최찬용
(High Speed Railway Infrastructure System Research Center, Korea Railraod Research Institute)
,
김현기
(High Speed Railway Infrastructure System Research Center, Korea Railraod Research Institute)
,
양상범
(High Speed Railway Infrastructure System Research Center, Korea Railraod Research Institute)
,
김병일
(Research Institute, Expert Group for Earth & Environment)
본 연구에서는 철도 교대를 위한 표준단면을 선정하고, 선정된 단면에 대하여 토압산정방법과 내부마찰각에 따른 직배면과 가상배면에 작용하는 주동토압을 비교 분석하였다. 또한, 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압을 이용하여 내부마찰각에 따른 교대의 외적 안정성, 부재력 및 경제성을 분석하였다. 본 연구로부터 가상배면에서의 주동토압은 직배면에서의 주동토압보다 크며, 내부마찰각이 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있었다. 기존토압(Rankine, Coulomb, 시행쐐기법) 및 개량토압(개량시행쐐기법) 모두 내부마찰각이 증가함에 따라 부재력은 크게 감소하였고, 경제성은 향상되는 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 철도 교대를 위한 표준단면을 선정하고, 선정된 단면에 대하여 토압산정방법과 내부마찰각에 따른 직배면과 가상배면에 작용하는 주동토압을 비교 분석하였다. 또한, 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압을 이용하여 내부마찰각에 따른 교대의 외적 안정성, 부재력 및 경제성을 분석하였다. 본 연구로부터 가상배면에서의 주동토압은 직배면에서의 주동토압보다 크며, 내부마찰각이 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있었다. 기존토압(Rankine, Coulomb, 시행쐐기법) 및 개량토압(개량시행쐐기법) 모두 내부마찰각이 증가함에 따라 부재력은 크게 감소하였고, 경제성은 향상되는 것으로 평가되었다.
In this study, a standard section of a railway bridge abutment wall was designed to satisfy the external stability condition in accordance with the design criteria; this design was used to compare and analyze the active earth pressure and to calculate various types of earth pressure acting on the vi...
In this study, a standard section of a railway bridge abutment wall was designed to satisfy the external stability condition in accordance with the design criteria; this design was used to compare and analyze the active earth pressure and to calculate various types of earth pressure acting on the virtual back (wall, plane) according to the frictional angle of the backfill materials. Also, the external stability, member force and construction cost were analyzed according to the frictional angle of the backfill materials using various theories of earth pressure such as Rankine, Coulomb, Trial Wedge, and Improved Trial Wedge. As for the results, it was found that lateral earth pressure at the virtual back plane was higher than at the virtual back wall, and that these values decreased with the increase of the frictional angle of the backfill materials. The increasing of the frictional angle of the backfill materials decreased the active earth pressure (according to Rankine, Coulomb, Trial Wedge, and Improved Trial Wedge results), and the member force as well as the construction cost were reduced.
In this study, a standard section of a railway bridge abutment wall was designed to satisfy the external stability condition in accordance with the design criteria; this design was used to compare and analyze the active earth pressure and to calculate various types of earth pressure acting on the virtual back (wall, plane) according to the frictional angle of the backfill materials. Also, the external stability, member force and construction cost were analyzed according to the frictional angle of the backfill materials using various theories of earth pressure such as Rankine, Coulomb, Trial Wedge, and Improved Trial Wedge. As for the results, it was found that lateral earth pressure at the virtual back plane was higher than at the virtual back wall, and that these values decreased with the increase of the frictional angle of the backfill materials. The increasing of the frictional angle of the backfill materials decreased the active earth pressure (according to Rankine, Coulomb, Trial Wedge, and Improved Trial Wedge results), and the member force as well as the construction cost were reduced.
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문제 정의
본 논문에서는 시멘트안정처리골재의 내부마찰각에 따른 교대에 작용하는 토압과 안정성을 평가하는 것이 목적이기 때문에 기존 문헌을 바탕으로 일축압축강도를 통해 내부마찰각을 추정하였다. Terzaghi & Peck [15]에 의하면 일축압축강도와 N치의 상관관계를 흙의 강도에 따라 구분하였으며, 본 논문에서는 qu>400kPa 이상이기 때문에 딱딱한 지반상태로 추정하였으며, 이를 바탕으로 Table 7과 같은 상관관계를 통해 qu=33.
이에 본 연구에서는 뒤채움재의 마찰각을 35°, 40°, 45°로 향상 시킬 경우 교대단면 축소 등으로 인한 경제성 효과를 검토하였다.
가설 설정
따라서 본 논문에서 시멘트안정처리골재의 내부마찰각을 최대 45°로 가정하여 교대 설계를 수행하였다.
본 연구에서 적용한 표준 단면은 최소 안전율을 기반으로 하여 안정검토시의 토압은 뒷굽에서부터 연직의 가상면에 작용하는 것으로 가정하여 Rankine 토압을 사용하였고, 벽체 설계시 Coulomb 토압을 사용하여 교대를 설계하였다(표에서 “Existing”으로 표현)
6N을 적용하였다. 시멘트안정처리골재 3일 양생 후 일축압축강도가 2,070kPa로 볼 때 N값은 약 61.6으로 가정하였다. 이를 식(1)[14]을 이용하여 내부마찰각을 추정하면 약 45.
제안 방법
Terzaghi & Peck [15]에 의하면 일축압축강도와 N치의 상관관계를 흙의 강도에 따라 구분하였으며, 본 논문에서는 qu>400kPa 이상이기 때문에 딱딱한 지반상태로 추정하였으며, 이를 바탕으로 Table 7과 같은 상관관계를 통해 qu=33.6N을 적용하였다.
38°수준이었다. 그러나 시멘트의 경우 양생이 되면서 강도가 증가하기 때문에 양생 후의 내부마찰각의 변화를 보기 위하여 3일, 7일 양생별 대형전단시험을 실시하고자 하였으나, 시멘트 안정처리된 골재가 경화됨에 따라 전단시험을 할 수 없어 일축압축시험을 수행하였다. 일축압축강도시험은 시험방법(KS F 2405)을 적용하여 시험을 실시하였으며, 시편의 크기는 100(D)×200(H)이다.
이와 같이 교대 단면 설계에서 단면의 크기를 결정하는 주동토압은 매우 중요한 설계과정이라고 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 주동토압을 구하는 주요인자인 뒤채움재료의 내부마찰각을 35, 40, 45도 변화시켜가며, Rankine, Coulomb, Trial Wedge, Improved Trial Wedge 등 다양한 토압이론을 통해 주동토압의 산정하여 크기를 비교하였으며, 이를 바탕으로 교대 외적안정성과 부재력을 비교분석하였다. 또한 내부마찰각에 따른 최소안전율을 만족하는 최적의 단면을 설계하여 공사비를 분석하여 내부마찰각에 따른 공사비 저감 정도를 평가하였다.
따라서 본 논문에서는 주동토압을 구하는 주요인자인 뒤채움재료의 내부마찰각을 35, 40, 45도 변화시켜가며, Rankine, Coulomb, Trial Wedge, Improved Trial Wedge 등 다양한 토압이론을 통해 주동토압의 산정하여 크기를 비교하였으며, 이를 바탕으로 교대 외적안정성과 부재력을 비교분석하였다. 또한 내부마찰각에 따른 최소안전율을 만족하는 최적의 단면을 설계하여 공사비를 분석하여 내부마찰각에 따른 공사비 저감 정도를 평가하였다.
본 연구에서는 12m 높이의 교대를 대상으로 최소안전율을 기반으로 하여 표준단면을 선정하고 선정된 표준 단면에 대하여 다양한 토압이론을 적용하여 내부마찰각에 따른 직배면과 가상배면에 작용하는 주동토압을 비교 분석하였다. 또한, 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압을 이용하여 내부마찰각에 따른 외적 안정성, 부재력 및 경제성을 분석하였다. 본 연구로부터 도출된 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
4 참조). 본 단면을 통해 내부마찰각 변화에 따른 토압, 부재력 및 경제성을 비교하였다.
본 연구에서는 12m 높이의 교대를 대상으로 최소안전율을 기반으로 하여 표준단면을 선정하고 선정된 표준 단면에 대하여 다양한 토압이론을 적용하여 내부마찰각에 따른 직배면과 가상배면에 작용하는 주동토압을 비교 분석하였다. 또한, 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압을 이용하여 내부마찰각에 따른 외적 안정성, 부재력 및 경제성을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 철도 교대에 대하여 일반화된 교대를 대상으로 하였다. 적용한 교대의 설계하중과 설계조건은 Table 8과 같다.
적용한 교대의 설계하중과 설계조건은 Table 8과 같다. 표에 제시한 바와 같이 교대 높이 12m, 허용 전도안전율 2.0, 활동안전율 1.5, 허용지지력 600kN(상시), 900kN(지진시)를 만족하는 표준 교대단면을 내부마찰각별로 Fig. 4와 같이 선정하였다. 표준단면은 기초높이 1.
이론/모형
내부마찰각 변화에 따른 교대단면에 작용하는 주동토압의 변화를 검토하고자 4가지의 토압이론(Rankine, Coulomb, 쐐기법, 개량시행쐐기법)을 적용하였다. Table 9에는 토압이론별 가상배면과 직배면에서 작용하는 전체 주동토압, 주동토압 연직성분(이하 연직토압, Pav), 주동토압 수평성분(이하 수평토압, Pah), 작용각(°), 토압계수(Ka)를 제시하였다.
일축압축강도시험은 시험방법(KS F 2405)을 적용하여 시험을 실시하였으며, 시편의 크기는 100(D)×200(H)이다.
성능/효과
(1) 다양한 토압이론을 이용하여 내부마찰각 변화에 따라 교대 표준단면에 작용하는 주동토압을 산정한 결과, 가상배면에 작용하는 토압이 직배면에서의 토압보다 크며, 내부마찰각이 증가함에 따라 주동토압은 감소하는 것으로 나타났다. 토압이론별 가상배면에서의 주동토압은 Rankine과 개량시행쐐기법이 유사한 결과를 도출하였고, Coulomb과 시행쐐기법이 유사한 값을 평가하였다.
(2) 교대 표준단면에 대하여 내부마찰각 변화에 따른 외적 안정성을 평가한 결과 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압 모두 설계기준을 만족하였다. 특히, 표준 교대단면에 대한 외적 안정성 검토시 토압계수의 경우 Rankine과 개량시행쐐기법이 유사하여 외적 안정성에 해당하는 안전율이 유사한 것으로 판단된다.
(3) 기존토압을 적용하여 내부마찰각 변화에 따른 표준 교대단면에 대한 경제성을 분석한 결과 내부마찰각 35°를 기준으로 5° 씩 증가함에 따라 경제성은 2.2%에서 5.5%까지 향상되는 것으로 평가되었다.
(4) 기존토압을 적용한 경우 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 7.36%에서 최대 46.49%까지 감소되는 것으로 분석되며, 개량시행쐐기법의 토압을 적용한 경우 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 7.72%에서 최대 46.33%까지 감소되는 것으로 분석된다.
(5) 기존토압과 개량시행쐐기법을 적용하여 교대 표준단면에 대하여 주동토압, 외적 안정성, 경제성 등을 평가한 결과로부터 불규칙한 교대형상 및 지표형상을 고려할 수 있고, 작용각에 대한 가정을 하지 않고 이론적으로 산정할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 철도 교대의 실제 거동에 가장 근접한 평가를 할 수 있는 개량시행쐐기법을 향후 관련 설계기준에 채용할 필요가 있는 것으로 판단된다.
Table 14는 대상 단면에 대하여 개량시행쐐기법을 적용한 경우에 대한 부재력 검토 결과이다. 개량토압을 적용하여 부재력을 검토한 결과 내부마찰각이 증가함에 따라 부재력은 최소 7.72%에서 최대 46.33%까지 감소되는 것으로 분석된다. Table 15은 부재력 검토 결과를 내부마찰각 35°을 기준으로 계산된 부재력의 감소율이다.
98%로 평가되었다. 계수하중을 이용한 부재력 감소율은 모멘트 최대일 경우 27.47~46.33%, 축력 최대일 경우 27.55~45.77%로 평가되었다. 본 논문에서 선정한 표준 단면의 경우 부재력은 내부마찰각이 5°증가시 구조물에 외적 작용하는 토압은 반대로 감소함에 따라 이로 인해 구조물 부재력 또한 감소가 되는 것으로 분석되었다.
55%까지 감소하는 것을 확인하였다. 계수하중을 적용한 경우 부재력은 모멘트 최대일 경우 27.63~46.49%, 축력 최대일 경우 27.70~45.92%까지 감소하는 것을 확인하였다. Table 14는 대상 단면에 대하여 개량시행쐐기법을 적용한 경우에 대한 부재력 검토 결과이다.
기존토압을 적용하여 부재력을 검토 결과 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 7.36%에서 최대 46.49%까지 감소되는 것으로 분석된다.
따라서, 내부마찰각이 5°증가함에 따라 기존 토압과 개량토압에서의 부재력 감소율은 유사한 비율로 감소하는 것으로 분석되었으며 이는 부재력에 가장 큰 영향을 미치는 토압 중 기존 및 개량토압계수가 별 차이가 없어 이런 결과가 돌출되었으리라 판단된다.
또한, 개량시행쐐기법(표에서“Improvement”으로 표현)의 토압을 적용한 안전율은 전도 4.62~5.13, 활동 2.58~3.53, 지지력 1.41~1.36으로 기존 토압법과 같이 설계기준을 만족하였다.
본 논문에서 선정한 표준 단면의 경우 부재력은 내부마찰각이 5°증가시 구조물에 외적 작용하는 토압은 반대로 감소함에 따라 이로 인해 구조물 부재력 또한 감소가 되는 것으로 분석되었다.
Table 15은 부재력 검토 결과를 내부마찰각 35°을 기준으로 계산된 부재력의 감소율이다. 사용하중을 이용한 부재력 감소율은 모멘트 최대일 경우 8.21~19.20%, 축력 최대일 경우 7.72~19.98%로 평가되었다. 계수하중을 이용한 부재력 감소율은 모멘트 최대일 경우 27.
49%까지 감소되는 것으로 분석된다. 사용하중을 적용한 경우 부재력은 모멘트 최대일 경우 7.97~18.9%, 축력 최대일 경우 7.36~19.55%까지 감소하는 것을 확인하였다. 계수하중을 적용한 경우 부재력은 모멘트 최대일 경우 27.
Table 9에는 토압이론별 가상배면과 직배면에서 작용하는 전체 주동토압, 주동토압 연직성분(이하 연직토압, Pav), 주동토압 수평성분(이하 수평토압, Pah), 작용각(°), 토압계수(Ka)를 제시하였다. 전체 주동토압의 경우 가상 배면과 직배면에서 Rankne 토압이 가장 크게 산정되는 경향을 보였고, Coulomb 토압이 가장 작게 산정되는 경향을 보였다. 주동토압의 경우 Fig.
수평토압은 내부마찰각이 35°에서 45°로 증가함에 따라 감소하였다. 토압이론별 가상배면의 주동토압은 Rankine과 개량시행쐐기법이 유사한 것으로 평가되었고, Coulomb과 시행 쐐기법이 유사한 것으로 평가되었다. 직배면에 작용하는 전체 주동토압, 연직토압, 수평토압은 시행쐐기법과 개량시행쐐기법이동일하였다.
후속연구
(5) 기존토압과 개량시행쐐기법을 적용하여 교대 표준단면에 대하여 주동토압, 외적 안정성, 경제성 등을 평가한 결과로부터 불규칙한 교대형상 및 지표형상을 고려할 수 있고, 작용각에 대한 가정을 하지 않고 이론적으로 산정할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 철도 교대의 실제 거동에 가장 근접한 평가를 할 수 있는 개량시행쐐기법을 향후 관련 설계기준에 채용할 필요가 있는 것으로 판단된다.
따라서, 내부마찰각이 5°증가함에 따라 기존 토압과 개량토압에서의 부재력 감소율은 유사한 비율로 감소하는 것으로 분석되었으며 이는 부재력에 가장 큰 영향을 미치는 토압 중 기존 및 개량토압계수가 별 차이가 없어 이런 결과가 돌출되었으리라 판단된다. 이러한 결과를 볼 때 현행 설계법과 큰 차이를 나타내지 않는다는 것이 검증된 바, 교대단면의 형상이 복잡하거나 파괴형태가 복잡한 경우 등 뒷굽을 가지는 교대 구조물에서 실제 거동을 가장 잘 설명할 수 있는 개량시행쐐기법을 적용하는 것이 지반공학적 측면에서 바람직할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토압을 받는 지반구조물에서 설계 작용력을 결정하는 핵심요소에는 무엇이 있는가?
옹벽, 교대, 토류구조물과 같이 토압을 받는 지반구조물에서 설계 작용력을 결정하는 핵심요소로는 교대 형상, 교대에 작용하는 수평력, 뒤채움재료와 구조물 벽면간의 벽마찰각, 뒤채움재의 지표경사각 및 내부마찰각 등이 있다. 특히 교대의 경우에는 지반과 상부조건에 따라 박스형, 역T형, 반중력식 교대 등 형태가 다양하기 때문에 작용하는 토압은 매우 상이하다고 할 수 있다.
벽체 배면에 작용하는 토압은 어떻게 산정되는가?
일반적으로 벽체 배면에 작용하는 토압은 Coulomb의 토압이론과 뒤채움 내부의 가상배면에서 토압을 작용시키는 Rankine토압으로 구하고 있으며, Kim [2]는 벽체와 뒤채움간의 상대변위의 적용여부에 따라 적당한 토압으로 구하여야 정확한 토압을 산정할 수 있다고 하였다. 또한, 뒤채움 흙의 지표가 수평인 캔틸레버식 옹벽에서 극한평형상태가 되었을 때, 가상배면을 따라 흙이 상하로 상대적인 변위를 일으키는 것이 아니라 횡 방향으로 팽창되면서 극한소성평형상태로 발전하여 가상배면에서의 마찰력이 발생하지 않기 때문에 작용하는 토압은 Rankine 토압이론을 적용하는 것이 합리적이라고 하였다.
내부마찰각에 따른 외적 안정성, 부재력 및 경제성 분석 결과는 무엇인가?
(2) 교대 표준단면에 대하여 내부마찰각 변화에 따른 외적 안정성을 평가한 결과 기존토압과 개량시행쐐기법의 토압 모두 설계기준을 만족하였다. 특히, 표준 교대단면에 대한 외적 안정성 검토시 토압계수의 경우 Rankine과 개량시행쐐기법이 유사하여 외적 안정성에 해당하는 안전율이 유사한 것으로 판단된다.
(3) 기존토압을 적용하여 내부마찰각 변화에 따른 표준 교대단면에 대한 경제성을 분석한 결과 내부마찰각 35°를 기준으로 5° 씩 증가함에 따라 경제성은 2.2%에서 5.5%까지 향상되는 것으로 평가되었다.
(4) 기존토압을 적용한 경우 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 7.36%에서 최대 46.49%까지 감소되는 것으로 분석되며, 개량시행쐐기법의 토압을 적용한 경우 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 7.72%에서 최대 46.33%까지 감소되는 것으로 분석된다.
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