반복 평판재하시험에 의한 철도 지반다짐기준 DIN 18 134

 

반복 평판재하시험에 의한 철도 지반다짐기준 DIN 18 134

 

2012. 07

영신컨설턴트 (02) 529 8803

 

 

1. 서론

 

철도에서 토공 품질관리 방법은 평판재하시험 (PBT)에서 구한 지지력계수 k30과 반복평판재하시험(CPBT)으로 구한 첫 번째 재하단계 하중에서 구한 변형률계수 Ev1과 2번째 재하단계에서의 변형률계수 Ev2, 그리고 변형률계수 Ev1에 대한 두 번째 재하시의변형률계수Ev2의 비인 Ev2/Ev1을 품질 관리 기준으로 사용하고 있다. 철도에서 적용하고 있는 반복평판재하시험은 독일 DIN 18 134 규정을 준용하도록 되어 있다.

 

 

 

2. 국내외 품질관리 설계기준

현재 토공노반의 다짐 품질관리기준은 일반철도와 고속철도 다르게 적용하고 있다. 아래 표에서와 같이 일반철도의 경우 k30을 적용하고 있으며, 고속철도의 경우Ev2값으로 기준을 정하고 있다.

 

 

2.1  평판재하시험에서 변형률계수(Ev) 산정방법 도로 및 기초설계에서 널리 사용되고 있는 평판재하시험은 시공된 현장 노반의 지지력을 평가하는 대표적인 시험방법으로 사용되고 있다.

국내 평판재하시험은 2종류로서 평균수직응력(하중)증 가량에 따라 도로의 평판재하시험(KSF 2310)과 확대기초 평판재하시험(KSF 2444)으로 구분하고 있다. 도로의 평판재하시험에서의 평균수직응력은 35kPa이며, 확대기초에서는 최대 98kPa 또는 설계 예상지지력의 1/5씩 6단계 이상의 하중단계에서의 침하량을 측정하도록 규정하고 있다.

 

2.2 반복평판재하시험(DIN 18 134규정)

2.2.1 시험방법

경부고속철도 2단계와 호남고속철도의 토공노반의 품질관리기준은 반복평판재하시험으로 관리하고 있다. 반복평판재하시험은 기존 평판재하시험과 달리 최대하중, 단계별 하중증가량, 그리고 하중재하단계 수, 단계별 하중재하시간 등이 다르다. 특히 재하하중은 재하(load) → 제하(unload) → 제재하(reload)로 하중을 반복적으로 재하하여 초기 소성침하량을 제거하고 단계별 하중재하 시간이 빠른 특징을 가지고 있다. 따라서 기존 평판재하시험보다 현장에서 빠르게 다짐 강성을 평가할 수 있으며, 큰 소성변형을 제거할 수 있기 때문에 보다 장점이 많은 시험방법으로 알려져 있다.

 

그림 하중-변위 곡선

 

다음 그림은 DIN 18 134에 보이고 있는 변위계 측정용 지그이다. 그림에서와 같이 국내에서 측정하는 변위 계측 방법과는 다르다는 것을 알 수 있다. 국내에서는 하중이 재하되는 지점에서 변위 측정센서를 설치하기 어렵기 때문에 원형 평판에 3개 지점에 측정센서를 설치하고 이를 평균하여 평판의 침하량으로 계산하고 있다. 그러나 DIN 18 134에서는 하중이 직하되는 지점에서 변위를 측정하기 위하여 그림 와 같은 별도의 변위측정용 지그를 설치하여 측점위치에 대한 거리 보정을 하여 원형 평판 중심부 변위를 정확하게 측정하고 있다. 

 

 

 

 

그림에서와 같이 변위 측정위치가 다르기 때문에 변위 측정위치와 평판 중심거리와의 차이에 대한 거리를 식(4)과 같이 보정하여야 한다. 이때 거리비(s)는 2이상이 되지 않도록 규정하고 있다.

여기서, σ0 : 평판아래에서의 평균수직응력(MPa), a0, a1, a2는 회귀곡선에서 구한 계수(mm/MN2/m4)이다. 변형률계수 산정은 앞서Vesic(1961)이 제안한 식으로부터 포아송비(v)를 0.5로 가정하여 아래 식과 같이 구할 수 있다.

 

,   

 

여기서, B는 평판의 직경(mm)이다.

 

위 식을 간략히 표현하면 아래 식과 같이 정리할 수 있다.

 

 , 

 

여기서, r : 재하판의 반경(mm), σ0 max : 최대평균수직응력(MPa)이다.

 

 

2.2.2 변형률계수산정방법(DIN 18 134)

DIN 18 134규정에 있는 변형률계수 구하는 예제를 그대로 준용하였다. 먼저 측정 위치를 아래 식과 같이 보정하여 거리 보정계수를 1.33으로 구하였다.

 

 

반복평판재하시험 결과

 

2.3 DIN 18 134 규정과 국내 적용상의 차이

2.3.1 변위측정방법

DIN 18 134규정에서는 원칙적으로 하중이 재하된 지점에서의 변위를 측정하여야한다는 기본개념을 충실히 충족시키고 있는 것으로 판단된다. 따라서DIN 18 134의 규정을 만족할 수 있도록 독일에서는 사진과 같은 방법으로 3점 지지방식의 지그와 평판재하시험 장비를 제작하여 평가하고 있다.

 

 

2.3.2 변형률계수의 산정방식

DIN 18 134규정을 만든 독일의 경우에도 사진과 같이 현장에서 계측 결과를 바로 입력하여 하중-침하 곡선을 전산화된 장비를 이용하여 2차 함수로 회귀 분석하여 각 계수를 구하고 이를 현장에서 바로 품질을 확인할 수 있도록 하고 있다.

 

 

 

 

3. 결론

토공부의 다짐 품질관리 기준은 10m 이상의 고성토인 경우 성토체의 다짐관리는 가장 중요한 항목이라고 볼 수 있다. 다짐 품질관리 기준은 DIN 18 134규정에서 제시하고 있는 산정 방법으로 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 하중-변위의 첫 번째 재하 (Ev1), 두 번째 재하 (Ev2)를 2차 함수 곡선으로 최적화 시킨 Ev1/Ev2비와 Ev2값으로 다짐관리가 필요하다.

 

<참고문헌: 한국철도 기술연구원 2010>