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문제 정의
- 하지만 포장체 물성이 불량하거나 공동이 존재하여 하부지지력이 나빠지는 경우 처짐량이 비선형적으로 증가할 수 있다. 따라서 처짐량 분석 이전에 이러한 거동 특성을 확인하기 위하여 하중크기에 따른 처짐값의 변화를 살펴보았다.
- 본 연구에서는 공동이 발생한 구간과 건건한 구간에서 실시한 FWD 시험으로부터 측정한 표면처짐량을 비교하여 공동으로 인한 지반함몰 위험도를 평가할 수 있는 간편한 방법을 제안하고자 한다. 이를 위하여 먼저 GPR 조사를 실시하여 공동 존재유무를 확인하고, 공동 구간 및 건전 구간에서 FWD 시험을 실시하여 표면처짐량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 공동이 발생한 구간에 대해서 FWD 시험을 실시하여 공동 발생 유무 및 도로함몰 위험도를 평가하였다. 도로포장의 다양한 조건(포장층 두께, 지지력, 교통량 등)과 공동의 형상(크기, 깊이, 체적 등) 등 변수가 많으므로 공동이 없는 건전구간 대비 공동구간의 처짐량을 상대 비교하였다.
제안 방법
- FWD 처짐곡선으로부터 포장상태를 추정할 수 있는 다양한 처짐지수 중 Talvik and Aavik(2009)가 제시한 아스팔트층 상태, 보조기층, 노상의 상태를 나타내는 SCI, BDI, BCI를 이용하여 공동 유무에 따른 변화를 비교하였다. Table 2와 같이 전체 조사 구간에서 건전구간과 공동 구간의 평균 SCI는 각각 56.
- 여기서 건전구간은 공동 구간과 포장두께가 동일하고 포장상태도 유사하며 FWD 하중 전 달 범위를 고려하여 공동 구간에서 종방향으로 약 6m 떨어진 곳으로 선정하였다. FWD 하중 크기는 총 4단계 (20kN에서 75kN)로 적용하였고, 표면처짐량은 9개 지점(이격거리 0cm, 20cm, 30cm, 45cm, 60cm, 90cm, 120cm, 150cm, 180cm)에서 측정하였다.
- FWD 하중 크기를 20kN에서 75kN까지 증가시키면서 공동이 발생한 구간과 발생하지 않는 구간에서의 처짐량을 비교하였다. Fig.
- GPR은 전자파 신호를 공중에 방사시킨 후 목표물에 대한 정보를 획득하는 레이더 원리를 지표 하부에 적용시켜 지하매설물과 같은 이질 물질을 탐사할 수 있는 비파괴 조사방법이다. GPR 조사는 송신안테나에서 수 MHz에서 수 GHz 범위의 전자기파를 지표에 방사시킨 후, 전자기적 물성이 다른 반사체(지층경계, 매설물, 공동 등)에서 반사되어 되돌아온 신호를 수신안테나에서 받아 도달시간에 따른 신호의 세기(진폭)를 이용하여 지하매설물의 위치와 특성을 조사한다. 일반적으로 GPR 조사에서는 송수신 안테나를 수평적으로 이동시키며 연속적으로 얻은 2차원 단면형태의 신호를 분석한다.
- 일반적으로 도심지 조사 시 15km/h 속도로 조사할 경우 종방향 간격은 10cm이다. GPR로 파악한 공동의 위치를 정확하게 파악하기 위하여 GPS, DMI(Distance Measurement Instrument) 및 노면/주변 영상카메라를 장착하였다.
- 공동이 발생한 구간과 인접한 건전 구간에서 측정한 FWD 처짐량을 이격거리별로 비교하였다. 대부분의 구간에서 하중재하지점에 가까울수록 공동이 발생한 구간에서의 처짐량이 상대적으로 크게 나타나고, 멀어질수록 처짐량이 유사하게 나타났다(Fig.
- 본 연구에서는 공동이 발생한 구간에 대해서 FWD 시험을 실시하여 공동 발생 유무 및 도로함몰 위험도를 평가하였다. 도로포장의 다양한 조건(포장층 두께, 지지력, 교통량 등)과 공동의 형상(크기, 깊이, 체적 등) 등 변수가 많으므로 공동이 없는 건전구간 대비 공동구간의 처짐량을 상대 비교하였다. 이를 통하여 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 도로함몰 위험도에 영향을 줄 수 있는 다양한 요소 중 공동의 토피고(공동 상단부터 노면까지의 두께), 공동의 체적, 아스팔트층 두께가 상대잔존수명에 미치는 영향을 살펴보았다(Fig. 11).
- 도로하부에 공동이 존재하는 경우 포장체의 구조적 지지력이 약화될 수 있으므로 이러한 특성을 이용하면 공동의 존재 유무 및 공동으로 인한 도로함몰 위험도를 평가할 수 있을 것으로 유추할 수 있다. 따라서 GPR 조사로부터 확인한 13개 공동 구간에 대하여 FWD 시험을 실시하였다(Fig. 3). 또한 공동이 없는 구간에서의 지지력 차이를 비교하기 위하여 건전구간에서도 FWD 시험을 실시하였다.
- 99 이상으로 나타났다. 따라서 공동이 발생하더라도 처짐량은 하중크기에 정비례하여 나타나므로 다양한 하중 크기에서 측정한 처짐값을 40kN의 하중크기로 정규화하여 비교하였다.
- 3). 또한 공동이 없는 구간에서의 지지력 차이를 비교하기 위하여 건전구간에서도 FWD 시험을 실시하였다. 여기서 건전구간은 공동 구간과 포장두께가 동일하고 포장상태도 유사하며 FWD 하중 전 달 범위를 고려하여 공동 구간에서 종방향으로 약 6m 떨어진 곳으로 선정하였다.
- (4)에 적용되는 온도는 포장체 중간 깊이에서의 온도이나 측정이 어려운 관계로 노면 온도로 대체하여 사용하였다. 또한 본 연구에서 대상으로 하는 공동이 대부분 차륜이 통과하는 위치에 있기 때문에 온도보정계수(a)는 차륜 통과 구간에 적용되는 식을 적용하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 조사대상 구간에서 총 13개소의 공동의심지점을 파악하였다. 이 구간에 대하여 공동의 존재를 확인하기 위하여 천공 및 영상촬영을 실시하였고, 발견한 공동의 출현심도 및 크기에 근거하여 위험등급을 3단계로 분류하였다(Table 1). 조사 대상 구간에 공동의 최상부는 대부분 아스팔트 포장층 직하부에서 발견되었다.
- (1995)이 제시한 방법을 이용하여 처짐값을 20℃로 보정하였다. 이 때 아스팔트 콘크리트 층 두께는 공동 구간에서 천공할 때 측정한 값을 적용하였다. Eq.
- 이를 위하여 먼저 GPR 조사를 실시하여 공동 존재유무를 확인하고, 공동 구간 및 건전 구간에서 FWD 시험을 실시하여 표면처짐량을 측정하였다. 이러한 표면처짐량을 이용하여 도로포장 상태를 비교하고, 이를 바탕으로 도로포장의 잔존수명을 추정하여 공동으로 인한 지반함몰 위험도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 공동이 발생한 구간과 건건한 구간에서 실시한 FWD 시험으로부터 측정한 표면처짐량을 비교하여 공동으로 인한 지반함몰 위험도를 평가할 수 있는 간편한 방법을 제안하고자 한다. 이를 위하여 먼저 GPR 조사를 실시하여 공동 존재유무를 확인하고, 공동 구간 및 건전 구간에서 FWD 시험을 실시하여 표면처짐량을 측정하였다. 이러한 표면처짐량을 이용하여 도로포장 상태를 비교하고, 이를 바탕으로 도로포장의 잔존수명을 추정하여 공동으로 인한 지반함몰 위험도를 평가하였다.
- 전체 조사 구간에 대하여 건전 구간 대비 공동 구간의 처짐량비를 이격거리에 따라 살펴보았다(Fig. 8). 공동 구간의 평균 처짐량비가 이격거리 0cm에서 1.
- 전체 조사 구간에 대하여 공동 구간과 건건 구간의 처짐량을 비교하였다. Fig.
- 포장체 상부부터 하부까지의 물성을 평가하기 위하여 하중재하지점부터 다양한 이격거리에서 표면처짐값을 측정한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 서울시에서 2015년도에 도입한 차량형 공동탐사장비(Fig. 2)를 이용하여 공동의 위치를 파악하였다. 서울시 공동탐사장비에는 중심주파수 500MHz의 16채널 GPR 안테나를 차량후미에 장착하였다.
- 서울시에서는 도로함몰 발생확률이 높을 것으로 예상되는 주요도로에 대하여 2015년부터 GPR 조사를 실시하고 있다. 이 중 본 연구에서는 강남구, 서대문구, 송파구, 중구에서 각각 1개 노선을 대상으로 GPR 조사를 실시하였다.
- 2016). 이러한 결과를 바탕으로 조사대상 구간에서 총 13개소의 공동의심지점을 파악하였다. 이 구간에 대하여 공동의 존재를 확인하기 위하여 천공 및 영상촬영을 실시하였고, 발견한 공동의 출현심도 및 크기에 근거하여 위험등급을 3단계로 분류하였다(Table 1).
성능/효과
- 1. 서울시 도로함몰 개연성이 높은 주요도로의 13개소에 대한 GPR 조사결과 일본 간선도로 기준 위험도 A등급 7개소, B등급 5개소, C등급 1개소가 발견되었다.
- 2. 이 구간에 대한 다양한 하중에 대하여 FWD 시험을 실시한 결과 표면처짐량이 공동 여부와 상관없이 하중 크기에 정비례하게 나타났다.
- 3. 공동이 존재하는 구간과 건전 구간의 처짐량을 비교한 결과 이격거리 60cm 이내에서는 공동 구간에서의 처짐량이 건전 구간 대비 약 50% 이상 크게 나타나 아스팔트 포장 층 직하부에 존재하는 얕은 심도의 공동은 FWD 이격거리 60cm 이내의 처짐값으로 존재 여부를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4. FWD 처짐지수 중 SCI(아스팔트층), BDI(보조기층), BCI(노상)를 비교한 결과 공동으로 인해서 평균 70~90% 정도 증가하는 것으로 나타났으나, Son et al.(2006)이 제시한 상태평가 등급에서는 공동이 존재하더라도 보조기층과 노상의 상태가 “상”, “중” 등급으로 나타나 단순하게 BDI와 BCI로 판단하기에는 신뢰성이 높지 않았다.
- 5. 도로함몰 위험도 평가를 위한 처짐량비(건전/공동)는 D0에서 A등급 공동에서는 평균 1.78, B등급 1.51, C 등급 1.16으로 등급이 높을수록 처짐량비가 증가하는 경향을 나타냈으나, 다른 위치(D30, D60, D180)에서 A, B등급의 처짐량비 분포가 유사하여 위험도와 상관성이 크지 않은 것으로 판단된다.
- 6. SCI를 기반으로 공동 구간의 상대잔존수명을 비교한 결과 A등급 8.1%, B등급 21.8%, C등급 89.8%로 나타나 일부구간을 제외하고 도로함몰 위험도가 높을수록 상대잔존수명이 작은 것으로 나타났다.
- 7. 도로함몰 위험도에 영향을 주는 다양한 요소 중 토피고와 아스팔트 두께의 상대잔존수명 상관계수는 0.65와 0.68로 양적 선형관계로 볼 수 있는 반면 공동의 체적은 0.05로 거의 무시되는 수준이다. 하지만 현재 공동의 체적을 정확하게 측정하기 어려운 한계로 인하여 향후 연구를 통해 평가하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 조사 대상 구간에 공동의 최상부는 대부분 아스팔트 포장층 직하부에서 발견되었다. 공동 상부부터 노면까지의 두께인 토피고(D)는 평균 33.7cm(최소 17cm, 최대 51cm) 이고, 공동의 두께(H)는 평균 28.2cm(최소 8cm, 최대 62cm), 종방향 길이(L)는 평균 171.5cm(최소 70cm, 최대 310cm), 횡방향 폭(W)은 평균 95.4cm(최소 60cm, 최대 130cm)로 나타났다. 또한 아스팔트 포장층의 두께 (T)는 평균 28.
- 공동의 크기와 토피고를 기준으로 A등급 공동(7개소, G1, G2, N1, N2, S1, S2, S4)의 상대잔존수명은 평균 8.1%, B등급(5개소, J1, J2, J3, N3, S3)은 21.8%, C 등급(1개소, G4)은 89.8%로 나타나 일부 구간을 제외하고 전체적으로 도로함몰 위험도가 높을수록 상대잔존수명이 작은 것으로 나타났다(Fig. 10). 예외인 경우인 S2 구간을 살펴보면 위험도가 A등급으로 분류되었으나 상대잔존수명은 30.
- 공동이 발생한 구간과 인접한 건전 구간에서 측정한 FWD 처짐량을 이격거리별로 비교하였다. 대부분의 구간에서 하중재하지점에 가까울수록 공동이 발생한 구간에서의 처짐량이 상대적으로 크게 나타나고, 멀어질수록 처짐량이 유사하게 나타났다(Fig. 5(a)).
- 68배 크게 나타났다. 따라서 공동으로 인해서 SCI, BDI, BCI가 평균 70~90% 정도 크게 나타났다.
- 특히 이격거리 30cm 이내에서는 공동 구간에서의 처짐량이 평균 60% 이상 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서 대상으로 하는 얕은 심도, 즉 보조기층과 노상 상부에 발생한 공동을 탐지하기 위해서는 이격거리가 60cm 이내의 FWD 측정값만으로도 가능하다고 판단된다.
- G2 구간의 경우 토피고 27cm, 공동높이 8cm, 종횡방향 크기 70cm, 60cm, 아스팔트 층두께 27cm로 공동의 크기가 매우 작고 보조기층에 존재하여 노상의 지지력은 크게 차이가 없다고 볼 수 있다. 반면 일부 구간에서는 하중재하지점에서 먼 곳에서도 공동 발생 지점의 처짐량이 건전구간보다 크게 나타나는 경우도 있었다 (Fig. 5(b)).
- 서울시 공동탐사장비에는 중심주파수 500MHz의 16채널 GPR 안테나를 차량후미에 장착하였다. 아스팔트 포장 두께가 약 20~30cm인 서울시내 도로를 대상으로 평가한 결과 유효투과심도는 약 1.5m로 나타났다. 1회 조사 시 조사 폭은 약 2m이고, 횡방향 간격은 12.
- 7은 FWD 처짐곡선 중 상하위 95%에 해당하는 처짐곡선의 범위를 나타낸 것이다. 전체적으로 하중재하지점에서 이격거리가 120cm 이상인 구간에서는 처짐량이 공동 구간과 건전 구간에서 대부분 유사하게 나타났다. 반면에 이격거리가 60cm 이하 구간에서는 하중재하지점에 가까울수록 처짐량이 급격하게 증가하여 건전 구간과의 차이가 커지는 것으로 나타났다.
- 7%)로 공동으로 인하여 잔존수명이 약 1/5로 줄어든 것을 알 수 있다. 특히 5개소(S1, J2, N1, N2, G2)의 상대잔존수명은 5% 이하이고 2개소(S3, S4)의 상대잔존수명은 5~10%로 공동으로 인한 도로포장 하부 지지력 약화로 도로함몰 발생 위험도가 높은 것으로 나타났다. 반면에 1개 구간 (G3)은 상대잔존수명이 89.
후속연구
- 도로하부에 공동이 존재하는 경우 포장체의 구조적 지지력이 약화될 수 있으므로 이러한 특성을 이용하면 공동의 존재 유무 및 공동으로 인한 도로함몰 위험도를 평가할 수 있을 것으로 유추할 수 있다. 따라서 GPR 조사로부터 확인한 13개 공동 구간에 대하여 FWD 시험을 실시하였다(Fig.
- 하지만 공동 구간과 건전 구간의 처짐곡선이 겹치는 구간이 많이 존재함에 따라 처짐량 자체만으로 공동 여부를 반영하는 것은 다소 어려울 것으로 판단된다. 따라서 이격거리 60cm 이하에서 건전 구간 대비 공동 구간 처짐량의 비를 이용하면 공동발생 여부를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 현재 공동탐사기법 수준을 고려하면 공동의 체적을 정확하게 측정하기는 어렵다. 따라서 이러한 분석결과로 공동의 체적이 위험도에 미치는 영향에 대해서는 향후 연구에서 평가하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 05로 거의 무시되는 수준이다. 하지만 현재 공동의 체적을 정확하게 측정하기 어려운 한계로 인하여 향후 연구를 통해 평가하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
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