콘크리트궤도용 토목섬유보강 성토지지말뚝의 동적안정성 해석 = Dynamic Stability Analysis of Geosynthetic Reinforced Pile-Supported Embankments for Concrete Track

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Recently, concrete track is becoming an alternative system to compensate for the disadvantages of the existing gravel track in Korea because it is considered favorable in terms of running stability, passenger comfort and life cycle cost. At the construction of concrete track in soft ground, reasonable standards and countermeasures should be applied to suppress settlement. So far, it has been mostly built with bridges and the substitution method has been restrictively applied because the consolidation promoting method previously applied is very difficult to satisfy the allowable residual settlement amount and takes a lot of construction duration. But the substitution method has a very long settlement period and the cost of construction per km of the bridge is high. Therefore, it is necessary to develop a new type of settlement restraining method that can satisfy the settlement criteria in the soft ground and can greatly reduce the construction cost.
The pile-supported embankment that is settlement restrained type roadbed structure is a reasonable measure to satisfy the allowable residual settlement of high-speed railway concrete track. It is an active method that fundamentally suppresses the long-term settlement because the subsurface and track loads are directly transmitted to the supporting ground through the pile and there is no consolidation settlement of the soft ground.
In this study, static and dynamic stability of train moving load and seismic load were investigated for the standard cross section of pile-supported embankment through numerical analysis, full-scale model test and centrifuge model test. As the result of static and dynamic stability, stability is affected by the embankment height and the soft layer thickness, and it is confirmed that the stability of the pile-supported embankment is secured due to load transfer layer and the arching effect in embankment. But static and dynamic stability are affected by pile spacing, pile length, soil condition, and pile head restraint. Therfore, when applying pile-supported embankment static and dynamic stability analysis should be performed through numerical analysis and test considering site conditions.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 그림 목차 ⅳ
• 표 목차 ⅷ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 2
• 1.3 연구내용 및 방법 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 콘크리트궤도 건설시 노반의 허용 잔류침하량 6
• 2.1.1 허용 잔류침하량 기준 6
• 2.1.2 설계시 잔류침하량 검토 11
• 2.1.3 운영시 잔류침하량 검토 14
• 2.2 연약지반구간 철도건설방안 16
• 2.2.1 연약지반 정의 및 판정 16
• 2.2.2 연약지반 성토시 문제점 18
• 2.2.3 연약지반 개량공법 20
• 2.3 토목섬유보강 성토지지말뚝공법 23
• 2.3.1 하중전달 매커니즘 23
• 2.3.2 지반의 아칭효과 고려방법 24
• 2.3.3 열차하중 및 지진하중에 대한 성토지지말뚝 동적안정성 검토 30
• 제 3 장 성토지지말뚝 구조의 정적안정성 평가 33
• 3.1 성토지지말뚝 구조의 정적안정성 검토 33
• 3.1.1 해석조건 및 검토단면 33
• 3.1.2 수치해석 결과 및 분석 38
• 3.2 성토지지말뚝 구조의 설계방법 및 표준단면 검토 51
• 3.2.1 성토지지말뚝 구조의 설계방법 51
• 3.2.2 성토지지말뚝 구조의 표준단면 55
• 제 4 장 성토지지말뚝 구조의 동적안정성 평가 58
• 4.1 수치해석을 통한 동적안정성 검토 58
• 4.1.1 열차이동하중에 대한 동적안정성 검토 59
• 4.1.2 지진하중에 대한 동적안정성 검토 67
• 4.2 실물재하시험을 통한 열차이동하중의 동적안정성 검증 72
• 4.2.1 시험개요 72
• 4.2.2 시험방법 73
• 4.2.3 실물재하시험 결과분석 82
• 4.3 원형모형시험을 통한 지진하중의 동적안정성 검증 92
• 4.3.1 시험개요 92
• 4.3.2 원심모형시험 장비 93
• 4.3.3 시험방법 95
• 4.3.4 원심모형시험 결과분석 102
• 4.4 성토지지말뚝 구조의 동적안정성 검토결과 109
• 4.4.1 열차이동하중에 대한 성토지지말뚝 구조의 동적안정성 109
• 4.4.2 지진하중에 대한 성토지지말뚝 구조의 동적안정성 111
• 제 5 장 결 론 114
• 참 고 문 헌 117
• ABSTRACT 137
• 감사의 글 139
• 그 림 목 차
• <그림 2.1> 궤도형식별 토공구간 LCC 비율 10
• <그림 2.2> 원지반에서 침하량 산정 12
• <그림 2.3> 흙쌓기에서 각 구간별 침하량 12
• <그림 2.4> 분지형 침하에 대한 잔류침하량 한계 13
• <그림 2.5> 침하지반에서의 선형 파장 14
• <그림 2.6> 토목섬유보강 성토지지말뚝공법의 하중전달 매커니즘 23
• <그림 2.7> 말뚝 전달하중의 현장 측정결과 (Van Duijnene, 2010) 25
• <그림 2.8> 성토체에서 발생하는 연직응력 분포 추정 27
• <그림 2.9> 외부 아치높이(Hc) 결정 매개변수들의 상관관계 28
• <그림 2.10> 하중전이층 구조 29
• <그림 2.11> 토목섬유에 작용하는 하중 29
• <그림 2.12> 채널층에서의 전단파 전파 31
• <그림 3.1> 토목섬유보강 성토지지말뚝공법 단면 개요도 33
• <그림 3.2> 계획고 및 연약층 두께별 안정성 검토단면 34
• <그림 3.3> 토목섬유보강 성토지지말뚝 시공단계 모사 36
• <그림 3.4> 토목섬유보강 성토지지말뚝 침하량 측정위치 37
• <그림 3.5> 연약층 두께(D)별 연직변위 분포도 39
• <그림 3.6> 연약층 두께(D)별 연직응력 분포도 40
• <그림 3.7> 연약층 두께(D)별 말뚝 축력도 41
• <그림 3.8> 연약층 두께(D)별 토목섬유 인장력도 42
• <그림 3.9> 계획고 및 연약층 두께별 공사중 침하량 검토 46
• <그림 3.10> 계획고 및 연약층 두께별 운영중 추가 침하량 검토 48
• <그림 3.11> 계획고 및 연약층 두께별 말뚝 축력 검토 49
• <그림 3.12> 계획고 및 연약층 두께별 토목섬유 인장력 검토 50
• <그림 3.13> 말뚝 배치형태에 따른 유효직경 53
• <그림 3.14> 토목섬유보강 성토지지말뚝 구조의 표준단면 (안) 57
• <그림 4.1> 토목섬유보강 성토지지말뚝 구조 해석단면 58
• <그림 4.2> 계측 열차하중 (KTX, 300km/h) 60
• <그림 4.3> 성토지지 구조에 따른 수직진동가속도 전파특성 61
• <그림 4.4> 열차이동하중에 따른 수직진동가속도 시간이력 62
• <그림 4.5> 토목섬유보강구조 깊이별 최대 수직진동가속도 63
• <그림 4.6> 토목섬유보강구조 깊이별 최대 수평진동가속도 64
• <그림 4.7> 토목섬유보강구조 깊이별 최대 변위 65
• <그림 4.8> 수평거리 증가에 따른 토목섬유 변형특성 66
• <그림 4.9> 가속도에 대한 응답스펙트럼 68
• <그림 4.10> 2차원 수치해석 모델링 68
• <그림 4.11> Ofunato 하중 적용시 지진해석 결과 69
• <그림 4.12> 지진하중별 수평변위 70
• <그림 4.13> N치 변화에 따른 수평변위 71
• <그림 4.14> 실대형 궤도노반시험 장비 73
• <그림 4.15> 실물재하시험용 말뚝 개념도 73
• <그림 4.16> 말뚝 배치 전경 74
• <그림 4.17> 연약지반(폴리우레탄폼 스폰지) 설치 전경 75
• <그림 4.18> 토목섬유 설치 전경 76
• <그림 4.19> 계측센서 설치 (연약지반 상면) 77
• <그림 4.20> 토압계 설치 (성토 50cm 상면) 78
• <그림 4.21> 변형률게이지 설치 (토목섬유 상면) 79
• <그림 4.22> 성토층 다짐방법 81
• <그림 4.23> 열차하중 모사를 위한 동적반복재하시험 82
• <그림 4.24> 성토높이별 말뚝 하중 83
• <그림 4.25> 성토높이별 중앙부 말뚝의 효율 84
• <그림 4.26> 성토높이별 연약지반 침하 85
• <그림 4.27> 말뚝 최소간격방향의 연약지반 침하 85
• <그림 4.28> 말뚝 대각간격방향의 연약지반 침하 85
• <그림 4.29> 성토높이별 연약지반면에서의 토압 86
• <그림 4.30> 성토높이별 성토높이 50cm에서의 토압 86
• <그림 4.31> 동적재하시험에 따른 지반 침하 87
• <그림 4.32> 동적재하시험에 따른 말뚝머리에서의 하중 88
• <그림 4.33> 설계방법별 지반하중의 분포 (Van Eekelen 등, 2012) 89
• <그림 4.34> 설계방법에 따른 성토단계별 침하 91
• <그림 4.35> 원형모형시험 모델링 단면 93
• <그림 4.36> 한국수자원공사(K-Water) 원심모형시험기 94
• <그림 4.37> 원지반 입도분포곡선 96
• <그림 4.38> 연약층 조성을 위한 선행압밀 97
• <그림 4.39> 성토체 입도분포곡선 100
• <그림 4.40> El Centro 지진파의 시간이력 및 주파수 (원형스케일) 100
• <그림 4.41> 가속도계 배치 (모형스케일) 101
• <그림 4.42> 변형률계 부착위치 (모형스케일) 101
• <그림 4.43> LVDT 설치 위치 (모형스케일) 102
• <그림 4.44> 1차 시험시 가진에 따른 지진가속도 이력 (원형스케일) 103
• <그림 4.45> 가진회별 깊이에 따른 최대가속도 (1차 시험, 원형스케일) 104
• <그림 4.46> Section A 및 B에서의 최대가속도 (1차 시험, 원형스케일) 104
• <그림 4.47> 1차 시험시 가진에 따른 침하량 이력 (원형스케일) 106
• <그림 4.48> 지진회별 각 성토체의 침하량 (1차 시험, 원형스케일) 106
• <그림 4.49> 2차 시험시 가진에 따른 침하량 이력 (원형스케일) 107
• <그림 4.50> 지진회별 각 성토체의 침하량 (2차 시험, 원형스케일) 108
• 표 목 차
• <표 2.1> 국내외 허용 잔류침하량 기준 비교 7
• <표 2.2> 대표적인 레일체결장치의 보수한계 사례 9
• <표 2.3> 연약지반 판정기준 (국토해양부, 2000) 17
• <표 2.4> 구조물 종류에 따른 연약지반 판정기준 (한국도로공사, 2002) 17
• <표 2.5> 토질특성에 따른 연약지반 판정기준 (도로설계편람, 2000) 18
• <표 2.6> 개량원리, 개량목적, 지반상태에 따른 연약지반 처리공법 21
• <표 2.7> 국내외 허용수평변위 기준 32
• <표 3.1> 성토지지말뚝 침하안정성 검토조건 35
• <표 3.2> 지반물성치 37
• <표 3.3> 계획고 및 연약층 두께에 따른 단계별 침하량 검토 43
• <표 3.4> 계획고 및 연약층 두께에 따른 말뚝 및 토목섬유 하중 검토 44
• <표 3.5> 국내 철도노선에서의 연약지반구간 설계정수 56
• <표 4.1> 적용 물성치 59
• <표 4.2(a)> 직포의 인장시험 결과 76
• <표 4.2(b)> 지오그리드 인장특성치 76
• <표 4.3> 성토단계별 층두께, 성토높이 및 다짐방법 81
• <표 4.4> 상사비 92
• <표 4.5> 원지반 물성치 96
• <표 4.6> 초기 및 시험완료후 물성치 98
• <표 4.7> 토목섬유 물성치 99
• <표 4.8> 성토체 물성치 99
• <표 4.9> 수치해석 및 실험결과 정리 113

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