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1. 서 론

최근 국내철도는 열차 운행속도가 300 km대로 대폭 향상되었고, 선로연장은 지속적으로 증가되고 있는 추세이다. 또한, 현대사회의 발전과 대량수송의 특성상, 안전과 친환경기준 강화로, 기존의 노후 철도시설물 개량도 적극적으로 요구되고 있다. 현재 일반철도 교량은 2018년 현재 전체 3,069개소로, 30년 이상 된 철도교량은 1,317개소, 50년 이상 된 교량도 784개로 집계되었다. 주로 철도교 급속교체 대상교량인 무도상 판형교는 대부분 50년 이상 된 교량으로 급속교체 교량의 47%를 차지하고 있어, 해당 교량 유지관리 중요도가 상당히 높은 상황이다. 운행중인 무도상 판형교는 일제강점기에 건설되어 구조와 형식, 규격이 다양하고 체계적이지 않아 교량 및 궤도 상태가 레일을 장대화하기 어려운 조건에 있다. 일반적으로 노후 철도교의 교체사업은 자갈도상을 부설할 수 있는 상판구조형식 교량으로 교체하여 유도상 구조로 갖출 수 있도록 개량공사를 시행한다. 그리고, 목침목은 강도가 향상된 PC침목으로 교체하고 장대레일을 부설하여 소음진동을 대폭 감소시키면서 궤도성능 향상을 목표로 한다. 일반적으로 유도상 궤도를 갖는 교량은 상부하중이 상당히 과중해지며, 특히 장대레일 특성상 온도변화에 따른 응력 증가가 발생하며 이러한 부가응력은 교량 하부구조인 교대, 교각 기초로 전이된다. 기존의 국내 무도상 교량은 앞서 기술하였듯이 구조와 형식, 규격이 다양하고 하부구조에 대한 정확한 정보(지반조건, 상세구조계산서, 기초형식 등을 포함한 준공도면 등)가 없는 경우가 대부분인 무상기초(unknown foundation) 형태가 대부분이어서, 장대레일 부설로 인한 추가적인 하중으로 인한 교량 하부구조의 안정성을 정확히 평가하기가 어려운 현실이다. 따라서, 기존의 국내 무도상 교량의 장대화를 통해 궤도성능 향상을 통한 유지보수 절감을 위해 교량 상부구조물 뿐만 아니라, 하부구조에 대한 구조적 안전성 평가가 선결되어야 할 필요가 있다.

이러한 무상기초들의 지지력 및 제원을 파악하고 이를 바탕으로 유지보수에 적용한 사례들이 있다. 플로디다 주 교통국(Florida Department of Transportation, 2010)에서는 기존 도로 교량의 하부 무상기초 상태평가 기법 개발을 위해 다양한 비파괴 시험법 적용 및 인공지능 기법 등을 활용하여 무상기초 판별 및 유지보수 계획 절차를 수립하였다. Boeckmann et al. (2018)은 기존 교량 무상기초 재활용을 위한 상태평가를 위해 비파괴 시험 및 진동콘관입시험을 조합하여 기초 깊이 및 지지력 평가를 수행하였다. Lee et al. (2010)은 3성분 지오폰을 이용하여 구조물 기초의 근입 깊이를 산정하는 연구를 수행하였다. 운행 중인 무도상 철도교량의 상태평가를 위해서는 기초 형태, 길이, 지지력 평가가 필요하며, 본 연구에서는 운행중인 무도상 철도교량 현장에 장비 반입 및 시험수행이 용이한 중형공압콘관입시험 및 물리탐사 기법을 활용하여 무상기초의 지지력 및 근입 깊이를 동시에 산정할 수 있는 기법을 제안하고 현장실험을 통해 검토하고자 한다.

2. 무상기초 지지력 평가기법

2.2 중형공압콘관입시험을 활용한 지지력 평가

표준관입시험(KS F 2307)은 매우 다양한 영향 요소(Hammer 낙하방법에 따른 에너지 효율, 유효상재하중의 크기, 지하수위, 시험자의 숙련도 등)에 대하여 영향을 받기 때문에 표준관입시험 결과인 N값을 사용하는데 한계가 있으나, 시험장비 및 방법이 비교적 간단하고 현장시험과 동시에 시료를 채취할 수 있다. 또한, 기존의 연구들을 통해서 많은 지반정수간의 상관관계가 유효하여 활용도가 높은 지반조사방법이다.

표준관입시험은 지반의 지지력 산정과 동시에 시료를 채취할 수 있으나, 대상 철도 교량의 현장조건에 따라 장비 운용에 대한 비용 및 적용성에 제한을 받을 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 중형공압콘관입시험을 활용하여 지지력 평가를 수행하고자 하였다(EN ISO 22476-2, 2002).

Fig. 1

Mid-size Pneumatic Cone Penetration Test Used for Filed Testing

중형공압콘관입시험은 낙하고 50 cm에서 30 kg의 Hammer가 공압을 이용하여 자유낙하함에 따라 롯드를 10 cm 관입하는데 필요한 항타횟수를 측정하는 시험으로 표준관입시험에 비해 타격에너지가 적으나 일정한 공압으로 타격을 수행하여 측정치의 신뢰도를 향상할 수 있다(Cho et al., 2018). 표준관입시험과 중형공압콘관입시험 측정치간의 상관관계를 도출하기 위해 울산 OO 현장에서 현장실험을 수행하였다. 대상 지반에 대한 시추조사 결과를 정리하면 Table 1과 같다. 지하수위는 1.5~1.8 m에 위치하는 것으로 확인되었다.

Table 1

Summary of Field Boring Test

중형공압콘관입시험은 일반적인 얕은기초 근입 깊이 심도를 고려하여 심도 5 m까지 수행하였고, Fig. 2는 표준관입시험 측정치와의 관계를 보여주고 있다. 중형공압콘관입시험의 관입에너지에 대한 보정은 헤머의 타격에너지 및 관입깊이를 고려한 Eq. (1)을 적용하였다(Cho and Cho, 2016).

Fig. 2

Relationship Between SPT and Mid-size Pneumatic Cone Penetration Test

(1)Q=M×HA×δ(kg/cm2)

여기서, M: 질량, H: 낙하고, A: 단면적, δ: 관입깊이이다. Table 2는 타격 에너지를 보정하기 위해 필요한 물성값이다.

Table 2

Properties for Impact Energy Correction

상기 계산 결과를 토대로 중형공압콘관입시험과 표준관입시험 측정치간의 상관관계는 다음과 같다.

(2)NSPT=157.87NPC=1.9NPC

Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 깊이별 표준관입시험 N치와의 경향은 유사한 것으로 판단된다. 특히, 표준관입시험 경우 시험 특성상 지표면 근처 1.5 m 이내에서의 N값은 장비제원 및 현장여건에 따른 유효 낙하고 확보가 어려운 경우도 있어 계측치에 신뢰도가 떨어질 수 있다. 반면에 중형공압콘관입시험은 상대적으로 현장여건에 구속받지 않고 실험을 수행할 수 있고 연속적인 항타수를 산출할 수 있는 장점이 있다. 특히 얕은기초의 근입 깊이는 3 m 이내 위치한 경우가 많으므로, 무상기초의 지지력 산정을 위해서는 해당 깊이내의 신뢰성 있는 지반정수를 확보하는 것이 중요하다.

3. 무상기초 근입 깊이 평가기법

본 연구에서는 중형공압콘관입시험 및 표준관입시험기를 가진원으로 활용하여 지오폰 수신기까지 전달되는 지반 탄성파를 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통한 주파수 영역대에서의 분석을 통해 무상기초의 근입 깊이를 평가하고자 하였다.

현장시험 위치는 2.2절에서 기술한 동일한 현장에서 수행하였다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 중앙에 위치한 가진원으로부터 중형공압콘관입 및 표준관입시험기를 활용하여 입력파를 발생시키고 서로 다른 방향으로 4 m 이격되어 위치하고 있는 수신공(12시 방향에 위치하는 시추공 NX-1, 8시 방향에 위치하는 시추공 NX-2, 5시 방향에 위치하는 시추공 NX-3)내에 시추공 깊이에 따라 3성분 지오폰을 설치한 후 지반 전단파를 수신하였다. 이때, 무상기초를 모사하기 위해 가진원과 NX-1, NX-2 수신공 사이에 직경 약 200 mm의 강관 케이싱과 PVC 파이프를 심도 6 m까지 설치하였으며, NX-3 사이에는 원지반 상태로 실험을 수행하여 비교 평가하고자 하였다.

Fig. 3

Scheme of Field Testing to Evaluate the Unknown Foundation Depth

수신된 파는 Eqs. (3)과 (4)를 이용한 푸리에 변환을 통해 주파수 영역대로 변환하여 분석하였다.

여기서, j=√-1 (허수단위)

f(x):원본 입력 신호

e^j2πux: 주파수 u인 주기함수 성분

F(u):해당 주기함수 성분의 계수

Fig. 4는 측정된 입력파의 형상을 보여주고 있다.

Fig. 4

Example of Measured Wave from Field Test

본 연구에서는 매트랩 코드를 작성하여 지하수위에 따른 전파특성을 배제하기 위해 전단파 구간을 선택하여 푸리에 변환을 통한 신호분석을 수행하였다. 현장시험 분석 결과 수신된 전단파 신호는 지반 감쇠효과에 의해 서서히 감소하여 매질특성(지반)에 따라 비주기성 신호가 수신되는 것을 확인할 수 있으며, 강관 혹은 PVC 파이프가 위치한 개소에 비해 원지반 상태에서는 지반의 전단파 신호가 원활히 수신되는 것을 확인하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 PVC 파이프 조건(Section 2)과 강관 케이싱 조건(Section 1)에서의 전단파는 전체적으로 유사한 경향을 보여주고 있으나, PVC 파이프의 재료 특성 상 신호 전달에 영향을 받은 것으로 판단된다. PVC 파이프의 경우 깊이가 깊어질수록 원지반 상태의 신호와 상대적으로 큰 차이가 발생하는 경향을 보이는 반면, 강관 말뚝의 경우 유사하게 수렴되는 것을 확인하였다. 또한, 6 m 구간에서는 설치된 파이프의 선단부로 지반 전단파의 불규칙한 반사 및 회절 특성으로 인한 불규칙적인 파형을 보임으로써, 무상기초의 근입 깊이를 파악할 수 있는 근거를 보여주고 있다.

Fig. 5

Evaluation of Unknown Foundation Depth

푸리에 변환 결과를 활용하여 원지반 상태에서 수신된 신호 대비 말뚝의 간섭효과에 따른 지반의 전단파 신호의 증감비를 산정하여 비교한 결과를 Tables 3, 4와 같이 정리하였다. 이때, 증감비는 최대값 및 평균값으로 각각 산정하였다.

Table 3

Comparison of Shear Wave Attenuation Ratio Based on Average Values

Table 4

Comparison of Shear Wave Attenuation Ratio Based on Peak Values

표준관입시험 및 중형공압콘관입시험을 가진원으로 한 현장실험 분석 결과, 원지반 상태에 비해 무상기초를 모사한 강관 케이싱 조건(Section 1)에서 깊이별 지반 전단파 크기의 감소가 확인되었다.

전단파 신호의 최댓값에 대한 증감비를 기준으로 표준관입시험을 가진원으로 한 경우, 강관 케이싱의 근입 깊이 6.0 m에서 원지반과 거의 유사한 전단파 크기를 보여줌으로써 무상기초의 근입 깊이를 추정할 수 있는 근거가 된다고 볼 수 있다. 반면, 중형공압콘관입시험을 가진원으로 한 경우, 강관 케이싱의 깊이 증가에 따른 지반 전단파 크기가 원지반과 유사한 수준으로 증가하였으나, 심도 4 m 정도에서 부터 원지반과 유사한 전단파 크기를 보여 주었다. 이는 중형공압콘관입시험이 표준관입시험에 비해 동일한 관입깊이 고려 시 상대적으로 작은 항타에너지(5 kg/cm²)를 갖기 때문인 것으로 판단된다.

본 현장실험을 통해 일반적인 교량기초 재료가 강관 또는 콘크리트 말뚝기초임을 고려할 때, 실제 무도상 판형교 현장에서도 무상기초의 근입 깊이 파악을 통한 교량 기초 상태평가 방법으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.

4. 결론 및 제언

본 논문은 운용중인 무도상 철도교량 무상기초의 지지력 및 근입 깊이를 산정하고자 현장실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 무도상 철도교량 무상기초의 지지력 평가를 위해서 중형공압콘관입시험과 표준관입시험간의 상관관계를 도출하였다. 중형공압콘관입시험의 항타에너지를 보정하여 표준관입시험 측정치와 비교한 결과 유사한 경향을 보였다. 특히, 중형공압콘관입시험의 경우 지표면 근처 얇은 깊이(1.5 m 이내)에서의 지지력 평가를 보다 용이하게 할 수 있으므로 무상기초가 확대기초 형태의 얕은 기초인 경우 지지력 산정에 유효할 것으로 판단된다.

(2) 무상기초의 근입 깊이를 평가하기 위해서 표준관입시험 및 중형공압콘관입시험을 가진원으로 한 탄성파 현장시험을 수행한 결과, 원지반 대비 무상기초를 모사한 장애물(근입 깊이 6 m로 설치된 PVC 및 강관 파이프)이 있는 경우, 푸리에 변환된 신호 크기가 저감되는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 저감 현상은 깊이가 증가할수록 감소되는 것을 확인하였으며, 장애물 근입 깊이의 선단부에서 원지반 신호에 근접한 형태를 보임으로써 무상기초 근입 깊이를 추정하는데 유효할 것으로 확인되었다.

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