[논문]세립분 함량 변화에 따른 반복 동하중을 받는 시멘트 혼합토의 침하 및 강성 특성평가

김대상

doi:10.5762/kais.2020.21.10.23

세립분 함량 변화에 따른 반복 동하중을 받는 시멘트 혼합토의 침하 및 강성 특성평가
Characteristic evaluation of settlement and stiffness of cement-treated soils with the change of fines content under cyclic dynamic loading 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.10, 2020년, pp.23 - 29

초록
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철도 공용에 따른 반복 동하중을 지속적으로 경험하는 흙 구조물은 지속적인 침하가 발생한다. 본 논문에서는 흙 구조물을 구성하는 세립분 함량 변화에 따른 시멘트 혼합토의 침하 및 강성 특성을 반복 동하중 시험을 실시하여 평가하였다. 흙의 세립분 함량, 시멘트 함량, 양생일 수을 변화시켜가면서 총 18 케이스의 시험을 실시하였다. 동 시험결과로부터 시멘트 혼합토는 침하 측면에서 시멘트 함량 3% 이상 사용 시 세립분 함량이 높은 흙에서도 침하 저감 가능성이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시멘트 함량이 0% 에서 3 ~ 4% 로 증가 시 탄성 침하량은 1/4 수준으로, 소성 침하량은 1/6 수준으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 시멘트 혼합토는 강성 측면에서 시멘트 함량 증가에 따라 회복탄성계수가 증가하는 경향을 보였다. 시멘트 함량 3% 이상 사용 시에는 흙의 세립분 함량 40% 수준에서도 철도 상부노반 다짐 강성 품질기준인 80 MPa을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The soil structures settle down continuously under cyclic dynamic loading after opening railway lines. This study examined the characteristics of the settlement and stiffness of cement-treated soils with the change in the content of fines under cyclic dynamic loading. Eighteen cases of the test were carried out with the changes in the fines content of soils, cement content, and curing days. Based on the test results, cement-treated soils containing more than 3% of cement could decrease settlement sufficiently even with a high portion of fines under cyclic dynamic loading. In addition, the elastic and plastic settlements could be reduced using 3 to 4% cement to the level of 1/4 and 1/6, respectively. In the viewpoint of stiffness, the resilient modulus of cement-treated soils increases with increasing cement content. Using more than 3% of cement, the 80MPa compaction stiffness standard for the upper subgrade of railways was satisfied, even with 40% of fines content of soils.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Data acquisition path
그림 Fig. 2. Grain Size Distribution
표 Table 1. Standards for fines contents of upper subgrade for concrete slab track
표 Table 2. Physical Properties of soils
그림 Fig. 3. Results of compaction tests (Fine content 25%)
그림 Fig. 4. Test specimen (Fines content 25%)
그림 Fig. 5. Test specimen setup
표 Table 3. Results of compaction tests
그림 Fig. 6. Relationship between deviatoric stress and displacement (Case 1)
그림 Fig. 7. Relationship between displacement and loading cycle (Case 1)
표 Table 4. Test items and conditions
표 Table 5. Test cases
그림 Fig. 8. Elastic settlement depending on fine contents of soils with the change of cement contents
그림 Fig. 9. Plastic settlement depending on fine contents of soils with the change of cement contents
그림 Fig. 10. Elastic & Plastic settlement depending on curing day
표 Table 6. Fitting curves (y=ax^b) for settlements
그림 Fig. 11. Definition of resilient modulus
그림 Fig. 12. Resilient modulus depending on fines content of soils with the change of cement contents

AI 본문요약
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문제 정의

동 연구에서는 반복 동하중을 경험하는 노반의 성능향상을 위하여 현장에서 많이 발생하는 세립분 함량이 25% 이상인 발생토에 대하여 시멘트 함량 변화에 따른 침하 및 강성에 대한 특성을 평가하고자 총 18회의 반복하중 재하시험을 실시하였다.

제안 방법

노반 건설이 진행중인 OOO 현장에서 성토재료를 채취하고, 기본물성 평가 시험을 실시하였다. 노반 성토재의 #200체 통과량은 13.
대용량 열차 반복 동하중을 경험하는 성토 노반재료에 대하여 흙의 세립분 및 시멘트 함량, 양생일 수를 변화시키면서 18 케이스의 재하시험을 실시한 결과는 다음과 같다.
반복 삼축압축시험 결과를 이용하여 Fig. 11과 같이 회복탄성계수 (Resilient modulus, M_R)를 구하였다. 회복탄성계수는 철도노반 조성 후 품질관리를 위하여 현장에서 적용하고 있는 변형률계수 (E_v2)와 같이 반복축차응력과 축변형률 그래프 상에서 두 번째 재하 및 제하 시의 기울기로 결정하였으며 식 (1)과 같이 정의된다.
성토재료에서 세립분을 추출하여 세립분 함량 25%, 30%, 40% 인 시료를 조성하고 이에 대한 다짐시험 (D다짐)을 실시하였다. Fig.
수평 구속응력은 상부노반 조건을 고려하여 20 kPa로 고정시킨 상태에서 흙의 세립분 함량 (25 ∼ 40%), 시멘트 함량 (0 ∼ 4%), 양생일수 (0 ∼ 28일), 반복 축차응력 (30 ∼ 50 kPa)을 다르게 변화시킨 총 18 케이스의 반복 동하중 재하시험을 실시하였다.
열차 하중을 받는 노반을 모사하여 반복 동하중 시험을 수행하였다. Fig.
수평 구속응력은 상부노반 조건을 고려하여 20 kPa로 고정시킨 상태에서 흙의 세립분 함량 (25 ∼ 40%), 시멘트 함량 (0 ∼ 4%), 양생일수 (0 ∼ 28일), 반복 축차응력 (30 ∼ 50 kPa)을 다르게 변화시킨 총 18 케이스의 반복 동하중 재하시험을 실시하였다. 최대 축차응력은 궤도하중 15 kPa, 열차하중 35 kPa의 철도노반 설계하중을 고려하여 결정하였으며, 반복 동하중의 재하주기는 시험장치의 최대 가능범위를 고려한 1.7 Hz, 반복 재하회수는 시험 가능 시간을 고려하여 2,000 회로 결정하였다. Table 4에서는 시험 항목별 조건을 정리하였다.

대상 데이터

이와 같은 시험결과를 기초로 철도 상부노반 다짐 품질기준인 최대건조밀도의 95%에 해당하는 건조단위중량과 최적함수비로 Fig. 4와 같이 직경 50 mm × 높이 100 mm 크기의 공시체를 제작하여 시험에 사용하였다[10].

성능/효과

1) 조립토에 포함된 세립분 함량이 많아지면 세립토 거동을 보이나, 세립토 함량 증가에도 불구하고 시멘트 함량과 양생일수를 적정 수준으로 제어하면 탄성 및 소성변형량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
2) 노반의 침하와 강성 측면을 고려할 때 세립분이 25% 이상 포함된 현장 발생토를 사용하여도 소량의 시멘트 혼합 적용으로 철도 공용 후 잔류침하 저감 가능성을 확인하였으며, 이때 최적 시멘트 함량은 3% 수준으로 확인되었다.
특이한 점은 시멘트 함량이 0%에서 3% 혹은 4%로 증가함에 따라 소성침하량은 탄성침하량 보다 상대적으로 큰 1/6 수준으로 감소하였다는 점이다. 따라서, 시멘트 함량 증가에 따른 침하량 저감 효과는 소성침하량에서 더 크다는 사실을 확인할 수 있었다.
028% 수준으로 감소되었다. 또한, 시멘트 함량 2% 보다는 3% 이상에서 탄성침하량이 크게 감소되었으며, 시멘트 함량 3%와 4%에서의 차이는 크지 않았다. 시멘트 함량 0%에서 3% 혹은 4%로의 증가 시 탄성침하량은 1/4 수준으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
소성침하량 역시 세립분 함량이 늘어남에 따라 증가하였다. 세립분 함량 25%에서 시멘트 함량이 0%의 경우 소성침하량은 0.559% 이었으나, 시멘트 함량이 4%로 증가할때 소성침하량은 0.096% 수준으로 감소되었다. 또한, 세립분 함량 변화에 따른 소성 침하량 변화는 시멘트 함량 3%와 4%에서는 크지 않았다.
세립분 함량 25%에서 시멘트 함량이 0%의 경우 탄성침하량은 0.118%이었으나, 시멘트 함량이 증가할수록 탄성침하량은 0.028% 수준으로 감소되었다. 또한, 시멘트 함량 2% 보다는 3% 이상에서 탄성침하량이 크게 감소되었으며, 시멘트 함량 3%와 4%에서의 차이는 크지 않았다.
8은 시멘트 함량 변화에 따른 흙의 세립분 함량별 탄성 침하량을 보여준다. 세립분 함량이 증가할수록 탄성침하량은 증가하였으며, 그 증가량은 시멘트 함량이 증가할수록 감소하였다. 시멘트 함량 2%를 제외하면, 모든 경우에서 세립분함량 25%에서 40%로 증가 시 탄성침하량 증가는 26 ~ 29% 범위에 있었다.
12는 시멘트 함량 변화에 따른 흙의 세립분 함량별 회복탄성계수를 보여준다. 세립분 함량이 증가할수록 회복탄성계수는 감소하며, 시멘트 함량이 증가할수록 회복탄성계수는 증가하였다. 철도 상부노반의 변형률계수(E_v2)에 의한 품질기준이 80 MPa 인 점을 고려할 때, 시멘트 함량 3%와 4%는 모든 세립분 함량조건에서 기준을 만족하며, 시멘트 함량 2% 인 경우에는 세립분 함량 30%까지 기준을 만족시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
또한, 시멘트 함량 2% 보다는 3% 이상에서 탄성침하량이 크게 감소되었으며, 시멘트 함량 3%와 4%에서의 차이는 크지 않았다. 시멘트 함량 0%에서 3% 혹은 4%로의 증가 시 탄성침하량은 1/4 수준으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
세립분 함량이 증가할수록 회복탄성계수는 감소하며, 시멘트 함량이 증가할수록 회복탄성계수는 증가하였다. 철도 상부노반의 변형률계수(E_v2)에 의한 품질기준이 80 MPa 인 점을 고려할 때, 시멘트 함량 3%와 4%는 모든 세립분 함량조건에서 기준을 만족하며, 시멘트 함량 2% 인 경우에는 세립분 함량 30%까지 기준을 만족시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

후속연구

현장 발생토 등 세립분이 25% 이상 함유된 토사를 사용한 노반 시공 가능할 경우 재료 수급, 운반 등과 관련하여 경제성 향상의 가능성이 있을 것으로 판단된다. 향후 시멘트 혼합토의 경제성 분석과 흙의 세립분 함량 및 함수비 조건 변화에 따른 침하 특성에 대한 연구도 추가로 수행 계획에 있다.
현장 발생토 등 세립분이 25% 이상 함유된 토사를 사용한 노반 시공 가능할 경우 재료 수급, 운반 등과 관련하여 경제성 향상의 가능성이 있을 것으로 판단된다. 향후 시멘트 혼합토의 경제성 분석과 흙의 세립분 함량 및 함수비 조건 변화에 따른 침하 특성에 대한 연구도 추가로 수행 계획에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 열차 반복 동하중을 경험하는 성토 노반재료에 대하여 흙의 세립분 및 시멘트 함량, 양생일 수를 변화시키면서 18 케이스의 재하시험을 실시한 결과는?	1) 조립토에 포함된 세립분 함량이 많아지면 세립토 거동을 보이나, 세립토 함량 증가에도 불구하고 시멘트 함량과 양생일수를 적정 수준으로 제어하면 탄성 및 소성변형량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 2) 노반의 침하와 강성 측면을 고려할 때 세립분이 25% 이상 포함된 현장 발생토를 사용하여도 소량의 시멘트 혼합 적용으로 철도 공용 후 잔류침하 저감 가능성을 확인하였으며, 이때 최적 시멘트 함량은 3% 수준으로 확인되었다.
	도로 및 철도 노반 건설 시 사용하는 흙 재료는 어떤 장점이 있는가?	도로 및 철도 노반 건설 시 사용하는 흙 재료는 저렴하고 손쉽게 구할 수 있다는 장점으로 인하여 널리 사용되고 있다. 이와 같은 장점에도 불구하고 흙 재료에 포함된 세립분양이 과다할 경우 많은 공학적인 문제를 야기시킨다.
	시멘트 혼합토는 어떤 경향을 보이는가?	또한, 시멘트 함량이 0% 에서 3 ~ 4% 로 증가 시 탄성 침하량은 1/4 수준으로, 소성 침하량은 1/6 수준으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 시멘트 혼합토는 강성 측면에서 시멘트 함량 증가에 따라 회복탄성계수가 증가하는 경향을 보였다. 시멘트 함량 3% 이상 사용 시에는 흙의 세립분 함량 40% 수준에서도 철도 상부노반 다짐 강성 품질기준인 80 MPa을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (10)

Korea Railway Network Authority, Railway design standard for roadbed, p.1015, Korea Railway Network Authority, 2013, pp. 4-26.
RTRI, Standard for railway structures, soil structure, p.703, RTRI, Japan, 2007, pp. 84-105.
Gobel, K. Lieberenz, Handbuch Erdbauwerke der Bahnen, p.389, Eurailpress Tetzlaff-Hestra., 2004, pp. 65-75.
F. Schnaid, P. D. Prietto, N. C. Consoli, "Characterization of cemented sand in triaxial compression", J. geotechnical and geoenvironmental engineering, Vol. 127, No. 10, pp. 857-868, 2001. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:10(857)

상세보기
K. Y. Kim, H. G. Park, J. S. Jeon, "Strength Characteristics of Cemented Sand and Gravel", J. Korean Geotechnical Society, Vol. 21, No. 10, pp. 61-71, 2005.
U. Aqil, F. Tatsuoka, T. Uchimura, T. N. Lohani, Y. Tomita, K. Matsushima, "Strength and deformation characteristics of recycled concrete aggregate as a backfill material", Soils and Foundations, Vol. 45, No. 5, pp 53-72, 2005. DOI: https://doi.org/10.3208/sandf.45.5_53

상세보기
S. S. Hong, Y. S. Kim, Y. S. Lee, "Characteristics of Waste Lime and Soil Mixture for Reusing of Roadbed Embanking Material", J. Korea Academy Industrial Cooperation Society, Vol. 11, No. 12, pp. 5157-5164, 2010. DOI : http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.12.5157

원문보기 상세보기
K. H. Lee, S. K. Kim, "Eco-Friendly Backfill Materials with Bottom Ash", J. Korea Academy Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 3, pp. 1285-1390, 2012. DOI : http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.3.1385
K. H. Lee, "Characterization of Flowable Fill with Ferro-Nickel Slag Dust", J. Korea Academy Industrial Cooperation Society, Vol. 18, No. 5, pp.16-21, 2017. DOI : http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.5.16
E. T. Selig, J. M. Warters, Track Geotechnology and substructure management, p.446, Thomas Telford, 1994,l pp. 3.13-3.15.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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