† 교신저자, 경희대학교 토목공학과 조교수
고속철도 노반의 최적단면 결정을 위한 실대형 모형시험에서의
노반 변형 계측
Deformation Measurement of Roadbed in Full-scale Field Test to Determine
an Optimum Trackbed of High-Speed Railway
정영훈† 김학성* 변보현** 이진욱***
Young-Hoon Jung Hak-Sung Kim Bo-Hyeon Byeon Jin-Wook Lee
ABSTRACT
Since the KTX was in operation in 2004, a number of researches on increasing the train speed have been conducted. Currently, the Honam High-speed train system is designed for the operation velocity of 350km/h. The societal demand expects higher operation speed, whereas the existing construction method and design specification are questioned in the KTX operation in the velocity over 350 km/h. In this study, a full-scale model test was conducted to obtain the preliminary data that is necessary to understand deformation characteristics of the reinforced road bed and the subgrade layers. In the full-scale model test, direct arrival seismic tests, crosshole seimic test, in-situ bender element test and sensing bar test were employed to measure the stiffness and deformation of the trackbed. The systematic analysis on the different set of measurements enhances the understanding of the behavior of the trackbed. 1. 서 론 2004년 KTX가 개통된 이후로 끊임없이 철도의 고속화에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 호남 고속 철도 선로구축물은 시속 350km/h로 설계되어 시공 중이다. 하지만 현행 운영 속도 이상의 운행에 대한 사회적 수요로 인해 새로운 철도 노반 건설의 관련 지침 및 설계 기준이 필요한 실정이다. 본 연구에서 는 다양한 운행 속도 대역에서 적합한 선로구조물 설계를 위한 기초자료 획득을 위해 실대형 모형시험 을 수행하였고, 다양한 방법으로 재하 전후 및 재하 도중 노반의 변형을 측정하였다. 변위, 속도 및 가 속도 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 통 해 어떻게 종합적으로 분석되는지 정리하였다. 2. 실대형 시험 보조도상층 또는 강화노반의 두께 변화에 따른 노반의 거동 특성을 파악하고자 실대형 시험을 수행하 였다. 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 시 스템을 사용하였다. 실대형 시험은 콘크리트 궤도 구조물에 대해 이루어졌다.
Stabilized Base, HSB)의 콘크리트 층으로 이루어진다. TCL과 HSB의 콘크리트 층 하부에는 강화노반으로 도 불리는 보조도상층과 입도조정층이 흙 노반 위에 놓이게 된다. 실대형 시험에서 각 토층을 구성하는 재료는 철도설계기준에 맞도록 선택되었다. 보조도상층의 재료 는 KS에 규정되어 있지 않은데, 본 시험에서는 입도조정 부순 골재(M-40)를 보조도상층의 재료로 사용 하였다. 상부노반 재료의 통일분류는 SW로 판정되었고 이는 철도설계기준의 군분류 상 A군에 속한다. 실대형 시험에서 하부 노반은 상부노반과 동일한 재료로 다짐하여 만들어졌다. 실대형 시험에서는 보조도상층의 두께에 따라 서로 다른 3가지 단면이 구성되었다. 그림 2에 보인 바 와 같이 A단면은 보조도상층의 두께가 20cm인 경우, B단면은 보조도상층의 두께가 30cm인 경우, 그리 고 C단면은 보조도상층의 두께가 50cm인 경우이다. 실대형 시험의 콘크리트 궤도는 65cm 간격으로 설치된 5개의 침목으로 이루어졌다. 침목은 TCL 층과 같이 양생되어 일체 거동한다. 침목과 레일은 체결장치와 패드로 구속되었다. 하중은 레일 상단에 중간 침목 위치에서 집중하중 형태로 가하였다. 레일에 작용하는 집중하중의 크기는 축중에 열차 속도에 따 라 달라지는 충격계수를 곱하여 결정하였다. 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. 하 중재하 횟수는 1년 간의 통과톤수를 기준으로 결정하였다. 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. (a) 시험 단면 (b) 하중재하를 위한 대형 actuator 그림 1. 실대형 시험 단면 및 재하 장치 3. 노반 특성의 측정을 위한 조사와 계측 상하부 노반의 변형은 전체 궤도 시스템의 변위 크기를 결정하는 중요한 요소이다. 실대형 시험을 위 한 노반 조성 중 성토 다짐 관리와 함께 기초 데이터 취득을 위해 다양한 현장 지반조사 시험을 실시하 였다. 각 층의 성토 다짐 관리를 위해서 사용되는 시험은 현장 밀도 시험(field density test)과 동평판 시 험이다. 이와 함께 반복 평판 재하시험과 직접 도달파 도달시험을 수행하였다. 성토체가 완성되면 미리 설치한 검측공을 이용하여 크로스홀 시험을 수행하였다. 실대형 시험의 반복 재하 중 각종 자료를 측정하기 위해 토압계, 변위계, 가속도계를 지중의 여러 위 치에 설치하였다. 그림 2는 3개의 노반단면과 계측기의 설치위치를 보여준다. 토압계 등의 계측장치 이 외에 현장 벤더엘리먼트를 시험 토조 벽면에 부착하였다. 또한 FBG 및 스트레인게이지 센서가 부착된 센싱바(sensing bar)를 HSB와 보조도상층 사이에 설치하였다.
그림 2. 실대형 시험 계측기 배치 및 시험 종류 (△가속도계; □침하계; ◯토압계; ◯B 현장 벤더엘리먼트; D 현장밀도시험; DP 동평판시험; Ev 반복평판시험; DAT 직접도달파시험; 크로스홀
시험은 깊이에 따라 10cm 간격으로 연속적으로 측정)
3.1 크로스홀 시험
크로스홀 시험(cross hole test, CHT)은 공내 탄성파 시험법의 일종으로 지반에 마주보는 두 개의 시추 공을 PVC관과 같은 공벽을 유지시킬 수 있는 케이싱으로 형성한 후, 수진기(receiver)와 발진자(source)를 같은 깊이로 일정 간격으로 내리면서 발진자로부터 발생된 전단파 및 압축파의 속도를 수진기에서 측정 하는 시험방법이다. 크로스홀 기법은 2차원 단면 결정을 위한 토모그래피 기법과는 달리 일반적으로 가 진공과 수진공 사이의 1차원적인 탄성파 속도 주상도를 결정하기 위하여 주로 활용된다. 본 시험에서는 노반을 조성하기 전에 서로 마주 보는 토조 벽면에 시추공으로 사용할 PVC관을 그림 3과 같이 설치하 였다. 발진자에서 신호 발생 시 벽체와의 간섭을 방지하기 위해, PVC관은 토조 벽면과 충분한 여유 거 리를 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 . (a) CHT를 위한 PVC 관의 설치 (b) 발진자 (c) 수진기 그림 3. 기계식 크로스홀 시험 장비
그림 4. 전기기계식 크로스홀 시험장비 (박철수 등, 2009) 그림 5. 크로스홀 시험의 신호 측정 결과 크로스홀 시험은 궤도 노반이 완성된 후 재하 시험 직전과 재하 시험이 완료된 시점에 각각 실시하였 다. 크로스홀 시험은 깊이 방향으로 10cm 씩 내려가면서 토조 바닥면 근처까지 실시하였다. 그림 5는 크로스홀 시험에서 측정한 대표적인 신호 결과이다. 3.2 직접 도달파 시험 지표면 얕은 깊이의 지반 물성치를 측정하기 위한 탄성파 조사 기법으로는 직접 도달파 탐사 (direct-arrival method), 반사파 탐사(reflection survey), 굴절파 탐사(refraction survey)가 있다(Richart et al., 1970). 이 중 직접 도달파 탐사는 지표면 상부의 탄성파 속도가 일정한 층에서 지표면의 일직선상에 거 리별로 속도계를 설치하고 같은 선상에서 충격하중을 가하여 수행한다. 본 연구의 실대형 시험에서 노 반 조성 다짐 층이 두껍지 않고 거의 균질한 재료를 사용하였기 때문에 직접 도달파 탐사 기법의 적용 이 적절하다고 판단하였다.
(a) 직접도달파 시험 개요 (b) 타격방향에 따른 탄성파의 발생 그림 6. 직접도달파 시험 개요 및 타격방향에 따른 탄성파의 발생 (a) 직접 도달파 시험 광경 (b) 데이터의 취득 그림 7. 실대형 시험 토조에서 직접 도달파 시험 직접 도달파 시험에서 탄성파는 압축파, 전단파, 표면파가 혼합되어 전파된다. 이 3가지 파형 중 압축 파(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 전 단파 또는 표면파 신호는 먼저 도달하는 압축파 신호의 간섭으로 판별하기가 어렵지만, 본 연구에서는 압축파 측정과 함께 전단파의 속도 역시 측정하여 분석하였다. 지표면에 설치된 각각의 속도계에서 계 측된 초동 도달시간과 충격하중 위치로부터의 이격 거리를 이용하면 압축파 속도를 계산할 수 있다. 그림 6과 7에 보인 바와 같이 탄성파를 발생시키는 가진 장치로서 소형 망치를 사용하였고, 특수 제 작된 플랭크(plank)의 측면을 타격하여 압축파를 발생시켰다. 또한 타격 방향에 따라 SV 또는 SH파의 전단파를 발생시킬 수 있다. 전달된 감지기는 수직 방향으로 민감한 속도계(4.5Hz, Mark product L-10B) 를 사용하였다. 감지기에는 스파이크를 부착하여 성토 지반 표면에 완전히 밀착되도록 하였고, 감지기
-0.1 0.0 0.1 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Re ce iv e r ( V ) S -0.1 0.0 0.1 100 200 300 400 Time (sec) Re ce iv e r ( m V ) R1 R2 R3 -0.1 0.0 0.1 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Re ce iv e r ( V ) Time (sec) S -0.1 0.0 0.1 200 300 400 Re ce iv e r ( m V ) R1-Up R1-Down R2-Up R2-Down R3-Up R3-Down 그림 8. 직접 도달파 시험에서 측정된 신호 3.3 현장 벤더 엘리먼트 시험 압전소자를 이용하여 만들어진 한 쌍의 벤더 엘리먼트(Bender elements)는 매질에서 마주보도록 설치된 다. 가진측 벤더 엘리먼트는 전기 신호에 의한 압전소자의 움직임으로 전단파를 만들어내며, 수신측의 벤더 엘리먼트는 전단파로 인한 매질의 움직임을 감지하여 이를 전기신호로 변환시킨다. 일반적으로 실 내 토질 시험에서 사용되는 벤더 엘리먼트를 실대형 토조 시험에서도 사용하기 위해 그림 9와 같이 특 수 제작하였다. 그림 9에 보인 바와 같이 벤더 엘리먼트는 철재판에 부착되고 벽체와 거리를 두고 설치 하기 위해 철재봉에 연결한 후 소형 앵커로 벽체에 부착되었다. 이러한 현장 벤더 엘리먼트 시험 장치 는 각 시험단면별로 보조도상층과 상부노반의 경계부, 그리고 보조도상층 표면으로부터 1m와 2m 깊이 의 위치에 각각 설치되었다. 그림 6(a)과 같이 설치용 부품을 조립하여 측정하고자 하는 위치에 고정하 였다. 그림 6(b)는 토조 내에 설치가 완료된 모습을 보여주고 있다. 벤더 엘리먼트를 벽체에 고정시킨 후 전선을 조심스럽게 처리한 후, 토조 성토를 실시하였다. 다짐 성 토가 벤더 엘리먼트 위치까지 도달하면 벤더 엘리먼트 장치 근처에서는 조심스럽게 다짐을 한 후 다짐 체와 벤더 엘리먼트 장치 사이의 공간은 주문진 표준사로 조심스럽게 덮고 수작업으로 다졌다. 벤더 엘리먼트 시험은 크로스홀 시험과 같이 재하 전후와 재하 도중에 실시하였다. 현장 벤더 엘리먼 트는 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 사 용하였던 플랭크를 보조도상층 위에 놓고 소형 망치로 전단파를 발생시켰다. 그림 7은 A단면과 B단면에 서 재하 후에 실시한 현장 벤더 엘리먼트 시험에서 측정한 신호 결과이다. 또한 재하 중에도 벤더 엘리 먼트 측정을 실시하였고 이때의 신호 발생은 재하 시스템에서 가해지는 반복 하중에 의해 이루어진다. 그림 9. 설치용 부품 조립 후 벤더 엘리먼트
(a) 설치 직전의 벤더 엘리먼트 (b) 벽면에 부착된 벤더 엘리먼트 그림 10. 현장 벤더 엘리먼트의 설치
그림 11. 현장 벤더 엘리먼트에서 측정된 신호
3.4 센싱바 시험
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. 센싱바는 MC Nylone 재질의 플라스틱판으로 제작되었고, 상하부 표면에 FBG 센서와 일반 스트레인제이지가 일정 간격으로 부착되었다. 스트레인게이지는 FBG 센서의 작동을 확인하기 위해서 설치되었다. 센싱바에서 센서의 설 치 구조는 그림 13에 설명되어 있다. 센싱바의 총 길이는 3m이다. 다중화(multiplex)된 3개의 FBG 센서 가 1개의 광섬유로 부착되었으며, 센서 간의 간격은 1m이다. 스트레인게이지는 하부 인장측에 5개소, 상 부 압축부 3개소에 FBG 센서와 같은 위치에 부착되었다.
그림 13. 센싱바의 센서 설치 구조 (a) 보조도상층 위에 놓인 센싱바 (b) 콘크리트 노반 포설 직전의 센싱바 그림 14. 센싱바의 설치 센싱바에서 부착된 FBG센서를 통해 센싱바의 변형률을 측정할 수 있고, 이를 통해 센싱바의 변형을 추정할 수 있다. 센싱바는 보조도상 표면과 HSB 층 하부에 각각 설치되었다. 그림 14는 센싱바의 설치 과정을 보여준다. 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. 4. 결론 콘크리트 궤도 노반의 실대형 시험에서 노반층의 강성 및 변형 특성을 측정하고자 다양하고 새로운 계 측 방법이 도입되었다. 노반의 전체적인 강성 분포를 측정하기 위해 크로스홀 시험이 실시되었으며, 이 를 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 있 다. 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 보 조도상층 상부에 설치되어 레일 방향의 노반 변위 측정이 가능하다. 이러한 다양한 측정 방법의 도입은
기존에 실대형 시험에서 사용하였던 특정 위치별 자료와 함께 분석하여 보다 정확한 노반 강성과 변형 의 측정이 가능하도록 한다. 감사의 글 본 연구는 국토해양부에서 지원한 “철도건설 경쟁력 확보를 위한 제반연구” 과제에 의해 수행되었습니 다. 참고문헌
1. Richart, F.E, Hall, J.R., and Wood, R.D., Vibration of Soils and Foundations, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall Inc.
2. 박철수, 사공명, 목영진, 김대영, “P파 속도 토모그래피를 이용한 터널 주변의 암반손상 평가,” 한국지 반공학회논문집, Vol.25, No.11, pp.53-60, 2009.
3. 선창국, 목영진, 정충기, 김명모, “Reliable evaluation of dynamic ground properties from cross-hole seismic test using spring-loaded later impact source,” 한국지진공학회 논문집, Vol.10, No.4, pp.1-13, 2006.
