1. 서 론
2. 고속철도 토공 구간 침하 발생 현황
2.1 고속철도 단계별 침하관리 기준
2.2 고속철도 침하 발생 현황
3. 고속철도 토공 구간 침하 원인 분석
3.1 개요
3.2 계획적 요인
3.3 설계적 요인
4. Creep 침하 거동 특성 분석
4.1 개요
4.2 대형 압밀 장기 Creep 시험
4.3 수치해석을 이용한 Creep 거동 분석
4.4 경험적 방법에 의한 Creep 침하량 산정
5. 결 론
1. 서 론
최근 설계속도 200km/h 이상의 고속철도가 계획되고 있으며, 경제성, 안정성 및 환경성에서 우수한 평가를 받고 있는 콘크리트 궤도의 적용사례가 증가하고 있다. 콘크리트 궤도는 주행 안정성이 높고 생애주기비용(LCC)이 좋은 장점이 있으나, 노반 침하를 일정 수준 이내로 유지해야 하는 단점을 지니고 있다. 콘크리트 궤도는 침하가 발생하였을 경우 대처 방안이 매우 제한적이며, 막대한 유지보수비용이 발생하기 때문에 장기적 침하의 관점에서 엄격히 제한하여야 한다.
이전 연구 결과에 따르면 성토고가 증가함에 따라 변위가 증가하며, 성토체 시간 의존적 거동(Creep)이 발생한다고 기술하였다(Korea Expressway Corporation, 2014). 이는 토공 작업이 이루어지는 고속철도의 성토 구간에서도 발생할 수 있는 문제이다.
호남고속철도의 침하 발생 사례조사 결과, 잔류침하가 발생하는 구간의 주된 침하 원인이 고성토 구간의 압축 침하로 확인됨에 따라 본 연구에서는 고성토 Creep 침하 거동 분석을 위해 대형 장기 Creep 시험을 수행하였으며, 수치해석 및 이론식을 통한 고속철도 성토 높이별 장기 Creep 거동을 분석하였다. 또한 고속철도의 노반 침하 방지 및 안정적인 운영을 위해 고속철도 성토체 높이 및 방치 기간을 제안하고자 한다.
2. 고속철도 토공 구간 침하 발생 현황
2.1 고속철도 단계별 침하관리 기준
콘크리트 궤도는 엄격한 허용 잔류침하 기준을 만족해야 하며, 궤도구축 이후 허용되는 국내 기준은 30mm이다. 이는 노반에서 발생하는 침하기준 25mm와 열차하중에 의한 침하 5mm를 포함한다.
2.2 고속철도 침하 발생 현황
호남고속철도 전체 토공 구간 계측 결과 평균 20.2mm, 최대 145.0mm가 발생하였으며, 총침하 30mm 이상 발생 개소는 1,490 지점으로 약 22.4%에서 과다침하가 발생하는 것으로 나타났다. 계측 기간은 2013.09~2019.12로 계측데이타를 정리하였다. 전체 토공 구간 침하량별 발생빈도는 Fig. 1과 같으며, 전체 토공 구간 평균 침하 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Average settlement characteristics of the embankment sections (KGS, 2020)
3. 고속철도 토공 구간 침하 원인 분석
3.1 개요
호남고속철도와 경부고속철도의 토공 구간에서 발생한 침하 발생사례를 종합적으로 분석한 결과, 침하 발생은 크게 계획적, 설계적 및 시공적 요인에 의해 발생되는 것으로 확인된다.
3.2 계획적 요인
3.2.1 고성토 구간의 압축 침하
Goodger & Leach(1990)에 따르면 자중에 의한 성토체의 장기 침하는 최소 10년 이상 지속적으로 발생하며, 일본과 독일은 모두 양질의 재료와 함께 충분히 잘 다진 경우에도 각각 성토 높이의 0.1~0.3%, 0.2~0.5%까지 성토체의 압축 침하가 발생함을 기술하였다(Charles, 2008; JICA, 2015; Claus Gobel and Klaus, 2004).
한국도로공사는 수평 변위가 발생한 233개 교대 중, 손상 요인이 내재된 159개(74%) 교대를 대상으로 거동을 분석한 결과 성토체 침하와 수평 변형이 가장 빈번하게 발생되었으며, 성토재의 Creep 변위가 안정성을 위협하는 요인으로 보고하였다(Korea Expressway Corporation, 2014).
이와 같이 고성토 구간에서 발생하는 Creep 변위는 궤도 침하를 유발하는 요인 중 하나로 확인됨에 따라 본 연구에서는 고성토 구간에 대한 침하 발생사례를 조사하였다(Table 2).
Table 2.
Comparison of embankment settlement (KGS, 2020)
성토고가 커질수록 고침하 비율이 증가하는 경향성이 나타났으며, 침하 속도 역시 고성토, 중성토, 저성토 순으로 나타나 고성토 구간에서 침하 속도가 빠른 것으로 확인되었다. 침하율을 산정한 결과 중성토에서 성토고 대비 발생 침하량이 소폭 큰 것으로 나타났으며, 실제 침하량은 고성토에서 더 크게 발생하고 있음을 확인하였다.
호남고속철도 침하량 분석 결과(Fig. 2) 고성토 구간에서 큰 침하가 발생하였으며, 침하 속도가 빠른 것으로 나타났다. 성토고 6m 이상인 구간의 과다 침하는 성토고와 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
국내의 철도설계 기준에서는 성토체 Creep 변형에 의한 압축침하는 별도로 고려하지 않고 있으나, 성토체 압축 침하량을 반영하여 성토체의 높이를 제한하는 것도 필요할 것으로 판단된다.
한국도로공사의 경우 성토체 Creep 변형은 교대 수평 변위 원인과 대책방안 연구(Korea Expressway Corporation, 2014)를 참조하여 Creep 계수(탄성 해석변위량/프리로딩 없는 경우 Creep 변위량)를 적용해야 한다고 제시되어 있다.
3.3 설계적 요인
3.3.1 성토재료 세립분 함유량
국내 기준은 상/하부 노반의 성토재료 중 B군의 세립분(#200 통과량)을 25%까지 허용하며, 일본 규정의 B군 재료는 세립분 함유량이 작은 것으로 설정되어 있으며, 15% 정도를 허용하는 것으로 판단된다.
최근 보고된 호남고속철도 노반 안정성에 관한 연구보고서(Korean Geotechnical Society, 2020)에 의하면 “쌓기 재료에 포함되는 #200통과 세립분은 향후 성토체 압축이 발생하는 Creep 침하량과 밀접한 관련이 있어 성토체의 품질에 미치는 영향이 크므로, 이에 관한 연구를 통해 25% 보다 엄격하게 관리할 필요”가 있다고 기술하고 있다.
기존 연구 사례에 따르면 콘크리트 궤도 구간의 연약 사질토의 경우 세립분 함유량(0.075mm 이하)에 따라 실트질 모래(SM) 35% 이상, 점토질 모래(SC) 25% 이상에서 사질토에서 점성토로의 역학적 특성이 변화되는 것으로 나타났다(Kim, 2018). 세립분 함유율에 따른 e-log P 변화곡선을 Fig. 3에 나타내었다. 성토재료 세립분 함유량이 높을수록 점성토 침하 거동을 유발하게 되며, Creep 침하 발생의 주요 원인으로 볼 수 있다.
세립분은 성토체 압축이 발생하는 Creep 침하량과 밀접한 관련이 있으며, 국내 기준인 25% 보다 엄격하게 관리할 필요가 있다. 국내 고속철도 성토재료 세립분 기준은 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Soil embankment material conditions (Korea National Railway, 2012)
| Division | Concrete track | |
| Uper roadbed | Lower roadbed | |
| 5mm Passing quantity | 25~100% | 25~100% |
| 0.08mm Passing quantity | 0~25% | 0~25% |
3.4 시공적 요인
3.4.1 부적절한 성토재료
호남고속철도 현장 조사 결과, 기준을 초과하는 크기의 암버력(최대입경 300mm) 성토재료 활용으로 이로 인한 재료분리 및 초기 틈새가 형성되어 성토체의 안정성에 해를 끼치는 요인으로 작용하였으며, 흙쌓기 재료 또한 세립분 기준(25%) 보다 많은 점성토를 성토층과 치환층 재료로 활용하여 성토체 침하 원인인 Creep 침하가 발생하였다. 현장 시공 시 품질기준을 만족하는 성토재료를 반영하여 노반 안정성을 확보하여야 할 것이다.
3.4.2 다짐 관리 부적절성
성토체와 치환체의 낮은 N값과 현장밀도 그리고 작은 탄성파 속도가 호남고속철도 0-0공구 현장 조사 결과 나타났다. 이는 다짐 관리 부적절로 침하의 주된 원인으로 판단된다. 저침하 발생구간인 호남고속철도 0-0공구 현장 조사 결과는 성토체 치환체에서 높은 N값과 현장밀도, 큰 탄성파 속도가 나타났다.
국내 다짐 마무리 두께는 흙쌓기의 경우 상·하부 노반 300mm를 한계값으로 설정하고 있고, 암쌓기 하부노반의 경우 500mm를 한계값으로 하고 있다. 일본 기준의 경우 마감 두께는 성토재료, 성토 기계, 다짐 횟수 등에 따르며, 300mm를 표준으로 한다. 이는 다짐기계에서 300mm 이상인 경우 다짐에너지가 하부까지 닿지 않아 불균질한 다짐이 될 위험성이 있기 때문이다(Korean Geotechnical Society, 2020). 균일한 상·하부 노반의 품질관리를 위해서는 일본 기준과 같이 현장 여건에 맞는 기준 세분화가 필요하다고 판단된다.
4. Creep 침하 거동 특성 분석
4.1 개요
호남고속철도의 토공 구간에서 발생한 침하사례를 토대로 고속철도의 토공 구간에서 발생하는 침하는 장기간에 발생하는 Creep 침하가 가장 큰 영향을 주는 것으로 확인되어 본 연구에서는 성토체의 Creep 침하 거동을 확인할 수 있는 실내 시험, 현장시험 및 수치해석 기법을 이용한 Creep 침하 거동을 분석하였다.
일반적인 Creep 거동은 Fig. 4와 같이 시간에 따른 변형률로 나타낼 수 있다. 흙의 creep 과정은 처음에 시간에 따른 변형률 속도의 지속적인 감소를 수반하여 1차 creep가 발생하는 A 지점에 도달한다. 이후 시간이 경과함에 따라 일정하게 유지될 때 나타나는 특성으로 시료의 변형이 선형적으로 증가하는 2차 creep가 진행된다. 3차 creep는 시료의 변형이 갑자기 크게 발생하는 변형 곡선이다.
성토 하중으로 인해 시간이 지나면서 발생하는 Creep 변형은 재료의 점진적 변형을 초래하며, 이러한 변형이 누적되면 결과적으로 잔류 침하가 증가하게 된다. 예상 침하량을 정확히 평가하기 위해서는 시간 경과에 따른 Creep 거동을 반영해야 한다.
4.2 대형 압밀 장기 Creep 시험
4.2.1 시험 개요
성토재료의 경우 시공 시 주행성의 확보 및 압축 침하량의 경감을 위해 양질 재료의 선정이 필요하며, 불량토를 사용하지 않을 수 없을 때는 안정처리 등의 대책을 수립해야 한다. Creep 침하를 평가하기 위해서는 재료 조건, 응력 조건, 시공 조건 등 다양한 현장 여건을 고려한 Creep 계수가 요구된다.
시험에 사용한 풍화토(A군, B군)과 고화토(B군에 고화제 4% 적용)의 공학적 특성은 Table 4와 같으며, 다짐시험 결과는 Fig. 5에 나타내었다.
Table 4.
Engineering properties of soil
4.2.2 Creep 시험
장기 Creep 시험은 대형 압밀시험기를 이용하여 압밀시험과 유사한 방법으로 수행하였으며, 사질토의 Creep 특성을 파악하기 위해 대형 압밀시험기에 거치된 대형 압밀셀에 풍화토(A, B), 고화토를 사용하여 Creep 시료를 조성한 후, 연직 구속압을 20, 40, 80, 160, 320, 640kPa까지 2일 1단계씩 단계적으로 증가시키고 하중-침하 관계를 측정하였으며, β 계수법을 이용하여 하중 단계별 Creep 계수를 산정하여 분석하고 설계 Creep 계수를 결정하였다.
4.2.3 장기 Creep 시험 결과
풍화토 A군, B군 및 고화토에 대하여 대형 압밀 장기 Creep 시험의 결과로부터 각각의 Creep 하중 단계에서 총침하량(St)과 탄성계수(Es)를 구하고, 이로부터 탄성 침하량(Se)과 Creep 침하량(Sc), Creep 계수(β)를 산정하였으며, 그 결과는 Fig. 7에 나타내었다.
시험결과 100kPa 이하의 상재 압력에서 creep 계수 및 침하비가 크게 변화하는 경향이 나타났다. 초기하중 재하에 따른 재료 내부의 입자의 재배열을 촉진하고, 이로 인해 미세 구조가 변화하여 크리프 변형이 가속화가 된 것으로 판단된다. 기존 사질토 creep 시험 연구 사례들로 같은 경향을 보이며, 수치해석 결과도 동일한 경향을 나타낸다.
탄성 침하량, Creep 침하량, 총침하량은 Creep 하중이 클수록 증가하는 일반적인 경향을 보였으며, Creep 침하량은 총침하량에 대해서 약 10~30% 내외(침하비)의 값으로 수렴하였다. β 값은 연직응력 증가에 따라 수렴하는 경향을 보이고 있으며, 시험 결과에 따른 Creep 계수는 Table 5와 같다. 산출된 Creep 계수는 Creep 계수별(A군, B군, 고화토) 수치해석 시간 종속성 입력치에 반영하였다.
Table 5.
Calculating creep coefficient by material
| Division | Creep coefficient (β) |
| A group | 0.0420 |
| B group | 0.0734 |
| Firming agent soil | 0.0584 |
4.3 수치해석을 이용한 Creep 거동 분석
4.3.1 해석 개요
성토재료의 Creep 침하량을 정량적으로 규정하기 위해 2차원 수치해석을 실시하였으며, 본 연구에 사용된 프로그램은 MADAS NX 2023 R1 (V340)이다.
성토체 장기 침하 원인인 성토 구간 Creep 거동 분석을 위해 성토고(2~14m), Creep 계수별(세립분 함유량), 성토체 탄성계수로 구분하여 Soft soil creep 모델을 적용한 수치해석 및 Charles(2008) 제안한 침하량 공식을 이용한 Creep 거동 분석을 수행하였으며, 침하 기간은 궤도생애주기 60년을 기준으로 침하량을 분석하였다.
Soft soil creep 모델은 시간이 지남에 따라 지속적으로 압축이 발생하는 시간 종속성(time dependency)을 가지고 있어, 시간이 지남에 따라 발생하는 흙입자 구조 골격의 변화로 인한 Creep 거동을 표현하기에 적합한 모델이다. 전체 변형률 속도는 탄성 거동에 의한 변형률과 시간 종속성을 가지는 Creep 변형률의 합으로 표현된다. Creep 변형률은 시간 의존성을 갖는 소성 변형률, 즉 점소성 변형률로 생각할 수 있다.
4.3.2 해석 방법
해석은 원지반을 묘사한 뒤 변위 초기화(null) 단계를 적용했으며, 이후 성토체를 적용한 뒤 즉시침하를 확인한 이후 변위 초기화 단계를 적용하였다. 이후 단계에서는 Creep 변위량를 확인하기 위해 60년 시간에 대하여 1년씩 Creep 침하에 대한 해석을 수행하여 성토 높이에 따른 Creep 침하 거동 분석을 수행하였다.
해석에 적용한 물성치는 호남고속철도 나주역 인근 지역 광주송정~순천 철도건설공사 0공구 지반조사보고서 물성치를 적용하였으며, Table 6에 나타내었다. 적용된 물성치는 문헌자료, 경험식, 적용사례 등을 참고하고 현장시험 및 실내시험 결과를 비교·분석하여 산정되었다.
Table 6.
Engineering properties of soil
성토체 하부 원지반은 매립층, 풍화토를 적용하였으며, 침하량은 성토체 자체 침하만을 산정하였다. 하부 원지반은 Mohr-Coulomb 모델, 성토체는 Soft Soil Creep 모델을 적용하여 해석을 수행하였다.
Soft Soil Creep 모델에서 해석에 가장 큰 영향을 미치는 가장 요소는 시간 종속성에 영향을 가지는 Creep 계수이다. 입력값에 따라 가장 큰 결과 변화가 나타나며, Creep 해석에 가장 지배적인 요소로 볼 수 있다. 지반분야에서 주로 사용되는 Mohr-Coulomb 모델은 시간 종속성 Creep 계수를 미적용 시에 탄성계수, 점착력, 내부마찰력에 의해 수치해석 결과값 차이가 주로 나타나지만, Soft Soil Creep 모델에서는 물성치 변화에 따른 결과 변화 차이는 미비하였다.
4.3.3 해석 결과
(1) 성토 높이에 따른 해석 결과
성토체 높이에 따른 해석 결과는 A군(세립분 10%), 성토고 9m에서 허용기준치인 25mm를 만족하는 것으로 검토되었다. B군(세립분 25%)는 성토고 6m에서, B군(고화제 4%)는 7m에서 허용 기준치를 약간 상회하는 결과가 나타났다. 성토고에 따른 해석 결과 및 궤도 생애주기 60년 침하 그래프를 Fig. 8에 나타내었다.
A, B, B(Fa) 모두 1년 이내의 초기 침하량이 크게 발생하였으며, 약 궤도생애주기 60년 최종 Creep 침하량 대비 57~59% 발생하는 것으로 나타났다. 이는 최종 성토 후 방치 기간의 중요성을 나타내며, 충분한 방치 기간 적용이 주요 Creep 침하 감소방안 중 하나임을 보여주고 있다.
2m 성토고 상승 시 마다 A, B, B(Fa) 모두 중성토(6m까지)에서는 57% 침하량이 증가하며, 고성토(14m까지)에서는 약 80% 침하량이 증가하였다.
최대 높이 14m에서 A군 최종 침하량은 43mm, B군은 75mm, B군(고화제 4%)은 60mm로 산정되었으며, 침하량 차이는 각각의 Creep 계수 (β) 비율과 유사한 값을 나타내었다. Soft Soil Creep 모델에서 가장 중요한 입력치는 Creep 계수 (β)로, 계수값 산정 시 관련 문헌 및 실내시험값에 대한 충분한 고찰이 필요하다.
(2) 변형계수에 따른 해석 결과
변형계수에 따른 해석은 A군(세립분 10%) 성토체 8m에 대하여, 변형 계수를 30, 40, 50(MPa)로 구분하여 수행하였으며, 50(MPa) 해석 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 해석 결과 변형 계수 증가에 따른 침하량 변화는 0.02mm 차이로 미비하였다. 변형 계수별 최종 침하량은 Table 7에 나타내었다.
Table 7.
Engineering properties of soil
| Deformation modulus (MPa) | Final Creep Settlement (mm) |
| 30 | 21.45 |
| 40 | 21.44 |
| 50 | 21.43 |
4.4 경험적 방법에 의한 Creep 침하량 산정
4.4.1 개요
Creep 침하량 예측 방법으로 Charles(2008), JICA(2015)가 제시한 방법을 적용하였으며, Creep계수(β)는 실내 시험 결과값을 반영하였다. Creep 침하량 예측 방법은 Fig. 10에 나타내었다.
4.4.2 성토고 및 방치 기간 계산 결과
Creep 침하량 예측 방법 검토 결과 수치해석 결과보다 작은 침하량이 계산되었다(Fig. 11). A군(세립분 10%), 성토고 13m에서 허용기준치인 25mm를 만족하는 것으로 검토되었으며, B군(세립분 25%)는 성토고 8m에서 B군(고화제 4%)는 10m에서 허용 기준치를 약간 상회하는 결과가 나타났다.
방치 기간 3개월 적용 시에는 14m까지 허용기준치를 만족하는 것으로 검토되었지만, Creep 침하량 예측 방법은 다양한 현장 여건을 반영하지 못하고 단순히 성토 높이, 침하 기간, Creep 계수만을 이용한 방법이다. 이에 성토 방치 기간 산정은 보수적인 접근이 필요하다.
국내 철도의 경우 성토 방치 기간은 세립토는 A군 재료 시 3개월 이상, 기타는 6개월 이상이며, 그 외 지반은 A군 재료 시 1개월 이상, 기타는 3개월 이상을 기준으로 한다. 일본의 경우 재료의 종류와 상관없이 점성토 지반에서 6개월 이상 방치, 그리고 이외의 지반에서 3개월 이상을 기준으로 하고 있다.
수치해석 결과 및 이론식 분석 결과 대부분 Creep 침하는 초기에 발생하며, 충분한 방치 기간을 계획할수록 Creep 침하는 감소시킬 수 있다. 국내 A군 재료 1개월 기준을 토공 계획 시 국내 기준보다 상향된 3개월 방치 기간을 적용해야 한다고 판단된다.
4.4.3 분석 결과
2차원 수치해석과 Creep 침하량 공식 적용 결과를 비교하여 Fig. 12에 나타내었다. Creep 침하량 공식 적용 결과값이 수치해석 결과보다 적은 침하량 결과가 나타났으며, 4m 이하 저성토 구간 침하량은 유사하다.
경험적 방법과 수치해석의 침하량 차이는 중성토(6m) 이상에서 약 59~69% 수치해석 침하량이 크게 발생하는 것으로 검토되었다. 초기 침하량 차이인 57~59%와 근사하며, 이는 경험적 방법은 성토재에 대한 특성이 Creep 계수만 적용되어, 성토재에 대한 정규압밀 및 과압밀 특성을 반영할 수 없어 지반의 탄-소성 상태의 종합적인 거동으로 고려하지 못해 초기 침하량 결과값 차이가 나는 것으로 판단된다.
수치해석의 경우 지반의 물리적 특성, 초기 응력 상태, 지반 구조, 하중 조건 등을 세밀하게 반영할 수 있어 경험식 보다 정확한 예측이 가능하다. 경험식은 일반화된 상황에 적합하고 적용이 간단하지만, 다양한 현장 조건을 반영할 수 없기에 경험식과 수치해석 침하량 결과 차이가 발생하였다.
고속철도 설계기준에 적합한 성토재료(안정처리된 B군)를 사용한다고 해도 수치해석 결과에 따르면 성토고 8m 이상에서 허용 기준치 25mm를 만족하기가 어렵다. 고속철도의 노반 침하 방지를 위해 고속철도 설계 시 최대성토고 8m 이하 계획을 반영하면 성토체 Creep 침하량 감소에 따른 고속철도 노반 안정성 확보가 가능하다 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 고속철도 성토 구간에 발생한 침하 원인을 분석하였고, 이 중 주된 침하 원인인 Creep 침하 거동 예측을 위하여, 대형 압밀 장기 Creep 시험을 통하여 Creep 계수를 결정하고 시간에 따른 침하량을 Soft soil creep 모델을 적용한 수치해석 및 Creep 침하량 공식을 통한 성토구간 Creep 거동 분석을 수행하였다. 그 결론은 다음과 같다.
(1) 고속철도 사례분석을 통해 고속철도 침하 원인을 고성토 계획적 요인, 설계적 요인, 시공적 요인으로 구분하였으며, 침하의 주요 원인은 고성토 및 성토재료의 높은 세립분 함유량으로 인한 Creep 침하가 발생하였다.
(2) 고성토 Creep 침하분석을 위해 대형 압밀 장기 Creep 시험을 수행하였으며, A군(세립분 10%), B군(세립분 25%), B군(고화제 4%)에 대한 Creep 계수를 결정하였다.
(3) 궤도생애주기 60년 침하량 검토결과 성토재료(안정처리된 B군) 성토고 8m 이상은 허용기준치 25mm를 만족하기가 어려우므로 최대성토고 8m 이하 계획 반영이 필요하다.
(4) 수치해석 결과 및 이론식 분석 결과 대부분 Creep 침하는 초기에 발생한다. 성토체 침하 방지를 위해 충분한 방치기간 확보는 매우 중요한 사항이며, 침하 최소화를 위해 3개월 이상 최소 방치 기간을 제안한다.
(5) 현재 국내 설계에서는 성토체 자체 압축 침하에 대한 검토는 대부분 이루워지지 않고 있어 설계 시 성토제의 특성 및 성토고를 고려한 Creep 침하를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
