최근 궤도 접속부에서의 부등침하 및 궤도틀림으로 잦은 유지보수 및 열차운영에 지장을 초래하는 경우가 많아지고 있다. 이는 주로 궤도 접속부 시공에 사용되는 다양한 성토재료의 강우나 동결융해 같은 환경적 인자에 의한 역학적 물성들의 변화에 기인한 것으로, 본 연구에서는 궤도 접속부 성토재료에 대한 함수특성곡선을 산정하고 강우 시 포화도 변화 추이를 알아보고자 침투해석을 수행 하였다. 필터페이퍼를 이용하여 다짐 성토의 함수특성곡선을 성공적으로 산정할 수 있었고, 함수특성곡선 데이터를 이용한 강우 시 침투해석을 수행한 결과 궤도 접속부 성토재료의 포화도 분포는 강우강도, 뒤채움재 경사, 성토 및 절토 여부, 그리고 함수특성곡선에 큰 영향을 받는 것을 확인 하였다.
최근 궤도 접속부에서의 부등침하 및 궤도틀림으로 잦은 유지보수 및 열차운영에 지장을 초래하는 경우가 많아지고 있다. 이는 주로 궤도 접속부 시공에 사용되는 다양한 성토재료의 강우나 동결융해 같은 환경적 인자에 의한 역학적 물성들의 변화에 기인한 것으로, 본 연구에서는 궤도 접속부 성토재료에 대한 함수특성곡선을 산정하고 강우 시 포화도 변화 추이를 알아보고자 침투해석을 수행 하였다. 필터페이퍼를 이용하여 다짐 성토의 함수특성곡선을 성공적으로 산정할 수 있었고, 함수특성곡선 데이터를 이용한 강우 시 침투해석을 수행한 결과 궤도 접속부 성토재료의 포화도 분포는 강우강도, 뒤채움재 경사, 성토 및 절토 여부, 그리고 함수특성곡선에 큰 영향을 받는 것을 확인 하였다.
The number of occurrence of differential settlement and track irregularity at track transition zone recently comes to increase, which leads to frequent maintenance activities that have an impact on train operation. Such track transition zone damages are attributed to the change of mechanical propert...
The number of occurrence of differential settlement and track irregularity at track transition zone recently comes to increase, which leads to frequent maintenance activities that have an impact on train operation. Such track transition zone damages are attributed to the change of mechanical properties of fill materials due to environmental factors such as rainfall and freeze, and thaw. Consequently, this study attempts to establish the soil water characteristic curve (SWCC) of fill materials, and conduct seepage analysis to assess the distribution of degree of saturation (DOS) for track transition zone in case of rainfall. The SWCC of fill materials was successfully obtained using filter paper test method. The results of seepage analysis revealed that rainfall intensity, the slope of backfill, backfill condition (fill or cut), and SWCC are significantly influential in controlling the distribution of DOS.
The number of occurrence of differential settlement and track irregularity at track transition zone recently comes to increase, which leads to frequent maintenance activities that have an impact on train operation. Such track transition zone damages are attributed to the change of mechanical properties of fill materials due to environmental factors such as rainfall and freeze, and thaw. Consequently, this study attempts to establish the soil water characteristic curve (SWCC) of fill materials, and conduct seepage analysis to assess the distribution of degree of saturation (DOS) for track transition zone in case of rainfall. The SWCC of fill materials was successfully obtained using filter paper test method. The results of seepage analysis revealed that rainfall intensity, the slope of backfill, backfill condition (fill or cut), and SWCC are significantly influential in controlling the distribution of DOS.
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문제 정의
(1) 본 연구에서는 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험법을 이용하여 현장에서 채취한 노반 재료에 대한 함수특성곡선을 도출하고자 하였다. 특히, 다짐성토의 함수특성을 파악하기 위해서 입도조정을 통한 다짐시험을 하여 최적다짐조건 및 최적다짐조건 기준 건조 및 습윤 조건을 대표할 수 있는 시료를 만들어 측정함으로써 실제 현장에서 예측되는 함수비 변화를 고려한 함수특성곡선을 제시할 수 있는 실험방법을 제안하였다.
따라서, 강우 지속시간은 3일, 강우강도는 25 mm/hr, 50 mm/hr, 100 mm/hr로 나누어 해석을 진행하였다. 본 장에서 수행한 수치해석은 강우강도와 강우 지속시간에 따른 지하수위 및 간극수 압 변화를 알아보고자 하였으며, 이를 바탕으로 포화영역 분포를 확인하였다.
(2012)는 입상재료의 회복탄성계수를 실내 및 현장 비파괴 실험을 통해 산정하였을 때, 두 값들 간의 보정계수를 제안하기 위해서 현장 함수비를 고려한 재료의 함수특성곡선을 이용한 방법을 제시하였다. 이는 회복탄성계수의 현장함수비에 대한 예민비를 고려함으로써 도로의 역학적 설계에 적용하고자 하는 것이다.
이에 본 연구에서는 접속부를 구성하고 있는 일반 토사, 시멘트 처리된 보조도상에 대한 함수특성곡선을 산정하고 침투해석을 실시하여 강우 시 포화도 분포를 확인함으로써, 추후 접속부의 성토재료의 포화도와의 상관관계를 고려한 역학적 설계에 대한 기틀을 마련하고자 한다.
가설 설정
여기서 보정계수 Ad는 상수로써 Eq. (2)에서 알 수 있듯이 최종 불포화토 투수 계수의 산정에는 영향을 미치지 않으므로, 일반적으로 계산 과정의 편의를 위해 1로 가정한다.
제안 방법
(2) 함수특성곡선 및 불포화투수계수 데이터를 이용하여 접속부 쌓기 및 깎기 성토단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 포화도존 분포는 강우지속시간 3일 동안 시간 경과에 따라서 그리고 강우 강도(20, 50, 100 mm/hr)에 비례하여 증가하였다.
ASTM D5298에 명시되어있는 시험방법은 다짐된 시료에 대한 측정법이 명시되어 있지 않으나, 기존의 문헌조사를 통해서 최대입경 4.75 mm를 갖도록 입도조정을 하고 다짐시험을 수행하고 최적 함수비 기준 건조측, 최적함수비, 최적함수비 기준 습윤상태를 갖는 시편을 만들어 실험을 수행 하였다(Bicalho, K. V et al., 2009). 이는 다측점 데이터를 확보하여 보다 정확한 함수특성곡선을 산정하는데 이점이 있다고 판단된다.
본 장에서는 수치해석을 이용하여 철도노반 구조물 접속부의 강우 시 포화도를 분석하였다. 강우 시 구조물 접속부의 포화도를 분석하기 위하여, 침투해석 프로그램인 SEEP/W를 이용하였다. 해석 단면은 일반철도 자갈궤도 표준단면을 이용하였으며, 구조물 접속부의 뒤채움재 경사를 1:1.
6(a)와 같이 해석 단면 상부에 강우를 나타내는 경계면 조건을 주었다. 강우 지속시간은 3일로 설정하였으며, 강우량은 Unit flux = 25 mm/hr, 50 mm/hr, 100 mm/hr 3가지 경우로 일정한 강우가 내리도 록 하였다. 해석 단면 좌측에는 구조물을 나타내는 경계면 조건을 주었으며, 구조물 쪽으로의 물의 흐름은 없다고 보아 그 값을 Total flux 값을 0.
5와 같이 나타내었으며, 전체 크기는 길이 16 m, 높이 7 m로 설정하였다. 구조물 뒤채움재 경사는 쌓기와 깎기 모두 1:1.3, 1:1.5, 1:1.7 세 가지 경우로 나누어 해석을 진행하였다. 해석 단면 좌측 하단에는 유공관을 배치하였으며, 지하수위는 맨 아래에 설정하였다.
본 연구는 접속부를 구성하고 있는 성토재료를 현장에서 채취하여 기본 물성 시험을 수행 하였다. 그리고, 다짐성토의 함수특성곡선을 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험을 이용하여 산정하고 이를 침투해석에 이용하여 일반철도 자갈궤도 접속부 쌓기 및 깎기 다짐성토의 강우 시 침투해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
최근 국내 기후 변화로 짧은 시간에 많은 양의 비가 내리는 국지성 강우가 빈번해지고 있으며 이는 노반토공 시공 단계나 혹은 조성된 사면 구조물의 안정성에 심각한 영향을 미치게 된다. 따라서, 강우 지속시간은 3일, 강우강도는 25 mm/hr, 50 mm/hr, 100 mm/hr로 나누어 해석을 진행하였다. 본 장에서 수행한 수치해석은 강우강도와 강우 지속시간에 따른 지하수위 및 간극수 압 변화를 알아보고자 하였으며, 이를 바탕으로 포화영역 분포를 확인하였다.
본 연구에서는 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험법을 이용하여 함수특성곡선을 산정하였다. 본 시험방법은 ASTM D5298에 근거하고 있으며 텐시오미터나 프레셔 플레이트를 이용하여 모관흡수력(matric suction)을 측정하는 직접적인 방법대신 필터 페이퍼의 시료 수분 증발 및 흡수에 대한 평형상태를 측정하여 간접적으로 모관흡수력을 산정하게 된다(Bulut et al., 2001).
본 시험법에서는 총평형 상태에 이른 필터 페이퍼의 함수량을 측정하고 이를 Fig. 3과 같은 산정식을 이용하여 모관흡수력을 산정하게 되므로, 시험방법에서 제시한 특정 필터 페이퍼를 사용해야 한다. 본 과제에서는 Whatman No.
본 연구에서는 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험법을 이용하여 함수특성곡선을 산정하였다. 본 시험방법은 ASTM D5298에 근거하고 있으며 텐시오미터나 프레셔 플레이트를 이용하여 모관흡수력(matric suction)을 측정하는 직접적인 방법대신 필터 페이퍼의 시료 수분 증발 및 흡수에 대한 평형상태를 측정하여 간접적으로 모관흡수력을 산정하게 된다(Bulut et al.
본 장에서는 수치해석을 이용하여 철도노반 구조물 접속부의 강우 시 포화도를 분석하였다. 강우 시 구조물 접속부의 포화도를 분석하기 위하여, 침투해석 프로그램인 SEEP/W를 이용하였다.
(1) 본 연구에서는 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험법을 이용하여 현장에서 채취한 노반 재료에 대한 함수특성곡선을 도출하고자 하였다. 특히, 다짐성토의 함수특성을 파악하기 위해서 입도조정을 통한 다짐시험을 하여 최적다짐조건 및 최적다짐조건 기준 건조 및 습윤 조건을 대표할 수 있는 시료를 만들어 측정함으로써 실제 현장에서 예측되는 함수비 변화를 고려한 함수특성곡선을 제시할 수 있는 실험방법을 제안하였다.
(2) 함수특성곡선 및 불포화투수계수 데이터를 이용하여 접속부 쌓기 및 깎기 성토단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 포화도존 분포는 강우지속시간 3일 동안 시간 경과에 따라서 그리고 강우 강도(20, 50, 100 mm/hr)에 비례하여 증가하였다.
대상 데이터
해석 단면은 일반철도 자갈궤도 접속부의 표준단면을 이용하였다. 구조물 접속부의 쌓기, 깎기 해석 단면은 Fig. 5와 같이 나타내었으며, 전체 크기는 길이 16 m, 높이 7 m로 설정하였다. 구조물 뒤채움재 경사는 쌓기와 깎기 모두 1:1.
3과 같은 산정식을 이용하여 모관흡수력을 산정하게 되므로, 시험방법에서 제시한 특정 필터 페이퍼를 사용해야 한다. 본 과제에서는 Whatman No. 42 필터페이퍼를 이용하여 실험을 수행하였다. 측정된 체적 함수비와 모관 흡수력간의 관계는 다음과 같이 Fredlund and Xing (1994) 모델을 이용하여 함수특성 곡선을 도출하였다.
본 연구는 접속부를 구성하고 있는 성토재료를 현장에서 채취하여 기본 물성 시험을 수행 하였다. 그리고, 다짐성토의 함수특성곡선을 필터 페이퍼를 이용한 실내 시험을 이용하여 산정하고 이를 침투해석에 이용하여 일반철도 자갈궤도 접속부 쌓기 및 깎기 다짐성토의 강우 시 침투해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 일반철도 노반토공 xx 구간 현장을 방문하여 실내시험을 수행하기 위한 접속부 궤도 성토재료들을 채취하였다. Fig.
강우 시 구조물 접속부의 포화도를 분석하기 위하여, 침투해석 프로그램인 SEEP/W를 이용하였다. 해석 단면은 일반철도 자갈궤도 표준단면을 이용하였으며, 구조물 접속부의 뒤채움재 경사를 1:1.3, 1:1.5, 1:1.7로 바꿔가며 해석을 수행하였다. 최근 국내 기후 변화로 짧은 시간에 많은 양의 비가 내리는 국지성 강우가 빈번해지고 있으며 이는 노반토공 시공 단계나 혹은 조성된 사면 구조물의 안정성에 심각한 영향을 미치게 된다.
데이터처리
4공구, 6공구, 7공구 각각의 함수특성곡선을 적용하고, SEEP/W 프로그램을 이용하여 수치해석을 수행하였으며, 결과 일부를 Tables 5 and 6에 정리하였다. 깎기의 경우 강우량에 따라 4공구, 6공구, 7공구 전부에서 포화영역을 보였는데, 강우강도가 100 mm/hr의 경우 가장 넓은 포화영역을 보였다.
이론/모형
함수특성곡선은 본 연구에서 수행한 필터 페이퍼 실험 결과를 이용하였다. 불포화 투수계수 특성곡선을 산정하기 위해서 Marshall (1958) and Kunze (1968)이 제시한 함수특성곡선을 이용하여 불포화투수계수 특성곡선을 산정하는 방법을 이용하였다. 이 방법에서는 함수특성곡선의 체적함수비 축을 균등하게 분할하여 Eqs.
42 필터페이퍼를 이용하여 실험을 수행하였다. 측정된 체적 함수비와 모관 흡수력간의 관계는 다음과 같이 Fredlund and Xing (1994) 모델을 이용하여 함수특성 곡선을 도출하였다.
성능/효과
(3) 접속부 쌓기부 경우 뒤채움재 경사도가 1:1.7일 경우가 1:1.5 및 1:1.3인 경우보다 포화도존 영역이 확연히 감소하였으며 이는 상대적으로 투수성이 좋은 뒤채움재의 영역이 증가한 결과로 보인다. 반면, 깎기부 경우 경사도에 대한 경향이 일정치 않았으나, 대체적으로 쌓기부에 비해서 동일 강우 조건 및 강우지속시간인 경우 더 많은 포화 영역이 생성되었음을 확인하였다.
(4) 동일한 조건에서 서로 다른 공구에서 얻은 함수특성곡선 데이터의 차이로 포화영역이 다른 것을 확인하였으며, 이는 침투해석 시 함수특성곡선 산정의 중요성을 확인하였다.
3인 경우보다 포화도존 영역이 확연히 감소하였으며 이는 상대적으로 투수성이 좋은 뒤채움재의 영역이 증가한 결과로 보인다. 반면, 깎기부 경우 경사도에 대한 경향이 일정치 않았으나, 대체적으로 쌓기부에 비해서 동일 강우 조건 및 강우지속시간인 경우 더 많은 포화 영역이 생성되었음을 확인하였다. 이는 깎기부 시공 시 엄격한 배수 설계가 요구됨을 확인한 결과라고 보인다.
후속연구
(5) 본 연구에서 산정한 궤도 접속부 성토부의 포화도 분포는 향후 철도노반 역학적 설계 시 필요한 변형계수나 탄성계수와의 상관성 분석을 통해서 강우조건을 고려하였을 경우 장기적인 공용성능을 확인하는 데 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
5 경우 포화영역이 상대적으로 감소하였다. 쌓기 단면과 달리 경사도에 따르른 경향이 일정치 않았으나 대체적으로 쌓기에 비하여 깎기에서의 포화영역이 크므로 배수설계 및 재료성능 향상이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모관흡수력이란?
모관흡수력은 불포화토 지반의 거동특성에 매우 중요한 역할을 하는 설계변수이므로, 불포화토와 관련된 흐름특성, 변형특성 및 강도특성을 적절히 고려하기 위해서는 모관흡수력의 영향을 반드시 고려해야 한다(Fredlund et al., 1994; Vanapalli et al.
함수특성곡선이란?
, 1996). 함수특성곡선은 모관흡수력에 따른 흙 내부의 체적함수비와의 상관관계를 보여주며, 불포화 특성을 결정하는 기본물성이다. 일반적으로 함수특성곡선의 모양은 Fig.
함수특성곡선을 측정하는 방법 중에 직접적 흡수력 측정방법에 대해 설명해주세요
함수특성곡선을 측정하는 방법으로는 직접적 모관 흡수력 측정 방법과 간접적 모관 흡수력 방법으로 나눌 수 있다. 직접적 흡수력 측정방법은 세라믹 디스크 또는 세라믹 컵에 의하여 물과 공기를 단절 시킨 후, 세라믹에 의해 제한된 공기함입 값으로 최대 모관흡수력을 측정한다. 간접적 모관흡수력 측정 방법으로는 대표적으로 필터페이퍼를 이용한 방법과 상대습도 측정기를 이용하여 모관흡수력을 산정하는 방법을 들 수 있다.
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