J. Korean Soc. Hazard Mitig. Vol. 17, No. 5 (Oct. 2017), pp.17~22 https://doi.org/10.9798/kosham.2017.17.5.17 ISSN 1738-2424(Print) ISSN 2287-6723(Online) www.kosham.or.kr 교통방재 철도보강노반의시공중변형제어성능평가 Performance Evaluation on Deformation Control of Reinforced Subgrade for Railways Under Construction 김대상 * Kim, Dae Sang * Abstract This paper evaluates the performance on deformation control of reinforced subgrade for railways(rsr) with in situ concrete pile foundation in soft ground for the decrease of residual settlement and increase of construction speed. Originally it was designed with RC retaining wall with steel pile foundation for railway subgrade, but changed with the RSR. Bored in situ concrete piles with 0.4m diameter were reinforced in a row below the RSR wall to expect large settlement of clay layer. The length of piles were changed from 1.5 to 2m depending on thickness of clay layer. The safety analyses of the RSR with pile foundation were performed about circular failure, sliding, and overturning and evaluated under the allowable safety standards. Based on the measurement of settlements and horizontal displacement about w/ and w/o pile foundation zones, we confirmed that bored in situ concrete pile foundation below the RSR wall has sufficient function of vertical and horizontal deformation control under construction, even though it was constructed on the soft layer. Key words : Deformation, RSR (Reinforced Subgrade for Railways), Settlement, Safety, Soft Layer 요 지 본논문에서는연약지반상철도보강노반 (RSR) 의잔류침하제어및시공속도향상을위하여벽체기초로현장타설무근콘크리트를적용하고시공중변형제어성능을평가하였다. 강관말뚝기초 RC 옹벽으로설계된철도노반구간을 RSR 을적용하기위하여설계변경하고시공하였다. RSR 벽체기초부는점토층이혼재하는구간으로큰침하가예상되어벽체기초부에직경 0.4 m 무근콘크리트말뚝을 1 열로배열하여보강하였다. 말뚝길이는점토층깊이에따라 1.5 2 m 로차별화된설계를실시하였다. 보강된 RSR 에대한원호활동, 전도및활동에대한검토결과로부터안정성을확보한것으로평가되었다. RSR 토체시공후지표및원지반침하와수평변위를측정한결과로부터, 무근콘크리트기초로시공된 RSR 의시공중연직및수평변형제어성능은충분한것으로확인되었다. 핵심용어 : 변형, 철도보강노반, 침하, 안전, 연약지반 1. 서론 철도보강노반 (Reinforced Subgrade for Railways, 이하 RSR) 은철근을용접하여제작한기준틀과장보강재와단보강재를혼용하여토체를선시공하고벽체를후시공하여벽체시공전에토체의안정화를유도하는공법으로 (Fig. 1), 토체가자립하므로벽체에작용하는수평토압이작아벽체두께및기초를간소화할수있다 (Tatsuoka et al., 1997; Kim, 2014). 따라서, 연약지반상에철도보강노반을시공하는경우 RC 옹벽등기존공법과달리벽체기초하부의지반을경제적으로보강할수있다. * 교신저자, 정회원, 한국철도기술연구원책임연구원 (Tel: +82-31-460-5305, Fax: +82-31-460-5032, E-mail: kds@krri.re.kr) Corresponding Author, Member, Principal Researcher, Metropolitan Transportation Research Center, KRRI 17
외측에자동차운행도로가인접하고있으며, 도로외측으로경부고속선이운행중에있다. 따라서, 기존교대건설로인한터파기시도로의일부구간점유및말뚝기초시공시경부고속선인근크레인작업으로야간작업이불가피한구간이었다. 따라서, 벽체기초에말뚝기초사용이원칙적으로불필요한 RSR 공법을적용하므로서기초공정을단순화시키고, 말뚝기초적용으로인한야간작업을피할수있었다. RSR 설계에서는잔류침하저감을위하여토공을선시공한후벽체를후시공하는데동적용구간에점토층이혼재되어있음을고려하여벽체하부는시멘트처리된자갈과현장타설무근콘크리트말뚝을적용하였다 (Fig. 2). Fig. 1. Concept Drawing of RSR 콘크리트슬래브궤도와같이변형에대한엄격한사용성능을요구하는상부구조를가진노반구조에대해서는안정성외에시공및사용중변형에대한관리가시스템의전주기품질을좌우하게된다. 특히현장여건상시공기간이짧은경우토체의조기안정화및벽체시공후잔류침하를최소한으로제어할필요가있다. 시공중발생하는변위를최소화함으로서최종완성구조물단계에서의안정성및사용성을향상시켜유지보수비용을줄일수있는장점이있다. 또한, 대부분의건설현장에서는시공중계측작업의번잡스러움과설치된계측기의망실로인하여시공중변형데이터를지속적으로장기간획득하기가매우어렵다. 본연구에서는기존에 RC 옹벽과강관말뚝기초로설계된구간을 RSR 공법을적용하여설계변경하고시공한구간에대하여, 벽체기초보강을위하여점토층두께에따라차별화된길이의현장타설무근콘크리트를적용하고이에대한시공중변형제어성능을평가하였다. 2. RSR 설계및시공 2.1 RSR 설계철도종합시험선로의교대접속부구간에 RSR 을적용하여설계변경을수행하였다. 기존설계에서는캔틸레버식역 T 형옹벽과강관말뚝기초가적용될예정이었다. 교대높이는 8m 이며, 접속부구간을포함하여 1.8 m 간격의 4 열말뚝을길이 11 m 로설치하는것으로설계되었다. 동구간은 (a) RC retaining wall(original design) (b) RSR(Revised design) Fig. 2. Cross Sections of Original and Revised Design 벽체기초하부는점토층두께에따라교대로부터 7 m 범위까지는 2.0 m 길이의현장타설무근콘크리트말뚝을, 그이후구간 16 m 까지는 1.5 m 길이의말뚝을 1 m 의간격으로 1 열로배치하였다. 국내에는 RSR 에대한설계기준이수립되어있지않으므로철근콘크리트옹벽과보강토옹벽의설계기준 (MOLIT, 2016) 을준용하여안정성검토를수행하였다. 안정성검토는 RSR 의구조적특징을설계에반영하여개발된 RSR 전용해석프로그램을사용하여 Fig. 3 과같이원호활동안정성, 전도및활동안정성을평상시의건기, 우기와지진시에대해검토하였다. 원호활동안정성은비숍간편법을이용하여검토하였고, 활동, 전도안정성은 2 웨지파괴면을고려한 18 한국방재학회논문집, 제 17 권 5 호 2017 년 10 월
주동토압을산정하고안정성을검토하였다. 안정성검토에사용된지반정수는 Table 1 과같다. Table 2 는안정성검토결과로, 기준안전율을만족하고있음을보여준다. 중요하다. 침하를저감하기위한방법으로계획깊이까지오거를이용하여지반을천공하고무근콘크리트를타설하여말뚝을생성하는기초시공방식을적용하였다. 연약지반내에콘크리트말뚝을형성하여상부하중을하부의양호한지반층으로전달하여하중을분산하고, 연약층의압축성을개선할수있다. 압밀침하를발생시키는데시간이소요되는기존의공법에비해간단한시공을통하여빠르고경제적으로지반의잔류침하를최소화할수있다. 특히연약층두께가 5~7 m 이상으로두꺼워지면, 기초치환공법적용시소요되는비용이크게증가하므로연약지반대책공법으로서는적절하지않을것으로판단된다. RSR 벽체기초로서의현장타설무근콘크리트시공순서는 Fig. 4 와같다. Fig. 3. Cross Section of Analysis Table 1. Properties of Soil Layers Properties Friction angle ( ) Cohesion (kn/m 2 ) Unit weight (kn/m 3 ) Backfill (gravel) 35 0 20 Clayey sand 27 5 18 Clay 0 30 18 Silty sand 30 0 18 Table 2. Results of Stability Analysis Safety Circular Failure Loading Condition Dry condition Wet condition Earthquake 2.011 > 1.500 1.802 > 1.300 1.681 > 1.100 Sliding 3.546 > 2.000-3.793 > 1.500 Overturning 3.712 > 1.500-2.715 > 1.100 2.2 RSR 시공 RSR 의시공중토체변형을제어하기위한지표로서연직변위 ( 침하 ) 및수평변위를최소화할필요가있다. 특히상대적으로단위중량이가장큰철근콘크리트벽체의침하와연직으로시공되는토체의배부름을줄이는것이 (a) Excavation with Auger (b) Pouring and Vibrating Concrete (c) Curing Concrete Fig. 4. Construction Process of a Bored in Situ Concrete Pile with Reinforcement as a Foundation of RSR Wall Fig. 5(a) 는교대에적용된 RSR 의설계이다. RSR 의벽체하부지반에 Fig. 5(b) 와같이 1.4 m 의점토질모래층과 3.7 m 의점토층이존재하고, 지하수위계측결과지하수위가지하 0.6~1.6 m 사이에존재하여압밀침하의가능성이있었다. 따라서침하제어및시공속도향상을위하여지반을보강하였다. 지반조사결과로부터교대로부터이격거리가증가할수록점토층의두께가얇아지는것을확인하였으므로교대인접 7 m 구간까지는직경 0.4 m, 길이 2.0 m 의말뚝을수평간격 1 m 로배치하였고, 그이후의 9 m 구간에는동일직경의길이 1.5 m 의말뚝을수평간격 1 m 로시공하였다. 기초시공위치는 Fig. 5(a) 와같고, Fig. 6 은무근콘크리트말뚝기초를시공하는전경을보여준다. 토체조성을위한다짐시공중및시공후수평변위 ( 배부름 ) 을최소화하기위하여 Fig. 7 과같이토체최외측에용접된철근망과보강재말아감기를실시하였다. 철근망내측에는자갈층의유실을방지하기위하여유실방지망을설치하였다. 철도보강노반의시공중변형제어성능평가 19
(a) Longitudinal Section of RSR (b) Cross Section of RSR Fig. 5. Design Drawing of RSR at abutment (a) Boring (b) Pouring concrete Fig. 6. View of Bored in Situ Concrete Pile Construction Fig. 9(a)는 원지반 침하를 위하여 토체 내측 3.8 m지점 에 설치한 침하봉을 보여준다. 측정지점은 지반보강을 하지 않은 원지반의 침하를 측정할 수 있도록 결정하였다. 지표 침하는 벽체 기초 하부 지반보강의 영향이 미치는 위치로 최 외측 상단 기준틀에서의 침하를 측정하였다 (Fig. 9(b)). 침하 측정은 Leica 3차원 장비를 활용하였다. 토체 시공 후 시간 경과에 따른 배부름 수준을 평가하기 위하여 토탈 스테이션 3차원 광파기를 활용하여 수평변위 를 측정하였다. Fig. 9(c)는 수평변위 측정용 타겟 부착 전경을 보여준다. Fig. 7. Net of Welded Reinforcements to Control Horizontal Displacement of Embankment 3. RSR 변형계측 3.1 계측 개요 본 기초 적용에 따라 토체 안정화 기간 동안 발생하는 RSR의 침하 및 변형정도를 확인하기 위하여 토체 최상단 기준틀에서의 지표침하, 원지반 침하, 토체의 배부름 높이별 로 계측하였다. Fig. 8은 계측을 실시한 각각의 위치를 보여 준다. 20 한국방재학회논문집, 제17권 5호 2017년 10월 Fig. 8. Locations of Measurement Points
(a) Ground Settlement (a) Ground Settlement (b) Surface Settlement (b) Surface Settlement Fig. 10. Results of Settlement Measurement (c) Horizontal Displacement Fig. 9. Target Installations for Deformation Measurements 3.2 계측결과 Fig. 10 은 RSR 의토체시공이완료된 11 월 18 일로부터 56 일동안침하를계측한결과이다. 계측기간동안원지반에서의침하는최대 8.35 mm 가발생하였고침하발생이진행중인것으로판단되었다. 초기 7 일간의침하가 4.35 mm 가발생하였고, 이후지속적으로침하가증가하는경향을보였다. 지표침하는현장사정으로원지반침하계측시작일로부터 12 일후에계측이시작되었다. 계측기간동안최대 2.77 mm 가발생하여같은기간동안원지반침하량인 3.57 mm 에비해 78% 의침하량을보였다. 2.77 mm 의침하중 2.06 mm 의침하가계측초기 5 일간발생하여이후발생하는지표침하는원지반침하량과비교하여상대적으로작을것으로예상된다. 동계측결과로부터현장타설무근콘크리트기초에의한침하저감효과를확인할수있었고, 경제적인지반보강방법으로서적용성을확인할수있었다. Fig. 11은토체배부름평가를위한수평변위에대한계측결과이다. 계측초기단계에서는수평변위가증가하다가시간경과에따라수평변위가수렴하는경향을보였다. 높이 0.3 m에서 0.3 mm, 3.5 m에서 2.4 mm, 6.3 m에서 1.9 mm의수평변위가계측되었다. 중간높이에서가장큰수평변위를보여배부름이발생되는것을확인할수있었으나, 그크기는 높이를고려할때 수준으로옹벽수평변위허용범위기준인 0.6% (MOLIT, 2005) 이내로판단되었다. Fig. 11. Results of Horizontal Displacement 4. 결론 본연구에서는점토층이혼재된지반에 RC 옹벽과말뚝기 철도보강노반의시공중변형제어성능평가 21
초로기설계된구간을 RSR 공법을적용하여설계변경및시공하였다. 시공중침하저감및시공속도향상을위하여벽체기초하부에길이 1.5~2 m 의현장타설무근콘크리트말뚝기초를적용하였다. 토체시공이완료되고벽체가시공되기전까지의 2 개월에걸친기간동안원지반과지표에서의침하및토체배부름을측정하여토체의변형성능을평가한결과는다음과같다. (1) 현장타설무근콘크리트말뚝을적용하여벽체기초하부의지반을보강하고안정성을평가한결과평상시와지진시모두원호활동, 활동및전도에대한기준안전율을만족하였다. 이로부터경제적이며시공이간편한지반보강기법을적용한경우에도 RSR의안정성은확보할수있는것으로확인되었다. (2) 현장타설무근콘크리트말뚝기초로보강된영역에서의지표침하는 2.77 mm, 기초로보강되지않은영역에서의원지반침하는 3.57 mm로지표침하 / 원지반침하비가 78% 수준으로동공법을적용하는경우점토층이혼재된지반상에설치된 RSR 의벽체부침하를저감시킬수있을것으로판단되었다. (3) 점토층이혼재된지반상에설치된 RSR의시공중배부름정도를파악하기위하여계측한결과높이 3.5 m 지점에서최대 2.4 mm의수평변위만발생하였다. 이는높이의 0.07% ( ) 수준으로옹벽수평변위허용기준범위이내였다. 상기결과는전체철도노반건설공정중토체시공완료단계에서의변형성능에대한평가로향후벽체시공및열차하중재하시의변형거동을장기적으로평가하여연약지반상에서도 RSR 이충분한변형제어성능을가질수있도록성능을향상시킬계획이다. 감사의글 본연구는한국철도기술연구원주요연구사업의연구비지원 ( 도심지철도선로법면제거를통한용지활용기술개발 연구사업 ) 에의해수행되었습니다. References Kim, D.S., Hwang, S.H., Kim, U.J., Park, Y.K., and Park, S.Y. (2013) Evaluation of Design Characteristics in the Reinforced Railroad Subgrade Through the Sensitivity Analysis. J. Korean Geosynthetic Society, Vol. 12, No. 3, pp. 15-22. Kim, D.S. (2014) Stability Evaluation of Reinforced Subgrade with Short Geogrid for Railroad During Construction. J. Korean Geosynthetics Society, Vol. 13, No. 4, pp. 11-20. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2005) Design Standard for High-speed Railways, p. 170. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2016) Design Standard for Man-made Slope, pp. 55-70. Tatsuoka, F., Tateyama M., Uchimura T., and Koseki J. (1997) Geosynthetic-reinforced Soil Retaining Walls as Important Permanent Structures (1996-1997 Mercer Lecture). Geosynthetics International, Vol. 4, No. 2, pp. 81-136. Received June 19, 2017 Revised June 21, 2017 Accepted August 16, 2017 22 한국방재학회논문집, 제 17 권 5 호 2017 년 10 월