)의 최소 길이는 1.
- 본 논문에서는 교대와 어프로치블럭을 분리 시공하는 토목섬유보강 접속구조를 제시하였다. 토목섬유로 인장보강된 어프로치블럭을 자립시킴으로써 다짐시 교대에 미치는 영향을 배제하였으며 시공 후에도 교대에 작용하는 토압을 최소화할 수 있게 하였다. 또한 교대와 무관하게 다짐을 수행할 수 있기 때문에 다짐도 확보에 유리하며 토목섬유의 인장보강을 통한 침하억제 효과도 얻을 수 있다.
- 토목섬유와 시멘트처리채움재로 보강된 교량/토공 접속구조의 성능평가를 위하여 실물가속시험을 실시하였다. 기존 구조와의 비교시험을 통해서 성능의 개선정도를 파악하고자동일조건으로 시험체를 조성하고 동일위치에 계측기를 매설 하여 수행하였다.
- 가장 하중이 크게 작용하는 조건을 설정하기 위하여 어프로치슬래브를 적용하지 않은 상태에서 교대에서부터 일정 구간을 사용하였다. 토압계는 심도 0.5m, 1m에 수직 및 수평방향으로 설치하여 수직방향 토압과 교대에 작용하는 수평토압의 크기를 측정하고자 하였다. 변위계는 하중을 재하하는 재하판과 재하판 주변의 노반상면에각 3개를 설치하였다.
- 하중재하는 초기단계의 안정화를 위하여 정적재하상태에서 단계적으로 하중을 증가시켜 최대하중(88.5kN×2 actuators)으로 재하한 후, 0.5Hz로 2,000회까지 저속의 반복하중으로 안정화시킨 후 본 시험을 실시하였다.
- 13(a)는 기존 접속구조 교대에 작용하는 수평토압을 재하횟수별로 나타낸 그림이다. 반복횟수는 함수비 변화에 따른 영향도 같이 검토하기 위하여 이백만회 재하횟수 동안의 토압변화를 나타내었다. 심도 1m의 토압특성은 성토 및 다짐 직후에는 22kPa의 토압이 작용하다가 반복재하가 진행되면서 약 45kPa로 증가하여 그 이후에는 반복재하횟수와 상관없이 일정한 경향을 나타낸다.
대상 데이터
- 기존 구조에서 사용한 시멘트처리된 입도조정쇄석은 호남고속철도 현장에서 사용중인 재료를 직접 수급하여 사용하였다. 최대 골재크기, 단위중량, 편장석 함유량, 마모율, 모래당량, 체가름 입도에 대한 시험결과는 아래 Table 1과 같이 호남고속철도 설계지침을 모두 만족한다[7].
- 상부로부터 매 2단을 최소 길이의 등장보강재를 적용하고 매 세 번째 단에는 장척보강재(extended geosynthetics)를 적용하였다. 보강재 인장강도는 통상적으로 생산되는 50kN/m, 100kN/m 강도의 토목섬유를 적용하는 것으로 하였다. 또한 보강재 끝단은 토목섬유를 타원형으로 둥글게 말아 내부에 채움재를 채우는 방식으로 자립도를 확보하였다.
- 사용된 토목섬유는 PET매트로서 최대인장강도는 200kN/m, 단위중량은 2.0kN/m3, 포아슨비는 0.2이다.
- 변위계는 하중을 재하하는 재하판과 재하판 주변의 노반상면에각 3개를 설치하였다. 재하판은 교대 끝단으로부터 1m 이격되어 있으며 폭은 0.33m, 길이는 1.8m이다.
성능/효과
- Fig. 11(a)의 기존 접속구조인 경우, 재하판 위치에서 탄성변위는 약 0.2mm를 나타내고 노반상면에서 별도로 계측한 탄성변위는 각 각 0.05mm, 0.1mm의 값을 나타내어 재하횟수의 증가에 상관없이 안정적인 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. Fig.
- 2) 탄성변위는 기존 접속구조의 경우에는 안정적인 상태를 유지하지만 제안 접속구조인 경우에는 재하횟수의 증가에 따라 재하판에서의 탄성변위가 미소하게 감소하여 소성 거동의 경향을 나타내었지만 노반면에서의 탄성변위는 기존 구조와 동일한 경향을 나타내었다. 재하판에서의 변형특성은 흙자갈재료와 재하면의 안정화과정의 영향인 것으로 판단된다.
- 5) 실물가속시험 결과, 제안 접속구조가 누적침하량 및 탄성변위 측면에서는 기존 접속구조와 동등한 효과를 가지는 것으로 나타났으며, 우수 유입을 고려한 함수비 변화시험에서는 강한 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 특히 수평토압은 최대 90%, 수직토압은 최대 60%의 저감효과가 있는 것으로 나타나 접속부의 구조적 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다.
- 5m에서의 토압특성은 성토 및 다짐 직후에는 14kPa의 토압이 작용하다가 반복재하가 진행되면서 45kPa로 증가하며 재하횟수에 따라 60kPa까지 증가하는 경향을 보이고 있다. 60kPa은 열차하중재하시 최대수직토압과 유사한 범위로써 실제 이론적인 값보다 큰 토압이 작용하는 것으로 나타났다. 백만회 재하 후에 실시한 살수의 영향은 수평토압에서는 나타나지 않았다.
- 1) 접속구조별 반복재하횟수에 따른 침하특성을 비교하기 위하여 동일조건하에서의 누적침하량을 비교하였다. 기존구조와 제안구조가 초기침하량은 다소 차이가 나지만 재하횟수에 따른 침하경향은 차이 없이 수렴하여 모두 안정적인 침하경향을 나타내었다.
- 시험 결과, 기존 구조는 살수시점에서 급격한 침하가 발생하고 그 이후에도 지속적으로 침하가 증가하는 경향을 나타내었다. 반면에 제안 접속구조는 살수의 영향없이 안정적인 침하특성을 나타내어 침하량의 차이가 28% 정도 발생하였다. 이 차이는 기존 접속구조에서는 골재간의 맞물림으로 인한 접촉저항이 함수비가 증가로 급속히 저하되어 발생한 것으로 판단 된다.
- 3) 함수비의 변화에 따른 저항성능 평가를 위하여 가속시험중에 살수를 실시하여 침하특성을 평가하였다. 시험 결과, 기존 구조는 살수시점에서 급격한 침하가 발생하고 그 이후에도 지속적으로 침하가 증가하는 경향을 나타내었다. 반면에 제안 접속구조는 살수의 영향없이 안정적인 침하특성을 나타내어 침하량의 차이가 28% 정도 발생하였다.
- 시험을 수행하였다. 시험결과, 기존 접속구조의 Ev2는 355MPa, 섬유보강형 접속구조는 450MPa로써 지지력은 섬유보강형 접속구조가 더 크게 나타났는데, 그 이유는 채움재의 입도 및 섬유보강효과 등의 영향인 것으로 판단된다.
- 함수비 변화에 따른 영향도 같이 검토하기 위하여 이백만회 재하 동안의 토압변화를 나타내었다. 심도별 토압특성은 성토 및 다짐 직후에는 5kPa이내였으며, 0.5m와 1m 심도에서는 초기 수평토압이 0.1~0.3kPa로 토압이 거의 작용하지 않는 것으로 나타났다. 반복재하가 시작되면서 토압이 증가하는데 10만회까지는 증가하다가 일정한 토압을 유지하는 것을 나타내고 있다.
- 029m3/min)한 후 추가로 백만회 시험을 실시하여 총 이백만회 동안의 누적침하경향을 평가하였다. 이때 기존 접속구조는 조립골재이기 때문에 충분히 함수비가 증가되는 것을 확인하였고 제안 접속구조는 시멘트처리된 다짐토이기 때문에 물의 침투가 어려워 표면에서의 함수비만 증가하는 것으로 나타났다.
- 9mm의 누적침하량만 발생하였다. 제안 접속구조가 기존 접속구조보다 약 28% 의 누적침하량 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
- 4) 교대에 발생하는 수평 및 수직토압의 저감효과를 정량적으로 평가하기 위하여 토압의 변화특성을 검토하였다. 제안 접속구조가 기존 접속구조와 비교하여 수평토압은 75~90%까지 저감되며 수직토압은 약 30~60%까지 저감되는 것을 확인하였다. 이는 토목섬유의 인장보강효과로 인한 것으로 제안 접속구조를 적용할 경우, 교대 및 기초에 미치는 부담력이 작아지므로 경제적인 교대건설을 기대할 수 있다.
- 5) 실물가속시험 결과, 제안 접속구조가 누적침하량 및 탄성변위 측면에서는 기존 접속구조와 동등한 효과를 가지는 것으로 나타났으며, 우수 유입을 고려한 함수비 변화시험에서는 강한 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 특히 수평토압은 최대 90%, 수직토압은 최대 60%의 저감효과가 있는 것으로 나타나 접속부의 구조적 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다.
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