노반재료의 소성침하 예측식을 이용한 강화노반 두께 산정

초록

1. 서론 토공노반에서 가장 중요하다고 불 수 있는 강화노반의 두께는 각 국에서 설계방법을 토대로 설계하고 있다. 강화노반 두께를 결정하는 방법은 크게 경험식에 의해 결정하는 방법과 탄성이론에 의해 열차하중과 노반재료, 그리고 허용탄성침하량 등을 고려하여 강화노반 두께를 결정하는 방법으로 나눌 수 있다. 일본국철과 Talbot의 경험식은 대부분은 과거 60년대 교통하중 조건으로 만든 경험식이기 때문에 현재 교통조건과는 매우 다를 수 있으며 미국철도협회(AREA)에서는 Talbot경험식을 이용하여 도상두께(도상+보조도상)의 최소두께를 460mm(18inch)로 두고 있다. 일본철도종합기술연구소(RTRI)에서는 다층탄성해석을 통해 강화노반두께를 결정하고 있으며 노반에 작용하는 압력방법과 노반재료의 탄성계수를 고려하여 노반상부에서의 허용탄성침하량 2.5mm일 때 강화노반 두께를 결정하도록 하였다. 실제 설계에는 반영되지 않고 있으나, Li 등(1994)은 열차의 반복하중에 의해 노반이 파괴거동을 고려할 수 있는 방법을 노반재료의 회복탄성계수(Resilient modulus)와 열차하중에 의해 노반에 발생하는 축차응력(Deviator stress)과의 관계를 이용한 소성침하량 경험 모델식을 이용하여 최적의 강화노반 두께를 결정하고 있다. 미국의 철도 현장은 국내와 같이 성토를 통해 시공기면이 매우 높지 않고 원지반 위에 바로 보조도상과 도상이 축조되는 경우가 대부분이기 때문에 사용된 노반재료의 대부분은 점성토계열(CL, CH, ML, MH)의 흙을 대상으로 개발되었다. 그러나 Li(1998)의 설계방법은 열차의 반복하중을 고려할 수 있는 방법을 제시한다는 점에서 매우 높은 의미를 가질 수 있다. 또한 설계방법론에서도 교통하중, 년간통과톤수(MGT), 노반재료의 회복탄성계수() 고려 등 기존 설계방법 보다 한 차원 높은 설계방법이라고 볼 수 있다. 국내 강화노반의 경우 일반철도와 고속철도 이원화된 설계기준을 바탕으로 강화노반의 두께를 결정하고 있다. 일반철도의 경우 RTRI(1998)에 제안된 방법을 기초로 하여 국내 철도여건을 반영하여 강화노반의 이론이 정립되어져 있다. 고속철도의 경우 강화노반은 보조도상(subballast)과 입도조정층(Stabilization)으로 나눠져 표시되고 있다. 고속철도의 경우 독일철도기준에서 제시하고 있는 설계도표에서 보조도상의 최소두께기준(20cm)와 입도조정층(60cm)로 설계되고 있다. 따라서 국내 강화노반 두께 결정은 이론으로 먼저 계산된 후 상부노반의 재하실험에서 구한 지지력계수가 일정값 이상이 되도록 다짐 관리하여 표준화된 강화노반 두께를 설계하도록 되어져 있다. 그러나 이러한 설계방법은 노반재료의 역학적 개념이 포함되지 않은 방법으로 과대 또는 과소 설계 여부를 판단할 수 없는 한계를 내포하고 있다. 따라서 본 논문에서는 Li 등(1998)이 제안한 설계방법을 기초로하여 실제 국내 철도환경의 교통하중과 년간통과톤수(MGT), 노반재료의 회복탄성계수, 점성토와 사질토 계열에 대하여 소성 설계방법으로 강화노반 두께를 비교하였다.