RAR(Reinforced Abutment for Railways)은 뒤채움을 선 시공하고, 교대를 후 시공하여 접속부의 침하와 교대 수평토압 및 변위를 저감할 수 있는 교대 구조로 교대 구체 및 저판의 사이즈와 말뚝의 설치 수를 줄인 경제적인 교대 구조이다. 본 논문에서는 말뚝 설치 수에 따른 RAR의 성능을 수치 해석을 이용하여 평가하였다. 말뚝의 설치 수를 1~4열을 적용한 RAR을 지반 변형계수를 달리한 조건에 대하여 수치 해석을 수행하고, 그 결과를 동일한 지반 조건에서 기존 교대의 수치해석결과와 비교, 분석하였다. 해석결과 말뚝 설치 수를 증가시키는 경우 접속부 침하저감 효과는 비교적 크지 않았고, 교대수평변위 및 토압 저감에 더 효과적인 것으로 나타났다. 말뚝 설치 열 수가 1~4열로 변할 때 RAR의 수평변위는 기존교대의 26~37%, 수평토압은 59~83%수준으로 말뚝 설치수가 증가할수록 기존교대(말뚝5열)에 비해 수평변위와 토압을 크게 저감할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 RAR의 수평 토압은 보강재, 말뚝, 기초저판, 원지반 강성 등의 영향을 복합적으로 받는 것으로 평가되었다.
RAR(Reinforced Abutment for Railways)은 뒤채움을 선 시공하고, 교대를 후 시공하여 접속부의 침하와 교대 수평토압 및 변위를 저감할 수 있는 교대 구조로 교대 구체 및 저판의 사이즈와 말뚝의 설치 수를 줄인 경제적인 교대 구조이다. 본 논문에서는 말뚝 설치 수에 따른 RAR의 성능을 수치 해석을 이용하여 평가하였다. 말뚝의 설치 수를 1~4열을 적용한 RAR을 지반 변형계수를 달리한 조건에 대하여 수치 해석을 수행하고, 그 결과를 동일한 지반 조건에서 기존 교대의 수치해석결과와 비교, 분석하였다. 해석결과 말뚝 설치 수를 증가시키는 경우 접속부 침하저감 효과는 비교적 크지 않았고, 교대수평변위 및 토압 저감에 더 효과적인 것으로 나타났다. 말뚝 설치 열 수가 1~4열로 변할 때 RAR의 수평변위는 기존교대의 26~37%, 수평토압은 59~83%수준으로 말뚝 설치수가 증가할수록 기존교대(말뚝5열)에 비해 수평변위와 토압을 크게 저감할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 RAR의 수평 토압은 보강재, 말뚝, 기초저판, 원지반 강성 등의 영향을 복합적으로 받는 것으로 평가되었다.
The RAR (Reinforced Abutment for Railways) is an economical abutment to reduce the settlement of a transitional zone and horizontal displacement of an abutment by constructing backfill before the abutment. In this paper, the performance of the RAR depending on the pile installation was evaluated usi...
The RAR (Reinforced Abutment for Railways) is an economical abutment to reduce the settlement of a transitional zone and horizontal displacement of an abutment by constructing backfill before the abutment. In this paper, the performance of the RAR depending on the pile installation was evaluated using 2D (Dimensional) finite element analysis and compared with the existing abutment (with 5 rows pile). Numerical analysis showed that increasing pile installation is more effective in reducing horizontal displacement and earth pressure than settlement of the transitional zone. The horizontal displacement and earth pressure of the RAR was approximately 26~37% and 59~83% compared to the existing abutment by changing the pile installation. More pile installation led to a greater reduction of the horizontal displacement and earth pressure of the RAR. In addition, the horizontal earth pressure of RAR is influenced considerably by the reinforcement, pile, foundation, and stiffness of the ground.
The RAR (Reinforced Abutment for Railways) is an economical abutment to reduce the settlement of a transitional zone and horizontal displacement of an abutment by constructing backfill before the abutment. In this paper, the performance of the RAR depending on the pile installation was evaluated using 2D (Dimensional) finite element analysis and compared with the existing abutment (with 5 rows pile). Numerical analysis showed that increasing pile installation is more effective in reducing horizontal displacement and earth pressure than settlement of the transitional zone. The horizontal displacement and earth pressure of the RAR was approximately 26~37% and 59~83% compared to the existing abutment by changing the pile installation. More pile installation led to a greater reduction of the horizontal displacement and earth pressure of the RAR. In addition, the horizontal earth pressure of RAR is influenced considerably by the reinforcement, pile, foundation, and stiffness of the ground.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 토목섬유로 보강된 교대의 말뚝기초의 축소에 따른 교대 및 접속부의 거동을 확인할 수 있는 연구가 필요하다. 이에 본 논문에서는 RAR에서의 말뚝의 영향을 파악하기 위한 2D 수치해석을 수행하였다. 말뚝기초의 규모를 달리한 RAR을 모델링하고 교대 및 접속부의 거동과 교대의 토압을 기존교대의 결과와 비교, 검토하였다.
제안 방법
8N[5]을 적용하여 연약지반부터 양호한 지반까지 표현할 수 있도록 선정하였다. RAR은 기존 교대와 동일 조건에서 말뚝 수 감소가 교대와 접속부에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 지반변형계수 10, 20, 30, 40MPa에 대해 말뚝 열을 1, 2, 3,4열로 변환하여 적용한 총 16케이스에 대하여 수치해석을 수행하였다(Table 1). Fig.
말뚝기초의 규모를 달리한 RAR을 모델링하고 교대 및 접속부의 거동과 교대의 토압을 기존교대의 결과와 비교, 검토하였다. 또한 다양한 지반변형계수를 적용하여 지반조건에 따라 변화하는 말뚝의 영향도 파악할 수 있도록 하였다.
또한 동일 높이의 기존교대에 대해서도 지반의 변형계수를 10∼40MPa로 변화한 수치해석을 수행하여 RAR의 결과와 비교할 수 있도록 하였다.
이에 본 논문에서는 RAR에서의 말뚝의 영향을 파악하기 위한 2D 수치해석을 수행하였다. 말뚝기초의 규모를 달리한 RAR을 모델링하고 교대 및 접속부의 거동과 교대의 토압을 기존교대의 결과와 비교, 검토하였다. 또한 다양한 지반변형계수를 적용하여 지반조건에 따라 변화하는 말뚝의 영향도 파악할 수 있도록 하였다.
먼저 RAR 및 접속부의 거동을 기존 교대와 비교할 수 있도록 지반 변형계수 10, 20, 30, 40MPa에 대하여 높이 12m, 말뚝 5열의 역T형 교대를 Fig.2와 같이 모델링하였다.
본 논문에서는 2차원 유한요소법을 이용하여 RAR(Reinforced Abutment for Railroads)을 지반의 변형계수를 10∼40MPa, 말뚝 열 수를 1∼4로 변화시킨 수치해석을 수행하였다.
보강재는 지오그리드 모델을 사용하여 모델링하였다. 설계인장강도 60kN/m의 토목섬유보강재를 고려하여 J=1,000kN/m의 물성을 적용하였다. 기준틀은 플레이트 모델을 사용하여 모델링 하였고, 기준틀에 사용되는 직경 13mm의 철근 11개를 고려하여 EA=1.
지반 변형계수는 산정식 E=2.8N[5]을 적용하여 연약지반부터 양호한 지반까지 표현할 수 있도록 선정하였다. RAR은 기존 교대와 동일 조건에서 말뚝 수 감소가 교대와 접속부에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 지반변형계수 10, 20, 30, 40MPa에 대해 말뚝 열을 1, 2, 3,4열로 변환하여 적용한 총 16케이스에 대하여 수치해석을 수행하였다(Table 1).
지반조건 및 말뚝 설치 수에 따른 교대 및 접속부의 거동을 분석하기 위하여 2D 유한요소 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 8.
대상 데이터
기준틀은 플레이트 모델을 사용하여 모델링 하였고, 기준틀에 사용되는 직경 13mm의 철근 11개를 고려하여 EA=1.46×105kN, EI=1.542kN·m2를 적용하였다.
데이터처리
지반조건 및 말뚝 설치 수에 따른 교대 및 접속부의 거동을 분석하기 위하여 2D 유한요소 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 8.0을 활용하였다.
이론/모형
뒤채움, 교대, 지반, 말뚝기초 등은 15 Node, Plane stain 요소를 이용하여 모델링하였으며, 적용된 재료 모델과 물성치는 Table 3과 같다. 보강재는 지오그리드 모델을 사용하여 모델링하였다. 설계인장강도 60kN/m의 토목섬유보강재를 고려하여 J=1,000kN/m의 물성을 적용하였다.
성능/효과
1) RAR의 말뚝 설치수가 증가함에 따라 교대 접속부의 침하는 감소하고, 지반 변형계수가 낮을수록 침하 저감 효과가 높은 것으로 나타났다. 접속부의 침하 저감에는 말뚝 설치수의 증가보다는 지반개량이 더 효과적인 것으로 나타났다.
2) RAR의 말뚝 설치수가 증가함에 따라 교대 수평변위는 말뚝 1열에서 4열로 증가할 때 19.7~28.4% 저감되는 것으로 나타났고, 지반변형계수가 낮을수록 교대 수평변위 저감효과가 높은 경향을 보였다. 기존교대와 비교했을 때, RAR의 수평변위는 열차하중 재하 단계에서 기존교대의 26~37% 수준으로 나타나 RAR의 교대 수평변위 제어 성능이 탁월한 것으로 나타났다.
3) RAR의 배면에서 발생하는 최대 수평토압은 기존교대 대비 59~83% 수준으로 나타났다. RAR의 토압은 흙쌓기로 인한 토체의 토압뿐만 아니라 보강재, 말뚝, 기초저판, 원지반 강성 등의 영향을 복합적으로 받는 것으로 나타났다.
말뚝의 허용 수평변위 기준 15mm를 적용하는 경우 지반변형 계수 10MPa의 지반에서 말뚝이 1열, 2열을 적용하는 경우를 제외하고는 모두 허용 값 미만의 수평변위를 보였다. RAR의 수평변위는 기존교대 대비 26~37% 수준으로 나타나 RAR의 교대 수평변위 제어 성능이 탁월한 것으로 나타났다. 이는 RAR에서는 보강재를 이용하여 뒤채움을 선 시공하기 때문에 뒤채움으로 인해 교대에 작용하는 토압이 매우 작기 때문인 것으로 볼 수 있다.
5%저감되는 것으로 나타났으며, 지반변형계수가 낮을수록 침하 저감 효과가 높은 경향을 보였다. 결과로부터 연약지반 상에 시공되는 경우를 제외하면 RAR의 말뚝을 감소시켜도 접속부 침하가 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다.
4% 저감되는 것으로 나타났고, 지반변형계수가 낮을수록 교대 수평변위 저감효과가 높은 경향을 보였다. 기존교대와 비교했을 때, RAR의 수평변위는 열차하중 재하 단계에서 기존교대의 26~37% 수준으로 나타나 RAR의 교대 수평변위 제어 성능이 탁월한 것으로 나타났다.
말뚝기초 수가 증가할수록 작은 교대 수평변위를 보였다. 말뚝 1열에서 4열 설치로 증가할 때 교대 수평변위는 19.7~28.4% 저감되는 것으로 나타났으며, 지반변형계수가 낮을수록 교대 수평변위 저감 효과가 높은 경향을 보였다.
지반변형계수 증가에 따른 접속부 침하 감소효과는 지반변형계수가 10MPa에서 20MPa로 증가할 때 40% 저감, 30MPa에서 40MPa로 증가할 때 16% 저감으로 지반변형계수가 낮을수록 높게 나타났다. 말뚝 1열에서 4열 설치로 증가할 때 교대 접속부에서 발생하는 침하는 3.4~10.5%저감되는 것으로 나타났으며, 지반변형계수가 낮을수록 침하 저감 효과가 높은 경향을 보였다. 결과로부터 연약지반 상에 시공되는 경우를 제외하면 RAR의 말뚝을 감소시켜도 접속부 침하가 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다.
5는 말뚝기초 수와 지반변형 계수에 따른 열차하중 재하 단계에서 교대의 최대 수평변위를 나타낸 그래프이다. 말뚝기초의 열이 증가할수록 지반변형 계수가 증가할수록 교대의 수평변위가 낮게 나타났다. 지반변형계수 증가에 따른 교대 수평변위 감소효과는 지반변형계수가 10MPa에서 20MPa로 증가할 때 40%, 30MPa에서 40MPa로 증가할 때 21% 저감되는 것으로 나타났다.
분석결과 RAR에서는 말뚝과 기초의 저항역할을 보강재가 분담할 수 있으므로 교대 말뚝과 기초를 축소할 수 있는 가능성을 확인하였다. 향후 RAR의 실측 경험이 축적되면 기초 축소로 인한 교대의 경제적인 설계와 시공이 가능할 것으로 기대된다.
1) RAR의 말뚝 설치수가 증가함에 따라 교대 접속부의 침하는 감소하고, 지반 변형계수가 낮을수록 침하 저감 효과가 높은 것으로 나타났다. 접속부의 침하 저감에는 말뚝 설치수의 증가보다는 지반개량이 더 효과적인 것으로 나타났다.
이는 교대 배면에서 지반보다 강성이 높은 교대 저판이 차지하는 범위가 증가함에 따라 뒤채움재의 변형을 억제하여 수평토압의 감소가 이루어 진 것으로 판단된다. 지반 변형계수가 10MPa에서 40MPa로 증가함에 따라 RAR 배면의 최대 수평토압은 28.1~30.4% 감소된 값을 보여, 원지반 강성 또한 RAR 배면의 토압에 영향을 주는 것을 확인하였다.
말뚝기초의 열이 증가할수록 지반변형 계수가 증가할수록 교대의 수평변위가 낮게 나타났다. 지반변형계수 증가에 따른 교대 수평변위 감소효과는 지반변형계수가 10MPa에서 20MPa로 증가할 때 40%, 30MPa에서 40MPa로 증가할 때 21% 저감되는 것으로 나타났다. 말뚝기초 수가 증가할수록 작은 교대 수평변위를 보였다.
지반변형계수가 클수록 접속부 침하가 감소하는 경향을 보였다. 지반변형계수 증가에 따른 접속부 침하 감소효과는 지반변형계수가 10MPa에서 20MPa로 증가할 때 40% 저감, 30MPa에서 40MPa로 증가할 때 16% 저감으로 지반변형계수가 낮을수록 높게 나타났다. 말뚝 1열에서 4열 설치로 증가할 때 교대 접속부에서 발생하는 침하는 3.
4는 말뚝기초 열 별로 지반변형 계수에 따른 열차 하중 재하 단계에서 접속부 상단의 침하를 나타낸 그래프이다. 지반변형계수가 클수록 접속부 침하가 감소하는 경향을 보였다. 지반변형계수 증가에 따른 접속부 침하 감소효과는 지반변형계수가 10MPa에서 20MPa로 증가할 때 40% 저감, 30MPa에서 40MPa로 증가할 때 16% 저감으로 지반변형계수가 낮을수록 높게 나타났다.
최대 수평토압이 크게 줄어든 말뚝기초를 4열로 적용하는 경우는 저판의 길이가 크게 증가하므로 단순 말뚝 열의 증가는 RAR 배면의 토압에 큰 영향을 주지 않고, 저판의 길이의 영향을 더 많이 받는 것으로 분석되었다. 이는 교대 배면에서 지반보다 강성이 높은 교대 저판이 차지하는 범위가 증가함에 따라 뒤채움재의 변형을 억제하여 수평토압의 감소가 이루어 진 것으로 판단된다.
후속연구
교대에 작용하는 토압을 저감하면 교대 구체뿐만 아니라 말뚝 및 기초의 규모를 축소하여도 안정성을 확보하면서 경제적인 설계가 가능할 것으로 예상된다. 따라서 토목섬유로 보강된 교대의 말뚝기초의 축소에 따른 교대 및 접속부의 거동을 확인할 수 있는 연구가 필요하다.
분석결과 RAR에서는 말뚝과 기초의 저항역할을 보강재가 분담할 수 있으므로 교대 말뚝과 기초를 축소할 수 있는 가능성을 확인하였다. 향후 RAR의 실측 경험이 축적되면 기초 축소로 인한 교대의 경제적인 설계와 시공이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교대에 작용하는 토압을 저감할 시 기대되는 효과는?
교대에 작용하는 토압을 저감하면 교대 구체뿐만 아니라 말뚝 및 기초의 규모를 축소하여도 안정성을 확보하면서 경제적인 설계가 가능할 것으로 예상된다. 따라서 토목섬유로 보강된 교대의 말뚝기초의 축소에 따른 교대 및 접속부의 거동을 확인할 수 있는 연구가 필요하다.
교대의 안정성 확보 및 경제적인 설계를 하기 위해 어떤 연구가 필요한가?
교대에 작용하는 토압을 저감하면 교대 구체뿐만 아니라 말뚝 및 기초의 규모를 축소하여도 안정성을 확보하면서 경제적인 설계가 가능할 것으로 예상된다. 따라서 토목섬유로 보강된 교대의 말뚝기초의 축소에 따른 교대 및 접속부의 거동을 확인할 수 있는 연구가 필요하다. 이에 본 논문에서는 RAR에서의 말뚝의 영향을 파악하기 위한 2D 수치해석을 수행하였다.
RAR의 특징은?
RAR(Reinforced Abutment for Railways)은 교대 높이의 35% 길이의 짧은 보강재와 기준틀을 이용하여 토공 및 접속부를 선 시공하고, 방치기간을 두어 토체를 안정화시킨 후 토체의 침하가 수렴되면 교대를 시공하는 공법으로(Fig.1) 교대 구체의 두께와 말뚝을 포함한 기초의 규모를 줄여 경제적인 설계 및 시공이 가능한 공법이다. 기존 연구에서는 기존 교대 대비 교대 구체를 700mm, 말뚝수를 60% 감소시킨 RAR의 2D 수치해석을 수행하여 침하, 수평변위 및 수평토압 저감 효과를 검증하고, 교대 슬림화 가능성을 검토한 바 있다(김대상 등, 2015)[1].
참고문헌 (6)
D. S. Kim, R. G. Jeong, "A Study on Response Characteristics for the Reinforced abutment for Railroads by Numerical analyses", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 11, pp. 7949-7956, 2015. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.11.7949
Watanabe K., Tateyama M., Yonezawa T., Aoki H., Tatsuoka F., Koseki J., "Shaking Table tests on a new type bridge abutment with geogrid- reinforced cement treated backfill", Proc. of 7th International Conference on Geosynthetics Society, vol. 1, pp. 119-122, 2002.
I. W. Lee, W. I. Choi, K. H. Cho, K. M. Lee, K. C. Min, "Real-scale Accelerated Testing to Evaluate long-term Performance for Bridge/ Earthwork Transition Structure Reinforced by Geosynthetics and Cement Treated Materials", Journal of the Korean Society for Railway, vol. 17, no. 4, pp. 251-259, August, 2014. DOI: https://doi.org/10.7782/JKSR.2014.17.4.251
C. H. Yoo, C. Y. Choi, S. B. Yang, Y. G. Park, "Comparison of Construction Cost and External Stability of Railway Abutment wall with Friction Angle of Backfill Materials", Journal of Korean Geosynthetics Society, vol. 15, no. 4, pp. 67-76, September, 2016. DOI: https://doi.org/10.12814/jkgss.2016.15.3.067
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.