상임감사위원 팀 장 처 장 본부장

등록번호	설계처-2459
등록일자	2016.08.19
결재일자	2016.08.19
공개구분	공개

 건설처장 :

 

저토피 지중구조물 상부 포장파손 저감 방안

2016. 8.

설 계 처

 

설계계획팀장 :

설계기준부장 :

구조설계팀장 :

목차 Ⅰ. 검 토 목 적 Ⅱ. 추 진 경 위 Ⅲ. 현실태 및 문제점 Ⅳ. 개선방안 검토 Ⅴ. 결론 및 적용방안

 

 

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Ⅰ 검 토 목 적

□ 저토피 지중구조물 상부 포장에서 동결융해 및 차량하중 등으로 인한 손상발생으로 주행 쾌적성이 저하됨에 따라

□ 지중구조물과 상부 포장과의 역학관계 분석을 통하여 포장 파손저감을 위한 구조적 보강방안을 도출하고자 함

Ⅱ 추 진 경 위

□1996. 8 암거 보강 슬래브 설계기준 검토 (설계처)

 ㅇ포장층 내 위치하는 암거, 토피고 1.5m 이내의 지중라멘교에 포장종류에 상관없이 보강슬래브 적용 (L=6.0m, fck=24Mpa)

□ 2005. 12 호남지역 폭설, 한파로 저토피 암거 상부 포장융기 다수 발생

□ 2006. 12 저토피부 Box 설치구간 포장융기 방지 방안 수립 (설계처)

 ㅇ 포장층 내 신속한 배수를 위한 맹암거 설치

□ 2011~ 2013 지중구조물 상부 콘크리트포장 파손 예방을 위한 설계 및 유지관리 기술 개발 연구 (도로교통연구원)

□ 2013. 6 고속도로 포장수명 연장을 위한 저토피 암거 상부 포장 융기 방지대책 검토 (설계처)

 ㅇ 암거상면 전체를 비동결성재료 (SB-1) 로 치환

 

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Ⅲ 현실태 및 문제점

① 파손실태

□ 저토피 지중구조물 상부포장에서 균열 등 파손 발생

 ㅇ 경부선 등 9개 노선 957개소 암거 조사결과 (도로교통연구원, 2011) 토피고 3.0m 이하 암거에서 집중적으로 발생(77%)

 

-토피고↓ ->포장파손 비율 높음, 토피고 ↑ ->포장파손 비율 낮음

□ 포장파손 형태

 ㅇ지중구조물 중앙부 파손은 주로 동결융해에 의한 포장융기 및 균열의 형태로 나타나며, 단부파손은 융기없이 균열의 형태로 발생

 

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② 원인분석

□ 지중구조물 중앙부 ☞ 주로 동결융해에 의한 포장 파손

 ㅇ 암거상부 동결융해 발생 메커니즘

수분침투 및 암거상부 체수 ⇨ 동절기 체류수 결빙 및 체적팽창(9%) ⇨ 포장체 융기 및 균열 발생

 ㅇ 동결융해 발생조건

 

1) 충분한 수분공급

2) 기온 이하 지속

3) 동결융해를 유발하는 토질

☞ 3가지 조건이 모두 충족 시 발생

수분공급

모관상승

포화상태

동상방지층

노 상

노 체

통로암거 상부 슬래브

제설 눈

30cm

<기 조치사항 (2013. 6)>

 

※ 암거 상면을 비동결성 재료(SB-1) 치환 ☞ 동결융해 발생없음

 

□ 지중구조물 단부 ☞ 구조물과 포장과의 역학관계에 의한 파손

 ㅇ 저토피 지중구조물 상부 포장에서 최대인장응력이 콘크리트 포장의 휨강도(4.5Mpa) 초과 (도로교통연구원 유한요소해석 결과)

 

-적용하중은 포장 자중과 온도하중, 윤하중(40kN)을 반영하여 해석

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 ㅇ 콘크리트 포장의 경우 줄눈위치에 따라 포장에 작용하는 인장 응력의 차이 발생

 

*중앙부에 수축줄눈을 설치하는 경우 토피고에 따라 포장의 휨강도를 초과하는 인장응력 발생

**포장 슬래브 하부에 지중구조물 단부가 위치하여 부등 지지력 조건 ( 구조물과 토공의 경계부)이 됨에 다라 인장 응력 발생 증가

③ 문 제 점

□ 지중구조물과 상부 포장과의 역학관계에 의한 포장파손 지속

 ㅇ 그간 동결융해에 의한 포장파손 방지대책에만 집중

 ㅇ 지중구조물 상부 포장자중, 컬링응력^*, 윤하중 재하만으로 콘크리트 포장의 휨강도 초과 ☞ 포장 파손발생

* 낮 : 슬래브 상부 온도 > 하부 온도 ☞슬래브 양단이 아래로 휨(컬 다운)

  밤 : 슬래브 상부 온도 < 하부 온도 ☞ 포장파손발생

 

□ 콘크리트 포장 설계 시 지중구조물과 연계한 수축줄눈 위치 미고려

 ㅇ 수축줄눈의 위치에 따라 포장에 작용하는 인장응력이 상이함에도 인장응력을 최소화할 수 있는 설계 미시행

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Ⅳ 개선방안 검토

환경 · 교통하중에 의한 포장체 작용응력 최소화로 포장파손 예방

◈ 저토피 지중구조물 보강슬래브 확대 설치

◈ 저토피 지중구조물 상부 콘크리트 포장 시공 시 최적 줄눈위치 선정

① 저토피 지중구조물 보강슬래브 확대 검토

□ 보강슬래브 확대 설치 필요성

 ㅇ 토피고 1.0m 미만 구간은 보강슬래브(L=6.0m) 설치^*로 토피고 1~2 구간에 비하여 포장파손 비율 낮음

 ㅇ 보강슬래브 설치 시 포장체 발생 인장응력 최대 24% 감소

 

*암거 상단이 포장층(동상방지층 포함) 내 위치할 경우 보강도

 

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□ 적정 보강슬래브 설치길이 검토

 ㅇ 보강슬래브 길이에 따른 포장체 최대인장응력 분석 (도교원 연구결과)

 

* 토피고가 클수록, 보강스래브가 길수록 포장에 발생하는 최대인장응력은 작아짐

** 보강슬래브 길이 2m 이상부터는 최대인장응력 큰 변화없음(①)

*** 토피고가 낮은 구간(암거상단이 포장층내 위치)은 보강슬래브 길이 2m로 설치할 경우 포장의 휨강도를 초과함(②)

 

 ㅇ 경제성 검토

(2EA, B=8.2m, θ=0º)

구분		접속	슬래브	길이	별	공사비
	1m	2m	3m	4m	5m	6m
공사비(백반원)	2.0	5.6	9.4	13.0	16.8	20.6
비율	0.3	1.0	1.7	2.3	3.0	3.7

□ 검토결과

 ㅇ 저토피 지중구조물 보강슬래브 설치대상 확대

     (당초) 포장층 내 위치하는 암거+ 토피고 1.5m 이내 지중라멘교

     (변경) 토피고 3.0m이내 암거 및 지중라멘교

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 ㅇ 포장체 발생응력 및 경제성을 고려한 최적 보강슬래브 길이 설정

구조물 상단 위치	개념도	보강슬래브 길이
포장층 내(동상방지층 포함)<기시행>		6.0m
포장층 하부 ~ 토피고 3.0m <추가>		2.0m*

 

*유한요소해석 결과 보강슬래브 2.0m 이상부터는 보강효과 유사

 

 

② 저토피 지중구조물 상부 콘크리트 포장 수축줄눈 위치 조정 검토

□수축줄눈 위치에 따른 작용 인장응력 분석

 ㅇ 수축줄눈을 암거단부 설치 시 최대인장응력 효과적으로 감소

 

 ㅇ 사각이 있는 경우는 포장 중심선과 암거단부가 교차되도록 배치시 최대인장응력 효과적으로 감소

 

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□ 포장체 작용응력 최소화 줄눈 시공방안 검토

 ㅇ 줄눈 콘크리트 포장 시공 시 저토피 구조물 표기 및 줄눈이 구조물 단부에 위치하도록 줄눈 설계 검토

구분	예시도	비고
줄눈위치 조정 전		-저토피 구조물과 관계없이 줄눈 배치
졸눈위치 조정 후		-저토피 구조물 단부에 줄눈위치

 

 

 ㅇ 시공 전 줄눈위치에 대한 시공상세도 작성 및 감독원 확인 철저

□ 검토결과

 ㅇ 콘크리트 포장 수축줄눈 위치를 구조물 단부에 근접하여 설치함으로써 포장체 작용 인장응력 최소화

 ㅇ 시공 시 저토피 지중구조물 위치 및 줄눈배치 검토 시공상세도 작성을 통하여 확인

Ⅴ 결론 및 적용방안

□ 결 론

저토피 지중구조물 보강슬래브 설치대상 확대

당초	변경
상단이 포장층 내 위치하는 암거, 토피고 1.5 이내 지중라멘교	토피고 3.0m 암거 및 지중라멘교

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 ㅇ 포장체 발생응력 및 경제성을 고려한 최적 보강슬래브 길이 설정

- 구조물 상단이 포장층(동상방지층 포함) 내에 위치 : 6.0m

- 구조물 상단이 포장층 하부~ 토피고 3.0m 이내 위치 : 2.0m

□ 콘크리트 포장 작용응력 최소화를 위한 수축줄눈 위치 조정

 ㅇ 콘크리트 포장 수축줄눈 위치를 구조물 단부에 근접하여 설치함으로써 포장체 작용 인장응력 최소화

 ㅇ 저토피 지중구조물 상부포장 줄눈설치 방법을 설계도서 (공사 시방서 포장계획도 등 )에 표기

② 적용방안

□ 설계중인 노선 : 본 기준 적용

□ 공사중인 노선 : 공사주관 시행 부서에서 적용여부 판단

별 첨 변경 표준도 부