블록식 보강토 옹벽으로 지지된 철도노반의 역학적 거동
Mechanical Behavior of Railway Roadbeds Retained by Geosynthetic Reinforced Segmental Walls
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이상덕
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설교통공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
보강토는 흙지반 내부에 강성이 큰 면상 또는 판상이나 봉상의 물질을 배치하여 지반을 보강하는 근대적인 공법이다. 세계적으로 급속히 보급되고 있으며, 최근에서는 가설만이 아니라 고속도로·고속철도를 지지하는 옹벽 등의 중요한 영구 구조물이나 영구 절취 사면 등에도 널리 이용되고 있다. 본 연구에서 대상으로 하고 있는 블록식 보강토 옹벽은 뒷채움토의 자중과 상재하중에 의한 활동력을 단지 블록 자중에 의한 마찰로 지지하는 기존의 블록식 옹벽에 수평으로 토목섬유 보강재를 설치하여 안정화시킨 보강토체를 조합한 복합시스템이다. 현재 보강토 옹벽의 설계법은 대부분 타이백 설계법과 같이 극한평형법에 의한 안정계산법에 근거를 두고 있다. 그러나 보강토 공법에서는 흙이 변형되어야 보강효과가 발현되며 한계평형안정해석법에서는 흙의 변형을 고려할 수 없기 때문에 실제로 발휘되는 보강재 인장력과 필요한 보강재 강성을 합리적으로 평가하는 것이 불가능하며, 보강토체 내의 응력이 과다 평가되고 있다. 본 연구에서는 블록식 보강토 옹벽으로 지지된 철도노반의 열차 하중 전달 메카니즘을 명확히 하고 보강토 구조물 및 보강토체 내의 변위·변형 거동을 고찰하기 위해 실대형실험을 수행하였다. 연성그리드로 부분 보강한 블록식 옹벽과 강성그리드로 전면 보강한 블록식 옹벽을 대상으로 하였으며, 높이 2.6m, 폭 5m, 뒷길이 6m로 실험벽체를 구축하고 현재의 설계기준에 부합하는 궤도를 부설하여 열차 하중을 재하하는 방식으로 실험을 수행하였다. 실험에서는 자중, 정하중 재하-제하, 동하중 재하의 3단계로 구분하여 벽체 변위, 벽체수평토압, 연직토압, 연직변위 및 지오그리드 변형율을 측정하였다. 정하중 재하실험은 최대 윤중 20tonf까지 4tonf씩 단계별로 하중을 재하한 후 제하하는 방식으로 동하중 재하 전·후에 대해 2회 실시하였다. 또한 동하중 재하시험은 하중진폭 5tonf～20tonf, 재하주파수 5Hz, 재하횟수 100만회를 반복재하하는 방법으로 수행하였다. 블록식 보강토 옹벽으로 지지된 철도노반에 대해 자중 및 열차 정·동하중 재하시험을 통해 벽체 변위와 지오그리드 변형율 및 벽체 변위와 수평토압을 측정하여 상관관계를 분석하였으며, 연직 및 수평토압의 측정결과를 기존 이론과 비교분석하였다. 또한 열차하중의 영향범위 및 최대 인장력 분포 등을 분석하여 열차 하중의 철도노반으로의 전달메카니즘을 규명하고자 하였다.
more목차
목차
요약문 = ⅰ
표차례 = ⅶ
그림차례 = ⅷ
기호해설 = xiv
제 1 장 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.2 연구 동향 = 3
1.2.1 토압 = 4
1.2.2 변위 = 6
1.2.3 인장력/인장변형율 = 7
1.2.4 철도적용사례 = 8
1.3 연구 목적 및 필요성 = 9
1.4 연구내용 및 범위 = 11
제 2 장 이론적 배경 = 12
2.1 철도하중 = 12
2.1.1 철도하중의 일반적 특성 = 12
2.1.2 연직하중의 결정 = 13
2.2 보강토벽 공법 = 19
2.2.1 보강토 공법의 분류 = 19
2.2.2 보강토벽 공법의 종류 = 21
2.3 보강토벽 이론 = 27
2.3.1 보강 메카니즘 = 27
2.3.2 전면벽 메커니즘 = 28
2.3.3 내적 안정 설계방법 = 29
2.4 국외 철도적용사례 = 34
2.4.1 독일 = 34
2.4.2 일본 = 36
제 3 장 실대형 실험 = 40
3.1 개요 = 40
3.2 토목섬유 보강재 및 보강블록 = 42
3.2.1 토목 섬유 보강재 = 42
3.2.2 보강 블록의 특성 = 46
3.3 토목섬유 보강 철도노반 재하실험 = 47
3.3.1 시험 지반의 특성 = 47
3.3.2 실험장치 = 52
3.3.3 실험 하중의 결정 = 60
3.3.4 실험수행 = 64
제 4 장 실험결과 = 73
4.1 개요 = 73
4.2 블록식 보강노반의 자중에 의한 거동 = 76
4.2.1 수평토압 = 76
4.2.2 연직토압 = 80
4.2.3 지오그리드 변형율 = 87
4.2.4 수평변위 및 연직변위 = 92
4.3 블록식 보강노반의 열차 정하중에 의한 거동 = 94
4.3.1 개요 = 94
4.3.2 노반 압력 = 95
4.3.3 수평토압 = 97
4.3.4 연직토압 = 105
4.3.5 지오그리드 변형율 = 115
4.3.6 수평변위 = 124
4.3.7 연직변위 = 127
4.4 블록식 보강노반의 열차 동하중에 의한 거동 = 130
4.4.1 개요 = 130
4.4.2 수평토압 = 132
4.4.3 연직토압 = 139
4.4.4 지오그리드 변형율 = 151
4.4.5 수평변위 = 161
4.4.6 연직변위 = 167
제 5 장 결과고찰 = 172
5.1 개요 = 172
5.2 지오그리드 변형율 = 172
5.2.1 잔류변형율 = 172
5.2.2 재하압력 분포범위 = 175
5.2.3 최대인장력 = 181
5.2.4 지오그리드 스프링상수 = 183
5.3 벽체 변위 = 191
5.3.1 벽체 누적소성변위 = 191
5.3.2 벽체변위의 재하압력 의존성 = 193
5.3.3 벽체 탄성변위 = 195
5.4 수평토압 = 196
5.4.1 잔류수평토압 = 196
5.4.2 탄성수평토압 = 201
5.5 연직침하 = 202
5.5.1 누적 연직침하량 = 202
5.5.2 최대연직탄성변위 = 205
5.6 연직토압 = 207
5.6.1 최대연직토압 = 207
5.6.2 탄성연직토압 = 212
제 6 장 결론 = 213
부록 = 217
부록-Ⅰ. 축조 안정화단계 추이 그림 = 218
부록-Ⅱ. 열차동하중 재하 전·후 재하-제하 곡선 = 224
참고문헌 = 237
Abstract = 256
목차
표차례
표 2.1 철도하중의 종류 = 12
표 2.2 각종 기관차의 축중 및 거리 = 14
표 2.3 세계 각국의 고속전철의 축중 = 15
표 2.4 세계 각국에서 적용되는 충격계수 = 16
표 2.5 보강토 공법의 분류와 보강기능 = 20
표 2.6 보강토 공법 비교 = 21
표 3.1 강성 그리드의 공학적 특성 = 44
표 3.2 연성 그리드의 공학적 특성 = 44
표 3.3 블록의 규격 = 46
표 3.4 연결핀의 규격 = 46
표 3.5 시료의 액성한계 및 소성한계 = 48
표 3.6 시료의 입도시험 결과 = 49
표 3.7 흙시료의 균등계수 및 곡률계수 = 49
표 3.8 다짐시험 결과 = 50
표 3.9 하중재하장치 사양 = 54
표 3.10 열차하중의 가정 = 61
표 3.11 경부선의 통과톤수 = 62
표 3.12 계측기 기호 = 68
표 3.13 DCP 시험결과 = 70
표 5.1 국철 궤도 정비기준 = 201
표 5.2 궤도보수상의 관리치와 대처방법 = 202
목차
그림차례
그림 2.1 속도별 i값의 증가치(일본) = 17
그림 2.2 텔아르메 공법의 기본 구성 = 22
그림 2.3 지오그리드 = 23
그림 2.4 지오콤포지트 = 23
그림 2.5 지오신세틱을 이용한 보강토옹벽 공법 종류 = 24
그림 2.6 전면벽의 역학적 분류 = 25
그림 2.7 보강 메카니즘 = 27
그림 2.8 수직응력-전단강도 = 28
그림 2.9 전면벽의 종류와 작용 토압 = 29
그림 2.10 다양한 수평토압 분포 = 31
그림 2.11 전형적인 보강토벽의 깊이에 따른 인장력 분포 = 33
그림 2.12 보강성토 단면 = 35
그림 2.13 급경사 옹벽 시공 = 35
그림 2.14 시공후의 급경사 옹벽 = 35
그림 2.15 소음 저감 급경사 보강토 옹벽 = 36
그림 2.16 방음벽을 시공한 GRS-RW 단면 = 37
그림 2.17 전철주를 갖는 GRS-RW 단면 = 37
그림 2.18 GRS-RW 시공후 성토체 단면 = 38
그림 2.19 일차 시공단면도 = 39
그림 2.20 이차 시공단면도 = 39
그림 3.1 강성 지오그리드의 구조 = 44
그림 3.2 연성 그리드의 형상 = 44
그림 3.3 강성·연성 그리드의 특성 곡선 = 45
그림 3.4 입경가적곡선 = 49
그림 3.5 시료의 다짐곡선 = 50
그림 3.6 수평방향 변형에 따른 전단응력의 변화 = 51
그림 3.7 수직응력 변화에 따른 전단응력의 변화 = 51
그림 3.8 종합궤도노반시험 장치 전경 = 52
그림 3.9 종합궤도노반 시험장치 종단면도 = 53
그림 3.10 종합궤도노반 시험장치의 횡단면도 = 53
그림 3.11 재하장치 단면도 및 반력프레임과 재하장치 연결부 = 54
그림 3.12 반력 프레임 고정 고장력 볼트 = 55
그림 3.13 토조 내부 전경 = 56
그림 3.14 블록배면에 부착된 토압계 = 57
그림 3.15 토압계의 검증곡선 = 57
그림 3.16 가속도계 및 설치개념도 = 58
그림 3.17 변위계 = 59
그림 3.18 로드셀 = 59
그림 3.19 침하판의 매설 = 60
그림 3.20 열차 통과시 노반부에 작용하는 토압분포 = 63
그림 3.21 철도노반의 응답과 작용 = 64
그림 3.22 실대형시험 단면조성 = 65
그림 3.23 실대형 시험 단면조성 절차 = 66
그림 3.24 실대형시험 단면도 = 67
그림 3.25 동적콘관입 시험 = 70
그림 3.26 국철의 열차하중에 의해 유발된 전형적인 지반진동 측정예 = 71
그림 3.27 공진시험 결과 = 72
그림 4.1 실대형 실험 순서도 = 73
그림 4.2 궤도 부설전 수평토압의 분포 = 78
그림 4.3 궤도부설후, 안정화단계, 전정재하후의 수평토압분포 = 79
그림 4.4 궤도부설전 연직토압분포 = 81
그림 4.5 궤도부설직후와 안정화후의 연직토압분포 = 82
그림 4.6 궤도부설전 깊이별 연직토압분포 = 83
그림 4.7 궤도부설후 깊이별 연직토압분포 = 85
그림 4.8 안정화후 깊이별 연직토압분포 = 86
그림 4.9 궤도부설전·후 지오그리드 변형율 분포 = 88
그림 4.10 안정화후 지오그리드 변형율 분포 = 89
그림 4.11 등변형율선도(연성그리드 보강벽) = 90
그림 4.12 등변형율선도(강성그리드 보강벽) = 91
그림 4.13 안정화 후의 벽체 변위 = 92
그림 4.14 안정화 후의 연직 변위 = 93
그림 4.15 주행하중에 따른 침목 하중분담 개념도 = 95
그림 4.16 단순화된 도상내 압력 분포 범위 = 95
그림 4.17 설계하중 분포 = 96
그림 4.18 도상내의 압력 등고선 = 96
그림 4.19 노반압력 산정방법 = 97
그림 4.20 전정재하시 수평토압 = 99
그림 4.21 전정재하시 재하전·후 수평토압 = 100
그림 4.22 후정재하시 재하전·후 수평토압 = 101
그림 4.23 전정재하시 수평토압 증분 = 103
그림 4.24 전·후 정재하시 수평토압 증분 = 104
그림 4.25 전정재하시 연직토압 = 106
그림 4.26 전정재하시 재하 전·후 연직토압 = 107
그림 4.27 전정재하시 연직토압증분 = 108
그림 4.28 전정재하시 재하 전·후 연직토압증분 = 109
그림 4.29 전정재하시 깊이별 연직토압(연성그리드 보강벽) = 111
그림 4.30 전정재하시 깊이별 연직토압(강성그리드 보강벽) = 112
그림 4.31 전정재하시 깊이별 연직토압증분(연성그리드 보강벽) = 113
그림 4.32 전정재하시 깊이별 연직토압증분(강성그리드 보강벽) = 114
그림 4.33 전정재하시 변형율 분포 = 116
그림 4.34 후정재하시 변형율 분포 = 117
그림 4.35 전정재하시 변형율 증분 = 119
그림 4.36 후정재하시 변형율 증분 = 120
그림 4.37 전정재하시 등변형율선도 = 122
그림 4.38 전정재하시 등변형율증분선도 = 123
그림 4.39 전정재하시 수평 변위 = 125
그림 4.40 후정재하시 수평 변위 = 126
그림 4.41 전정재하시 연직변위 = 128
그림 4.42 후정재하시 연직변위 = 129
그림 4.43 전형적인 측정데이터 = 131
그림 4.44 탄성진폭과 소성의 정의 = 132
그림 4.45 동재하시 수평토압 = 134
그림 4.46 동재하시 높이별 수평토압 = 135
그림 4.47 동재하시 탄성수평토압 = 137
그림 4.48 동재하시 탄성수평토압 = 138
그림 4.49 동재하시 연직토압(연성그리드 보강벽) = 140
그림 4.50 동재하시 연직토압(강성그리드 보강벽) = 141
그림 4.51 동재하시 벽체로부터 이격거리별 연직토압 = 142
그림 4.52 동재하시 깊이별 연직토압(연성그리드 보강벽) = 143
그림 4.53 동재하시 깊이별 연직토압(강성그리드 보강벽) = 144
그림 4.54 동재하시 탄성연직토압(연성그리드 보강벽) = 146
그림 4.55 동재하시 탄성연직토압(강성그리드 보강벽) = 147
그림 4.56 동재하시 벽체로부터 이격거리별 탄성연직토압 = 148
그림 4.57 동재하시 깊이별 탄성연직토압(연성그리드 보강벽) = 149
그림 4.58 동재하시 깊이별 탄성연직토압(강성그리드 보강벽) = 150
그림 4.59 반복재하에 따른 지오그리드 변형율(연성그리드 보강벽) = 152
그림 4.60 반복재하에 따른 지오그리드 변형율(강성그리드 보강벽) = 153
그림 4.61 동재하시 지오그리드 변형율 = 154
그림 4.62 동재하시 지오그리드 변형율 증분 = 156
그림 4.63 동재하시 지오그리드 탄성변형율 = 157
그림 4.64 동재하시 등변형율선도 = 159
그림 4.65 동재하시 등변형율증분선도 = 160
그림 4.66 동재하시 벽체 소성변위 = 162
그림 4.67 동재하시 높이별 벽체 소성변위 = 163
그림 4.68 동재하시 벽체 탄성변위 = 165
그림 4.69 동재하시 깊이별 벽체 탄성변위 = 166
그림 4.70 동재하시 소성연직변위 = 168
그림 4.71 동재하시 이격거리별 연직소성변위 = 169
그림 4.72 동재하시 탄성연직변위 = 170
그림 4.73 동재하시 이격거리별 탄성연직변위 = 171
그림 5.1 전실험단계에서의 변형율(연성그리드 보강벽) = 173
그림 5.2 전실험단계에서의 변형율(강성그리드 보강벽) = 174
그림 5.3 하중 Q에 의해 발생된 연직응력 분포 = 176
그림 5.4 정재하시 변형율 분포(연성그리드 보강벽) = 177
그림 5.5 정재하시 변형율 분포(강성그리드 보강벽) = 178
그림 5.6 연직압력의 분포범위 추정 = 179
그림 5.7 벽체 높이별 최대 인장력의 측정값과 예측값 비교 = 181
그림 5.8 정규화 최대 인장력 분포 = 182
그림 5.9 강성 일체 보강토벽의 모델화 = 183
그림 5.10 보강재의 스프링 값의 고려 방법 = 183
그림 5.11 재료의 인장강성으로부터의 스프링 값 산출방법 = 184
그림 5.12 정하중 재하시 벽체변위와 지오그리드 변형율 관계 = 185
그림 5.13 재하압력과 스프링계수의 관계 (정하중만의 영향) = 187
그림 5.14 재하압력과 스프링계수의 관계(자중+정하중) = 188
그림 5.15 벽체 높이별 스프링 계수 = 189
그림 5.16 벽체 누적수평변위 = 191
그림 5.17 벽체변위의 재하압력 의존성 설명도 = 192
그림 5.18 정하중 재하-제하시의 저항계수 및 변형계수 = 193
그림 5.19 벽체 높이별 벽체 탄성변위 분포 = 195
그림 5.20 수평토압 측정치와 이론치의 비교 = 196
그림 5.21 벽체 상부에서 측정된 가속도(peak-to-peak 진폭) = 198
그림 5.22 수평토압 측정값과 M-O법과의 비교 = 199
그림 5.23 동하중에 의한 벽체탄성토압 = 200
그림 5.24 전체 실험단계에서 발생된 누적 연직 침하량 = 203
그림 5.25 차량위치와 변위 파형 = 204
그림 5.26 철도에서 침하각 구하는 방법 = 205
그림 5.27 동하중 재하시 최대연직탄성변위 = 206
그림 5.28 연직토압 측정값과 이론값과의 비교(연성그리드 보강벽) = 207
그림 5.29 연직토압 측정값과 이론값과의 비교(강성그리드 보강벽) = 208
그림 5.30 정·동재하시의 높이별 연직토압 분포 = 210
그림 5.31 동하중 재하시 벽체높이별 연직탄성토압 분포 = 211
