[논문]도로 포장체에서 동상에 대한 지하수위 영향 평가

권기철; 이재환

doi:10.7855/ijhe.2013.15.1.047

[국내논문] 도로 포장체에서 동상에 대한 지하수위 영향 평가
Evaluation of Ground Water Level Effect on Frost Heaving in Road Pavements 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.15 no.1 = no.57, 2013년, pp.47 - 56

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES: This study is to evaluate a ground water level effect on frost heaving in road pavements. METHODS: The effects of water table on frost heaving in pavement systems were evaluated from the mechanical analysis using FROST program. The input parameters and boundary conditions were determined by considering climates, pavement sections, and material properties specially subgrade soil types in Korea. RESULTS: When the water table located above the freezing depth, amount of frost heaving caused by freezing the water in pavement itself was big enough to damage in pavement system, although pavement system consists of fully non-frost-susceptible materials with sufficient thickness of anti-freezing layer. The amount of frost heaving was decreased rapidly with increasing the distance between the water table and freezing depth. CONCLUSIONS: It was concluded that there is no engineering problems related with frost heaving in practical sense when the distance between freezing depth and water table is over 1.5m for having subgrade soils less than 50% of #200 sieve passing to meet specification on quality control in Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해석기간은 앞에서 언급한 바와 같이 영하의 온도가 초기치로부터 최소한 30일 이후에 발생하도록 설정되어 있다. 따라서 동결이 시작되는 시점에서 포장체의 온도 및 수분 분포는 초기치의 영향이 충분하게 제거된 실제적인 상황이 되도록 하였다.
본 연구는 포장체에서 동상 특성을 FROST 프로그램을 이용하여 해석적으로 평가하였다. 동상에 대한 다양한 영향요소 중 지하수위를 중심으로 분석을 실시하였다.

가설 설정

10) 동결·융해는 등열상변화 과정(isothermal phase change)으로 가정한다.
11) 융해과정에서는 융해영역에서 침하가 지배적이며, 압밀효과는 무시한다.
12) 상수는 시간에 따라 일정하다.
2) 기체의 유동은 무시하고 액체의 유동만 고려한다.
4) 비동결층에서 흙의 변형은 무시한다.
5) 동결진행층에서 흙의 간극수압은 비동결 함수비에 관한 인자 (an unfrozen water content)에 의하여 지배된다.
6) 이력현상(hysteresis)이 일어나지 않는다.
7) 열 유동(heat transport)은 열 이류(advective) 성분을 포함한 간측열 유동(sensible heat transport)방정식에 의해 지배된다.
8) 비동결상태의 함수비는 온도에 무관하다.
해석깊이는 포장표면으로부터 5m로 하였다. 노상이 해석깊이까지 일정하게 존재하는 것으로 설정하였다. 주어진 해석조건에서 최대 동결깊이는 포장표면으로부터 1.
이는 동결기간 동안 국내 지반의 지중온도를 고려한 것이다(기상청 홈페이지 자료). 초기 포장표면의 온도는 초기 입력 대기온도와 동일하게 하였고, 포장체 내부에서 온도분포는 포장표면과 포장 최하부 사이에서 선형으로 변화하는 것으로 가정하여 초기치를 설정하였다. 해석단면에서 수분 분포는 지하수위 아래 부분은 완전포화된 상태로 가정하였고, 포장 표면은 완전건조 상태로 가정하였다.
해석단면에서 수분 분포는 지하수위 아래 부분은 완전포화된 상태로 가정하였고, 포장 표면은 완전건조 상태로 가정하였다. 포장체 내부에서 수분분포는, 온도분포와 동일하게, 포장표면과 포장 최하부 사이에서 선형으로 변화하는 것으로 가정하여 초기치를 설정하였다.
지하수위는 동결 깊이 근처에서는 20cm 간격으로 엄밀하게 변화를 주었고, 지하수위 영향이 상대적으로 작은 깊이에서는 1m 간격으로 경계조건을 변화시켰으며, 총 10개의 지하수위 조건에 대한 해석을 수행하였다. 해석기간 동안 지하수위는 변동하지 않는 것으로 모델하였다.
해석단면 최하부의 온도는 15℃로 가정하였다. 이는 동결기간 동안 국내 지반의 지중온도를 고려한 것이다(기상청 홈페이지 자료).
초기 포장표면의 온도는 초기 입력 대기온도와 동일하게 하였고, 포장체 내부에서 온도분포는 포장표면과 포장 최하부 사이에서 선형으로 변화하는 것으로 가정하여 초기치를 설정하였다. 해석단면에서 수분 분포는 지하수위 아래 부분은 완전포화된 상태로 가정하였고, 포장 표면은 완전건조 상태로 가정하였다. 포장체 내부에서 수분분포는, 온도분포와 동일하게, 포장표면과 포장 최하부 사이에서 선형으로 변화하는 것으로 가정하여 초기치를 설정하였다.

제안 방법

국내에서 사용하는 일반적인 층 구성의 아스팔트 포장과 시멘트콘크리트 포장을 해석단면으로 하였다. 해석단면의 층 구성 및 각층의 두께는 Fig.
이것은 동상에 대한 지하수위 영향 분석을 통해, 동상방지층의 생략이 가능한 지하수위의 조건을 평가하기 위함이다. 다만 노상이 상부 입상보조기층과 동일한 물성치의 재료로 사용되는 극단적인 경우를 포함하여, 지하수위와 무관하게 동상 비민감 재료만으로 구성된 포장단면에서의 허용 가능한 동상량을 결정하여 비교 기준으로 활용하였다.
본 연구는 포장체에서 동상 특성을 FROST 프로그램을 이용하여 해석적으로 평가하였다. 동상에 대한 다양한 영향요소 중 지하수위를 중심으로 분석을 실시하였다. 해석을 위한 포장단면, 기후조건, 경계조건, 포장층의 재료적 성질 등, 다양한 입력물성치는 우리나라 포장체의 특성을 고려하여 결정하였다.
동상에 매우 민감하고, 현행의 노상토 품질기준에 부적합한 극단적인 동상민감 토사 (#200 통과량 > 50%), 동상민감 노상토 (12%<#200 통과량<50%), 그리고, 동상 가능성이 있는 노상토 (#200 통과량<12%)로 구분하였다.
동상 해석 프로그램으로는 미공병단 CRREL에서 개발한 FROST 프로그램을 사용하였다. 동상해석의 입력물성치는 국내의 기후조건(온도 및 강우), 국내의 포장재료 특성을 반영하여 결정하였다. 특히 수분영향 평가를 위한 중요 입력물성치인 함수특성곡선(SWCC)과 투수계수 등은 국내 포장재료에 대한 시험결과를 근거로 범위를 설정하였다.
1996). 따라서 아스팔트 콘크리트 표층, 중간층, 기층 그리고 시멘트 콘크리트의 함수특성곡선과 불포화 투수계수는 대표적인 하나의 값을 적용하였다.
5cm로 평가되었다. 따라서, FROST 프로그램을 적용하여 동상을 평가하는 경우, 공학적인 문제 발생 여부를 판단하는 상대적인 기준으로 0.5cm 동상량을 적용하고자 한다. 이러한 기준은 본 연구와 같이 FROST 프로그램을 이용한 해석적 평가에 대한 것이 국한된 것으로, 실제 포장체에서 0.
본 연구에서는 수치해석적 기법을 적용하여 도로 동상에 대한 수분영향을 중점적으로 평가하였다. 동상 해석 프로그램으로는 미공병단 CRREL에서 개발한 FROST 프로그램을 사용하였다.
입상보조기층 및 노상의 열해석 및 수리해석 관련 물성치는 다양하게 변화시켜 적용하였고, 3.2절에 상세하게 기술하였다. 동상방지층은 별도로 적용하지 않았다.
포화투수계수는 국내 노상토 및 입상보조기층 재료에 대한 실내시험결과를 바탕으로 범위를 설정하여 적용하였다(건설교통부, 2002; 국토해양부, 2012; 박성완 등, 2011; 임유진, 2010). 입상보조기층 및 노상토의 투수계수는 각각 세 단계로 나누어 적용하였다(Table 2).
지하수위 위치는 포장표면에 존재하는 극단적인 경우부터 5m 아래 최하부에 존재하는 것까지 다양하게 설정하였다. 지하수위는 동결 깊이 근처에서는 20cm 간격으로 엄밀하게 변화를 주었고, 지하수위 영향이 상대적으로 작은 깊이에서는 1m 간격으로 경계조건을 변화시켰으며, 총 10개의 지하수위 조건에 대한 해석을 수행하였다. 해석기간 동안 지하수위는 변동하지 않는 것으로 모델하였다.
특히 수분영향 평가를 위한 중요 입력물성치인 함수특성곡선(SWCC)과 투수계수 등은 국내 포장재료에 대한 시험결과를 근거로 범위를 설정하였다. 해석결과로부터 도로 동상을 억제할 수 있는 지하수위 조건을, 포장층의 단면특성, 기후조건, 포장재료의 수리흐름 특성 등을 고려하여 평가하였다.
동상에 대한 다양한 영향요소 중 지하수위를 중심으로 분석을 실시하였다. 해석을 위한 포장단면, 기후조건, 경계조건, 포장층의 재료적 성질 등, 다양한 입력물성치는 우리나라 포장체의 특성을 고려하여 결정하였다. 해석결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
해석의 시간 간격은 일별로 하였고, 입력자료 또한 일평균온도와 일평균강수량을 적용하였다. 해석기간은 영하의 온도가 발생하기 이전인 10월 1일부터 융해가 완료되고 추가적인 동결이 발생하지 않는 4월 30일까지로 하였다.

대상 데이터

적용된 동결지수 범위는 188℃·day~655℃·day 이다. 강수조건은 온도조건이 적용된 동일한 지역의 자료를 적용하였으며, 해석 기간 동안 누적 강수량은 216.3mm~606.5mm 범위였다.
대기온도 입력자료는 2009년~2010년 겨울 기간의 기상자료를 활용하였다. 국내의 동결지수 범위를 고려하여 동결지수가 서로 다른 세 지역(대관령, 인제, 대전)의 자료를 활용하였다. 적용된 동결지수 범위는 188℃·day~655℃·day 이다.
두 입력변수 모두 국내 기상 특성을 고려하여 결정하였다. 대기온도 입력자료는 2009년~2010년 겨울 기간의 기상자료를 활용하였다. 국내의 동결지수 범위를 고려하여 동결지수가 서로 다른 세 지역(대관령, 인제, 대전)의 자료를 활용하였다.
본 모델은 계절적 동결·융해가 일어나는 흙을 대상으로 한다.
동상에 매우 민감하고, 현행의 노상토 품질기준에 부적합한 극단적인 동상민감 토사 (#200 통과량 > 50%), 동상민감 노상토 (12%<#200 통과량<50%), 그리고, 동상 가능성이 있는 노상토 (#200 통과량<12%)로 구분하였다. 입상보조기층재료는 #200 통과량이 5% 이하인 동상 비민감토사의 함수특성곡선의 범위에서 세 종류로 구분하여 적용하였다. 국내 포장재료의 특성을 고려하여 결정된 수리흐름 특성 관련 입력물성치를 정리하면 Table 2와 같다.
해석의 시간 간격은 일별로 하였고, 입력자료 또한 일평균온도와 일평균강수량을 적용하였다. 해석기간은 영하의 온도가 발생하기 이전인 10월 1일부터 융해가 완료되고 추가적인 동결이 발생하지 않는 4월 30일까지로 하였다. 해석기간의 영항을 대기온도가 나타나기 한 달 이상의 이전 자료까지 포함한 것은 동결이 발생하는 동안 초기치의 영향을 최소화하기 위함이다.

이론/모형

본 연구에서 사용한 FROST 프로그램에서는 Eq. (1)과 같은 Gardner 방정식을 적용하여 함수특성곡선을 모델하고 있다.
본 연구에서 사용한 FROST 프로그램에서는 불포화토의 투수계수를 Eq. (2)와 같이 Gardner 방정식을 적용하여 모델하고 있다.
이러한 기초자료에 대하여 Gardner 모델을 적용하여 모델계수를 결정하였다. 노상토의 종류는 미공병단(COE)의 동상민감성 판단기준인 세립분 함유량을 적용하여 분류하였다. 동상에 매우 민감하고, 현행의 노상토 품질기준에 부적합한 극단적인 동상민감 토사 (#200 통과량 > 50%), 동상민감 노상토 (12%<#200 통과량<50%), 그리고, 동상 가능성이 있는 노상토 (#200 통과량<12%)로 구분하였다.
본 연구에서는 수치해석적 기법을 적용하여 도로 동상에 대한 수분영향을 중점적으로 평가하였다. 동상 해석 프로그램으로는 미공병단 CRREL에서 개발한 FROST 프로그램을 사용하였다. 동상해석의 입력물성치는 국내의 기후조건(온도 및 강우), 국내의 포장재료 특성을 반영하여 결정하였다.
국내 지반 재료에 대한 함수특성곡선 실험결과 중, 비교적 상세한 실험결과가 보고된 28종의 함수특성곡선에 대한 자료구축을 하였다(국토해양부, 2012; 김상규 등, 1999; 류지혐, 2000; 송창섭 등 2003; 신은철 등, 2002; 왕창수 등, 2002; 이성진 등, 2008; 임성윤 등, 2002; 임유진, 2010). 이러한 기초자료에 대하여 Gardner 모델을 적용하여 모델계수를 결정하였다. 노상토의 종류는 미공병단(COE)의 동상민감성 판단기준인 세립분 함유량을 적용하여 분류하였다.

성능/효과

1) 포화·불포화 시 간극수의 이동은 연속 방정식과 Darcy's law가 적용된다.
1. 동결깊이로부터 지하수위까지의 높이차가 증가하면 동상량은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 세립토의 노상에 대한 투수계수와 함수특성곡선을 적용하면 동상량이 증가하는 것으로 나타나, 세립분 함량이 증가할수록 동상민감도는 증가하는 것을 확인하였다.
2. 동결깊이까지 충분한 동상방지층을 적용하여 포장층 전체가 동상 비민감 재료로 구성된 경우라 할지라도, 지하수위가 동결깊이보다 위에 존재하는 경우에는 자체 함유하고 있는 수분의 동결에 의한 매우 큰 동상이 발생하여 공학적 문제를 야기할 수 있음을 확인하였다.
3) 동결층에서의 수분(moisture)유동은 무시하고, 동결 흙 표면에서 물의 유·출입은 없다.
3. 동상에 대단히 민감한 #200체 통과율 50% 이상의 세립토가 노상토로 적용되는 경우에도 동결깊이로부터 지하수위까지의 높이차가 4m 이상 확보되면 공학적으로 허용 가능한 수준 이하로 동상량이 억제될 것으로 예상된다.
4. 노상토의 #200체 통과율이 50% 이하로 현재 적용하고 있는 품질기준에 합당한 노상토가 사용되는 경우에는 동결깊이로부터 지하수위까지의 높이차가 1.5m 이상 확보되면 동상에 대한 공학적 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
3(d)는 #200체 통과량이 50% 이하로 우리나라에서 적용하는 세립분 함유량 품질기준을 만족시키는 노상토에 대한 결과를 나타낸 것이다. 노상토의 세립분함량이 줄어들수록, 즉 노상토의 동상민감성이 줄어들수록 동상량은 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 허용동상량 0.
본 연구의 지하수위에 대한 기준은 성토고와는 무관하게 지하수위를 직접적으로 고려한 것으로, 성토·절토와는 무관하게 모든 도로포장 단면에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
동결깊이로부터 지하수위까지의 높이차가 증가하면 동상량은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 세립토의 노상에 대한 투수계수와 함수특성곡선을 적용하면 동상량이 증가하는 것으로 나타나, 세립분 함량이 증가할수록 동상민감도는 증가하는 것을 확인하였다.
5cm 이하로 급격하게 줄어듬을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 노상토의 동상민감성에 무관하게 모든 종류의 노상토에 대하여 공학적으로 동상문제를 야기하지 않는 수준의 동상량을 유지하기 위해서는 최대동결깊이로부터 지하수위가 4m 이상이 되어야 함을 알 수 있다.
노상이 해석깊이까지 일정하게 존재하는 것으로 설정하였다. 주어진 해석조건에서 최대 동결깊이는 포장표면으로부터 1.2m 이내에 존재하는 것으로 나타나 해석깊이 5m 는 충분한 깊이로 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수치해석 절차은 어떻게 이루어지는가?	수치해석 절차는 ‘절점(node)’을 적절한 간격으로 배치하여 수평 ‘요소(element)’로 구분된 흙에서 이루어진다. 해석시간 간격동안 일정한 조건에서 동결이 진행되는 것으로 해석한다.
	동상은 어떻게 분류되는가?	동결에 의한 부피팽창, 즉 동상(frost heaving)은 자체적으로 함유하고 있던 물이 얼음으로 상변화를 하면서 발생하는 부피팽창과 하부로부터 물이 유입되면서 지속적으로 발생하는 부피팽창으로 나누어진다. 도로 동상에서 주요하게 문제가 되는 것은 지속적인 수분공급에 의한 부피팽창이다.
	본 연구에서 FROST 프로그램에서 적용하는 동상모델의 주요 가정은 무엇인가?	1) 포화·불포화 시 간극수의 이동은 연속 방정식과 Darcy's law가 적용된다. 2) 기체의 유동은 무시하고 액체의 유동만 고려한다. 3) 동결층에서의 수분(moisture)유동은 무시하고, 동결 흙 표면에서 물의 유·출입은 없다. 4) 비동결층에서 흙의 변형은 무시한다. 5) 동결진행층에서 흙의 간극수압은 비동결 함수비에 관한 인자 (an unfrozen water content)에 의하여 지배된다. 6) 이력현상(hysteresis)이 일어나지 않는다. 7) 열 유동(heat transport)은 열 이류(advective) 성분을 포함한 간측열 유동(sensible heat transport)방정식에 의해 지배된다. 8) 비동결상태의 함수비는 온도에 무관하다. 9) 상변화(phase change)효과 및 수분효과는 분리절차(decoupled process)로 모델한다. 10) 동결·융해는 등열상변화 과정(isothermal phase change)으로 가정한다. 11) 융해과정에서는 융해영역에서 침하가 지배적이며, 압밀효과는 무시한다. 12) 상수는 시간에 따라 일정하다.

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Gary L. Guymon, Richard L. Berg and Theodore V. Hromadka, 1993, Mathematical Model of Frost Heave and Thaw Settlement in Pavements, CRREL Report. 93-2.
Guy O., Jean-Marie K. and Marius R., 1999, Deterioration Model for Pavements in Frost Conditions, Transportation Research Record 1655, TRB, National Research Council, 110-117.
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Susan R. B and Richard L. B., 1996, Modeling of Mn/ROAD Test sections with the CRREL Mechanicstic Pavement Design Procedure, Special Report. 96-21.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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