본 연구에서는 기본설계용 다층탄성이론을 이용한 역학적 거동해석 프로그램을 개발하였고, 현장에서 간편하게 사용될 수 있도록 Visual Basic 프로그래밍을 사용한 사용자 편의의 전 후 처리기법을 도입하여 본 연구에서 개발된 다층탄성해석 프로그램을 패키지화하였다. 패키지화한 상용프로그램에 아스팔트층의 깊이별 온도변화에 따른 영향과 보조기층, 노상과 같은 비구속층에서의 응력비선형성을 고려하여 아스팔트 포장구조해석모형을 개발하였다. 또한 개발된 해석과정을 이용하여 시험도로 실제 초기 현장계측자료의 현장검증을 실시하였다.

본 연구에서는 기존의 아스팔트 콘크리트 포장구조해석에 사용되는 다층탄성해석에서 경계면의 영향을 평가하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS와 다층탄성 프로그램인 KENLAYER를 이용하여 연직하중이 작용하는 경우의 경계면 특성에 따른 포장성능에 관한 비교 분석을 실시하였다. 그리고 실제 주행하중에 의해 발생되는 수평하중이 포장체에 미치는 영향을 고찰하기 위해 수평하중을 고려한 포장구조해석도 실시하였다. 이를 위해 ABAQUS를 이용하여 경계면 상태에 따른 포장구조체 내부에서 발생하는 변형률 및 처짐을 분석하고, 경계면의 접합상태에 따른 효과를 분석하였다. 이러한 과정을 통해 경계면 상태에 따른 포장체의 공용성에 관한 기존의 정성적 평가로부터 수치해석을 통해 정량적 평가를 실시하고, 경계면 효과에 대한 기본연구를 실시하였다. 연구 결과 기존 해석에서 사용되는 연직하중만 작용하는 경우와 실제 주행하중을 모사하는 연직하중과 수평하중이 동시에 작용하는 경우 수평하중의 작용으로 인해 공용횟수가 약 1/300로 감소하여 포장구조해석시 수평하중을 고려한 해석이 절실히 필요함을 알 수 있었다.

국내의 경우 도로포장설계시 외국의 설계법을 단순히 도입하여 사용하고 있지만 건설재료,기후 및 교통조건 등이 외국과 상이하기 때문에 근본적 인 제한성이 있다. 특히, 국내 포장구조해석에서 아스팔트층 거동특성만을 중요시하는 해석은 포장구조체가 각 층의 영향을 받는 종합적인 거동특성을 보인다는 포장구조체 시스템적인 특성을 고려한다면 많은 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 도로포장 설계시 합리적이고 경제적인 설계를 할 수 있도록 포장구조체의 해석 시스템을 구축하여야 한다. 본 연구에서는 비선형성이 포장체에 미치는 영향을 알아보기 위한 수치해석의 기본작업으로 다층구조상태인 포장체의 거동해석에 영향을 미치는 두께와 탄성계수 조합으로 구성된 243개의 표준단면과 하중종류에 따른 영향을 분석하여 응력의 변화분포가 큰 경우를 해석단면으로 결정하였다. 분석결과 탄성계수보다 층 두께의 영향이 더 큼을 알 수 있었다. 또한. 하중의 경우 원형등 분포하중인 정적하중과 FWD 시험하중을 비교한 결과 FWD 시험하중의 응력분포가 더 큼을 알 수 있었다. 결정된 해석단면을 이용하여 포장하부의 재료적 특성을 대변하는 비선형탄성모델을 각 층별로 적용시켜 기존의 선형탄성모델을 이용한 해석결과와 비교 분석한 결과 포장하부시스템 중 보조기층에서는 지반내 응력상태를 반영할 수 있는 비선형모델을 고려해야 하는 것이 보다 합리적임을 알 수 있었다.

국내의 경우 도로포장설계시 외국의 설계법을 단순히 도입하여 사용하고 있지만 건설재료,기후 및 교통조건 등이 외국과 상이하기 때문에 근본적 인 제한성이 있다. 특히, 국내 포장구조해석에서 아스팔트층 거동특성만을 중요시하는 해석은 포장구조체가 각 층의 영향을 받는 종합적인 거동특성을 보인다는 포장구조체 시스템적인 특성을 고려한다면 많은 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 도로포장 설계시 합리적이고 경제적인 설계를 할 수 있도록 포장구조체의 해석 시스템을 구축하여야 한다. 본 연구에서는 비선형성이 포장체에 미치는 영향을 알아보기 위한 수치해석의 기본작업으로 다층구조상태인 포장체의 거동해석에 영향을 미치는 두께와 탄성계수 조합으로 구성된 243개의 표준단면과 하중종류에 따른 영향을 분석하여 응력의 변화분포가 큰 경우를 해석단면으로 결정하였다. 분석결과 탄성계수보다 층 두께의 영향이 더 큼을 알 수 있었다. 또한. 하중의 경우 원형등 분포하중인 정적하중과 FWD 시험하중을 비교한 결과 FWD 시험하중의 응력분포가 더 큼을 알 수 있었다. 결정된 해석단면을 이용하여 포장하부의 재료적 특성을 대변하는 비선형탄성모델을 각 층별로 적용시켜 기존의 선형탄성모델을 이용한 해석결과와 비교 분석한 결과 포장하부시스템 중 보조기층에서는 지반내 응력상태를 반영할 수 있는 비선형모델을 고려해야 하는 것이 보다 합리적임을 알 수 있었다.

최근 포장도로의 역학적 상태를 평가하는 방법으로 비파괴 시험인 FWD(Falling Weight Deflectometer)와 탄성파시험이 많이 이용되고 있다. 그러나 기존의 방법들은 공용중인 도로에서 차량을 통제시킨 후 시험을 실시해야 하는 제한이 있다. 그러므로 실제 주행하중 통과시 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 물성을 추정하여 잔존수명 예측 및 이동하중에 대한 포장체 거동을 분석하는 경우에는 FWD와 같이 표면처짐으로부터 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각 층의 물성을 추정하는 방법의 사용이 곤란하다. 이런 경우에 MDD (Multi-Depth Deflectometer)를 통해 얻어진 깊이별 처짐을 사용하여 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각 층의 물성을 역산 추정하고자 본 연구에서는 다층 탄성이론의 반복적인 역산과 충격하중의 영향을 고려하여 깊이별 처짐으로부터 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각층의 물성을 추정할 수 있는 역산반복기법을 개발한 후 이를 수치검증하였다. 수치모델을 통하여 검증한 결과, 역산추정된 탄성계수와 실제탄성계수 사이의 오차는 최대 0.114%로 신뢰성 있는 결과를 얻었다. 또한 본 연구에서는 주행하중의 속도에 따른 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 동적특성을 파악하여 실제적인 포장구조체의 거동을 분석하고자 수도권 외곽 순환고속도로 김포구간에서 실제 트럭주행을 통한 현장시험을 실시하였다. 주행하중에 대한 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 거동을 깊이별 처짐 측정장비인 MDD를 이용하여 깊이별 상대처짐을 측정하고, 주행속도에 따라 포장구조체의 거동을 해석하여 차량의 속도와 포장체 거동을 역학적으로 분석하였고, 주행속도별 층별 동적물성을 개발된 역해석 프로그램으로부터 산정하였다. 주행속도별 동적특성 분석결과, 차량의 주행속도가 증가할수록 깊이별 상대처짐은 감소하였고, 실측된 깊이별 처짐으로부터 포장구조체의 층별 물성을 역해석한 결과 속도가 증가할수록 탄성계수가 증가하였다. 따라서 주행속도가 줄어들수록 포장체의 구조적 능력 저하에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다.

최근 포장도로의 역학적 상태를 평가하는 방법으로 비파괴 시험인 FWD(Falling Weight Deflectometer)와 탄성파시험이 많이 이용되고 있다. 그러나 기존의 방법들은 공용중인 도로에서 차량을 통제시킨 후 시험을 실시해야 하는 제한이 있다. 그러므로 실제 주행하중 통과시 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 물성을 추정하여 잔존수명 예측 및 이동하중에 대한 포장체 거동을 분석하는 경우에는 FWD와 같이 표면처짐으로부터 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각 층의 물성을 추정하는 방법의 사용이 곤란하다. 이런 경우에 MDD (Multi-Depth Deflectometer)를 통해 얻어진 깊이별 처짐을 사용하여 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각 층의 물성을 역산 추정하고자 본 연구에서는 다층 탄성이론의 반복적인 역산과 충격하중의 영향을 고려하여 깊이별 처짐으로부터 아스팔트 콘크리트 포장구조체 각층의 물성을 추정할 수 있는 역산반복기법을 개발한 후 이를 수치검증하였다. 수치모델을 통하여 검증한 결과, 역산추정된 탄성계수와 실제탄성계수 사이의 오차는 최대 0.114%로 신뢰성 있는 결과를 얻었다. 또한 본 연구에서는 주행하중의 속도에 따른 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 동적특성을 파악하여 실제적인 포장구조체의 거동을 분석하고자 수도권 외곽 순환고속도로 김포구간에서 실제 트럭주행을 통한 현장시험을 실시하였다. 주행하중에 대한 아스팔트 콘크리트 포장구조체의 거동을 깊이별 처짐 측정장비인 MDD를 이용하여 깊이별 상대처짐을 측정하고, 주행속도에 따라 포장구조체의 거동을 해석하여 차량의 속도와 포장체 거동을 역학적으로 분석하였고, 주행속도별 층별 동적물성을 개발된 역해석 프로그램으로부터 산정하였다. 주행속도별 동적특성 분석결과, 차량의 주행속도가 증가할수록 깊이별 상대처짐은 감소하였고, 실측된 깊이별 처짐으로부터 포장구조체의 층별 물성을 역해석한 결과 속도가 증가할수록 탄성계수가 증가하였다. 따라서 주행속도가 줄어들수록 포장체의 구조적 능력 저하에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다.