2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A086 Pagani Cone Test을이용한철도노반적용성에관한연구 A study on the Application of railway using Pagani cone test 이경석 *, 박양후 **, 조국환 Kyung-Suk Lee *, Yang- Hoo Park **, Kook-Hwan Cho Abstract The ground survey should be performed to analysis before constructions of electrical poles, soundproof walls, and so on. SPT(Standard Penetrometer Test) and CPT(Cone Penetrometer Test), and DCP(Dynamic Cone Penetration) are typical methods for ground survey. However, the SPT and standard CPT tests are difficult to apply in service railway lines due to the interruption with power lines. The DCP test can be used around service lines but it has also has limitation with low operation energy, which cannot penetrate required depth for the ground condition investigation. In this study, the application of Pagani cone which is a DCP and has larger driving energy comparing with standard DCP is investigated and suggested the relationship with plate load test results. Keywords : Ground survey, Pagani cone test, SPT, CPT, DCP 초록기존선에대하여침하원인분석, 전철주및방음벽설치등의공사를시행할경우반드시지반조사를실시해야한다. 일반적인지반조사방법으로는표준관입시험 (SPT), 콘관입시험등이가장대표적이고정확한방법이다. 그러나표준관입시험 (SPT) 은장비가크기때문에운행선주변전철주등에접촉할위험이있어적용이불가능하다. 일반적인콘관입시험장비또한표준관입시험 (SPT) 장비와같은이유로기존선주변에서사용이어렵다. 또한, 휴대가가능한장비로알려진 DCP(Drop Cone Penetrometer) 의경우는타격에너지부족과관입되는 cone-rod 의강성부족등으로필요깊이까지관입이불가능하여여러모로사용에제한을받고있는실정이다. 이에본연구에서는휴대용장비이면서비교적큰타격에너지와강성이큰 cone 관입기를사용하는 Pagani cone 의철도노반적용성을검증하고새로운노반상태평가기법을제시하고자한다. 주요어 : 지반조사, Pagani cone test, SPT,CPT, DCP 1. 서론 최근국내에서는기존자갈도상에대해 200km/h 이상의고속화를추진중에있다. 하지만자갈의노후화, 시공불량등기존선에노반및원지반의침하가발생하고있다. 일반적으로철도분야의지반조사는성토가이루어지기전원지반을상대로이루어지며, 성토시평판재하시험및반복평판재하시험을통한다짐기준에의해시공되고있다. 그럼에도불구하고일부기존선에서는여러가지요인으로인하여지속적인침하가발생하고있으며, 이에대한정확한지반조사없이침하의원인을추측하여보강및복원공사가이루어지고있는실정이다. 그러므로궤도및하부구조물의유지보수비용을최소화하기위하여도상및노반의정확한상태조사는필수적이다. 현재도상과노반에관련된많은문제점이발생하고있으나, 이를평가할수있는신뢰할만한체계는구축되어있지않은실정이다. 이러한문제를해결하고자최근다양한지반조사방법이연구되어왔다. * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도시스템학과, 대한하이텍건설 ** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과교수 (khcho@seoultech.ac.kr)
Park et al.(2009c) 과 Kim et al.(2004) 은 GPR(Ground penetrating radar) 을적용하여철도지반을검사하고자하였으며, 이후 Kim et al.(2005) 과 Kim et al.(2008) 은 PBS(Portable ballast sampler), LFWD(Light falling weight deflectometer), PBT(Plate bearing test) 를추가적용하여궤도하부의상태를평가하고자하였다. GPR은적은비용으로넓은지역에대한탐사가가능한반면, 층두께, 함수비, 세립분함량만을측정하므로직접적인궤도하부구조물의강도및강성평가에어려움이있다. LFWD와 PBT는직접적으로강성과처짐량을평가할수있는방법이나, 평가범위가제한적이기때문에노반을평가하고자할경우침목과도상자갈층을제거해야하므로적용성에한계가있다. 또한탄성파를발생시켜노반을평가하는표면파 (Surface-wave) 기법과품질관리에대한연구도진행되고있으나, 아직실용화단계에는이르지못하였다. 이와같은이유로비파괴시험들은상대적으로신뢰성이떨어지고, 단순히노반상태를평가하는데참고자료로만사용되고있다. 그러므로심도에따라직접적으로철도궤도하부구조물을평가할수있는원위치시험에대한연구가필요하다. 원위치시험에는 SPT(Standard penetration test), CPT(Cone penetration test), DMT(Flat plate dilatometer test), PMT(Pressuremeter test) 그리고 VST(Vane shear test) 등이있다. SPT의경우가장일반적인지반조사방법이지만장비의크기및전철주와의접촉위험성등의이유로적용하기가까다로운단점이있다. 원위치시험중별도의시추공을필요로하지않고연속적으로신뢰할만한데이터를획득할수있는 CPT의비중이증가하고있다. 하지만 CPT에사용되는장비또한철도현장에적용하기에는공간적인제약이있으며, 국내에서는적합한장비확보에어려움이있다. 이에 Lee et al.(2008) 은교란을최소화하기위하여표준 Cone( 직경 35.7mm) 보다작은다양한직경을갖는 Cone의개발및검증에대한연구를수행하였다. 특히 Byun et al.(2013) 은스크류롯드에체결된소형콘관입기를개발하여철도지반에적용하고자하였다. 그러나도상자갈층의상태에따라스크류롯드의회전관입에어려움이있으며, 도상자갈층에대한상태평가를수행할수없다는한계가있다. 또한, 직경이작은 Cone은관입에너지가너무적어자갈및강화노반을통과하여원지반을조사하는데한계를가지고있다. 본연구에서는휴대가가능하고 DCPT에비하여비교적타격에너지가큰 Pagani cone의제원과계측자료분석방안을제시하였으며, 현장실험을통하여노반의지반특성을파악하고, 기존의지반조사방법과비교 분석하여철도노반적용성을검증하고새로운노반상태평가기법을제시하고자한다. 2. 기존철도노반에서의지반조사 2.1 기존철도노반에서의지반조사방법표준관입시험 (SPT : Standard Penetration Test) 은 Fig. 1(a) 와같이원위치에서지반조사를하는보편적인방법으로로드끝에외경 5.1cm, 내경 3.5cm, 길이 81cm의스플릿스푼샘플러를부착하고, 보링구멍내에서무게 63.5kg의해머를높이 75cm에서낙하시켜 30cm관입시키는데요하는타격횟수 (N값) 를측정하는시험이다. 측정된 N값을통해흙의전단강도, 압축성, 지지력등지반에대한기초구조나적용공법의판단을위한기초자료를얻을수있다. 철도에서는설계시지반조사방안으로주로쓰이며, 기존선에지반조사를하는경우에는열차및전차선차단을한후지반조사를실시하여열차운행에장애가되며, 전철주와의접촉위험성을향시내포하고있는단점이있다.
동적콘관입시험 (DCPT : Dynamic Cone Penetration Test) 은 Fig. 1(b) 와같이타격횟수를기록하는기록원및시험원등총 3명이필요하며 10kg의해머를 50cm 높이에서하강시켜 Rod를 10cm 관입하는데필요한타격횟수 (N값) 를기록한다. 하지만타격에너지너무작아콘이자갈도상을통과하기힘들며, 보링장비를이용하여천공을할경우많은비용이소요되는단점이있다. 따라서본연구에서는자갈도상및강화노반을통과하여원지반까지조사할수있는장비의필요성을확인할수있었다. (a) SPT (b)dcp Fig. 1 Equipments of ground survey 3. Pagani Cone Test 3.1 Pagani cone Pagani cone test는 30kg의추를 20cm 높이에서낙하하여 10cm 관입시낙하횟수 (N) 을측정하며, 일반적으로사용하는표준관입시험 (SPT) 과원리는동일하나낙하높이, 추의무게가다른차이점이있다. Fig. 2와같이시험기기의구성요소는 hammer, rods, cone tips등으로구성되며제원은 Table 1과같다. Pagani cone test에서얻어진타격횟수 (N) 를 SPT N값로환산하여기초지반을형성하는각지층의상대밀도 (Relative Density) 및 Consistency를판정한다. Fig. 2 Pagani cone
Table 1 Specification of Pagani cone Item Specifications Hammer weight 30kg Cone tips area 10cm 2 Cone tips diameter 3.56cm Cone tips angle 60 Rods length 1m Rods weight 2.4kg/ea Rods diameter 2cm 3.2 Pagani cone 과표준관입시험 (SPT), DCP 와의상관관계 표준관입시험 (SPT) 과 Pagani cone, DCP의지지력에대한상관관계를파악하기위하여관입에너지 (Q) 를산정하고비교분석하였다. 관입에너지 (Q) 는다음과같은식 (1) 으로정의된다. M H 2 Q ( kg / cm ) (1) A 여기서, M = 질량 (Mass) H = 낙하높이 (Falling Hight) A = 단면적 (Base Area) = 관입깊이 (Penetration Length) 식 (1) 에의거하여표준관입시험 (SPT) 과동적콘관입시험 (DCPT) 의제원을이용하여각각의관입에너지 (Q) 를산정하면 Q SPT = 7.87kg/cm 2, Q = 6.0kg/cm 2, Q DCP = 5.0kg/cm 2 으로나타났다. 이에표준관입시험 (SPT) 과동적콘관입시험 (DCP) 의관입에너지를기준으로 Pagani cone과의상관관계를비교하면다음식 (2), 식 (3) 과같다. 6 NSPT N 0. 76N (2) 7.87 6 NDCPT N 1. 2N (3) 5 4. Pagani Cone Test 을통한현장적용성평가 4.1 Pagani cone을통한지반상태평가 ( 철도하부노반성토시 ) 4.1.1 현장시험개요 ( 철도현장 A) A 철도현장성토구간에서 Pagani cone test를실시하였으며, 시험위치는 Sta. 13Km 040로 15.3m 높이의성토체에서 5m 간격으로 3곳을선정하여실시하였다. 본절에서는 Pagani cone 과반복평판재하시험, LFWD 데이터비교 분석하였다.
4.1.2 시험결과및분석 Fig. 3에서보는바와같이 Pagani cone test를실시한 3곳모두 30cm 깊이를기준으로 N값의변화가있음을알수있다. 이는성토시 30cm를기준으로다짐작업이이루어졌음을추측할수있다. 70cm 깊이이하에서는표준관입시험 (SPT) N값 30이상의지반이구성됨을알수있었다. 또한, 일반적으로알려져있는성토다짐시최상층의다짐효과가크지않는것을본데이터를통하여증명할수있었다. Fig. 3 N value of Pagani cone(site A) 4.2 Pagani cone 을통한지반상태평가 ( 기존선 ) 4.2.1 현장시험개요 ( 철도현장 B, C) 철도현장 B, C는기존선으로자갈도상교량접속부 2곳에서 Pagani cone test를실시하였으며, 대상구간에서는침하가지속적으로발생하여침하원인분석을목적으로실시하였다. B현장에서는 4개소, C현장에서는 3개소를선정하였다. 4.2.2 시험결과및분석 Fig. 4에서보는바와같이현장 B, C의 0~30cm 깊이의 N값은 20~40으로비교적높은 N값이나타남을알수있다. 이는자갈도상층에서의 N값으로판단된다. 현장 B에서약 0.8~2.0m 구간은 N값이 10이하로연약한지반으로판단된다. 현장 C는성토사면측면으로상부층에서의다짐이제대로되지않았음을알수있었다. 이후약 0.8~2.0m 구간에서는 N값이 10이하로나타났다. 현장 B, C의침하원인으로는성토시다짐불량, 호우시세립자의유출, 설계시지반조사의불확실성등으로판단된다. Pagani cone을통하여침하의원인및노반의상태를평가할수있었다.
(a) N value of Site B (b) N value of Site C Fig. 4 N value of Pagani cone(site B, C) 5. 결론 본연구는기존선및신설철도현장에서 Pagani cone test를실시하였고, N값을통해지반상태및철도노반의적용성을평가하였다. 이에대한결론은다음과같다. 1. 일반적으로성토부다짐을하는경우 30cm 깊이로다짐이이루어지고있으며, 최상층에서는다짐이원활이이루어지지않고있다. 본연구에서 Pagani Cone Test를통하여최상층에서의다짐정도를분석한결과하부노반에비해약 50% 정도다짐이적게이루어짐을확인할수있었다.
2. 본연구에서알수있듯이 Pagani cone test의철도노반적용성을평가해보면정확한지반상태및침하원인을분석할수있었고, DCPT와는달리비교적큰타격에너지가발휘되어깊이가깊은지반조건에서도측정이가능했다. 그러므로 SPT와같이다소큰장비투입이어려운현장에서지반조사가필요할경우 Pagani cone이적절한지반조사방법이될것으로판단된다. 3. 반복평판재하시험과 LFWD와의데이터비교 분석에대한신뢰성을높이기위해추가 Pagani cone test가필요할것으로판단된다. 참고문헌 [1] Byun, Y. H., Kim, J. H. and Lee, J. S. (2013), Cone penetrometer with a helical-type outer screw rod for evaluation of the subgrade condition, Journal of Transportation Engineering, 139, pp. 115~122. [2] De Lima, D. C. and Tumay, M. T. (1991), Scale effects in cone penetration tests, Proceedings of the Geotechnical Engineering Congress, Boulder, Colorado, 1, pp. 38~51. [3] Kim, D. S., Hwang, S. K., Shin, M. H. and Park, T. S. (2005), Evaluation on the condition of track substructure using GPR/PBS/LFWD, Journal of the Korean Geotechnical Society, 21(5), pp. 163~170 (in Korean). [4] Kim, D. S., Lee, S. H., Kang, S. G. and Son, K. H. (2004), Research for assessing railway trackbed condition, 2004 Spring Conference of Korean Society for Railway, Korea, pp. 54~60(in Korean). [5] Kim, D. S., Park, S. Y. and Kim, S. I. (2008), Evaluation of correlation between subgrade reaction modulus and strain modulus using plate loading test, Journal of the Korean Geotechnical Society, 24(6), pp. 57~67 (in Korean). [6] Kim, M. C., Park, Y. G., Lim, H. J., Park, S. H. and Ryu, J. Y. (2013), A study on the condition assessment of ballasted tracks of various substructure types of in-service railway line, 2013 Autumn Conference of Korean Society for Railway, Korea, pp. 178~186 (in Korean). [7] Lee, J. S., Shin, D. H., Yoon, H. K. and Lee, W. (2008), Development and application of ultra small micro-cone penetrometer, Journal of the Korean Geotechnical Society, 24(2), pp. 77~86(in Korean). [8] Lunne, T., Robertson, P. K. and Powell, J. J. M. (1997), Cone penetration testing in geotechnical practice, Blackie Academic & Professional, London, 352p. [9] Mohammadi, S. D., Nikoudel, M. R., Rahimi, H. and Khamehchiyan, M. (2008), Application of the dynamic cone penetrometer (DCP) for de-termination of the engineering parameters of sandy soils, Eng. Geol., 101(3-4), pp. 195~203. [10] Park, C. S., Mok, Y. J., Hwang, S. K. and Park, I. B. (2009a), A methodology for quality control of railroad trackbed fills using compressional wave velocities: 1. preliminary investigation, Journal of the Korean Geotechnical Society, 25(9), pp. 45~55(in Korean). [11] Park, C. S., Mok, Y. J., Hwang, S. K. and Park, I. B. (2009b), A methodology for quality control of railroad trackbed fills using compressional wave velocities: 2. verification of applicability, Journal of the Korean Geotechnical Society, 25(9), pp. 57~66(in Korean).