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문제 정의
- 본 연구에서 사용한 메틸렌 블루 동결심도계는 당초 스웨덴의 Gandahl이 개발한 것으로서[9] 메틸렌 블루 시약이 상온에서는 푸른색이지만 기온이 영하로 떨어지면 흰색으로 변하는 성질을 이용하는 것이다. 이 장치를 철도 현장에 설치하기 편리하게 개량, 제조하였다.
- 지중의 얼음 때문에 상부지반이 녹으면서 생긴 물이 잘 소산되지 못하는데 이러한 과정에서 과잉간극수압이 발생하고 지반침하현상이 일어난다. 이러한 현상을 융해침하라고 한다. 융해침하에 의해서도 철도 시설물이 파손된다.
제안 방법
- 2012년 겨울(2011년 12월 13일-2012년 02월 28일)과 2013년 겨울(2012년 11월 23일-2013년 02월 19일) 동안 각 지역 자갈궤도의 동결심도를 측정하였다. 본 연구에서 측정한 이 기간의 태백, 영월, 제천, 연천, 철원의 자갈궤도 최대동결심도는 태백 101cm, 영월 86cm, 제천 87cm, 연천 99cm, 철원에서 97cm였다.
- PE골재 혼합 아스콘층을 설치할 때는 미리 기본형 자갈궤도 설치 지면보다 지반을 15cm 더 깊게 판 후, 19mm PE골재를 아스콘 골재량의 2.5%(중량비)만큼 추가한 PE골재 혼합 아스콘 보강층을 가로, 세로 각각 60cm이고 두께 15cm 크기로 설치하였다.
- XPS를 설치할 때는 당초부터 기본형 설치 지점의 하부지반을 10cm 더 깊게 파고 가로, 세로 각각 60cm에 두께 10cm인 XPS를 설치하였다.
- 본 연구에서는 철도궤도가 도로포장과는 다른 재료 및 형태로 구성되어 있다는 점을 감안하여 철도가 통과하는 바로 옆 부지에 모형 자갈궤도와 모형 콘크리트궤도를 설치하였다. 그런 후 메틸렌 블루 동결심도계로 겨울철에 동결심도를 측정하는 한편 측량기(레벨)로 자갈궤도와 콘크리트궤도의 동상량도 측정하였다. 아울러 두 종류의 궤도에 대한 동결지수와 동결심도의 관계를 분석하였고, 동결심도와 동상량을 이용하여 동상율을 구하였다.
- 본 연구에서는 철도궤도가 도로포장과는 다른 재료 및 형태로 구성되어 있다는 점을 감안하여 철도가 통과하는 바로 옆 부지에 모형 자갈궤도와 모형 콘크리트궤도를 설치하였다. 그런 후 메틸렌 블루 동결심도계로 겨울철에 동결심도를 측정하는 한편 측량기(레벨)로 자갈궤도와 콘크리트궤도의 동상량도 측정하였다.
- 본 연구에서는 태백에 한 곳, 영월에 한 곳, 제천에 한 곳, 연천에 두 곳, 철원 에 한 곳 등 총 6개 철도 현장에 실험용 자갈궤도 8개 및 실험용 콘크리트궤도 8개를 설치한 후 겨울철에 동결심도와 동상량을 측정하였고, 그 결과 분석을 통해 다음 사실을 알 수 있었다.
- 그런 후 메틸렌 블루 동결심도계로 겨울철에 동결심도를 측정하는 한편 측량기(레벨)로 자갈궤도와 콘크리트궤도의 동상량도 측정하였다. 아울러 두 종류의 궤도에 대한 동결지수와 동결심도의 관계를 분석하였고, 동결심도와 동상량을 이용하여 동상율을 구하였다.
- 이 장치를 실험용 자갈궤도 및 콘크리트궤도에 매설한 후(Fig. 1, Fig. 2) 겨울철에 해당 현장을 여러 차례 방문하여 메틸렌 블루 시약이 흰색으로 변한 부분까지의 깊이를 측정하여 기록하였다. 측정된 깊이 중에서 최대치를 그 해 해당지역의 최대동결심도로 취하였다.
- 자갈궤도 및 콘크리트궤도 각 실험 현장의 동결지수는 해당지역 기상대 또는 가장 가까운 곳의 기상대에서 측정한 일 평균 기온을 사용하여 산출한 후 기상대와 실험현장의 지반고의 차를 고려하여 수정한 보정동결지수를 사용하였다. 기상대에서 측정한 해당 연도 일평균 기온으로부터 동결지수를 산정하는 방법은 Orlando 등[11]의 저서에 자세히 소개되어 있다.
- 자갈궤도 타입 II와 타입 III는 철원 백마고지역에만 설치한 후, 같은 백마고지역내의 자갈궤도 타입 I의 동결심도 및 동상량과 비교하였다. 자갈궤도용 자갈은 철도 현장의 자갈을 그대로 사용하였다.
- 자갈궤도는 가로, 세로 각 60cm이고 높이 30cm인 자갈로 구성되어 있는 기본형(타입 I)과 기본형 하부에 두께 10cm의 XPS 단열재를 설치한 형태(타입 II), 기본형 하부에 두께 15cm의 PE골재(polyethylene aggregate) 혼합 아스콘층을 설치한 형태(타입 III) 등 3가지 형태로 만들었다.
- 철원 백마고지역 실험장에서만 자갈궤도와 콘크리트궤도의 타입별로 하부 노반의 동상 발생에 따른 융기량(동상량)을 측정하였다.
- 태백, 제천, 영월, 연천에는 콘크리트궤도(타입 I)만 2011년 12월 12일~12월 13일에 해당 지역 철도의 바로 옆 부지에 설치하였다. 철원 백마고지역에는 모든 콘크리트궤도(타입 I, 타입 II, 타입 III)를 2012년 11월 23일 백마고지역 철도 종점 부지에 설치하여 콘크리트궤도 타입별 동결심도와 동상량을 비교하였다.
대상 데이터
- 과거에 동상이 자주 발생했던 태백, 영월, 제천, 철원의 철도 현장에 각각 한 곳과 연천 철도 현장에 두 곳 등 총 6개 철도 현장에 실험용 모형 자갈궤도 8개 및 모형 콘크리트궤도 8개를 설치하였다.
- 메틸렌 블루의 치수는 참고문헌[10]에 잘 나와 있다. 본 연구에서는 메틸렌 블루 시약을 0.03% 농도로 제조하여 사용하였다.
- 실험용 콘크리트궤도는 Table 1에서 보는 바와 같이 모두 TCL(Track Concrete Layer), HSB(Hydraulic Subbase), 보조도상, 입도조정층으로 구성하였다. 콘크리트궤도의 타입과 관계없이 TCL과 HSB 및 입도조정층의 크기와 두께는 모두 같고, 보조도 상의 크기도 같은데 단지 보조도상의 두께만 타입 I은 30cm, 타입 II는 40cm, 타입 III는 50cm 되게 차별하여 설치하였다.
- 실험용 콘크리트궤도는 실제 호남고속철도 건설현장의 평지형 콘크리트궤도와 동일한 재료, 동일한 골재 배합비, 동일한 두께로 만들었고, 콘크리트궤도의 보조도상과 입도조정층용 골재도 호남고속철도 건설현장에서 사용한 것과 동일한 재질과 입도의 것을 사용하였다.
- 이에 앞서 2012년 11월 23일 철원 백마고지역 궤도 하부 노반의 흙을 채취하여 토질시험을 실시하였다. 그 결과는 Table 6과 같다.
- 태백, 제천, 영월, 연천의 기본형 자갈궤도(타입 I)는 2011년 12월 12일~12월 13일 각 지역 철도 바로 옆의 부지에 설치하였다. 철원 백마고지역 자갈궤도(타입 I, 타입 II, 타입 III)는 2012년 11월 23일 백마고지역내의 철도 종점 바로 옆 부지에 설치하였다.
- 태백, 제천, 영월, 연천에는 콘크리트궤도(타입 I)만 2011년 12월 12일~12월 13일에 해당 지역 철도의 바로 옆 부지에 설치하였다. 철원 백마고지역에는 모든 콘크리트궤도(타입 I, 타입 II, 타입 III)를 2012년 11월 23일 백마고지역 철도 종점 부지에 설치하여 콘크리트궤도 타입별 동결심도와 동상량을 비교하였다.
- 태백, 제천, 영월, 연천의 기본형 자갈궤도(타입 I)는 2011년 12월 12일~12월 13일 각 지역 철도 바로 옆의 부지에 설치하였다. 철원 백마고지역 자갈궤도(타입 I, 타입 II, 타입 III)는 2012년 11월 23일 백마고지역내의 철도 종점 바로 옆 부지에 설치하였다.
성능/효과
- (1) 본 현장 모형실험에서 동일한 동결지수일 때 기본형 자갈궤도보다 기본형 콘크리트궤도에서 동결심도는 더 깊게 나타났고, 동상량은 동일하였으며, 동상율은 더 작은 경향을 보였다.
- (2) 콘크리트궤도 보조도상의 두께를 증대시킬 경우 동결심도와 동상량, 동상율이 모두 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 자갈궤도 하부에 XPS 단열재(두께 10cm)를 설치한 결과 동결심도와 동상량, 동상율이 모두 감소하였다.
- (4) 자갈궤도 하부에 PE골재를 혼합한 아스콘층(두께 15cm)을 설치한 경우에도 동결심도와 동상량, 동상율이 상당량 감소하였다.
- (5) 2012년 11월부터 2013년 2월까지의 겨울철에 실시한 모형 자갈궤도와 모형 콘크리트궤도에 대한 현장실험 결과, 동결지수 581.4°C·day 이상의 추위가 밀려오는 우리나라 북부지역 철도현장에는 현행 강화노반 두께 기준(KR C-04020;2012.12.5)보다 자갈궤도 및 콘크리트궤도 하부의 보조도상이나 입도조정층의 두께를 늘리거나 혹은 단열층을 설치하여 동결심도가 상부노반까지 침투하는 것을 차단하는 방안도 검토할 필요성이 있는 것으로 나타났다.
- 동결지수 118°C·day일 때 콘크리트궤도의 동결심도가 90.5cm인데 비해 자갈궤도의 동결심도는 54cm였고, 동결지수가 348°C·day일 때 콘크리트궤도의 동결심도가 120.3cm인데 비해 자갈궤도의 동결심도는 89cm였으며, 동결지수가 581.4°C·day인 때는 콘크리트궤도의 동결심도가 122.3cm인데 비해 자갈궤도의 동결심도는 97cm로 나타나 어떠한 경우에도 자갈궤도의 동결심도보다 콘크리트궤도의 동결심도가 더 깊게 나타났다.
- 모형 자갈궤도에 대한 동결심도, 동상량, 동상율 측정 및 결과 분석을 통해 자갈궤도 하부에 단열재를 설치할 경우 동결심도와 동상량, 동상율을 동시에 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
- 2012년 겨울(2011년 12월 13일-2012년 02월 28일)과 2013년 겨울(2012년 11월 23일-2013년 02월 19일) 동안 각 지역 자갈궤도의 동결심도를 측정하였다. 본 연구에서 측정한 이 기간의 태백, 영월, 제천, 연천, 철원의 자갈궤도 최대동결심도는 태백 101cm, 영월 86cm, 제천 87cm, 연천 99cm, 철원에서 97cm였다.
- 이 실험을 통해 두께 10cm인 XPS 단열재를 자갈궤도 하부에 설치할 경우 동결지수 384°C·day나 494°C·day되는 추위까지는 동결심도 차단 효과가 매우 크며, 동결지수 581.4°C·day되는 추위에서도 동결심도가 상당량 감소함을 알 수 있었다.
- 이 실험을 통해 콘크리트궤도의 보조도상의 두께를 기본형보다 증대시키면 동결지수 581.4°C·day의 추위에서 동결심도, 동상량 및 동상율이 모두 감소하는 효과가 나타남을 알 수 있었다.
- 이러한 이유는 콘크리트궤도보다 간극을 더 많이 포함한 자갈궤도 하부로 찬 공기가 침투하기 더 어렵기 때문으로 풀이된다. 즉, 동결심도는 건설 재료의 열전도율에 큰 영향을 받는데 자갈궤도는 자갈과 자갈 사이에 공기를 다량 포함하고 있으므로 콘크리트궤도보다 전체적인 열 차단 효과가 있고, 그 결과 동결심도가 얕게 나타난 것으로 풀이된다.
- 한편 본 실험에서는 단단하고 열전도율이 낮은 PE골재[10]를 혼합한 아스콘층을 자갈궤도 밑에 설치하여도 동결심도 차단 효과가 크게 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 6에서 제시한 철도 궤도에 대한 동결심도 산정식은 2 개년 겨울 동안의 짧은 기간 측정 자료를 통해 얻은 실험식으로서 측정 데이터가 그다지 많지 않다는 한계가 있다. 그러나 향후 지속적인 추가 측정을 할 경우 철도 궤도용 동결심도 산정 모델이 될 수도 있을 것으로 판단된다.
- 철도 노반의 동상을 방지하는 몇 가지 기술이 동토 국가에서 적용되고 있는데 국내에서 가장 널리 이용되고 있는 방법은 동상성(frost susceptibility)의 흙을 동상이 발생하지 않는 모래나 자갈로 치환하는 방법이다. 치환공법을 적용할 때 노상이나 노반을 어느 정도의 깊이까지 치환할 것인지 판단하기 위해서는 해당 지역의 동결심도를 알아야 하므로 철도 자갈궤도나 콘크리트 궤도에 대한 동결심도 산정식의 연구가 필요하다.
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