년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSRA 철도노반부설후성토부잔류침하발생에관한통계적분석 Statistical analysis of residual settlement on embankment after constructing railway roadbed 이세희 *, 조국환 Se-Hee Lee *, Kook-Hwan Cho Abstract The roadbed s residual settlement is being regulated in the railway design standard, which is mainly from the up-lift limitation using pad for maintenance. This research tries to figure out reasons of residual settlements over mm after embankment construction. Total 8 data have been collected and analyzed to investigate relationships between SPT-N-Value, the depth of soft ground, and the height of embankment and soil types. The research result shows that the most influential factor on residual settlement is the embankment height. The probability of the residual settlement which is more than mm is about % when the embankment height is higher than m. However, the correlationships in soil type, SPT-N value, soft ground depth, with residual settlement are not strong enough to confirm. Keywords : Railway roadbed, Settlement, Correlation, Residual settlement, Embankment 초록철도노반부설후체결장치보수조정한계등으로인하여노반잔류침하기준을철도설계지침에규정하여관리하고있다. 그중토공구간에서기준치를넘는개소가다수발생하였으며, 이에잔류침하발생의원인을규명하고자하였다. 본연구에서는총 8 개의 Data 를수집한후성토높이, 지반조건, N 치, 연약지반의깊이등과침하량의상관관계를분석하였다. 분석결과잔류침하에가장큰영향을미치는것은성토높이로나타났다. 특히성토높이가 m 이상인경우에잔류침하발생확률이 % 이상이되는것으로분석되어시공시세심한주의가필요한것으로나타났다. 그러나연약지반의종류, 깊이, 강도등은상대적으로잔류침하와의큰상관관계가존재하지않는것으로분석되었다. 주요어 : 철도노반, 침하량, 상관관계, 잔류침하, 성토고 1. 서론열차고속화에따라안정한노반및선로형태가요구되면서자갈궤도에비해자체강성및저항력이큰콘크리트궤도부설이일반화되어가고있는추세이다. 자갈궤도와달리콘크리트궤도는궤도를지지하는 TCL층과 HSB층이강성구조로, 이층들을지지하는성토체와원지반에서의침하발생을기본적으로허용하지않는궤도구조형식이다 [1]. 그러나토공구간은유독타구간에비해원지반과노반침하에취약한형태를띠고있어, 고속철도기준에서총허용잔류침하량을엄격하게관리하고있다. 철도노반이연약지반으로구성되는경우흙의압축성에의해즉시침하, 1차압밀침하, 차압축침하등이발생한다. * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과교수 (khcho@seoultech.ac.kr)
일반적으로원지반의침하발생시초기에과잉간극수압이소산되면서 1차압밀현상이일어나며, 그후유효응력하에흙이재배열되어 차압축침하가나타난다. 이때 차압축침하는장기적거동을함으로써노반의잔류침하를유발한다. 이에노반잔류침하에발생원인을찾고자여러관점에연구들이수행되었다. 이일화외 () 는콘크리트궤도토공구간을대상으로지하수위변동이침하에미치는영향에대한연구를진행하였고, 이성진외 (1) 은콘크리트궤도노반침하와다짐함수비의관계를입증하는등노반의영향요소에관련한연구가진행되었으나지반강도와성토고높이등지반상태를평가하는요소들역시잔류침하에영향을미치므로또다른관점에대해이야기하고자본연구를아래와같이수행하였다.. 철도노반허용기준및영향요소선정.1 허용잔류침하량및연약지반판정기준한국철도시설공단에서는철도노반부설시토공구간에서의침하를방지하기위하여허용잔류침하량, 성토고높이및연약지반판정기준등을설계지침에제시하여관리하고있다. 허용잔류침하량은총 3mm 이내로노반인수인계후열차하중에의한침하량 mm, 원지반침하량과성토체침하량및궤도구조에서의침하량 mm로유지보수기준을제시하고있다. 연약지반판정을아래 Table 1과같이표준관입시험 N치값으로기준을제시하고있다. Table 1 The criterion of soft ground 구분 점성토및이탄질지반 사질토지반 층두께 m 미만 m 이상 - N치 이하 이하 이하. 지반개량을위한주요연약지반처리공법위와같이지반조사에따른연약지반을판정한후처리가필요한지반은아래 Table 와같이지반을개량할것을권고하고있다. Table The classification of soil improvement method 개량원리주요공법개량목적적용지반 치환 치환공법 활동파괴의방지, 침하의감소, 지반전단변형의억제 점성토, 유기질토 Preloading 공법 압밀침하촉진 점성토 탈수 Sand drain 공법 지반의강도증가촉진 유기질토 Well point 공법 활동파괴의방지 사질토 다짐 Vibroflotation 공법침하의감소, 액상화의방지사질토 고결동결공법지반의 Piping 방지, 침하감소점성토, 사질토 차수약액주입방법지반토측방유동방지, 차수사질토
.3 성토부침하따른영향요소선정성토구조물의침하는원지반침하, 성토체침하, 열차운행하중에의한침하로나눌수있다. 그중원지반침하는지반강도와그에따른연약지반층을이루는범위등에따라발생하며, 성토체침하는성토체층의두께, 성토재료, 다짐작업에좌우된다. 그러나열차운행하중에의한침하는하부노반으로까지영향범위가다른침하에비해작다. 이에따라전체적인흙의성질에따라무처리지반 ( 사질토, 점성토 ) 과처리지반으로구분하였으며, 원지반과성토체의침하에미치는영향으로성토고와지반강도 (N치) 및연약지반깊이를선정하였다. 3. 성토부침하영향요소에따른침하량상관관계통계분석 본연구는그동안건설된철도노반에서연약지반과연관성이있는데이터를수집하였으며, 성토부데이터는총 8개가분석되었다. 지반재료에따라무처리지반중사질토는 17개, 점성토는 73개, 처리지반으로는 1개로분류할수있었다. 또한잔류침하발생원인을분석하기위하여성토고, N치, 연약지반깊이를영향인자로분류하였다. 이에철도노반을지지하는지반재료및영향요소와침하량의상관관계를통계 분석하여침하에직접적인영향을주는인자를알아보고자하였다. 3.1 성토고에따른잔류침하경향성토체층의두께에따라침하가좌우되므로성토고는중요한영향인자이다. 성토고에따른잔류침하량을분석한결과허용침하량을초과하는데이터는사질토의경우 17개중 1개로초과비율이 1%, 점성토의경우 73개중 9개로초과비율이 1%, 처리지반의경우 1개중 13개로초과비율이 8% 를차지했다. 전체적인잔류침하경향은아래 Fig. 1과같이성토고가낮을수록침하량이작게발생하고, 성토고가높을수록침하량은커지는경향을볼수있다. (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil (C) The case by improved ground Fig. 1 The graph for correlation embankment with settlement
3.1.1 성토고 ( 연약무처리지반 ) 과잔류침하량의상관관계 Fig. 와같이노반잔류침하량기준값 (mm 이하 ) 에대한초과빈도수를막대그래프로나타내었다. 여기서사질토일때 m를기점으로 1m까지기준치를초과하는비율은 ~% 이며, 점성토일때 11m를기점으로 m까지기준치를초과하는비율은 33~% 를차지하였다. 따라서성토고의높이는무처리지반일때 m 이상부터시공시주의깊게고려해야할것으로판단된다. 1 X mm 의의의 X < mm 의의의 1 X mm 의의의 X < mm 의의의 8 1 3 7 8 9 11 1 13 1 1 1 3 7 8 9 11 1 13 1 Embankment(m) Embankment(m) (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil Fig. The graph for correlation embankment frequency of settlement (Unimproved ground) 3.1. 성토고 ( 연약처리지반 ) 과잔류침하량의상관관계 Fig. 3과같이 Preloading공법의경우전체 개중 개가허용잔류침하값을초과하였으며, 초과비율은 33% 를차지하였다. 치환공법의경우전체 137 중 8개가허용침하값을초과하였으며, 초과비율은 % 를차지하였다. 수집한데이터내 Preloading공법은과반수개수가허용잔류침하량을초과함에따라잔류침하에가장취약한공법임을알수있었다. 따라서부득이하게 Preloading공법으로설계할경우, 노반재료및지지력에대하여좀더신중하게고려할필요가있을것으로판단된다. P/L 공공 치치공공 X mm 의의의 X < mm 의의의 X mm 의의의 X < mm 의의의 3 1 1 3 7 8 9 11 1 1 3 7 8 9 11 1 13 1 Embankment (m) Embankment(m) (a) The case by improved ground (Preloading) (b) The case by improved ground (Replacement) Fig. 3 The graph for correlation embankment with frequency of settlement (Improved ground)
3. N치에따른잔류침하경향 N치는지반강도를간접적으로평가하는기법으로 N치가클수록지반의강도가큰것을의미한다. N치에따른잔류침하량을분석한결과허용침하량을초과하는데이터는사질토의경우 17개중 3개로초과비율이 13%, 점성토의경우 73개중 9개로초과비율이 1%, 처리지반의경우 1개중 13개로초과비율이 8% 를차지했다. 그러나, 아래 Fig. 와같이각 N치에따라다양한침하량이발생함에따라전체적으로특정한경향은나타나지않는것으로나타났다. 따라서, 지반강도는잔류침하와는상관관계가없는것으로판단된다. (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil (C) The case by improved ground Fig. The graph for correlation the value of N with settlement 3..1 N치 ( 연약무처리지반 ) 와잔류침하량의상관관계 Fig. 와같이사질토의경우 N치가 ~1에서기준치를초과하는비율이 ~% 이며, 점성토의경우 N치가 3~에서기준치를초과하는비율이 8~7% 이다. 전반적으로 N치에따른잔류침하기준치초과비율이일정한경향을보이지않음을알수있었다. 1 3 X mm 의의의 X < mm 의의의 1 X mm 의의의 X < mm 의의의 3 1 8 1 3 7 8 9 11 1 13 1 1 17 18 19 1 3 7 8 9 11 1 13 1 1 The value of N The value of N (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil Fig. The graph for correlation the value of N frequency of settlement (Unimproved ground)
3.. N치 ( 연약처리지반 ) 와잔류침하량의상관관계 Fig. 과같이 Preloading공법의경우전체 개중 개가허용잔류침하값을초과하였으며, 초과비율은 33% 를차지하였다. 치환공법의경우전체 137 중 8개가허용침하값을초과하였으며, 초과비율은 % 차지하였다. 각공법별 N치와의일정한경향을가지고있지는않지만확률적으로 Preloading공법적용이위험하다는것을판단할수있었다. P/L 공공 치치공공 8 X mm 의의의 X < mm 의의의 X mm 의의의 X < mm 의의의 1 3 7 8 9 11 The value of N 1 3 7 8 9 11 1 13 1 The value of N (a) The case by improved ground (Preloading) (b) The case by improved ground (Replacement) Fig. The graph for correlation the value of N with frequency of settlement (Improved ground) 3.3 연약지반깊이에따른잔류침하경향 N치의연약지반판정기준 (Table. 1참고 ) 에따라연약지반깊이를산정하였다. 관련데이터를분석한결과아래 Fig. 7과같이허용잔류침하량초과비율이사질토는 13%, 점성토는 1%, 처리지반은 8% 로나타났다. 따라서, N치에따른잔류침하경향과같게연약지반깊이역시특정한경향은보이지않았음을알수있었다. (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil (C) The case by improved ground Fig. 7 The graph for correlation the depth of soft ground with settlement
3.3.1 연약지반깊이 ( 연약무처리지반 ) 와잔류침하량의상관관계사질토의경우연약지반깊이가 ~13m에서허용잔류침하기준치를초과하는비율이 3~8% 이며, 점성토의경우연약지반깊이가 ~11에서허용잔류침하기준치를초과하는비율이 ~% 이다. 전반적으로연약지반깊이에따라기준치초과비율이 Fig. 8과같이일정한경향을보이지않음을알수있었다. 3 X mm 의의의 X< mm 의의의 X mm 의의의 X< mm 의의의 3 8 1 1 1 1 3 7 8 9 11 1 13 1 Depth of soft ground Depth of soft ground (a) The case by sandy soil (b) The case by cohesive soil Fig. 8 The graph for correlation depth of soft ground frequency of settlement (Unimproved ground) 3.3. 연약지반깊이 ( 연약처리지반 ) 와잔류침하량의상관관계 Fig. 9와같이 Preloading공법의경우전체 개중 개가허용잔류침하값을초과하였으며, 비율은 33% 를차지하였다. 치환공법의경우전체 137 중 8개가허용침하값을초과하였으며, 비율은 % 차지하였다. 따라서, 연약지반과의일정한경향을가지고있지는않지만확률적으로 Preloading공법적용이위험하다는것을판단할수있었다. P/L 공공 치치공공 7 3 X mm 의의의 X < mm 의의의 X mm 의의의 X < mm 의의의 3 1 1 3 7 8 9 11 1 13 1 3 7 8 9 11 1 13 1 1 Depth of soft ground(m) Depth of soft ground(m) (a) The case by improved ground (Preloading) (b) The case by improved ground (Replacement) Fig. 9 The graph for correlation depth of soft ground with frequency of settlement (Improved ground)
. 결론 본논문에서는철도노반토공구간중성토부를대상으로잔류침하와그에따른영향요소의상관관계를규명하고자하였으며그결과를아래와같이기술하였다. 1. 그동안건설된철도노반에서연약지반과연관성있는데이터를수집하였으며, 성토부데이터총 8개를분석하였다. 지반재료에따라무처리지반중사질토는 17개, 점성토는 73개, 처리지반으로는 1개로분류할수있었다. 또한잔류침하발생원인을분석하기위하여성토고, N치, 연약지반깊이를영향인자로분류하였다. 데이터분석결과, 성토체영향요소인성토고가높을수록잔류침하량이커지는경향을나타내었으며, 잔류침하량과의상관관계가다소높음을알수있었다. 그에반해원지반영향요소인 N치와연약지반깊이는잔류침하량과의직접적인상관관계를띠지않았다. 따라서, 노반의잔류침하는원지반의영향요소보다성토체의영향요소와의상관관계가깊다고판단된다. 3. 성토고처리지반의경우 m 이상에잔류침하가발생하였으며, 무처리지반의경우 Preloading의잔류침하초과비율이 33%, 치환처리의잔류침하초과비율이 % 로발생하였다. 따라서철도노반시공시처리지반에서성토고높이를 m 이상쌓을때와무처리지반에서 Preloading공법을적용할때는좀더세심한주의가필요하다고판단된다. 참고문헌 [1] D.S. Kim, S.C. Yang, J.S. Moon, H.J. Lee, et al. () Settlement of embankment and foundation for concrete track of Gyungbu high speed railroad, Journal of the Korean Society for Railway, 9(), pp. -1. [] I.W. Lee, S.C. Yang, S.Y. Jang (7) Study of Determination of Allowable Residual Settlement of Concrete Track Roadbed for High-Speed Railway, Fall conference of the Korean Society for Railway. pp. 11-1119 [3] S.J. Lee, I.W. Lee, S.H. Lee, K.J. Kim (1) Evaluation for Settlement of Railroad Fill Materials, Spring conference of the Korean Society for Railway. pp. 17-131 [] Korea Railway Network Authority (13) Rail Design Standard (Roadbed), Korea Railway Network Authority.