최근 서울 도심 지역에 위치한 주요 포장도로에서의 동공발생 문제가 다양한 원인으로 인하여 이전 보다 더 빈번하게 나타나는 것으로 대두되고 있는 실정이다. 이 문제는 포트홀과 싱크홀 수 증가와 포장 도로에서의 다른 문제들을 야기 시킨다. 사실, 포장도로에서의 동공발생을 일으키는 주체적인 원인은 강 우, 강설과 같은 기후 변화와 밀접한 관련이 있다. 이 연구에서는, 한국형도로포장설계법에 기반하여 개 발된 KPRP(Korea Pavement Research Program : 한국형 포장설계프로그램)를 이용하여 동상방지층 의 구조적 성능을 모니터링 하고, 유한요소해석 프로그램 중 하나인 KICTPAVE 프로그램을 이용하여 KPRP프로그램의 신뢰도를 확인하고자 한다. KPRP 프로그램은 한국형 도로포장설계법에 기반을 두고 개발 된 프로그램 이다. 사실. 이전에 사용되어지던 설계 법은 AASHTO Interim Guide Method(1972) 로, 한국형포장설계프로그램의 개발 전 국내에서 가장 보편적으로 사용된 설계법이다. 이 설계법은 주어 진 조건 하에서만 포장 단면을 설계하는 법을 도출해내기 때문에 다양한 조건에서의 설계와 구조적인 개 량이 어렵다는 지적이 나오게 되었다. 이를 보완하기 위하여 국내에서의 주어진 조건에 적합하게 도로 포장의 횡단을 설계하기 위해 개발된 한국형포장설계프로그램이 나오게 되었다. 본 연구에서는, KPRP 와 KICTPAVE를 이용하여 동상방지층의 구조적 성능을 더욱 정밀하게 연구하게 된다. 한국형포장설계프로그램은 설계조건을 반영한 후, 횡단면 조건 설정, 기상조건 반영, 교통량 반영, 포장 재료 물성치 반영 및 동상방지층 설치 여부 판단과정을 거쳐 공용성을 예측하게 된다. 설계조건 반영은 한 국형포장설계프로그램에서 제공하는 기본 DB를 활용하여 횡단 설계를 하였다. 본 연구는 효과적인 공용성 분석을 위하여 세 가지 경우로 나누어서 해석을 실시하였는데, 그 조건들은 아래 표 1에 나온 것과 같다. 표 1은 동상방지층의 구조적 성능을 한국형포장설계프로그램을 이용하여 분석해낸 결과 이다. 표 1을 보면 두께와 상관없이 모든 구조적 성능이 일치하게 되는 결과를 가져와서 KICTPAVE 프로그램을 이용하여 조 건을 5가지로 나누어 유한요소해석을 실시하였다. 각 층(동상방지층-노상토, 보조기층-동상방지층, 기층 -보조기층, 표층-기층, 표층 사이의 노드와 요소)은 5cm간격으로 0cm에서 20cm 까지 다섯 가지 경우의 조건으로 나누어서 해석을 하였다. 그 결과 보조기층과 동상방지층 사이의 변형률은 동상방지층의 두께가 두꺼워질수록 증가되는 현상을 보였다. 하지만, 이와는 반대로 노상토와 동상방지층 사이에서 발 생하는 변형률은 동상방지층의 두께가 두꺼워 질 수록 감소되는 현상을 보였다.

PURPOSES : Nowadays, cavity phenomena occur increasingly in pavement layers of downtown areas. This leads to an increment in the number of potholes, sinkholes, and other failure on the road. A loss of earth and sand from the pavement plays a key role in the occurrence of cavities, and, hence, a structural-performance evaluation of the pavement is essential. METHODS: The structural performance was evaluated via finite-element analysis using KPRP and KICTPAVE. KPRP was developed in order to formulate a Korean pavement design guide, which is based on a mechanical-empirical pavement design guide (M-EPDG). RESULTS: Installation of the anti-freezing layer yielded a fatigue crack, permanent deformation, and international roughness index (IRI) of 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km, respectively, as determined from the performance analysis conducted via KPRP. These values satisfy the design standards (fatigue crack: 20%, permanent deformation: 1.3 cm, IRI: 3.5 m/km). The results of FEM, using KICTPAVE, are shown in Figures 8~12 and Tables 3~5. CONCLUSIONS: The results of the performance analysis (conducted via KPRP) satisfy the design standards, even if the thickness of the anti-freezing layer is not considered. The corresponding values (i.e., 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km) are obtained for all conditions under which this layer is applied. Furthermore, the stress and strain on the interlayer between the sub-grade and the anti-freezing layer decrease gradually with increasing thickness of the anti-freezing layer. In contrast, the strain on the interlayer between the sub-base and the anti-freezing layer increases gradually with this increase in thickness.

현재 도로포장 설계법에 따르면, 동상방지층의 두께는 지역별 온도조건에 따라 결정되는 동결깊이에 의해 결정되며 동상방지층의 지지력은 설계에서 고려되지 않고 있다. 동상방지층을 도로포장체에서 구조층으로 고려할 경우에는 기존 도로포장층의 두께를 감소시킬 수 있으며 보다 경제적인 도로 포장단면을 구성할 수 있다. 본 연구에서는 동상방지층의 지지력을 평가하기 위한 통계적 모형을 개발하였다. 동상방지층의 구조적 역할을 규명하고 동상방지층 구조적 평가 모형 개발을 위하여 2m 이하 저성토부, 절토부 및 절성경계부 등을 구분하여 포장 하부층에서 Falling Weight Deflectormeter(FWD) 시험을 계절별로 수행하였다. 본 시험은 동방방지층의 유무에 따른 지지력 차이를 규명하기 위하여 동방방지층이 있는 구간과 없는 구간으로 구분하여 수행하였다. 본 시험결과, 동상방지층이 설치된 구간에서의 FWD 처짐량이 동상방지층 미설치 구간에 비해 0.4~82.6% 작게 측정되어 동상방지층이 포장체에서 지지력을 검증하였다. 다양한 FWD 처짐지수와 동상방지층 두께와의 상관관계를 조사한 결과, 보조기층 파손지수의 차이값(δBDI)과 동상방지층 두께와의 상관도가 가장 높았다. 본 논문에서는 δBDI값을 선형혼합효과 모형에 적용하여 동상방지층을 구조적으로 평가할 수 있는 모형을 개발하였다.

도로는 다양한 재료와 단면으로 구성된 구조물이기 때문에 계절적 및 재료 물성특성 뿐만 아니라 포장체 각 층의 구조적 적정성 또는 지지력 정도를 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재, 기존 동상방지층 설계법에 따르면, 동상방지층은 포장체의 구조적 적정성과는 무관하게 온도조건에 따른 동결깊이에 따라 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용하다 보니 포장 설계의 부실 내지는 과다설계의 우려가 있다. 이에 본 논문은 2m 이하 저성토부, 절토부 및 절성경계부 등을 구분하여 포장 하부층에서 동상방지층의 구조적 역할을 규명하기 위하여 Falling Weight Deflectormeter(FWD) 시험을 수행하였다. 전국 10개 현장에 대하여 보조기층면에서 FWD 시험을 수행하였다. 각각의 단면은 동방방지층이 있는 구간과 없는 구간으로 구분하여 실험을 수행하였다. 이번 현장 실험을 통하여 동상방지층이 있는 경우가 없는 경우에 비해 처짐량이 작게 측정되어 동상방지층이 포장체에서 구조적 역할을 담당하는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 절토부에서 동상방지층이 있는 경우에 처짐량 값이 약 15~55% 정도 감소하며, 절성경계부에서 동상방지층이 있는 경우에 처짐량 값이 약 11~64%, 저성토부의 경우 약 2~38%정도 감소하는 것으로 나타났다. SCI를 이용하여 분석한 결과, 동상방지층의 두께가 전체 포장체의 구조적인 능력에 약 24% 차지하는 것으로 나타났다. 피로수명은 동상방지층이 있는 구간이 없는 구간에 비해 약 2배 높은 결과를 보여 피로균열 저항성을 증진시키는 것으로 나타났다. 이것은 동상방지층이 포장체에서 구조적인 역할을 한다는 의미이다.

지반의 열확산 특성은 지반을 구성하는 토립자와 공극을 이루고 있는 기체, 액체의 성질이 함께 반영되어 결정된다. 본 연구에서는 지표면에 일정한 열원이 가해지는 경우 지반의 구성성분에 따라 해당 지반에 나타나는 열확산 현상의 차이가 발생하고 이로 인해 지표면의 온도 변화에도 차이가 나타나는 점을 이용하여 지반의 구성성분 및 지층구조를 파악하는 방법에 대해 제안하고 있다. 암반위에 쌓인 건조 모래 지층의 두께에 따라 달라지는 지표면의 온도 변화를 적외선 화상과 온도계를 통해 측정하였고, 이를 수치해석 방법으로 검증하였다. 연구 결과 건조 모래층의 경우 깊이 10cm까지는 일정 열원에 의한 지표의 온도변화를 통해 지층의 깊이를 추정하는 것이 가능한 것으로 나타났다.

지반의 열확산 특성은 지반을 구성하는 토립자와 공극을 이루고 있는 기체, 액체의 성질이 함께 반영되어 결정된다. 본 연구에서는 지표면에 일정한 열원이 가해지는 경우 지반의 구성 성분에 따라 해당 지반에 나타나는 열확산 현상의 차이가 발생하고 이로 인해 지표면의 온도 변화에도 차이가 나타나는 점을 이용하여 지반의 구성성분 및 지층구조를 파악하는 방법에 대해 제안하고 있다. 암반위에 쌓인 건조 모래 지층의 두께에 따라 달라지는 지표면의 온도 변화를 적외선 화상과 온도계를 통해 측정하였고, 이를 수치해석 방법으로 검증하였다. 연구 결과 건조 모래층의 경우 깊이 10cm까지는 일정 열원에 의한 지표의 온도변화를 통해 지층의 깊이를 추정하는 것이 가능한 것으로 나타났다.