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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 침투도랑으로 인한 수분침투가 도로 공용성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 침투도 랑의 모사실험 및 현장실험을 실시하여 우수 침투에 따른 노상의 함수비 변화를 분석하여 수분침투에 의한 도로 공용성에 미칠 영향을 분석하고자 한다.
- 본 연구는 도로인접에 설치된 침투도랑에 의한 도로 하부구조 함수비 변화를 분석하고 이에 따른 도로 공용 성에 대한 영향을 역학적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 도로포장 하부 함수비 계측, 함수비 변화에 따른 도로 공용성 분석을 통한 도로 안정성을 평가하였다.
가설 설정
- 노상토는 국내에서 가장 흔하게 분포하고 있는 SG-5(111.2MPa)와 SG-7(136MPa)을 각각 세립질과 조립질 토양으로 가정하고, 보조기층과 마찬가지로 실제차량이 유발하는 구속응력과 축차응력을 고려하여 13단계의 탄성계수를 이용하였다.
- 분석에 사용된 일평균 교통량은 국내의 고속국도, 일반국도, 지방도의 일평균교통량을 사용하였다(국토부, 2014). 또한 교통량에 대한 도로 공용성 민감도를 분석하기 위해 도로등급에 따라 국내 일평균교통량을 기준 으로 11개의 교통량을 가정하여 도로 공용년수를 분석 하였다.
- 함수비 변화에 따른 도로 공용성 분석은 일반도로와 도로인접에 침투도랑이 설치된 도로의 공용성을 비교 분석하였다. 일반적인 도로포장의 노상 탄성계수는 국내에 가장 넓게 분포되어 있는 SG-5와 SG-7을 세립 집, 조립질 토양으로 구분하여 최적 함수비 상태의 탄성 계수를 일반적인 노상의 탄성계수로 가정하였다(Table 3). 또한 침투도랑과 인접하여 설치된 함수비 계측 센서의 최대 함수비 변화율(2.
- 프로그램에 사용된 포장의 두께는 실제 현장에서 시공된 값을 활용하였으며, 포아송비는 각 층별 일반적인 값을 가정하여 사용하였고(Huang, 1993) 노상의 탄성 계수는 함수비에 따라 다르게 적용하였다(Table 1).
제안 방법
- 피로모형은 Ai Fatigue Model을 활용하였으며, 주요변수 중 탄성계수는 아스팔트 기층의 일반적인 값인 200,000psi를 적용하였으며, 인장변형률은 이전 분석절차에서 계산된 함수비와 도로등급에 따른 인장변형률을 활용하였다. Ai Fatigue Model을 통하여 산정된 축하중반복허용 횟수를 도로등급에 따른 일평균교통량에 따라 등가단축 하중횟수로 환산하여 도로 등급에 따른 공용년수를 예측하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 실제 강우에 따른 도로인접에 설치된 침투도랑으로 유입된 우수가 도로하부구조에 미치는 영향을 분석하고자 모사도로와 실제도 로에 현장 실험을 설계하고 함수비를 계측할 수 있도록 센서를 매설하여 노상의 함수비 변화를 모니터링 하였 다. 그리고 피로모형 AI Fatigue model을 활용하여 침투도랑 설치에 따른 도로의 기대수명을 예측하였다.
- 다 층 탄 성 프 로 그 램 인 Kenpave의 ASPALT KENLAYER를 이용하여 노상 탄성계수에 따른 Critical responses를 구했다. 도로 포장 공용성 분석을 위한 Critical responses는 아스팔트 기층의 하부 인장 변형률로 Kenpave 프로그램을 활용하여 분석하였다.
- 도로에 인접하여 설치된 침투도랑이 도로 공용성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 피로모형을 이용하여 포장의 공용성을 예측하였다. 피로모형은 Ai Fatigue Model을 활용하였으며, 주요변수 중 탄성계수는 아스팔트 기층의 일반적인 값인 200,000psi를 적용하였으며, 인장변형률은 이전 분석절차에서 계산된 함수비와 도로등급에 따른 인장변형률을 활용하였다.
- 도로인접에 설치된 침투도랑으로 인한 도로의 공용수 명을 예측하기 위하여 다층 탄성프로그램인 KENPAVE 의 ASPALT KENLAYER에 Table 1과 같은 기본 입력 변수를 설정하고 노상 탄성계수에 따른 Critical responses를 산정하여 도로 포장체의 거동특성을 분석하였다.
- 등가단축하중은 임의포장구조에 대한 표준단축하중의 1회 통과당 피해도와 동일포장구조에 임의크기를 가지는 단축하중의 1회 통과에 따른 피해도의 비로 정의되는 값으로 본 연구에서는 ACPA(American Concrete Pavement Association)에서 제공하는 등가단축하중 웹 프로그램을 사용하여 국내 도로등급에 따른 일평균 교통량을 등가단축하중횟수로 변환하여 산정하였다.
- 1%의 노상탄성계수 9,941psi를 사용하였다. 또한 도로의 등급에 따라 일반적인 포장층의 두께를 선정하여 고속국도, 일반국도, 지방도의 도로 등급에 따른 포장의 Critical reponses를 분석하였다.
- 일반적인 포장의 공용성을 산정하기 위하여 표층과 기층의 탄성계수는 국내 아스팔트 포장 물성의 기준을 활용하였다. 또한 보조기층의 경우 시공 시 주로 사용되는 골재 SB-2를 기준으로 탄성계수를 설정하였으며, 실제차량이 유발하는 구속응력과 축차응력을 고려하여 SB-2의 3단계에 해당하는 응력상태 145MPa을 적용 하였다.
- 일반적인 도로포장의 노상 탄성계수는 국내에 가장 넓게 분포되어 있는 SG-5와 SG-7을 세립 집, 조립질 토양으로 구분하여 최적 함수비 상태의 탄성 계수를 일반적인 노상의 탄성계수로 가정하였다(Table 3). 또한 침투도랑과 인접하여 설치된 함수비 계측 센서의 최대 함수비 변화율(2.1%)을 반영하여 강우 시 침투 도랑이 도로에 미치는 영향으로 설정하였다. 일반도로와 침투도랑이 시공된 도로의 함수비 변화에 따른 노상의 탄성 계수를 예측하여 Kenpave 프로그램을 통해 도로의 축하중반복허용 횟수를 비교 분석하였다.
- 모사도로와 실제도로의 함수비를 계측하기 위한 센서는 TSE사의 MTS와 MTA 함수비 계측기를 현장실험지 역에 매설하여 함수비 변화를 관측하였다.
- 실제도로와 모사도로에 매립된 함수비 센서를 데이터 로거와 유선으로 연결하여 함수비 데이터를 30분 간격 으로 측정하였으며, 살수 및 기타 상황에 따라 10분 간격으로 측정하여 함수비 데이터를 수집하였다. 수집된 함수비 데이터는 기상청의 일별 강우량과 비교 분석하였다.
- LID 시설인 침투도랑이 도로 공용성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다음과 같은 연구를 진행하였다. 우선 침투수 유입에 따른 도로하부구조의 유체거동과 포장골재 및 노상의 함수비 변화를 역학적으로 예측하기 위하여 Geo-studio사의 Vadose/W 유한요소 해석프 로그램을 이용하여 침투도랑이 도로포장 하부 함수비 변화에 미치는 영향을 분석하였다(Jung et al, 2015). 유한요소 해석결과 침투도랑은 4~5mm/hr의 약한 강우에서도 도로포장하부의 함수비에 영향을 미치며, 100mm/day 이상의 강우강도에서 침투도랑에 우수의 지속적인 유입으로 도로구조에 악영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 유한요소 해석결과 침투도랑은 4~5mm/hr의 약한 강우에서도 도로포장하부의 함수비에 영향을 미치며, 100mm/day 이상의 강우강도에서 침투도랑에 우수의 지속적인 유입으로 도로구조에 악영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 바탕으로 실제 강우에 따른 도로인접에 설치된 침투도랑으로 유입된 우수가 도로하부구조에 미치는 영향을 분석하고자 모사도로와 실제도 로에 현장 실험을 설계하고 함수비를 계측할 수 있도록 센서를 매설하여 노상의 함수비 변화를 모니터링 하였 다. 그리고 피로모형 AI Fatigue model을 활용하여 침투도랑 설치에 따른 도로의 기대수명을 예측하였다.
- 본 연구는 도로인접에 설치된 침투도랑에 의한 도로 하부구조 함수비 변화를 분석하고 이에 따른 도로 공용 성에 대한 영향을 역학적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 도로포장 하부 함수비 계측, 함수비 변화에 따른 도로 공용성 분석을 통한 도로 안정성을 평가하였다.
- 1%)을 반영하여 강우 시 침투 도랑이 도로에 미치는 영향으로 설정하였다. 일반도로와 침투도랑이 시공된 도로의 함수비 변화에 따른 노상의 탄성 계수를 예측하여 Kenpave 프로그램을 통해 도로의 축하중반복허용 횟수를 비교 분석하였다.
- 침투도랑에 유입되는 우수로 인한 도로구조 하부의 함수비변화가 도로구조 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모사도로와 실제도로에 현장 실험을 설계하였다.
- 함수비 변화에 따른 도로 공용성 분석은 일반도로와 도로인접에 침투도랑이 설치된 도로의 공용성을 비교 분석하였다. 일반적인 도로포장의 노상 탄성계수는 국내에 가장 넓게 분포되어 있는 SG-5와 SG-7을 세립 집, 조립질 토양으로 구분하여 최적 함수비 상태의 탄성 계수를 일반적인 노상의 탄성계수로 가정하였다(Table 3).
- 현장실험에 사용된 실제도로는 폭 12m, 침투도랑 간의 간격 20m, 편경사 2%이며, 표층, 기층, 보조기층으로 구성된 일반적인 아스팔트 도로에 현장 실험지를 설계하였으며, 강우 시 침투도랑의 우수 유입으로 인한 수분 침투가 도로 공용성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 현장실험의 모사도로는 한차로만으로 모사하여 전체 폭은 4m(도로포장 3m, 침투도랑 1m), 길이 10m, 편경사 2%로 시공하였으며, 도로의 각층은 일반적인 아스팔트 도로와 같은 표층, 기층, 보조기층으로 구성하고 침투도랑은 도로의 편경사를 통해 모여진 우수를 처리할 수 있도록 도로 갓길에 붙여 설치하였다. 또한 함수비 센서는 도로 중앙 하부에 2개, 침투도랑 옆 도로 하부에 2개, 총 4개의 함수비 센서를 설치하였다.
대상 데이터
- 도로 포장 공용성 분석을 위한 Critical responses는 아스팔트 기층의 하부 인장 변형률로 Kenpave 프로그램을 활용하여 분석하였다. 노상의 탄성계수는 최적 함수비 상태의 탄성계수 19,725psi와 함수비 변화율 2.1%의 노상탄성계수 9,941psi를 사용하였다. 또한 도로의 등급에 따라 일반적인 포장층의 두께를 선정하여 고속국도, 일반국도, 지방도의 도로 등급에 따른 포장의 Critical reponses를 분석하였다.
- 따라서 일반도로와 침투도랑이 시공된 도로의 공용성 분석에 사용된 탄성계수는 함수비 변화율 2.1%의 노상 탄성계수에 해당하는 9,941psi로 설정하였다.
- 모사도로에 설치된 데이터 로거의 수집된 함수비를 분석하기 위하여 함수비 계측이 실시된 기간동안 천안 기상대에 관측된 기상청의 기후데이터를 수집하였다.
- 분석에 사용된 일평균 교통량은 국내의 고속국도, 일반국도, 지방도의 일평균교통량을 사용하였다(국토부, 2014). 또한 교통량에 대한 도로 공용성 민감도를 분석하기 위해 도로등급에 따라 국내 일평균교통량을 기준 으로 11개의 교통량을 가정하여 도로 공용년수를 분석 하였다.
데이터처리
- 다 층 탄 성 프 로 그 램 인 Kenpave의 ASPALT KENLAYER를 이용하여 노상 탄성계수에 따른 Critical responses를 구했다. 도로 포장 공용성 분석을 위한 Critical responses는 아스팔트 기층의 하부 인장 변형률로 Kenpave 프로그램을 활용하여 분석하였다. 노상의 탄성계수는 최적 함수비 상태의 탄성계수 19,725psi와 함수비 변화율 2.
- 실제도로와 모사도로에 매립된 함수비 센서를 데이터 로거와 유선으로 연결하여 함수비 데이터를 30분 간격 으로 측정하였으며, 살수 및 기타 상황에 따라 10분 간격으로 측정하여 함수비 데이터를 수집하였다. 수집된 함수비 데이터는 기상청의 일별 강우량과 비교 분석하였다.
이론/모형
- 포장의 공용성 모형은 도로 포장의 Critical Responses 를 통해 포장체의 거동 특성을 분석하여 포장의 설계 수명을 예측한다. 본 연구에서는 AASHO road test(Huang, 2004)를 통해 개발된 AI Fatigue model을 활용하여 도로의 공용수명을 예측하였다(Eq. (1)).
- 일반적인 포장의 공용성을 산정하기 위하여 표층과 기층의 탄성계수는 국내 아스팔트 포장 물성의 기준을 활용하였다. 또한 보조기층의 경우 시공 시 주로 사용되는 골재 SB-2를 기준으로 탄성계수를 설정하였으며, 실제차량이 유발하는 구속응력과 축차응력을 고려하여 SB-2의 3단계에 해당하는 응력상태 145MPa을 적용 하였다.
- 본 연구에서는 일반도로의 현장 실험 시 관측된 최소함수비이다. 탄성계수는 한국형포 장설계법의 함수비-탄성계수 모형에 따라 산정하였다. 분석 결과 일반도로의 노상함수비에 따른 노상탄성계수는 평균 19,725psi로 함수비가 0.
- 도로에 인접하여 설치된 침투도랑이 도로 공용성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 피로모형을 이용하여 포장의 공용성을 예측하였다. 피로모형은 Ai Fatigue Model을 활용하였으며, 주요변수 중 탄성계수는 아스팔트 기층의 일반적인 값인 200,000psi를 적용하였으며, 인장변형률은 이전 분석절차에서 계산된 함수비와 도로등급에 따른 인장변형률을 활용하였다. Ai Fatigue Model을 통하여 산정된 축하중반복허용 횟수를 도로등급에 따른 일평균교통량에 따라 등가단축 하중횟수로 환산하여 도로 등급에 따른 공용년수를 예측하였다.
성능/효과
- - 침투도랑 미설치 도로와 침투도랑이 설치된 도로의 공용년수는 2년 이하의 감소가 나타났다.
- - 침투도랑 미설치 도로와 침투도랑이 설치된 도로의 공용년수는 감소는 고속국도 : 약 12%, 일반국도및 지방도 : 약 20%로 포장의 두께에 따라 차이가 커지는 것으로 분석되었다.
- 강우에 따른 함수비 변화를 계측한 결과 모든 함수비 계측 센서의 초기 함수비는 16~19%로 일반적인 노상토의 초기함수비보다 높게 나타났다. 이는 모사도로의 노상토의 재질이 점토질에 가깝고, 함수비 계측 센서 매설시 주변의 다짐상태와 노상토의 입자가 완전히 동질된 상태가 아니기 때문에 생기는 차이로 판단된다.
- 공용성 분석에 활용된 도로등급은 일반적인 도로의 층두께로 일반국도 및 지방도의 층 두께는 현장실험 도로의총 포장층 두께보다 5cm 정도 두꺼운 것으로 나타났다.
- 노상의 함수비 증가에 따른 탄성계수의 변화를 살펴본 결과 0%의 함수비 변화율은 노상 함수비가 최적함 수비 상태를 보여준다. 본 연구에서는 일반도로의 현장 실험 시 관측된 최소함수비이다.
- 또한 강우에 의한 함수비 변화율은 실험기간 동안 내린 모든 강우에 대하여 2번 센서의 평균 함수비 변화율이 다른 센서보다 0.15% 높은 것으로 나타났다. 이는 침투도랑을 통하여 들어온 수분이 노상 골재의 모세관력에 의해 흡수됨에 따라 침투도랑과 인접하고 노상 상부에 위치한 2번 센서의 함수비 변화율이 크게 나타났다.
- 침투도랑의 유무와 도로등급에 따른 도로의 공용년수를 분석한 결과 모든 도로에서 침투도랑의 설치에 따라 2년 이하의 공용년수가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 고속도로의 경우 침투도랑 미설치 도로와 침투도랑이 설치된 도로의 공용년수는 약 12% 감소했으며, 일반 국도와 지방도의 경우 약 20%의 차이가 나타났다. 이러한 결과는 도로 등급이 높은 고속도로의 경우 표층의 두께가 일반국도나 지방도보다 두꺼워 도로하중을 지지하는 노상에 영향이 적기 때문이라 판단된다.
- 5%로 나타났다. 또한 초기 함수비를 기준으로 강우 시 각 센서들의 함수비 변화 폭은 최저 0.45%, 최대 2.1%로 변화폭을 보였다. 이는 실험대상지가 된 실제도로가 신설도로로서 도로표층의 파손이 작아 도로로 침투하는 우수의 양이 적고, 침투도랑을 통하여 유입된 우수가 노상의 함수비에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 모사도로의 함수비 분석은 토양조건과 도로의 구조가 분석에 적합하지 않았으나 강우 강도가 크고, 배수가 용이하지 않은 지역에서의 침투도랑으로 인하여 발생할 수 있는 영향을 예측할 수 있는 자료로 확보할 수 있었다. 강우로 인한 최고 함수비는 22.
- 탄성계수는 한국형포 장설계법의 함수비-탄성계수 모형에 따라 산정하였다. 분석 결과 일반도로의 노상함수비에 따른 노상탄성계수는 평균 19,725psi로 함수비가 0.5% 증가할 경우 노상 탄성계수는 평균 300psi 감소하였다.
- 분석 결과 침투도랑을 설치하지 않은 도로보다 침투 도랑을 설치한 도로가 인장 변형률이 높게 분석됐으며, 포장두께가 증가할수록 인장 변형률이 낮아졌다.
- 실제도로에서의 강우에 따른 함수비 변화를 분석한 결과 모든 센서에서 공통적으로 10mm 이상의 강우에서 함수비 변화를 보였다. 초기 함수비의 차이로 인하여 1, 2번 센서가 3번 센서보다 함수비 변화 폭이 크게 나타났다.
- 실제도로의 실험기간 동안(2015년 10월 13일~2015 년 12월 4일) 강우일수는 22일로 총강우량은 174mm, 평균 강우량은 8mm이었으며, 11월 6일부터 11월 22일까지의 기간 동안 강우(127mm)가 집중되는 것으로 나타났다.
- 위 결과를 통해 침투도랑으로 인한 우수의 포장하부 침투가 노상 함수비변화에 일정 수준 영향을 주는 것으로 분석되었으나 모사실험과 현장실험에서 관측된 함수비 변화율이 약 1%~2% 수준으로 나타났다. 또한 배수 환경 악화, 강우량의 증가에 따라 침투도랑으로 인하여 도로 공용성에 미치는 영향이 커질 수 있으나 관측된 함수비 변화율에 따른 공용년수 감소는 약 2년 이하로 분석되었다.
- 우선 침투수 유입에 따른 도로하부구조의 유체거동과 포장골재 및 노상의 함수비 변화를 역학적으로 예측하기 위하여 Geo-studio사의 Vadose/W 유한요소 해석프 로그램을 이용하여 침투도랑이 도로포장 하부 함수비 변화에 미치는 영향을 분석하였다(Jung et al, 2015). 유한요소 해석결과 침투도랑은 4~5mm/hr의 약한 강우에서도 도로포장하부의 함수비에 영향을 미치며, 100mm/day 이상의 강우강도에서 침투도랑에 우수의 지속적인 유입으로 도로구조에 악영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 바탕으로 실제 강우에 따른 도로인접에 설치된 침투도랑으로 유입된 우수가 도로하부구조에 미치는 영향을 분석하고자 모사도로와 실제도 로에 현장 실험을 설계하고 함수비를 계측할 수 있도록 센서를 매설하여 노상의 함수비 변화를 모니터링 하였 다.
- 침투도랑 설치 시 분석된 포장 두께에 따른 공용년수 감소를 고려하여 고속국도의 경우 일 교통량 25,000대 이하(침투도랑 설치 시 공용년수 약 10년), 일반국도의 경우 일 교통량 9,000대 이하(침투도랑 설치 시 공용년수 약 5년)의 지역에 설계해야 될 것으로 판단된다. 또한 일 교통량 8,000대 이하의 지방도의 경우 공용년수가 약 5년 이상으로 분석됨에 따라 설계자의 요구에 따라 침투도랑을 설치해도 될 것이라 판단되며 추후 침투 도랑 설치에 따른 공용년수 감소와 오염물 유출 처리비용 등 시설 및 환경적인 측면을 모두 고려한 경제성 분석을 통해 실용적인 침투도랑 설치 기준을 수립해야 할 것이다.
- 침투도랑의 유무와 도로등급에 따른 도로의 공용년수를 분석한 결과 모든 도로에서 침투도랑의 설치에 따라 2년 이하의 공용년수가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 고속도로의 경우 침투도랑 미설치 도로와 침투도랑이 설치된 도로의 공용년수는 약 12% 감소했으며, 일반 국도와 지방도의 경우 약 20%의 차이가 나타났다.
- 5%로 계측되었다. 특히 모사도로의 경우 높은 초기 함수비와 도로의 배수 조건이 좋지 않아 함수비 변화율이 1% 이하로 계측 되었으며, 현장도로의 경우 최대 2.1%의 함수비 변화율을 보였다.
후속연구
- 침투도랑 설치 시 분석된 포장 두께에 따른 공용년수 감소를 고려하여 고속국도의 경우 일 교통량 25,000대 이하(침투도랑 설치 시 공용년수 약 10년), 일반국도의 경우 일 교통량 9,000대 이하(침투도랑 설치 시 공용년수 약 5년)의 지역에 설계해야 될 것으로 판단된다. 또한 일 교통량 8,000대 이하의 지방도의 경우 공용년수가 약 5년 이상으로 분석됨에 따라 설계자의 요구에 따라 침투도랑을 설치해도 될 것이라 판단되며 추후 침투 도랑 설치에 따른 공용년수 감소와 오염물 유출 처리비용 등 시설 및 환경적인 측면을 모두 고려한 경제성 분석을 통해 실용적인 침투도랑 설치 기준을 수립해야 할 것이다.
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