1. 서 론
최근 남북철도 연결 및 현대화를 위한 북쪽의 경의선 및 동해선 구간에 대한 공동조사가 시행되었으며 향후 이를 발판으로 유라시아 철도 연계 실현에 대한 관심이 증대하고 있다.
북한은 여객수송의 약 60%, 화물수송의 약 90%를 철도가 분담하는 교통체계를 가지고 있으며, 총 연장도 5,235 km로 남한보다 길며 전철화 또한 80% 이상 완료된 것으로 보고되었다(KGFP, 2020). 하지만, 지난 2018년 11월에 진행된 북한철도 공동조사 결과, 동해선 구간은 상당히 노후화가 진행되어 운행 시속 30 km 내외로 운영되며, 평양-신의주 노선 역시 표정속도가 시속 60 km 정도로 운행시간이 필요 이상으로 긴 것으로 확인되었다. 향후 이러한 북한철도 구간에 대한 개량 또는 신규노선의 설계 및 시공을 수행하기 위해서는 북한지역 지반 및 기후조건 고려가 필요하며, 본 연구에서는 북한 한랭지역에 적합한 철도교량 하부기초 설계를 위해서 국내 설계기준의 적용성 검토를 하고자 하였다. 철도교량 하부구조는 교대, 교각, 기초로 구성되어 있으며, 특히 교량 기초의 주변 지반조건은 기초 지지력에 큰 영향을 미치게 된다. 한랭지역 지반은 낮은 지중온도에 따른 동결심도가 증가하여 이를 고려한 설계를 수행하여야 한다.
한랭지역에서의 교량기초 구조물은 동결융해에 취약한 활동층에서 말뚝 주면과 주변 동결토 사이에 발생하는 동착력이 발생하게 되며, 이는 주로 말뚝주면을 따라 상향력을 유발 한다(Hong et al., 1994). 이러한 동착력은 흙의 종류, 말뚝 재질 등에 의해 영향을 받게 된다. 일반적으로, 콘크리트 또는 목재 말뚝에 비해 강관말뚝의 평균 동착력이 크며, 함수량이 높은 실트질 지반이 동상에 가장 취약한 것으로 확인 되었다(Davison et al., 1981). 미국 알래스카 지역 철도교량에서는 기초 주변 지반이 실트질 성분을 다량을 포함하고 있는 지역에서 동결융해로 인한 기초 침하등의 문제가 지속적으로 발생하였으며, 러시아 지역에서도 말뚝 주위의 동상 활동층에 의한 구조물 피해 사례를 보고하였다(Tsytovich, 1960; Pewe and Paige, 1963). Hwang et al. (2013)은 동결지역 지반구조물 피해저감을 위해 설계시공지침 개정 필요성을 제안하기 위한 연구를 수행하였으며, 건축물 기초의 동결피해 유형을 동상, 동착동상, 접촉 동상, 측면 동상으로 구분하였다. 특히, 국외 사례 검토를 통해 지반단열을 이용한 동상방지 기법을 소개하였으며, 국내 설계 및 시공에 적용하기 위해서는 동결심도 별 단열재 폭 및 두께 산정 필요성을 제안하였다.
본 연구에서는 북한 한랭지역을 고려한 철도교량 기초 거동분석을 현재 국내 설계기준을 바탕으로 수행하였으며, 이를 통해 설계 시 한랭지역 조건에 부합하는 추가적인 고려사항들을 검토하고자 하였다. 또한, 동결피해 저감을 위해 사용되는 단열재 적용성을 검토하여 동결지수 별 적용 가능한 단열재 규격을 제시하고자 하였다.
2. 본 론
2.1 동결지수와 관련된 국내외 철도교량 기초 설계 기준
국내 철도교량 기초 설계는 KR C-11010 (2014)에서 규정하고 있으며, 기초의 깊이는 지반의 동결 깊이보다 깊게 확보함으로써 동결융해에 따른 지지력 저하를 최소화할 것을 명시하고 있다. 특히, 지반조건 변화 가능성을 고려하여 최소 1.0 m 이상의 깊이를 가져야 함이 언급되어 있다. 또한, 도로교 설계기준에 의하면(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016) 흐르는 물에 영향을 받지 않는 기초인 경우 동결선 아래 설치하거나, 치환공법 적용 등 대책공법을 적용한 후에 설치할 것을 제시하고 있다. 미국, 일본, 캐나다 등 국외 기준들에서도 국내기준과 유사하게 기초의 심도를 동결심도 아래 또는 최소 심도 1.0 m~1.2 m를 확보할 것을 제시하고 있으며(Armstong and Csathy, 1963; Railway Technical Research Institute, 2007; Alaska DOT, 2017), 특히, 일본 및 캐나다 기초 설계 기준에서는 치환공법 및 단열재 적용을 동상방지 피해 저감을 위해 제시하고 있다. 국내외 기준을 검토한 결과 현재 설계기준이 유효할 것으로 판단되나, 북한의 일부 한랭지역인 경우 동절기 기온이 영하 25 °C~40 °C로 관측되어 남한과 차이를 보이며, Fig. 1에서 볼 수 있듯이, 동결지수 분포 역시 1,000 °C⋅일 이상 되는 지역이 북한 지역의 23% 정도 되는 것으로 파악되었다.
최근 Choi et al. (2020)은 국내 장대레일 설계기준의 북한지역 적용성에 대한 평가 연구를 수행하였으며, 함경남도, 양강도 및 자강도 지역의 기후 조건에서는 국내 설계기준 레일 최저온도를 초과할 확률이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 따라서, 국내 철도교량 기초 설계 조건이 북한 한랭지역 기후 조건에서 부합한지 확인할 필요가 있는 것으로 판단된다.
2.2 북한지역 지중온도 산정
본 연구에서는 COMSOL Multiphysics 프로그램을 이용하여 철도교량 하부기초의 거동 분석을 수행하였다(COMSOL Inc., 2017). 해당 프로그램은 재료의 열전달 거동 및 하중에 대한 물리적인 거동의 복합해석이 가능하다. 이를 위해서는 경계조건으로 초기 지중온도 산정이 필요하다. 기상청에서는 국내 지역에 따라 지면에서부터 최대 5.0 m 깊이까지의 월별 지중온도를 제공하고 있다. 하지만, 모든 지역에서 상기 데이터가 유효하지 않은 제한점이 있다. 본 연구에서는 남한지역 33개소에서 2017~2019년 1월 지중온도 데이터를 활용하여 분석한 결과, 지표면부터 심도 1.0 m까지의 저심도 데이터는 모두 유효한 것으로 확인하였고, 1.0 m~3.0 m 사이의 지중온도 데이터 유효율은 약 20% 정도로 파악되었다. Fig. 2는 국내 지역별 동결지수와 1월에 1.0 m 심도까지 계측된 평균지중온도 계측데이터 간의 상관관계를 보여주고 있다. 동결지수가 증가할수록 등가 깊이에서의 지중온도가 감소하고, 깊이가 증가할수록 지중온도 역시 증가하는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 북한지역의 동결지수별 지표면으로부터 심도 1.0 m까지 지중온도를 남한지역의 지중온도 계측 데이터를 활용한 상관관계를 적용하여 산정하였으며 Table 1에 정리하였다. Table 1에서 G.T는 지중온도(°C) 및 F는 동결지수(°C⋅일)을 의미한다. Cho and Ihm (2018)은 기상청이 제공한 우리나라 9개 지역의 월평균 대기온도 및 월평균 지면 온도를 활용하여 국내 지중온도 추정식을 Eq. (1)과 같이 제안하였으며, 본 연구에서는 지중깊이 1.0 m 이상의 지중온도를 산정하기 위해서 상기식을 적용하였다.
Table 1
Correlations between Freezing Index and Ground Temperature at Different Depths
여기서, a는 온도계수, kv는 초목계수로 1.1을 적용하며, As는 연평균 지면온도 진폭(°C), z는 깊이, α는 연평균 토양 열확산계수(m2/s), t는 1월 1일 기준으로 하는 일수(day), t0는 지면과의 위상차(day)를 의미한다. 본 연구에서는 북한지역 대기온도 데이터를 활용하여 각 변수들을 산정하였으며 지중깊이 1.5 m, 3.0 m, 5.0 m에서의 지중온도를 Fig. 3과 같이 산정하였으며 해당과정은 Kim (2020)에 상세히 기술되어 있다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 남한지역 지중온도 분포(Fig. 2)와 비교했을 때 동결지수가 높은 삼지연(2,019.5 °C⋅일)이나 장진(1,362.0 °C⋅일) 지역에서는 지중깊이 1.5 m까지도 영하에 가까운 지중온도를 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 현재 국내 얕은기초 설계기준에서 제시하고 있는 최소 근입 깊이 1.0 m를 고려하였을 때, 얕은 심도에서의 지중온도 변화에 따른 지지력 변화를 고려한 설계가 수행될 필요가 있을 것으로 판단된다.
2.3 철도교량기초 거동분석
한국지질자원연구원에서 제시하는 한반도 내 지질구조 분포도에 의하면 북한은 지질학적 측면에서 남한과 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다(KIGAM, 1995). 다만, 지역별로 대표되는 지질조건을 보면 함경북도는 화강암, 평안남도는 퇴적암, 그리고, 나머지 지역은 주로 편마암으로 구성된 지질조건을 보여주는 것을 확인하였으며, 이를 수치해석 시에 반영하였다. Fig. 4는 철도교량 해석 단면 및 Table 2는 해석 시 사용된 물성치를 보여준다. 해당 물성치는 프로그램 내 유효한 데이터베이스 및 기존 연구들을 참고하였다(Seo et al., 2016; COMSOL Inc., 2017). 열차하중은 KR C-08020 (2017)을 참고하여 교량 상단 전체에 KRL-2012 여객전용 표준열차하중 60 kN/m의 열차 하중이 등분포로 작용하도록 설정하였다.
Table 2
Properties of Materials (Seo et al., 2016; COMSOL Inc., 2017)
2.3.1 얕은기초 거동분석
최신 기상자료(1989.10.01.~2019.04.31.)를 반영하여 북한지역별 동결심도를 산정하였으며, 국내 얕은기초 설계기준에 따라 동결심도보다 깊은 수준의 철도교량 얕은기초의 최소 근입 깊이를 산정하기 위해 Eq. (2)를 이용하여 산정하였다.
여기서, z는 최대동결깊이(mm), c는 동결지수에 따른 보정상수, F는 동결지수이다. 일반적으로 설계 동결깊이는 최대동결깊이의 75% 값을 적용한다. 철도노반설계기준에서 제시한 동결지수에 따른 보정상수를 고려하여 북한지역의 얕은 기초의 설계 동결깊이를 산정한 결과, 750 mm~2,025 mm의 범위를 갖는 것으로 확인하였다. 이는 Lee and Kim (2014)이 국내 콘크리트 궤도 동결깊이 측정 계측 결과인 760 mm~1,250 mm와 북한지역 한랭지역 기후조건을 감안하면 설계 동결깊이 산정은 적정한 것으로 보인다. 본 연구에서는 동상방지를 위해 단열재 적용에 대한 수치해석을 수행하였다. 일반적으로 단열공법은 터널 콘크리이트 라이닝 표면에 단열재를 설치해 지반의 열을 겨울철에 터널 내공으로 방출되지 않도록 하는 것으로 단열재의 배면을 일정 온도로 유지하기 위해 적용된다. 한랭지역에서는 기초구조물의 동상방지를 위해 단열재 적용을 하고 있으며, 단열재 두께, 물성, 설치 방법에 따라 단열 효과가 차이가 있는 것으로 파악되었다(Hwang et al., 2013).
본 논문에서는 단열재로 XPS (Extruded Polystyrene)를 사용하였으며, 수치해석 시 사용된 재료의 물성치와 수치해석 단면은 각각 Table 3, Fig. 5와 같다. 해석 지역은 북한지역의 동결지수별로 평양(494.23 °C⋅일), 구성(693.5 °C⋅일), 혜산(1,614.3 °C⋅일), 삼지연(2,019.5 °C⋅일)을 선정하였으며, 해석 기간은 365일로 설정하였다. 본 해석에서는 동결지수별 단열재의 효과를 확인하기 위해 근입 깊이를 고려하지 않고 단열재를 기초 저면 아래 설치하였으며, 단열재 두께를 100 mm~300 mm로 변화시켜 단열재 적용 전⋅후 지중온도를 비교하였다. 비교 위치는 외기와 가장 접촉이 많은 교각 외측으로 선정하였고, 해석결과를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 여기서 지중온도는 연평균 지중온도를 나타낸다.
Table 3
Thermal Properties of Insulation Material
| Items | Heat capacity (J/(kg⋅K)) | Thermal conductivity (W/(m⋅K)) | Elastic modulus (MPa) | Coefficient of thermal expansion (1/K) |
|---|---|---|---|---|
| XPS (Extended Polystrene Sheet) | 1,450 | 0.028 | 15 | 6 × 10-5 |
단열재 두께별 해석 결과, 평양은 단열재 두께 100 mm, 구성은 200 mm, 혜산과 삼지연은 300 mm 적용 시 단열효과가 가장 크게 나타남을 확인하였다. 비록, 본 해석은 1년 주기로 단열재 적용에 따른 연평균 지중온도의 차이가 크지는 않지만, Fig. 7에서 볼 수 있듯이, 단열재 적용에 의해 최고 및 최저 온도 차이가 감소하는 경향을 보임으로써 장기적인 교량기초 거동에는 보다 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
다음은 국내 기초 설계기준에 따라 근입깊이를 고려한 후 동결심도가 가장 큰 삼지연 지역 대상으로 단열재 적용 유무에 따른 거동을 살펴보았으며 Fig. 8과 같은 결과를 도출하였다. 해당 응력 및 변위는 연평균 값으로 산정하였다. 해당지역에서의 기초 근입깊이는 2.7 m로 근입깊이 부근에서의 응력이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 단열재 적용 시 근입깊이를 기준으로 상하부에서 응력이 감소하는 것을 확인하였다. 반면, 변위량은 큰 차이가 없었으나, 기초저면 이후의 깊이에서 소폭 감소하는 것을 확인하였다.
2.4 말뚝기초 거동분석
본 해석에서는 얕은기초 해석 시와 지반 물성치는 동일하게 적용하였으며, 말뚝의 길이는 11 m로 설정하여 비교적 단단한 기반암에 근입 되도록 하였으며, 말뚝기초의 재질은 일반적으로 철도교량기초에 적용하는 PHC 및 강관말뚝으로 설정하였으며 해석단면 및 물성은 Fig. 9, Table 4와 같다.
Table 4
Properties of Materials
2.4.1 말뚝 재질별 말뚝기초 거동 분석
동상 부착력으로 인한 말뚝 재질에 따른 말뚝기초의 거동을 분석하기 위해서 PHC 및 강관 말뚝 시공조건을 가정하여 장전(100.0 °C⋅일), 개성(370.0 °C⋅일), 평양(494.2 °C⋅일), 구성(693.5 °C⋅일), 양덕(707.8 °C⋅일), 혜산(1,614.3 °C⋅일), 삼지연(1,386.0 °C⋅일), 대관령(697.0 °C⋅일) 지역 기후조건을 고려하여 해석을 수행하였다. Figs. 10~11에서 볼 수 있듯이, 말뚝 주면 깊이에 따른 연평균 응력 및 변위값을 비교한 결과, 동결지수가 증가할수록 말뚝주면의 응력 및 변위량이 증가하는 경향을 보였다. 지표면 근처에서의 응력 증가는 말뚝두부와 확대기초의 경계면에서의 값으로 상부 하중에 대한 영향이 있는 것으로 판단되며, 말뚝 하부 11.0 m에서의 응력 경향 차이는 말뚝 선단과 토사와의 경계면에서의 열전도 차이로 인해 강관파일인 경우 급격한 응력 감소가 발생하는 것으로 보인다. 이는 앞서 기술한 것과 같이 동결지수 변화에 따른 지중온도 차이로 동일한 하중조건에서도 말뚝기초의 거동에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 또한, 강관말뚝 조건에서 주면에서의 응력이 PHC 말뚝기초에 비해서 현저히 증가하는 것을 확인하였다. 본 해석 결과는 1년 주기로 수행한 것을 고려할 때 동결지수가 큰 삼지연이나 혜산지역에서의 이러한 말뚝주면 응력의 증가는 장기적인 기초 구조물 안전성에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 남한 대관령 지역의 응력 및 변위량에 비해서 해당 두 지역은 응력 및 변위가 큰 것을 볼 수 있으며, 본 논문에서는 단열재 적용에 따른 말뚝기초 거동 영향을 평가하고자 하였다.
2.4.2 단열재 적용 말뚝기초 거동 분석
상기 해석 결과를 통해 한랭 지역에서는 PHC 말뚝 시공이 적합함을 확인하였고 혜산, 삼지연과 같이 동결지수가 1,000 °C⋅일 이상인 지역들을 대상으로, 말뚝 주면을 동결심도(혜산-2.4 m, 삼지연-2.7 m)까지 단열재로 포장 시공의 적정성을 분석하였다. 말뚝기초 하중전이 특성 상 주면마찰력 역시 말뚝기초 지지력 평가에 중요한 인자로 단열재 시공에 의해 주면마찰력 감소가 발생할 수 있으므로, 최적 단열재 두께를 도출하기 위해 단열재 두께를 50 mm, 100 mm, 150 mm, 300 mm로 변화시켜가며 해석하였으며, 그 결과가 Fig. 12와 같다.
해석 결과, 단열재 두께에 관계없이 단열재 시공 깊이 이후로는 응력 및 변위의 수준이 유사하게 나타났으나, 단열재 두께가 얇을수록 응력 및 변위가 감소함을 파악하였으며, 단열재 두께가 50 mm인 경우에서 감소폭이 가장 크게 나타남을 확인하였다. 온도 측면에서도 단열재가 시공되지 않은 경우와 비교하여 단열재 두께가 50 mm인 경우에서 단열효과가 가장 우수함을 확인하였다. 이를 바탕으로 말뚝기초 시공 시 말뚝 주면 상의 동착력으로 인한 우려가 발생하는 동결지수가 1,000 °C⋅일 이상인 지역들에 대해 동결심도까지 50 mm 두께로 말뚝주면에 시공하는 것이 구조적 안정성 측면에서 동상 피해를 저감할 수 있는 시공방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.
3. 결 론
본 연구에서는 동결지수가 큰 국내 한랭지역에 대한 철도교량하부기초의 거동을 살펴보기 위해서 관련 국내외 설계기준 및 동상피해 사례 고찰을 수행하였다. 또한 국내 기후 데이터를 분석하여 동결지수와 지중온도간의 상관관계를 도출하였으며, 이를 바탕으로 국내 한랭지역의 기후 및 지반조건을 고려하여 철도교량하부기초의 거동 분석 및 동상 방지를 위한 단열재 적용성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 동결지수와 지중온도간의 상관관계를 도출한 결과, 동결지수가 높은 삼지연(2,019.5 °C⋅일)이나 장진(1,362.0 °C⋅일)지역에서는 지중깊이 1.5 m까지도 영하의 지중온도를 보이는 것으로 확인되었으며, 동결지수에 따른 보정상수를 고려하여 북한지역의 얕은 기초의 설계 동결깊이를 산정한 결과, 750~2,025 mm의 범위를 갖는 것으로 확인하였다.
(2) 북한지역의 동결지수 및 지반조건을 고려하여 철도교량 얕은기초 저면에 단열재를 적용하였을 때 거동을 검토하였으며, 동결지수가 1,000 °C⋅일 이상이 되는 지역에서는 단열재 적용 두께가 300 mm 적용시 단열효과가 큰 것으로 확인하였다. 특히, 삼지연 지역 경우 기초 저면에서의 응력이 단열재를 적용하였을 때 근입 깊이를 기준으로 상하부에서 응력이 감소하는 것을 확인하였다.
(3) 철도교량 말뚝기초에 대한 거동을 검토한 결과 동결지수가 큰 지역에서는 강관말뚝 시공 시 PHC 말뚝에 비해 동착력 증가가 큰 것을 확인하였으며, 이러한 지역에서는 PHC 말뚝시공이 적합한 것으로 판단된다. 또한, 동결지수가 증가 할수록 주면지반의 낮은 지중온도로 인해 주면에서의 응력 및 변위가 증가하는 것을 확인하였다.
(4) 말뚝기초의 동착력 저감을 위해서 동결깊이까지 단열재 적용 후 거동분석 결과, 50 mm 두께 단열재를 동결깊이까지 적용 시 온도보존 효과가 좋았으며 이로 인해 변위량의 감소를 확인하였으나, 응력은 다소 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 말뚝 두부에서의 최대응력값은 감소하는 경향을 보임으로써, 시공 시 경제성을 고려할 때 50 mm 단열재 적용이 적합한 것으로 판단된다.
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