정혁상
(Department of Railway Construction and Safety Engineering, Dongyang University)
,
한진규
(Chemius Korea)
,
문준식
(Department of Civil Engineering, Kyungpook National University)
,
윤환희
(Department of Civil Engineering, Kyungpook National University)
본 논문에서는 운영 중인 철도노반의 침하에 대응하고자 노반보강 재료와 공법에 대한 내용을 다루었다. 국내에서는 도시철도와 고속철도, 그리고 일반철도에 콘크리트궤도가 도입되고 있지만 최근 시공된 일부구간에서 콘크리트궤도의 노반침하가 발생되고 있고, 유지보수에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 철도 안전운행을 위해 침하된 철도노반의 보강이 시급하지만 현재까지 운영중인 철도노반의 보강에 대한 시공사례는 전무한 상태로서 노반 보강에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 최초로 시도되는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위해 지반보강 재료들을 통해 노반 보강의 목표성능을 선정하였고, 이에 침투성능 및 고결성 주입효과 등을 확인하여 목표성능의 만족여부를 판단하였다. 연구 결과 일반적으로 쓰이는 지반보강재료 및 공법들은 철도노반 보강의 적용을 위해 개선이 필요하다는 것이 확인되었다.
본 논문에서는 운영 중인 철도노반의 침하에 대응하고자 노반보강 재료와 공법에 대한 내용을 다루었다. 국내에서는 도시철도와 고속철도, 그리고 일반철도에 콘크리트궤도가 도입되고 있지만 최근 시공된 일부구간에서 콘크리트궤도의 노반침하가 발생되고 있고, 유지보수에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 철도 안전운행을 위해 침하된 철도노반의 보강이 시급하지만 현재까지 운영중인 철도노반의 보강에 대한 시공사례는 전무한 상태로서 노반 보강에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 최초로 시도되는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위해 지반보강 재료들을 통해 노반 보강의 목표성능을 선정하였고, 이에 침투성능 및 고결성 주입효과 등을 확인하여 목표성능의 만족여부를 판단하였다. 연구 결과 일반적으로 쓰이는 지반보강재료 및 공법들은 철도노반 보강의 적용을 위해 개선이 필요하다는 것이 확인되었다.
This paper discusses about the reinforcement materials and construction method in order to cope with roadbed settlement in operating railway. In Korea, concrete tracks have been introduced to urban railways, high-speed railways, and general railways, but some recently constructed concrete tracks hav...
This paper discusses about the reinforcement materials and construction method in order to cope with roadbed settlement in operating railway. In Korea, concrete tracks have been introduced to urban railways, high-speed railways, and general railways, but some recently constructed concrete tracks have experienced roadbed settlements. Reinforcement of the railway roadbed is urgent task for safe operation of railway, but it is difficult to reinforce the roadbed and there are no case history of reinforcing railway roadbed under an operating railroad track. Therefore, in this study, the target performance level for roadbed reinforcement was determined, and infiltration and solidity injection efficiency were investigated for selected reinforcement materials. As a result of the study, it was found that the generally used reinforcement materials and methods for geotechnical works need to be improved for applying in railway roadbed reinforcement.
This paper discusses about the reinforcement materials and construction method in order to cope with roadbed settlement in operating railway. In Korea, concrete tracks have been introduced to urban railways, high-speed railways, and general railways, but some recently constructed concrete tracks have experienced roadbed settlements. Reinforcement of the railway roadbed is urgent task for safe operation of railway, but it is difficult to reinforce the roadbed and there are no case history of reinforcing railway roadbed under an operating railroad track. Therefore, in this study, the target performance level for roadbed reinforcement was determined, and infiltration and solidity injection efficiency were investigated for selected reinforcement materials. As a result of the study, it was found that the generally used reinforcement materials and methods for geotechnical works need to be improved for applying in railway roadbed reinforcement.
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문제 정의
침투성능 실험은 배합비, 주입압, 투수계수 등의 주입조건에 따른 침투거리를 분석하여 그 결과를 바탕으로 주입시공 시 설계 및 시공의 기초자료로 활용하는 2차원적인 실험 방법이다. 본 연구에서 다양한 지반 보강재료들의 철도노반에 대한 적용가능성여부를 판단하기 위해 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위한 주입성능에 대한 연구 내용을 다루었다. 이에 노반침하에 대한 이론적 배경과 노반침하에 대한 설계기준 분석과 국내외의 철도노반 및 원지반 보강 사례를 파악하고, 철도노반 보강을 위한 인자들을 도출, 보강재료의 종류 및 규격을 선정하여 실내실험을 통한 적용효과 등에 대하여 분석하였으며 그 내용을 요약 정리하면 다음과 같다.
그러므로 노반의 투수계수와 보강재료의 침투성능 파악이 중요하다. 실내실험 시 철도노반을 모사하기 위해 노반의 공학적 성질과 유사한 규사(8호사)를 노반 대체재료로 선정하였는데 이는 반복적인 실내실험 결과에 대한 신뢰성을 높이고, 투수계수가 주된 요소이기 때문에 투수계수를 용이하게 평가하기 위하여 사용하였다. 투수계수에 대한 평가는 KS F 2322에 의거해 공시체를 조성한 후몰드에 넣어 포화시키고, 변수위법으로 투수계수를 측정한 결과 1.
운영 중인 철도노반을 보강하기 위해 우선적으로 콘크리트궤도의 침하원인을 파악하고, 철도설계기준에 따른 잔류허용침하량을 정리해보고자 하였다. 콘크리트궤도에서의 잔류허용침하량의 경우 30mm 이하로 제한하고 있으며 잔류허용침하량 30mm는 예상되는 원지반의 침하량과 성토체의 침하량 및 궤도구조의 침하량(총 25mm) 그리고 열차하중에 의한 침하량(약 5mm)을 포함하고 있다(Korea Rail Network Authority, 2016).
운영 중인 철도에 발생한 노반침하에 대하여 이를 보강하기 위해 기존의 적용사례 조사하였다. 이에 대한 방법으로 보강재료와 공법의 국내외 적용사례를 검토하였고, 노반보강 시에 주안점들에 대해 정리하였다.
운영 중인 철도에 발생한 노반침하에 대하여 이를 보강하기 위해 기존의 적용사례 조사하였다. 이에 대한 방법으로 보강재료와 공법의 국내외 적용사례를 검토하였고, 노반보강 시에 주안점들에 대해 정리하였다. 그러나 콘크리트궤도의 노반을 보강한 사례는 극히 드물기 때문에 자갈궤도 노반 보강 사례까지 포함하여 광범위하게 조사 및 분석을 실시하였다.
따라서 콘크리트궤도의 노반침하에 대한 원인을 파악하고, 운영 중인 철도노반을 급속보강 할 수 있는 보강재료 및 공법의 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위해 우선 철도노반의 투수계수를 파악하였으며 침하된 철도노반 보강을 위한 인자들을 도출하여 지반 보강재료들의 목표성능을 선정하였고, 침투성능 및 고결성 주입성능, 그리고 일축압축강도 등의 실내실험을 통해 목표성능의 만족 여부를 판단하고자 하였다. 이는 추후 철도노반 보강재료 및 공법 개발을 위한 기초적 자료로 활용하고자 한다.
철도노반을 보강하기 위하여 일반적으로 적용하고 있는 지반보강 재료들에 대한 침투성능과 주입효과를 확인하고 이들에 대한 일축압축강도를 확인하였으며 추후 보강재료의 개발 방향을 결정하고자 실내실험을 실시하였다. 실내실험 방법으로는 보강재료들의 침투성능을 확인할 수 있는 침투성능 실험과 주입 시 고결상태를 구근으로 확인할 수 있는 주입실험 그리고 강도를 파악할 수 있는 일축압축강도시험을 실시하였다.
가설 설정
(1) 노반 보강 주입 시 노반과 궤도의 변형이 최소화되어야 한다.
제안 방법
본 연구에서 다양한 지반 보강재료들의 철도노반에 대한 적용가능성여부를 판단하기 위해 실시하였다. Fig. 2와 같이 약액계와 현탁액계로 구분하여 실시하였으며 현탁액의 경우 보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 마이크로시멘트에 대한 침투성능을 확인하였고, 약액형의 경우 실리카졸과 합성실리카 그리고 우레탄계에 대해 침투성능을 확인하였다.
본 실험도 앞선 실험과 같이 현탁액형과 약액형으로 구분하여 실시하였다. 고결성 주입 실험기는 앞선 침투성능 실험기와 같이 압력조절장치와 약액실린더를 더불어 토조와 교반기를 추가하여 구성하였다. 토조의 크기는 직경 50cm, 높이 50cm의 아크릴 셀로 이루어져 있고 2가지의 약액이 교반기로 유입되어 토조에서 분사될 수 있도록 설계되었다.
실험방법은 컬럼하부에 5mm 이하의 조립토(백운석)를 약 2cm 정도 포설하여 하부에서 주입액이 막혀 재료가 분리되는 클로깅현상을 방지하였고, 그 위에 규사를 최대한 다져 넣어 투수계수를 조정하였다. 그 후에 표준배합비에 따라 주입액을 준비하여 A 탱크에 넣고 압력을 주어 압력별 침투높이를 측정하였다. 실험이 끝난 후 다른 약액을 준비하여 동일조건으로 실험해 비교 분석을 실시하였다.
이에 대한 방법으로 보강재료와 공법의 국내외 적용사례를 검토하였고, 노반보강 시에 주안점들에 대해 정리하였다. 그러나 콘크리트궤도의 노반을 보강한 사례는 극히 드물기 때문에 자갈궤도 노반 보강 사례까지 포함하여 광범위하게 조사 및 분석을 실시하였다.
실험 방법으로는 시료토를 준비된 토조안에 소정의 층수로 넣고 투수계수 1×10-4cm/sec를 확보할 수 있도록 다짐을 실시하였다. 다짐이 완료되면 토조의 상부를 덮고 압력(500kPa)을 가해 준비된 약액을 토조안으로 주입시키고, 주입이 완료되면 토조를 해체하여 구근을 확인하였다. Fig.
철도노반에 약액을 주입하기 위해서는 투수계수 파악이 우선이나 설계 및 시공 시 투수계수는 고려사항이 아니기 때문에 노반의 투수계수를 분석한 사례는 없다. 따라서 노반의 주입공법에 대한 목표 침투성능을 결정하기 위해 성토노반의 노반에서 현장투수시험을 실시하였다. 현장투수시험은 콘크리트궤도 하부의 노반을 대상으로 실시하였으며 약 12m, 15m 정도의 성토노반에서 실시하였다.
cm/sec의 노반에 침투가 가능한 약액계 재료가 유효한 것으로 파악되었다. 또한 콘크리트궤도구조(KR C-14040), 자갈궤도구조(KR C-14030)에 의거하여 콘크리트 도상 하부의 노반에 작용하는 허용압력을 산정하여 약 0.13MPa로 도출하였다. 철도설계기준에서 콘크리트궤도에 대한 최대 성토높이는 15m 이하로 제한되어있고, 노반의 단위중량을 20kN/m3으로 가정하였을 경우 0.
고결성 주입실험은 주입대상 시료토에 약액주입 시 어느 정도의 고결성능(구근의 크기, sand-gel의 강도, 유효고결율 등)을 가지는가에 대한 평가하는 3차원적인 실험이다. 본 실험도 앞선 실험과 같이 현탁액형과 약액형으로 구분하여 실시하였다. 고결성 주입 실험기는 앞선 침투성능 실험기와 같이 압력조절장치와 약액실린더를 더불어 토조와 교반기를 추가하여 구성하였다.
철도노반을 보강하기 위하여 일반적으로 적용하고 있는 지반보강 재료들에 대한 침투성능과 주입효과를 확인하고 이들에 대한 일축압축강도를 확인하였으며 추후 보강재료의 개발 방향을 결정하고자 실내실험을 실시하였다. 실내실험 방법으로는 보강재료들의 침투성능을 확인할 수 있는 침투성능 실험과 주입 시 고결상태를 구근으로 확인할 수 있는 주입실험 그리고 강도를 파악할 수 있는 일축압축강도시험을 실시하였다. 또한 지반모사 재료로 A사의 건조규사(8호사)를 사용하였다.
실험 방법으로는 시료토를 준비된 토조안에 소정의 층수로 넣고 투수계수 1×10-4cm/sec를 확보할 수 있도록 다짐을 실시하였다.
9의 개념도와 같이 압력제어장치에서 압력을 조절하여 컬럼의 하부에서 상부로 약액이 침투하도록 되어있다. 실험방법은 컬럼하부에 5mm 이하의 조립토(백운석)를 약 2cm 정도 포설하여 하부에서 주입액이 막혀 재료가 분리되는 클로깅현상을 방지하였고, 그 위에 규사를 최대한 다져 넣어 투수계수를 조정하였다. 그 후에 표준배합비에 따라 주입액을 준비하여 A 탱크에 넣고 압력을 주어 압력별 침투높이를 측정하였다.
그 후에 표준배합비에 따라 주입액을 준비하여 A 탱크에 넣고 압력을 주어 압력별 침투높이를 측정하였다. 실험이 끝난 후 다른 약액을 준비하여 동일조건으로 실험해 비교 분석을 실시하였다.
약액형의 경우 혼합수와 실리카졸, 합성실리카, 그리고 우레탄계에 대하여 실험을 실시하였다. 실리카졸계와 합성 실리카계의 배합비는 표준배합비인 1:1배합을 사용하였다.
06MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 우레탄 공법의 표준배합 겔타임은 약 1분 03초로 나타났으며, 우레탄은 발포 후에 내부에 공극이 있어 강도 측정 시 변형율 30%까지 측정하였다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 호모겔의 경우 1.
운영 중인 철도노반의 보강을 위해 먼저 지반보강 그라우팅 공법과 약액주입 공법에 대해 분석하였다. 약액주입공법은 주입관을 지반에 삽입시키고, 주입재를 적정 압력으로 주입시켜 지반을 고결화하여 지반의 강도를 증진시키기 위한 공법이다.
본 연구에서는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위한 주입성능에 대한 연구 내용을 다루었다. 이에 노반침하에 대한 이론적 배경과 노반침하에 대한 설계기준 분석과 국내외의 철도노반 및 원지반 보강 사례를 파악하고, 철도노반 보강을 위한 인자들을 도출, 보강재료의 종류 및 규격을 선정하여 실내실험을 통한 적용효과 등에 대하여 분석하였으며 그 내용을 요약 정리하면 다음과 같다.
5MPa이었다. 이에 대하여 고결성 주입실험 후 형성된 구근으로 강도를 측정하기에는 유효고결율이 작고 공시체의 성형에 제한이 있어 호모겔과 샌드겔의 공시체를 각각 제작하여 일축압축강도를 측정하였다. 여기서 호모겔이란 주입액 자체가 겔화되어 고체상태가 된 것을 말하고 샌드겔이란 토립자가 약액과 혼합되어 고결된 것을 말한다.
침투성능 실험은 한국산업규격(Korean Industrial Standards)에 규정되어 있지 않다. 이에 실험기기를 제작하여 실시하였다. 침투성능실험기는 크게 공기압축기, 압력 제어판, 시료탱크, 침투용 컬럼으로 구성되어 있다.
일축압축강도 시험 방법은 호모겔과 샌드겔의 형식으로 각각 앞선 실험과 동일한 표준배합비로 배합한 주입재를 5(cm)×5(cm)×5(cm) 크기의 큐빅몰드로 시편을 제작하여 양생을 실시하였고, 시편을 제작 후 2hr, 4hr, 6hr, 8hr, 24hr, 72hr 재령에서 2개의 시편의 일축압축강도를 측정하였다.
주입원리는 시료 탱크에 약액을 넣고 압력제어판에 공기압력을 조절하면 시료탱크에 있는 약액이 침투용 컬럼으로 주입되는 방식이다. 침투용 컬럼의 규격은 외경 50mm, 높이 500mm이며 압력을 주어도 시료유출이 없도록 제작하였고, Fig. 9의 개념도와 같이 압력제어장치에서 압력을 조절하여 컬럼의 하부에서 상부로 약액이 침투하도록 되어있다. 실험방법은 컬럼하부에 5mm 이하의 조립토(백운석)를 약 2cm 정도 포설하여 하부에서 주입액이 막혀 재료가 분리되는 클로깅현상을 방지하였고, 그 위에 규사를 최대한 다져 넣어 투수계수를 조정하였다.
고결성 주입 실험기는 앞선 침투성능 실험기와 같이 압력조절장치와 약액실린더를 더불어 토조와 교반기를 추가하여 구성하였다. 토조의 크기는 직경 50cm, 높이 50cm의 아크릴 셀로 이루어져 있고 2가지의 약액이 교반기로 유입되어 토조에서 분사될 수 있도록 설계되었다. 실험 방법으로는 시료토를 준비된 토조안에 소정의 층수로 넣고 투수계수 1×10-4cm/sec를 확보할 수 있도록 다짐을 실시하였다.
따라서 노반의 주입공법에 대한 목표 침투성능을 결정하기 위해 성토노반의 노반에서 현장투수시험을 실시하였다. 현장투수시험은 콘크리트궤도 하부의 노반을 대상으로 실시하였으며 약 12m, 15m 정도의 성토노반에서 실시하였다. 현장투수계수시험은 시추공 내에서 수위강하법을 이용해 수행하였다.
현재까지 국내에서 운영 중인 콘크리트궤도의 철도노반을 보강한 시공사례가 없기 때문에 노반보강을 위한 설계인자들에 대하여 분석하였고 노반 보강재료의 개발 방향과 목표성능을 설정하는 데 있어 주안점을 분석하였다
현탁액형의 경우 시멘트와 마이크로시멘트를 각각 L.W.공법의 표준배합비로 실험을 실시하였다. 앞서 실험한 침투성능실험과 마찬가지로 클로깅현상이 발생하였고, 토조 해체 후 구근이 형성되지 못한 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
실내실험 방법으로는 보강재료들의 침투성능을 확인할 수 있는 침투성능 실험과 주입 시 고결상태를 구근으로 확인할 수 있는 주입실험 그리고 강도를 파악할 수 있는 일축압축강도시험을 실시하였다. 또한 지반모사 재료로 A사의 건조규사(8호사)를 사용하였다.
적용된공법으로 자천공형 마이크로 파일 공법은 선단부에 교반혼합 헤드가 있는 자천공형 나사 봉강을 사용하고, 원위치 교반 혼합 소일 시멘트 개량체(개량 지름 φ20cm)을 조성하면서 구근에 인장 보강재로 장치하고 지반 내 보강체를 구축하는 공법이다. 시공의 범위는 게이오 본선 센가와역에서 쓰지가 오카역 간이며 연장 약 220m에 해당된다. Fig.
0cm의 침투높이를 보였으며, 그 이상의 압력에 따른 높이의 증가는 그 값이 미미하였다. 우레탄계는 주재인 A액과 경화제인 B액을 각각 실험하였으며, 주재의 경우 500kPa에서 22.5cm, 경화제의 경우 20.2cm가 침투되었다. 위 결과를 종합해 보면 현탁액계의 재료는 노반 보강재료로써 침투주입이 어려울 것으로 보이고, 약액계의 주입재는 저투수계수(1×10-4cm/sec)의 조건에서 침투가 가능한 것으로 분석되었다.
현탁액계의 경우 보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 마이크로 시멘트를 사용하였고, L.W.공법의 표준배합비 중 2배합인 시멘트 200kg, 혼합수 437.5L를 사용하여 실험을 실시하였다. 시료 조성 시 주입을 원활하게 하기 위해 조립토(백운석)을 포설하였지만 두 가지 시멘트재료 모두 Fig.
이론/모형
투수계수에 대한 평가는 KS F 2322에 의거해 공시체를 조성한 후몰드에 넣어 포화시키고, 변수위법으로 투수계수를 측정한 결과 1.77×10-4cm/sec으로 나타났다.
현장투수시험은 콘크리트궤도 하부의 노반을 대상으로 실시하였으며 약 12m, 15m 정도의 성토노반에서 실시하였다. 현장투수계수시험은 시추공 내에서 수위강하법을 이용해 수행하였다. Fig.
성능/효과
(1) 운영 중인 철도노반의 보강사례 조사를 실시한 결과 국내에는 운영 중인 철도노반의 보강사례는 전무하나 몇 차례 설계사례만 있는 것으로 조사되었고, 국외의 경우 자갈궤도에 대한 노반보강의 설계 및 시공사례가 있는 것으로 조사되었다.
(2) 철도노반을 보강하기 위한 보강재료의 설계 시 주안점들에 대해서 분석하였으며 궤도변형을 최소화하기 위한 저압주입(500kPa 이하), 야간 차단시간에 이루어지므로 급속시공(일축압축강도 0.5MPa 확보), 저투수계수 노반(1×10-4cm/sec)에 침투성능이 확보 등이 설계인자로 도출되었다.
(3) 철도노반에 약액주입의 목표 침투성능을 파악을 위해 현장투수시험 결과 노반의 투수계수는 8.0×10-4∼1.2×10-3cm/sec의 범위를 보이고 원지반의 투수계수는 4.7×10-5∼2.9×10-4cm/sec의 범위를 보이는 것으로 분석되었다.
(4) 주입조건에 따른 침투거리를 분석하는 침투성능 실험 결과 저압주입과 저투수층의 조건에서 현탁액형은 클로깅 현상으로 인해 침투가 불가능하였고, 약액형의 경우 20cm∼50cm의 우수한 침투성능을 보였다.
(5) 주입재료의 고결성능을 확인할 수 있는 고결성 주입실험을 실시한 결과 현탁액의 경우 침투성능 실험의 결과와 동일하게 클로깅 현상으로 인해 주입이 되지 않아 구근의 확인이 불가능하였다. 약액형의 경우 약액의 주입으로 인한 구근형성을 확인하였으나 유효고결율이 10% 이내로 낮은 유효고결율을 보여 침투성능에 대한 보완이 필요한 것으로 분석되었다.
(6) 침투성능실험과 고결성 주입실험의 결과를 보았을 때 대부분의 현탁액형의 경우 4시간 강도는 만족하나 침투성능을 만족하지 못하고, 약액형의 경우 침투성능은 만족하나 조기강도를 확보하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 그러나 약액형의 경우 배합비의 변경, 신규 촉진제의 적용 등으로 강도증진이 가능하므로 약액의 개선을 통해 충분히 조기강도를 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
J.S.T. 공법(JRSanwakizai Technique, 일본철도와 삼화기계주식회사가 공동으로 개발한 보강공법)의 적용은 도카이도 본선 가와사키·츠루미 간 20.65km 부근에서 적용된 것으로 확인되었으며 이 구간은 츠루미강 좌측 기슭의 습지대를 매립한 연약지반이기 때문에 궤도의 침하가 발생한 구간으로서 통행이 어려운 구간이다.
L.W.공법의 표준배합 겔타임은 약 1분 18초로 나타났으며, 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 호모겔의 경우 0.08MPa, 샌드겔의 경우 0.45MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 그러나 샌드겔의 일축압축강도는 목표성능에 근접한 것으로 보아 보완을 통해 목표성능을 충분히 만족할 수 있을 것으로 파악된다.
18MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. R.M.G.(Rapid-hardening Multi-fouctional Grouting) 공법의 표준배합 겔타임은 완결배합일 때 약 1분 25초로 나타났으며, 급결배합일 때는 25초로 나타났다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 완결 호모겔의 경우 0.
그러나 샌드겔의 일축압축강도는 목표성능에 근접한 것으로 보아 보완을 통해 목표성능을 충분히 만족할 수 있을 것으로 파악된다. S.G.R.공법의 표준배합 겔타임은 완결배합일 때 약 45초로 나타났으며, 급결배합일 때는 11초로 나타났다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 완결 호모겔의 경우 0.
또한 일본에서 개발된 칼슘알루미네이트계 급결재의 점도는 100cps 정도의 고압주입이고 4시간 재령의 일축압축강도가 0.5MPa이기 때문에 보강재료의 목표사양 점도 50cps에 투수계수 1×10-4cm/sec, 차단시간 내에 일축압축강도 0.5MPa의 목표성능을 도출할 수 있었다.
목표성능으로 제안한 일축압축강도를 측정하기 위해 실시한 시험에서 대부분의 샌드겔 배합의 보강재료들은 목표성능을 만족하지 못한 것으로 나타났다. 현탁액형의 경우 4시간 강도는 만족하나 침투성능을 만족하지 못하고, 약액형의 경우 침투성능은 만족하나 조기강도를 확보하는 것이 어려운 것으로 나타났다.
공법의 표준배합 겔타임은 완결배합일 때 약 45초로 나타났으며, 급결배합일 때는 11초로 나타났다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 완결 호모겔의 경우 0.19MPa, 급결 호모겔의 경우 0.07MPa로 측정 되었고, 완결 샌드겔의 경우 0.18MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. R.
(Rapid-hardening Multi-fouctional Grouting) 공법의 표준배합 겔타임은 완결배합일 때 약 1분 25초로 나타났으며, 급결배합일 때는 25초로 나타났다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 완결 호모겔의 경우 0.82MPa, 급결 호모겔의 경우 1.32MPa로 측정되었고, 완결 샌드겔의 경우 0.72MPa로 측정되어 목표성능을 뛰어넘는 것으로 확인되었다. Fig.
우레탄 공법의 표준배합 겔타임은 약 1분 03초로 나타났으며, 우레탄은 발포 후에 내부에 공극이 있어 강도 측정 시 변형율 30%까지 측정하였다. 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 호모겔의 경우 1.69MPa로 측정되어 목표성능을 만족하는 것으로 확인되었다. Fig.
5L를 사용하여 실험을 실시하였다. 시료 조성 시 주입을 원활하게 하기 위해 조립토(백운석)을 포설하였지만 두 가지 시멘트재료 모두 Fig. 10과 같이 시멘트 입자가 막히는 클로깅 현상이 발생하였고, 혼합 수만 침투되는 현상이 나타났다. 이는 저압(500kPa 이하)과저투수층(투수계수 1×10-4cm/sec) 조건에서 현탁액계는 침투가 불가능한 것으로 분석되었다.
실리카졸계와 합성 실리카계의 배합비는 표준배합비인 1:1배합을 사용하였다. 실험결과 혼합수의 경우 저압(50kPa)에서 컬럼의 최대 높이인 50cm까지 침투되었고, 실리카졸 공법에서 사용되는 약액인 YGS의 침투성능 실험을 한 결과 500kPa에서 42.8cm까지 침투되는 것으로 확인되었다. 합성실리카의 경우 CGS의 침투성능은 300kPa에서 20.
또한 유효고결율(실제 고결된 시료토의 체적/주입대상 시료토의 체적×100)을 산정하였을 때 10% 내외로 나타났다. 우레탄계의 실험 결과 구근의 크기는 지름으로 약 18cm, 높이 50cm로 동일하였으며 유효고결율도 동일한 것으로 나타났다.
위 결과를 종합해 보면 현탁액계의 재료는 노반 보강재료로써 침투주입이 어려울 것으로 보이고, 약액계의 주입재는 저투수계수(1×10-4cm/sec)의 조건에서 침투가 가능한 것으로 분석되었다.
13MPa로 도출하였다. 철도설계기준에서 콘크리트궤도에 대한 최대 성토높이는 15m 이하로 제한되어있고, 노반의 단위중량을 20kN/m3으로 가정하였을 경우 0.3MPa의 수직응력이 발생하는 것으로 산정되었으며 차단시간(4hr) 내에 노반 보강재료의 일축 압축강도는 0.5MPa로 산정할 수 있다. 또한 일본에서 개발된 칼슘알루미네이트계 급결재의 점도는 100cps 정도의 고압주입이고 4시간 재령의 일축압축강도가 0.
14는 약액계를 사용한 공법들의 일축압축강도를 그래프로 보여주고 있다. 합성실리카 공법의 경우 강도가 떨어지는 추세를 보이고 우레탄 공법은 저압강도 측정으로 인한 미세한 편차는 발생하였으나 증가하는 추세를 보이는 것으로 확인되었다.
합성실리카 공법의 표준배합 겔타임은 약 10초로 나타났으며, 목표성능인 4시간 재령 일축압축강도는 호모겔의 경우 0.06MPa, 샌드겔의 경우 0.06MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 우레탄 공법의 표준배합 겔타임은 약 1분 03초로 나타났으며, 우레탄은 발포 후에 내부에 공극이 있어 강도 측정 시 변형율 30%까지 측정하였다.
현탁액형의 경우 4시간 강도는 만족하나 침투성능을 만족하지 못하고, 약액형의 경우 침투성능은 만족하나 조기강도를 확보하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 현탁액형은 입자의 크기에 의해 침투능력이 제한되므로 개선의 여지가 매우 적으나, 약액형은 주재 대비 경화제 또는 촉진제의 배합비율을 변경, 신규 촉진제의 적용 등 약액의 개선에 따라서 강도증진이 가능하므로 이러한 개선을 통해 충분히 조기강도 확보가 가능할 것으로 사료된다.
목표성능으로 제안한 일축압축강도를 측정하기 위해 실시한 시험에서 대부분의 샌드겔 배합의 보강재료들은 목표성능을 만족하지 못한 것으로 나타났다. 현탁액형의 경우 4시간 강도는 만족하나 침투성능을 만족하지 못하고, 약액형의 경우 침투성능은 만족하나 조기강도를 확보하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 현탁액형은 입자의 크기에 의해 침투능력이 제한되므로 개선의 여지가 매우 적으나, 약액형은 주재 대비 경화제 또는 촉진제의 배합비율을 변경, 신규 촉진제의 적용 등 약액의 개선에 따라서 강도증진이 가능하므로 이러한 개선을 통해 충분히 조기강도 확보가 가능할 것으로 사료된다.
후속연구
(8) 향후 철도노반 보강재료에 대한 개발에 있어서 개발단계에 검토되고 있는 일축압축강도 뿐만 아니라 기준에 명시된 강성에 대한 충분한 연구가 이루어져야 할 것이다.
45MPa로 측정되어 목표성능을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 그러나 샌드겔의 일축압축강도는 목표성능에 근접한 것으로 보아 보완을 통해 목표성능을 충분히 만족할 수 있을 것으로 파악된다. S.
이에 본 연구에서는 운영 중인 철도노반을 보강하기 위해 우선 철도노반의 투수계수를 파악하였으며 침하된 철도노반 보강을 위한 인자들을 도출하여 지반 보강재료들의 목표성능을 선정하였고, 침투성능 및 고결성 주입성능, 그리고 일축압축강도 등의 실내실험을 통해 목표성능의 만족 여부를 판단하고자 하였다. 이는 추후 철도노반 보강재료 및 공법 개발을 위한 기초적 자료로 활용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자갈궤도의 단점은?
자갈궤도는 초기건설비용이 비교적 저렴하지만 주기적인 관리가 필요하기 때문에 유지비용이 크고, 부등침하와 자갈의 비산으로 인한 열차훼손 등의 단점을 지니고 있어 유지보수비용이 적은 콘크리트궤도를 적용하고 있는 추세이다. 이미 국내에서는 도시철도와 경부고속철도 2단계 구간과 호남고속철도의 전 구간 등 콘크리트궤도가 도입되었다.
팽창성-팩그라우팅의 장점은?
팽창성-팩그라우팅의 보강원리는 침하된 철도노반을 팽창압에 의해 상부노반을 복원함으로써 상부지반뿐만 아니라 주변지반의 압밀효과를 기대할 수 있다. 또한 노반침하에 대한 복원은 겔타임, 주입량, 그리고 주입압으로 조절이 가능하다는 장점을 지니고 있다. Fig.
팽창성-팩그라우팅 공법이란?
팽창성-팩그라우팅 공법 역시 시공사례는 없고, 설계사례만 있는 것으로 확인되었다. 팽창성-팩그라우팅 공법은 일반적으로 비탈면의 보강에 적용하는 팩 앵커보강 공법을 철도노반에 적용하는 공법이다. 팽창성-팩그라우팅의 보강원리는 침하된 철도노반을 팽창압에 의해 상부노반을 복원함으로써 상부지반뿐만 아니라 주변지반의 압밀효과를 기대할 수 있다.
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