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문제 정의
- 본 연구는 밀도 개념의 들밀도 시험의 다짐도 측정과 강도 개념의 평판재하시험으로 평가하고 있는 보조기층 다짐관리 방법을 설계 입력 변수인 회복탄성계수를 이용한 다짐관리방 법으로 활용할 수 있도록 제안하였다. 이를 위하여 기존 다짐 관리 시험인 들밀도 시험과 평판재하시험(PBT)의 시험결과와 현장탄성계수와의 상관성 분석 및 현장에서 탄성계수를 바로 측정할 수 있는 소형충격재하시험(LFWD)을 현장다짐 관리에 활용할 수 있는 방법을 제시하는 연구로서, 연구 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 이는 입상 보조기층 설계시 회복탄성계수를 사용하므로, 시공과 유지관리에서도 보조기층 현장탄성계수를 측정하여 설계탄성계수 값에 현장탄성계수 값이 부합하는지 여부를 파악하여 관리하는 방식이다. 그러나, 회복 탄성계수는 현장 다짐재료를 표준 M R 시험으로 측정하고, 현장탄성계수는 선택된 시험 장비를 시공현장 다짐 층에 직접적으로 운용하여 측정할 것이다. 따라서, 두 탄성계수 간에 측정방식 및 측정원리 차이가 있다.
- 한국형 도로포장설계법에서는 도로 중요도에 따라 보조기 층의 설계탄성계수를 결정하고 있으며, 표준 M R 시험을 실시하거나 국내 보조기층 재료의 표준 M R 시험 데이터베이스를 통해 설계탄성계수가 결정된다. 이에 본 연구에서는 제안된 국내 입상 보조기층 재료의 표준 M R 시험 데이터베이스를 이용하여 제시된 인공신경망 공식으로부터 설계탄성계수 값을 산출하였다. 이에 앞서, 인공신경망 공식을 입상 보조기층 재료의 표준 MR 시험 데이터베이스에서 재료별로 임의 추출을 통해 사용성을 검증하였다.
- 이에 본 연구에서는 제안된 국내 입상 보조기층 재료의 표준 M R 시험 데이터베이스를 이용하여 제시된 인공신경망 공식으로부터 설계탄성계수 값을 산출하였다. 이에 앞서, 인공신경망 공식을 입상 보조기층 재료의 표준 MR 시험 데이터베이스에서 재료별로 임의 추출을 통해 사용성을 검증하였다. 검증 방법은 표준 MR 시험을 실시한 시료의 기초물성 값으로 설계탄성계수를 계산하고, 이회복탄성계수 값과 설계탄성계수를 실제 차량에 유발되는 응력 범위를 구조해석으로 결장한 후 응력상태에 따라 시험값과 산정값을 비교 분석하였다.
- 이를 위하여, 표 4의 아스팔트 포장 단면을 고려한 모델을 통해 표 5의 설계차량 주행속도에 따른 응력범위를 표 5와 같이 범용 유한요소해석을 실시하여 산정하였다(김지환 외, 2008). 주행 속도에 따른 국내 도로의 설계속도 0~100km/h 를 고려하여 설계 차량으로부터 응력 발생범위가 구속응력 8.
- LFWD를 이용한 보조기층 탄성계수 측정 및 다짐관리 연구를 위하여 그림 1과 같이 전국지역을 고려하여 5 구간에서 현장 시험을 실시하였다. 각 구간 당 12개 지점의 LFWD 시험과 들밀도 시험을 수행하였으며, 각 구간의 대표 1 지점에서 평판재하시험을 수행하였다.
- 총 60개 지점의 데이터를 표 7과 같이 정리하였으며 LFWD 탄성계수 ELFWD 와 평판 재하시험의 K30, 다짐도 외에도 현장 시료의 기본 물성값을 이용하여 인공신경망 공식에 의해 설계 탄성계수 값도 추출하였다.
- 따라서 기존의 다짐관리장비를 통해 산정되는 다짐도와 평판재하시험결과인 K30 으로부터 탄성계수와의 관계를 정립하거나 현장탄성계수를 바로 측정하는 다짐관리장비가 필요하다. 본 연구에서는 기존 다짐관리 장비를 통한 다짐도 및 평판재하시험 결과 K30 과 설계탄성계 수와의 상관관계를 비교 분석하였다. 또한 현장에서 현장탄 성계수를 직접 추출하는 LFWD시험의 경우, 설계탄성계수는 현장시료의 기초물성을 이용한 인공신경망 공식으로 산정 하고, 현장탄성계수는 시공현장 다짐 층에서 측정하는 것으로, 측정 방식 및 원리에 차이가 있다.
- 또한 현장에서 현장탄 성계수를 직접 추출하는 LFWD시험의 경우, 설계탄성계수는 현장시료의 기초물성을 이용한 인공신경망 공식으로 산정 하고, 현장탄성계수는 시공현장 다짐 층에서 측정하는 것으로, 측정 방식 및 원리에 차이가 있다. 이러한 차이로 인해 설계탄성계수와 현장탄성계수의 직접적인 비교가 불가하므로 본 연구에서는 설계탄성계수와 회복탄성계수 값간의 상관관계를 비교 분석하였다.
- 기존 다짐관리 시험법인 다짐도와 평판재하시험으로도 보조기층의 현장 탄성계수 측정 가능여부를 알아보고자 설계 탄성계수와 두 시험법 간의 상관관계를 분석하였다. 먼저, 채취 시료의 기초물성 값으로 구한 설계탄성계수와 시료 채취 지점의 다짐도 간의 상관관계를 분석한 결과 설계탄성계수와 다짐도 상관관계는 그림 4와 같이 보조기층 모두 결정계수 R2 값 0.
- 그러나, 반복재하식 표준 MR 시험에도 다짐도 95% 이상은 시료 성형조건이며, 현장에서 시료가 가지는 최대 탄성계 수를 발휘하기 위해 다짐도 95% 이상 기준은 필요하므로 탄성계수를 이용한 다짐관리에서 다짐도는 다짐관리 기준이 아닌 다짐 품질 기준으로 제안하고자 한다.
- 값을 얻었다. 설계 MR 값은 평판 재하시험을 실시한 지점의 시료를 채취하여 기초물성을 측정 하고, 이를 인공신경망 공식에 대입하여 산출하였다. 두 시험 값간의 데이터 분석 결과는 그림 5와 같다.
- 먼저, 보조기층 재료의 기본물성 값을 이용하여 설계탄성 계수 값을 산정하거나 도로설계시의 보조기층 설계탄성계수를 통해 현장기준 설계 K30 을 결정한다. 둘째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 이상 지점에서 평판재하시험을 실시하여 현장 K30 을 측정한다.
- 을 결정한다. 둘째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 이상 지점에서 평판재하시험을 실시하여 현장 K30 을 측정한다. 셋째, 설계 K30 과 현장 K30 을 비교하여 현장 K30 이 더 큰 경우 설계탄성계수가 요구하는 탄성 계수를 현장에서 만족하였음을 확인한다.
- 따라서, 설계 기준인 설계탄성계수와 현장 시험으로 얻은 ELFWD 와의 상관관계를 보다 효과적으로 분석하기 위하여 전체 데이터를 재료 특성별로 분류하여야 하며 이를 위해, 다음과 같은 분석을 실시하였다.
- 첫째, 표준 실내 M R 시험은 다짐도 95% 이상의 시료를 이용하여 수행하므로, 현장 데이터 중 상대 다짐도 95% 이상 지점의 데이터를 그림 8과 같이 재정리하였다.
- 와 설계탄성계수와의 상관관계 경향이 서로 다름을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 보조기층 재료별로 상관관계식을 식 (3)과 식 (4)로 제안하였다.
- 식 (3), 식 (4)를 이용하여 보조기층 다짐관리에 LFWD 시험을 적용한다면, 이는 그림 9와 같은 단계로 적용할 수 있을 것이다. 먼저, 보조기층 재료의 입도분석 시험을 통해, 자갈질과 모래질로 판별하여, 적용되는 상관관계식을 확인한 다. 둘째, 보조기층 재료의 기초물성값을 상관관계식에 대입 하여 설계기준 ELFWD 값, 또는 도로설계시의 보조기층 설계 탄성계수를 통해 현장기준 설계 LFWD 탄성계수를 결정한 다.
- 먼저, 보조기층 재료의 입도분석 시험을 통해, 자갈질과 모래질로 판별하여, 적용되는 상관관계식을 확인한 다. 둘째, 보조기층 재료의 기초물성값을 상관관계식에 대입 하여 설계기준 ELFWD 값, 또는 도로설계시의 보조기층 설계 탄성계수를 통해 현장기준 설계 LFWD 탄성계수를 결정한 다. 셋째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 지점에서 LFWD 시험을 실시하여, 현장 탄성계수를 얻는다.
- 본 연구는 밀도 개념의 들밀도 시험의 다짐도 측정과 강도 개념의 평판재하시험으로 평가하고 있는 보조기층 다짐관리 방법을 설계 입력 변수인 회복탄성계수를 이용한 다짐관리방 법으로 활용할 수 있도록 제안하였다. 이를 위하여 기존 다짐 관리 시험인 들밀도 시험과 평판재하시험(PBT)의 시험결과와 현장탄성계수와의 상관성 분석 및 현장에서 탄성계수를 바로 측정할 수 있는 소형충격재하시험(LFWD)을 현장다짐 관리에 활용할 수 있는 방법을 제시하는 연구로서, 연구 결과는 다음과 같다.
- 그러나 다짐도 95% 이상은 실내시험인 반복재하식 표준 MR 시험 시료 성형조건이다. 따라서 도로포장설계시 사용재료의 탄성계수를 결정하기 위해 실시하는 실내시험조건을 고려하여 최적의 현장탄성 계수 구현을 위한 기본조건으로서 다짐도는 보조기층 품질기준으로 제안하였다.
- 2. 현재 다짐관리 시험법인 평판재하시험은 현장 탄성계수를 측정할 수 있는 시험법으로, 설계 탄성계수와의 상관관계 식을 식(1)과 같이 제안하였다.
- 3. 국내 5개 구간의 보조기층 다짐시공 현장시험을 통해 설계탄성계수와 ELFWD 값간의 상관관계식을 통일분류법 기준에 따라 자갈질과 모래질에 따라 제안하였고, LFWD 시험간격을 탄성계수 변화구간을 고려하여 식(3), 식(4) 와 같이 제안하였다.
- 4. 연구에서는 현장 다짐관리 시 기존 다짐관리시험방법인 평판재하시험과 현장탄성계수 측정시험인 LFWD시험을 통한 도로설계 시 적용된 설계탄성계수 구현을 위한 다짐 관리 방안을 제시하였다.
- 따라서, 응력상태에 따른 여러 탄성계수 값 중에서 주행 속도에 따른 구속응력과 축차응력중간 값인 9단계 범위에서 표준 MR 시험의 9단계 탄성계수와 9단계 설계 탄성계수 값을 표 6과 같이 비교함으로써 인공신경망 공식의 사용성을 분석 하였다.
대상 데이터
- LFWD를 이용한 보조기층 탄성계수 측정 및 다짐관리 연구를 위하여 그림 1과 같이 전국지역을 고려하여 5 구간에서 현장 시험을 실시하였다. 각 구간 당 12개 지점의 LFWD 시험과 들밀도 시험을 수행하였으며, 각 구간의 대표 1 지점에서 평판재하시험을 수행하였다.
데이터처리
- 이에 앞서, 인공신경망 공식을 입상 보조기층 재료의 표준 MR 시험 데이터베이스에서 재료별로 임의 추출을 통해 사용성을 검증하였다. 검증 방법은 표준 MR 시험을 실시한 시료의 기초물성 값으로 설계탄성계수를 계산하고, 이회복탄성계수 값과 설계탄성계수를 실제 차량에 유발되는 응력 범위를 구조해석으로 결장한 후 응력상태에 따라 시험값과 산정값을 비교 분석하였다. 한국형 도로포장설계법에서 국내재료에 대해 제시하고 있는 회복탄성계수 값은 표 1과 같고, 기초물성 값은 표 2(권기철, 2004)이며, 본 연구에서 기초물성 값으로부터 구한 설계탄성계수 값은 표 3과 같다.
성능/효과
- 이를 위하여, 표 4의 아스팔트 포장 단면을 고려한 모델을 통해 표 5의 설계차량 주행속도에 따른 응력범위를 표 5와 같이 범용 유한요소해석을 실시하여 산정하였다(김지환 외, 2008). 주행 속도에 따른 국내 도로의 설계속도 0~100km/h 를 고려하여 설계 차량으로부터 응력 발생범위가 구속응력 8.56~88.44kPa, 축차응력 16.49~228.84kPa임을 알 수 있었다.
- 표 6에서 보는 바와 같이 본 연구에서 이용하고자 하는 인공신경망 공식의 설계탄성계수 값은 표준 MR 시험값과 SB-4，SB-5를 제외하고는 오차율 ±2% 이내의 정확한 값을 계산하고 있음을 확인하였다.
- 현장 데이터 60개 지점을 나열한 결과 5개 지점을 제외한 55개 지점이 표 6의 표준 MR 시험 최소값 104MPa 이상을 만족하였다.
- 기존 다짐관리 시험법인 다짐도와 평판재하시험으로도 보조기층의 현장 탄성계수 측정 가능여부를 알아보고자 설계 탄성계수와 두 시험법 간의 상관관계를 분석하였다. 먼저, 채취 시료의 기초물성 값으로 구한 설계탄성계수와 시료 채취 지점의 다짐도 간의 상관관계를 분석한 결과 설계탄성계수와 다짐도 상관관계는 그림 4와 같이 보조기층 모두 결정계수 R2 값 0.05 이하로 매우 낮은 상관관계를 보임을 알 수 있다.
- 둘째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 이상 지점에서 평판재하시험을 실시하여 현장 K30 을 측정한다. 셋째, 설계 K30 과 현장 K30 을 비교하여 현장 K30 이 더 큰 경우 설계탄성계수가 요구하는 탄성 계수를 현장에서 만족하였음을 확인한다.
- 둘째, 보조기층 재료의 기초물성값을 상관관계식에 대입 하여 설계기준 ELFWD 값, 또는 도로설계시의 보조기층 설계 탄성계수를 통해 현장기준 설계 LFWD 탄성계수를 결정한 다. 셋째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 지점에서 LFWD 시험을 실시하여, 현장 탄성계수를 얻는다. 넷째, 설계기준 ELFWD 와 현장탄성계수 ELFWD 를 비교하여 현장탄성 계수 ELFWD 가 더 크면, 보조기층 설계 탄성계수를 현장 탄성 계수가 만족한다고 판별할 수 있다.
- 셋째, 다짐품질관리 기준인 다짐도 95% 지점에서 LFWD 시험을 실시하여, 현장 탄성계수를 얻는다. 넷째, 설계기준 ELFWD 와 현장탄성계수 ELFWD 를 비교하여 현장탄성 계수 ELFWD 가 더 크면, 보조기층 설계 탄성계수를 현장 탄성 계수가 만족한다고 판별할 수 있다.
- 1. 현재 다짐관리 기준인 다짐도는 보조기층 재료 구분없이 다짐도 95% 이상을 획일적으로 적용하나 보조기층 다짐 시공 현장시험결과 다짐도와 회복탄성계수의 상관관계는 매우 낮음을 알수 있었다. 그러나 다짐도 95% 이상은 실내시험인 반복재하식 표준 MR 시험 시료 성형조건이다.
- 둘째, 설계탄성계수는 다짐 재료 고유의 역학적 특성을 반영하므로 표 7의 보조기층 전체 5종류의 흙을 통일 분류법 기준에 따라 자갈질과 모래질로 나누어 상관관계를 분석한 결과, 다짐 재료에 따라 ELFWD 와 설계탄성계수와의 상관관계 경향이 서로 다름을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 보조기층 재료별로 상관관계식을 식 (3)과 식 (4)로 제안하였다.
후속연구
- 현재, 도로공사 표준 지침서(국토해양부, 2009)에 따르면 평판재하시험기준은 2차로 기준 200m 당 1회이며, 현장에서 평판재하시험 소요시간은 대략 1시간 정도 된다. 그러나, LFWD 시험은 한 지점 당 15분 정도 소요되므로, 이를 2차로 기준 100m 당 1회씩 실시한다면 평판재하시험보다 약 2배 이상의 현장 효율성을 높일 수 있을 것이다.
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