도로포장 표면조사와 FWD정보에 기반한 도심지 도로포장 유지보수 기법 개선방안 연구 A Study of Improvement of Urban Pavement Maintenance Technique based on Pavement Condition Evaluation and FWD Data원문보기
서울시 도로는 교통하중, 도로포장 노후화 및 잦은 굴착복구 등의 열악한 도로조건으로 인하여 도로포장 수명이 기대수명에 미치지 못하여 효율적 도로포장관리(Pavement Management System, PMS)와 적절한 유지보수 시기가 요구된다. 본 연구에서는 도로의 표면상태조사와 FWD(Falling Weight Deflectometer)기반 조사를 통하여 장기 공용성 구간의 보수우선 순위를 선정하고 각 지수에 따른 우선순위의 상관도를 분석하여 명확한 포장상태 평가와 타당한 공법 및 시기의 선정에 도움이 되고자 한다. 이를 위해 서울특별시의 장기 공용성 구간(Long Term Performance Pavement, LTPP)을 활용하여 표면상태조사를 통해 균열, 소성변형, 종단평단성을 측정하였고 서울포장평가지수인 SPI(Seoul Pavement Index)로 포장상태를 나타내었다. 또한 동일 구간에 대해 FWD시험을 통한 처짐량과 코어채취에 의한 포장두께 자료를 이용하여 포장층의 탄성계수를 역산하고 허용 교통량을 산정하여 실제 교통량과 허용 교통량을 비교 후 잔존수명을 추정하였다. 이를 통하여 도출된 포장상태 지수와 포장지지력에 따른 잔존수명을 비교분석하였다. 결과적으로 표면상태지수인 Crack, Rutting, IRI(International Roughness Index) 값들의 보수 우선순위와 지지력에 의한 보수 우선순위를 분석하여 보수 우선순위에 따른 포장상태지수와 포장지지력의 상관성을 검토하였다. 그 결과, 균열과 소성변형에 대하여 R-square 값이 0.65이상으로 상관도가 높은 반면, 종단평탄성과 그 값을 포함한 SPI와의 상관도는 비교적 낮은 수준을 나타내었다.
서울시 도로는 교통하중, 도로포장 노후화 및 잦은 굴착복구 등의 열악한 도로조건으로 인하여 도로포장 수명이 기대수명에 미치지 못하여 효율적 도로포장관리(Pavement Management System, PMS)와 적절한 유지보수 시기가 요구된다. 본 연구에서는 도로의 표면상태조사와 FWD(Falling Weight Deflectometer)기반 조사를 통하여 장기 공용성 구간의 보수우선 순위를 선정하고 각 지수에 따른 우선순위의 상관도를 분석하여 명확한 포장상태 평가와 타당한 공법 및 시기의 선정에 도움이 되고자 한다. 이를 위해 서울특별시의 장기 공용성 구간(Long Term Performance Pavement, LTPP)을 활용하여 표면상태조사를 통해 균열, 소성변형, 종단평단성을 측정하였고 서울포장평가지수인 SPI(Seoul Pavement Index)로 포장상태를 나타내었다. 또한 동일 구간에 대해 FWD시험을 통한 처짐량과 코어채취에 의한 포장두께 자료를 이용하여 포장층의 탄성계수를 역산하고 허용 교통량을 산정하여 실제 교통량과 허용 교통량을 비교 후 잔존수명을 추정하였다. 이를 통하여 도출된 포장상태 지수와 포장지지력에 따른 잔존수명을 비교분석하였다. 결과적으로 표면상태지수인 Crack, Rutting, IRI(International Roughness Index) 값들의 보수 우선순위와 지지력에 의한 보수 우선순위를 분석하여 보수 우선순위에 따른 포장상태지수와 포장지지력의 상관성을 검토하였다. 그 결과, 균열과 소성변형에 대하여 R-square 값이 0.65이상으로 상관도가 높은 반면, 종단평탄성과 그 값을 포함한 SPI와의 상관도는 비교적 낮은 수준을 나타내었다.
The objective of this paper is to support accurate pavement condition assessment and decision of proper maintenance method and time by conducting visual inspection and calculating the remaining life of pavement from falling weight deflectometer(FWD) data. Each was implemented in the same long-term p...
The objective of this paper is to support accurate pavement condition assessment and decision of proper maintenance method and time by conducting visual inspection and calculating the remaining life of pavement from falling weight deflectometer(FWD) data. Each was implemented in the same long-term performance pavement(LTPP) sections. Visual inspection was executed to measure pavement condition indices such as crack, rutting and international roughness index(IRI) and the Seoul Pavement Index(SPI) was calculated based on these results. The dynamic modulus was back-calculated from the FWD data. The remaining pavement lives were determined from equivalent single axle loading(ESAL) and FWD data. Correlation of maintenance priority by each result value was examined. Consequently, the correlation between remaining life to Crack and Rutting was higher than the other factors or indicesbecause IRI is not related to FWD value and SPI value consists with IRI value and other indices. The R-square value of correlation of FWD with Crack and Rutting was 0.65, which indicated an insufficient correlation. Consequently, when decision of maintenance of method, time, etc. is determined, FWD data have to be considered with Crack and Rutting because of those relations.
The objective of this paper is to support accurate pavement condition assessment and decision of proper maintenance method and time by conducting visual inspection and calculating the remaining life of pavement from falling weight deflectometer(FWD) data. Each was implemented in the same long-term performance pavement(LTPP) sections. Visual inspection was executed to measure pavement condition indices such as crack, rutting and international roughness index(IRI) and the Seoul Pavement Index(SPI) was calculated based on these results. The dynamic modulus was back-calculated from the FWD data. The remaining pavement lives were determined from equivalent single axle loading(ESAL) and FWD data. Correlation of maintenance priority by each result value was examined. Consequently, the correlation between remaining life to Crack and Rutting was higher than the other factors or indicesbecause IRI is not related to FWD value and SPI value consists with IRI value and other indices. The R-square value of correlation of FWD with Crack and Rutting was 0.65, which indicated an insufficient correlation. Consequently, when decision of maintenance of method, time, etc. is determined, FWD data have to be considered with Crack and Rutting because of those relations.
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문제 정의
이에 따라, 본 연구에서는 도심지 도로파손 원인 분석및 대응 방안 수립 근거자료로 활용하기 위해 지정된 장기간 공용성 조사구간(Long Term Performance Pavement, 이하 LTPP)을 연구범위로 설정하고, 표면상태 분석인 포장상태조사와 더불어 포장체의 지지력 감소로 인한 파손의 영향을 분석하기 위해 하부상태 분석 방법인 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 활용하는 포장체 평가와 분석을 진행하였다.
가설 설정
이를 통하여 포장체의 현재 구조적 상태를 규명하고, 이 값들과 구조해석 프로그램인 KENLAYER를 사용하여 응력과 변형률을 계산 하였다. 포장체 구조해석 시 아스팔트 탄성계수는 FWD 역산 탄성계수 결과의 85%값을 사용하였고 보조기층 두께는 300mm로 가정하였다.
포장체 내부 응력과 변형률 계산을 4계절로 나누어 수행하였으며 겨울철, 봄과 가을, 여름철의 대표온도를 각각 6℃, 25℃, 45℃로 가정하였다.
제안 방법
FWD처짐값과 아스팔트층 포장두께를 이용하여 역산한 아스팔트층, 보조기층, 노상층의 탄성계수를 사용하여 LTPP구간 포장의 허용교통량을 계산하여 현재까지의 공용기간을 포함한 총수명과 잔존수명을 예측하였다. 이 구간의 잔존수명은 1∼5년으로 결정되었다.
Fig. 2에서와 같이 각각의 표면상태 지수 기반의 보수 우선순위등급과 지지력을 기반의 우선순위등급을 비교 분석해보았다.
본 연구에서 도로포장의 잔존수명을 예측하기 위해 역학적-경험적 설계 방법(Mechanical Empirical Pavement Design Guide, MEPDG)의 개념을 사용하였다. Fig.1과 마찬가지로 FWD 정보와 코어 채취 정보를 사용하여 포장층의 탄성계수를 역산하였다. 이를 통하여 포장체의 현재 구조적 상태를 규명하고, 이 값들과 구조해석 프로그램인 KENLAYER를 사용하여 응력과 변형률을 계산 하였다.
SPI는 포장의 상태를 0∼10점으로 정량적으로 표현하며 값이 클수록 우수한 포장상태이다. Table 2.에서와 같이 Crack, Rutting, IRI 값을 이용하여 보수 기준에 근거하여 산출식을 개발하였다. 또한 Table 3.
은 ADT 자료를 이용하여 실제 연평균 교통량을 산정하고 등가단축하중을 계산하였으며 그리고 구간별 피로균열과 소성변형에 의하여 파손되기까지의 허용교통량을 산정하였다. 그리고 총 수명을 계산하고 공용기간을 제외한 잔존 수명을 결정하였다.
도로포장의 잔존수명은 현재까지 공용기간을 포함한총 수명을 계산을 하고 연평균교통량이 허용교통량에 먼저 도달하는 기간을 잔존수명으로 결정하였다.
그러나 도로함몰 등 도시안전에 관련된 긴급현안으로 인해 LTPP 구간의 조사가 원활히 진행되지 못하였다. 따라서 본 연구는 총 19개 노선 23개소의 LTPP구간에 대해 노면상태평가와 현장코어채취를 통한 포장체 두께 조사 그리고 FWD를 통한 구조적 지지력 평가 및 잔존수명을 산정하여 도로 포장체의 전반적인 표면과 하부상태를 평가 분석하였다. Table 1.
따라서 본 연구에서는 공용 후 5년 경과된 구간(2010년에서 2011년 사이)중 도시고속도로, 주간선도로, 보조 간선도로, 중앙버스전용차로에 대해 대표 재료인 일반아스팔트 콘크리트와 개질아스팔트 콘크리트 포장 재료가 적용된 위의 Table 8.에서의 코어채취 결과를 보다시피 총 10개 노선 20개의 해당구간만을 대상으로 현장 코어채취 및 FWD 지지력 조사를 시행하였다. 서부간선의 경우는 층별 구분이 어려워 확인이 불가하였고, 공항대로는 하부 포장층 재발견으로 심도의 정확도가 낮아졌다.
표준 시험 방법은 ASTM 4694-96(Standard Test Method for Deflections with a Falling Weight Type Impulse Load Device)를 준수한다[5]. 본 연구에서는 haversine의 하중 파형을 나타내며 표준 재하하중, 재하 시간 그리고 재하판의 직경은 각각 40kN, 30ms, 그리고 300mm로 설정하였다. 또한, 본 연구에서 사용된 FWD 장비는 서울시 품질시험소에서 보유한 KUAB사의 제품이며 10개 노선 20개 구간에 각 3회 측정하여 현장시험을 진행하였다.
본 연구에서는 현장 시험을 통해 얻어진 FWD 결과, 현장 채취코어를 통해 확인한 아스팔트층의 두께, 그리고 서울시도의 일반적인 보조기층 설계두께 30cm를 입력값으로 설정하여 Modulus 5.0을 통해 탄성계수를 역산하였다. 탄성계수는 각 포장층의 구조적 상태와 지지력 평가 시에 사용되며, 잔존수명 예측의 입력변수로 이용된다.
코어채취와 마찬가지로 LTPP구간 10개 노선 20개 구간에 대하여 FWD 시험을 실시하였다. FWD 시험은 100m 마다 3회 실시하여, 하중재하판 중앙의 D0센서와 하중재하판 중앙에서 150cm 이격된 거리에 위치한 D7센서에서 측정된 처짐값을 취득하였다.
도로 포장 상태에 따라 효율적이며 적절한 평가를 시행하기 위해 LTPP 구간을 일반 조사 분석(General Performance Study, GPS)구간과 특이 조사 분석(Specific Pavement Study, SPS) 구간으로 나누어 수행하고 있다. 특이 조사 구간은 파손이 과도하게 발생하거나 특수공법이 적용된 구간으로 일반조사 구간과 마찬가지로 현장 포장상태, 포장 재료의 물성 시험 등의 분석을 장기간 지속적으로 수행하여 정보를 DB형태로 수집 및 관리하여 파손의 원인분석, 공법 평가, 유지보수 공법 선정에 적극 활용한다.
대상 데이터
코어채취와 마찬가지로 LTPP구간 10개 노선 20개 구간에 대하여 FWD 시험을 실시하였다. FWD 시험은 100m 마다 3회 실시하여, 하중재하판 중앙의 D0센서와 하중재하판 중앙에서 150cm 이격된 거리에 위치한 D7센서에서 측정된 처짐값을 취득하였다. 평균값, 표준편차, 변동계수를 구하여 다음 Table 9.
본 연구에서는 haversine의 하중 파형을 나타내며 표준 재하하중, 재하 시간 그리고 재하판의 직경은 각각 40kN, 30ms, 그리고 300mm로 설정하였다. 또한, 본 연구에서 사용된 FWD 장비는 서울시 품질시험소에서 보유한 KUAB사의 제품이며 10개 노선 20개 구간에 각 3회 측정하여 현장시험을 진행하였다.
총 23개소 LTPP구간의 재포장(보수)년도는 2005년∼2011년도로 평균 공용기간은 6.2년이며, 보수재료는 일반, 개질 재생, 배수성 아스팔트포장 재료를 적용하였다[2].
데이터처리
1과 마찬가지로 FWD 정보와 코어 채취 정보를 사용하여 포장층의 탄성계수를 역산하였다. 이를 통하여 포장체의 현재 구조적 상태를 규명하고, 이 값들과 구조해석 프로그램인 KENLAYER를 사용하여 응력과 변형률을 계산 하였다. 포장체 구조해석 시 아스팔트 탄성계수는 FWD 역산 탄성계수 결과의 85%값을 사용하였고 보조기층 두께는 300mm로 가정하였다.
이론/모형
본 연구에서 도로포장의 잔존수명을 예측하기 위해 역학적-경험적 설계 방법(Mechanical Empirical Pavement Design Guide, MEPDG)의 개념을 사용하였다. Fig.
)가 중요한 인자로 사용된다. 본 연구에서는 수직변형률과 노상의 회복탄성계수간의 연관성이 중요하다고 판단하여 미국 아스팔트 협회(Asphalt Institute)[9]의 산 정식을 참고하여 아스팔트층의 피로균열과 노상층의 소성변형을 계산하기 위해 각각 식(3), (4)를 사용하였다[10].
이 시스템에는 포장체의 총 두께 정보는 제공되나 각 층별 두께 정보는 존재하지 않는다. 이를 극복하기 위해 텍사스 교통국은 구조적 강성지수(Structural Strength Index, SSI)를 사용하나, 추가적으로 구조적 강성지수를 보완하기 위한 상대 강도계수(Structural Number, SN)와 구조적 상태지수 (Structural Condition Index, SCI)를 사용하며, 이는 또한 포장의 평가 도구로써 유지보수형식의 결정 자료로 활용된다[6].
환산누계등가교통량을 산정하기 위해 본 연구에 적용된 등가단축하중(ESAL)의 산정은 아래의 식(5)를 적용하였다. 트럭계수는 AASHTO 설계법에서 제시하고 있는 자료인 도심지역 Other Principal 트럭계수를 참고하였다[9].
도로 표면에 순간적인 충격 하중을 전달한 후 포장체의 처짐량을 측정하며 NDT 방법 중에서도 처짐에 근거한 시험법(Deflection Basin Method)이다[4]. 표준 시험 방법은 ASTM 4694-96(Standard Test Method for Deflections with a Falling Weight Type Impulse Load Device)를 준수한다[5]. 본 연구에서는 haversine의 하중 파형을 나타내며 표준 재하하중, 재하 시간 그리고 재하판의 직경은 각각 40kN, 30ms, 그리고 300mm로 설정하였다.
성능/효과
은 총 19개 노선 23개소(보수재료별 구분 시 25개소)로 LTPP구간의 표면상태조사결과이다. Crack, Rutting, IRI 값의 평균은 각각 4.4, 6.4, 2.9를 나타내며, 그 값들을 이용하여 SPI를 산출하였고, 평균 SPI는 7.1로 나타났다.
65이상으로 상관도가 높은 수준으로 나타나고 있다. 이는 본 연구에서 사용한 파손모형이 피로균열과 소성변형을 중심으로 해석되어 잔존수명을 결정하였기 때문에 IRI(종단 평탄성)의 경우 하부 지지력과는 상관도가 매우적은 수준으로 나타났고 SPI의 경우도 Rutting, Crack, IRI가 모두 포함된 지수이므로 상관도가 비교적 낮아지는 것으로 나타났다.
즉 소성변형과 균열 각각의 단일변수에 따른 잔존수명 예측결과와의 R2인 0.65, 0.69인 것보다 두 인자가 동시 고려된 다중변수에 따른 R2=0.75로 더 높은 상관성을 나타내었다. 따라서 포장상태 평가시 소성변형 및 균열과 함께 FWD조사에 의한 처짐값을 함께 고려하여, 보다 정확한 보수우선순위를 찾아낼 수 있을 것이다.
후속연구
따라서 대표노선 선정 후 LTPP구간으로 지정하고 시공 예정구간의 코어를 채취하여 기존 포장의 두께 및 하부상태를 파악하여야 한다. FWD 조사를 실시하여 하부층의 지지력을 계절별로 조사하고, 정확한 교통량을 산정, 자동포장 표면상태 조사장비를 활용하여 노면결함 결과와 함께 시공 시 적용공법의 배합설계 자료에서부터 시공구간의 단면두께 설계자료, 시공 시 유의사항 등 유관된 상세자료를 DB화하여 추적조사를 지속적으로 실시해야 한다. 즉, 하부상태 조사 분석 결과와 함께 표면상태 조사 분석 결과를 통합관리하고, 지속적인 장기 공용성 추적조사 결과를 활용하여 다양한 조건에 따른 도심지 도로포장의 공용성에 대한 문제점을 분석 평가하고그 결과를 통해 내구성 및 공용수명 증진방안을 제시할 수 있을 것이다.
따라서 구체적인 장기 공용성 향상과 공법의 적용 여부 결정 근거자료로 활용될 수 있는 종합적이며 효율적인 포장체의 평가 분석이 요구된다. 현재 포장상태를 평가하고 유지보수 방법과 시기를 결정하는 대표적인 포장상태조사는 도로표면 조사를 중심으로 이루어지고 있다.
즉, 도로의 위치, 교통량, 노상상태 등 각각의 환경조건이 다르므로 표면상태(Visual Inspection) 결과만으로는 도로포장 상태를 정확히 판단하기가 어렵다. 따라서 추가적으로 지지력 기반의 공용성 평가모형 개발 및 적용이 선행되어져야할 과제이기는 하지만, 포장 유지보수 우선순위 결정시 표면상태조사(Rutting 및 Crack 파손정도) 결과와 함께 지지력 기반의 FWD 조사 분석 결과를 함께 반영한다면, 상대적으로 더욱 적정한 시기와 대상구간에 유지보수가 시행됨으로, 공용성이 개선된 안전한 도로포장을 시민에게 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
75로 더 높은 상관성을 나타내었다. 따라서 포장상태 평가시 소성변형 및 균열과 함께 FWD조사에 의한 처짐값을 함께 고려하여, 보다 정확한 보수우선순위를 찾아낼 수 있을 것이다.
FWD 조사를 실시하여 하부층의 지지력을 계절별로 조사하고, 정확한 교통량을 산정, 자동포장 표면상태 조사장비를 활용하여 노면결함 결과와 함께 시공 시 적용공법의 배합설계 자료에서부터 시공구간의 단면두께 설계자료, 시공 시 유의사항 등 유관된 상세자료를 DB화하여 추적조사를 지속적으로 실시해야 한다. 즉, 하부상태 조사 분석 결과와 함께 표면상태 조사 분석 결과를 통합관리하고, 지속적인 장기 공용성 추적조사 결과를 활용하여 다양한 조건에 따른 도심지 도로포장의 공용성에 대한 문제점을 분석 평가하고그 결과를 통해 내구성 및 공용수명 증진방안을 제시할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FWD 시험은 무엇인가?
FWD 시험은 대표적인 비파괴시험(NDT, NonDestructive Testing)으로 포장의 구조적 지지력 및 건전성을 평가한다. 도로 표면에 순간적인 충격 하중을 전달한 후 포장체의 처짐량을 측정하며 NDT 방법 중에서도 처짐에 근거한 시험법(Deflection Basin Method)이다[4].
육안조사 중심의 포장상태공사의 단점은 무엇인가?
그러나 육안조사를 중심으로 한 포장상태조사는 포장 체의 표면 상태를 위주로 평가하므로, 실제 도로포장이 노후화 및 유지보수작업으로 인해 지지력이 저하된 상태 이면 조기에 포장이 손상될 가능성이나, 유지보수 결정에 적절한 판단 및 선정에 어려움이 발생한다[1].
상당량의 교통하중 그리고 잦은 굴착복구 등은 도로에 어떤 문제를 야기하는가?
근래의 서울시 도로는 포장의 노후화와 더불어 급증한 상당량의 교통하중 그리고 잦은 굴착복구 등으로 인해 매우 열악한 환경에 놓여 있다. 이는 포트홀, 균열 및 침하, 소성변형 등과 같은 주요 파손을 발생시키며 급격한 공용성능의 저하와 포장수명의 단축을 야기한다. 이로 인한 도로 사용자의 안전 문제와 유지보수 증가에 따른 교통체증 발생과 비용증가는 큰 손실이 되며 효율적 유지보수와 공용성 확보가 요구되는 이유이다
참고문헌 (11)
The Seoul Institute, Policy project research report, Development of Integrated Pavement Management Policies in Seoul, Vol. 12, pp. 1-191, 2011.
Seoul Metropolitan Government Pavement Research Center, Evaluation on Sub-layer of Long-Term Pavement Performance Sections Analysis Research Report, Quality Inspection Office Division, Seoul Metropolitan Government, 2015.
Seoul Metropolitan Government, Condition Survey and Pavement Evaluation Report, 2013.
R. Foinquinos, "Dynamic Nondestructive Testing of Pavements", Geotechnical Eng Center University of Texas at Austin, Report No. GR95-4, 1995.
Annual Book of ASTM Standards, ASTM D 4694-96, Standard Test Method for Deflections with a falling weight type impulse load device. Section 4, Volume 04.03, 1996.
Z. Zhang, G. Claros, L. Manuel, I. Damnjanovic, "Evaluation of The Pavement Structural Condition at Network Level Using Falling Weight Deflectometer (FWD) Data", The 82nd Annual Meeting of the Transportation Research Board. Washington. D. C, 2003.
A. Noureldin, K. Zhu, S. Li, D. Harris, "Network Pavement Evaluation With Falling Weight Deflectometer and Ground Penetrating Radar", Transportation Research Board 1860, pp. 90-99, 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.3141/1860-10
E. O. Lukanen, R. Stubstad, R. Briggs, "Temperature Predictions and Adjustment Factors for Asphalt Pavement," FHWA, U.S. Department of Transportation, FHWA-RD-98-085, 2000.
Asphalt Institute, Thickness Design-Asphalt Pavement for Highway & Street, Manual Series No. 1, 1991.
Huang, Y, "Pavement Analysis and Design", Prentice Hall. University of Kentucky, 1993.
American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, 1993.
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