2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A167

동적 콘 관입기를 이용한 철도궤도 하부구조물 평가 연구

Evaluation of Track Substructure by Using Dynamic Cone Penetrometer

홍원택*, 김상엽*, 강성훈*, 이성진**, 장승엽**, 이종섭*†

Won-Taek Hong*, Sang Yeob Kim*, Seong Hun Kang*, Sung Jin Lee**, Seung Yup Jang**,

Jong-Sub Lee*†

Abstract The changes of the track substructure cause distortion of tracks and settlement of track sub structure. In this study, dynamic cone penetrometer is applied to evaluate the condition of operating high-speed railway track substructure. To minimize the distortion of the rod, a cone penetrometer is made which has expanded diameter. In the field test, dynamic cone penetration index(DCPI) is measured. Experimental result shows that the DCPI varies from 12 to 31mm/blow for penetration depths of 0 to 28cm, 2.5 to 3.5mm/blow for penetration depths 28 to 85cm, and 1 to 1.75mm/blow for penetration depths more than 85cm. Dynamic cone penetrometer can perform rapid tests and also may be a useful method to evaluate the operating high-speed railway track substructure owing to lightweight and efficient testing procedure. Keywords : Dynamic cone penetrometer, High-speed railway, Penetration, Subgrade, Track substructure 초 록 철도궤도 하부구조물의 상태변화는 궤도 자체의 뒤틀림 및 침하를 야기한다. 본 연구에서는 현재 운영중에 있는 자갈도상 고속철도에 대하여 동적 콘 관입기를 적용하여 하부구조물의 상태를 평가하고자 하였다. 관입 시 자갈층에 의한 뒤틀림을 최소화하기 위하여 롯드 및 원추가 확장된 동적 콘 관입기가 제작되었으며, 실험 전반에 걸쳐 DCPI가 측정되었다. 실험결과, 각 구간에서의 평균 DCPI는 심도 0~28cm의 경우 12~31mm/blow, 28~85cm의 경우 2.5~3.5mm/blow, 85cm이상의 경우 1~1.75mm/blow로 측정되어 심도가 깊어짐에 따라 값이 작아지는 경향을 보였다. 동적 콘 관입기는 경량화된 장비이므로 신속한 실험수행이 가능하여, 기 운영중인 철도궤도 하부구조물 평가에 유용한 방법이 될 것이다.

주요어 : 동적 콘 관입기, 고속철도, 관입, 노반, 궤도 하부구조물

1. 서 론

국내 철도궤도 하부구조물에 대한 품질관리는 대상 현장의 평판재하시험으로부터 획득한

지반반력계수와 k30을 품질관리 기준으로 사용하여 상, 하부 노반에 적용하고 있으며, 이와

더불어 다짐도가 최소 90%이상 되도록 다짐시험, 들밀도 시험을 통하여 밀도관리를 병행하

고 있다[1]. 한편, 고속철의 노반 품질관리에는 현장 밀도, 반복평판재하시험으로부터 획득

한 변형계수(Deformation modulus, Ev2) 및 하중재하횟수를 달리한 변형계수의 비(Modulus ratio,

† 교신저자: 고려대학교 공과대학 건축사회환경공학부(jongsub@korea.ac.kr)

* 고려대학교 공과대학 건축사회환경공학부

** 한국철도기술연구원 고속철도연구본부

Ev2/Ev1)를 기준으로 적용하고 있다[2]. 지반반력계수와 k30의 경우, 일반철도와 고속철도의 설

계기준으로 사용되기 때문에 설계와 품질관리에서 지표의 일관성을 가지고 있다. 밀도에 의

한 관리는 실내 다짐시험에서 획득한 최대 건조밀도의 일정 비율을 현장의 관리 기준으로

결정하고, 현장에서 시공 중에 획득한 성토체의 건조밀도와 비교하여 품질을 관리하는 기법

이다. 그러나, 건조밀도와 직접적인 관계가 있는 간극비는 설계입력 변수인 탄성계수에 영향

을 미치는 요소이지만 현장의 건조밀도를 결정하기 위한 들밀도 시험의 결과는 정확도 측면

에서 신뢰도가 다소 결여되어 있으며, 암버럭과 같이 입경이 큰 재료에 대해서는 시험이 불

가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 방사선 들밀도 시험의 활용[3]이 검토된 바 있지

만 방사성 동위원소의 취급에 대한 국내의 까다로운 규제로 인하여 실용성이 떨어진다. 또

한, 두 시험 모두 다짐 검측 시 다짐이 완료된 지반에 대하여 대상 심도에 대한 직접적인

시험을 요하므로, 도상자갈층과 상부노반층에 대하여 대단위 파괴가 불가피하여 시험에 긴

시간이 소요되어 현재 운영중인 궤도 하부구조물에 대한 평가에 한계가 있다. 도상자갈층과

상부노반층에 대한 대단위 파괴를 방지하며, 대상심도에 대한 정확한 평가를 위한 방법으로

써 SPT(Standard Penetration Test), CPT(Cone Penetration Test) 등의 원위치관입시험 방법이 고려

될 수 있다[4,5]. 그러나 이들 원위치관입시험 방법에 사용되는 관입장비는 큰 무게와 부피

로 인하여 사용중인 대상 현장으로의 접근성에 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위

하여 기존의 원위치관입시험 방법보다 경량화된 시험방법에 대한 연구가 필요하다.

동적 콘 관입기(Dynamic Cone Penetrometer)는 대상 현장의 다짐도 및 강도를 평가하기 위하

여 Scala [6]에 의해 처음 소개된 이동식 관입장비이다. 동적 콘 관입기는 남아프리카에서 포

장부의 현장 평가를 위해 개발된 장비로서, 얕은 깊이에 대하여 현장 다짐토의 관입 저항을

측정하기 위하여 널리 이용되었으며, 시험방법이 매우 간결하여 경제적이며 신속하고, 장비

의 유지관리 및 보관이 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는, 현재 운영중에 있는 경부고

속철도의 자갈도상 철도궤도 하부구조물에 대하여 동적 콘 관입기를 적용함으로써 대상 지

반에 대한 평가 및 적용성을 판단하고자 하였다.

2. 본 론

2.1 동적 콘 관입기(Dynamic Cone Penetrometer)

2.1.1 표준 동적 콘 관입기

동적 콘 관입기는 Fig. 1과 같이 상부부분과 하부부분, 그리고 눈금자 세 부분으로 나눌 수

있다. 먼저, 상부는 동적 콘 관입기를 수직으로 유지시켜주기 위한 손잡이와 해머의 최고점

을 표시하는 상부 모루, 그리고 상부 모루에서부터 자유낙하하는 8 kg의 해머, 해머의 자유

낙하 운동을 유도하는 직경 16mm, 길이 575mm의 상부 롯드로 이루어져 있다. 하부부분은

앤빌에서 전해져 오는 충격량을 콘까지 보내주는 직경 16mm, 길이 1,000 mm의 하부롯드와

그 밑에 동적 콘 관입기를 관입하는 콘의 두 부분으로 나누어져 있으며, 콘의 직경은 20mm

이고 선단은 60o의 원추형으로 되어 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of dynamic cone penetrometer

기존의 동적 콘 관입기는 미국 주정부 교통부(DOT)와 미공병단(U.S. Army Corp of Engineers)

등에서 다짐평가를 위해 이용되고 있으며, 일리노이주와 노스캐롤라이나주, 그리고 아이오와

주와 미네소타주의 교통부에서 기준값을 제시하여 CBR과 연관 및 현장다짐 건조단위중량의

요구조건을 만족시키도록 하고 있다[7,8].

2.1.2 확장형 동적 콘 관입기

표준 동적 콘 관입기는 직경 16mm의 연결롯드를 사용하므로 도상자갈층 관입 시 자갈에

의한 뒤틀림이 발생할 수 있다. 동적 콘 관입시 수직도 유지는 매우 중요한 요소이므로 본

연구에서는 20mm로 확장된 롯드를 제작하여 적용하였으며, 선단부에는 24mm의 원추를 체

결하여 관입시 롯드의 마찰에 의한 영향을 최소화 하였다. 또한, 이웃한 침목에 거치할 수

있는 관입 가이드를 제작, 본 실험에 적용하여 수직도 상승을 도모하였다. 해머의 경우, 확

장된 원추와 롯드로 인한 관입성을 보정하기 위하여 12kg의 해머를 적용하였다.

2.1.3 동적 콘 관입지수(DCPI) 보정

확장형 동적 콘 관입기는 표준 동적 콘 관입기와 직경 및 해머의 무게가 다르므로, 본 연

구에서 얻은 결과를 표준 동적 콘 관입지수로 보정하기 위하여 경기도 고양시 ○○현장을

대상으로 보정 실험을 수행하였다. 보정 실험은 동일개소, 동일단면의 서로 인접한 두 공을

대상으로 수행하였으며, 첫 번째 공에는 표준 동적 콘 관입기를, 두 번째 공에는 확장형 동

적 콘 관입기를 적용하였다. 실험 결과, Fig. 2와 같이 표준형과 확장형은 관입 심도에 따라

매우 유사한 경향을 보였으나, 표준형의 동적 콘 관입지수가 확장형에 대하여 각 심도에서

평균 약 0.81배의 작은 값을 보였다.

(a) DCPI (b) Correlated DCPI

Fig. 2 Result of correlation test

2.2 현장 적용 실험

2.2.1 실험 구간

자갈도상 고속철도 궤도 하부구조물의 평가를 위하여, △△고속철도 의 세 구간(A, B, C구

간)에서 동적 콘 관입실험을 수행하였다. Fig. 3은 대상 현장과 동적 콘 관입실험 전경을 보

여준다.

(a) Target railway (b) DCP test

Fig. 3 Field test

2.2.2 실험 결과

본 절에서는 상기 대상 지반에서의 실험 결과를 정리하였다. 각 구간에서 측정된 동적 콘 관

입지수는 2.1.3절의 보정 실험 결과를 적용하여 표준 동적 콘 관입지수로 변환하였으며, Fig. 4

에 나타내었다. 또한, 심도에 따른 누적 타격횟수는 Fig. 5에 나타내었다.

측정된 DCPI의 결과, 관입 A구간의 경우 초기 관입심도 280mm까지 구속응력의 영향이 반영

되어 약 16mm/blow의 값을 보였으며, 이후 심도 280~880mm 구간에서 약 2.5mm/blow,

880~1150mm 구간에서 약 1mm/blow로 나타났다. B구간의 경우, 구속응력의 영향으로 인하여 초

기 관입심도 280mm까지의 평균 DCPI는 약 31.1mm/blow로 크게 나타났으며, 이후 심도

280~850mm 구간에서 약 3.5mm/blow, 850~930mm 구간에서 약 2mm/blow, 930~1140mm 구간에서

0.7mm/blow로 구분되어 나타났다. C구간의 경우, 초기 관입심도 290mm까지의 평균 DCPI는

25.1mm/blow, 290~590mm 구간에서 약 6.2mm/blow, 830~930mm 구간에서 0.6mm/blow,

930~1270mm구간에서 1.7mm/blow로 구분되어 나타났다.

(a) A구간 (b) B구간 (c) C구간

Fig. 4 Dynamic penetration index

관입심도에 따른 누적 타격횟수는 도표의 기울기 변화를 확인함로써 심도에 따른 지층의 관

입저항 특성 변화를 파악할 수 있다. A구간의 경우, 관입심도가 깊어짐에 따라 기울기가 작아

지며 관입저항이 증가하는 경향을 보였으나, B구간의 경우 약 900~1050mm구간에서, C구간의

경우 약 920mm 이후 심도에서 기울기가 커지며 관입저항이 작아지는 결과를 보였다.

(a) A구간 (b) B구간 (c) C구간

Fig. 5 Accumulated blow count

3. 결 론

본 연구에서는 △△고속철도의 세 구간(A, B, C구간)을 대상으로 동적 콘 관입기를 적용함으

로써 상태를 평가하고자 하였다. 현장 적용 실험 시 콘 관입기의 수직도 유지를 위하여 표준형

보다 큰 직경을 갖는 동적 콘 관입기와 침목 거치형 가이드가 제작되었으며, 실험으로부터 얻

은 결과를 표준 동적 콘 관입지수로 보정하기 위한 실험을 수행하여 상관관계를 도출하였다.

현장 적용 실험결과, 해당 개소는 크게 심도에 따른 누적 타격수로부터 구속압 효과를 나타내

는 관입깊이 0~28cm의 구간과 깊이 28~85cm의 구간, 그리고 85cm 이하의 구간으로 구분되었

다. 또한, 각 심도에서 누적 타격수 도표의 기울기와 DCPI결과를 통하여 매우 조밀한 지층과

상대적으로 느슨한 지층의 구분이 가능하였다.

본 연구에서 적용한 동적 콘 관입기는 경량화된 원위치 관입시험 방법으로써 이동성이 우수

하며, 짧은 시간 안에 실험 수행이 가능하다. 이는 현재 사용중인 철도 지반의 상태 평가에 효

율적인 방법이 될 수 있으나, 고속철도에서의 적용사례 및 설계정수 도출에 대한 연구는 미미

한 실정이므로 보다 다각화된 연구의 진행이 필요할 것으로 판단된다.

후 기

이 연구는 국토교통부 미래철도기술개발사업의 연구비 지원(과제번호 13RTRP-B065581-01)에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

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Talbot, eds, ASTM, West Conshohocken, PA

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