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[국내논문] 도로포장 현장계측 온도데이터를 이용한 도로포장체의 동결깊이 연구
A Study on The Frost Penetration Depth of Pavement with Field Temperature Data 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.13 no.1 = no.47, 2011년, pp.21 - 32  

신은철 (인천대학교 토목환경공학과) ,  이재식 (인천대학교 토목환경공학과) ,  조규태 (인천대학교 공학기술연구소)

초록
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포장의 동결깊이는 30년간의 기온자료를 분석하여 만든 동결지수를 근거로 하여 동상방지층의 두께를 결정한다. 본 연구에서의 현장계측 지역은 동결지수에 따라 동결지수 550~650$^{\circ}C{\cdot}$일, 450~550$^{\circ}C{\cdot}$일, 350~450$^{\circ}C{\cdot}$일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 구간으로 단면을 구분하였다. 각 단면에 동상방지층 유 무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 설치하고 데이터를 수집하였다. 현장 모니터링 시스템을 통하여 수집된 데이터 분석을 통하여 포장된 도로의 동결깊이를 결정하는데 이용할 수 있다. 연구 결과, 동상방지층이 없을 경우 동결지수 550~650$^{\circ}C{\cdot}$일 지역에서는 대기온도에 따라 겨울철 노상층의 온도가 $0^{\circ}C$ 이하로 나타났고, 동결지수 450~550$^{\circ}C{\cdot}$일 지역에서는 지역별로 상이했으며, 동결지수 350~450$^{\circ}C{\cdot}$일 지역에서는 동상방지층이 없어도 노상층의 온도가 $0^{\circ}C$ 이하로 나타나지 않았다. 또한, 포장 단면별로 동결깊이를 비교한 결과 대기온도에 따라 동결깊이는 절토부가 가장 높았으며, 절성경계부, 저성토부 순으로 단면별 차이가 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The frost penetration depth of pavement is usually estimated from the freezing index that made temperature data analysis of 30 years and decided the thickness of anti-frost layer. The field monitoring region in study was divided into five regions by freezing index 550~650$^{\circ}C{\cdot}$

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 그림 2는 현장 계측시스템 구축의 종단면도, 횡단면도 그리고 평면도를 나타낸 것이다. 그림 2(a), 2(b)와 같이 아스팔트 콘크리트 층인 표층과 기층에서 온도센서를 매설하고, 포장 하부층인 보조기층, 동상방지층 및 노상은 온도센서와 함수센서를 계측센서 간 상호 간섭을 피하기 위하여 지그재그로 배치하였고, 깊이는 각 층별 중간에 매설하였다. 그림 2(c)는 매설위치의 평면도를 나타낸 것으로 그림에서 나타낸 바와 같이 자동으로 계측할 수 있는 센서는 1차선과 2차선 사이에 매설을 하였고, 수동으로 함수비를 측정할 수 있는 TDR-tube는 중앙분리대 부분과 길어깨 부분에 설치하였다.
  • 구축지역은 동결지수별로 350℃~450℃·일에 양구, 정선, 원주 3개 지역, 450℃~550℃·일에 용인, 남양주, 가평 3개 지역, 550℃~650℃·일에 수안보, 진천, 천안 3개 지역으로 총 9개 지역을 선정하였고, 각 현장별로 절토부, 절성경계부, 저성토부를 구분하여 절토부9개 단면, 절성경계부 9개 단면 및 저성토부 7개 단면으로 총 25개 단면에 현장 계측시스템을 구축하였다.
  • 무선통신장치는 계측된 데이터를 전송하며, 전송된 계측 데이터는 컴퓨터에 저장된다. 그리고 전원장치는 태양열 전지판과 축전지를 이용하여 독립 전원 시스템 형태로 운영될 수 있도록 구성되어 있어서 자동으로 자료를 수집 및 전송할 수 있는 체계적인 현장 계측시스템을 구축하였다.
  • 동결지수선도 350~450℃·일에 속하는 수안보, 진천, 천안 현장에도 동결지수선도 550~650℃·일 지역과 같은 방법으로 노상층의 온도가 최저온도를 나타내는 시점의 일평균 온도분포를 이용하여 동결깊이를 추정하였다.
  • 동결지수선도 450~550℃·일에 속하는 용인, 남양주, 가평 현장에도 동결지수선도 550~650℃·일 지역과 같은 방법으로 노상층의 온도가 최저온도를 나타내는 시점의 일평균 온도분포를 이용하여 동결깊이를 추정하였다.
  • 동상에 의한 피해를 방지하고자 도로포장에 설치되고 있는 동상방지층의 효용성을 평가하기 위하여 계측기가 매설된 현장의 동결깊이와 현장에서 계측되고 있는 대기온도에 따른 포장내부온도를 이용하여 동결지수별(650~550℃·일, 550~450℃·일, 450~350℃·일)로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 각 구간에 대한 동결깊이를 추정하여 동결지수를 근간으로 계산한 현장의 동결깊이와 실제 포장 내부의 동결깊이를 비교 분석하였다.
  • 따라서, 본 논문에서는 대기온도의 기준이 아닌 노상토의 온도 분포를 기준으로 절토부, 절성경계부, 저성토부 단면에 대하여 그림 5와 같이 동상방지층 유·무에 따른 노상층의 온도 변화를 나타내었다.
  • 따라서, 본 연구에서는 동결지수 550~650℃·일, 450~550℃·일, 350~450℃·일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하성토부) 구간으로 단면을 구분하였으며, 각 단면에 동상방지층 유·무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 설치하고 데이터를 수집하였다.
  • 수집된 데이터 중 온도데이터를 이용하여 포장층별 온도 분포를 분석하였다. 또한, 측정된 데이터 중 포장층이 완료된 후인 2009년 12월 데이터를 이용하여 겨울철 단면별, 깊이별 온도분포의 상관관계를 분석하고 현장 동결깊이와 비교하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
  • 이때 노상, 동상방지층 및 보조기층은 다짐시 골재에 의하여 계측센서가 손상되는 것을 방지하기 위하여 각 층의 동일 재료 중 미세골재로 보호하는 형태로 매설하였다. 매설이 완료되면 console box를 설치하여 데이터 통신을 통하여 연구실에서 데이터를 수집할 수 있도록 모뎀, 배터리, 태양열 전기판, 데이터 로거를 구축하였다. 그림 3(d)는 자동계측시스템 구축 전경을 나타낸 것이다.
  • 동상에 의한 피해를 방지하고자 도로포장에 설치되고 있는 동상방지층의 효용성을 평가하기 위하여 계측기가 매설된 현장의 동결깊이와 현장에서 계측되고 있는 대기온도에 따른 포장내부온도를 이용하여 동결지수별(650~550℃·일, 550~450℃·일, 450~350℃·일)로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 각 구간에 대한 동결깊이를 추정하여 동결지수를 근간으로 계산한 현장의 동결깊이와 실제 포장 내부의 동결깊이를 비교 분석하였다. 본 연구에서는 2009년 1월부터 12월까지 측정된 데이터 중 포장이 완료된 후인 12월 데이터를 사용하였으며, 추정한 동결깊이는 12월 중 노상층의 온도가 가장 낮은 온도를 나타내는 시점에 깊이별 일평균 온도를 단면별로 산정하고 깊이별 온도분포의 상관관계를 분석하였다. 표 2는 현장에 시공된 동결깊이를 파악하기 위하여 층별 포장 두께를 나타낸 것이다.
  • 본 연구에서는 동결지수 550~650℃·일, 450~550℃·일, 350~450℃·일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 구간으로 단면을 구분하였으며, 각 단면에 동상방지층 유·무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 2009년 1월부터 12월까지 데이터를 수집하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 동결지수 550~650℃·일, 450~550℃·일, 350~450℃·일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하성토부) 구간으로 단면을 구분하였으며, 각 단면에 동상방지층 유·무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 설치하고 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터 중 대기온도와 포장층별 온도를 이용하여 동결지수를 근간으로 계산한 동결깊이(Yoder, 1973)와 현장의 실제 포장 내부의 동결깊이 추정식을 비교 분석하였다.
  • 본 연구에서는 동결지수 550~650℃·일, 450~550℃·일, 350~450℃·일로 구분하여 지역을 선정하였고, 각 지역별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부) 구간으로 단면을 구분하였으며, 각 단면에 동상방지층 유·무를 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 2009년 1월부터 12월까지 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터 중 온도데이터를 이용하여 포장층별 온도 분포를 분석하였다. 또한, 측정된 데이터 중 포장층이 완료된 후인 2009년 12월 데이터를 이용하여 겨울철 단면별, 깊이별 온도분포의 상관관계를 분석하고 현장 동결깊이와 비교하였다.
  • 그림 3(c)는 계측기 매설 전경을 나타낸 것으로 층별 계측센서는 각 층의 중앙부에 매설하는 것을 기준으로 하였다. 이때 노상, 동상방지층 및 보조기층은 다짐시 골재에 의하여 계측센서가 손상되는 것을 방지하기 위하여 각 층의 동일 재료 중 미세골재로 보호하는 형태로 매설하였다. 매설이 완료되면 console box를 설치하여 데이터 통신을 통하여 연구실에서 데이터를 수집할 수 있도록 모뎀, 배터리, 태양열 전기판, 데이터 로거를 구축하였다.
  • 그림 3(a) 같이 계측기 매설 전 계측시스템에 매설될 자재(함수센서, 온도센서 및 데이터 로거 등)에 대한 검수를 수행하였다. 이때 자재 검수는 실내에서 계측센서 작동 검사를 우선 수행하고, 현장에서 계측센서를 매설하기 전 현장에서 계측센서 작동 검사를 수행하는 방식으로 진행하였다.
  • 현장 조사를 통하여 선정된 9개 지역에 대하여 현장 계측시스템을 구축하였으며, 이때 1개지역을 절토부, 절성경계부 그리고 저성토부(2m 미만 성토부)로 구분하여 총 25개 단면을 구축하였다. 이때 한 개 지역에 매설된 3개 단면은 계측센서 설치 및 추후 유지보수, 그리고 동일 단면에 대한 수동계측을 위하여 각 단면간의 거리가 멀지 않도록 하였다. 그림 3(a) 같이 계측기 매설 전 계측시스템에 매설될 자재(함수센서, 온도센서 및 데이터 로거 등)에 대한 검수를 수행하였다.
  • 현장 계측시스템은 포장체의 함수비 및 온도 변화를 자동적·연속적으로 측정하기 위하여 도로 포장 구조체의 현장 환경 변수(함수비 및 온도)를 계측하는 시스템이다. 함수비는 포장 하부인 보조기층 이하 노상층까지 계측하고 있고, 온도는 대기온도, 포장층 및 포장하부 전체에 대한 계측을 통하여 포장체의 동결여부 및 대기의 환경적 영향을 연구할 수 있는 자료를 구축하고 있지만, 본 연구에서는 수집된 자료 중 포장 깊이별 온도 분석을 위해 온도자료만 활용하였다.
  • 현장 계측시스템을 구축하기 위해 육안 조사뿐만 아니라 도로 설계도서와 현장 근무자등과의 협의를 통하여 조사하고 설치위치를 선정하였다. 구축지역은 동결지수별로 350℃~450℃·일에 양구, 정선, 원주 3개 지역, 450℃~550℃·일에 용인, 남양주, 가평 3개 지역, 550℃~650℃·일에 수안보, 진천, 천안 3개 지역으로 총 9개 지역을 선정하였고, 각 현장별로 절토부, 절성경계부, 저성토부를 구분하여 절토부9개 단면, 절성경계부 9개 단면 및 저성토부 7개 단면으로 총 25개 단면에 현장 계측시스템을 구축하였다.
  • 현장 조사를 통하여 선정된 9개 지역에 대하여 현장 계측시스템을 구축하였으며, 이때 1개지역을 절토부, 절성경계부 그리고 저성토부(2m 미만 성토부)로 구분하여 총 25개 단면을 구축하였다. 이때 한 개 지역에 매설된 3개 단면은 계측센서 설치 및 추후 유지보수, 그리고 동일 단면에 대한 수동계측을 위하여 각 단면간의 거리가 멀지 않도록 하였다.

대상 데이터

  • 현장 계측시스템 구축 현장은 아스팔트 8개 현장에 절토부 8개 단면, 절성경계부 8개 단면, 2m 이하 성토부 8개 단면으로 구성되어 있고, 콘크리트 1개 현장에 절토부 1개 단면, 절성경계부 1개 단면, 2m 이하 성토부 1개 단면으로 구성되어있다. 본 연구에서는 지난 2009년 1월부터 2009년 12월까지의 측정된 포장체의 온도분포를 조사하였다. 그림 4는 25개 단면 중 양구현장 절성경계부의 층별 온도분포 자료로 동상방지층 유·무에 따른 계절별 온도 변화를 나타낸 것으로 보조기층 이상의 포장 상부층은 대기온도에 따라 민감한 반응을 보이는 반면 노상층은 상대적으로 계절별 온도 변화가 크게 나타나지 않았다.
  • 본 연구의 구간은 동결지수별로 9개 현장에 현장별로 절토부, 절성경계부, 저성토부(2m 이하 성토부)로 선정하여 각 구간에 동상방지층 유·무에 따른 단면을 구분하여 포장층별로 계측기(온도, 함수비)를 설치하여 자료를 수집하였다.
  • 현장 계측시스템 구축 현장은 아스팔트 8개 현장에 절토부 8개 단면, 절성경계부 8개 단면, 2m 이하 성토부 8개 단면으로 구성되어 있고, 콘크리트 1개 현장에 절토부 1개 단면, 절성경계부 1개 단면, 2m 이하 성토부 1개 단면으로 구성되어있다. 본 연구에서는 지난 2009년 1월부터 2009년 12월까지의 측정된 포장체의 온도분포를 조사하였다.
  • 현장 계측시스템의 구성은 크게 4가지로 계측센서, 수집장치, 무선통신장치 그리고 전원장치로 구성되어 있다. 계측센서는 현장의 함수비와 온도를 측정할 수 있도록 함수센서(CS616)와 온도센서(thermocouple)로 구성되어 있으며, 수집장치는 채널확장기(multi-flexer)와 계측 데이터 수집장치(data logger)로 구성되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
겨울철 단면별, 깊이별 온도분포의 상관관계를 분석하고 현장 동결깊이와 비교한 결과 어떤 결론을 얻었는가? 1. 현장 온도 데이터를 이용하여 동결깊이를 추정한 결과 동결지수가 650~550℃·일에 포함되는 양구, 정선, 원주 현장 모두 동상방지층이 있는 단면에서는 동상방지층까지만 0℃ 이하의 온도를 나타내는 것을 알 수 있으며, 동상방지층이 없는 단면에서는 노상층까지 0℃ 이하의 온도를 나타내었고, 동결지수가 450~550℃·일 지역에서는 가평지역의 동상방지층이 없는 구간에서만 노상층까지 0℃ 이하의 온도를 나타내고 다른 지역은 보조기층 또는 기층까지만 0℃ 이하의 온도를 나타내고 있다. 또한, 동결지수가 350~450℃·일 지역에서는 겨울철 동결깊이를 추정한 결과 모든 현장에서 동상방지층 유·무와 상관없이 보조기층 또는 기층까지만 0℃ 이하의 온도를 나타내고 있음을 알 수 있다. 현장 계측 결과는 향후 동상방지층의 효용성 검증의 중요한 자료로 활용될 것으로 사료된다. 2. 포장 단면별로 동결깊이를 비교한 결과 대기온도에 따라 동결깊이가 절토부가 가장 높았으며, 절성경계부, 저성토부 순으로 단면별 차이가 나타났다. 대기온도가 비슷한 한 지역에서 절토부, 절성경계부, 저성토부 각 단면에 따라 추정된 동결 깊이의 차이가 나는 것은 단면 지형상의 영향으로 절토부가 절성경계부나 저성토부에 비해 일사량이 적어 포장의 온도가 전체적으로 낮아지며, 이에 따라 노상층의 온도가 다른 단면보다 더 낮아졌기 때문이라고 판단된다. 3. 본 연구에서 현장 동결깊이 추정에 사용된 온도 데이터는 2009년~2010년 1년간의 온도 데이터로 데이터 수집 기간이 길지 않기 때문에, 향후 다년간의 겨울철 온도 데이터를 통하여 동결깊이의 상관관계를 분석할 필요가 있을 것으로 사료된다.
도로포장구조를 설계할 때 노상이 동결하는 것을 방지하기 위하여 무엇을 하는가? 우리나라는 겨울철 시베리아기단의 영향으로 한랭한 북서풍이 불기 때문에 지역별 기온차가 매우 크며, 봄철에는 그 영향이 약해져 기온이 상승한다. 동토지역의 지역적 기후 조건 특성으로 국내 도로분야에서는 동결융해(freezing and thawing)로 인한 피해를 줄이기 위하여 도로포장구조를 설계할 때 노상이 동결하는 것을 방지하기 위하여 동상방지층(anti-freezing layer)을 노상위에 별도로 설치하도록 하고있다(남영국 등, 2006). 동상을 일으키는 원인은 많은 요소들이 있지만, 일반적으로 도로의 동상에 영향을 미치는 세 가지 요소는 토질조건, 수분조건, 온도조건으로 구분할 수 있다.
국내 도로포장 계측시스템은 어떻게 구분할 수 있는가? 국내 도로포장 계측시스템은“현장시험을 통한 동상방지층의설치기준연구”의 8개 구간, “한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안 연구”의 LTPP-SPS 11구간, 한국도로공사 시험도로 구간으로 구분할 수 있다. 현장시험을 통한 동상방지층의 설치기준 연구에서 현장 데이터 수집을 위해 전국적으로 8개 구간을 선정하였지만, 8개 현장 중 3개 구간이절토부, 5개 구간이 성토부(2m 이상)로 성토부를 중심으로 계측시스템이 구축되어 있다.
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참고문헌 (7)

  1. 건설교통부(2003), "동상방지층 두께 산출(예)-개정 동결지수선도 이용", 한국건설기술연구원, 한국도로공사, pp. 1-16. 

  2. 건설교통부(2006), "현장시험을 통한 동상방지층 설치 기준 연구" 건설교통부 한국건설교통기술 평가원 최종 보고서. 

  3. 김부일, 전성일, 이문섭, 임광수(2009), "국내 LTPP 온도 자료를 이용한 동결지수와 동결깊이 검증 연구", 한국도로학회논문집 제11권 제4호, pp143-151. 

  4. 김영진, 유준, 김현민(1999), "동결심도 및 포장체 온도분포조사", 한국건설기술연구원, pp. 5-25. 

  5. 남영국, 박찬범, 조규태, 진정훈(2002), "동상방지층의 거동에 대한 현장계측", 한국도로학회지 제4권 제1호, pp. 19-23. 

  6. 정진훈, 배성호, 권순민(2005), "시험도로 자료를 이용한 포장의 동결특성 연구", 한국도로학회논문집 제7권 제4호, pp87-95. 

  7. Yoder, E.J., and Witczak, M.W(1973), "Principles of Pavement Design", Second Edition, John Wiley and Sons, New York. 

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