기존 고속철도 자갈궤도구간에서는 궤도 비틀림 현상이 발생하여 안전 위협, 승차감 저하, 유지 및 보수 비용증가, 유지 및 보수 작업으로 인한 열차운행 지연 등의 문제점이 발생하고 있는 실정이다. 궤도구조 개량공사는 열차차단 시간 내에 공사를 완료하고 공사 후 궤도에 대한 구조적인 안전성도 확보해야 한다. 이를 해결하기 위하여 열차차단 시간 내에 궤도 구조를 개량 할 수 있는 급속경화궤도 기술개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 급속 경화궤도는 일반 자갈도상궤도를 콘크리트 슬래브화 시키는 공법이며 기존의 콘크리트궤도와 상이하게 철근이 사용되지 않고 자갈과 초속경 모르타르로 구성되어있다. 국내 고속철도에서 콘크리트경화궤도의 시공이음부에서 구조적 문제가 다수 발생하고 있다. 본 연구는 급속경화궤도 시공 시 발생하는 시공이음매에 대한 보강방안으로 자갈맞물림(Aggregate interlock), Dowel bar, Dowel plate, 지오그리드로 매개 변수화하여 급속경화궤도 시공이음부 보강구조의 성능 검증 실험을 수행한다. 이를 통해 급속경화궤도 슬래브 간에 하중전달효율을 분석하고 급속경화궤도 시공에 적합한 방안을 도출하고자 한다.

기존 자갈궤도는 궤도의 노후화 및 열차의 고속화로 인하여 과도한 궤도의 비틀림 및 처짐이 발생하고 있으며, 이에 대한 유지보수비가 급증하고 있다. 자갈궤도를 개량하기 위해 개발된 급속경화궤도는 자갈도상궤도에 급속경화 모르터를 충진하여 콘크리트 슬래브궤도화 하는 공법으로 궤도의 강도증진 및 유지보수비 절감에 효과가 있다. 현재 급속경화궤도는 일반선에서 부분 시공되어 운영되고 있으며, 급속경화궤도를 고속선에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내 고속선 열차구간은 전체의 약 40%이상이 교량구간으로 구성되어 있다. 따라서 고속선 구간에서 급속경화궤도를 적용하기 위해서는 궤도-교량의 상호작용을 고려한 급속경화궤도의 적용성 검토가 필수적이다. 교량구간에서 시공되는 콘크리트 슬래브 궤도에 대한 연구는 다양하게 이루어져 왔으나, 급속경화궤도의 구조적 특이성 및 시공성을 고려한 연구는 전무한 실정이다. 본 연구에서는 교량 상에서 시공되는 급속경화궤도 슬래브의 구속량 및 마찰특성, 슬래브의 길이를 매개변수로 설정하고, 궤도-교량 상호작용에 대한 유한요소해석을 실시하여 급속경화궤도 슬래브의 특성 및 시공성을 고려한 교량상 급속경화궤도의 적용성을 분석하였다.

장대레일은 궤도와 교량의 상호작용에 의해 부가축력 및 변위가 발생되고 이는 장대레일의 좌굴 및 파단 등의 안정성 문제를 발생시킬 수 있다. UIC Code 774-3R 및 철도설계지침 등의 국내외 설계기준에서는 레일의 부가축력에 대한 해석절차와 검토규정 제시하고 있다. 기존의 하중분리해석은 하중 재하 단계에 따른 궤도 종방향 저항력의 변화를 고려하지 못하며 또한 비선형 거동을 보이는 궤도에 중첩의 원리를 허용함에 따라 과다한 레일 응력이 산출되어 비경제적 설계를 하게 된다. 따라서 본 논문에서는 슬래브 궤도에 탄성 방진장치가 설치된 플로팅 슬래브 궤도 에 대하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 Model Change기법을 이용한 하중 단계별 종방향 저항력 변화 및 궤도의 비선형성을 고려하는 완전한 해석방법을 수행하였다. 해석결과로부터 해석법에 따른 플로팅 슬래브 궤도의 거동 변화를 비교하고 UIC Code 774-3R에서 제시한 레일의 최대 부가 허용응력과의 비교를 통한 플로팅 슬래브의 최대 길이를 산정하였다.

자갈궤도의 강도증진 및 유지보수비 절감을 위한 급속경화궤도는 자갈궤도에 모르타르를 충진하여 시공되며 양생되는 과정에서 온도변화에 의한 인장응력이 발생한다. 콘크리트층의 인장응력은 주변 온도변화에 의해 주기적으로 발생하게 되며, 온도응력이 작용한 상태에서 교통하중에 의한 인장응력이 짧은 시간동안 추가적으로 발생하게 된다. 따라서 콘크리트의 허용휨인장응력은 콘크리트의 피로강도로 산정해야한다. 현재 콘크리트포장 및 매스콘크리트에 발생하는 온도응력에 관한 연구는 다양하게 이루어져 왔으나, 급속경화궤도 시공과정 및 특이성을 고려한 온도응력 연구는 전무한 실정이다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 급속경화궤도 충진층-지면 사이의 마찰력과 콘크리트에 발생하는 온도응력간의 경향을 파악하고, 급속경화궤도 충진층의 허용휨인장응력을 산정하는 모델을 제시한다.