[논문]특정형상의 인공자갈이 혼합된 도상자갈층의 지지성능과 응력전달특성

김대상

doi:10.5762/kais.2019.20.12.15

초록
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본 연구에서는 교대에 작용하는 수평력을 저감시키는 총 11 케이스의 설계에 대한 건설비 분석을 실시하였다. 역T형 교대의 뒤채움재 개선과 토목섬유 보강재를 이용하여 교대를 보강한 철도용 보강 교대(Reinforced Abutment for Railways) 적용을 고려한 2종류의 교대 형식에 대하여 검토하였다. 첫 번째 종류의 경제성 분석에서는 역T형 교대의 배면 뒤채움 재료의 내부 마찰각을 35°에서 40°와 50°로 증가시키는 케이스를, 두 번째 종류의 경제성 분석에서는 토목섬유를 적용한 철도용 보강 교대 설계 케이스에 대한 경제성을 비교 분석하였다. 뒤채움 재료의 개선을 통해 내부 마찰각을 40° 혹은 50°로 적용할 때 교대에 가해지는 수평토압은 하중 조건에 따라 18~48% 까지 감소하였으나 교대 건설 비용 저감효과는 2.0~3.9%로 크지 않았다. 그러나, 철도 교대 구조로서 토목섬유 보강 교대를 적용한 결과 교대에 작용하는 수평력을 이론적으로 0까지 저감시킬 수 있어 교대 벽체 두께, 저판 길이 및 말뚝 기초의 수 및 재질 변경으로 최대 30%까지 건설비 저감 효과가 있는 것으로 검토되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper evaluated the construction costs of 11 design cases to decrease the horizontal forces applied to the abutment. They include two abutment types, which are to improve backfill materials for a reversed T-shaped abutment and geosynthetic Reinforced Abutment for Railways (RAR). The first type ...

This paper evaluated the construction costs of 11 design cases to decrease the horizontal forces applied to the abutment. They include two abutment types, which are to improve backfill materials for a reversed T-shaped abutment and geosynthetic Reinforced Abutment for Railways (RAR). The first type of economic analysis was that the internal friction angles of backfill materials were increased from Φ=35° to Φ=40° and 50° for a reversed T-shaped abutment. In addition, the second type was the cases with the design of geosynthetic RAR. When friction angles of 40° or 50° were applied through the improvement of the backfill material, the decrease in construction cost of the abutment was not large (2.0~3.9%), even though the horizontal forces applied to the abutment had decreased to 18~48%. In the case of applying the RAR, however, a maximum 30% cost reduction was evaluated by the decrease in horizontal force to "0" theoretically. The cost reduction resulted from the decrease in wall thickness, base slab size, and number and material change of pile foundation for the abutment.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Example of ballast grain shape with 8 circles [6]
표 Table 1. DEM parameters used in this study(2D) [4,5]
그림 Fig. 2. Size distribution of ballast grains
그림 Fig. 3. Three types of artificial ballast grain (a) Type A (Rectangular) (b) Type B (Tetrapod) (c) Type C (Hexagonal)
그림 Fig. 4. Initial (left) and the final state (right) of STEP 1
그림 Fig. 5. Generation of artificial ballast layer of STEP 2
그림 Fig. 6. Sleeper installation of STEP 3
그림 Fig. 7. Side ballast grain installation of STEP 4
그림 Fig. 8. Initial configurations of the models in this study (a) Without artificial ballast grain (type O) (b) With type A artificial grains (c) With type B artificial grains (d) With type C artificial grains
그림 Fig. 9. Time history of vertical load acting on the sleeper under monotonic loading of Type O (without artificial grains) model
그림 Fig. 10. Evolution of the configuration and contact forces under monotonic loading in Type O model (a) Initial state (b) Just before the 1st peak (t=2.5s) (c) Right after the 1st sliding (t=3.25s)
그림 Fig. 11. Time history of vertical load under monotonic loading of type A, B and C models
그림 Fig. 12. Grain configuration and force chains near the first peak (a) type A (t = 3.75 s) (b) type B (t = 2.5 s) (c) type C (t = 3.35 s)

AI 본문요약
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문제 정의

동 연구에서는 자갈궤도의 유지보수 비용의 많은 부분을 차지하고 있는 도상 자갈의 마모 및 파쇄로 인한 열화를 최소화하여 유지보수 비용을 저감시킬 수 있도록 도상 자갈층 상부와 침목 하부 경계에 특정형상의 인공자갈을 배치하였다. 이를 통하여 열차하중에 의한 도상 층 내 발생 응력을 효율적으로 균등하게 분산 관리함으로써 개개의 자갈, 특히 모서리부에서의 응력 집중을 감소시켜 도상 자갈의 마모 및 파쇄에 기인한 침하를 줄여 유지보수 주기를 연장하고 비용을 저감 시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

제안 방법

이를 위하여 우선 특정 형상의 인공자갈이 침목 하부에 배치된 자갈도상층을 개별요소법(DEM, Discrete Element Method)을 이용하여 모델링하고, 열차하중을고려한 반복 하중 재하 전에 하중 재하 시 침목~도상 간 최대발생 응력, 도상층 내부에서의 입자 간에 발생하는 응력의 전달 경로 및 크기와 입자의 이동 경향을 검토하였다[1, 2]. 동 해석에 사용된 모델은 비록 2차원이나, 모델링 및 해석시간 단축에 장점이 있으며 입자형상에 대해서는 인공자갈을 포함하여 최대한 실물에 가깝게 상세한 모델링을 수행하였다.

이론/모형

입자 형태에 대해서는 실제 모래 입자의 2차원 영상으로부터 얻어진 불규칙한 형상을 동적 최적화(Dynamic optimization)기법에 의하여 8개의 원 요소로 모델화한 입자를 사용하였다. 얻어진 입자 모델의 예는 Fig.

성능/효과

1) 도상층의 변형 형상과 접촉력 분포로부터, 1차 최대강도에서 침목 직하에서 매우 큰 접촉력이 연결 되는 힘의 연결구조(force chain)를 보였으며, 연결구조가 발현된 영역의 입자만으로 상재하중을 지지하는 것을 확인할 수 있었다. 최대하중 직 후 입자간 미끄러짐 활동으로 힘의 연결구조가 붕괴되며, 입자의 재배열에 의해 힘의 전달경로가 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
2) 연직재하시험을 통한 도상층에서의 지지성능은 Type A(정사각형) 와 Type C(육각형)에서 25~30 kN으로 크게 나타났고, Type B(테트라포드형)와 Type O(천연자갈)는 15~18 kN 수준으로 낮았다. 이로부터 연직하중 지지력 측면에서 형상에 기인한 힘의 연결구조 변화가 발생하고 있으며, 큰 지지하중이 발현하는 Type A와 Type C에서 보다 집중된 힘의 연결구조가 발현되는 것을 알 수 있었다.
2) 연직재하시험을 통한 도상층에서의 지지성능은 Type A(정사각형) 와 Type C(육각형)에서 25~30 kN으로 크게 나타났고, Type B(테트라포드형)와 Type O(천연자갈)는 15~18 kN 수준으로 낮았다. 이로부터 연직하중 지지력 측면에서 형상에 기인한 힘의 연결구조 변화가 발생하고 있으며, 큰 지지하중이 발현하는 Type A와 Type C에서 보다 집중된 힘의 연결구조가 발현되는 것을 알 수 있었다.

후속연구

본 해석을 기초로 제작한 인공자갈을 활용한 충격하중 재하시험을 실시 중에 있으며, 동 결과에 기초하여 자갈궤도에서의 성능확인을 위한 실대형시험 및 현장 부설계획을 준비 중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자갈궤도는 무엇을 목적으로 개발되었는가?	열차하중을 지지하는 궤도형식은 국내 뿐 아니라 전 세계에서 자갈궤도와 콘크리트 슬래브궤도로 크게 양분되어 적용되고 있다. 자갈궤도는 유지보수를 전제로 건설되며, 콘크리트 슬래브궤도는 유지보수비용 저감 (Maintenance free)을 목표로 개발되었다. 따라서, 자갈궤도는 초기 건설비가 낮은 대신 유지보수 비용이 크고, 콘크리트 슬래브궤도는 초기 건설비용이 고가이며, 유지보수 비용이 적게 소요된다고 알려져 있다.
	도상 자갈의 마모 및 파쇄로 인한 열화를 최소화하면 어떤 긍정적인 효과가 나오는가?	동 연구에서는 자갈궤도의 유지보수 비용의 많은 부분을 차지하고 있는 도상 자갈의 마모 및 파쇄로 인한 열화를 최소화하여 유지보수 비용을 저감시킬 수 있도록 도상 자갈층 상부와 침목 하부 경계에 특정형상의 인공자갈을 배치하였다. 이를 통하여 열차하중에 의한 도상 층 내 발생 응력을 효율적으로 균등하게 분산 관리함으로써 개개의 자갈, 특히 모서리부에서의 응력 집중을 감소시켜 도상 자갈의 마모 및 파쇄에 기인한 침하를 줄여 유지보수 주기를 연장하고 비용을 저감 시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
	자갈궤도의 장단점은 무엇인가?	자갈궤도는 유지보수를 전제로 건설되며, 콘크리트 슬래브궤도는 유지보수비용 저감 (Maintenance free)을 목표로 개발되었다. 따라서, 자갈궤도는 초기 건설비가 낮은 대신 유지보수 비용이 크고, 콘크리트 슬래브궤도는 초기 건설비용이 고가이며, 유지보수 비용이 적게 소요된다고 알려져 있다. 따라서, 유지보수 비용 저감이 가능한 자갈궤도를 건설할 수 있다면, 금상청화일 수 있을 것이다.

참고문헌 (6)

D. S. Kim, S. K. Hwang, "Development of 2-D DEM (Discrete Element Method) algorithm to model ballast and sleeper", Journal of the Korean Society for Railway, Vol.6, No.3, pp.174-178, 2003.
D. S. Kim, S. H. Lee, S. H. Lee, S. B. Lee, "Study on the stresses distribution of ballast bed using DEM (Discrete Element Method) Analysis", Autumn Conference of The Korean Society for Railway, pp.56-61, 2005.
P. A. Cundall, "A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems", In: Proceedings of the Symposium of International Society of Rock Mechanics, vol. 1, Nancy: France; 1971.
Japanese Society of Civil Engineers, Ground analysis technology (Discrete Element method) Training, pp.175-176, JSCE, 2012.
T. Matsushima, "Grain-to Grain Interaction Affecting Dynamic Deformation of Granular Slope", Doctoral dissertation, University of Tokyo, Japan, 1997.
T. Matsushima, R. Blumenfeld, "Fundamental structural characteristics of planar granular assemblies: Self-organization and scaling away friction and initial state" Physical Review E, 95(3), 032905. 2017. DOI: https://doi.org/10.1103/physreve.95.032905

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