최근에는 도심지 개발에 따른 지표면 포장률 증가로 인해 불투수면적의 증가하여 지하수의 고갈, 도시형 수해 증가 등의 문제가 발생하고 있다. 투수성 포장기법은 대표적인 저영향개발적용 기술 중 하나인 친환경 포장 공법으로 물순환 체계의 개선을 통한 환경 개선 효과와 더불어 차량 주행소음의 감소, 열섬 현상 완화, 미끄럼 저항의 향상 등 다양한 기능을 얻을 수 있으며 국내외 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 일반도로는 한국형 포장설계법을 적용하여 설계를 하게 되어 있으나, 현재 투수성 아스팔트 도로를 설계를 위한 지침은 제시되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 국내외 선행 연구 조사 및 검토를 통해 투수성 아스팔트 포장 설계인자 및 구조 설계방법을 제안하고자 한다. 선행 연구 조사 결과, 투수성 포장 구조설계는 AASHTO 1993 설계법을 적용하여 수행하고 있는 것으로 확인되었다. 투수성 포장 설계인자 중 투수성 아스팔트 포장재료의 상대강도계수를 제안하였고, 한국형 설계법에서 고려하고 있는 도로설계등급을 고려하여 교통량 산정하는데 적용하였다. 또한, 투수성 콘크리트 포장설계를 위한 지지력 복합계수를 한국형 설계법에서 적용한 방법을 활용하여 구조 설계에 고려하였다. 이러한 설계인자를 고려하고 경제성을 고려한 최적 포장 두께를 산정하기 위한 최적화 알고리즘을 적용설계를 할 수 있는 PerPaveDesign 프로그램을 그림 1과 같이 개발하였다.

미국 및 프랑스의 경우, 초대형 항공기 출현, 항공기 기어 형상의 변화 및 항공교통의 지속적인 수요로 인하여 과거 노모그래프를 사용하는 설계법으로 포장을 설계하는데에 많은 한계가 있었다. 이러한 연유로 미국 FAA 및 프랑스 LCPC등은 포장 구조 시스템을 해석하고 이를 근거로 포장의 공용성을 예측하는 역 학적 경험적 설계법을 개발하였고, 현재도 개선 중에 있다. 줄눈 콘크리트 포장인 공항 콘크리트 포장의 경우 아스팔트 포장과는 달리 조인트를 가지는 이유로 다층탄성해석 프로그램을 통한 설계법에서 최근에 는 3차원 유한요소방법을 이용한 설계법으로 변화하고 있다. 본 연구는 국내의 역학적-경험적 공항포장 설계법을 개발하기 위해 FAA에서 개발한 공항포장용 3차원 유한요소프로그램인 FEAFAA를 참고하여 범용 해석 프로그램인 ABAQUS로 이를 개선한 모형을 구축하 였고, 기존 개발된 줄눈 콘크리트 포장용 3차원 유한요소해석 프로그램인 FEAFAA, EverFE 등과 비교하 여 구축 모형을 검증하였다. 그리고 항공기의 이동하중에 대한 포장의 거동을 해석할 수 있는 동적 해석 모형으로 확장하였고, 향후 인천공항공사의 현장 시험을 통해 모형에 대한 검증을 수행할 예정에 있다.

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.

도시부 도로에서 투수성포장의 효용성은 널리 인식되고 있으나, 빗물침투로 인한 노상의 약화를 고려한 포장 두께 설계는 아직 제시되지 못하고 있다. 도시에서 빗물을 도로포장의 표면에서 바로 배수시키지 않고, 표면을 투과해서 노상으로 침투시키는 구조를 갖는 투수성포장은 도시홍수의 억제, 배수시설의 부하 경감, 지중생태계 개선, 열섬현상 억제 등 기존 불투수성 포장으로 인해 발생되는 여러 가지 문제를 저감시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 투수성포장의 구조설계는 빗물 침투로 노상이 약화되는 현상을 적절히 고려할 수 없어, 투수성포장에 대한 구조설계방법은 아직 제시되지 못하고 있다. 본 연구에서는 빗물에 의한 노상의 약화 정도에 대한 문헌적 정보와 역학적 분석을 통해 잠정적으로 적용할 수 있는 투수성 아스팔트포장의 구조설계방법을 제시하였다. 문헌적 정보는 노상함수비가 최적함수비에서 2% 증가에 따라 탄성계수가 20% 감소한다는 조건을 적용하였다. 실제 현장을 대상으로 투수성포장을 적용할 경우 유한요소 해석결과와 기존 설계방법에 노상의 강도저하를 고려한 결과 기존두께에 30cm 정도 보조기층을 보강해야 하는 것으로 분석되었다. 이것은 일본에서 투수성 아스팔트포장의 구조설계에 적용하고 있는 증가두께와 유사한 것으로 나타났다.

포장구조체에서 요구되는 강도를 갖게 하는 구조 설계의 방법은 경험적 절차부터 반역학적 절차까지 발전되어 왔다. 재생 가열아스팔트혼합물이 기존의 가열아스팔트혼합물(HMA)과 비교하여 비슷하거나 때에 따라 더 좋은 성능을 가져오므로, AASHTO설계지침서에서는 본질적으로 재생(recycled) HMA 재료와 신생(virgin) HMA 재료간의 차이가 없다고 기술하고 있으며, 기존 HMA 재료에 사용되는 덧씌우기설계법의 구조회복 분석방법(structural rehabilitation analysis method)을 재생포장설계에도 권장하고 있다. 재생 가열아스팔트의 설계를 위한 AASHTO 방법은 설계교통량, 교통량 및 수행능력예측의 신뢰수준, 공용기간, 그리고 포장상태 평가지수에 의하여 결정된 포장구조체에서 요구되는 포장두께지수(SN)에 기초한다. 포장두께지수(SN)는 포장층 두께, 상대강도계수, 각 층의 배수조건들의 곱의 조합으로서 나타내어질 수 있다. 덧씌우기로 간주될 수 있는 재생된 층의 포장두께지수(SN)는 기존 포장에서의 포장두께지수와 보강된 포장에서 요구되는 포장두께지수의 차이에 의하여 계산되어질 수 있다. 상대강도계수의 값은 AASHTO 설계지침에 명시되어 있다. AI 방법은 교통량, 노상의 회복탄성계수, 그리고 설계두께를 계산하기 위한 표층과 기층의 종류를 사용한다. 이 방법은 재생된 가열혼합물질과 기존의 가열혼합물질과는 거의 비슷한 성능을 나타낸다고 본다. 또다른 AI 방법에 의하면 재생된 층은 덧씌우기층이라고 간주하고, 현재의 포장두께와 요구되어지는 포장두께 사이의 차를 이용하여 재생될 층의 두께를 산정한다. 소요되는 덧씌우기 두께는 포장의 현장 상태지수(condition rating)와 각 종류에 따른 포장체와 포장재료가 아스팔트 콘크리트층의 등가두께로 전환되어 나타나는 방법에 근거하여 결정될 수 있다. 또 다른 방법은 포장체 각 층의 물성과 하중을 이용한 컴퓨터 프로그램에 의하여 산정된 하중-변형 응답에 의한 설계 방법을 포함한다. 이런 방법들에서는 포장체는 탄성이나 점탄성층 위에서 탄성이나 점탄성 거동을 보인다고 가정한다. 재생 상온혼합물에서의 AASHTO 설계 방법은 가열혼합물의 설계방법과 유사하다. 그러나, 재생 상온혼합물에서의 상대강도계수는 시공방법에 좌우되므로, 기술자의 판단을 근거로 하여 결정되어져야 한다. AI방법에서는 포장구조체를 다층탄성구조라고 보고, 노상의 강도와 설계 교통량을 근거로 요구되는 포장두께를 결정한다. 재생 상온혼합물 기층의 두께는 재생 상온혼합물 기충 위에서 가열아스팔혼합물에 대하여 산정된 덧씌우기 두께를 이용하여 결정할 수 있다. 아스팔트 표면의 재생은 기존 포장의 구조적 능력을 정상적으로 개선할 수 없으므로, 표면 재생의 두께를 설계하는 방법은 없다. 그러나, 임의의 덧씌우기 두께는 기존의 덧씌우기 설계법에 기초하여 산정 할 수 있다. 만약 덧씌우기가 승차감만을 개선시킨다고 여겨진다면, 혼합물에서 사용되어지는 최대 골재 크기에 기초한 최소 두께를 결정할 수 있다.