2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A082

호남고속철도 하부구조 강성 평가 상관성 분석

Analysis of Correlation among Stiffness Values Obtained by Load Tests of Trackbed

Foundation Layers

송근우*, 임유진*†, 사공명**, 이진욱**

Geun-Woo Song*, Yu-Jin Lim

*†, Myung Sagong

**, Jin-Wook Lee

**

Abstract RPBT by measuring Ev2 has been used mostly in construction field of high-speed railway in Korea in order to verify degree of compaction of the trackbed foundation materials. Recently LFWD and LWDT have been used widely in foreign countries including Germany and China because those methods are easy to measure stiffness of the track foundation comparing to RPBT. In this study, RPBT, LFWD and LWDT are adapted to measure stiffness of the track foundation in Honam high-speed rail construction field. The measured values of Ev2, ELFWD and Evd are compared each other to get correlation among them so that a possible way of adapting LWDT is proposed based on the reliability from the correlation analysis.

Keywords : DOC, Stiffness, RPBT, LFWD, LWDT

초 록 국내 고속철도 현장에서 사용하고 있는 흙 구조물 품질관리기준은 주로 반복평판 재하시험(RPBT)으로 구한 변형률계수(Ev2)에 기초한다. 최근 독일 및 중국 등 외국에서는 반복평판재하시험 방법보다 빠르게 지반의 강성을 측정할 수 있는 다양한 장비들이 개발되어 현장에 사용되고 있다. 대표적인 시험장비로는 소형충격재하시험기(LFWD) 및 동평판재하시험기(LWDT)를 들 수 있다. 본 연구에서는 현재 진행 되고 있는 국내 호남고속철도 시공현장 3개 공구에서 측정한 반복평판재하시험(RPBT)의 변형률계수(Ev2)와 소형충격재하시험기(LFWD) 및 동평판재하시험기(LWDT)로 구한 변형계수(ELFWD, Evd)의 상관성을 분석하여 대체가능성을 탐색하였다.

주요어 : 다짐도, 강성, 반복평판재하시험, 소형충격재하시험, 동평판재하시험

1. 서 론

현재 건설되고 있는 쌓기 구조물은 기계화 시공과 설계기준의 정비 및 지반 개량기술의

발전 등으로 과거의 성능에 비해 상당히 향상되어 단순히 “토공”에서 교량 등과 거의 유

사한 성능을 확보할 수 있도록 개선되었다. 국내 철도 현장에서 사용하고 있는 흙 구조물의

품질관리는 밀도 및 지지력기준으로 하고 있으며, 주로 평판재하시험(PBT, Plate Bearing Test)

을 실시하여 측정한 지반반력계수(k30) 또는 반복평판재하시험(EPBT, Repeative Plate Bearing

Test)으로 구한 변형률계수(Ev2)로 관리하고 있다.

† 교신저자: 배재대학교 공과대학 건설환경 철도공학과(yujin@pcu.ac.kr)

* 배재대학교 공과대학 건설환경 철도공학과

** 한국철도기술연구원

최근에는 평판재하시험 방법보다 빠르게 지반의 강성을 측정할 수 있는 다양한 장비들이 개

발되어 현장에서 사용되고 있다. 그 중 가장 많이 사용되고 있는 비파괴 실험 장비인

FWD(Falling Weight Deflectometer)는 국내에서 19990년대 초반에 도로의 층별 탄성계수를 판별

하기 위하여 도입되었다. 그러나 FWD 장비가 무겁고 크기 때문에 차량을 이용해야 하는 단점

이 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해 소형충격재하시험기(LFWD, Light Falling Weight

Deflectometer) 및 동평판재하시험기(LWDT, Light Weight Deflectometer Tester)가 국외에서 개발되

어 흙 구조물의 품질관리에 사용되고 있다. 본 연구에서는 국내 호남고속철도 시공현장 A, B,

C 3개 공구에서 측정한 반복평판재하시험(RPBT)의 변형률계수(Ev2)와 소형충격재하시험기

(LFWD) 및 동평판재하시험기(LWDT)로 구한 변형계수(ELFWD, Evd) 사이의 상관성을 분석하여

측정시 시간이 많이 소요되는 반복평판재하시험을 대체할 목적으로 동평판재하시험의 도입 가

능여부를 평가하였다.

2. 다짐관리기준 및 평가방법

2.1 다짐관리기준

반복평판재하시험(RPBT)의 변형률계수(Ev2)에 관한 설계기준은 상부노반, 하부노반, 강화노

반이 서로 다른 기준으로 관리되고 있다. 설계기준으로서의 변형률계수(Ev2)는 Table 1에서

보는 바와 같이 하부노반의 경우 최소 60MPa, 상부노반 80MPa, 입도조정층 80MPa이며 강

화노반 기준은 120MPa이다.

Table 1 High Speed Rail’s Criteria for compaction of the Track foundation materials

시험항목 시험방법 자갈·콘크리트궤도

상부노반 하부노반 보조도상층 입도조정층

평판재하 DIN 18 134 Ev2≥80MN/m3

Ev2/Ev1＜2.3

Ev2≥60MN/m3

Ev2/Ev1＜2.7

Ev2≥120MN/m3

Ev2/Ev1＜2.2

Ev2≥80MN/m3

Ev2/Ev1＜2.3

다짐 KS F 2312의

D 방법

최대건조밀도의

95% 이상

최대건조밀도의

95% 이상

최대건조밀도의

95% 이상 -

2.2 다짐품질시험방법

호남고속철도 A, B, C 3개공구의 상부노반, 하부노반, 입도조정층, 강화노반에 대해 Fig. 1과

같이 반복평판재하시험(RPBT), 동평판재하시험(LWDT) 및 소형충격재하시험(LFWD)을

실시하였다. A 및 B 공구의 반복평판재하시험은 시공사 시험부서에서 직접 측정한 Ev2 값을

사용하였고, C 공구의 반복평판재하시험은 본 연구진이 측정한 Ev2 값을 이용하여

동평판재하시험(LWDT) 및 소형충격재하시험(LFWD)을 통해 측정한 변형계수 사이의 상관성을

분석하였다. 현장시험 측정 위치는 반복평판재하시험(Ev2) 측정위치를 중심으로 현장 상황에

따라 3~9 개소에서 동평판재하시험(LWDT) 및 소형충격재하시험(LFWD)을 실시하여 Evd 와

ELFWD를 측정하였다.

Fig. 1 Field Tests

2.2.1 반복평판재하시험 (RPBT, Repetitive Plate Bearing Test)

반복평판재하시험에서 변형률계수(Ev) 산정방법은 DIN 18 134 규정을 따르며 각 하중단계에

따라 발생한 침하량(s)을 측정하여 하중-침하 곡선을 그림으로서 획득할 수 있다. 하중강도(σ0)

와 재하판의 침하량(s)을 이용하여 식(1)의 2차함수를 회귀분석하면 각 계수(a0, a1, a2)를 구할 수

있다. 회귀분석하여 얻어진 각 계수를 식(2)에 대입하여 변형계수를 획득한다.

max021

15.1

σ×+

××=

aarE

v (식 1)

2

02010 σσ ×+×+= aaas (식 2)

여기서,

σ0 = 재하판 저부 하중강도 MN/m2 a2 = 상수 mm(MN2/m4)

s = 재하판 침하량 mm Ev = 변형계수 MN/m2)

a0 = 상수 mm r = 재하판 반지름 mm

a1 = 상수 mm(MN/m2) σ0max = 최대 하중강도 MN/m2)

Fig. 2 Load-Settlement Curve

2.2.2 동평판재하시험기(LWDT, Light Weight Deflectometer Tester)

LWDT는 경부 고속철도 공사시 “철도공사를 위한 경량 낙하 시험기”라는 명칭으로 적용된

이래로 노반의 품질관리 및 성토관리용으로 국내 조건에 맞는 기준을 정립하기 위한 연구가

진행 중이며 본 연구에서는 독일 Zorn사의 모델 ZFG2000을 사용하여 각 측정위치에서 3회 측

정한 후 평균 침하량과 동적변형계수를 구하여 동일한 지반에서 실시한 반복평판재하시험 결

과(Ev2)와 소형충격재하시험(LFWD)과의 상관성을 분석하였다.

Fig. 3 Mechanical model of LWDT

2.2.3 소형충격재하시험(LFWD, Light Falling Weight Deflectometer)

소형충격재하시험은 포장의 강성도와 지반의 지지력을 측정하기 위한 장비로 하중추의 자유

낙하에 따른 충격응력을 측정하고, 충격응력에 대한 지반 침하량을 측정하여 하부구조의 회복

탄성계수를 산출하는 장비이다. 소형충격재하시험은 만들어진 회사에 따라 약간의 차이는 있으

나 그 외형과 원리는 매우 흡사하며 LFWD 장비들은 데이터 로거에서 측정된 데이터를 노트

북 및 PDA 해석 프로그램을 이용하여 데이터 편집 및 수정을 통해 역산탄성계수를 계산할 수

있다.

Fig. 4 Window for obtaining and input data from LFWD

Fig. 5 Window for calculating data from LFWD

3. 시험결과 및 분석

3.1 품질시험결과

시험대상 현장 3개 공구에서 측정된 소형충격재하시험(LFWD) 및 동평판재하시험(LWDT)의

변형계수(ELFWD, Evd)와 반복평판재하시험(RPBT)에 대한 변형률계수(Ev2)의 상관성 관계

그래프를 Fig. 4 ~ Fig. 6 에 나타내었다.

Fig. 6 The Ev2-ELFWD Correlation Analysis

Fig. 7 The Ev2-Evd Correlation Analysis

Fig. 8 The Evd-ELFWD Correlation Analysis

호남고속철도 3개 시공 현장에서 측정한 상·하부노반, 입도조정층의 변형률계수(Ev2) 모두

품질관리기준을 만족하고 있는 것을 알 수 있다. Fig. 6에서 소형충격재하시험의

변형계수(ELFWD)는 반복평판재하시험의 변형률계수(Ev2)가 증가 할수록 편차가 크게 발생하는

것을 알 수 있다. 이는 소형충격재하시험의 경우 현장의 지반강성 차이에 따라 시험데이터를

획득하기 위한 적정한 낙하고(falling height)를 시험자가 임의로 결정하여야 하는 시험한계가

존재하기 때문이다. 즉, 시험기의 특성상 본질적으로 시험편차가 클 수밖에 없다. 그러나 Fig.

7에서 살펴보면, 동평판재하시험의 변형계수(Evd)는 반복평판재하시험의 변형률계수(Ev2)가

증가할수록 소형충격재하시험의 변형계수(ELFWD)보다 데이터 분포편차가 훨씬 작게 발생하는

것을 알 수 있다. 따라서, 소형충격재하시험보다 동평판재하시험이 시험대상이 하부지반

강성의 차이에 상관없이 광범위한 지반에서 실험의 신뢰도가 높음을 알 수 있다. 이는

동평판재하시험의 경우 하부지반 강성과 무관하게 항상 일정 낙하고에서 낙하추를

떨어트리도록 되어 있는 시험기 구조상의 항상성(constancy)이 시험데이터의 신뢰도를 높이는

것으로 판단된다. 또한, 같은 동적충격재하장비인 소형충격재하시험과 동평판재하시험의 측정

결과로부터 두 시험데이터 사이의 상관성을 비교해본 결과 Fig. 8과 같이 Evd/ELFWD(R2=0.8944)로

높게 나타났으나 이는 동적충격재하장비 사이의 특성상 상관도가 높을 수밖에 없다. 다만 이와

같이 높은 상관성이 실험값 자체의 신뢰도가 높다는 것을 의미하는 것은 아니다.

3.2 상관성 분석

아래 그림 Fig. 9는 반복평판재하시험 Ev2와 소형충격재하시험 ELFWD 및 동평판재하시험 Evd의

상관도를 함께 도시한 것으로써, 동평판재하시험 Evd는 좁은 대역의 시험값에서 확실한 층

강성을 구별할 수 있는 반면에, 소형충격재하시험 ELFWD는 넓은 대역의 시험값으로부터 층

강성을 판별하여야 한다. 따라서 소형충격재하시험 ELFWD는 층 다짐의 강성 구별이 상당히

어려울 수 있음에 유의하여야 한다. 즉, 소형충격재하시험 ELFWD로부터 층 다짐 강성을 판별할

때에는 층 구성 재료별 및 다짐도 별로 큰 값의 ELFWD 차이가 있지 않으면 구성 층의 다짐 및

강성 판별이 어렵다.

Fig. 9 The Evd-ELFWD-Ev2 Correlation Analysis

Table 2는 호남고속철도 3개 시공현장에서 획득한 노반의 반복평판재하시험(RPBT)의

변형률계수 Ev2와 소형충격재하시험(LFWD) 및 동평판재하시험(LWDT)의 변형계수 ELFWD, Evd의

측정값 범위이다.

Table 2 Range of measured stiffness values obtained from different devices (Unit : MPa)

구 분 상부노반 하부노반 입도조정층 강화노반

Ev2 81.82 ~ 255.47 85.17 ~ 132.35 134.44 ~ 190.49 321.43

ELFWD 53.36 ~ 396.40 74.14 ~193.95 151.00 ~ 200.30 12.49

Evd 38.60 ~ 128.50 40.70 ~ 72.60 55.63 ~ 80.40 60.80 ~ 74.50

4. 결 론

본 연구에서는 국내 호남고속철도 토공노반 조성현장에서 수행된 반복평판재하시험(RPBT),

소형충격재하시험(LFWD) 및 동평판재하시험(LWDT) 등 각종 재하시험결과 사이의 상관성을

살펴보았다. 현장에서 다짐도 및 강성요구조건에 적용하는 시험기준과 해당 시험들로부터

획득되는 Ev2, ELFWD, Evd값을 이용하여 시간이 많이 소요되는 반복평판재하시험 대신

동평판재하시험을 도입할 수 있는지의 여부를 시험값 사이의 상관도를 이용하여 분석하였다.

이와 같은 상관성 분석을 위하여 현재 진행 되고 있는 국내 호남고속철도 시공현장 3개

공구에서 측정한 반복평판재하시험(RPBT)의 변형률계수(Ev2)와 소형충격재하시험기(LFWD) 및

동평판재하시험기(LWDT)로 구한 변형계수(ELFWD, Evd)의 상관성을 분석하여 대체가능성을

탐색하였다.

감사의 글

본 연구는 한국철도기술연구원 “철도건설 및 운영비 절감을 위한 경제성 향상 기술개발”

과제중 “고속화에 대응한 철도 아스팔트 노반 및 궤도구조 개발” 세부연구과제 성과물의

일부로서 지원에 감사드립니다.

참고문헌

[1] Korea Rail Network Authority (2011), Rail design standard specification, Korea

[2] H. B. Seed, I. M. Idriss (1970) Soil moduli and damping factors for dynamic response analyses,

Earthquake Engineering Research Center, Report No. EERC-70-10, Univ. of California, Berkeley, Calif., 37.