266 ❙ 포장공

65

포 장 공

저토피 지중구조물 상부 포장파손 저감방안 설계처-2459

(2016.08.19)

1 검 토 목 적

□ 저토피 지중구조물 상부 포장에서 동결융해 및 차량하중 등

으로 인한 손상발생으로 주행 쾌적성이 저하됨에 따라

□ 지중구조물과 상부 포장과의 역학관계 분석을 통하여 포장 파손

저감을 위한 구조적 보강방안을 도출하고자 함

2 추 진 경 위

□ 1996. 8 암거 보강 슬래브 설계기준 검토 (설계처)

o 포장층 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)

o 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)

o 암거상면 전체를 비동결성재료(SB-1)로 치환

2013. 6월 이전 2013. 6월 이후

설계행정

포장공 ❙ 267

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

3 현실태 및 문제점

 파손실태

□ 저토피 지중구조물 상부포장에서 균열 등 파손 발생

o 경부선 등 9개 노선 957개소 암거 조사결과(도로교통연구원, 2011)

토피고 3.0m 이하 암거에서 집중적으로 발생(77%)

* 토피고↓ ☞ 포장파손 비율 高, 토피고 ↑ ☞ 포장파손 비율 低

□ 포장파손 형태

o 지중구조물 중앙부 파손은 주로 동결융해에 의한 포장융기 및

균열의 형태로 나타나며, 단부파손은 융기없이 균열의 형태로 발생

중앙부

파손

단부

파손

268 ❙ 포장공

 원인분석

□ 지중구조물 중앙부 ☞ 주로 동결융해에 의한 포장 파손

o 암거상부 동결융해 발생 메커니즘

수분침투 및

암거상부 체수 ⇨ 동절기 체류수 결빙

및 체적팽창(9%) ⇨ 포장체 융기

및 균열 발생

o 동결융해 발생조건

① 충분한 수분공급 ② 기온 0℃ 이하 지속

③ 동결융해를 유발하는 토질

☞ 3가지 조건이 모두 충족 시 발생

〈기 조치사항 (2013. 6) 〉

※ 암거 상면을 비동결성 재료(SB-1) 치환 ☞ 동결융해 발생없음

□ 지중구조물 단부 ☞ 구조물과 포장과의 역학관계에 의한 파손

o 저토피 지중구조물 상부 포장에서 최대인장응력이 콘크리트

포장의 휨강도(4.5Mpa) 초과 (도로교통연구원 유한요소해석 결과)

유한요소해석 모델 해 석 결 과

포장 휨강도 fbk=4.5Mpa

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

설계행정

포장공 ❙ 269

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

o 콘크리트 포장의 경우 줄눈위치에 따라 포장에 작용하는 인장

응력의 차이 발생

중앙부에 수축줄눈 설치 단부에 수축줄눈 설치

포장 휨강도 fbk=4.5Mpa

포장 휨강도 fbk=4.5Mpa

* 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 따라 인장응력 발생 증가

 문 제 점

□ 지중구조물과 상부 포장과의 역학관계에 의한 포장파손 지속

o 그간 동결융해에 의한 포장파손 방지대책에만 집중

o 지중구조물 상부 포장자중, 컬링응력*, 윤하중 재하만으로 콘크

리트 포장의 휨강도 초과 ☞ 포장 파손발생

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

밤 : 슬래브 상부 온도〈하부 온도 ☞ 슬래브 양단이 위로 휨(컬 업)

□ 콘크리트 포장 설계 시 지중구조물과 연계한 수축줄눈 위치 미고려

o 수축줄눈의 위치에 따라 포장에 작용하는 인장응력이 상이함에도

인장응력을 최소화할 수 있는 설계 미시행

270 ❙ 포장공

4 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

 저토피 지중구조물 보강슬래브 확대 검토

□ 보강슬래브 확대 설치 필요성

o 토피고 1.0m 미만 구간은 보강슬래브(L=6.0m) 설치*로 토피고

1~2m 구간에 비하여 포장파손 비율 낮음

o 보강슬래브 설치 시 포장체 발생 인장응력 최대 24% 감소

토피고에 따른 포장파손 비율 보강슬래브 유무에 따른 인장응력

파손율(%)

토피고(m)

최대인장응력(Mpa)

토피고(m)

* 암거 상단이 포장층(동상방지층 포함) 내 위치할 경우 보강도

설계행정

포장공 ❙ 271

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

□ 적정 보강슬래브 설치길이 검토

o 보강슬래브 길이에 따른 포장체 최대인장응력 분석(도교원 연구결과)

보강슬래브

포장 휨강도 fbk=4.5Mpa

①

②

* 토피고가 클수록, 보강슬래브가 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)

o 경제성 검토

(2EA, B=8.2m, θ=0°)

구분

접속슬래브 길이별 공사비

1m 2m 3m 4m 5m 6m

공사비(백만원) 2.0 5.6 9.4 13.0 16.8 20.6

비 율 0.3 1.0 1.7 2.3 3.0 3.7

□ 검토결과

o 저토피 지중구조물 보강슬래브 설치대상 확대

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

(변경) 토피고 3.0m 이내 암거 및 지중라멘교

272 ❙ 포장공

o 포장체 발생응력 및 경제성을 고려한 최적 보강슬래브 길이 설정

구조물 상단 위치 개 념 도 보강슬래브 길이

포장층 내

(동상방지층 포함)

<기시행>

구조물 상단범위 6.0m

포장층 하부

～토피고 3.0m

<추 가>

구조물 상단범위 2.0m*

* 유한요소해석 결과 보강슬래브 2.0m 이상부터는 보강효과 유사

 저토피 지중구조물 상부 콘크리트 포장 수축줄눈 위치 조정 검토

□ 수축줄눈 위치에 따른 작용 인장응력 분석

o 수축줄눈을 암거단부 설치 시 최대인장응력 효과적으로 감소

줄눈위치별 최대인장응력 발생위치 줄눈위치별 최대인장응력

o 사각이 있는 경우는 포장 중심선과 암거단부가 교차되도록 배치

시 최대인장응력 효과적으로 감소

사각이 있는 경우 줄눈배치 줄눈위치별 최대인장응력

설계행정

포장공 ❙ 273

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

□ 포장체 작용응력 최소화 줄눈 시공방안 검토

o 줄눈 콘크리트 포장 시공 시 저토피 구조물 표기 및 줄눈이

구조물 단부에 위치하도록 줄눈 설계 검토

구 분 예 시 도 비 고

줄눈위치

조정전

․저토피

구조물과

관계없이

줄눈배치

줄눈위치

조정후

․저토피

구조물단부에

줄눈위치

o 시공 전 줄눈위치에 대한 시공상세도 작성 및 감독원 확인 철저

□ 검토결과

o 콘크리트 포장 수축줄눈 위치를 구조물 단부에 근접하여 설치

함으로써 포장체 작용 인장응력 최소화

o 시공 시 저토피 지중구조물 위치 및 줄눈배치 검토, 시공상세도

작성을 통하여 확인

5 결론 및 적용방안

 결 론

□ 저토피 지중구조물 보강슬래브 설치대상 확대

당 초 변 경

상단이 포장층 내 위치하는 암거,

토피고 1.5m 이내 지중라멘교

토피고 3.0m 이내

암거 및 지중라멘교

274 ❙ 포장공

o 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

o 콘크리트 포장 수축줄눈 위치를 구조물 단부에 근접하여 설치

함으로써 포장체 작용 인장응력 최소화

o 저토피 지중구조물 상부포장 줄눈설치 방법을 설계도서(공사

시방서, 포장계획도 등)에 표기

※ 표기내용

① 저토피 지중구조물 상부포장 작용응력 최소화를 위하여 감독원 확인

후 수축줄눈 추가(또는 조정) 시공 가능

② 포장 시공 전 저토피 지중구조물 상부포장 줄눈(시공, 수축, 팽창 등)

배치 시공상세도 작성 및 감독원 확인 후 시공

 적용방안

□ 설계중인 노선 : 본 기준 적용

□ 공사중인 노선 : 공사주관(시행)부서에서 적용여부 판단

별 첨 : 변경 표준도 1부

설계행정

포장공 ❙ 275

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

276 ❙ 포장공

설계행정

포장공 ❙ 277

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

278 ❙ 포장공

설계행정

포장공 ❙ 279

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

280 ❙ 포장공

설계행정

포장공 ❙ 281

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타