원심모형 실험을 이용한 궤도지지말뚝구조의 내진성능 평가 :Seismic Performance Evaluation of Pile Supported Slab Track by Dynamic Centrifuge Model Tests

백민철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 백민철 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 이일화

발행연도: 2018

저작권: 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

원심모형 실험을 이용한 궤도지지말뚝구조의 내진성능 평가

백민철 2018.01 학위논문

2016

원심모형 실험을 통한 궤도지지말뚝의 동적거동 평가

백민철 , 이일화 , 유민택 외 2명 대한토목학회 학술대회 2016.10 학술대회자료

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연약지반 상 말뚝을 이용하여 궤도를 직접 지지하는 방식인 궤도지지말뚝(Pile-supported slab track)구조 공법은 연약지반 침하 대책방식인 교량건설 공법과 지반개량 공법에 비하여 적은 비용으로 효과적인 침하억제가 가능한 새로운 공법이다. 하지만 최근 경주지진(2016.9.12. 발생)과 같이 빈번히 지진이 발생하고 있지만 횡방향 안정성에 대한 연구가 부족한 상태이다. 따라서 본 논문에서는 철도하중 및 지진하중 재하 시 궤도지지말뚝 구조의 동적 안정성 평가를 위하여 동적원심모형 실험을 수행하였다. 연약지반의 깊이, 성토체의 높이를 변수로 4가지 케이스로 나누어 실험을 진행하였다. 궤도지지말뚝 구조 중 가장 취약부로 예상되는 플랫폼의 신축경계부분을 중심으로 중앙 직전의 가로보를 대칭으로 모형체를 제작하였다. 또한 말뚝의 변형률, 가속도, 침하량, 간극수압, 전응력 총 4가지의 물리량을 깊이별로 설치하여 측정하였다. 먼저 철도하중 재하 후, 단주기 지진파, 장주기 지진파 순서로 재하하였다. 철도하중 재하 결과 말뚝의 최대휨모멘트와 축하중, 토압변화의 크기는 설계허용하중에 비해 상당히 작은 값으로 계측되었다. 지진하중 작용 시 축하중은 설계축하중에 크게 미치지 못하는 것으로 확인되었고, 지진하중으로 인한 휨모멘트는 플랫폼과 강결된 말뚝 두부에서 가장 큰 값을 보였다. 또한 단주기 지진파 재하 시 모든 케이스에서 국내 내진설계기준 재현주기 2,400년 0.22g 기준 말뚝 균열모멘트 1.825MN-m에 도달하지 않아 안전하게 확인되었다. 케이스 비교를 통해 상대적으로 연약지반 깊이의 조건에 비해 성토체 높이의 조건이 말뚝의 휨모멘트에 큰 영향을 주는 것이 확인되었으며, 성토체의 높이가 같은 조건의 경우 연약지반의 깊이가 얕은 경우 연약지반 깊이가 깊은 경우에 비해 말뚝의 휨 모멘트가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 또한 장주기 지진파 재하 시 단주기 지진파 재하 시와 유사하게 성토체가 높을수록, 연약지반의 깊이가 얕을수록 말뚝의 최대 휨모멘트가 크게 관측되었다. 하지만 장주기 지진파 입력 시, 모든 케이스에서 국내 내진설계기준 재현주기 2,400년의 입력지진 0.22g 이전에서 궤도지지말뚝 구조물의 말뚝 균열모멘트 1.825MN-m를 초과하여 국내 내진설계 기준을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 궤도지지말뚝 구조체가 장주기의 고유주파수를 가지고 있기 때문에 장주기 지진에 대하여 확연히 큰 휨모멘트가 발생되었다 판단된다. 또한 케이스별 비교를 통해 연약지반의 깊이가 말뚝의 횡방향 안정성에 큰 영향을 미칠 것이라는 기존의 인식과는 다르게, 성토체와 연약지반 높이의 비율이 말뚝의 횡방향 안정성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 성토체의 높이가 높아짐에 따라 추가적인 관성력이 작용하여 최대휨모멘트의 크기 또한 증가하는 것으로 판단된다.

The pile-supported slab track method is directly connected to piles on the soft ground. The pile-supported slab track method is less costly than the other soil improvement methods also, great effect of suppressing subsidence. The pile-supported slab track method is a new type of roadbed structure for the improvement of thick soft ground, short connections between bridges and tunnels, where restraint of foundation deformation is essential.
This method has high strength, high rigidity, excellent stability and low subsidence. Therefore In many countries, The pile supported slab track method is used to suppress soft ground subsidence. There are frequent earthquakes these days, especially Kyungju. But studies on seismic stability of the pile-supported slab track are lacking. Therefore, in this paper, a dynamic centrifuge model test was conducted to evaluate the dynamic stability of the pile-supported slab track method during dynamic railway loading and earthquake loading. The experiment was divided into four cases. Using the depth of the soft ground and the height of the embankment. The standard cross section Type B of The pile-supported slab track method was used. There is a limitation of the size of the ESB structure used in centrifuge model experiments. In this study, platform joint part was made at the center of the model body. Because it is expected to be the weakest part of the pile supported slab track method. And also, four physical quantities such as strain, acceleration, settlement, pore water pressure, and total stress of pile were measured.
First, the dynamic railway load was loaded. then, load in short period seismic wave(Ofunato), long period seismic wave(Hachinohe), and sine wave. As a result, the position of the impact point was shifted from the center of the platform to the side part when the daynamic railway load was applied, and eccentricity was added to the pile. However, the maximum bending moment and the axial load of the pile were measured to be considerably smaller than the design allowable load, and the change in the earth pressure was also insignificant. It was confirmed that the axial load was not much larger than the design load during the seismic load input. The bending moments at the seismic load were the largest at the platform and pile head. In addition, in case of short-period seismic loading, it was confirmed that the pile cracking moment of 1.825MN-m based on the seismic design standard life cycle of 2,400 years was not reached in all cases. The comparison of the case shows that the condition of the embankment height greatly affects the bending moment of the pile compared to the condition of relatively soft soil depth. It is found that the bending moment of the pile is larger than that the depth of the soft ground is deep when the depth of the soft ground is low in the case of the same condition of the embankment height. Also, when input long-term seismic acceleration(Hachinohe). the maximum bending moment of the pile was observed when larger the depth of the soft ground is shallow and embankment height is high. However, in case of long-term seismic input, in all cases, It was confirmed that the pile cracking moment of 1.825MN-m of the pile supported slab track method was not satisfied in domestic seismic design criteria before 0.22g. the structure of the pile supported slab track has a natural frequency of a long period, it is judged that a large bending moment is generated for the long period earthquake.
It is also different from the conventional perception that the depth of the soft ground will have a great influence on the lateral stability of the pile through case-by-case comparison. The results of this study show that the ratio of the embankment height to the soft ground depth has a significant effect on the lateral stability of the pile. It is considered that as the height of the embankment increases, the additional inertial force acts to increase the maximum bending moment. Therefore, additional numerical studies based on this study are needed to estimate the appropriate embankment height for each soft soil depth.

#궤도지지말뚝 #원심모형실험 #내진

I . 서론 1
1. 연구배경 1
2. 연구목적 및 범위 1
II . 이론적 배경 3
1. 궤도지지말뚝 시스템 3
2. 궤도지지말뚝 구조 해외 적용 사례 7
가. 독일 고속철도 7
나. 네덜란드-벨기에 고속철도 8
다. 영국-프랑스 해저터널 8
라. 중국 철도 9
3. 궤도지지말뚝 설계 11
III. 동적 원심모형실험 14
1. 실험 개요 14
2. 원심모형 실험 16
가. 원심모형실험 원리 16
나. 원심모형 실험장비 20
3. 실험 설계 24
가. 실험 케이스 설계 24
나. 구조체 모델링 25
다. 지반 조성 28
4. 계측계획 35
가. 변형률계 35
나. 가속도계 37
다. 레이져변위계 40
라. 간극수압계 42
마. 전응력계 44
5. 실험 순서 46
가. 철도하중 모사 47
나. 입력지진파 48
다. 실험별 가진기록 49
IV. 동적 원심모형실험 결과 54
1. 철도하중 재하 결과 54
2. 지진하중 재하 결과 58
가. 가속도 계측 결과 58
나. 모멘트 계측 결과 63
다. 레이저 변위계 계측 결과 69
3. 분석 및 고찰 72
V. 결론 75
참고문헌 77

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