최근 도심지의 돌발적인 도로함몰로 인명해가 발생하고, 시민들에게 불안감을 야기하는 사례가 빈번히 발생하여 사회적 이슈로 부각되고 있다. 이에, 2015년 세종대학교 산학협력단을 주관으로 국토교통부, 국토교통과학진흥원이 지원하는「도로함몰 위험도 평가 및 분석기술 개발」에 대한 연구가 시작되었다. 본 연구는 장기적이고 근본적으로 도로함몰을 예방하기 위한 도로함몰 위험도 탐지시스템 및 분석 프로그램 개발, 도로함몰 위험도 평가기술 개발, 재난 예방형 도로관리 시스템 구축을 목표로 현재 3차년도 연구가 진행 중이다. 현재, 지표투과레이더와 노면영상 수집장치가 포함된 도로함몰 복합탐지 시스템을 구축하여 운용 중에 있으며 (그림 1), 해당 장비로부터 수집된 데이터를 이용하여 도로 지하시설물 및 동공탐사를 할 수 있도록 분석 자동화 알고리즘을 개발하고, 현장적용을 위한 GUI를 구축하여 그 성능을 검증하였다.

OBJECTIVES: The objective of this study is to detect road cavities using multi-channel 3D ground penetrating radar (GPR) tests owned by the Seoul Metropolitan Government. METHODS: Ground-penetrating radar tests were conducted on 204 road-cavity test sections, and the GPR signal patterns were analyzed to classify signal shape, amplitude, and phase change. RESULTS : The shapes of the GPR signals of road-cavity sections were circular or ellipsoidal in the plane image of the 3D GPR results. However, in the longitudinal or transverse direction, the signals showed mostly unsymmetrical (or symmetrical in some cases) parabolic shapes. The amplitude of the GPR signals reflected from road cavities was stronger than that from other media. No particular pattern of the amplitude was found because of nonuniform medium and utilities nearby. In many cases where road cavities extended to the bottom of the asphalt concrete layer, the signal phase was reversed. However, no reversed signal was found in subbase, subgrade, or deeper locations. CONCLUSIONS: For detecting road cavities, the results of the GPR signal-pattern analysis can be applied. In general, GPR signals on road cavity-sections had unsymmetrical hyperbolic shape, relatively stronger amplitude, and reversed phase. Owing to the uncertainties of underground materials, utilities, and road cavities, GPR signal interpretation was difficult. To perform quantitative analysis for road cavity detection, additional GPR tests and signal pattern analysis need to be conducted.

PURPOSES: The objective of this study was to determine the relationship between the dielectric characteristics of asphalt mixtures and the air voids present in them using ground penetrating radar (GPR) testing. METHODS : To measure the dielectric properties of the asphalt mixtures, the reflection coefficient method and the approach based on the actual thickness of the asphalt layer were used. An air-couple-type GPR antenna with a center frequency of 1 GHz was used to measure the time for reflection from the asphalt/base layer interface. A piece of aluminum foil was placed at the interface to be able to determine the reflection time of the GPR signal with accuracy. An asphalt pavement testbed was constructed, and asphalt mixtures with different compaction numbers were tested. After the GPR tests, the asphalt samples were cored and their thicknesses and number of air voids were measured in the laboratory. RESULTS: It was found the dielectric constant of asphalt mixtures tends to decrease with an increase in the number of air voids. The dielectric constant values estimated from the reflection coefficient method exhibited a slight correlation to the number of air voids. However, the dielectric constant values measured using the approach based on the actual asphalt layer thickness were closely related to the asphalt mixture density. Based on these results, a regression equation to determine the number of air voids in asphalt mixtures using the GPR test method was proposed. CONCLUSIONS: It was concluded that the number of air voids in an asphalt mixture can be calculated based on the dielectric constant of the mixture as determined by GPR testing. It was also found that the number of air voids was exponentially related to the dielectric constant, with the coefficient of determination, R2, being 0.74. These results suggest that the dielectric constant as determined by GPR testing can be used to improve the construction quality and maintenance of asphalt pavements.

PURPOSES : The objective of this study is to determine the optimal frequency of ground penetrating radar (GPR) testing for detecting the voids under the pavement. METHODS : In order to determine the optimal frequency of GPR testing for void detection, a full-scale test section was constructed to simulate the actual size of voids under the pavement. Voids of various sizes were created by inserting styrofoam at varying depths under the pavement. Subsequently, 250-, 500-, and 800-MHz ground-coupled GPR testing was conducted in the test section and the resulting GPR signals were recorded. The change in the amplitude of these signals was evaluated by varying the GPR frequency, void size, and void depth. The optimum frequency was determined from the amplitude of the signals. RESULTS: The capacity of GPR to detect voids under the pavement was evaluated by using three different ground-coupled GPR frequencies. In the case of the B-scan GPR data, a parabolic shape occurred in the vicinity of the voids. The maximum GPR amplitude in the A-scan data was used to quantitatively determine the void-detection capacity. CONCLUSIONS: The 250-MHz GPR testing enabled the detection of 10 out of 12 simulated voids, whereas the 500-MHz testing allowed the detection of only five. Furthermore, the amplitude of GPR detection associated with 250-MHz testing is significantly higher than that of 500-MHz testing. This indicates that 250-MHz GPR testing is well-suited for the detection of voids located at depths ranging from 0.5~2.0 m. Testing at frequencies lower than 250 MHz is recommended for void detection at depths greater than 2 m.

PURPOSES : The objective of this study is to propose a quality control and quality assurance method for use during asphalt pavement construction using non-destructive methods, such as ground penetrating radar (GPR) and an infrared (IR) camera. METHODS: A 1.0 GHz air-coupled GPR system was used to measure the thickness and in situ density of asphalt concrete overlay during the placement and compaction of the asphalt layer in two test construction sections. The in situ density of the asphalt layer was estimated based on the dielectric constant of the asphalt concrete, which was measured as the ratio of the amplitude of the surface reflection of the asphalt mat to that of a metal plate. In addition, an IR camera was used to monitor the surface temperature of the asphalt mat to ensure its uniformity, for both conventional asphalt concrete and fiber-reinforced asphalt (FRA) concrete. RESULTS: From the GPR test, the measured in situ air void of the asphalt concrete overlay gradually decreased from 12.6% at placement to 8.1% after five roller passes for conventional asphalt concrete, and from 10.7% to 5.9% for the FRA concrete. The thickness of the asphalt concrete overlay was reduced from 7.0 cm to 6.0 cm for the conventional material, and from 9.2 cm to 6.4 cm for the FRA concrete. From the IR camera measurements, the temperature differences in the asphalt mat ranged from 10℃ to 30 ℃ in the two test sections. CONCLUSIONS: During asphalt concrete construction, GPR and IR tests can be applicable for monitoring the changes in in situ density, thickness, and temperature differences of the overlay, which are the most important factors for quality control. For easier and more reliable quality control of asphalt overlay construction, it is better to use the thickness measurement from the GPR.

공용중인 도로 상태를 조사 및 평가하기 위하여 다양한 종류의 비파괴시험 장비가 활용되고 있다. 이 중 에서 충격하중에 의한 표면처짐량을 측정하는 FWD(Falling Weight Deflectometer)는 포장 하부의 지지 력 평가를 위하여 널리 사용되고 있다. 하지만 표면처짐 또는 지지력만으로 복잡한 포장 하부의 상태를 정 확하게 평가하기에는 한계가 있다. 특히 최근 들어 사회적으로 큰 이슈가 되고 있는 도로함몰(일명 싱크 홀)은 일반적으로 도로하부에 발생한 공동으로 인하여 상부 포장층이 연쇄적으로 함몰되는 현상이다. 도로 함몰은 전조현상 없이 갑작스럽게 발생되기 때문에 이를 사전에 발견하기는 어려운 실정이다. 따라서 이를 사전에 예방하고, 발생 후 올바른 보수를 하기 위해서는 도로 하부에 존재할 수 있는 공동 여부를 비롯한 도로 하부 상태에 대한 철저한 조사가 우선되어야 한다. 석회암지대 또는 광산지대에서 주로 발생하는 대 규모의 싱크홀의 경우 전기비저항, 단층촬영 등과 같은 조사를 통하여 공동에 대한 조사가 가능하다. 하지 만 도로의 경우 조사 연장이 길고 교통통제가 어렵기 때문에 정적인 시험 보다는 이동하면서 조사할 수행 할 수 있는 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)가 보다 현실적으로 가능성이 높다. 본 연구에서는 두 가지 종류의 GPR을 이용하여 도로함몰이 발생한 현장에 대한 도로 하부 조사 결과를 비교 평가하였다. 조사에는 500MHz 접촉식 GPR과 1000MHz 비접촉식 GPR이 각각 사용되었다. GPR 조사는 도로함몰이 발생된 후 응급보수로 되메움 공사가 완료된 후에 추가적인 공동 여부를 확인하기 위 하여 실시하였다. 그림 1은 1000MHz 비접촉식 GPR 시험 장비와 조사 결과를 나타낸다. 도로함몰이 발 생한 구간의 경우 40~50cm 깊이까지 단면 교란이 발생하였나, 되메움 구간에 추가 공동이 발견되지는 않아 시공은 양호하게 이루어진 것으로 나타났다. 함몰 주변 도로 하부의 경우 60~70cm 깊이에서 체류 수가 존재하는 것으로 나타났다. 본 구간의 경우 도로 하부에 매설된 하수관이 일부 막히고 노후화로 인 한 파손으로 누수가 발생하여 세립분이 빠져나가 공동이 발생된 것으로 추정되었다. GPR 조사 결과 주변 에 추가적인 공동 또는 도로함몰 위험은 없는 것으로 나타났다. 따라서 되메움 후 덧씌우기를 실시하고, 주기적인 현장 점검을 통하여 추가적인 함몰 발생 조짐을 감시하는 것이 바람직하다고 판단된다.

도로포장의 구조적 상태를 평가하기 위하여 FWD(Falling weight deflectometer) 시험이 널리 사용되고 있다. FWD 시험은 자유낙하 하는 추에 의하여 포장표면에 발생하는 처짐량을 측정하는 것으로, 이 표 면처짐량으로부터 포장체 각 층의 탄성계수를 역해석하여 추정한다. 역해석시 포장체의 두께는 코어채취를 통하여 측정한 실측값을 사용하거나 설계값을 사용한다. 실제 도로에서 포장체의 두께는 시공상태, 보수이력 등 다양한 원인에 따라 설계 두께와 상이하고, 두께 측정을 위해 코어를 매번 채취하는 것도 현실적으로 거의 불가능하다. 따라서 역해석시 정확한 포장층 두께를 고려하기가 어려운 실정이다. 이러한 부정확한 포장층 두께로 인하여 역산된 탄성계수의 신뢰성이 저하되고, 포장체 구조해석 및 공용수명 예측에 큰 오류가 발생할 수 있다. 포장체의 층두께를 현장에서 빠르고 정확하게 측정하기 위하여 지표투과레이더 (Ground penetrating radar, GPR)가 사용되고 있다. GPR 시험은 지표면으로 송출된 전자기파가 반사, 회절, 산란된 후 돌아오는 시간과 형상을 기초하여 층구조 및 매설물의 위치 등을 탐지할 수 있는 비파괴 시험이다. 본 연구에서는 최근 건설기술연구원의 일반국도 포장관리시스템(Pavement management system, PMS)에 도입된 접촉식(Ground-coupled) GPR을 이용하여 아스팔트 포장의 층두께를 측정하는 방법을 소개하고, 정확한 층두께가 역산된 포장체의 탄성계수의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. 조사의 효율성과 공간적 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위하여 접촉식 GPR 안테나를 기존 FWD 장비 하부에 설치하였다. 그림 1은 GPR 시험으로 측정한 데이터로 한 지점에서의 시간이력 데이터(A-scan)와 거리 에 따라 연속적으로 나타낸 데이터(B-scan)를 나타낸다. 그림 1b에 나타난 바와 같이 포장층의 두께가 거리에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 실제 층두께를 역해석에 고려하여 추정된 탄성계수와 가정된 층두께를 고려한 탄성계수를 비교하여 신뢰성 분석을 하였다.

본 연구에서는 콘크리트 교량 바닥판의 열화를 비파괴시험인 지표투과레이더(GPR)를 이용하여 평가하는 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수를 계산하기 위하여 비접촉식 GPR 안테나를 이용하여 2층 구조체에 적용할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 열화 깊이와 열화 상태는 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수와 표면대비 평균 유전상수비를 이용하여 평가하였다. 제안된 방법을 검증하기 위하여 GPR 현장 시험을 공용수명이 오래된 콘크리트 교량에서 실시하였다. 시험 결과 새로 제안된 방법을 이용하여 추정된 두께와 열화 깊이가 어느 정도 신뢰성을 가지는 것으로 나타났다.