학술논문
동적물성치를 이용한 철도노반의 회복탄성계수 산정과 품질관리 방안 / Evaluation of Resilient Modulus and Quality Control Procedure for Railroad Trackbeds Based on Dynamic Properties
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
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Subject
Language
Korean
Abstract
Trackbed design of railways has been performed based coefficient of soil reaction (k30) determined by plate load test. However, this design parameter does not reflect substructure behavior under repeated traffic loading. Recently, a new theoretically-sound design approach is under development using an elastic multilayer model. In the model, the trackbed layers are treated as linear elastic materials represented by stress-dependent resilient modulus(ER). The evaluation of resilient modulus using repeated loading triaxial test is not yet easy because of expensive equipment and troublesome testing skill. Furthermore, the values fluctuate significantly depending on the testing equipment and laboratory personnel. Even though the resilient modulus is an essential parameter in the model, the evaluation method is not fully developed for practical purpose. The paper presents an alternative approach using dynamic properties to estimate the resilient modulus to circumvent the drawbacks of the direct testing method (repeated loading triaxial test) as mentioned above.The dynamic properties consists of maximum shear modulus at small strain (Gmax) and nonlinear values for higher strain. In-situ seismic techniques, such as crosshole, downhole, inhole, and SASW methods, can be used for the measurement of maximum shear modulus, and resonant column testing results complete the nonlinear values of higher strain. These in-situ and laboratory methods have been developed during past three decades and proven to be very reliable. It is evident that a definite correlation exists between the resilient and dynamic modulus since they are affected similarly by state of stress, soil type, and physical state of soil including water content and density. This study focused on the resilient modulus prediction model, which is the functions of mean effective principal stress and axial strain, for three types of railroad trackbed materials such as crushed stone, weathered soil, and crushed-rock soil mixture. The model is composed with the maximum Young's modulus and nonlinear values for higher strain in parallel with dynamic shear modulus. The maximum values is modeled by model parameters, and the power of mean effective principal stress, . The nonlinear portion is represented by modified hyperbolic model, with the model parameters of reference strain, εr and curvature coefficient, a.To investigate the performance of the prediction models proposed herein, the elastic response of a test trackbed near PyeongTaek, Korea was evaluated using a 3-D nonlinear elastic computer program (GEOTRACK) and compared with measured elastic vertical displacement during the passages of freight and passenger trains. The material types of sub-ballasts are crushed stone and weathered granite soil, respectively. The calculated vertical displacements within the sub-ballasts are within the order of 0.6mm, and agree well with measured values with the reasonable margin. The prediction models are thus concluded to work properly in the preliminary investigation.The quality of trackbed fills of railways has been controlled by field measurements of density and the results of plate load tests. The control measures are compatible with the design procedures whose design parameter is k30 for both ordinary-speed railways and high-speed railways. However, one of fatal flaws of the design procedures is that there are no simple laboratory measurement procedures for the design parameters (k30 or, Ev2 and Ev2/Ev1) in design stage. A new quality control procedure, in parallel with the advent of the new design procedure, was investigated. This procedure is based upon P-wave velocity involving consistently from the evaluation of design parameters in design stage to the field measurements during construction. The key concept of the procedure is that the target value for field compaction control is the P-wave velocity determined at OMC using modified compaction test, and direct-arrival method is used for the field measurements during construction. The procedure was verified at a test site and the P-wave velocity turned out to be an excellent control measure. The specifications for the control also include field compaction water content of OMC±2% as well.In summary, theoretically-sound design of railway trackbed can be achieved using the resilient modulus as design parameter that reflects the repeated traffic loading. Also, the elastic wave velocity can be utilized in the quality control of compaction fill. Thus, elastic modulus can be consistently used throughout the whole process from trackbed design to construction stage.
철도노반은 평판재하시험으로 결정되는 지반반력계수를 근거로 설계되어왔다. 그러나 이와 같은 설계 인자는 열차의 반복하중에 의한 궤도하부구조의 거동을 반영하지 못한다. 최근, 다층탄성모델에 근거한 새로운 설계기법이 개발되고 있다. 다층 탄성모델에 근거한 철도노반 설계는 열차의 반복 윤하중에 의한 궤도 하부 구조의 거동을 반영하는 응력 의존적인 회복탄성계수(ER)가 각 층의 중요한 입력물성치가 된다. 그러나 반복하중을 가하는 기존의 회복탄성계수 시험법은 비용이 고가이고 시험장비와 숙련도에 따라 결과의 일관성이 떨어지는 단점이 있어 실질적인 적용에 어려움이 있었다. 본 논문에서는 이를 극복하기 위해 동적물성치를 이용한 대체 회복탄성계수 시험법을 적용하여 철도노반의 회복탄성계수를 결정하였다.동적물성치는 저변형률 영역의 최대 전단탄성계수와 고변형률 영역의 탄성계수 감소곡선으로 구분된다. 일반적으로 최대 전단탄성계수는 크로스홀, 다운홀, 인홀, SASW 기법과 같은 현장 탄성파 시험을 이용해 측정할 수 있고, 탄성계수 감소곡선은 공진주시험을 통해 결정할 수 있다. 이와 같은 현장 및 실내 시험은 지난 수 십 년간 발전되어 오며 신뢰성이 검증된 기법들이다. 회복탄성계수와 동적시험으로 획득한 탄성계수는 응력상태, 지반종류, 그리고 함수비와 밀도 등을 포함한 지반의 물리적 특성 등에 거의 유사한 영향을 받기 때문에 두 탄성계수 사이에 일정한 관계가 있다는 사실은 명백하다. 본 연구는 쇄석, 토사, 암버럭-토사 혼합 재료와 같은 세 가지 종류의 철도노반 토공 재료에 대해 평균유효주응력과 축변형률의 함수로 표현되는 회복탄성계수 예측모델을 결정하는데 중점을 두었다. 예측모델은 포아송비를 이용하여 전단탄성계수가 영탄성계수로 변환된, 최대 영탄성계수와 정규화 영탄성계수 감소곡선으로 구성된다. 최대 영탄성계수는 와 를 모델인자로 갖는 대수모델의 형태로 표현되며, 비선형 부분은 기준변형률(), 곡률계수(a)를 모델인자로 갖는 수정 쌍곡선 모델로 표현된다.본 연구를 통해 제안된 회복탄성계수 예측모델을 검증하기 위해 평택에 위치한 강화노반 현장을 대상으로 3차원 다층탄성해석(GEOTRACK)을 통해 강화노반의 탄성거동을 평가하였고, 그 결과를 화물열차 및 여객열차가 현장을 통과할 때 계측된 수직 탄성변위와 비교하였다. 강화노반 재료는 두 가지 종류였으며 입도조정쇄석과 양질의 풍화잔류토였다. 해석 및 계측을 통해 결정된 수직 탄성변위는 대략 0.6mm이내의 거동을 보이며 만족할 만큼 잘 일치 하였다. 따라서 본 연구로부터 결정된 예측모델과 모델인자가 철도노반의 역학적 설계에 매우 유용하게 사용될 수 있음이 입증되었다.철도 토공노반의 품질은 현장 다짐도나 평판재하시험의 결과를 기준으로 관리되어 왔다. 일반철도와 고속철도의 품질관리 기준으로 사용되는 지반반력계수 k30은 설계 인자로도 사용되어 일관성을 갖는다. 그러나 설계과정의 치명적인 결함중 하나는 설계 인자인 k30, 또는 Ev2와 Ev2/Ev1에 대한 간단한 실내기준 설정 방법이 없다는 것이다. 본 연구는 최근 개발되어온 철도노반에 대한 역학적-경험적 설계 방법에 합당한 토공노반의 새로운 품질관리 기법을 제안하고자 한다. 이 기법은 설계단계의 설계 인자 평가와 시공단계의 현장 품질 확인에 일관되게 적용할 수 있는 P-파 속도에 기반을 두었다. 제안된 품질관리 방안의 핵심 개념은 실내 다짐시험을 통해 결정된 최척함수비(OMC)에서의 P-파 속도를 토공 현장의 품질관리 기준으로 제시하고, 현장에서는 시공 중에 직접도달파 기법을 이용하여 P-파 속도를 계측한다. 이와 같은 품질관리 과정은 시험부지에서 검증이 되었고, P-파 속도는 우수한 품질관리 기준임이 밝혀졌다. 품질관리 기준은 최적함수비±2%의 현장 다짐 함수비 규정을 포함한다.결론적으로, 설계 인자로서 열차의 반복 윤하중을 반영하는 회복탄성계수를 사용하여 철도노반에 대한 역학적 설계가 이루어지고, 또한 회복탄성계수와 관련 있는 탄성파 속도는 성토노반의 품질관리에 사용된다. 즉, 탄성계수는 설계로부터 품질관리까지 전 과정에 일관되게 사용될 수 있다.
철도노반은 평판재하시험으로 결정되는 지반반력계수를 근거로 설계되어왔다. 그러나 이와 같은 설계 인자는 열차의 반복하중에 의한 궤도하부구조의 거동을 반영하지 못한다. 최근, 다층탄성모델에 근거한 새로운 설계기법이 개발되고 있다. 다층 탄성모델에 근거한 철도노반 설계는 열차의 반복 윤하중에 의한 궤도 하부 구조의 거동을 반영하는 응력 의존적인 회복탄성계수(ER)가 각 층의 중요한 입력물성치가 된다. 그러나 반복하중을 가하는 기존의 회복탄성계수 시험법은 비용이 고가이고 시험장비와 숙련도에 따라 결과의 일관성이 떨어지는 단점이 있어 실질적인 적용에 어려움이 있었다. 본 논문에서는 이를 극복하기 위해 동적물성치를 이용한 대체 회복탄성계수 시험법을 적용하여 철도노반의 회복탄성계수를 결정하였다.동적물성치는 저변형률 영역의 최대 전단탄성계수와 고변형률 영역의 탄성계수 감소곡선으로 구분된다. 일반적으로 최대 전단탄성계수는 크로스홀, 다운홀, 인홀, SASW 기법과 같은 현장 탄성파 시험을 이용해 측정할 수 있고, 탄성계수 감소곡선은 공진주시험을 통해 결정할 수 있다. 이와 같은 현장 및 실내 시험은 지난 수 십 년간 발전되어 오며 신뢰성이 검증된 기법들이다. 회복탄성계수와 동적시험으로 획득한 탄성계수는 응력상태, 지반종류, 그리고 함수비와 밀도 등을 포함한 지반의 물리적 특성 등에 거의 유사한 영향을 받기 때문에 두 탄성계수 사이에 일정한 관계가 있다는 사실은 명백하다. 본 연구는 쇄석, 토사, 암버럭-토사 혼합 재료와 같은 세 가지 종류의 철도노반 토공 재료에 대해 평균유효주응력과 축변형률의 함수로 표현되는 회복탄성계수 예측모델을 결정하는데 중점을 두었다. 예측모델은 포아송비를 이용하여 전단탄성계수가 영탄성계수로 변환된, 최대 영탄성계수와 정규화 영탄성계수 감소곡선으로 구성된다. 최대 영탄성계수는 와 를 모델인자로 갖는 대수모델의 형태로 표현되며, 비선형 부분은 기준변형률(), 곡률계수(a)를 모델인자로 갖는 수정 쌍곡선 모델로 표현된다.본 연구를 통해 제안된 회복탄성계수 예측모델을 검증하기 위해 평택에 위치한 강화노반 현장을 대상으로 3차원 다층탄성해석(GEOTRACK)을 통해 강화노반의 탄성거동을 평가하였고, 그 결과를 화물열차 및 여객열차가 현장을 통과할 때 계측된 수직 탄성변위와 비교하였다. 강화노반 재료는 두 가지 종류였으며 입도조정쇄석과 양질의 풍화잔류토였다. 해석 및 계측을 통해 결정된 수직 탄성변위는 대략 0.6mm이내의 거동을 보이며 만족할 만큼 잘 일치 하였다. 따라서 본 연구로부터 결정된 예측모델과 모델인자가 철도노반의 역학적 설계에 매우 유용하게 사용될 수 있음이 입증되었다.철도 토공노반의 품질은 현장 다짐도나 평판재하시험의 결과를 기준으로 관리되어 왔다. 일반철도와 고속철도의 품질관리 기준으로 사용되는 지반반력계수 k30은 설계 인자로도 사용되어 일관성을 갖는다. 그러나 설계과정의 치명적인 결함중 하나는 설계 인자인 k30, 또는 Ev2와 Ev2/Ev1에 대한 간단한 실내기준 설정 방법이 없다는 것이다. 본 연구는 최근 개발되어온 철도노반에 대한 역학적-경험적 설계 방법에 합당한 토공노반의 새로운 품질관리 기법을 제안하고자 한다. 이 기법은 설계단계의 설계 인자 평가와 시공단계의 현장 품질 확인에 일관되게 적용할 수 있는 P-파 속도에 기반을 두었다. 제안된 품질관리 방안의 핵심 개념은 실내 다짐시험을 통해 결정된 최척함수비(OMC)에서의 P-파 속도를 토공 현장의 품질관리 기준으로 제시하고, 현장에서는 시공 중에 직접도달파 기법을 이용하여 P-파 속도를 계측한다. 이와 같은 품질관리 과정은 시험부지에서 검증이 되었고, P-파 속도는 우수한 품질관리 기준임이 밝혀졌다. 품질관리 기준은 최적함수비±2%의 현장 다짐 함수비 규정을 포함한다.결론적으로, 설계 인자로서 열차의 반복 윤하중을 반영하는 회복탄성계수를 사용하여 철도노반에 대한 역학적 설계가 이루어지고, 또한 회복탄성계수와 관련 있는 탄성파 속도는 성토노반의 품질관리에 사용된다. 즉, 탄성계수는 설계로부터 품질관리까지 전 과정에 일관되게 사용될 수 있다.