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문제 정의
- 국내 철도노반분야에 적극적으로 도입되고 있지 않은 보강토체의 적용성 향상을 위하여 적용이 활발하지 않은 이유에 대하여 정리한 바 있다.1) 또한, 보강토 옹벽의 적용성 향상을 위하여 철도노반 조성 후 지속적으로 반복되는 대중량 반복 열차하중에 대하여 노반 발생 변위를 최소화할 수 있는 보강토 형식의 필요성에 대해서도 언급한바 있다.
- 본 연구에서는 슬림화된 강성벽체와 단보강재를 사용함으로서 용지 확보가 어려운 도심지 철도 복선화 시 적용성이 높을 것으로 예상되는 보강토공법에 대한 연구결과를 소개하고자 한다.
가설 설정
- 재하 열차하중은 철도 설계 시 적용하는 LS22하중을 설계속도 200km/h, 직선부 장대레일로 가정하여 윤중 14.3tonf을 적용하였다. 열차 하중 재하주파수는 최고속도를 200km/h를 고려하여 5Hz로 하였으며, 반복 재하횟수는 100만회(약 1년 6개월 열차통과)로 하였다.
제안 방법
- 강성벽식 보강옹벽의 시공성을 확보하고, 실 열차하중 재하 시 블럭식과 강성벽식 보강옹벽의 거동을 비교 분석하기 위하여 한국철도기술연구원이 보유하고 있는 실대형 토조(높이 3m, 폭 5m, 길이 22mm)를 사용하여 보강토체를 조성하였다와 .
- 강성벽체를 묘사하기 위해서 사전 제작된 모형보강재를 실험목적에 맞게 소정의 위치에 설치한 후, 강봉을 삽입하여 벽체를 완성하였다. 보강재 설치 층까지 표준사를 강사하고, 염색사를 포설한 후 보강재를 설치하는 일련의 과정을 반복 수행하였다<그림 4>.
- 강성벽체와 블록식 벽체는 중공형 알루미늄재 블럭에 구멍을 뚫고 20mm 직경의 강봉 4개를 삽입하여 모든 블럭이 하나의 연속체로 거동하도록 함으로서 묘사하였다. 블록식 벽체는 강봉을 해체함으로서 묘사할 수 있도록 제작하였다.
- 계측은 그림 1과 같이 기초침하량 및 전면벽의 수평변위 측정을 위하여 변위계 11개(수평변위계 9개, 기초침하계 2개)와 수평 및 연직토압 측정을 위하여 토압계 14개(바닥 5개, 벽체 8개, 벽체 바닥 1개)를 사용하였다. 기초하중 재하 시 전단파괴면 관찰을 위하여 시험체 측면에서 비디오 촬영을 실시하였다. 파괴면의 명확한 관찰을 위하여 높이 6cm 간격으로 염색사를 포설하였다.
- 강성벽식 보강옹벽의 시공상의 특징은 뒷채움부를 철근을 사용하여 선 시공한 후 벽체를 현장타설콘크리트로 후 시공하는 데 있다. 뒤채움 토체를 동일하게 조성할 목적으로 뒤채움 토체를 3.5tonf 진동롤러를 사용하여 매 층마다 평균 12회씩 왕복 다짐하여 다짐도 95% 이상을 확보할 수 있도록 관리하였다. 사진 2와 사진 3은 강성벽식과 블럭식의 시공완료 후 전경이다.
- 보강재 설치 층까지 표준사를 강사하고, 염색사를 포설한 후 보강재를 설치하는 일련의 과정을 반복 수행하였다<그림 4>. 뒷채움 완료 후 재하판(폭12cm*높이6cm*길이60cm)을 설치하고 침하계를 설치한 후 하중 재하실험을 실시하였다. 실험은 한국철도기술연구원에서 보유하고 있는 이동재하 시험 장비를 이용하여 구현하였다.
- 또한 벽체 수평방향 변형을 최소화하기 위하여 “ㄱ"자형 앵글을 분할벽체 배면에 보강하였다.
- 모형지반은 물성치가 명확한 건조상태의 주문진사를 사용하여 공중낙하법(강사높이 1m)으로 상대밀도 65%인 조밀한 상태의 노반을 조성하였다. 계측은 그림 1과 같이 기초침하량 및 전면벽의 수평변위 측정을 위하여 변위계 11개(수평변위계 9개, 기초침하계 2개)와 수평 및 연직토압 측정을 위하여 토압계 14개(바닥 5개, 벽체 8개, 벽체 바닥 1개)를 사용하였다.
- 벽체 형식 및 보강재 연직 간격 별 보강토체의 파괴 형상을 비교 분석하기 위하여 실험 시 촬영한 사진을 분석하였다<;표 2>. 블럭식의 경우 벽체 배부름과 함께 토체가 전단 파괴하는 것을 알 수 있었으며, 강성벽식은 벽체의 충분한 구속으로 벽체가 전도함에 따라 기초가 관입하는 파괴 형태를 보였다.
- 사진 2와 사진 3은 강성벽식과 블럭식의 시공완료 후 전경이다. 변위계, 토압계, 변형률계를 사용하여 반복열차하중 작용 시의 벽체수평변위 및 침하, 수평토압 및 보강재 축력을 평가하였다.
- 보강재 형상은 지오그리드와 같은 형상으로 제작하여 형상에 의한 마찰특성을 표현할 수 있도록 하였다<사진 1>. 보강재 변형 및 축력 측정을 목적으로 보강재 표면에 스트레인게이지를 부착하였다. 시험에 사용한 보강재 길이는 블럭식의 경우 35cm(0.
- 강성벽체를 묘사하기 위해서 사전 제작된 모형보강재를 실험목적에 맞게 소정의 위치에 설치한 후, 강봉을 삽입하여 벽체를 완성하였다. 보강재 설치 층까지 표준사를 강사하고, 염색사를 포설한 후 보강재를 설치하는 일련의 과정을 반복 수행하였다<;그림 4>. 뒷채움 완료 후 재하판(폭12cm*높이6cm*길이60cm)을 설치하고 침하계를 설치한 후 하중 재하실험을 실시하였다.
- 본 실험에서는 실제 현장에서 사용되고 있는 보강재의 강성이 1,000～10,000kN/m범위에 있는 것으로 가정하고, 축소모형실험의 상사율(1/10)을 고려하여 상사율 범위를 크게 벗어나지 않는 보강재를 선정(319kN/m) 사용하였다<그림 3>. 보강재 형상은 지오그리드와 같은 형상으로 제작하여 형상에 의한 마찰특성을 표현할 수 있도록 하였다<;사진 1>. 보강재 변형 및 축력 측정을 목적으로 보강재 표면에 스트레인게이지를 부착하였다.
- 보강토체에 적용되고 있는 전면벽체의 역학적 역할을 평가하기 위하여 블럭식과 강성벽식에 대한 축소모형실험과 실대형 시험을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 강성벽체와 블록식 벽체는 중공형 알루미늄재 블럭에 구멍을 뚫고 20mm 직경의 강봉 4개를 삽입하여 모든 블럭이 하나의 연속체로 거동하도록 함으로서 묘사하였다. 블록식 벽체는 강봉을 해체함으로서 묘사할 수 있도록 제작하였다. 또한 벽체 수평방향 변형을 최소화하기 위하여 “ㄱ"자형 앵글을 분할벽체 배면에 보강하였다<그림 2>.
- 표 1은 전체 실험내용 및 목적으로, 정지(RUF_1) 및 주동토압(RUF_2) 실험은 실험 장치의 성능확인을 목적으로 2회 반복 실시하였다. 실험은 강성벽식(R60F)을 기본형으로 하고, 벽체강성을 변화시킨 블럭식(B60F)과 보강재 연직간격을 변화시킨 실험(R90F와 R30F)을 실시하였다.
- 3tonf을 적용하였다. 열차 하중 재하주파수는 최고속도를 200km/h를 고려하여 5Hz로 하였으며, 반복 재하횟수는 100만회(약 1년 6개월 열차통과)로 하였다.
- 본 장비는 응력 제어형으로 정⦁동하중 재하가 가능하며, 최대작용하중은 4tf이며, 동 하중 재하 시 구현 가능 주파수 범위는 4～5Hz 범위이다. 재하판은 기초저면 마찰력으로 인하여 재하중이 경사지지 않도록 하기 위하여 가급적 매끄러운 재질을 사용하였으며, 정하중 재하 시 하중재하 속도는 1.67kPa/min로 최대한 천천히 하중을 재하하였다.
- 축소모형실험은 가속도에 기초한 상사법칙을 이용하여, 길이에 대한 상사비(1/10)를 기준으로 적용하였다. 실험에 사용된 토조는 폭 62cm, 높이 60cm, 길이 100cm로, 실험 중 모래의 거동 관찰이 가능하도록 토조 측면은 투명 아크릴판을 사용하였다<그림 1>.
- 강성벽식 보강옹벽의 시공성을 확보하고, 실 열차하중 재하 시 블럭식과 강성벽식 보강옹벽의 거동을 비교 분석하기 위하여 한국철도기술연구원이 보유하고 있는 실대형 토조(높이 3m, 폭 5m, 길이 22mm)를 사용하여 보강토체를 조성하였다<그림 9>와 <그림 10>. 토조 바닥에 잡석기초 20cm를 조성하고 R30F와 B(40~60)F를 기본 모델로 한 실대형 보강토체(높이 2.7m)를 조성하고 열차 반복하중 재하 시 보강토체의 거동을 확인하였다.
- 실험에 사용된 토조는 폭 62cm, 높이 60cm, 길이 100cm로, 실험 중 모래의 거동 관찰이 가능하도록 토조 측면은 투명 아크릴판을 사용하였다<그림 1>. 토조 측면 벽과 토체의 마찰을 최소화함으로서 평면변형률 조건을 만족할 수 있도록 하였다.
- 기초하중 재하 시 전단파괴면 관찰을 위하여 시험체 측면에서 비디오 촬영을 실시하였다. 파괴면의 명확한 관찰을 위하여 높이 6cm 간격으로 염색사를 포설하였다.
- 표 1은 전체 실험내용 및 목적으로, 정지(RUF_1) 및 주동토압(RUF_2) 실험은 실험 장치의 성능확인을 목적으로 2회 반복 실시하였다. 실험은 강성벽식(R60F)을 기본형으로 하고, 벽체강성을 변화시킨 블럭식(B60F)과 보강재 연직간격을 변화시킨 실험(R90F와 R30F)을 실시하였다.
대상 데이터
- 모형지반은 물성치가 명확한 건조상태의 주문진사를 사용하여 공중낙하법(강사높이 1m)으로 상대밀도 65%인 조밀한 상태의 노반을 조성하였다. 계측은 그림 1과 같이 기초침하량 및 전면벽의 수평변위 측정을 위하여 변위계 11개(수평변위계 9개, 기초침하계 2개)와 수평 및 연직토압 측정을 위하여 토압계 14개(바닥 5개, 벽체 8개, 벽체 바닥 1개)를 사용하였다. 기초하중 재하 시 전단파괴면 관찰을 위하여 시험체 측면에서 비디오 촬영을 실시하였다.
- 본 실험에서는 실제 현장에서 사용되고 있는 보강재의 강성이 1,000～10,000kN/m범위에 있는 것으로 가정하고, 축소모형실험의 상사율(1/10)을 고려하여 상사율 범위를 크게 벗어나지 않는 보강재를 선정(319kN/m) 사용하였다.
- 보강재 변형 및 축력 측정을 목적으로 보강재 표면에 스트레인게이지를 부착하였다. 시험에 사용한 보강재 길이는 블럭식의 경우 35cm(0.7H), 강성벽형의 경우 18cm(0.35H)를 기본으로 하였다.
- 축소모형실험은 가속도에 기초한 상사법칙을 이용하여, 길이에 대한 상사비(1/10)를 기준으로 적용하였다. 실험에 사용된 토조는 폭 62cm, 높이 60cm, 길이 100cm로, 실험 중 모래의 거동 관찰이 가능하도록 토조 측면은 투명 아크릴판을 사용하였다<;그림 1>. 토조 측면 벽과 토체의 마찰을 최소화함으로서 평면변형률 조건을 만족할 수 있도록 하였다.
- 실험에 사용한 보강재는 0.5mm 두께의 비닐계 아스테이지를 사용하였다. 보강재는 보강옹벽의 변형특성을 평가함에 있어서 가장 중요한 재료 중의 하나로, 특히 보강재의 강성과 마찰특성이 보강옹벽의 변형특성을 지배한다고 볼 수 있다.
- 뒷채움 완료 후 재하판(폭12cm*높이6cm*길이60cm)을 설치하고 침하계를 설치한 후 하중 재하실험을 실시하였다. 실험은 한국철도기술연구원에서 보유하고 있는 이동재하 시험 장비를 이용하여 구현하였다. 본 장비는 응력 제어형으로 정⦁동하중 재하가 가능하며, 최대작용하중은 4tf이며, 동 하중 재하 시 구현 가능 주파수 범위는 4～5Hz 범위이다.
성능/효과
- 1) 상사비 1/10의 축소모형실험을 통하여 강성벽식이 블럭식과 비교하여 하중에 대한 내력이 크고, 기초침하 및 벽체 수평변위 측면에서 유리한 것으로 확인되어, 강성벽식을 이용하는 경우 짧은 보강재를 적용하였음에도 불구하고 발생 변위는 충분히 작은 범위에서 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 2) 보강토체의 파괴패턴은 블럭식이 전단파괴형 인데 반해, 강성벽식이 벽체 전도형 관입파괴 형태를 보였다.
- 3) 보강재의 연직 배치간격이 증가함에 따라 기초침하량과 벽체 수평변위는 증가하는 경향을 보였다.
- 4) 강성벽식 보강옹벽의 시공성 확보 및 블럭식과의 성능비교를 위하여 실시한 실대형 시험에서도 강성벽식의 경우 짧은 보강재 길이에도 불구하고, 벽체 수평변위가 1/11이하로 작았으며, 노반 탄성침하의 경우 1/2, 소성침하량 측면에서도 1/3이하로 변위제어 성능이 휠씬 뛰어난 것을 알 수 있었다.
- 0mm)되는 것을 확인할 수 있었다. 50kPa 하중작용 시 기초의 평균침하량은 각각 R30F(5.0mm), R60F(6.0mm), R90F(11mm)로 동일한 상재하중 하에서 보강재 간격 증가에 따라 침하량이 증가하는 경향을 보였다. 또한 B60F와 R90F의 경우 일정하중(40kPa)이상 하중 재하 시 비선형 거동을 보여 기초의 침하량이 크게 증가됨을 알 수 있었다.
- 5%H)의 변위가 발생하였으며, 변위 발생형태는 비선형적이었다. 동일한 강성벽식에서 보강재 연직간격 변화에 대한 실험 결과로부터 보강재 간격 감소가 벽체 수평변위 발생에 큰 영향을 미치는 것으로 평가되었다.
- 강성벽식이 동일한 하중조건 하에서 기초침하량이 작아 하중에 대하여 내력이 큰 것을 알 수 있다. 동일한 보강재간격에 대한 벽체 강성변화 조건(B60F, R60F)하에서 50kPa(고속철도 궤도하중+열차하중)하중 재하 시 기초침하량은 강성벽식에서 31.7%저감(7.90mm ⟶ 6.0mm)되는 것을 확인할 수 있었다. 50kPa 하중작용 시 기초의 평균침하량은 각각 R30F(5.
- 0mm), R90F(11mm)로 동일한 상재하중 하에서 보강재 간격 증가에 따라 침하량이 증가하는 경향을 보였다. 또한 B60F와 R90F의 경우 일정하중(40kPa)이상 하중 재하 시 비선형 거동을 보여 기초의 침하량이 크게 증가됨을 알 수 있었다. 궤도하중에 상응하는 10kPa의 하중 작용 시 R30F와 R60F는 1.
- 따라서 벽체의 역학적 기능을 기대할 수 있는 일체형 강성벽체를 사용하는 경우 토체 상부토압이 하부로 전달되게 되어, 토체 상부에서의 인발 저항력을 증가 시킬 수 있고 보강재의 길이를 짧게 할 수 있다. 또한, 강성벽체의 사용은 동하중 작용 시 토체의 구속압을 증가시켜 노반의 변형을 억제함으로서 열차 승차감의 향상을 꾀할 수 있다.
- 7mm)가 발생하였으며, 강성벽식(R30F, R60F, R90F)은 전면벽 상부끝단에서 최대수평변위가 발생하였다. 보강재 배치 연직간격의 증가와 함께 변위가 증가하였으며, 벽체 변형이 배부름형이 아닌 전도형임을 알 수 있다. 또한 강성벽식 R60F의 경우 블럭식 B60F와 보강층수는 8층으로 같으나, 보강재 길이가 약 1/2(18/35)임에도 불구하고 기초침하나 벽체 수평변위는 B60F보다 작았다.
- 상기의 결과를 종합적으로 정리해 보면, 강성벽식이 블럭식과 비교하여 단보강재를 사용하였음에도 불구하고 열차하중에 의한 노반침하와 발생 벽체 수평변위 측면에서 성능이 뛰어났다. 본 실험을 통하여 반복 대용량 열차하중에 대한 보강토체의 변위제어 가능성을 확인하였으며, 이는 강성벽식 보강토체가 엄격한 변위제한 규정이 적용되는 콘크리트궤도용 고속철도 노반에도 적용성이 높을 것임을 시사한다.
- 상기의 결과를 종합적으로 정리해 보면, 강성벽식이 블럭식과 비교하여 단보강재를 사용하였음에도 불구하고 열차하중에 의한 노반침하와 발생 벽체 수평변위 측면에서 성능이 뛰어났다. 본 실험을 통하여 반복 대용량 열차하중에 대한 보강토체의 변위제어 가능성을 확인하였으며, 이는 강성벽식 보강토체가 엄격한 변위제한 규정이 적용되는 콘크리트궤도용 고속철도 노반에도 적용성이 높을 것임을 시사한다.
- 61mm로 블럭식이 3배 이상 크게 발생하였다. 실험 결과로부터 강성벽식 보강토체의 탄소성 침하가 상당히 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 벽체 강성으로 인한 뒤채움부의 구속효과에 기인한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 블럭식의 경우 벽체 배부름과 함께 토체가 전단 파괴하는 것을 알 수 있었으며, 강성벽식은 벽체의 충분한 구속으로 벽체가 전도함에 따라 기초가 관입하는 파괴 형태를 보였다. 파괴 패턴 연구에 대해서는 향 후 보강재 길이 및 배치 형태에 따른 추가 실험을 계획 중에 있다.
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