최근 철도궤도에서의 침하가 심각한 문제로 대두되고 있다. 철도 궤도는 열차하중의 반복적인 재하와 연약지반의 압밀침하 및 다짐된 불량 성토 흙노반의 침하 등 다양한 지반공학적인 원인에 의해 침하를 경험할 수 있으며 이로 인하여 궤도틀림 또한 발생할 수 있다. 이중 궤도기초(railway trackbed foundation)에서의 침하는 궤도의 틀림을 발생시키는 1차적 원인으로 지목되고 있다. 이러한 궤도하부 흙노반에서 발생하는 침하는 다양한 영향요소에 의해 복합적으로 발생하기 때문에 여러 가지 원인이 있을 수 있겠으나, 슬래브, 침목의 균열, 궤도의 틀림 및 노반침하 등 철도 궤도에서 발생하는 기초 하부 침하현상과 종속적으로 발생하는 궤도구조의 문제는 열차의 반복적인 재하에 의한 흙노반의 점진적인 침하 즉, 영구변형(permanent deformation)을 주요 원인으로 생각해 볼 수 있다.
흙노반의 영구변형은 열차하중의 반복재하회수(N), 열차하중의 크기(P) 및 궤도하부구조 내 구성 재료의 변형계수(E)와 발생하는 응력의 크기(구속압 σ3, 축차응력σd) 등 노반 재료 자체의 강성변화와 매우 밀접한 관계가 있다. 궤도 하부 구조층을 구성하고 있는 흙노반 재료는 반복적인 동적 하중을 받기 때문에 함수비, 하중 주파수의 변화 등 응력조건의 변화 및 환경조건의 변화에 따라서 흙노반 탄성계수의 증가 및 감소를 반복적으로 경험하게 된다. 따라서 철도궤도 흙노반 재료가 반복적인 열차의 차량하중 재하에 의해 받게 되는 변형특성의 정밀한 모델링이 필요하며, 영구변형 모델에 기초한 응력크기 및 변형률 수준에 따른 궤도 하부 흙 노반의 정확한 거동해석이 이루어져야 한다.
흙노반 재료와 같은 궤도 하부구조를 구성하는 비부착성 흙재료(UGM; Unbonded Granular Material)는 공용초기 즉, 반복재하 초기 일정기간 영구변형이 집중해 발생한 연후에는 회복탄성거동에 의해 주로 지배되지만, 반복재하회수가 꾸준히 증가하여 특정 반복재하회수와 응력조합(축차응력 및 구속압)이 교합하게 되면 급격히 소성변형이 증가하는 특성을 갖는 것으로 알려져 있어 궤도틀림 및 노반 침하를 촉진할 수 있는 개연성이 상당히 높다. 궤도틀림의 원인이 될 수 있는 영구변형의 발생가능성을 정밀하게 예측하기 위해서는 궤도하부구조를 이루는 흙노반 층에서 반복재하회수(N) 및 응력조건에 따른 영구변형의 발생(εp) 특성을 분석하고 이러한 영향요소를 효과적으로 고려한 영구변형 모델의 개발이 필요하다. 이러한 영구변형 예측 모델을 수립하기 위하여 회복변형 특성 및 영구변형을 파악할 수 있는 시험조건, 시험 방법의 수립 및 이를 적용 가능한 시험시스템의 구성이 요구된다.
본 논문에서는 흙노반 재료의 영구변형시험을 위한 시험방법과 시스템 및 이를 실행, 구동하고 해석하기 위한 유한요소해석법 기반 궤도노반해석 프로그램을 활용하여 영구변형의 특성을 파악하기 위한 소요의 시험 및 유한요소해석을 실시하였다. 이를 위해 국내 철도 노반 신설구간 시공현장(고속 및 일반철도)에서 채취한 흙노반 재료(SW, SP, SP-SM 흙재료)를 이용하여 반복삼축압축시험 및 영구변형시험 등을 실시하였으며, 이를 통해 흙노반 재료의 회복탄성계수 및 영구변형 특성을 분석하였다. 분석결과를 토대로 궤도 흙노반에 적합한 최적화된 영구변형 예측모델을 개발하는데 그 목적을 두고, 영구변형 주요 영향요소로서 전단강도와 이를 반영한 전단응력비(τ/τf)를 주요 영향요소로 설정하였으며 이로부터 산출되는 축차응력(σd) 및 구속압(σ3)을 각각 단계별로 적용하여 반복삼축압축시험을 수행하였다. 시험결과를 바탕으로 축차응력과 구속압에 대한 회복탄성계수(Resilient Modulus)와 영구변형(Permanent Deformation)의 발생특성을 파악하고, 결과 값을 이용하여 국내 철도궤도 노반 흙재료에 적합한 영구변형 예측 모델 및 모델 파라미터를 정의하고 영구변형 모형을 개발, 제시하였다. 본 논문에서 개발한 예측모델은 매우 높은 신뢰 수준을 보여주었으며, 이를 통해 흙노반 입상재료는 응력수준(전단응력비) 및 구속압의 영향을 가장 크게 받게 되는 것을 증명하였다. 또한 철도궤도 상부노반 두께의 적정성을 검토하기 위하여 상부노반 두께 및 상부노반재료의 탄성계수(변형계수) 등 매개변수 변화에 따른 콘크리트 궤도 및 자갈도상 궤도의 거동특성 변화를 연직침하량(소성잔류침하량) 중심으로 유한요소해석 프로그램에 의해 분석하였다. 유한요소해석에 사용된 횡단면은 호남고속철도 표준도를 이용하였으며 궤도형태, 흙노반 탄성계수 및 노반 두께를 달리하여 다양한 구조해석을 실시하였다. 이와 같은 구조해석에 의해 노반 상부에 발생하는 연직침하량(, mm)과 흙노반 내 임의 위치에서의 전단응력비()를 상부노반 상면(Upper subgrade top) 및 하면(Upper subgrade bottom)에서 각각 계산하여 이를 기반으로 상부노반 두께의 유효성을 분석하였다. 구조해석결과를 통계분석하여 소요 상부노반 두께를 결정할 수 있는 유효두께 설계로직을 제시하였다.

Recent settlement in railway trackbed has become a serious problem. railway trackbed can experience settlement due to various geotechnical causes such as repeated loading of train load, consolidation settlement of soft ground, and subsidence of compromised bad soil embankment. This can also lead to track irregularities. There are many possible reasons slab, crack in sleepers, irregularities trackbed and subgrade settlement for the settlement occurring in the railway trackbed soil subgrade due to the complex influences. The problem of the underlying subsets settlement occurring in the railway trackbed and the dependent orbital structure can be considered as the main cause of the gradual settlement of the soil subgrade by the repeated loading of trains, permanent deformation. The soil subgrade materials constituting the railway underground structure layer are subject to repeated loading of the train, the soil subgrade elastic modulus in increased and decreased repeatedly depending on the change of the stress condition and the environmental condition such as moisture water content. Therefore, precise modelling of the deformation characteristics of railway trackbed soil subgrade materials is required by repeated loading of train, and accurate behavior of railway trackbed soil subgrade should be analyzed according to stress level and strain level based on permanent deformation model.
In this paper, a test method and system for permanent deformation testing of soil subgrade materials, and a finite element analysis based on railway trackbed subgrade analysis program for running, element analysis. For this purpose, repeated triaxial compression test and permanent deformation tests were conducted using soil subgrade materials (SW, SP, SP-SM soil materials) collected from the railway trackbed subgrade in the high speed and general speed fields. The resilient modulus and permanent deformation characteristics of soil subgrade materials were analyzed. The purpose of this study is to develop an optimized permanent deformation predicted model suitable for orbital soil subgrade based on the analytical results. The shear strength and the shear strength ratio (τ/τf) and deviator stress(σd), confining stress(σ3) which were calculated from the experimental results, were repeatedly applied. Based on the test results, the characteristics of resilient modulus and permanent deformation for deviator stress and confining stress were determined, and permanent deformation predicted model and model parameters suitable for railway trackbed soil subgrade materials were defined using results and permanent deformation model Developed and presented.
In order to examine the appropriateness of the railway trackbed upper subgrade thickness, the change of the behavior of the concrete railway and ballast railway trackbed according to the parameters such as the upper modulus and the upper modulus of the upper subgrade soil materials, finite element analysis program. The finite element analysis results were statistically analyzed to provide the effective thickness design logic to determine the required upper subgrade thickness.