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문제 정의
- 0 이내로 국내 기준보다는 현장사항에 따라 기울기를 조정하도록 되어 있다. 따라서 본 논문에서는 일반자갈과 토사층 사이의 기울기를 1:2와 1:1.5로 가정된 단면과 사다리꼴과 역사다리꼴과의 교대배면 형상에 따른 교대배면의 침하 및 지지력의 차이가 발생하는지를 파악하고자 원심모형실험을 실시하였다.
제안 방법
- Model A, B, 그리고 C 단면에 대한 원심모형실험에서 교대 접속부 지반에 연직하중이 작용하는 동안 수평방향으로의 하중전달 영향을 평가하였다. 연직하중 증가에 따른 수평하중 증가량의 변화는 Fig.
- 시편 내에 균일한 구속응력분포의 확보를 위하여 각 구속응력 단계에서 1시간 동안의 압밀과정을 완료한 후, 저변형률에서 고변형률로 변형률 크기를 증가시키며 공진주실험을 실시하였다. 공진주시험이 완료되면 다음 구속압 단계로 올려서 위와 같은 과정을 반복하며 시험을 수행하는 다단계시험법(multi-stage testing method)을 적용하여 하나의 시료로 여러 구속압 상태에서의 변형특성을 효과적으로 평가하였다.
- 원심모형시험은 축소된 모형을 고속으로 회전시켜 실제 중력보다 매우 큰 가속도(N-g)를 인위적으로 적용함으로써 현장의 실 응력상태를 구현할 수 있고, 대형 지반 구조물의 설계와 시공 사이에 발생할 수 있는 지반 거동의 괴리를 해소함과 동시에 다양한 변수를 고려하여 신뢰성 있게 현장을 재현할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 원심모형실험을 통하여 교대배면의 일반골재와 일반토사의 기울기를 1:2와 1:1.5로 기울기 변화와 교대배면의 사다리꼴 형상과 역사다리꼴 형상 차이에 의한 지지력, 침하, 수평토압 등을 상호 비교하였다.
- 6%에 해당하는 값이므로 10%를 초과하기에는 하중재하판의 변위가 부족하였다. 따라서 하중재하판이 원형 기준으로 25mm 침하하였을 때의 하중값을 바탕으로 지지력계수를 평가하였다. 25mm의 침하는 지반 깊이 10m에 대해 약 0.
- 레이져 센서를 이용하여 토사와 골재 지반의 표면에서 발생하는 연직 변위를 계측하여 연직방향 변위에 대한 현상을 분석하였다. 레이져 센서는 하중 재하 끝변에서 각각7.
- 모형실험체에 연직하중을 재하 할 수 있도록 하중재하시스템을 제작하였으며, 실험 조건을 고려하여 원심가속도 50g(상사비) 수준에서 모형을 제작하였다. 재질은 알루미늄을 선택 하였으며 전도 및 변형을 억제하기 위해 20mm의 두께로 교대를 제작하였으며, Fig.
- 실험 단면은 폭이 300mm 이기 때문에 알루미늄으로 제작한 벽면을 설치하여 세로폭을 축소하였고, 벽면 지지를 위해 아크릴 원통을 벽면 뒤에 설치하였다. 벽면의 우측 앞에는 교대 및 로드셀을 설치하여 원하는 단면에 맞도록 다짐 틀을 제작하였다. 실험 간 하중 및 변위를 계측하기 위해 고성능 카메라, 변위 측정 센서(LVDT, Laser sensor), 하중 측정 센서(Load-cell, Earth pressure transducer) 등이 사용되었다.
- 본 논문에서는 교대 접속부 배면의 기울기 1:2와 1:1.5단면, 역사다리꼴 형상에 대하여 원심모형실험기로 지지력 및 침하특성을 비교하였다. 수평하중의 경우 전체적으로 연직하중 증가에 의한 전달이 거의 나타나지 않았으며, Model A와 Model B의 경우 토사와 자갈층의 배면 기울기가 달라지면서 하중-침하 곡선을 비교해 본 결과, 철도의 동적 하중을 정적하중으로 고려할 때 200kPa 이하 수준에서는 매우 유사한 결과를 나타냈다.
- 재하 된 구속응력 단계는 총 3단계로 50kPa,100kPa, 150kPa 순으로 실험을 수행하였다. 시편 내에 균일한 구속응력분포의 확보를 위하여 각 구속응력 단계에서 1시간 동안의 압밀과정을 완료한 후, 저변형률에서 고변형률로 변형률 크기를 증가시키며 공진주실험을 실시하였다. 공진주시험이 완료되면 다음 구속압 단계로 올려서 위와 같은 과정을 반복하며 시험을 수행하는 다단계시험법(multi-stage testing method)을 적용하여 하나의 시료로 여러 구속압 상태에서의 변형특성을 효과적으로 평가하였다.
- 연직 하중 재하로 인하여 지반이 교대에 작용하는 토압을 평가하기 위하여 Fig. 10에서와 같이 하중 재하 끝에서 약 15m 떨어진 교대 후면부에 토압계를 교대 하부, 중간부, 그리고 상부에 각각 설치하였다. 3개의 Model 모두 연직방향 재하 하중이 최댓값(130MN)에 도달 할 때까지 수평 토압의 증가량은 매우 미비한 것으로 나타났다 (+6 or-6kPa / 500kPa = + or -1.
- 실험 간 하중 및 변위를 계측하기 위해 고성능 카메라, 변위 측정 센서(LVDT, Laser sensor), 하중 측정 센서(Load-cell, Earth pressure transducer) 등이 사용되었다. 원심모형실험 시 대상물체의 국부적인 변형을 계측하기 위해 사용되는 LVDT 혹은 Potentiometer, Laser Sensor 등의 한계를 보완하고, Model의 평면적 거동 계측 및 관찰을 위해 고성능 상용 카메라(Canon G10)를 사용하였다.
- 시험 시편은 토사 및 자갈 시료의 각각 최적함수비로 성형하였고, 직경은 약 50mm, 높이는 약 100mm이다. 이후 각 측정 센서를 비롯한 공진주실험 시스템을 설정하였고, 압축공기를 이용하여 등방의 구속응력을 재하 하였다. 재하 된 구속응력 단계는 총 3단계로 50kPa,100kPa, 150kPa 순으로 실험을 수행하였다.
- 이후 각 측정 센서를 비롯한 공진주실험 시스템을 설정하였고, 압축공기를 이용하여 등방의 구속응력을 재하 하였다. 재하 된 구속응력 단계는 총 3단계로 50kPa,100kPa, 150kPa 순으로 실험을 수행하였다. 시편 내에 균일한 구속응력분포의 확보를 위하여 각 구속응력 단계에서 1시간 동안의 압밀과정을 완료한 후, 저변형률에서 고변형률로 변형률 크기를 증가시키며 공진주실험을 실시하였다.
- 5단면(Model B), 역사다리꼴 단면(Model C)으로 조성하였다. 지반의 높이는 총 200mm 이며 균질한 지반 조성을 위해 각각 50mm 씩 4개의 층으로 나누어 각 층은 부피와 목표 단위중량으로부터 무게를 계산하여 원하는 단위중량으로 조성하였다. Model A와 B의 경우 토사, 시멘트 처리된 자갈, 자갈지반의 순으로 지반을 조성하였으며 Model C의 경우 토사, 자갈, 시멘트 처리된 자갈 순으로 지반을 조성하였다(Fig.
- 토사지반(실트질 모래와 규사 혼합물), 자갈 혼합물, 그리고 시멘트(3%) 처리된 자갈재료의 탄성계수를 평가하기 위해 Stokoe식 공진주 실험을 수행하였다. 시험시편은 5층 과소다짐법(under-compaction method)을 이용하여 성형하였다.
- 1/10 비율로 축소한 입도분포로 목표 입도분포 곡선에 해당하는 토사시료와 자갈시료를 비율을 만족시키기 위해 표준규격 KS F 2301에 따라 체가름 시험을 수행하였다. 토사지반의 입도분포를 맞추기 위하여 Hammer Crusher 공정에 의해 인공적으로 생산한 규사 (silica sand)와 실트질 모래를 혼합하여 조성하였으며, 자갈지반은 입경의 크기가 서로 다른 총 7종류의 규사 혼합물을 제조하여 입도분포를 조정하였다. 실험에 사용된 재료의 입도분포 곡선은 Fig.
- 철도 하중을 모사하기 위한 하중 재하 장치는 1-D 수직 액츄에이터로서 하중 제어와 변위 제어가 가능하며, 최고변위는 250m, 변위 제어 속도는 초당 최고 5mm까지 제어가 가능한 시스템이다. 하중재하시스템은 최대 50kN의 압축 하중과 20kN의 인발 하중을 가할 수 있고, 액츄에이터의 점하중을 등분포 하중으로 지반에 균등하게 전달하기 위해 300mm의 너비를 가진 정사각형의 하중 재하 평판을 제작하였다(Fig. 3).
- 3과 같이 토조 우측면에 설치하였다. 하중재하의 범위를 제한하기 위하여 기존 토조의 폭을 제한하였고 평면변형률 조건을 유지할 수 있도록 토조 뒷면의 지지대 구조물을 알루미늄으로 제작한 벽체와 원형 아크릴 관(외경: 26cm, 내경: 24cm)으로 설치하였다.
대상 데이터
- 본 논문에 사용된 원심모형시험기는 KOCED 지오센트 리퓨지 실험센터의 원심모형시험기로서 프랑스 ACTIDYNSYSTEMES SA의 C72-2 model로 Beam 형태, 회전반경 5m, 최대 용량 240g-tons의 규모를 갖는다. 최대 2,400kg의 지반모형을 적재한 상태에서 100g의 원심가속도까지 구동이 가능하며, 1,300kg 적재하중에서 130g의 최대 원심가속도를 구현할 수 있다.
- 시험시편은 5층 과소다짐법(under-compaction method)을 이용하여 성형하였다. 시험 시편은 토사 및 자갈 시료의 각각 최적함수비로 성형하였고, 직경은 약 50mm, 높이는 약 100mm이다. 이후 각 측정 센서를 비롯한 공진주실험 시스템을 설정하였고, 압축공기를 이용하여 등방의 구속응력을 재하 하였다.
- 실험 모델은 크게 지반, 교대, 벽면 세 가지로 구성하였다. 실험 단면은 폭이 300mm 이기 때문에 알루미늄으로 제작한 벽면을 설치하여 세로폭을 축소하였고, 벽면 지지를 위해 아크릴 원통을 벽면 뒤에 설치하였다.
- 4에 시험 Model의 측면 및 평면도를 도시하였다. 실험단면은 배면기울기 1:2단면(Model A), 배면기울기 1:1.5단면(Model B), 역사다리꼴 단면(Model C)으로 조성하였다. 지반의 높이는 총 200mm 이며 균질한 지반 조성을 위해 각각 50mm 씩 4개의 층으로 나누어 각 층은 부피와 목표 단위중량으로부터 무게를 계산하여 원하는 단위중량으로 조성하였다.
- 모형실험체에 연직하중을 재하 할 수 있도록 하중재하시스템을 제작하였으며, 실험 조건을 고려하여 원심가속도 50g(상사비) 수준에서 모형을 제작하였다. 재질은 알루미늄을 선택 하였으며 전도 및 변형을 억제하기 위해 20mm의 두께로 교대를 제작하였으며, Fig. 3과 같이 토조 우측면에 설치하였다. 하중재하의 범위를 제한하기 위하여 기존 토조의 폭을 제한하였고 평면변형률 조건을 유지할 수 있도록 토조 뒷면의 지지대 구조물을 알루미늄으로 제작한 벽체와 원형 아크릴 관(외경: 26cm, 내경: 24cm)으로 설치하였다.
이론/모형
- , 2004). 1/10 비율로 축소한 입도분포로 목표 입도분포 곡선에 해당하는 토사시료와 자갈시료를 비율을 만족시키기 위해 표준규격 KS F 2301에 따라 체가름 시험을 수행하였다. 토사지반의 입도분포를 맞추기 위하여 Hammer Crusher 공정에 의해 인공적으로 생산한 규사 (silica sand)와 실트질 모래를 혼합하여 조성하였으며, 자갈지반은 입경의 크기가 서로 다른 총 7종류의 규사 혼합물을 제조하여 입도분포를 조정하였다.
- 토사지반(실트질 모래와 규사 혼합물), 자갈 혼합물, 그리고 시멘트(3%) 처리된 자갈재료의 탄성계수를 평가하기 위해 Stokoe식 공진주 실험을 수행하였다. 시험시편은 5층 과소다짐법(under-compaction method)을 이용하여 성형하였다. 시험 시편은 토사 및 자갈 시료의 각각 최적함수비로 성형하였고, 직경은 약 50mm, 높이는 약 100mm이다.
성능/효과
- Fig. 8(b) 150kPa이하의 접지하중에서의 하중-변위곡선을 보면 목표 접지하중 이하의 하중변위곡선에서는 Model A와 B가 매우 유사한 결과를 보이고 있어 Model B 단면의 하중 재하시거동은 열차의 상용하중에서는 동일한 결과를 보일 것으로 판단된다.
- 10에서와 같이 하중 재하 끝에서 약 15m 떨어진 교대 후면부에 토압계를 교대 하부, 중간부, 그리고 상부에 각각 설치하였다. 3개의 Model 모두 연직방향 재하 하중이 최댓값(130MN)에 도달 할 때까지 수평 토압의 증가량은 매우 미비한 것으로 나타났다 (+6 or-6kPa / 500kPa = + or -1.2 % 증감). 또한, 세 model 모두 상부에서는 양의 토압, 중간부에서는 0에 근접한 토압, 그리고 하부에서는 음의 토압이 계측되었으며, 이는 시멘트 처리된 자갈 지반이 강체거동을 나타내는 것으로 예측되며 연직하중 재하로 인하여 교대 벽면에서 모멘트 전도 현상이 나타난 것으로 판단된다.
- Model A와 B의 경우는 일반적인 지반 재료의 삼축 압축시험에서 관찰 할 수 있는 팽창(Dilatancy)현상과 유사한 현상을 나타내며, 반면 Model C의 경우는 경화(Hardening)현상과 유사한 현상을 나타낸다고 예측할 수 있다. 50MN이상의 연직하중 재하 시에는 3개 Model 단면 모두 침하량 비율이 약 -0.1 정도의 값에 수렴하는 결과를 나타내었다. 초기 지반 침하량은 하중재하판의 침하량이 작으므로 변화가 큰 값을 보여주지만 하중이 증가하고 재하판 침하량이 증가할수록 지반 침하의 값은 그에 비해 매우 작은값을 보여주고 있다.
- 시멘트처리된 자갈 구간의 강체 거동과 유사하게 토압이 상부에서는 증가, 하부에서는 감소하는 경향으로 발생하였으며, 교대 접속부의 단면 형상에 관계없이 유사하게 나타났다. 결론적으로 기존 토사의 경사면 1:2는 1:1.5와 비교하여 노반의 강성과 부등침하가 크지 않기 때문에 경제성을 고려하여 경사면을 1:1.5로 반영하는 것이 유리할 것으로 사료되며, 뒤채움 형상은 강성 및 지지력 측면에서 큰 차이가 없어 시공순서 및 시공현장 조건에 따라 뒤채움 형상을 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다
- 5단면, 역사다리꼴 형상에 대하여 원심모형실험기로 지지력 및 침하특성을 비교하였다. 수평하중의 경우 전체적으로 연직하중 증가에 의한 전달이 거의 나타나지 않았으며, Model A와 Model B의 경우 토사와 자갈층의 배면 기울기가 달라지면서 하중-침하 곡선을 비교해 본 결과, 철도의 동적 하중을 정적하중으로 고려할 때 200kPa 이하 수준에서는 매우 유사한 결과를 나타냈다. 시공 순서를 고려한 비교 단면 Model C의 결과, 초기 하중-침하 곡선에서 좀 더 강성이 큰 것으로 나타났지만 그 차이가 미미하여 Model A & Model B와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 시공 순서를 고려한 비교 단면 Model C의 결과, 초기 하중-침하 곡선에서 좀 더 강성이 큰 것으로 나타났지만 그 차이가 미미하여 Model A & Model B와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 시멘트처리된 자갈 구간의 강체 거동과 유사하게 토압이 상부에서는 증가, 하부에서는 감소하는 경향으로 발생하였으며, 교대 접속부의 단면 형상에 관계없이 유사하게 나타났다. 결론적으로 기존 토사의 경사면 1:2는 1:1.
- 지반의 지표면 침하량을 하중재하 시 계측된 중앙부의 LVDT 연직하중침하량 값으로 정규화 하였으며 이와 함께 연직 하중을 도시하였다. 토사지반의 경우 50MN 이하의 연직 하중 재하 시에는 Model A와 B는 지반의 변위가 점점 증가하는 현상이 나타났고, 반면에 Model C는 점진적으로 지반의 변위가 감소하는 현상이 나타났다. Model A와 B의 경우는 일반적인 지반 재료의 삼축 압축시험에서 관찰 할 수 있는 팽창(Dilatancy)현상과 유사한 현상을 나타내며, 반면 Model C의 경우는 경화(Hardening)현상과 유사한 현상을 나타낸다고 예측할 수 있다.
- 하중재하판에 의해 지반에 전달되는 영향범위는 3개의 Model이 다소 차이가 있으나 접지하중 150kPa이하의 경우 Model A, B, 그리고 C 모든 단면에서 변위가 유사하게 나타났다. 하지만 접지하중이 150kPa이상으로 증가할 경우 Model B가 Model A와 C에 비해 상대적으로 강성이 작은 토사가 하중을 지지하는 비율이 많기 때문에 누적변위가 다소 증가하는 현상이 나타났다. Fig.
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