2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S272

동하중이 작용하는 섬유보강 성토지지말뚝구조에서의 진동영향 평가

Vibration influence evaluation for GRSP structure by dynamic loading

민경찬†, 이일화*, 이성지**, 이광우***

Kyung Chan Min*†, Il Wha Lee*, Sung Jee Lee**, Kwang Wu Lee***

Abstract Geosynthetic-reinforced and Pile supported(GRPS) structure is the reasonable solution method of construction which can satisfy allowable Residual Settlement of Concrete Track in the soft ground. Especially, GRPS embankments are used worldwide as economic and effective solutions can be provided. However, the load transfer mechanism in GRPS is very complex and also the characteristic of vibration transmission and interaction on a trackbed is not yet fully established. In this paper, finite element analysis is conducted to study wave propagation and deformation generated by moving train. Compared with general and GRPS embankment, the impact of wave propagation on a roadbed is investigated under an artificial impulse load and field measured train load. In order to analyze settlement pattern considering fatigue properties, cyclic load has been applied. As a result, vibration characteristics according to depth have similar pattern in two of structures aside from load transfer platform layer. Keywords : GRPS, Load Transfer Platform, Soft soils, Wave propagation, Dynamic load

초 록 토목섬유로 보강한 성토지지말뚝 공법은 콘크리트궤도의 허용잔류침하량을 만족할 수 있는 합리적인 연약지반대책공법이다. 특히, 경제성 및 안정성 측면에서 우수하여 전 세계 적으로 활발히 적용되고 있다. 하지만 성토지지말뚝구조에서의 하중전달작용은 매우 복잡하며, 토공노반에서 발생하는 진동전달 및 상호작용에 대한 특성이 규명되지 않았다. 본 논문에서는 유한요소해석프로그램으로 기존 성토구조와 섬유보강 성토지지말뚝구조를 모델링하여 충격하중 및 열차하중 적용시 나타나는 진동전파 특성과 반복하중 적용시 성토체에서 발생하는 변형특성을 비교분석하였다. 해석결과, 두 구조의 성토 깊이별 진동전파 특성은 유사한 경향을 가지지만 LTP층에서 다소 복잡한 전파특성을 보였으며, 반복하중에 의한 변형특성은 5만회부터 수렴하는 경향을 보였다.

주요어 : 토목섬유보강 성토지지말뚝, 하중전달층, 연약지반, 진동전파, 동하중

1. 서 론

침하억제형 말뚝지지구조는 성토 및 궤도하중을 말뚝을 통하여 지반으로 전달시킴으로서

연약지반 자체의 압밀침하가 발생하지 않기 때문에 장기침하를 근본적으로 억제하는 능동적

인 공법으로서 유럽 및 중국 고속철도를 중심으로 적용되고 있다.

† 교신저자: 고려대학교 건축사회환경공학과(theswear@korea.ac.kr)

* 한국철도기술연구원 고속철도연구본부

** 과학기술연합대학원대학교 철도시스템공학

*** 한국건설기술연구원 지반연구소

이 공법은 과거 과도한 시공비와 안정성 문제 때문에 적용이 제한적이었으나, 최근에는

공기단축, 잔류침하 억제 등을 목적으로 세계적으로 많이 적용되고 있는 추세이다. 그러나

현재까지 공법에 대한 명확한 이론적 정리가 되어 있지 않고, 아직까지 경험적으로 설계하

고 있기 때문에 충분한 검토가 필요하다. 현재까지 침하억제형 말뚝지지공법 설계법에서는

말뚝이 모든 성토하중을 부담한다는 가정을 토대로 말뚝의 지지력 측면에서 매우 보수적인

설계가 이루어지고 있으며 또한 지반 아칭효과에 대한 불확실성으로 인하여 과도한 안전율

이 고려되기도 한다.[1] 특히 국내 적용을 위해서는 지역적 연약지반 특성을 반영한 이론적

분석, 재료특성 검토, 실물재하시험 및 수치해석과 현장부설시험 등을 통한 검증이 수행하여

야 하며 설계법 및 시공법에 대한 최적화 과정도 요구된다. 본 논문에서는 토목섬유로 보강

한 성토지지말뚝 구조에서 동하중에 의한 변형특성을 검토하였다. 열차 주행에 의해 발생되

는 진동에너지의 전파 특성과 반복하중에 의한 침하 및 토압에 미치는 영향을 검토하였다.

2. 연약지반 침하억제공법

2.1 토목섬유보강 성토지지말뚝 구조

토목섬유로 보강된 성토지지말뚝공법은 Fig. 1과 같이 말뚝 위 성토지반의 아칭현상과

LTP(Load Transform Platform)층을 이용하여 성토하중을 말뚝을 통해 직접 지지층에 전달시킴

으로써 구조물의 안전성을 도모하는 공법이다. LTP층은 구조물의 안전성 향상과 경제성 측

면을 고려하여 말뚝과 성토지반 사이에 토목섬유(지오그리드)를 보강한 형태로 시공하게 된

다.[4] 토목섬유와의 복합시공은 토목섬유의 인장력으로 지탱함으로써 지표침하를 줄이면서

성토사면의 활동을 억지시킬 수 있다. 또한 말뚝으로의 성토하중 전이효과를 증대시킴으로

써 말뚝의 설치간격을 넓힐 수 있는 이점이 있다.

Fig. 1 Geosynthetic reinforced pile supported embankment structure

2.2 토목섬유보강 성토지지말뚝의 하중전달 메커니즘

성토하중이 말뚝에 집중되는 원리는 크게 다음의 두 가지 작용에 의한 것으로 분류할 수

있다. 첫 번째 작용인 지반의 아칭효과는 토목섬유가 설치되지 않은 경우 성토하중이 말뚝

에 집중되는 주요 원리이다. 성토하중이 가해지면 연약지반은 침하되고 이로 인해 말뚝사이

성토지반의 침하가 발생한다. 반면 말뚝 상부의 성토지반은 말뚝의 지지 효과로 인해 침하

가 매우 작게 발생하며 침하가 상대적으로 큰 주변 지반의 침하를 억제하는 전단저항을 유

발하게 된다. 이러한 효과로 인해 연약지반에 전달되는 응력은 감소하고 말뚝에 전달되는

응력은 증가하게 된다. 두 번째 작용은 성토지지 말뚝에 토목섬유가 보강된 경우에 발생하

며 연약지반에 전달되는 하중을 토목섬유가 부담하게 됨에 따라, 토목섬유에 발생하는 인장

력의 수직성분이 말뚝에 전달되는 것이다. Fig. 3은 하중 재하시 노반요소에서의 주응력 발생

방향의 변화를 나타내는 그림이다. 윤하중이 이동하게 되면 주응력방향 또한 시계방향으로

회전하게되며, 결국은 모든 재하지점에서 응력발생은 동일한 패턴으로 진행하게 된다. 정적

해석, 유사정적해석 및 고정식 반복재하시험 등에서는 재하지점이 고정되므로 이러한 주응

력의 변화를 모사할 수 없다.

Fig. 2 Load transter mechanism of GRPS embankment Fig. 3 Rotation of Principal stresses and planes

3. 수치해석

3.1 유한요소 해석단면 모델링

토목섬유로 보강된 성토지지말뚝구조의 동적하중에 의한 진동 및 변형특성을 검토하기 위

하여 ABAQUS를 이용한 2차원 유한요소해석을 수행하였다. 응력파의 반사 및 굴절을 제거

하기 위하여 경계조건으로 무한요소를 적용하고, 2차원 평면변형률 조건의 4절점 사각형 연

속체 요소를 사용하여 성토체, 연약지반과 말뚝을 모델링하였다. 토목섬유의 경우는 실제 성

토지지말뚝공법에서 사용되는 두께 2.5mm의 지오그리드 단면을 재현하기 위해 트러스요소

(Truss element)를 이용하였다. 해석에 적용된 물성치는 아래의 Table 1과 같다. 레일패드의 스

프링 계수값은 Kim et al.(2005)이 횡변위와 회전각의 허용값을 고려하여 제시한 20☓103 kN/m

를 사용하였으며 레일패드의 댐핑값은 Yang et al.(2009)이 제시한 100kN•sec/m를 적용하였다.

(a) Cross-sectional profile (b) Measure points

Fig. 4 Analysis model for GRSP structure

Table 1 Analysis parameters

Elastic Modulus

(MPa) Density (kg/m3)

Poisson Ratio

Height (m)

Creep model parameter

A n m

Rail 21,000 1,700 0.30 0.1 - TCL 34,000 2,300 0.20 0.3 - HSB 12,900 2,300 0.20 0.3 -

Embankment 60 2,000 0.30 5.0 5e-7 0.8 -0.9LTP 80 2,000 0.33 0.5 -

Geogrid 3,000 1,000 0.30 - - Soft soil 10 1,700 0.30 13.5 5e-8 0.9 -0.9

Pile 35,000 2,700 0.20 16.2 - Rock 1,000 2,100 0.20 3.0 -

Pad Spring 20,000 kN/mPad damping 100 kN/(m/sec)Soil damping α=0.1 , β=0.000501827 (Rayleigh damping)

3.2 하중 조건

열차이동하중에 의한 진동특성을 파악하기 위하여 Fig. 5, Fig. 6과 같은 동하중을 적용하였

다. Fig. 5는 열차의 축배치, 주행속도 등에 따른 주파수특성이 배제된 충격하중의 파형으로

half-sine파 형태를 가지며, Fig. 6은 주행속도 300km/h의 고속열차(KTX)의 실측 열차하중으로

경부고속철도 2단계구간에서 계측하였다.[2]

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04

0

20

40

60

80

100

Ver

tica

l Lo

ad

(kN

)

Time(sec) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0

20

40

60

80

100

Ver

tical

Loa

d (k

N)

Time(sec) Fig. 5 Time history of impulsive load Fig. 6 Time history of train load

반복하중에 의한 누적소성변형에 관한 해석을 하기 위하여 유한요소해석프로그램인

ABAQUS의 Creep model기법을 적용하여 Table 1과 같은 조건으로 해석을 수행하였다.[5] 하

중은 피로특성을 반영하기 위해 확률의 신뢰구간에 좌우되는 표준편차의 가중치(t)를 1로 적

용하여 157kN을 재하시켰으며, 반복재하횟수 100만회를 4Hz로 해석을 수행하였다. 성토층에

서 나타나는 침하 및 토압의 해석결과를 분석하였다.

εp = ANb (1)

4. 해석 결과

4.1 열차하중을 이용한 파 전파해석

토목섬유보강 지지말뚝의 진동 전달특성을 검토하기 위하여 Fig. 7과 같이 성토고 5m의 일

반 성토구조와 토목섬유보강 성토지지말뚝구조를 대상으로 좌측선로에서 열차하중을 재하하

였을 때 동일 시간대에서의 수직진동가속도 전파특성을 비교하였다. Fig. 7(a)는 일반성토구조

로서 열차하중에 의해 발생된 수직진동가속도 에너지가 반원형상을 가지며 하부지반으로 점

진적으로 전파되는 것으로 볼 수 있다. Fig. 7(b)는 토목섬유로 보강된 구조로서 수직진동가속

도가 성토부에서 분산되며 상대적으로 강성이 큰 말뚝으로 전파되고 있다.

(a) Conventional structure (b) Geosynthetic reinforced pile structure

Fig. 7 Vertical acceleration contour on each structure

4.1.1 충격하중에 의한 진동 특성

Fig. 8은 토목섬유보강 성토지지말뚝에서 발생하는 수직진동가속도의 시간이력을 나타낸

그림이다. Fig. 8(a)는 충격하중에 의한 수진동가속도를 나타내며, 최대 0.28g가 발생하였다.

Fig. 8(b)는 열차하중에 의한 수직진동가속도를 보여주며, 최대 0.49g로 충격하중과 비교하였

을 때 약 43% 크게 발생하였다.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

Ver

tical

acc

eler

atio

n (g

)

Time (sec) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

Ver

tica

l acc

ele

ratio

n (

g)

Time (sec) (a) Impulsive load (b) Train load

Fig. 8 Vertical acceleration for impulsive and train load on GRSP

Fig. 9와 Fig. 10은 일반성토구조(□)와 토목섬유보강 성토지지말뚝구조(✳)의 Fig. 4(b)의 1번

위치의 각 충격하중과 열차하중 적용시 발생하는 깊이별 최대수직진동가속도의 변화를 나

타낸 그림이다. Fig 9, 10(a)는 성토층을 포함하여 원지반까지의 구간에서 깊이별 최대수직진

동가속도를 나타낸 그림이며 Fig. 9, 10(b)는 성토층 5m 구간만 확대하여 나타낸 그림이다.

성토층 표면에서 하중전달층(LTP) 경계 깊이인 3.3m 까지는 전체 진동에너지의 약 90%가

감쇠되는 것으로 나타났다. 전반적으로 유사한 경향을 보이지만 2층의 토목섬유로 이루어

진 하중전달층 구간에서는(심도 3.45m, 3.65m) 수직진동가속도가 증가하는 경향을 보인다.

이는 성토층과 말뚝두부 사이에 하중을 지지하는 토목섬유(지오그리드)의 매질의 변화 및

아칭효과로 인하여 진동특성이 다소 복잡하게 발생되기 때문이다.

18

16

14

12

10

8

6

4

2

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Vertical Accerlation (g)

Conventional embankment

Reinforced Geosynthetics

Dep

th (

m)

5

4

3

2

1

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Vertical Accerlation (g)

Conventional embankment

Reinforced Geosynthetics

Dep

th (

m)

18

16

14

12

10

8

6

4

2

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Conventional embankment

Reinforced Geosynthetics

De

pth

(m)

Vertical Acceleration (g)

5

4

3

2

1

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Conventional embankment

Reinforced Geosynthetics

Dep

th (

m)

Vertical Acceleration (g)

(a) Total section (b) Embankment section (a) Total section (b) Embankment section

Fig. 9 The maximum vertical acceleration by impulsive load Fig. 10 The maximum vertical acceleration by train load

4.1.2 토목섬유 변형특성

Fig. 11은 열차하중 재하시 상부 토목섬유에서 발생하는 변형특성을 나타내었다. 하중이 작

용하는 수평거리 11.8m를 기준으로 멀어질수록 수직변위가 감소하는 경향을 보인다. 또한,

상대적으로 강성이 큰 말뚝두부 위에 위치하는 토목섬유의 변위는 말뚝사이에 위치하는 토

목섬유의 변위에 비해 작게 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 12는 Fig. 11과 같은 위치에 있는

토목섬유에서 발생하는 수평방향 인장변형률을 나타낸 그림이며 유사한 경향이 나타나는 것

을 확인할 수 있다. 하중이 재하되는 구간에서 최대 인장변형률이 발생하며 말뚝이 위치한

구간에서는 변형률이 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 말뚝이 수직성분을 지지해

주기 때문이며, 말뚝이 위치한 구간은 말뚝사이와 비교하였을 때 약 50%작게 나타났다.

0 5 10 15 20 25-0.002

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

Dis

plac

emen

t (m

m)

Horizontal distance (m) 0 5 10 15 20 25

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ten

sile

str

ain

()

Horizontal distance (m)

Fig. 11 Vertical displacement of geosynthetic Fig. 12 Horizontal tensile strain of geosynthetic

4.2 반복하중에 의한 변형특성

Fig. 13은 구조별 100만회 반복하중에 의한 누적소성침하를 나타낸 그림이며 측정위치는

Fig. 4(b)의 3번과 같다. 섬유보강지지말뚝의 누적소성침하는 말뚝사이 중앙부(4번)에서 최대

0.73mm로 말뚝주위(1, 7번)와 비교하였을 때 약 29%의 더 큰 침하가 나타났다. Fig. 13(b)는

일반성토구조이며, 성토층 내부의 Fig 13(a)에 동일위치에서의 연약지반의 누적소성침하를 나

타낸 그림이다. 섬유보강지지말뚝구조와 비교하기 위하여 연약지반의 강성을 10 ~ 80MPa로

변화시켜주며 해석결과를 분석하였다. 강성이 최대 80MPa일 때와 비교하였을 때, 약 7배 큰

누적소성침하를 보였다. 초기탄성침하가 발생한 후 5만회부터 100만회까지의 경향은 일반성

토구조는 약 0.05mm의 누적소성침하가 발생하였고, 섬유보강지지말뚝의 경우 수렴하는 경

향을 보였다. 하지만 말뚝사이 3, 4, 5번은 0.2mm의 누적소성침하가 나타났으며, 일반성토구

조와 비교하였을 때, 약 60%의 침하가 덜 발생하였다. 이는 하중이 파일로의 전달이 잘 이

루어졌기 때문이라고 판단된다. 토압은 동일조건인 연약지반의 강성이 10MPa일 때, 같은 결

과값을 가지며, 강성이 증가함에 따라서 토압이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 파일이

위치하지 않은 구간에서는 일반성토구조와 동일한 응력이 발생한다는 것을 확인할 수 있다.

0.0 2.0x105 4.0x105 6.0x105 8.0x105 1.0x106

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

Measure point 1 Measure point 2 Measure point 3 Measure point 4 Measure point 5 Measure point 6 Measure point 7

Cu

mul

ativ

e S

ett

lem

ent

(m

m)

Number of Cyclic (N) 0.0 2.0x105 4.0x105 6.0x105 8.0x105 1.0x106

-25

-20

-15

-10

-5

0

Cu

mul

ativ

e S

ett

lem

ent

(m

m)

Number of Cyclic (N)

Stifness of Soft soil : 10MPa Stifness of Soft soil : 20MPa Stifness of Soft soil : 40MPa Stifness of Soft soil : 60MPa Stifness of Soft soil : 80MPa

(a) GRSP structure (b) Conventional structure

Fig. 13 Result of numerical analysis cumulative plastic settlement

0.0 2.0x105 4.0x105 6.0x105 8.0x105 1.0x1060

5

10

15

20

25

30

35

40

Measure point 1 Measure point 2 Measure point 3 Measure point 4 Measure point 5 Measure point 6 Measure point 7

Ear

th P

ress

ure

(kP

a)

Number of Cyclic (N) 0.0 2.0x105 4.0x105 6.0x105 8.0x105 1.0x106

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ear

th P

ress

ure

(kP

a)

Number of Cyclic (N)

Stiffness of soft soil : 10MPa Stiffness of soft soil : 20MPa Stiffness of soft soil : 40MPa Stiffness of soft soil : 60MPa Stiffness of soft soil : 80MPa

(a) GRSP structure (b) Conventional structure

Fig. 14 Result of numerical analysis cumulative earth pressure

5. 결 론

본 논문은 2차원 유한요소해석을 이용하여 동적 열차하중조건에 의해 발생하는 토목섬유

보강 지지말뚝 표준단면에서의 진동전파 및 변위특성을 검토하였다. 검토결과를 정리하면

다음과 같다.

1) 충격하중과 열차하중을 적용한 진동전파 특성은 일반성토구조에서는 입력하중에 의해

발생된 진동에너지는 반원형상을 가지고 성토층을 통과하여 하부 원지반으로 점진적으로

전파되며, 섬유보강지지말뚝구조에서는 성토층에서 파일을 통해 하부 지지기반으로 전파

되었다. 또한, 깊이별 수직진동가속도는 전반적으로 유사한 경향을 나타내었지만 2층의

토목섬유로 이루어진 하중전달층 구간에서는(심도 3.45m, 3.65m) 수직진동가속도가 증가하

는 경향을 보인다. 이는 성토층과 말뚝두부 사이에 하중을 지지하는 토목섬유(지오그리

드)의 매질의 변화 및 아칭효과로 인하여 진동특성이 다소 복잡하게 발생되기 때문이다.

2) 열차하중 재하시 LTP층에 매설된 토목섬유의 수직변위는 말뚝사이구간이 말뚝위의 토

목섬유에 비해 크게 나타났고 변형률 또한 상대적으로 크게 나타났다. 피로특성을 검토하

기 위한 반복하중 적용시 변형특성은 섬유보강지지말뚝의 경우 수렴하는 경향을 보였다.

하지만 말뚝사이 3, 4, 5번은 0.2mm의 누적소성침하가 나타났으며, 일반성토구조와 비교하

였을 때, 약 60%의 침하가 덜 발생하였다. 이는 하중이 파일로의 전달이 잘 이루어졌기

때문이라고 판단된다.

3) 현재 단계에서는 해석조건이 제한적이기 때문에 실대형실험 및 현장계측을 통하여 어려

운 다양한 현장조건에서의 성토지지말뚝구조의 진동 및 침하거동에 대한 기초연구 자료

의 제공이 필요한 것으로 사료된다.

후 기

본 논문은 국토교통부 철도기술연구사업 “연약지반구간 교량대체를 위한 침하억제공법

개발(14RTRP-B071526-02)”과제의 연구비지원에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

[1] KOREA RAIL NETWORK AUTHORITY (2012), “Design of pile foundation”, KR c-11040. [2] Alexiew, D. and Gartung, E. (1999), “Geogrid Reinforced Railway Embankment on Piles Performance

Monitoring 1994-1998”, 1st South American Symposium on Geosynthetics, Brazil, pp.403-411. [3] Brandl, H., Gartung, E., Verspohl, J., and Alexiew, D. (1997), “Performance of a geogrid reinforced

railway embankment on piles”, Proc. of the Fourteenth Int. Conf. On Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburg, 6-12 Sept, Vol. 3, 1731-1736.

[4] Il-Wha Lee, Sung-Jin Lee, Su-Hyung Lee, Kang-Myung Lee (2003), “Wave Propagation on a High-

speed Railway Embankment Using a Pile-slab Structure”, Journal of the Korea Society for Railway, Vol.16, No.4, pp.278-285

[5] Kyung-Chan Min, Il-Wha Lee, Jong-sub Lee (2014) “Impact assessment of rapid-hardening track

ubgrade by the material condition”, Spring conference of the Korean Society for Railway, Jeju, pp.

1283-1290.