3. 도로 동상방지층 설치 여부 판정기준

 

 

 

3. 도로 동상방지층 설치 여부 판정기준

 

3.1 일반 사항

     도로의 동상은 수분, 노상토, 기온 특성 모두가 동상이 발생할 조건을 충족시킬

     경우에 발생한다. 설계동결깊이가 포장두께보다 큰 경우에는 그 차이만큼

     동상방지층을 설치한다.

 

【해 설】

흙과 같이 물을 함유하고 있는 다공성 물질이 낮은 온도에 노출되어 그 일부가 동결할 때

이미 동결된 부분의 흙은 아직 동결되지 않은 부분으로부터 물을 빨아들인다. 동결의 진행과

물의 공급이 일치하면 예상 밖의 큰 체적팽창이 일어난다. 이때 동결된 부분의 토립자 사이의

평균적인 간극은 얼기 전에 비하여 확장된다. 또한 확장된 토립자 사이의 간극에 흡입된 물은

동결된 얼음으로 남아 있게 된다. 이러한 현상을 동상이라고 한다.

 

노상에 동상이 발생하면 동결 시 히빙(Heaving)에 의한 포장 융기 및 융해 시 포장

지지력이 약화되어 포장의 파손을 야기시킨다. 따라서 설계동결깊이가 포장두께 보다 큰

경우에는 그 차이만큼 동상방지층을 설치하여 동상 피해를 방지하여야 한다.

 

동상방지층은 도로에서 노상의 동결에 따른 동상피해를 억제하기 위하여 동결깊이 만큼

보조기층 아래 노상토의 동결깊이까지 노상토를 동상방지 재료로 치환되는 층을 말한다.

따라서 노상에서 동상피해 가능성이 없는 경우에는 동상방지층 설치를 생략한다.

 

그림 3.1에 나타낸 동상 메커니즘과 같이, 노상토의 동상은 충분한 수분의 공급, 동상에

민감한 노상토, 노상토의 동결을 유발하는 온도조건 모두가 충족되는 경우에 발생하며, 상기의

조건 중 하나의 조건이라도 충족되지 않는 경우에는 노상토의 동상은 발생하지 않는다.

 

 

 

그림 3.1 동상 메케니즘 설명도

 

동상방지층 설치 필요성 여부는 (1)동결깊이, (2)흙쌓기 높이, (3)지하수위, (4)노상토의

특성 순으로 검토를 수행하며, 각 검토 단계에서 동상방지층이 불필요한 것으로 판정되는

경우에는 동상방지층을 생략한다.

 

동상방지층 설계흐름은 그림 3.2와 같다. 동상방지층 설계흐름은 한국형 포장설계법을

적용하여 포장단면을 결정하는 부분, 동상방지층의 설치 필요성을 판정하는 부분,

동상방지층을 설치하는 경우 동상방지층의 구조적 능력을 고려한 포장단면 조정으로

나누어진다. 세부적인 동상방지층 설계흐름은 다음과 같다.

 

 

① 한국형 포장설계법을 적용하여 구조설계에 의한 포장두께를 결정한다.

② 본 지침에서 제안하는 방법으로 설계동결깊이를 산정한다.

③ 포장두께가 설계동결깊이보다 클 경우 동상방지층을 생략하고 ① 단계에서 결정된

    포장단면을 적용하고, 설계를 종료한다. 만일 포장두께가 설계동결깊이보다 작을 경우에는

    동상방지층 두께를 결정하고 다음 단계로 넘어간다.

    도로 동상방지층 설계지침

 

 

그림 3.2 동상방지층 설계 흐름도

 

 

④ 다음은 설계구간에서 동상방지층을 적용하는 구간과 생략하는 구간을 결정하는 것이다.

    설계대상 도로의 종평면도를 이용하여 토공구간의 흙쌓기 높이를 결정한다.

⑤ 흙쌓기 높이 2m 이상의 구간과 2m 미만 구간을 구분하여 결정한다. 흙쌓기 높이 2m

    이상의 구간에 대해서는 동상방지층을 생략하고 ① 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다.

    흙쌓기 높이 2m 미만인 구간에 대해서는 다음 단계로 넘어간다.

⑥ 흙쌓기 높이 2m 미만의 구간은 동상수위높이차를 결정한다. 동상수위높이차가 1.5m

    이상인 경우에는 동상방지층을 생략하고 ① 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다. 그렇지

    않은 경우에는 다음 단계로 넘어간다.

⑦ 노상토가 암반인지 토사인지를 결정한다. 노상토가 암반인 경우에는 동상방지층을

    생략하고 ① 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다. 그렇지 않은 경우에는 다음 단계로

    넘어간다.

⑧ 노상토의 0.08mm 통과율을 결정한다. 0.08mm 통과율이 8% 이하인 경우에는

    동상방지층을 생략하고 ① 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다. 만일 0.08mm 통과율이

    8%를 초과하는 경우에는 동상방지층을 설치한다.

⑨ 동상방지층을 설치하는 경우에는 본 지침의 순서대로 동상방지층의 구조적 능력을

    고려하여 포장단면을 결정한다.

 

각각의 동상방지층 설치여부 판정 단계(⑤, ⑥, ⑦, ⑧)에서 하나의 조건이라도 동상방지층

생략 조건을 만족하면 동상방지층을 생략하여도 되며, 동상방지층을 생략하는 구간에

대해서는 ① 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다. 동상방지층을 설치해야 하는 구간에

대해서는 ⑨ 단계에서 결정된 포장단면을 적용한다. 판정순서는 설계자의 판단에 의해 순서를

변경할 수 있다.

 

⑥~⑧ 단계의 지하수위 및 노상토에 의한 동상방지층 설치유무 판정 시, 검토 구간은 최소

100m이상으로 하며 아래와 같이 구간을 선정한다.

 

지하수 및 노상토 조사 구간은 흙쌓기 높이가 2m 미만인 구간이 연속될 경우 300~500m를

하나의 검토구간으로 한다.

 

흙쌓기 높이 2m미만인 구간이 100m 미만의 짧은 구간으로 불연속적으로 빈번한 경우에는

300~500m를 하나의 구간으로 보고 지하수위 및 노상토 조사를 실시한다.

 

하부지반이 동상 및 지지력 측면에서 불량하고 동상수위높이차가 1.5m 이하인 경우에는

동상방지층을 설치하고 지하배수시설을 강화한다. 노상면으로 용수가 발생하는 구간은

동해방지 및 포장체의 수분영향에 의한 지지력 저하를 억제하기 위하여 동상방지층 및

지하배수시설을 설치한다. 동상방지층이 동해를 방지할 목적으로 설치되는 구간은

지하배수시설의 매립깊이를 최소 0.6m 이상으로 하되 가급적 0.8m 이상이 되도록 한다.

 

노상이 동상에 민감한 토질이고, 통과하중의 반복작용으로 지하수위가 상승

(모세관상승)하여 노상이 연약화되어 지지력이 저하될 우려가 있는 경우, 또는 동상의

반복작용으로 지지력이 약해져 동해를 받을 가능성이 있는 경우에는 동상방지층을 설치하여야

한다.

 

땅깎기부 노상면이 지하수위 영향을 받는 경우 일반적으로 노상토를 치환하여 유해요인을

제거하여야 한다. 그러나 땅깎기부 노상면이 일정 구간 연속적으로 형성되어 있거나, 불량

지반이 빈번하게 나타나 치환으로 인한 시공의 조잡성 그리고 동상방지층을 두는 것이

유효하다고 판단되는 경우에는 해당 구간 전체에 동상방지층을 일괄적으로 설치할 수 있다.

이 경우 최종 도로면은 요철을 정형하여 반드시 횡단배수가 가능한 경사를 두어야하며

노상면에 물고임 현상은 반드시 제거하여야 한다.

 

확장구간 및 성토구간 등에서 동상방지층의 생략에 따라 포장단면이 서로 다르게 적용되는

경우, 원활한 횡단배수를 위하여 접속부에 지하배수시설을 설치한다.

 

 

 

3. 도로 동상방지층 설치 여부 판정기준

 

3.2 흙쌓기 높이를 고려한 설치기준

     흙쌓기 높이가 노상 최종면을 기준으로 2m 이상인 흙쌓기 구간에서 노상토의

     품질기준을 만족할 경우에는 동상방지층을 생략한다.

 

【해 설】

지하수위가 매우 낮아 노상으로의 수분공급이 억제된 경우에는 동상방지층을 생략한다.

흙쌓기 높이가 2m 이상인 경우에는 노상으로의 모관상승에 의한 수분공급이 억제되기 때문에

동상방지층을 생략하는 것이다. 여기서 흙쌓기 높이라 함은 원지반에서 흙쌓기를 한 노체의

높이와 노상의 높이를 합한 것이다. 즉, 원지반에서 노상까지의 높이를 의미한다.

 

흙쌓기가 완료되면 흙쌓기 전에 비하여 지하수위가 일부 상승할 가능성이 있다. 지하수위

상승 정도는 흙쌓기 재료특성 및 흙쌓기 폭에 영향을 받는다. 동상방지층 설치여부 판정에

사용하는 흙쌓기 높이 2m의 기준은 이러한 특성을 고려하여 결정된 값이다. 따라서 아래의

경우에는 흙쌓기 높이만으로 지하수위 영향에 의한 동상 가능성을 직접적으로 판정하기

곤란하다.

 

(1) 독립적인 도로 구조물로서 흙쌓기가 이루어지는 경우를 제외하고 단지와 같이 넓은

    지역에서 흙쌓기가 이루어지는 구간에서의 도로

(2) 편절편성 구간

(3) 통로박스와 수로박스 등 구조물이 설치된 구간

(3)의 토피고가 낮은 지중구조물에서는 동절기 결빙에 따른 포장융기가 발생될 수

    있으므로 토피고가 3m 이하인 지중구조물에서는 포장융기가 발생되지 않도록 종방향

    맹암거를 설치하여야 한다. 세부사항은 「노면 불연속 구간 파손 저감 지침」에 따른다.

    흙쌓기 높이 2m 이상, 이하 구간이 불연속적으로 이어질 경우, 흙쌓기 높이 2m의 기준은

    상당히 안전측으로 결정되어진 것이므로 흙쌓기 높이가 2m에서 다소 부족하더라도 큰 문제가

    되지는 않으며, 아래와 같이 구분하여 적용한다.

- 일반적으로 흙쌓기 높이가 2m 이상인 구간이 50m 이상 이어질 경우 동상방지층을 삭제

- 흙쌓기 높이 2m 이상이 많고 부분적으로 흙쌓기 높이 2m 미만 구간이 존재하는 경우, 2m

  미만 구간의 연장이 30m 미만일 경우에는 동상방지층을 생략

- 흙쌓기 높이 2m 미만이 많고 부분적으로 흙쌓기 높이 2m 이상 구간이 존재하는 경우 2m

  이상 구간의 연장이 30m 미만일 경우에는 동상방지층을 설치

- 흙쌓기 높이 2m 미만인 구간과 성토고 2m 이상 구간이 계속적으로 반복되며 각각의

  연장이 30m 미만일 경우에는 동상방지층을 설치

 

3.3 지하수위를 고려한 설치기준

     동상수위높이차가 1.5m 이상인 경우에는 동상방지층을 생략한다.

 

【해 설】

지하수위가 매우 낮아 노상으로부터 수분공급이 억제된 경우에는 동상방지층을 생략한다.

동결면으로부터 물이 공급되는 지하수위 사이의 높이차가 1.5m 이상인 경우에는

노상으로부터 모세관상승에 의한 수분공급이 억제되기 때문에 동상방지층을 생략하는 것이다.

동상수위높이차는 설계 동결깊이로부터 동절기 동결이 우려되는 기간에 예상되는

지하수위까지의 깊이를 칭한다.

 

동상 가능성에 대한 지하수위의 영향은 직접적인 설계조건으로서, 본 기준은 흙쌓기

높이구간, 흙쌓기·땅깍기 경계구간, 땅깎기구간 모두에 있어서 적용 가능하다. 그러나

경계조건이 매우 상이한 통로박스와 수로박스 등 구조물이 설치된 구간에 대해서는 적용할 수

없다.

 

동상수위높이차는 지하수위에 따라 시간적, 공간적으로 변동한다. 흙쌓기 구간의 경우,

흙쌓기 전의 지하수위에 비하여 흙쌓기 후 지하수위의 상승 가능성이 존재한다. 지하수위

상승 가능성을 포함하여 안전측으로 결정된 동상수위높이차는 1.5m를 기준으로 한다.

땅깎기의 경우에는 땅깎기 전의 지하수위에 비하여 땅깎기 후 지하수위는 오히려 낮아지게

되므로 측정된 지하수위에서 시간적인 변동만을 고려하여 동상수위높이차를 결정하게 된다.

동상수위높이차는 지하수위의 시간 변동에 따라 변화한다. 따라서 특정시기에 측정된

지하수위는 동절기 동상이 우려되는 기간의 지하수위로 보정된 값을 사용하여

동상수위높이차를 평가한다. 지하수위 측정시기에 따른 보정은 측정시기를 고려하여

적용한다. 지하수위 측정 시기가 5월∼8월 또는 11월∼2월에 포함된 경우에는 0.8m,

3월∼4월, 9월∼10월에 포함된 경우에는 1.5m의 지하수위 변동을 고려한다. 다만,

동절기(11월∼2월)에 연속적인 지하수위 계측을 한 경우에는 지하수위의 시간적 변동을

별도로 고려할 필요가 없다.

 

(1) 동절기(11월 ∼2월)에 연속적인 지하수위 계측을 실시한 경우

Hf,min = Hm,min - Df

 

여기서, Hf,min = 동상수위높이차, Hf,min ≥ 0

Hm,min = 측정된 지하수위중 최소값 (포장 표면으로 부터의 깊이)

Df = 설계동결깊이

 

(2) 지하수위 계측을 특정 시기에 실시한 경우

Hf,min = Hm - Hc - Df

 

여기서, Hf,min = 동상수위높이차, Hf,min ≥ 0

Hm = 측정된 지하수위 (포장 표면으로 부터의 깊이)

Hc = 지하수위의 시간적 변동을 고려한 보정 값

,= 0.8m (측정시기가 5월∼8월 또는 11월∼2월에 포함된 경우)

= 1.5m (측정 시기가 3월, 4월, 9월, 10월에 포함된 경우)

Df = 설계동결깊이

 

동상수위높이차가 음(陰)의 값으로 계산되는 경우, 동상설계 지하수위를 0으로 고려한다.

이유는 지하수위가 매우 높아 포장표면으로 용수 등이 발생하는 경우, 포장배수시설 기준에

따라 지하배수시설을 적용하여 지하수위를 노상면 이하로 저하시키는 것을 전제로 한 것이다.

 

 

그림 3.3 동상수위높이차 결정

 

3.4 노상토 특성을 고려한 설치기준

0.08mm 통과율을 기준으로 동상민감도를 판단하여 동상방지층 설치 유무를

결정한다. 0.08mm 통과율이 8% 이하일 경우에는 동상방지층을 생략한다.

 

【해 설】

흙의 동상민감도는 온도조건, 물의 유출입 조건, 흙의 입도, 액소성, 간극비, 함수비 등의

조건에 따라 결정되나, 이와 같은 조건을 모두 고려하여 결정하는 것은 불가능하다. 또한 도로

구조물과 같이 연장이 긴 구조물은 고가의 시험비용과 장기간의 시험시간을 요구하는

실내동상시험이 필요하므로 비경제적이며, 규격화된 시험이 없는 상태이므로 시험조건과

시험자에 의한 편차가 크다.

 

흙의 동상민감도는 실트질 입자의 양에 따라 크게 좌우되며, 기존에 제시된 다수의

동상민감도 기준들은 0.02mm 통과율을 사용하고 있다. 그러나 0.02mm 통과율을 사용하기

위해서는 비중계 분석이 필요하나, 실무적으로 이용하기 어려운 단점이 있다. 일반적으로

0.02mm 통과율은 0.08mm 통과율의 약 1/2이다.

 

따라서 동상민감도를 판단하는 가장 보편적인 방법은 입도에 기반한 0.08mm 통과율에

따른 동상민감도 분류가 가장 실무적인 방법이라 할 수 있다.

 

비동상성 흙이란 상대적으로 동상에 덜 민감함을 나타내며, 동상성 흙이란 상대적으로

동상에 더 민감함을 의미한다.

 

0.08mm 통과율 기준 8% 이하의 노상토 재료는 비동상성 재료로 간주하여 동상방지층을

설치하지 않으며, 0.08mm 통과율 기준 8%를 초과하는 노상토 재료는 동상성 재료로

간주하여 동상방지층을 설치하여야 한다.