기술사 공부하는 자료 공유

*최근 도로및공항 기술사에는 출제되지 않으나, 포장을 이해하는데 도움이 될 듯하여 올립니다.

Ⅰ. 개 요

1. 교통조건(W8.2), 노상조건(SSV), 환경조건(Rf), 서비스 지수(Pt)에 의하여 구하여진 포장두께지수(SN)는,

층별 상대강도계수(ai)와 층별 두께(Di)의 함수로 표시됨.

2. 상대강도계수(ai)란,

- 포장두께지수를 실제포장두께로 환산하기 위한 구조적 강도를 나타내는 수치이며,

- 포장 각층별 재료의 상대적인 능력을 측정하는 척도로서,

- 포장두께결정에 영향을 주는 가장 중요한 변수중의 하나이다.

3. 상대강도계수는 각층재료의 특성을 타나내는 탄성계수, CBR, R값 등으로 부터, 관계도표를 이용하여 구할 수 있다.

Ⅱ. 상대강도계수 산정방법

1. 기본 관계식

: 포장두께지수(SN)의 각층별 두께(Di)와 상대강도 계수(ai)와의 관계식

SN = a1D1 + a2D2 + a3D3

여기서, SN : 포장두께지수

a1, a2 ,a3 : 각층 재료별 상대강도계수

D1, D2, D3 : 각층별 포장두께

2. 상대강도계수(ai) 산정기준

가. AASHTO 적용값

1) 표층의 상대강도계수(a1) : a1 = 0.176

2) 기층의 상대강도계수(a2) : a2 = 0.136

3) 보조기층의 상대강도계수(a3) : a3 = 0.043

나. 우리나라 적용값 (도로설계요령 : 한국도로공사)

1) 표층 : 0.145 (아스콘, 마샬 안정도 500이상)

2) 기층 : 0.052 (쇄석골재)

3) 보조기층 : 0.034 (강모래 + 자갈)

다. 시멘트 안정처리기층의 상대강도계수 : 탄성계수 or 7일양생 일축압축강도로부터 산정

라. 역청 안정처리기층의 상대강도계수 : 탄성계수 or 마샬안정도로부터 산정

Ⅲ. 상대강도 계수(ai)를 이용한 포장두께 산정

1. 소요SN 결정

: 교통량, 노상지지력, 지역계수 등의 조건을 고려하여, 소요 포장두께지수(SN) 결정

2. 상대강도계수(ai)산정

: 포장 재료층의 종류와 두께를 가정하여,

각층의 상대강도 계수를 도표 및 관계식을 이용하여 산정.

3. 설계SN 결정

: 가정된 포장두께에 따른 설계SN 산정

3. 설계SN과 소요SN 비교

→ 설계SN〉소요SN이 되도록 설계

4. 포장두께 결정

: 계획목표년도까지 서비스 수준(Pt)을 유지되도록 포장두께 결정.

Ⅳ. 문제점 및 개선방향

1. 국내의 환경 및 포장재료조건에 적합한 ai의 시험치 정립이 필요함.

- 현재 국내에서는 지역특성 및 포장재료조건에 대한 토질역학적 검토가 이루어지지 않아 우리나라 특성에 맞는 ai가 체계적으로 적립되어 있지 않음.

- 따라서 건교부에서는 우리나라 환경과 유사한 미국 4개주(유타, 오하이오, 와이오밍, 일리노이)에서 사용하는 상대강도계수의 평균값을 사용하고 있는 실정임.

2. 추후 개선방안

가. 단기적으로는

- 우리나라 실정에 맞는 포장설계기법이 개발되기 이전까지,

- 우리나라에 적합하도록 보완, 수정하여 실무에 잠정적으로 사용하는 것이 바람직함.

나. 장기적으로는

- 국내 포장재료의 역학적 거동에 대한 연구수행 필요

- 우리나라 실정에 맞는 한국형 포장설계기법을 조속히 개발하여 적용

*최근 도로및공항 기술사에는 출제되지 않는 문제이긴하나, 참고하시면 기술자로서 도움이 될듯 합니다. 

Ⅰ. 개 요

1. 포장두께지수(SN)은

- 교통조건(W8.2), 노상조건(SSV), 환경조건(Rf), 서비스 지수(Pt)를 입력하여

- 관계식 또는 설계도표를 이용하여 결정

2. 포장두께지수(SN)는 층별 상대강도계수(ai)와 층별 두께(Di)의 함수로 표시됨.

Ⅱ. 포장두께지수(SN)의 산정방법

1. '72 AASHTO 잠정지침 설계법

SN = a1D1 + a2D2 + a3D3

여기서, SN : 포장두께지수

a1, a2 ,a3 : 각 층별 상대강도계수

D1, D2, D3 : 각 층별 포장두께

2. '86 AASHTO 설계법

: 배수계념 도입

SN = a1D1m1 + a2D2m2 + a3D3m3

여기서, m1, m2, m3 : 각층별 배수계수

3. 설계포장두께 산정

Ⅲ. 개선사항

1. 국내의 지젹조건 및 포장재료조건에 적합한 ai에 대한 시험치의 정립 필요

2. mi(배수계수)의 실측치 적용 필요

3. 국내 포장재료의 역학적 거동에 대한 실험연구 수행 필요.

*한국형포장설계법이 나오기 이전 AASHTO 설계법을 활용하여 포장구조계산시 사용했던 지역계수이므로,

참고만하시기 바랍니다. 

Ⅰ. 개 요

1. 지역계수(Rf)란,

- 포장설계시 설계지역의 기후조건을 반영하기 위한 척도로서,

- 노상토의 온도와 함수량의 년간 변화를 고려한 가중 평균값으로

- 0～5사이의 계수로 정의됨.

2. 지역계수(Rf)값은,

설계 공용기간 동안의 8.2t 단축하중 누가 통과횟수와 역함수관계로 표시됨

Ⅱ. 우리나라 실무에서 관용적인 적용 기준치

1. 서울북부지역 및 표고 500m 이상지역 : 2.5

2. 서울이남 지역에서 대전 이북지역 : 2.0

3. 대전 이남지역 : 1.5

Ⅲ. '72잠정지침과 '86 AASHTO 설계법과의 차이점

1. '72 AASHTO 잠정지침

: 환경적 영향(R)과 지형적 영향(S)을 구분하여 Wt1.8 에 대한 함수로 표시

Wt1.8 = (Wt1.8) AASHTO + f(1/R) + f(s)

2. '86 AASHTO 설계지침

: 환경, 지형적 영향을 묶어서 설계입력 변수별로 고려

Wt1.8 = (Wt1.8) AASHTO + f(1/R) + f(환경, 지형영향)

Ⅳ. 결 론(문제점 및 개선방안)

1. 단지 가중치 개념으로서, 외국의 전역에 걸친 검증을 통한 값이므로, 우리나라에 적용시에는 우리조건에 맞게 보완되어 사용되어야 함.

2. Rf값의 산정시 주관적인 면이 많다.

3. 배수에 대한 고려가 미흡하다는 단점 보유.

Ⅰ. 개 요

1. 동탄성계수(MR)란,

흙의 비선형적 특성을 이용하여 반복재하하중 및 구속응력의 크기에 따라 변화하는 응력의 의존적 탄성계수로 정의된다.

2. 포장체가 차량주행으로 인해 반복적으로 윤하중을 받는 조건에서 포장재료의 역학적 특성을 반영한 계수임.

3. '86 AASHTO 포장설계지침에서 노상지지력계수(SSV)대신 동탄성계수(MR) 사용.

4. 노상의 지지력은 가변성이 있다는 전제조건 하에서, 노상의 지지력 평가를 위한 가장 합리적, 역학적인 시험법으로 평가되고 있음.

Ⅱ. 동탄성계수MR) 산정

1. 규 정

: AASHTO 시험 T-274

2. 계산식

3. 시험방법

가. 실내시험법

- 3축재하식(Trarial Mode)

- 원주면재하식(Diametral Mode)

나. 원위치시험법

- 직접시험법 : 원위치에서 반복하중으로 직접 MR 결정.

- 간접시험법 : 현장비파괴시험(Dynaflect FWD사용)

다. 시 험 식

MR = K1θk2

여기서, θ = σ1 + σ2 + σ3 : 주응력 합계

k1, k2 : 토질종류에 따른 회기 상수

Ⅲ. 다른 토질정수와의 관계

1. CBR과의 관계식(수침 CBR 10이하인 세립토)

MR = 104.45 × CBR

2. 토질상태(NCHRP 보고서)

- 양호 : MR = 700kg/cm2 이상

- 불량 : MR = 210kg/cm2 이하

Ⅳ. 국내현황 및 개선사항

1. 국내에서는 지역특성 및 계절적 특성에 대한 토질역학적 검토가 이루어지지 않아 포장설계실무에서 MR대신 CBR을 이용하고 있음.

2. 외국은 MR시험적용이 급속히 확대되고 있는 추세임(실내 3축재하식시험이 주종)

3. 국내의 경우 ‘86 AASHTO포장설계지침 도입을 위해 연구 시작

4. 향후 MR시험기 보급 및 MR적용 설계법에 대한 인식이 성숙되기 전까지 기존설계법을 적용할 수 있도록 MR-CBR 상관관계식 개발 필요.

5. 장기적으로는 ‘86 AASHTO포장설계지침 도입을 위해 우리나라의 지역적 특성과 계절적 변화특성을 고려한 한국형 포장설계법 개발이 요구됨

Ⅰ. 개 요

1. 노상지지력계수(SSV)란,

- 노상의 지지강도 or 지지 용량을 표시하는 가상적 척도로서,

- 포장설계 기본식의 주요 입력변수중의 하나이다.

2. AASHTO 도로시험을 통해서 개발된 지표이며,

CBR값, R값, 군지수, 동타성계수(MR)와 같은 강도정수와 상관시켜서 결정해야 한다.

Ⅱ. SSV 산정

1. 평가기준점

가. 평가 기준점(SSV=3.0)

: AASHTO 도로시험에서 노상조건이 평균CBR(2.89), 다짐밀도(80%) 이고, SN=2.98, Pt=2.0일때,

8.2톤 단축하중을 2.5회/일(20년동안 0회) 통과시킬 수 있는 지지용량을 가질 때

나. 평가기준점(SSV=10.0)

: AASHTO 도로시험에서 포장층에 대한 노상의 영향을 극소화시킬 수 있는 상당한 두께의 쇄석기층을 가지고,

SN=1.98, Pt=2.0일때, 8.2톤 단축하중을 1000회/1일(20년동안 0회) 통과시킬 수 있는 지지용량을 가질 때

2. 관계식

: SSV(3.0)과 SSV(10.0)사이에서 log직선관계가 성립한다고 가정

W8.2t : 8.2톤 등가단축하중 통과 횟수

3. SSV 산정방법

가. 관계도표 이용

1) CBR 시험

2) 설계CBR 산출

3) CBR-SSV 관계도표 이용하여 SSV값 결정

나. 관계식 이용

SSV = 3.8log CBR + 1.3

여기서, CBR : 설계 CBR이용

Ⅲ. SSV 적용상 문제점

가. 노상지지력계수(SSV)값은 시험에 의해 직접 산정되는 값이 아니고, 토질특성치를 이용하여 산정된 값이므로 정확성, 객관성 미흡

나. 우리나라 CBR 측정법과 미국 Utha주의 CBR측정법에 있어서 다짐방법의 차이로 「CBR-SSV 관계도표」적용상 불합리

다. 1988년 국립건설시험소에서 연구를 시행하였으나, CBR과는 상당한 차이가 있고, 검증결과를 거치지 않아 불확실함.

Ⅳ. 개선방안

가. 가장 합리적인 관계식은 없으며,

나. AASHTO의 CBR-SSV관계 도표의 사용은 CBR시험시 다짐방법의 차이로 불합리하므로 KSF 2320 다짐시험에 의한 SSV 결정 필요.

다. 또한 노상토지지력계수(SSV) 산정은, CBR값, R값, 군지수, 동타성 계수(MR)와 같은 강도 정수와 상관시켜서 결정해야 함.

Ⅰ. 개 요

1. 등가단축하중(ESALF)이란,

- 도로설계시 교통하중에 의한 도로의 파손정도를 나타내는 상대적 척도로서,

- 공용기간동안 통과 예상 8.2ton 환산교통량 누가통과 횟수임.

2. 도로를 통행하는 자동차는 각기 다른 축배열 및 축하중을 가지고 있으므로,

- 이것을 설계표준 교통하중으로 환산하기 위하여

- 8.2ton 등가단축하중으로 환산하여 포장구조설계에 이용한다.

Ⅱ. ESALF의 산정과정

1. 조사지점의 선정 : 통계적 표본추출

2. 조사지점에서의 차종구분 및 차종별 표본크기 결정

3. 현장조사를 통한 자료수집

가. 조사장비 : 고정식, 이동식, 휴대식 축중기

나. 축 배 열 : 단축, 복축, 삼축

4. ESALF 산정

가. 가요성 포장 : W8.2 = f(SN, Pt)

나. 강 성 포 장 : W8.2 = f(D, Pt)

다. 임의점에서의 등가단축하중계수(ESALF)

- 임의지점의 등가단축하중계수(ESALF)는

- 임의 단축하중의 1회 통과에 따른 피해도와

- 표준 단축하중 1회 통과에 따른 피해도와의 비로 정의

Ⅲ. 설계차로 교통하중(W8.2) 산정

1. ESAL = AADT × 8.2ton ESALF

2. W8.2 = DD ×DL × W8.2t

W8.2 : 양방향 전단면 ESAL

DD : 방향별 분배계수(0.5)

DL : 차로별 분배계수 1방향 1차로 : 100 % 1방향 2차로 : 100～80 %

1방향 3차로 : 80～60 % 1방향 4차로 : 75～50 %

Ⅳ. ESALF를 이용한 포장두께 산정

1. 계획목표년도(보통 20년)의 장래 교통량(AADT) 예측

2. CBR시험을 통한 설계CBR값 결정

3. 8.2ton 등가단축하중계수(ESALF) 결정

- 차종별, 축별, 최종서비스 지수(Pt)별, 포장두께지수(SN)별, Slab두께별

4. 혼합교통량을 8.2ton 등가단축하중으로 환산

5. 차로별 분포 결정

6. 설계두께지수(SN) 결정 : 도표, 산식 이용

7. 소요SN과 설계SN값을 비교

: 소요SN〈설계SN이 되도록 설계

8. 포장두께 결정

목표년도까지 서비스수준(Pt)을 만족할 수 있도록 포장두께 결정

Ⅴ. 적용 및 연구

1. ESALF의 적용사례

가. 1973년 : IBRD사업시 최초적용

나. 1979년 : IBRD 5차사업시 O-D조사와 병행 시행

다. 1983년 : 한국도로공사에서 고속도로 12개소 조사

라. 1985년 : 국토개발연구원에서 도로사용자부담 조사

마. 1987년 : KIST에서 전국 31개 지점을 조사하여

포장별(가요성, 강성), 도로등급별(고속도로, 국도, 지방도), 차종별(8종) ESALF값 제시 → 현재 설계 적용값

Ⅵ. 개선사항(장래발전방향)

1. 도로설계시 교통하중에 의한 도로의 파손정도를 나타내는 ESALF는조사자료 부족 및 시기적으로 오래된 자료의 사용으로 설계의 신뢰성이 많이 떨어지고 있는 것이 사실이다.

2. 이러한 문제점을 개선하기 위해서는 다음과 같은 개선이 요구됨

가. 현재의 건교부 교통량 조사체계와 더불어 자동차 축하중에 대한 상시조사체계를 갖출 것

나. 조사 기관별 차종구분 통일 필요

EX) 건교부 11종, IBRD보고서 5종, 한국도로공사 4종

다. 현재의 정적인 조사보다는 차량의 주행상태에서의 동적인 조사가 바람직함.

: WIN(Weight-In Motion)장치 사용

라. DD, DL 도출을 위하여 각 지역별, 도로등급별 조사를 지속적으로 실시

마. 교통량 증가, 차량 중량화, 교통구성 특성 변화에 따라 체계적으로 자동차축하중조사 필요

1. 설치목적

가. 차량의 안전운행에 필요한 노면마찰력을 증대시켜 제동거리를 단축시키는 역활을 하며,

나. 설치구조상 운전자의 졸음을 방지하고, 주의력을 집중시키는 효과가 있음.

2. 설치대상구간

가. 직선구간사이에 위치한 급커브 구간

나. 종단구배가 급한 내리막구간에 위치한 커브 등

다. 선형개량시 구조물 신설 등 막대한 예산이 드는 S커브 지점

라. 교폭이 협소하여 병목현상을 유발하는 노후교량 전방

마. 산지통과로 인한 선형불량구간

바. 간선도로와 부락진입로 등이 T자로 형성된 지점

사. 직선구간이라도 정차장의 설치가 필요한 지점

아. 배수시설불량으로 강우시 마찰력이 크게 감소되는 지점

3. 설치형식

4. 재료 및 공법

가. 사용재료

1) 골 재

- 편암 및 제강슬래그 사용

- 내마모성의 경질골재로 마찰계수가 커야 함.

- Mohr경도 : 8이상,

- 입 경 : 5mm정도

2) 결합재 : 수지계 결합재 사용

나. 공법의 종류

1) 혼합물 자체에 미끄럼저항을 높이는 공법

2) 노면에 경질골재를 살포 접착시키는 공법

3) Graving에 의해 노면을 마무리하는 공법

5. 국내의 적용사례

가. 88고속도로, 호남고속도로의 커브 및 사고다발지점

: 골재노출방법에 의한 미끄럼방지포장으로 교통사고 현저히 감소

나. 국내 4차로 신설 및 확장공사 구간에 다수 적용

ex) 영동고속도로 확장공사(대관령구간)

대전～함양간 고속도로 신설공사

다. 터널전후구간 또는 교량전후구간 등

: 시계가 확보되지 않는 구간에서 노면의 마찰력을 증대시켜 제동거리를 단축시킴

6. 결 론(설계경험상 건의사항)

가. 선형불량구간, 사고다발지점, 시거가 확보되지 않은 구간에는 미끄럼방지포장 설치 적극 추진 필요

- 콘크리트 포장 : Graving 처리

- 아스팔트 포장 : 골재노출방법 사용이 바람직함.

나. 고속도로 I.C Ramp 구간중 종단구배가 급한곳에 설치 필요.

다. 동절기 적설 및 결빙으로 사고위험이 많은 교량

: 교면포장시 미끄럼 방지포장 설치방안 고려

라. 차량의 평균주행속도가 높은 구간 및 급구배구간에 설치된 횡단보도

: 행단보도 전방에 보행자의 안전을 고려하여 미끄럼 방지포장 설치방안 고려

마. 승차감향상을 위해 거친면 마무리공법에 대한 연구개발 필요

Ⅰ. 개 요

1. 포장은 교통하중, 자연조건, 혼합물의 노화 등에 의해 공용성이 저하되며,

공용성 저하는 주행성, 안전성, 쾌적성을 저하시켜

결국에는 원활한 교통흐름에 지장을 주게 되므로 신속한 유지보수가 요구됨.

2. PMS : Pavement Management System)란,

- 도로포장의 유지보수에 소요되는 막대한 예산을 효율적으로 집행하기 위하여

- 적절한 포장평가방법을 통해 구간별 유지보수 우선순위를 결정하고

- 최적의 보수공법을 제시하는 의사결정체계를 말한다.

3. 여기서는 포장의 파손을 일으키는 원인과 PMS 관점에서의 포장유지보수 방법 및 유지보수 최적화 방안에 대하여 기술코자 한다.

Ⅱ. 포장파손 형태 및 원인

1. 파손형태

가. 균 열 : 미세균열, 선상균열, 종,횡단균열, 시공조인트 균열

나. 단 차 : 구조물 부근의 요철로 다짐부족에 의한 부등침하

다. 변 형 : 소성변형, 종단변형 요철, 코루케이션, 침하, 범프, 플라쉬

라. 마 모 : 라벨링, 폴리싱, 스케일링

마. 붕 괴 : 포트홀, 박리, 노화

바. 기 타 : 타이어자국, 흠집, 표면 부풀음

2. 원 인

가. 젖은 골재나 입경이 큰 골재사용

나. AP량 부족 또는 과다, 노화 AP사용

다. AScon 과열

라. Prime Coating, Tack Coating양 부족 또는 과다

마. 과다한 교통하중

바. 포장두께 부족

사. 지하수 영향(침투수에 의한 박리현상)

아. 기층 이하의 지지력 부족(보조기층의 변위증대)

자. 동상방지층의 두께 부족

차. 다짐부족(공극율 과대)

Ⅲ. PMS관점에서의 유지보수 방법

1. PMS의 개념

: 포장의 보수만을 단독으로 생각하지 않고,

계획부터 유지보수까지 전체개념으로 생각하여 유지관리하는 포장의 관리체계

2. Life Cycle에 의한 보수시기 결정

가. Life Cycle의 개념

- 포장의 수명은 신설초기부터 파손까지 일정한 Cycle에 의해 그 수명을 다한다는 이론

나. Life Cycle에 의한 보수시기 선정

: Life Cycle에 의해 포장파손전에 공용성을 회복할 수 있도록 보수시기 선택

3. 노면평가를 통한 유지보수공법 결정(포장의 Life Cycle)

가. 노면의 평가

1) PSI 평가(공용성지수)

- AASHTO 도로시험결과에 따라 PSI적용

- 균열을 중요시 하며 균열율, 요철, 소성변형의 함수

- PSI ≤ 1.0 : 재포장

PSI = 1.1 ～ 2.0 : Overlay

PSI = 2.1 ～ 3.0 : 표면처리

2) MCI 평가(유지관리지수)

- 일본 건설성의 개발모형으로

포장의 공용성을 노상 특정층에 의한 수치로 표시

- 소성변형을 중요시

- MCI ≤ 3 : 재포장

MCI ≤ 4 : 보수요

MCI ≤ 5 : 이상적인 관리상태

나. 보수공법의 선정

: 포장파손 형태의 대부분인 요철량과 균열율에 의한 공법선정

Ⅳ. 결 론

1. PSM의 도입효과는

: 객관적이고 합리적인 근거에 의한 유지보수 즉 예방적 유지보수의 실시를 통한,

1) 도로예산의 효율적인 집행

2) 항상 적정 수준의 포장상태 유지

3) 적기 보수에 의한 포장수명의 연장 등의 효과가 있다.

2. 정부에서는 '86년도부터 전국 국도에 대한 PMS를 도입하여 유지보수계획의 수립 및 예산정책에 이용하고 있으며,

현재 고속도로에 대한 PMS도 개발중에 있다.

3. 조속한 시일내에 고속도로, 국도, 지방도 뿐만아니라, 지지체에서 관리 운영하는 도로에 대하여도 적절한 PMS를 도입되어 합리적이고 체계적인 포장관리가 이루어져야 하겠다.

4. 아울러 각종 도로들에 대한 PMS자료의 수집 및 분석을 통한 연구활동이 활성화되어 포장설계, 시공, 유지관리의 기술발전을 도모하여야 하겠다.