포장하부는 공용기간이 경과하면서 다양한 이유로 인해 지지력저하, 부등침하, 단차 등이 발생하고 이 는 포장의 파손으로 이어져 운전자들의 주행성과 안전성을 저하시킨다. 이러한 파손을 방지하기 위해서는 포장하부를 명확하게 파악하고 적절한 시기에 유지보수를 실시하여 공용성을 유지시켜야 하는데 포장하 부를 평가하는 기법으로는 국·내외에서 가장 많이 사용되는 비파괴 기법인 FWD를 주로 사용하고 있다. FWD는 포장구조진단기로 포장체에 하중을 가하고 이로 인해 발생하는 수직처짐량을 일정한 간격으로 배 치된 계측기에서 측정하여 하중과 처짐량의 관계를 분석하여 포장하부 상태를 평가한다. 하지만 FWD의 방향에 따라 동일지점이라 하더라도 포장하부 상태가 상이하게 나타날 수 있음에도 불구하고 이에 대한 명확한 규정 및 지침이 없는 상태이다. 따라서 본 논문에서는 AASHTO 98년도 설계지침에서 제시한 AREA방법을 이용하여 FWD 방향에 따른 포장하부 상태평가를 실시하였다. FWD의 방향에 따른 포장하 부 상태평가를 실시하기 위해 유한요소해석 및 현장시험을 실시하였으며 유한요소해석은 상용프로그램인 ABAQUS를 사용하였고, 유한요소모형은 토공부, 공동이 존재 하는 구간. 암거가 존재하는 구간을 모사한 뒤, 공동의 크기와 암거의 토피고, 노상의 탄성계수를 변화시켜가며 유한요소해석을 실시하였다. 유한요 소해석 결과 토공부에서는 FWD의 방향에 관계없이 동일한 결과가 나타났는데 이는 유한요소의 경우 물 질을 균질한 상태로 가정하고 해석을 하기 때문이라고 판단되었다. 공동이 있는 구간의 해석결과는 계측 기가 공동이 있는 곳으로 향하면 포장하부 상태가 불량하게 도출되었으며, 공동의 크기가 커질수록 FWD 의 방향에 따른 포장하부 지지력 계수의 차이는 커졌다. 이어 암거가 존재하는 구간에서 유한요소해석을 실시한 결과 암거가 존재하는 방향으로 계측기가 존재 할 경우 포장하부 상태평가가 양호하게 나타났으며 이는 강성인 암거의 영향 때문이라고 판단되었다. 또한 암거의 토피고가 증가함에 따라, 노상의 탄성계수가 증가함에 따라 FWD의 방향에 따른 포장하부 의 지지력 계수의 차이는 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. 이어 유한요소해석의 결과를 검증하기 위해 국 내 상용중인 고속도로의 토공부와 암거부에서 FWD의 방향에 따른 포장하부 상태평가를 실시하였다. 토공 부와 암거부 현장은 각각 2곳씩 총 4군데이며 먼저 토공부의 경우 유한요소해석의 결과와 달리 FWD의 방 향에 따라 포장하부 상태의 결과가 서로 상이하게 도출되었으나 뚜렷한 경향은 찾을 수 없었다. 이는 시공 당시에는 엄격한 관리에 의해 시공이 되지만 시간이 경과함에 따라 다양한 이유로 인해 하부지반에 변화가 생겼기 때문이라고 판단된다. 암거가 존재하는 구간에서 FWD의 방향에 따른 포장하부 상태평가를 실시한 결과 FWD의 방향에 따라 포장하부 상태의 결과가 상이하게 도출되었으며 앞서 실시한 유한요소해석결과와 동일하게 계측기의 방향이 암거방향으로 향할 경우 포장하부 상태평가가 양호하게 도출되었다. 본 연구를 통해 FWD의 방향에 따라 동일지점이라 하더라도 포장하부의 상태가 상이하게 도출될 수 있다는 것을 확인 하였으며 추후 다양한 현장에서 추가적인 현장실험을 통해 데이터를 축적 할 예정이다.

PURPOSES : The purpose of this study is to investigate the optimal joint positions which can minimize distresses of concrete pavement containing box culvert with horizontally skewed angles. METHODS : The concrete pavement containing the box culvert with different skewed angles and soil cover depths was modeled by 3 dimensional finite element method. The contact boundary condition was used between concrete and soil structures in addition to the nonlinear material property of soil in the finite element model. A dynamic analysis was performed by applying the self weight of pavement, negative temperature gradient of slab, and moving vehicle load simultaneously. RESULTS : In case of zero skewed angle (0˚), the maximum tensile stress of slab was the lowest when the joint was positioned directly over side of box culvert. In case there was a skewed angle, the maximum tensile stress of slab was the lowest when the joint passed the intersection between side of the box culvert and longitudinal centerline of slab. The magnitude of the maximum tensile stress converged to a constant value regardless the joint position from 3m of soil cover depth at all of the horizontally skewed angles. CONCLUSIONS : More reasonable and accurate design of the concrete pavement containing the box culvert can be possible based on the research results.

건설당시 엄격한 다짐관리로 시공된 노상과 보조기층은 공용기간이 경과함에 따라 압밀침하, 배수불 량, 그리고 지하수위 상승 등의 원인으로 품질이 저하된다. 지반에 변형이 생기면 포장표층과 지반사이에 공동이 발생되며, 여기에 하중이 재하 되면 설계 당시 예상한 것보다 더 큰 응력이 발생하여 포장에 파손이 발생하고 결과적으로 공용성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다(박주영 등, 2013). 따라서, 포장 하부 공동유무의 평가는 매우 중요하지만, 육안으로 확인하는 것은 불가능하므로 비파괴 방법을 사용하여야 한다. 구조물 내의 이격된 공간을 검사하는 비파괴 방법 중 하나인 충격반향기법(Impact-Echo Method)은 많은 분야에서 사용되고 있지만 포장하부의 공동탐사에 적용된 사례는 드물다. 충격반향기법은 그림 1과 같이 구조물에 응력파(Stress wave)를 발생시켜 그 응답을 분석하여 결함을 탐지하는 방법이다(Sansalone et. al., 1986). 응력파는 가진력을 일으킬 수 있는 장비에 의해 발생되며 표면과 내부결함 사이에서 다중반사가 일어나면서 일시적인 공진이 발생하여 구조물의 상태를 평가한다. 본 논문에서는 충격반향기법을 콘크리트 포장 하부 공동유무 평가에 적용하기 위한 기초연구를 수행하 였다. 먼저, 콘크리트 포장의 구조적 특징, 물성값, 각 층간의 댐핑계수(Damping Coefficient) 등을 조사 하였다. 조사된 자료를 바탕으로 상용 프로그램 ABAQUS를 이용하여 2D 유한요소해석을 실시하였다. 시간이력해석을 위해 Dynamic-explicit 방법을 적용하여 충격반향기법을 모사하였으며, 동적해석을 통해 콘크리트 포장의 공동의 유무에 따른 응력파 정보를 수집하였다. 최종적으로 획득된 응력파에 대하여 공동의 존재 여부 및 단면에 따른 거동차이를 비교·분석 하였다

도로포장의 하부층은 시공당시 엄격한 다짐관리를 통해 시공되지만, 시간이 경과함에 따라 교통하중과 환경하중에 의해 포장하부의 품질이 저하되며 이는 도로포장의 공용성에 영향을 미친다.(박주영 등, 2012). 또한, 최근 지구온난화에 따른 이상기후로 인해 겨울철 한파가 증가하는 추세이며(기상청, 2012), 이는 포장하부층의 지반 동상과 관련하여 동결융해가 반복됨에 따라 포장하부의 지지력이 저하되고 이에 따라 도로포장의 파손이 발생된다. 이러한 악조건 속에서 포장의 파손 빈도는 급증하는 추세이며, 이에 따라 국내에서는 도로의 유지보수 및 관리에 대한 중요성이 대두 있고, 따라서 포장하부의 상태를 체계적으로 관리하고 적절한 유지보수 시기를 결정함으로서 포장의 공용성을 향상시키는 것은 매우 중요하다.포장하부의 상태를 평가하는 기법으로는 FWD(Falling Weight Deflectometer)가 존재하는데, FWD는 포장체에 하중을 재하 하여 발생되는 처짐값을 여러개의 지점에서 측정하여 하중과 처짐값의 상호관계를 이용하여 포장하부 상태를 평가한다. 또한 측정된 값을 AASHTO의 AREA 방법을 사용하여 포장의 강성을 나타내는 상대강성반경과 지지력계수를 역산할 수 있다. 일반적으로 포장하부 상태평가 시 이동식 차량 FWD를 사용하는데 현재는 차량의 진행방향에 대해서만 포장하부 상태평가를 실시하고 있는 실정이다. 하지만 동일 지점을 차량 진행방향의 반대 방향으로 포장하부를 평가할 경우 동일 지점이라 하더라도 처짐값 측정기의 위치가 달라지고, 이에 따라 상대강성반경과 지지력계수의 차이가 FWD의 측정 방향에 따라 발생하게 된다. 하지만 FWD를 양방향으로 분석하는 기법은 없으며 방향에 따른 포장하부상태의 차이가 존재함에도 불구하고 이에 대한 명확한 지침이 또한 없는 상태이다. 따라서 본 논문에서는 FWD의 진행방향에 따른 포장하부 상태를 평가하였다. 이를 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 하중에 따른 처짐값을 양방향에 대해 측정하였고, 측정된 값을 사용하여 방향에 따른 상대강성반경과 지지력계수의 차이를 분석하였다. 또한 포장하부의 지지력계수 변화에 따른 상대강성반경의 변화를 양방향에 대하여 분석하였고, 이어 포장하부에 공동을 모사하여 공동의 크기와 지지력계수의 변화에 따른 상대강성반경의 변화를 분석하였다.

도로포장의 하부층은 엄격한 다짐관리를 통해 시공되지만, 공용 기간이 경과함에 따라 포장하부의 품질이 저하되어 도로포장의 공용성에 영향을 미친다. 도로의 하부지반은 포장하부 재료 및 현장 여건 등에 따라 압밀침하가 발생하며, 도로포장의 구조 및 재료 등으로 인한 배수불량, 지하수위 상승 등으로 지지력이 저하되거나 공동이 발생한다(박주영 등, 2012). 또한, 최근 지구온난화에 따른 이상기후로 인해 겨울철 한파가 증가하는 추세에 있어(기상청, 2012), 포장하부층은 지반 동상과 관련하여 동결융해가 반복되며 매우 열악한 조건에 있다. 특히, 콘크리트 포장은 콘크리트 슬래브, 린 콘크리트 보조기층과 하부지반의 강성 차이로 인하여 공동 발생에 더욱 취약하고, 여기에 환경 및 교통하중이 재하되면 더욱 가속화되어 포장파손으로 이어지는 등 다양한 문제가 발생한다. 최근 국내에서는 신설도로의 건설 물량이 지속적으로 감소하고, 도로포장의 유지보수 예산은 매년 급증하고 있어 기존 도로포장을 효율적으로 유지관리해야 하는 필요성이 대두되고 있다. 국내의 경우, 포장유지관리시스템(PMS, Pavement Management System)을 도입하여 운영하고 있지만, 포장의 표면파손 정도에 따라 일부 기능적 상태평가만 이루어 지고 있는 실정이다(한국건설기술연구원, 2005). 국외에서는 포장하부의 상태를 평가하기 위해, 미국 AASHTO 93년도 설계지침과 ASTM STP 1375에서 FWD와 같은 포장구조진단기를 이용하여 하중재하시험을 실시하고 재하하중과 처짐량으로 평가하는 방법을 제시하였다. 하지만 이 방법은 포장의 강성이 슬래브 처짐에 영향을 미치는 중요한 요인임에도 고려하지 않는 문제점이 있으며, 온도구배 및 다웰바의 영향이 상대적으로 크고 포장파손에 취약한 슬래브 우각부에서 실시한 시험 결과를 사용하므로 보완이 필요하다 판단된다. 본 논문에서는 AASHTO와 ASTM에 제시된 기존 포장하부 평가기법을 보완하기 위해 미국 LTPP 구간의 현장시험 자료를 수집하였고, AASHTO의 AREA 방법을 사용하여 포장의 강성을 나타내는 상대강성반경 및 지지력 계수를 역산하였다. 또한, 슬래브의 우각부 대신 슬래브 중앙부 시험 결과를 사용하여 포장강성을 고려한 포장하부 상태 평가모형을 수립하였다. 슬래브 중앙부에서 실시한 현장시험을 유한요소방법으로 모사하여 포장하부 상태에 따른 포장강성을 현장시험 결과와 비교·분석하였고, 국내 공용중인 고속도로에서 실시한 현장시험 결과에 대해 포장강성을 고려한 포장하부 평가모형의 적용가능성을 검토하였다.