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문제 정의
- 변위, 속도 및 가속도 등 일상적인 물리량 측정 이외에 성토 중 실시한 직접 도달파 시험, 재하 전후에 수행한 크로스홀 시험, 재하 중 실시한 현장 벤더 엘리먼트 시험과 센싱바 시험을 측정 방법으로 새롭게 수행하였다. 본 논문에서는 이러한 새로운 측정 시험 방법에 대한 소개와 함께 재하 중 노반의 변형이 측정 결과를 통해 어떻게 종합적으로 분석되는지 정리하였다.
- 하지만 현행 운영 속도 이상의 운행에 대한 사회적 수요로 인해 새로운 철도 노반 건설의 관련 지침 및 설계 기준이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 다양한 운행 속도 대역에서 적합한 선로구조물 설계를 위한 기초자료 획득을 위해 실대형 모형시험을 수행하였고, 다양한 방법으로 재하 전후 및 재하 도중 노반의 변형을 측정하였다. 변위, 속도 및 가속도 등 일상적인 물리량 측정 이외에 성토 중 실시한 직접 도달파 시험, 재하 전후에 수행한 크로스홀 시험, 재하 중 실시한 현장 벤더 엘리먼트 시험과 센싱바 시험을 측정 방법으로 새롭게 수행하였다.
제안 방법
- 5Hz, Mark product L-10B)를 사용하였다. 감지기에는 스파이크를 부착하여 성토 지반 표면에 완전히 밀착되도록 하였고, 감지기 설치 위치를 동일 측선에서 거리를 일정하게 증가시키면서 시험을 수행하였다. 그림 8은 직접 도달파 시험에서 측정한 대표적인 신호를 보여준다.
- 콘크리트 궤도 노반의 실대형 시험에서 노반층의 강성 및 변형 특성을 측정하고자 다양하고 새로운 계측 방법이 도입되었다. 노반의 전체적인 강성 분포를 측정하기 위해 크로스홀 시험이 실시되었으며, 이를 위해 벽체에서 일정 거리가 떨어진 PVC관을 토조에서 마주보도록 설치하였다. 직접도달파 시험은 토조에서 성토 도중 각 다짐층에서 실시하였으며, P파 측정을 통해 다짐층 표면의 강성을 추정할 수 있다.
- KTX 차량 1편성 당 축의 개수는 36개이며, 경부선 2단계 1일 운행횟수는 204회로 계획되어 있다. 따라서 1년간 통과톤수는 축중을 기준으로 약 58MGT이며, 이 값으로 실대형 시험의 재하횟수를 계획하였다.
- 하중은 레일 상단에 중간 침목 위치에서 집중하중 형태로 가하였다. 레일에 작용하는 집중하중의 크기는 축중에 열차 속도에 따라 달라지는 충격계수를 곱하여 결정하였다. 하중의 재하 진동수(f)는 차량의 축간 거리(d)와 열차주행 속도(V)로부터 f = V/d로 구할 수 있다.
- 벤더 엘리먼트 시험은 크로스홀 시험과 같이 재하 전후와 재하 도중에 실시하였다. 현장 벤더 엘리먼트는 수진기의 역할만 하며, 신호의 발생은 별도의 외부 충격을 가하거나 재하 중에 발생한 충격력으로 해결하였다.
- 벤더 엘리먼트를 벽체에 고정시킨 후 전선을 조심스럽게 처리한 후, 토조 성토를 실시하였다. 다짐 성토가 벤더 엘리먼트 위치까지 도달하면 벤더 엘리먼트 장치 근처에서는 조심스럽게 다짐을 한 후 다짐체와 벤더 엘리먼트 장치 사이의 공간은 주문진 표준사로 조심스럽게 덮고 수작업으로 다졌다.
- 본 연구에서는 다양한 운행 속도 대역에서 적합한 선로구조물 설계를 위한 기초자료 획득을 위해 실대형 모형시험을 수행하였고, 다양한 방법으로 재하 전후 및 재하 도중 노반의 변형을 측정하였다. 변위, 속도 및 가속도 등 일상적인 물리량 측정 이외에 성토 중 실시한 직접 도달파 시험, 재하 전후에 수행한 크로스홀 시험, 재하 중 실시한 현장 벤더 엘리먼트 시험과 센싱바 시험을 측정 방법으로 새롭게 수행하였다. 본 논문에서는 이러한 새로운 측정 시험 방법에 대한 소개와 함께 재하 중 노반의 변형이 측정 결과를 통해 어떻게 종합적으로 분석되는지 정리하였다.
- 보조도상층 또는 강화노반의 두께 변화에 따른 노반의 거동 특성을 파악하고자 실대형 시험을 수행하였다. 실대형 시험은 분석하고자 하는 구조물의 실제 거동을 가장 근접하게 재현할 수 있는 방법이다.
- 이와 함께 반복 평판 재하시험과 직접 도달파 도달시험을 수행하였다. 성토체가 완성되면 미리 설치한 검측공을 이용하여 크로스홀 시험을 수행하였다.
- 그림 14(a)는 보조도상층 위에 놓인 센싱바를 보여주며, 그림 14(b)는 HSB층 제작을 위한 콘크리트 포설 직전에의 센싱바를 보여준다. 센싱바의 원활한 변형을 위해 보조도상 표면의 입도 조정쇄석을 처리하였다. 센싱바는 레일의 길이방향으로 설치되었다.
- 상하부 노반의 변형은 전체 궤도 시스템의 변위 크기를 결정하는 중요한 요소이다. 실대형 시험을 위한 노반 조성 중 성토 다짐 관리와 함께 기초 데이터 취득을 위해 다양한 현장 지반조사 시험을 실시하였다. 각 층의 성토 다짐 관리를 위해서 사용되는 시험은 현장 밀도 시험(field density test)과 동평판 시험이다.
- 실대형 시험의 반복 재하 중 각종 자료를 측정하기 위해 토압계, 변위계, 가속도계를 지중의 여러 위치에 설치하였다. 그림 2는 3개의 노반단면과 계측기의 설치위치를 보여준다.
- 이 3가지 파형 중 압축파(compressive wave, P파)가 일반적으로 가장 빠른 전파 속도를 가지므로 다른 파에 비해 구분이 용이한 점을 이용하여 그림 6(a)와 같이 표면에서 압축파를 발생시킨 후 계측되는 탄성파 신호의 가장 첫 번째 도달한 시점을 압축파의 도달 시점으로 결정하였다. 압축파 신호에 비해 상대적으로 늦게 도달하는 전단파 또는 표면파 신호는 먼저 도달하는 압축파 신호의 간섭으로 판별하기가 어렵지만, 본 연구에서는 압축파 측정과 함께 전단파의 속도 역시 측정하여 분석하였다. 지표면에 설치된 각각의 속도계에서 계측된 초동 도달시간과 충격하중 위치로부터의 이격 거리를 이용하면 압축파 속도를 계산할 수 있다.
- 직접 도달파 시험에서 탄성파는 압축파, 전단파, 표면파가 혼합되어 전파된다. 이 3가지 파형 중 압축파(compressive wave, P파)가 일반적으로 가장 빠른 전파 속도를 가지므로 다른 파에 비해 구분이 용이한 점을 이용하여 그림 6(a)와 같이 표면에서 압축파를 발생시킨 후 계측되는 탄성파 신호의 가장 첫 번째 도달한 시점을 압축파의 도달 시점으로 결정하였다. 압축파 신호에 비해 상대적으로 늦게 도달하는 전단파 또는 표면파 신호는 먼저 도달하는 압축파 신호의 간섭으로 판별하기가 어렵지만, 본 연구에서는 압축파 측정과 함께 전단파의 속도 역시 측정하여 분석하였다.
- 각 층의 성토 다짐 관리를 위해서 사용되는 시험은 현장 밀도 시험(field density test)과 동평판 시험이다. 이와 함께 반복 평판 재하시험과 직접 도달파 도달시험을 수행하였다. 성토체가 완성되면 미리 설치한 검측공을 이용하여 크로스홀 시험을 수행하였다.
- 현장 벤더 엘리먼트는 수진기의 역할만 하며, 신호의 발생은 별도의 외부 충격을 가하거나 재하 중에 발생한 충격력으로 해결하였다. 재하 전후에 실시한 벤더 엘리먼트 시험에서 신호 발생을 위해 직접도달파 시험을 위해 사용하였던 플랭크를 보조도상층 위에 놓고 소형 망치로 전단파를 발생시켰다. 그림 7은 A단면과 B단면에서 재하 후에 실시한 현장 벤더 엘리먼트 시험에서 측정한 신호 결과이다.
- 전자기 간섭의 영향을 받지 않아 철도분야 계측에 각광을 받고 있는 FBG 센서를 이용하여 센싱바(sensing bar)를 제작하였다. 그림 12는 실대형 시험에서 사용한 센싱바를 보여준다.
- 노반의 전체적인 강성 분포를 측정하기 위해 크로스홀 시험이 실시되었으며, 이를 위해 벽체에서 일정 거리가 떨어진 PVC관을 토조에서 마주보도록 설치하였다. 직접도달파 시험은 토조에서 성토 도중 각 다짐층에서 실시하였으며, P파 측정을 통해 다짐층 표면의 강성을 추정할 수 있다. 현장 벤더엘리먼트 시험은 노반의 전단파 측정을 위해 실시하였으며 벽체에 고정된 벤더엘리먼트는 재하 전후 별도의 시험과 재하 도중의 전단파 측정이 가능하다.
- 크로스홀 시험은 궤도 노반이 완성된 후 재하 시험 직전과 재하 시험이 완료된 시점에 각각 실시하였다. 크로스홀 시험은 깊이 방향으로 10cm 씩 내려가면서 토조 바닥면 근처까지 실시하였다.
- 크로스홀 시험은 궤도 노반이 완성된 후 재하 시험 직전과 재하 시험이 완료된 시점에 각각 실시하였다. 크로스홀 시험은 깊이 방향으로 10cm 씩 내려가면서 토조 바닥면 근처까지 실시하였다. 그림 5는 크로스홀 시험에서 측정한 대표적인 신호 결과이다.
- 차량의 축간 거리는 KTX 열차를 기준으로 14m로 정하였다. 하중재하 횟수는 1년 간의 통과톤수를 기준으로 결정하였다. KTX 차량 1편성 당 축의 개수는 36개이며, 경부선 2단계 1일 운행횟수는 204회로 계획되어 있다.
- 직접도달파 시험은 토조에서 성토 도중 각 다짐층에서 실시하였으며, P파 측정을 통해 다짐층 표면의 강성을 추정할 수 있다. 현장 벤더엘리먼트 시험은 노반의 전단파 측정을 위해 실시하였으며 벽체에 고정된 벤더엘리먼트는 재하 전후 별도의 시험과 재하 도중의 전단파 측정이 가능하다. 센싱바 시험은 콘크리트 층 하부와 보조도상층 상부에 설치되어 레일 방향의 노반 변위 측정이 가능하다.
대상 데이터
- 실대형 시험에서 각 토층을 구성하는 재료는 철도설계기준에 맞도록 선택되었다. 보조도상층의 재료는 KS에 규정되어 있지 않은데, 본 시험에서는 입도조정 부순 골재(M-40)를 보조도상층의 재료로 사용하였다. 상부노반 재료의 통일분류는 SW로 판정되었고 이는 철도설계기준의 군분류 상 A군에 속한다.
- 그림 12는 실대형 시험에서 사용한 센싱바를 보여준다. 센싱바는 MC Nylone 재질의 플라스틱판으로 제작되었고, 상하부 표면에 FBG 센서와 일반 스트레인제이지가 일정 간격으로 부착되었다. 스트레인게이지는 FBG 센서의 작동을 확인하기 위해서 설치되었다.
- 센싱바에서 센서의 설치 구조는 그림 13에 설명되어 있다. 센싱바의 총 길이는 3m이다. 다중화(multiplex)된 3개의 FBG 센서가 1개의 광섬유로 부착되었으며, 센서 간의 간격은 1m이다.
- 다중화(multiplex)된 3개의 FBG 센서가 1개의 광섬유로 부착되었으며, 센서 간의 간격은 1m이다. 스트레인게이지는 하부 인장측에 5개소, 상부 압축부 3개소에 FBG 센서와 같은 위치에 부착되었다.
- 실대형 시험은 분석하고자 하는 구조물의 실제 거동을 가장 근접하게 재현할 수 있는 방법이다. 실대형 시험은 그림 1에 보인 바와 같이 한국철도기술연구원이 보유하고 있는 실대형 통합성능시험 시스템을 사용하였다. 실대형 시험은 콘크리트 궤도 구조물에 대해 이루어졌다.
- 하중의 재하 진동수(f)는 차량의 축간 거리(d)와 열차주행 속도(V)로부터 f = V/d로 구할 수 있다. 차량의 축간 거리는 KTX 열차를 기준으로 14m로 정하였다. 하중재하 횟수는 1년 간의 통과톤수를 기준으로 결정하였다.
- 발진자에서 신호 발생 시 벽체와의 간섭을 방지하기 위해, PVC관은 토조 벽면과 충분한 여유 거리를 두고 설치하였다. 크로스홀 시험에 사용한 발진자로서 그림 3의 기계식(mechanical) 발진기(선창국 등, 2006)와 전기-기계식 발진기(spring-loaded source; 박철수 등, 2009)를 병행하여 사용하였다 .
성능/효과
- 이 중 직접 도달파 탐사는 지표면 상부의 탄성파 속도가 일정한 층에서 지표면의 일직선상에 거리별로 속도계를 설치하고 같은 선상에서 충격하중을 가하여 수행한다. 본 연구의 실대형 시험에서 노반 조성 다짐 층이 두껍지 않고 거의 균질한 재료를 사용하였기 때문에 직접 도달파 탐사 기법의 적용이 적절하다고 판단하였다.
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