탄성계수 감소곡선에 근거한 철도노반의 회복탄성계수 모델 개발 및 평가

초록

역학적이고 경제적인 강화노반 두께 결정을 위해 최근 새롭게 개발된 철도 토공노반 설계기법은 열차 의 반복 윤하중에 의해 유발된 철도노반 내부의 응력상태를 반영한 회복탄성계수(resilient modulus, ER)가 중요한 입력변수로 사용된다. 반복하중을 받는 재료의 회복탄성계수는 다층탄성해석에서 체적응 력 또는 축차응력을 조합한 응력의 함수로 표현되는 것이 일반적이다. 응력의 함수로 회복탄성계수를 입력하고 반복해석을 통해 수렴된 체적응력 및 축차응력, 그리고 회복탄성계수가 결정이 되면 이를 이 용하여 강화노반의 두께를 결정하고 철도노반을 설계한다. 궁극적으로 열차하중, 노반재료와 같은 철 도운행환경을 고려한 강화노반 두께 결정에는 다층탄성해석으로부터 결정된 회복탄성계수와 이에 수반 되어 결정된 축차응력이 매우 중요한 인자가 되는 것이다. 본 연구에서는 체적응력과 축차응력의 조합을 지반공학 분야에서 일반적으로 사용하는 저변형률 영역 의 최대전단탄성계수와 고변형률 영역의 정규화 전단탄성계수 감소곡선의 결합 형태로 제안하였다. 이 때 전단변형에 대한 물성치는 현장탄성파시험의 일종인 크로스홀 시험(crosshole test)으로 획득한 포 아송비를 사용하여 최대영탄성계수와 정규화 영탄성계수 감소곡선으로 변환하였다. 최대영탄성계수는 유효구속응력, 간극비, 과압밀비 등의 영향을 받는데 본 연구에서는 크로스홀 시험 을 적용하여 입상토에 대해 주로 지배적인 유효구속응력 즉, 일차 응력 불변량인 평균유효주응력(1st Stress Invariant, I1)의 함수로 최대영탄성계수 항을 결정하였다. 그리고 해당 노반재료에 대한 최대 영탄성계수와 평균유효주응력의 관계에서 결정된 모델인자가 간극비, 과압밀비와 같은 다른 영향인자를 모두 반영하는 것으로 간주하였다. 특히 본 연구에서 중점적으로 다루고자 하는 부분은 회복탄성계수 예측모델을 결정하는데 있어 축차응력의 항을 변형률 크기의 함수인 정규화 영탄성계수 감소곡선으로 표현하는 것이다. 공진주시험 또는 경험식으로 결정된 정규화 영탄성계수 감소곡선은 수정 쌍곡선 모 델(modified hyperbolic model)로 표현하였고, 노반이 경험하는 축차응력에 상응하는 변형률 크기의 탄 성계수를 회복탄성계수로 결정하였다. 본 연구에 적용된 재료는 국내 철도 토공노반에 흔히 사용되는 입도조정쇄석, 화강풍화토, 암버럭-토 사 혼합 재료이며 모두 동일한 회복탄성계수 예측모델을 사용하지만 재료별 특성에 따라 모델인자가 다 르게 결정되었다. 제안된 회복탄성계수 예측모델과 모델인자를 검증하기 위해, 3차원 비선형 탄성 해 석프로그램(GEOTRACK)을 이용하여 평택에 위치한 시험철도노반의 탄성거동을 평가하였고 여객열차 및 화물열차가 시험구간을 통과할 때 계측한 노반의 수직 탄성변위와 비교하였다. 계측이 수행된 노반의 재료는 입도조정쇄석과 양질의 화강풍화토였다.