고속철도 콘크리트궤도의 일부 토공구간 침하 원인으로 지하수위 저하가 보고되었다. 이에 본 연구에서는 현장 계측 값과 수치해석을 통하여 지하수위 저하에 따른 침하 영향을 분석하였다. 시행착오법을 이용한 역해석을 통해 구성된 수치해석 모델을 이용하여 지하수위 저하, 연약층의 두께, 성토고에 따른 잔류침하거동을 검토하였다. 4m이상의 연약층이 존재할 경우, 지하수위 저하에 의한 원지반침하량은 30mm이상으로 예상되어 설계 및 시공단계에서 지하수위 거동에 의한 침하도 설계시 고려되어야 할 것으로 보인다.
고속철도 콘크리트궤도의 일부 토공구간 침하 원인으로 지하수위 저하가 보고되었다. 이에 본 연구에서는 현장 계측 값과 수치해석을 통하여 지하수위 저하에 따른 침하 영향을 분석하였다. 시행착오법을 이용한 역해석을 통해 구성된 수치해석 모델을 이용하여 지하수위 저하, 연약층의 두께, 성토고에 따른 잔류침하거동을 검토하였다. 4m이상의 연약층이 존재할 경우, 지하수위 저하에 의한 원지반침하량은 30mm이상으로 예상되어 설계 및 시공단계에서 지하수위 거동에 의한 침하도 설계시 고려되어야 할 것으로 보인다.
Groundwater drawdown was pointed out as one of the causes of induced settlement on high speed railways, especially concrete track. In this study, the effect of groundwater variation on settlement was evaluated through a comparison of field measurements with numerical analysis results. A trial and er...
Groundwater drawdown was pointed out as one of the causes of induced settlement on high speed railways, especially concrete track. In this study, the effect of groundwater variation on settlement was evaluated through a comparison of field measurements with numerical analysis results. A trial and error method, i.e., repeated numerical analyses by changing material properties, was used to calibrate the model. The model was applied to investigate the effect of groundwater drawdown, thickness of soft layer, and embankment height on residual settlement after concrete track completion. A soft layer thicker than 4m would result in more than 30mm of settlement; a detailed analysis of groundwater behavior thus should be conducted from the design stage to construction.
Groundwater drawdown was pointed out as one of the causes of induced settlement on high speed railways, especially concrete track. In this study, the effect of groundwater variation on settlement was evaluated through a comparison of field measurements with numerical analysis results. A trial and error method, i.e., repeated numerical analyses by changing material properties, was used to calibrate the model. The model was applied to investigate the effect of groundwater drawdown, thickness of soft layer, and embankment height on residual settlement after concrete track completion. A soft layer thicker than 4m would result in more than 30mm of settlement; a detailed analysis of groundwater behavior thus should be conducted from the design stage to construction.
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문제 정의
본 논문에서는 수치해석과 현장계측을 통해 지하수위 변동이 침하에 미치는 영향을 검토하였다. 연약층과 지하수위 저하량에 따라서 침하량은 증가하였으나, 성토고와는 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다.
대상지역은 호남고속철도 구간 중 침하가 비교적 크게 발생하고, 지표 및 원지반침하의 계측데이터가 있는 구간을 선정하였다. 이로부터 지하수위 저하가 침하에 미치는 영향 및 주요원인 중에 하나임을 밝히고자 하였다.
이에 본 논문에서는 지하수위 저하에 따른 침하량을 정량적으로 분석하여 지하수위 저하가 성토구간의 침하에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 또한 지하수위 저하와 연관이 있는 성토고와 연약층의 두께를 함께 고려하여 지하수위 저하에 따른 침하량을 고속철도의 콘크리트 침하기준인 30mm와 비교하여 성토구간의 지반 및 지하수위 조건에 따른 예상침하량을 제시하였다.
가설 설정
궤도부설 이전의 침하는 궤도의 침하에 영향을 미치지 않는다. 궤도 부설이후에 발생하는 침하량이 콘크리트 궤도의 침하와 연관된다.
또한 성토체 자체의 침하량에 대한 정확한 예측이 어렵고, Lee 등[1]은 성토체가 기준에 적합하게 시공될 경우, 침하량이 미미하다고 하였다. 따라서 본 논문에서는 설계 및 시공기준에 적합하게 시공된 성토체를 가정하여, 성토체 자체에서 발생하는 압축침하는 미미하다고 가정하였다.
궤도부설 30일 이후부터 현장상황을 고려하여 20일 동안 지하수위를 저하시켰으며, 저하된 지하수위를 1년동안 유지시키면서 추가 침하량을 계산하였다. 보수적인 침하량 분석을 위하여 점성토층을 정규압밀상태로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 성토 하중, 궤도하중, 지하수위저하에 따른 유효응력증가를 계산한 후, 이에 따른 압축침하량(탄성침하량), 압밀과 2차압밀침하량을 산정하였다.
점성토의 경우, 점착력은 N값에 근거하여, 압축지수(Cc), 팽창지수(Cs), 2차 압축지수(Ca), 초기간극비(einit), 투수계수(k) 값은 고속철도설계보고서에서 제안한 값을 초기값으로 입력하였다. 실내압밀실험자료가 없고, 성토에 의하여 하중이 증가함으로 점성토는 정규압밀상태를 가정하여 해석하였다.
제안 방법
5m로 모든 경우 동일하게 하였다. 궤도부설 30일 이후부터 현장상황을 고려하여 20일 동안 지하수위를 저하시켰으며, 저하된 지하수위를 1년동안 유지시키면서 추가 침하량을 계산하였다. 보수적인 침하량 분석을 위하여 점성토층을 정규압밀상태로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
궤도부설은 궤도의 설계하중인 15kN/m를 분포하중으로 적용하였다. 궤도시공기간을 고려하여 30일 동안 궤도하중을 점진적으로 증가시켰으며, 30일간 방치하여 침하가 수렴하도록 하였다. 초기 지하수위는 지표면 아래 0.
대상구간에 대하여 현장조건에 부합한 조건의 성토, 궤도부설시기, 지하수위 변동을 모사하여 모델의 제원을 결정하였다(Fig. 2, Table 1 참조). 2014년 12월 이후 해당 현장에서 측정한 지하수위자료와 국가지하수위관측센터(GIMS)에서 제공하는 인근 지역의 지하수위의 변동양상이 유사하고 변동폭이 달라, GIMS 자료에 일정비율을 곱하여 현장측정자료가 없는 시기의 지하수위 변동량을 예측하여, 지하수위 변화도 수치해석에 포함하였다.
궤도 부설이후에 발생하는 침하량이 콘크리트 궤도의 침하와 연관된다. 따라서 궤도부설 이후에 지하수위가 저하되는 경우를 가정하여, 지하수위 저하와 침하와 관련된 연약층 두께와 성토고를 고려하여 추가침하량, 즉 잔류침하량을 비교 검토하였다.
따라서 성토고, 연약층 두께와 지하수위 저하에 따른 원지반 침하량을 분석하였다. 콘크리트궤도 침하량 기준인 30mm를 분석 기준으로 적용하였다.
따라서 지하수위 변화, 성토높이, 연약지반의 두께를 변수로 하여 잔류침하량을 비교·검토하였다.
이에 본 논문에서는 지하수위 저하에 따른 침하량을 정량적으로 분석하여 지하수위 저하가 성토구간의 침하에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 또한 지하수위 저하와 연관이 있는 성토고와 연약층의 두께를 함께 고려하여 지하수위 저하에 따른 침하량을 고속철도의 콘크리트 침하기준인 30mm와 비교하여 성토구간의 지반 및 지하수위 조건에 따른 예상침하량을 제시하였다.
수치해석에서 구한 침하량과 현장에서 계측한 원지반과 지표침하량을 비교하여 각각의 초기물성치를 보정하였다. 사질토는 탄성계수와 내부마찰각을, 점성토는 압축지수, 팽창지수, 이차압축지수를 변화시키면서 현장계측값과 유사한 결과가 얻을 때까지 반복하여 해석을 수행하였다. 시행착오법(Trial-Error Method)으로 산정된 지반물성치는 Table 2와 같다.
보수적인 침하량 분석을 위하여 점성토층을 정규압밀상태로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 성토 하중, 궤도하중, 지하수위저하에 따른 유효응력증가를 계산한 후, 이에 따른 압축침하량(탄성침하량), 압밀과 2차압밀침하량을 산정하였다. 역해석모델과 같은 물성치와 해석모델(사질토는 Mohr-Coulomb 모델, 연약점토층은 SSC (Soft-Soil Creep) 모델)을 적용하였다.
잔류침하량에 대한 중점적인 검토를 위하여 단계별 성토가 아닌 계획고까지 한 번에 성토하였다. 성토로 발생한 과잉간극수압의 95%가 소산될 때까지 방치를 하였으며, 이후에 궤도부설을 하였다. 궤도부설은 궤도의 설계하중인 15kN/m를 분포하중으로 적용하였다.
수치해석에서 구한 침하량과 현장에서 계측한 원지반과 지표침하량을 비교하여 각각의 초기물성치를 보정하였다. 사질토는 탄성계수와 내부마찰각을, 점성토는 압축지수, 팽창지수, 이차압축지수를 변화시키면서 현장계측값과 유사한 결과가 얻을 때까지 반복하여 해석을 수행하였다.
그러나 앞에서 지적한 것처럼 지하수위 저하가 발생하면, 연약지반에 작용하는 유효응력조건이 변화하여 침하발생이 가능하다. 이에 대한 정량적인 평가를 위하여 수치해석을 수행하여 현장계측과 비교하였다. 대상지역은 호남고속철도 구간 중 침하가 비교적 크게 발생하고, 지표 및 원지반침하의 계측데이터가 있는 구간을 선정하였다.
이에 따라 다양한 현장조건에서의 수위변동시 침하거동을 알아보기 위해, 현장시험결과로 역해석된 수치해석 모델을 이용하여 지하수위 저하, 연약층 두께, 성토고의 영향을 상세히 검토하였다.
따라서 지하수위 변동에 의한 침하발생이 주요 원인이 될 수 있다. 이에 수치해석에 의한 침하량 예측을 통해 지하수위 변화에 따른 침하량을 분석하였다.
잔류침하량은 궤도가 부설되는 시기부터 산정하였으며, 궤도부설 이후 지하수위 저하에 따른 원지반침하량을 포함하였다. 성토체를 Mohr-Coulomb 모델로 모사하였고, 이에 대한 영구 변형량 예측의 정확성이 높지 않을 것으로 예상되며, 현장 측정치를 이용한 역해석 모델에서 지표침하량 초기 자료가 소실되어 모델 보정시에 원지반 침하에 중점을 두었다.
지하수위(1, 2, 4, 8m 저하), 연약지반두께(2, 4, 6m), 성토고(2, 6, 10m)를 반영한 총 36가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 침하량을 예측하였다(Table 3). 원지반은 연약층과 사질토층으로 이루어졌으면 두께는 20m로 고정하였다.
대상 데이터
2, Table 1 참조). 2014년 12월 이후 해당 현장에서 측정한 지하수위자료와 국가지하수위관측센터(GIMS)에서 제공하는 인근 지역의 지하수위의 변동양상이 유사하고 변동폭이 달라, GIMS 자료에 일정비율을 곱하여 현장측정자료가 없는 시기의 지하수위 변동량을 예측하여, 지하수위 변화도 수치해석에 포함하였다.
대상은 성토구간으로 통과하는 호남고속철도 구간의 지질종류별 침하량, 침하경향을 분석하였다. 대부분의 침하발생은 충적토(49%), 흑운모 화강 섬록암(37%) 지역에서 발생하였다.
이에 대한 정량적인 평가를 위하여 수치해석을 수행하여 현장계측과 비교하였다. 대상지역은 호남고속철도 구간 중 침하가 비교적 크게 발생하고, 지표 및 원지반침하의 계측데이터가 있는 구간을 선정하였다. 이로부터 지하수위 저하가 침하에 미치는 영향 및 주요원인 중에 하나임을 밝히고자 하였다.
원지반은 연약층과 사질토층으로 이루어졌으면 두께는 20m로 고정하였다. 즉 연약층의 두께가 6m이면 사질토층은 14m로 모델링을 하였다. 잔류침하량에 대한 중점적인 검토를 위하여 단계별 성토가 아닌 계획고까지 한 번에 성토하였다.
데이터처리
시행착오법(Trial-Error Method)으로 산정된 지반물성치는 Table 2와 같다. 수치해석 프로그램으로는 Plaxis 2D를 사용하였다. 성토 및 SM층은 Mohr-Coulomb 모델로 모사하였으며, 연약점토층은 SSC (Soft-Soil Creep) 모델의 적용하여 시간에 따른 연약점성토층의 거동을 모사하였다.
이론/모형
수치해석 프로그램으로는 Plaxis 2D를 사용하였다. 성토 및 SM층은 Mohr-Coulomb 모델로 모사하였으며, 연약점토층은 SSC (Soft-Soil Creep) 모델의 적용하여 시간에 따른 연약점성토층의 거동을 모사하였다.
잔류침하량은 궤도가 부설되는 시기부터 산정하였으며, 궤도부설 이후 지하수위 저하에 따른 원지반침하량을 포함하였다. 성토체를 Mohr-Coulomb 모델로 모사하였고, 이에 대한 영구 변형량 예측의 정확성이 높지 않을 것으로 예상되며, 현장 측정치를 이용한 역해석 모델에서 지표침하량 초기 자료가 소실되어 모델 보정시에 원지반 침하에 중점을 두었다. 또한 성토체 자체의 침하량에 대한 정확한 예측이 어렵고, Lee 등[1]은 성토체가 기준에 적합하게 시공될 경우, 침하량이 미미하다고 하였다.
성토 하중, 궤도하중, 지하수위저하에 따른 유효응력증가를 계산한 후, 이에 따른 압축침하량(탄성침하량), 압밀과 2차압밀침하량을 산정하였다. 역해석모델과 같은 물성치와 해석모델(사질토는 Mohr-Coulomb 모델, 연약점토층은 SSC (Soft-Soil Creep) 모델)을 적용하였다.
성능/효과
아래의 결과에서 수치해석을 통한 침하예측이 현장계측한 원지반 침하거동과 상당히 일치하였다. 이로부터 수치해석에 적용한 지반의 물성치와 시공순서, 그리고 지하수위 변동에 의한 영향이 적절하게 모사되었음을 확인하였다. 궤도부설 후 2014년 3월에서 4월 사이에 측정한 침하증가량은 약 5mm, 수치해석은 6.
후속연구
본 연구는 침하가 많이 발생한 구간 중 몇몇 구간의 지반정보를 바탕으로 정규압밀상태의 점성토지반과 특정 지반 물성치에 대해서만 검토하였으므로, 다양한 조건에 대한 해석을 수행하여 잔류침하량 발생 양상을 분석할 필요가 있다.
즉, 수치해석 등을 통하여 설계단계에서 압밀에 의한 침하량을 보다 정밀하고 체계적으로 예측해야 한다. 이를 통해 궤도부설이전에 예상되는 잔류침하량을 발생시켜, 콘크리트 궤도부설 이후의 잔류침하량이 최소가 되도록 설계 및 시공이 이루어져야 할 것으로 사료된다
따라서 지하수위변동으로 인한 추가침하를 설계침하량 계산시 반영해야 할 것으로 판단된다. 현재 설계에는 지하수위 변동에 따른 고려가 누락되어 있으므로, 설계단계부터 연약층의 두께와 예상되는 지하수위 변동량에 대한 검토를 수행하고, 궤도부설이전에 침하를 발생시켜 침하가 수렴됨을 확인한 후, 궤도부설을 해야할 것이다. 아울러 침하가 예상되는 구간에서는 지속적인 지하수위 모니터링을 수행하여 침하 예측도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연약지반에서 발생하는 문제점은 무엇인가?
최근 개통된 호남고속철도는 호남평야를 통과함에 따라 연약한 지반에 성토체가 건설될 수밖에 없는 지역이 다수 존재한다. 연약지반은 압밀에 의한 침하가 장기간에 걸쳐 지속적으로 발생하며, 지하수위 변동에 의한 침하 또한 발생할 수 있다. 따라서 연약지반구간에서는 궤도부설시까지의 압밀 등을 고려하여 원지반 및 연약지반의 침하량을 최소화하기 위한 노력이 필요하다[2].
콘크리트 궤도의 장점은 무엇인가?
경부고속철도 1단계구간은 자갈궤도로 건설되었는데, 잦은 유지보수가 요구되어 경부고속철도 2단계부터 콘크리트궤도를 적용하고 있다. 콘크리트 궤도는 자체강성을 통해 지지·분산된 열차하중을 하부지반에 전달하는 구조로써 유지보수가 적은 장점이 있다. 그러나 기준치 이상의 지반침하가 발생할 경우, 침하 및 균열이 발생하여 유지보수가 어려운 단점이 있다[1].
연약지반의 침하량을 최소화하는 철도건설공법은 무엇인가?
따라서 연약지반구간에서는 궤도부설시까지의 압밀 등을 고려하여 원지반 및 연약지반의 침하량을 최소화하기 위한 노력이 필요하다[2]. 이에 고속철도 건설시 연약지반이 존재할 경우, 치환공법, 프리로딩공법 등을 적용하여 궤도부설이전에 잔류침하량 발생을 최소화한다
참고문헌 (10)
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