2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A103

휨강성벽체를 갖는 철도보강노반의 장기거동 평가

Evaluation on Long-Term Behavior of Reinforced Railroad Subgrade with Bending

Stiffness Wall

김대상*, 김웅진*†, 박종식**, 박성용**

Dae-Sang Kim*, Ung-Jin Kim

*†, Jong-Sik Park

*, Seong-yong Park

* *

Abstract Recent climate change increases the frequency of torrential downpour. It increasingly concerns about the collapse of slope. Also concrete track introduced in Korea in the wake of high-speed rail construction requires minimum vertical and horizontal deformation of embankment. High embankment for railroad has disadvantage compared with concrete retaining wall or bridge because it requires wider construction site. And also concrete retaining wall and bridge require high construction cost. Therefore, this paper introduces new type soil structure reinforced by steel mesh, geosynthetic and wall with bending stiffness to check the long-term behavior of it. Keywords Reinforced Railroad subgrade, Bending stiffness wall , Long-term behavior, Full scale model

초 록 최근 기후변화로 인한 집중적인 국지성 호우빈도가 높아지면서 쌓기 법면의 붕괴 우려가 점차 커지고 있다. 또한 고속철도 건설을 계기로 본격적으로 국내에 도입된 콘크리트궤도는 쌓기부의 침하, 변형을 최대한 억제시키지 않으면 안된다. 고성토 철도노반을 건설하고자 하는 경우 용지폭이 넓어지기 때문에 콘크리트 옹벽과 교량이 상대적으로 유리하지만 공사비가 증가한다. 따라서 본 논문에서는 전면벽체의 변형 및 분괴 우려가 없도록 휨강성을 갖는 벽체를 사용하면서, 흙 구조물의 약점인 인장 및 침하로 인한 변형을 최소화 할 수 있도록 내부에 보강재를 삽입하여 내구성능을 향상시킨 새로운 흙 구조물에 대한 시공 후 장기거동 평가결과를 소개하고자 한다.

주요어 : 휨 강성벽체, 옹벽, 철도보강노반, 장기거동, 실대형 시험

1. 서 론

휨강성벽체를 갖는 철도보강노반은 보강토체를 선시공 한 뒤 휨강성을 갖는 벽체를 시공

하여 쌓기부의 침하, 변형을 억제시키며 법면을 연직화 할 수 있는 공법으로 최근 국내에

도입, 적용되고 있는 콘크리트 궤도용 철도 본선에서도 적용이 가능한 기술이다.

최근 기후변화로 인한 집중적인 국지성 호우빈도가 높아지면서 쌓기 법면의 붕괴 우려가

점차 커지고 있다. 따라서 본 연구에서는 휨강성벽체를 갖는 철도보강노반의 현장적용을 위

해 영구구조물로서의 내기후성 평가를 위한 장기계측을 수행하였다. 또한 철도보강노반의

장기거동에 보강재의 길이와 간격이 미치는 영향을 파악하기 위해 보강재의 길이와 간격을

달리한 단면에 대하여 장기거동을 평가하였다.

† 교신저자: 한국철도기술연구원(ujkim@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원, **㈜한화건설 기술연구소

2. 본 론

2.1 시험체 구성

2.1.1 시험체 개요

시공된 옹벽 시험체는 Fig.1과 같이 높이 5m, 길이 20m, 폭 6m로 구축되었으며 보강재의

간격과 길이를 달리하여 철도보강노반의 장기거동에 보강재의 간격과 길이가 주는 영향을

비교할 수 있도록 구성하였다. 장보강재의 길이는 6m로 1L-1R 단면에서는 1.5m의 수직간격,

2L-2R 단면에서는 1.6m의 수직간격으로 설치되었다. 각 단면의 벽체와 뒷채움재는 Fig. 2와

같이 연결되었으며 벽체의 철근 배근은 단철근과 복철근 형식으로 나누어 설치되었다. 단면

의 보강재 설치 제원과 벽체 설치 형식은 Table 1과 같다.

Fig. 1 시험체 개념도

Table 1 시험체 단면별 보강재 설치 제원 및 벽체 설치형식

구분 보강재 간격 보강재 길이 벽체 단면 벽체와 뒷채움재 연결형식

1L 0.3m 1.75m 복철근 용접형

1R 0.3m 1.50m 단철근 굵은철사 고정형

2L 0.4m 2.00m 복철근 용접형

2R 0.4m 1.75m 복철근 볼트형

(a) 양면용접, 기준틀 연결고리

(b) 굵은철사 반용접

(c) 양면용접, 기준틀 연결고리

(d) 볼트형, 고리형기준틀

Fig. 2 단면별 벽체와 뒷채움재 연결방식

2.1.2 계측기 설치

토압계, 스트레인게이지, 간극수압계가 Fig. 3과 같이 매설되어 시험체의 장기거동에 대

한 계측을 수행할 수 있게 하였다. 보강토체 시공 중, 벽체 시공 전 보강토체에 발생하는

변형은 레이져 변위계를 이용하여 계측하였다.

(a) 1L-1R 단면

(b) 2L-2R 단면

Fig. 3 계측기설치 위치

2.2 계측 결과

2.2.1 성토 중 보강토체의 침하 및 수평변위

Fig. 4(a)는 보강토체 침하량을 측정한 것으로 성토 및 다짐에 의한 침하는 29mm, 잔류 침

하는 27mm로 측정되었다. 침하량이 수렴하여 보강토체가 안정되기까지의 시간은 232일로 파악

된다. 최종 침하량은 옹벽높이의 약 1.1%에 해당하는 침하가 발생하였고 이는 연성벽체 형식

옹벽의 침하기준인 옹벽높이의 2%에 비해 훨씬 낮은 값이다. Fig.4(b)는 각 단면에서 수평변

위가 가장 크게 발생한 지점인 높이 2.8m 지점에서의 수평변위를 비교한 것이다. 성토 및 다

짐에 의한 수평변위는 1L 단면에서는 19.6mm, 1R 단면에서는 26.4mm, 2R 단면에서는 28.7mm로

보강재 길이에 의한 영향 보다는 보강재 간격에 의한 영향이 크게 나타났다. 시공완료 후 잔

류 수평변위는 1L 단면에서는 2.3mm, 1R 단면에서는 2.0mm, 2R 단면에서는 0.2mm로 측정되었

다. 이 결과로 보아 보강재의 길이가 길고, 수직 설치간격이 좁을수록 변형 억제효과가 높은

것을 알 수 있다. 또한 일반적인 보강토 옹벽의 허용 수평 변위기준 0.03H(150mm)의 13~19%의

수평변위로 보강재 설치간격 0.4m에서도 우수한 변형 억제효과를 보이고 있다.

(a) 연직변위

(b) 수평변위

Fig. 4 성토중 계측결과

2.2.2 벽체시공 후 계측결과

(1) 연직, 수평 토압

Fig.5는 시공 중, 시공 후의 보강토체 내의 토압을 계측한 결과이다. 벽체 시공 전 토압

계측치는 수평토압계 1L-2를 제외하면 큰 수치변화 없이 안정적인 경향을 보인다. 벽체시공

후 연직토압의 최대 증가치는 토압계3에서 27kPa로 계측되었고 시간경과에 따라 연직토압이

수렴하는 경향을 보인다. 벽체시공 시기에 수평토압의 계측치가 약 15kPa 정도 증가 하는데

이는 콘크리트 타설압에 의한 것으로 판단된다.

(a) 연직토압

(b) 수평토압

Fig. 5 토압, 간극수압 계측결과 및 강우량 기록

(2) 보강재 변형

Fig.6은 시공 중, 시공 후의 보강토체 내의 보강재의 변형율을 계측한 결과이다. 각

단면에서의 벽체 시공 전 계측치는 대체적으로 큰 값의 변화를 보이지 않으므로 보강토체가

안정화 되었다고 볼 수 있다. 벽체 시공 후 보강재의 변형율은 점점 증가하는 모습을 보이며

1월 말 ~ 2월 초 사이에 다시 감소하는 경향을 보인다. 각 단면에서의 벽체 시공 후 변형율

최대 증가치는 1L단면에서 0.12%, 1R단면에서 0.14%, 2R 단면에서 0.15%로 나타났으며 보강재

길이와 보강재 간격에 의한 영향이 미미한 것으로 판단된다. 벽체 시공 후 변형율 최대

증가치는 높이 2.4m의 보강재에서 가장 크게 나타났으며 최대 수평변위가 발생한 위치와

유사한 것으로 나타났다.

(3) 간극수압

간극수압의 증가가 집중호우 기간에 급격히 증가하지 않는 것으로 보아 시험체의 배수능

력은 우수한 것으로 판단된다. 계측일에 따른 간극수압의 경향을 살펴보면 여름철과 겨울철

사이에 약 8.2kPa의 차이를 보이며 계절에 따른 온도 변화의 영향을 지배적으로 받는 것으

로 파악된다.

(a) 1L 단면

(b) 1R 단면

(c) 2R 단면

(d) 간극수압

(e) 강수량

Fig. 6 보강재 변형율 계측결과

3. 결 론

본 연구에서는 휨 강성벽체를 갖는 철도보강노반의 장기거동을 평가하고, 보강재의 간격과

길이가 장기거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실대형 시험체를 제작하고 약 1년 6개월

동안 시험체 내의 토압, 보강재 변형율, 간극수압을 계측하였다. 시험 계측치에 대한 분석

결과는 다음과 같다.

(1) 보강토체 시공 중 성토 및 다짐에 의한 침하는 29mm, 잔류 침하량은 27mm가 발생하였고

침하량이 수렴하여 토체가 안정되기까지의 기간은 232일로 측정되었다. 성토체의 침하량

은 옹벽높이의 1.1% 정로도 연성벽체 옹벽 침하기준인 2%에 비해 적은 침하를 보였다.

성토 및 다짐에 의한 수평변위는 1L이 19.6mm, 1R이 26.4mm, 2R이 28.7mm로 보강재의 길

이보다는 보강재 간격에 의한 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 또한 일반적인 보강토

옹벽의 허용 수평 변위기준 0.03H(150mm)의 13~19%의 수평변위로 보강재 설치간격 0.4m

에서도 우수한 변형 억제효과를 보이고 있다.

(2) 시공 전 보강토체 내의 토압은 안정 상태라 볼 수 있고 시공 후 다소 증가하나 시간경

과에 따라 수렴하는 경향을 보인다.

(3) 벽체 시공 후 변형율 최대 증가치는 1L이 0.12%, 1R이 0.14%, 2R이 0.15%로 나타났으며

보강재 길이와 보강재 간격에 의한 영향이 미미한 것으로 판단된다. 벽체 시공 후 변형

율 최대 증가치는 높이 2.4m의 보강재에서 가장 크게 나타났으며 최대 수평변위가 발생

한 위치와 유사한 것으로 나타났다.

(4) 집중호우 이후로 시험체 내의 간극수압이 증가하나 계절에 따른 온도변화의 영향이 지

배적인 것으로 판단되며 따라서 시험체의 배수능력이 우수하여 집중호우에 의한 시험체

내의 토압, 보강재 변형율의 변화에 영향이 미미한 것으로 판단된다.

참고문헌

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