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열차하중 하 인공자갈이 부설된 자갈궤도의 침하 저감 및 하중 분산 효과
김대상 한국도시철도학회 2023 한국도시철도학회논문집 Vol.11 No.2
The main cause of ballast settlement comes from gravel abrasion and crushing in the ballasted track (BT). This study proposes the BT with artificial gravels (AGs) under sleeper and evaluates performance by full scale test. Cross-shaped AGs are manufactured. The BT are constructed by placing the AGs under the sleeper. Its behavior are compared with an ordinary BT. The static, cyclic, and lateral train loading tests are performed by simulated train loading. As a result, it is confirmed that a plastic sleeper settlement, the acceleration of ballast, and the vertical pressure of subgrade are reduced on the BT with AGs. 자갈궤도 침하의 주요 원인은 도상 자갈의 마모 및 파쇄에 기인한다. 본 연구에서는 자갈궤도 유지보수 저감 방안으로 침목하면에 인공자갈을 배치한 자갈궤도를 제안하고 실대형 시험을 수행하여 성능을 평가하였다. 십자형상의 고강도 인공자갈을 제작하고 이를 침목 하부에 배치한 자갈궤도와 인공자갈이 없는 자갈궤도와의 거동을 비교 분석하였다. 이를 위하여 정적 지지강성시험, 반복 철도하중 모사시험, 횡저항력 평가시험 등을 수행하였다. 시험 결과 인공자갈을 배치한 자갈궤도에서 침목 소성침하, 도상가속도 및 노반압력이 저감되고, 도상 횡저항력이 동등 수준 이상인 것을 확인하였다.
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충격하중 재하 시 인공자갈을 포함한 도상층의 침하 및 파쇄 저감 효과
김대상,김웅진,황성호,김지환 한국도시철도학회 2022 한국도시철도학회논문집 Vol.10 No.3
유지보수를 필요로 하는 자갈궤도에서는 노반구조 및 사용재료의 급격한 변화 구간에서 차륜 궤도 접촉면에서의 상호작용에 의하여 충격하중이 발생한다. 이러한 충격하중은 도상 자갈의 열화를 가속화한다. 본 연구에서는 충격하중에 대한 도상 자갈의 열화 감소 방안으로 침목과 도상층 상부 경계에 인공자갈을 배치한 도상을 제안하였다. 충격에도 파쇄되지 않을 수 있는 형상과 고강도 특성을 갖는 2종류의 인공자갈을 제작하였다. 또한, 무게추가 부착된 재하판을 자유낙하시켜 반복 충격하중을 모사할 수 있는 시험 장비를 개발하고, 4,000회의 충격하중을 재하하였다. 시험 결과 인공자갈의 사용뿐 아니라 인공자갈의 형상에 따라서도 도상층의 침하 및 파쇄 저감효과를 확인할 수 있었다.
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세립분 함량 변화에 따른 반복 동하중을 받는 시멘트 혼합토의 침하 및 강성 특성평가
김대상 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.10
The soil structures settle down continuously under cyclic dynamic loading after opening railway lines. This study examined the characteristics of the settlement and stiffness of cement-treated soils with the change in the content of fines under cyclic dynamic loading. Eighteen cases of the test were carried out with the changes in the fines content of soils, cement content, and curing days. Based on the test results, cement-treated soils containing more than 3% of cement could decrease settlement sufficiently even with a high portion of fines under cyclic dynamic loading. In addition, the elastic and plastic settlements could be reduced using 3 to 4% cement to the level of 1/4 and 1/6, respectively. In the viewpoint of stiffness, the resilient modulus of cement-treated soils increases with increasing cement content. Using more than 3% of cement, the 80MPa compaction stiffness standard for the upper subgrade of railways was satisfied, even with 40% of fines content of soils. 철도 공용에 따른 반복 동하중을 지속적으로 경험하는 흙 구조물은 지속적인 침하가 발생한다. 본 논문에서는 흙 구조물을 구성하는 세립분 함량 변화에 따른 시멘트 혼합토의 침하 및 강성 특성을 반복 동하중 시험을 실시하여 평가하였다. 흙의 세립분 함량, 시멘트 함량, 양생일 수을 변화시켜가면서 총 18 케이스의 시험을 실시하였다. 동 시험 결과로부터 시멘트 혼합토는 침하 측면에서 시멘트 함량 3% 이상 사용 시 세립분 함량이 높은 흙에서도 침하 저감 가능성이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시멘트 함량이 0% 에서 3 ~ 4% 로 증가 시 탄성 침하량은 1/4 수준으로, 소성 침하량은 1/6 수준으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 시멘트 혼합토는 강성 측면에서 시멘트 함량 증가에 따라 회복탄성계수가 증가하는 경향을 보였다. 시멘트 함량 3% 이상 사용 시에는 흙의 세립분 함량 40% 수준에서도 철도 상부노반 다짐 강성 품질기준인 80 MPa을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
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열차 하중 작용 시 특정형상 인공자갈이 혼합된 도상층에서의 침하 거동 평가
김대상 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.6
The ballast layers play a key role in distributing and supporting a trainload. On the other hand, it settles down by dynamic train loading due to large void ratios. Consequently, it requires continuous maintenance. In this paper, ballast layers mixed with three types of specially shaped artificial ballast (AB) (Rectangular, Tetrapod, Hexagonal) were modeled by using a two dimensional DEM (Discrete Element Method). Repeated loading tests were performed to evaluate the settlement behavior of the ballast layers. The smallest settlement was observed in the case of the ballast layer mixed with Tetrapod AB than in other cases, according to an analysis of the force transfer routes. In addition, contact force analysis showed that the Tetrapod AB, which has a concave shape, could easily make small and multi-channel force-transfer routes. This means that the stress in the ballast layer by the train loading transferred through the sleeper uniformly was distributed well by the AB. Therefore, the settlement of the ballast layer mixed with the concave-shaped Tetrapod AB could be reduced effectively under a repeated train loading. The effects of a decrease in settlement of the ballast layer highlight the possibility of a maintenance-free ballasted track. 도상 자갈층은 열차하중을 분산하고 지지하는 중요한 역할을 수행하나, 큰 공극으로 인하여 열차 동하중 작용 시 침하가 발생하여 지속적인 유지보수가 필요하다. 본 논문에서는 특정한 형상의 인공자갈 3종류 (정사각 형상, 테트라 포드 형상, 육각 형상) 를 혼합한 도상 자갈층을 2 차원 개별 요소 해석법을 이용하여 모델링하고, 열차 동하중에 의한 도상 층의 침하 특성을 평가하기 위하여 침목에 의한 반복 재하 시험을 실시하였다. 동 해석 결과 침목 하부에서 작은 힘의 전달경로가 형성된 테트라 포드형의 인공 자갈이 포함된 도상 층에서 침하가 가장 작게 발생하였다. 또한, 도상층 내 접촉력 분포로부터 오목 형상을 갖는 테트라 포드 형상을 포함한 인공 자갈 혼합 도상에서 힘의 다중 전달 경로를 형성하기 쉬우며, 이를 통하여 도상 층으로 전달된 열차 하중이 보다 다양한 경로로 균등하게 분산될 수 있는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과로부터 반복 열차 하중 재하 시 오목 형상의 인공 자갈이 혼합된 도상 층에서 훨씬 효과적으로 침하 발생을 저감시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다. 도상 층에서의 이와 같은 침하 저감 효과는 유지보수를 절감할 수 있는 자갈궤도 구조에 대한 가능성을 보여준다.
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