도로포장 구조 설계 요령

 

분 류

 

Ⅰ편. 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

Ⅱ편. 시멘트 콘크리트 포장 구조 설계

부 록

 

도로포장 구조 설계 요령

 

Ⅰ편

아스팔트 콘크리트 포장

구조 설계

 

목 차

1. 총 칙 ··········································································································································1

1.1 적용범위 ································································1

1.2 관련규정의 적용 ·························································4

1.3 용어의 정의 ·····························································4

1.4 포장 설계 시스템 ························································8

2. 사전 설계절차 ··························································································································22

2.1 적용 범위 ······························································22

2.2 설계구간 길이 결정 ·····················································22

2.3 포장형식 결정 ··························································26

2.4 설계등급 결정 ··························································35

2.5 설계대안 단면 결정 ·····················································37

3. 설계입력변수 ····························································································································39

3.1 개 설 ··································································39

3.2 설계등급 1 ·····························································39

3.2.1 교통량 ·····························································40

3.2.2 환경특성 ···························································48

3.2.3 하부구조(입상) 재료물성 ············································49

3.2.4 아스팔트 혼합물 재료물성 ···········································55

3.3 설계등급 2 ·····························································56

3.3.1 교통량 ·····························································56

3.3.2 환경특성 ···························································59

3.3.3 하부구조 재료물성 ··················································60

3.3.4 아스팔트 혼합물 재료물성 ···········································64

4. 구조 해석 ··································································································································69

4.1 개 설 ··································································69

4.2 다층탄성 해석 프로그램 ·················································70

4.2.1 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석 절차 ·······························70

4.2.2 다층탄성 구조해석 결과 ·············································73

5. 공용성 해석 ······························································································································74

5.1 개 설 ··································································74

5.2 공용성 예측 ···························································74

5.3 피로균열 ·······························································75

5.4 영구변형 ·······························································76

5.5 평탄성 ·································································77

6. 경제성 분석 ······························································································································78

6.1 일반 사항 ······························································78

6.2 생애주기비용 분석 ······················································78

6.3 경제성 분석 방법 ·······················································80

7. 설계등급 3 ·····························································································································82

7.1 일반 사항 ······························································82

7

7.2 교통 조건 ······························································82

7.3 노상 조건 ······························································83

7.4 설계단면 ·······························································84

8. 아스팔트 덧씌우기 포장설계 ····························································································88

8.1 개 설 ··································································88

8.2 설계입력변수 ···························································92

8.3 기존 아스팔트 콘크리트 포장의 재료물성 평가 ····························93

8.4 구조해석 및 공용성 해석 ················································97

 

 

 

1. 총 칙

 

도로포장 구조 설계 요령

 

1. 총 칙

 

 

1.1 적용범위

 

(1) 본 요령은 도로법에 규정된 각종 아스팔트 콘크리트 포장(고속국도, 일반국도,

    특별시도, 광역시도, 지방도, 시·군·구도)과 기타 일반 공중에 이용되는 아스팔

    트 콘크리트 포장의 단면 설계에 대한 것이다.

 

(2) 본 요령은 아스팔트 콘크리트 포장의 단면 설계 적용하는데 있어 필요한 사항

    에 대하여 규정한다.

 

(3) 본 요령에 따른 포장 단면설계는 해석 프로그램을 이용하여 시행한다.

 

【해 설】

도로포장 단면 설계는 역학적-경험적 설계 개념으로 신설 및 덧씌우기 포장 단면

설계를 수행할 수 있다. 현장 조건의 정량적 결정(교통조건, 환경조건, 재료물성 등)

이후에 설계 해석 프로그램을 이용하여 설계업무를 수행하도록 한다. 역학적-경험적

설계방식과 기존의 경험적 설계 방식과의 차이는 일련의 설계과정이 아니라, 엄격한

의미에서의 해석 프로그램 사용이라는데 있다. 즉, 설계 과정에서 주어진 포장단면에

대해 해석을 수행하여 장기 공용성을 예측하는 방식이다.

아스팔트 콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계과정을 <그림 1.1>에 나타내었고, 설

계과정은 다음과 같다.

 

(1) 시공 대상지역의 조건에 적합한 포장단면을 가정하여 선정한 다음, 예비설계

    (Trial Design)를 다음과 같이 실시한다.

 

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 입력한다.

 

(3) 설계 해석 프로그램 내의 구조해석 프로그램 모듈에 의해 포장 단면의 구조적

    거동(Structural Responses)을 계산한다.

 

(4) 설계기간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 아스팔트 콘크리트

    포장의 피로균열, 영구변형 및 국제평탄성지수(IRI, International Roughness

    Index)의 허용기준을 설정한다.

 

(5) 설계 해석 프로그램 내의 공용성 해석 프로그램 모듈을 이용하여 포장 손상을 계

    산하고, 전체 설계기간에 대하여 누적된 손상도를 계산한다.

 

(6) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, 영구변형, 국제평탄성지수) 기준에 적합한지

    를 평가한다.

 

(7) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 예비설계의 단면을 변경한 후 다

    시 위의 (2)항부터 (6)항까지의 과정을 반복하여 해당 설계단면이 공용성 기준

    을 만족할 때까지 수행한다.

 

(8) 설정한 공용성 기준을 만족시키는 설계단면은 구조적 및 기능적 측면에서 시공

    가능한 시스템이어야 하고, 다른 대안단면들에 대한 추가적인 예비설계를 수행한다.

    이러한 설계 대안들에 대해 생애주기비용분석을 의한 경제성 평가를 실시하여

    최적 대안을 선정한다.

 

(9) 예비설계가 공용성 기준을 만족하면 대안단면의 하나로 선정하고, 추가적인 재

    료 및 대안 단면에 대하여 (2)항부터 (6)항까지의 과정을 반복한다.

 

 

1.2 관련규정의 적용

 

본 요령에 규정되어 있지 않은 사항은 국토교통부의「국도건설공사설계실무요령」,

「도로설계편람」의 관련 규정을 따른다.

 

1.3 용어의 정의

 

본 요령에 사용한 다음의 용어는 문맥상으로 보아 다른 의미로 해석되지 않는

한 다음과 같이 정의된다.

 

 「강성(Rigidity, Stiffness)」이라 함은 하중을 받는 구조물이나 부재의 변형에

    저항하는 성질, 또는 물질의 단단한 성질을 말한다.

 

 「공용성(Performance)」이라 함은 포장의 구조적인 능력과 기능적인 상태를

    종합적으로 나타내는 것으로, 이용자 측면에서는 포장도로를 통행하는 차량에

    주는 쾌적성 또는 서비스 능력을 의미하기도 한다.

 

 「국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)」라 함은 국제적으로

    통용되는 포장의 평탄성을 나타내는 값으로, 차량의 단위 주행 거리에 대한 차축

    의 연직방향 진폭의 누적값을 나타내는 지수를 말한다.

 

 「노상(Subgrade)」이라 함은 포장을 지지하고 있는 지반 중에서 포장의 밑면으

    로부터 약 1m 깊이부분을 말하며, 노체 위에 축조되는 것으로 노면의 교통하중을

    널리 분산시켜 노체에 하중의 영향을 작게 하고 안전하게 전달하는 역할을 한다.

 

 「단축(Single Axle)」이라 함은 일반승용차와 같이 바퀴축이 인접되어 있지 않

    은 차축 혹은 자동차의 차축이 횡방향으로 하나로만 구성된 축형태를 말한다.

 

 「덧씌우기(Overlay)」라 함은 기존 포장을 절삭 또는 표면처리 후 정해진 두

    께로 재포장하는 것을 말한다.

 

 「변환계수(Shift Factor)」라 함은 마스터곡선을 작성하기 위하여 개별온도에서

    계산된 동탄성계수를 기준온도로 변환하는데 사용되는 계수를 말한다.

 

 「변환함수(Shift Function)」라 함은 변환계수와 실험온도와의 관계를 나타내는

    함수를 말한다.

 

 「복축(Tandem Axle)」이라 함은 탄뎀축이라고도 하며, 자동차의 차축이 연속적

    으로 2개로 구성된 축형태를 말한다.(일반적으로 축간격은 1.3m이내)

 

 「사용자비용」이라 함은 도로 이용자가 도로의 보수작업으로 인하여 정상적으로

    통행을 하지 못하게 되는 경우 주기적으로 지불하는 비용의 합으로, 차량운행비

    용, 운행지연비용, 교통사고비용 등이 포함된다.

 

 「삼축(Tridem Axle)」이라 함은 자동차의 차축이 연속적으로 3개로 구성된 축형

    태를 말한다.

 

 「상대강도계수」이라 함은 AASHTO 도로시험에서 포장의 두께지수(SN)를 산출

    하기 위하여 도입된 것으로, 포장 각층을 구성하고 있는 재료와 강도를 나타내는

    계수를 말한다.

 

 「생애주기비용(LCC, Life-Cycle Cost)」이라 함은 일반적으로 제품의 생산, 사

    용, 폐기, 처분 등의 각 단계에서 발생하는 비용을 모두 합한 총비용을 말하며,

    건설구조물에서 생애주기비용은 기획, 설계비, 건설비. 운용관리비, 폐기처분비

    등에 걸쳐 건설구조물의 수명에 필요한 모든 비용을 의미한다.

 

 「성토고」라 함은 흙쌓기 층의 수직높이 즉, 비탈어깨에서 비탈 끝까지의 수직높

    이를 말한다.

 

 「쇄석기층」이라 함은 쇄석을 이용한 도로포장 기층을 말한다.

 

 「원더링(Wandering) 효과」라 함은 포장체 위를 지나는 차량의 바퀴는 일정한 

    지점이 아니라 횡방향으로 분포하여 (일반적으로 정규분포로 가정) 주행하게 되

    며, 이에 따라 포장체에 미치는 응력이나 변형률도 달라지는 것을 의미한다.

 

 「입상층」이라 함은 잔골재 또는 굵은 골재만을 이용한 포장 층을 말한다.

 

 「입상보조기층」이라 함은 잔골재 또는 굵은 골재만을 이용한 기층 아래에 위치

    한 포장 층을 말한다.

 

 「잔존가치」라 함은 어떤 자산이 다른 목적에 전혀 사용되어질 수 없을 때 자산

    을 처분함으로써 취득할 수 있는 가치를 폐물가치 또는 잔존가치라 한다. 포장에

    서의 잔존가치는 분석기간의 마지막 단계에서 투자대안의 가치로 나타내어지며

    잔존가치와 관련된 두 가지 기본 구성요소는 잔류가치 (Residual value, 포장 재

    생에 관련된 순가치)와 공용수명(Serviceable Life)이다.

 

 「전이함수」라 함은 현장공용성과 이론에 근거한 공용성의 차이를 보정하기 위

    한 함수를 말한다.

 

 「차종분류」라 함은 다양한 형태의 차량을 도로의 계획과 건설, 유지관리 등에

    기본자료로 활용하기위해 분류하며, 이러한 분류는 활용목적에 부합되도록 한다.

    현재 도로포장관련 차종분류는 2006년 개정된 12종 분류방법을 이용한다.

 

 「축하중(Axial Load)」이라 함은 포장 단면의 축방향으로 작용하는 차량의 축당

    하중을 나타낸다.

 

 「축차응력(Deviatoric Stress)」이라 함은 [3축압축시험]에서 축방향응력과 구속

    응력과의 차를 말한다.

 

 「축하중분포」라 함은 축하중 크기와 빈도를 이용하여 도시화한 분포를 말한다.

    일반적으로 역학적-경험적 설계에서 교통하중 정량화를 위해 사용된다.

 

 「평탄성(Smoothness, Ride Quality)」이라 함은 포장의 평탄한 정도를 말하며

    승차감을 표현하는 척도이다. 도로포장의 공용성을 나타내는 중요한 항목으로 사

    용된다.

 

 「포아송비(Poisson's Ratio)」라 함은

   ① 세로변형률에 대한 가로변형률의 비를 말한다.

   ② 재료의 비례한계 내에서 균일하게 분포된 축응력으로 인하여 생긴

       직각 방향의 변형도와 축방향 변형도의 비의 절대치를 말한다.

 

 「피로균열(Fatigue Cracking)」이라 함은 반복적인 차량 하중에 의해 포장 층에

    피로가 누적되어 발생한 균열로서 도로포장의 중요한 파손형태로서 공용성을 나

    타내는 중요한 항목이다.

 

 「하부구조(substructure)」라 함은 입상재료로 구성된 쇄석기층, 보조기층 및 노

    상을 의미한다.

 

 「AASHTO(American Association of State Highway and Transportation

    Officials)」라 함은 미국 각 주(州)의 도로 및 교통 공무원 협회의 약자로, 1914

    년에 도로에 관한 각종연구와 기술기준을 작성할 목적으로 미국 각주와 연방정부

    의 도로국에 의해서 설립된 AASHO가 1973년에 도로교통 전반을 취급하게 되면

    서 AASHTO로 개칭된다.

 

 「AADTT(Annual Average Daily Truck Traffic)」라 함은 설계기간 동안의 연

    평균일트럭교통량을 말한다.

 

 「AADT(Annual Average Daily Traffic)」이라 함은 설계기간 동안의 연평균일

    교통량을 말한다.

 

 「ADT(Average Daily Traffic)」라 함은 평균일교통량을 말하며, 이는 어느 기간

    내의 전체 교통량을 그 기간의 일수로 나누어 얻어진 값을 나타낸다.

 

 「생애주기비용 분석(LCCA, Life-Cycle Cost Analysis)」라 함은 도로포장설계

    에 있어서 경쟁관계에 있는 여러 대안 투자방안들 중에서 장기간에 걸친 경제효

    과를 평가하기 위한 경제성분석을 목적으로 구축된 분석기법을 말하며, 여기에는

    초기투자와 장래의 기능저하, 사용자 그리고 대안투자의 전 기간에 걸친 관련비용

    등을 포괄하고 있다. 또한, 생애주기비용 분석은 투자비용에 대한 최적가치를 확

    인 하고자 하는 시도로 정의될 수 있다.

 

 「공용성 등급(Performance Grade)」이라 함은 포장용 아스팔트를 포장이 공용

    될 지역의 최고 온도와 최저온도를 구분하여 나타내는 등급체계를 말한다. 예를

    들어 PG 64-22로 분류된 아스팔트는 공용 가능한 최고 온도는 64℃이며, 최저온

    도는 -22℃임을 나타낸다. 미국의 전략적 도로 재료 연구 사업(SHRP)에서 공용

    성에 근거한 아스팔트의 물성을 파악하기 위한 시험법과 아스팔트 등급 기준을

    개발하였으며, 이를 공용성 등급체계라고 한다.

 

 「다층탄성이론(Multi Layer Elastic Theory」이라 함은 연속된 층들의 재료거동

    이 탄성거동을 한다는 가정을 이용한 구조해석이론을 말한다.

 

 「동탄성계수(Dynamic Modulus)」라 함은 사인파형의 하중에서 최대응력을 최

    대변형률로 나누어 계산하며 복합계수의 절대값(|E*|)을 말한다.

 

 「복합계수(Complex Modulus)」이라 함은 선형 점탄성 재료에 있어 응력과 변형

     률의 관계를 정의하는 복소수 E*를 나타낸다.

 

 「아스팔트 기층」이라 함은 아스팔트를 사용한 표층 또는 중간층과 보조기층 사

    이에 위치하며, 표층에 가해지는 교통하중을 지지하는 역할을 한다. 변형에 대해

    큰 저항을 가진 재료를 사용한다.

 

 「아스팔트 표층」이라 함은 아스팔트를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장의 최상

    위층을 말하며, 교통하중을 지지하고 평탄성과 안전성 등을 제공하는 역할을 한

    다. 일반적으로 가장 양질의 재료를 사용한다.

 

 「영구변형(Rutting)」이라 함은 외력을 제거한 후에 남아있는 변형을 말한다. 아

    스팔트 콘크리트 포장에서의 영구변형은 반복되는 차량하중에 의한 노상, 보조기

    층, 기층 및 표층의 구조적 결함에 의한 변형 또는 반복되는 차량하중에 의하여

    아스팔트 혼합물이 전단변형 함으로써 발생된다. 소성변형, 영구변형, 바퀴자국패

    임 등 다양한 표현이 사용된다.

 

 「유효아스팔트함량」이라 함은 총 아스팔트량 중에서 골재에 흡수된 아스팔트량

    을 제외한 아스팔트의 함량을 나타낸다.

 

 「하중주파수」라 함은 점탄성재료의 동탄성계수를 결정하는 변수로서 포장체의

    깊이와 차량의 이동속도에 따라 변화한다.

 

 「회복탄성계수」라 함은 반복적으로 제시된 응력을 재료에 가하여 얻어진 회복

    되는 변형률로 나눈 값으로서 재료의 탄성적 특성을 나타내는 계수를 말하며, 반

    복 재하식 표준 MR시험(AASHTO T274-82)으로 구한다.

 

 「Full Depth」라 함은 포장 층의 구성이 보조기층, 기층을 포함하여 아스팔트

    콘크리트 전층으로 이뤄진 포장 층을 말한다.

 

 「SMA(Stone Mastic Asphalt)」라 함은 1968년 독일에서 골재입도를 기존의 밀

    입도에서 개립도로 바꾸고 아스팔트 바인더의 흐름을 막기 위해 섬유질 안정화첨

    가제를 투입한 포장형식을 말하며, SMA혼합물의 기본개념은 아스팔트바인더의

    접착력은 골재의 탈리를 방지하는 역할만 하고 압축력과 전단력에 저항하는 힘은

    골재의 맞물림에 의해서 발생한다는 것이다.

 

 

1.4 포장 설계 시스템

 

포장이란 그 자체로써 의미가 성립하는 단순한 토목 구조물이 아니다. 주위의 여러

환경과 포장 상태, 하중, 노상 조건, 포장 상태 등에 따라 매우 다양하게 변화할 수 있

으므로 각 요소들 간에 복잡한 관계를 맺고 있는 포장 설계 시스템을 이해해야 할 것

이다.

 

1.4.1 포장 설계 시스템 처리 과정

 

포장 설계 시스템은 크게 계획, 설계 입력 변수, 구조해석, 공용성 분석, 대안 선정과

같이 크게 다섯 부분으로 구분할 수 있다. 먼저 포장 형식 및 설계 조건에 맞는 입력

변수의 실험값, 예측값 등을 산출한다. 설계 입력값들을 사용하여 구조해석 모형을 통

해 응력, 변형률 및 처짐 등과 같은 구조적 거동을 예측한다. 포장체의 구조적 거동에

근거하여 포장체가 받는 손상을 계산하고, 설계기간 동안 누적된 손상으로 포장체에

발생할 파손을 예측한다. 공용성의 기준이 모두 만족될 때까지 피트백 과정을 통해 반

복계산 한다. 공용성 기준이 만족되는 설계단면과 재료기준이 결정되면 구조적 및 기

능적 측면에서 실행 가능하다는 판단이 내려지며, 생애주기비용분석을 수행하고 최적

의 포장 시스템을 선정하게 된다.

 

<그림 1.2>는 포장 설계의 설계 시스템을 요약한 그림이다. 포장 설계 시스템에 과

정을 보다 더 자세히 살펴보자.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<그림 1.2> 역학적-경험적 설계 기본모형

 

1) 계획한 대상 지역에 적합한 포장 형식이 시멘트 콘크리트 포장인지 아스팔트 콘크

   리트 포장인지를 선택한다. 설계 대상 지역의 교통 조건, 설계할 도로가 고속도로인

   지 일반국도인지 등의 구분을 고려하여 설계 등급을 결정한다.

 

2) 포장 설계하는 지역의 상태에 적합한 시험 설계(trial design)을 개발한다. 지역의

   상태에 적합한 조건이란 교통량, 기후조건, 토질조건, 포장층의 조합, 포장재료물

   성, 그리고 설계 및 시공 조건 등을 고려하는 것을 말한다.

 

3) 설계 시 목표한 공용 기간 동안 유지되어야 할 공용성에 대한 기준을 정한다. 즉,

   스폴링, 균열, IRI, 영구변형(러팅), 등의 허용기준을 선정한다.

 

4) 공용성 인자에 대한 신뢰 수준를 결정한다.

 

5) 전체 설계기간에 대한 해석에 필요한 교통량, 재료 및 기후입력 인자들의 단위 기

   간에 해당하는 값을 얻기 위하여 주어진 입력값들을 산정한다.

 

6) 정해, 수치해석, 유한요소법 등과 같은 방법을 이용하여 포장의 구조적 거동(structural

    responses)을 계산한다. 이 계산은 전체의 설계기간에 대하여 교통 및 환경 하중에 따

    른 각각의 손상을 누적하도록 한다.

 

7) 전체의 설계기간에 대하여 일정 시간간격으로 누적된 손상을 계산한다.

 

8) 실내시험 및 현장실험, 역학적인 방법 등으로 개발된 공용성 모형을 이용하여 설계

   기간 동안의 포장 파손을 예측한다.

9) 예비설계의 기대 공용성을 주어진 신뢰도 수준에서 적합한지를 평가한다.

 

10) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 설계를 변경한 후 다시 위의 5) 부터

     9)까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행한다.

 

11) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능한

     것으로 인정된다. 대안이 선정이 되면 추가 대안들을 작성하여 여러 대안들을 도

     출한다.

 

12) 생애주기비용분석과 같은 경제성 분석과 현장 적용성과 같은 문제를 고려하여 최

     적 대안을 선정한다.

 

 

1.4.2 포장 시스템의 주요 인자

 

(1) 포장 형식 및 설계 수준 결정

    설계 대상 지역에 적합할 것으로 판단되는 형식을 선정하기 위해서는 그 지역의 기

    후, 차량, 재료의 특성, 지역 여론, 정책 선호도 등이 있다. 신설 포장의 경우는 중차량

    이 많고 여름철 온도가 높은 지역, 고성토 지역에서는 아스팔트 콘크리트 보다는 시멘

    트 콘크리트 포장 형식이 더 유리할 것이다. 반면 사용자들의 주행성, 도심부 도로 등

    에는 아스팔트 콘크리트 포장 형식이 보다 적합하다. 또한 환경친화적인 포장 및 심미

    적인 포장을 만들기 위해서는 배수성 혹은 블록 포장을 선정한다. 덧씌우기 포장의 경

    우는 파손 특성 및 원인을 고려하여 아스팔트 콘크리트 및 시멘트 콘크리트 포장의 형

    식을 결정해야 한다. 이와 같이 지역의 특성을 고려한 포장 형식을 결정한다.

    포장 형식과 함께 중요한 것이 설계 수준의 결정이다. 도로 포장을 설계할 때 시골

    의 농로를 입력 변수 하나하나를 실험하고 통행하는 자동차 및 농업용 동력기들이 몇

    대 지나가는지를 조사하여 설계하는 것은 비경제적이다. 반대로 왕복 8차로의 대교통

    량이 운행할 것으로 예상되는 도로를 현장 조사나 실험 없이 기존 자료를 이용하여 설

    계한다면 공용수명이 예상과 많이 달라질 수 있다. 이러한 것을 예방하기 위해 해당

    지역에 설계할 도로의 등급을 정의하고 설계를 실시하도록 한다.

 

(2) 문제 정량화 및 입력 변수

    포장체의 입력 변수는 크게 교통하중, 환경하중, 재료 물성, 불연속면(시멘트 콘크리

    트 포장) 등으로 나뉜다. 정확한 포장의 거동을 분석하기 위해서 이들을 정량적으로

    나타내고 설계에 반영해야 한다. 포장 설계시 필요한 입력 변수의 값을 얻기 위해서

    경우에 따라 매번 실험을 하는 경우도 있지만 효율성, 경제성 등이 낮기 때문에 간단

    한 모형에서부터 복잡한 수식을 사용한 모형 등을 개발하여 사용하는 경우가 많다. 모

    형은 많은 회수의 실험을 하지 않고도 기본 실험을 통해서 필요한 데이터를 획득할 수

    있는 장점이 있다. 하지만 모형자체가 실제와 상이한 결과를 보인다면 포장 설계에 사

    용하기는 불가능할 것이다.

 

 

가. 교통하중

 

교통하중은 포장 설계 및 해석에 가장 민감한 영향을 주는 입력 변수로서 포장 파손

의 주요 원인이 된다. 교통하중을 정량화하는 방법에는 등가단축하중(Equivalent

Single Axle Load : ESAL)을 이용하는 것과 실제 축하중을 포장 해석에 사용하는 방

법이 있다. 기존의 경험적인 설계에서는 등가단축하중은 일반 승용차의 복륜의 단축에

80 kN(18,000 lb)의 축하중이 재하될 때를 기준으로 하여 축하중 및 축 종류에 따른

상대적인 포장의 영향 정도를 나타내었다. 이는 AASHO Road Test 에서 만들어진 경

험적인 방법으로써, 국한된 재료와 환경 조건에서 이뤄진 실험의 결과를 다른 환경과

조건의 포장체에 적용시 예상하지 못한 결과를 유발할 수 있다. 최근에는 도로를 주행

하는 차량의 축하중을 직접 측정하여 설계에 이용하고 있다. 이와 같은 방법은 많은

인력을 투입하여 실제 현장에서 축하중을 조사하고, 이를 DB화 작업이 필요하다. 현재

진행중인 포장 설계 개발에서도 이와 같은 방법을 채택하여 연구를 수행하였으며 많은

자료를 축적하였다. 교통하중은 직접 조사 혹은 누적된 데이터를 사용하고 있기 때문

에 관련 모형식은 개발하지 않고 있다.

 

나. 환경하중

 

환경하중은 온도와 함수비 변화에 따라 포장체 거동에 영향을 미치는 중요한 요소이

다. 온도 변화는 아스팔트 콘크리트 포장에서 표층 및 기층의 물성 변화에 영향을 주

며, 시멘트 콘크리트 포장에서는 슬래브의 수평 및 수직 방향의 거동에 영향을 미친다.

또한 하부 구조의 동결에도 영향을 준다. 온도 변화를 예측하기 위해서 다양한 방법들

이 제안되었는데 중요 인자를 선정하여 요인 설계를 통해 회귀식을 만들어내는 경험적

인 방법과 열전달 이론을 이용하여 대기 온도를 포장체의 온도 변화에 직접 적용하는

모형도 있다. 함수비 변화는 표층 및 기층의 함수비 변화에 따른 물성 변화를 일으키

며 잠재적인 포장 파손의 원인이 된다. 계절에 따른 하부 구조의 함수비 변화에 따라

포장의 지지력이 달라지는 특성이 있으며, 특히 봄철 융해기나 여름철 장마기에는 하

부층의 지지력 약화로 인해 포장 파손이 다른 기간에 비해 더 많이 발생할 가능성이

높다. 이러한 함수비 변화는 실제 계측기를 매립하고 시간에 따른 변화 추이를 관찰하

여 모형을 개발하는 것이 일반적인 방법이다.

환경 하중 모형을 개발하는 방법은 경험적인 것과 이론적인 것으로 구분할 수 있다.

경험적인 방법은 위도, 경도, 포장형식, 하부 조건, 기상 조건 등을 고려하여 실제 계측

기(온도계, 함수량계)를 매립하고 1년 혹은 그 이상을 모니터링 한다. 계측 데이터를

각 인자들로 구분하고 회귀분석을 통해 하나의 온도 및 함수량 변화 예측 모형을 개발

한다. 이러한 방법으로 개발한 예측 모형은 개발 방법 자체는 쉽지만 다른 접근 방법

이 제안되었을 경우 수정을 하기가 어렵다. 이러한 경험적인 모형의 단점을 개선하기

위해 열전달 및 열평형 이론을 이용하여 포장체의 온도를 예측하기도 한다. 역학적 이

론에 근거한 모형은 새로운 이론이나 개선된 사항이 있을 시 이를 반영할 수 있는 장

점이 있다. 하지만 실제와의 거동 차이가 있을 경우 항상 현장 데이터를 이용한 보정

이 필요하다.

 

다. 재료 물성

 

포장재료 물성은 포장의 구조해석에 필요한 입력변수로서 모형에서 포장 층의 거동

을 분석하기 위해 사용된다. 기존에는 포장층에 따라, 포장 형식에 따라 각각 다른 값

을 사용하였다. 흙이나 입상 재료들은 기존의 CBR, MR, R 값, N 값 등 다양한 물성으

로 정량화하였다. 기존 설계(’93 AASHTO GUIDE)에서 아스팔트 포장에서는 MR 값

을 사용하여 물성을 정의한 반면 콘크리트 포장에서는 MR 값을 근거로 복합 지지력

계수를 산정하여 설계에 사용하였다. 최근의 하부구조의 물성을 MR과 포아송 비로 정

의하여 설계에 적용하는 추세이다.

아스팔트 혼합물의 경우 일반적으로 사용되는 물성은 동탄성계수이며, 이는 혼합물,

온도와 하중재하속도 등의 함수이므로 이에 대한 고려가 필요하다. 동탄성계수시험으

로는 일축인장/압축시험, 간접인장시험 등이 있으며 이론적으로 한 종류의 혼합물에 대

해 어떤 방식을 통해 산정하여도 동일한 동탄성계수 값을 얻을 수 있다. 시멘트 콘크

리트 포장의 경우는 슬래브의 강도, 탄성계수, 건조수축, 열팽창 계수 등이 있다. 슬래

브의 강도는 교통 개방 및 피로식에 사용되며 일반적으로 공시체의 일축압축 강도 시

험을 통해 얻을 수 있다. 탄성계수는 구조해석에 사용되며 변형률과 하중과의 관계로

구하거나 비파괴 시험을 통해서 구할 수 있다. 건조수축이나 열팽창 계수는 콘크리트

포장의 초기 거동이나 온도에 의한 슬래브의 거동을 추정하기 위한 물성값이다. 아스

팔트나 콘크리트의 재료 물성을 예측하기 위한 모형은 탄성 모형, 점성 모형, 점탄성

모형, 점소성 모형으로 세분화된다. 이러한 구분은 시간 의존 및 과거 이력의 영향 여

부에 따라 각각 달라진다.

줄눈 및 연속 철근 콘크리트 포장에서는 하중 전달 장치 및 철근을 사용하는데 이는

일반적으로 탄성계수와 포아송 비로 그 물성을 정의한다.

 

라. 불연속면

 

불연속면은 줄눈 콘크리트 포장에 있는 것으로 콘크리트 포장이 건설초기 수화 반응

이 진행됨에 따라 슬래브가 수축되고 이로 인해 무작위 균열이 발생한다. 이러한 균열

들은 포장 수명을 단축시키는 주요 원인이 되므로 이를 최소화하기 위해서 슬래브의

소요 강도가 발현이 되고 수축이 시작되기 직전에 인위적인 줄눈을 만들어 균열을 유

도하는 것이 불연속면이다. 불연속면은 줄눈 절삭 깊이, 하중전달 장치 관련 설치 기

준, 줄눈 간격 등에 대한 고려가 필요하다. 불연속면은 경험적이거나 역학적으로 해석

하여 관련 물성을 제안하거나 카달로그 식으로 간격이나 설계 단면을 제시하는 방법을

사용하고 있다.

 

 

(3) 포장체 거동 분석

    앞에서 살펴본 것은 포장을 해석하기 위한 변수들의 정의하는 단계이며 이를 바탕으

    로 포장체가 어떻게 거동할 것인가를 분석하는 것이 본 단계이다. 포장체는 포장형식,

    사용재료, 하중 조건 등에 따라 거동(응력, 변형률, 처짐량)이 다양하게 변화한다. 이러

    한 거동을 재료역학 측면에서 단순 가정하에 접근하는 정해 방법(closed form

    solution)에서부터 수치해석적인 기법, FEM을 이용하는 방법 등이 있으며다. 해석 결

    과를 공용성 예측 모형에 직접 입력하여 포장의 수명을 예측한다.

    아스팔트 콘크리트 포장의 경우 처음 Boussinesq 이론을 이용하여 포장의 깊이에 따

    른 응력을 해석하였다. 하지만 포장은 1층 구조가 아니라 다층 구조이기 때문에 더 복

    잡한 거동을 한다. 이를 개선하기 위해서 Burmister의 다층탄성론이 개발되었다. 다층

    구조해석은 포장 각 충의 물성을 대입하여 포장체의 각 층의 거동을 살펴볼 수 있으며

    컴퓨터의 발달과 함께 ELSYM5, BISAR, DAMA, KENLAYER와 점탄성해석 프로그램

    인 VESYS, KENLAYER과 같은 다양한 프로그램들이 개발되었다. FEM 이 보편화 되

    면서부터 아스팔트 콘크리트 포장 해석도 관련 프로그램들을 사용하여 보다 정확하게

    거동을 예측할 수 있게 되었다.

    시멘트 콘크리트 포장의 경우 처음에는 아스팔트에 사용한 Boussinesq 이론을 적용

    하였으나 문제점을 인식하면서 Goldbeck, Burmister, Pickett, Spangler 등에 의해서

    포장을 좀 더 정확하게 해석하는 방법을 찾아갔다. 하지만 이러한 것은 경험에 근거하

    여 개발한 것이기 때문에 한계가 있었다. 마찬가지로 FEM 이론이 정립되면서 판요소

    와 스프링 요소로 포장을 단순화 하여 해석하는 기법이 연구되었다. 이는 기존의 방법

    보다 더 정확하며 컴퓨터에서 빠른 시간안에 알아볼 수 있는 장점이 있다. 그러나 이

    론상의 단순화 과정에서 실제 포장의 거동과의 차이가 발생하여 지금은 3차원 요소를

    이용하는 경우가 많다. 3차원 요소를 이용한 포장 해석은 2차원 요소에 비해 정확하지

    만 시간이 오래 소요된다는 단점이 있어 2차원 요소를 이용하여 해석한 결과를 3차원

    해석 결과로 보정하는 경우가 많다.

 

 

(4) 공용성 예측

 

가. 공용성 기준

    공용성 예측 모형은 포장의 거동 분석을 통해 나온 결과(응력, 변형률, 처짐량)를 바

    탕으로, 혹은 실제 공용중인 포장의 상태 조사를 통해 향후 포장이 어떠한 상태로 변

    화해 갈 것인가를 예측하는 것이다. 포장의 공용성은 크게 구조적인 공용성과 기능적

    인 공용성으로 나눈다.

    구조적인 공용성은 포장의 물리적인 파손과 관계가 있다. 피로 균열, 스폴링, 단차,

    저온 균열, 러팅 등 다양한 파손들이 있으며, 실제 설계자는 다양한 파손에 대하여 제

    어할 파손 형태를 규정해야 한다. 파손 형태 전부를 고려하는 것은 고비용이 들며 비

    효율적, 비경제적이기 때문이다. 기능적인 공용성은 도로 이용자들의 입장에서 포장을

    평가한 것이다. 대표적인 것으로 PSI(Present Serviceability Index), IRI(International

    Roughness Index), 미끄럼 저항, 소음 등이 있다. PSI 는 도로 포장의 물리적 상태와

    이용자들의 평가를 조합하여 하나의 지수로 만든 것이다. IRI는 포장의 프로파일을 자

    동측정 장비로 조사하여 각 파손들과의 포장 상태를 회귀식으로 만든 것이다. 미끄럼

    저항이나 소음 등은 도로 이용자들 측면에서 안전성 및 도로 환경을 평가한 것이다.

    기존의 설계에서는 고려되지 않았으나, 최근 도로 포장에서 큰 이슈로 떠오르고 있는

    인자이다.

 

나. 공용성 예측 및 평가

    포장에서 발생하는 파손의 형태를 정량화를 바탕으로 공용성의 기준(균열, 스폴링,

    IRI)을 정립한다. 설계 과정에 따라 시험 단면을 설계하고, 설계기간에 대하여 포장의

    공용성을 예측하여 이미 정립된 설계기준과 비교한다. 설계기준에 맞으면 다음 단계로

    진행되지만 그렇지 않을 경우 시험설계를 개정하여 다시 공용성을 예측하고 설계기준

    이 모두 만족될 때까지 반복해야 할 것이다.

 

포장 형식 종류

시멘트 콘크리

트 포장 피로 파손, 스폴링, 단차, IRI, 펀치 아웃, 소음, 미끄럼 저항 등

 

아스팔트 콘크리트 포장

피로 파손, 저온 균열, 러팅, 블리딩, 코루게이션, 포트홀, IRI, 소음,

미끄럼 저항 등

 

<표 1.1> 포장 형식별 공용성 모형 종류

 

다. 설계 신뢰도

    도로포장의 설계는 크게 설계입력변수 결정과 공용성 예측 모형의 적용으로 나뉜다.

    전자는 재료물성, 교통하중 및 환경인자 등이고, 후자는 구조해석 모형, 파손예측 모형

    등이다. 이들 모두 정확히 예측되는 것이 아니기 때문에 상당한 불확실성과 가변성이

    존재한다. 따라서 이러한 점을 고려하여 신뢰 수준은 안전계수의 개념으로써 교통량이

    많거나 기능적 분류상 중요도가 큰 시설물 설계에 있어서 높은 신뢰도를 적용하는 반

    면, 상반된 경우에는 상대적으로 낮은 신뢰도를 적용한다.

 

 

(5) 대안 평가

 

가. 생애주기비용분석(LCCA:Life Cycle Cost Analysis)

    예비설계가 구조적, 기능적 기준을 만족시키면 그 설계는 기술적으로 실행 가능한

    설계가 된다. 하지만 포장 설계는 다양한 방법이 있으므로, 이에 대해 LCCA 분석을

    통하여 보다 경제적이고 타당한 대안을 선정하여 포장 설계에 사용하기 위한 기초 자

    료를 제공한다.

 

나. 의사 결정 기준

    의사 결정 기준은 다양한 포장 형식 및 경제성 분석에 근거하여 최적의 공법을 선택

    하는 잣대이다. 일반적으로 포장의 구조해석을 통해 포장의 파손을 예측하고 이에 따

    른 유지보수 비용을 산정하여 설계 기간 동안의 전체 소요 비용을 산정한다. 그 결과

    최소의 비용이 소요되는 공법을 선택하는 기준이 된다. 하지만 기존의 건설측면에서는

    경제성 논리가 지배하여 저렴한 공법을 채택하였지만 요즘은 비록 건설 비용은 고가이

    지만 사용자들에게 쾌적한 환경을 조성해 줄 수 있는 공법을 선호하고 있다. 따라서

    의사 결정 기준은 그 사회가 포장에 대해 요구하는 기능이 무엇에 따라 달라질 수 있

    다.

 

다. 비교 및 최적화

    앞에서 살펴본 전 과정을 통해서 설계 대상에 가장 적합한 최적 대안을 선택하는 것

    이다. 이 과정에서 최적 대안의 취약점에 대한 보완책을 찾을 수 있으며 현장 적용을

    위한 최종 마무리 단계에 해당한다.

 

라. 적용

    실제 현장에 도로의 포장을 건설하는 것으로 최적의 공법으로 선정한 것이 설계한

    재료, 구조, 비용 등이 계획대로 작업되는지를 검토하고 현장에서 발생하는 문제들을

    해결하는 것이다. 이때 예상치 못했던 현장의 문제점으로 설계변경 등의 상황이 발생

    할 수 있으므로 면밀한 시공 검토가 필요하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.3 도로포장 구조 설계의 전체 흐름도

 

본장은 도로포장 구조 설계의 전체로직을 아스팔트 콘크리트와 시멘트 콘크리트 포

장의 설계로 나누어 간략히 설명하고자 한다.

 

 

1.4.4 아스팔트 콘크리트 포장의 전반적인 설계로직

 

아스팔트 콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계로직은 <그림 1.3>에 나타나 있으며,

설계과정은 다음과 같다.

 

(1) 시공 대상지역과 해당 지역 조건에 적합한 포장단면을 선정한다. 이때 포장층의 수

     및 각 층의 두께를 입력한다. 그리고 설계한 포장의 설계 공용년수를 입력한다. 설

     계기간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 아스팔트 포장의 피로균

     열, 영구변형 및 국제평탄성지수(IRI)의 허용기준을 설정한다.

 

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 선정한다. 기본 입력 변수

    들을 이용하여 설계에 필요한 각 교통 정보, 온도 정보, 각 층의 재료 물성을 계산

    한다.

 

(3) 각 입력 변수들을 바탕으로 설계프로그램 내 구조해석프로그램에 의해 포장의 구

    조적 거동(Structural Responses)을 계산한다.

 

(4) 설계프로그램 내 공용성 모델을 이용하여 포장 손상을 계산하고, 전체 설계기간에

    대하여 누적된 손상을 계산한다.

 

(5) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, 영구변형, IRI) 기준에 적합한지를 평가한다.

 

(6) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 포장단면을 변경한 후 다시 위의 (2)

    항부터 (5)항까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행

    한다.

 

(7) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능하여

    야 하며, 다른 대안단면들을 추가로 작성한다. 이 대안들에 대한 생애주기비용분석

    을 통한 경제성 평가를 실시하여 최적 대안을 선정한다.

    층분할은 포장의 공용성 해석을 위해 좌표를 결정하는 과정으로, 포장 층수와 각 층

    의 포장 두께를 입력하면 <그림 1.4>에서 보는 바와 같이 포장 표면으로부터 표층과

    기층의 하단 깊이, 각 세부층의 중간 깊이를 로 정의하고 위치를 계산한다. 이는

    아스팔트층 혼합물이 온도에 민감하게 거동하는 재료이므로 해석시 온도에 따른 탄성

    계수를 보다 정확히 결정하기 위함이다. 아스팔트 포장의 표면으로부터 10cm 정도의

    깊이까지는 포장의 온도 변화가 크기 때문에 2~3cm 정도의 두께로, 기층은 3~5cm

    정도의 간격으로 분할한다. 여기서, 아스팔트 중간층은 표층으로 간주하여 층을 분할한

 

다. 보조기층의 경우에는 2개의 세부층으로, 노상은 단일 층으로 간주한다.

 

<그림 1.3> 아스팔트 포장 설계 로직

 

<그림 1.4> 각 층의 분할

 

 

1.4.5 콘크리트 포장의 전반적인 설계로직

 

콘크리트 포장에 대한 전반적인 설계과정은 다음과 같다.

 

(1) 시공 대상지역과 해당 지역 조건에 적합한 포장단면을 선정한다. 이때 교통량, 기

    후조건, 토질조건, 포장층의 조합, 콘크리트 및 다른 재료물성, 그리고 설계 및 시

    공 조건 등을 고려한다. 그리고 설계한 포장의 설계 공용년수를 입력한다. 설계기

    간 동안 유지되어야 할 공용성 기준을 설정한다. 즉, 콘크리트 포장의 피로균열 및

    국제평탄성지수(IRI)의 허용기준을 설정한다.

 

(2) 교통량, 환경조건 및 재료물성과 관련된 입력 변수들을 선정한다. 기본 입력 변수

    들을 이용하여 설계에 필요한 각 교통 정보, 온도 정보, 각 층의 재료 물성을 계산

    한다.

 

(3) 불연속면 설계를 수행한다. 줄눈간격, 타이바/다웰바, 줄눈채움재 설계를 진행하고

    초기 단면설계 시 가정한 불연속면 설계와 허용 범위 내에 있을 시 다음 단계로

    진행한다. 반면 범위 외에 있을 경우에는 다시 줄눈 설계로 되돌아가서 (2)항, (3)

    항을 반복 수행한다.

 

(4) 구조해석을 통해 제안한 응력 예측식을 통해 포장의 구조적 거동(Structural Responses)

    을 계산한다. 전체의 설계기간에 대하여 각 축 형태 및 하중에 따른 각각의 한계응력을

    반복 계산한다.

 

(5) 설계프로그램 내 공용성 모형을 이용하여 포장 손상을 계산하고, 전체 설계기간에

    대하여 누적된 손상을 계산한다.

 

(6) 예비설계의 결과가 공용성(피로균열, IRI) 기준에 적합한지를 평가한다.

 

(7) 예비설계가 공용성 기준을 만족하지 못하면, 포장단면을 변경한 후 다시 위의 (2)

    항부터 (6)항까지의 과정을 반복하여 그 설계가 공용성 기준을 만족할 때까지 수행

    한다.

 

(8) 목표한 공용성 기준을 만족시키는 설계는 구조 및 기능적 측면에서 실행 가능하여

    야 하며, 다른 대안단면들을 추가로 작성한다. 이 대안들에 대한 생애주기비용분석

    을 통한 경제성 평가를 실시하여 최적 대안을 선정한다.

 

 

2. 사전 설계절차

 

2.1 적용 범위

 

(1) 도로포장의 설계구간 연장 결정에 적용한다.

 

(2) 도로포장의 형식 결정에 적용한다.

 

(3) 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계등급 결정에 적용한다.

 

(4) 아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계대안 단면결정에 적용한다.

 

 

2.2 설계구간 연장 결정

 

(1) 설계구간 연장은 교통량을 우선으로 결정, 동일 교통량 구간 내에는 노상재료

    의 탄성계수에 기초하여 결정한다.

 

(2) 최소 포장설계구간 연장은 750m로 한다. 최소 포장설계구간은 성토부를 기준

    으로 한다. 단, 절토부는 성토부의 포장단면을 적용하는 것을 원칙으로 한다.

 

(3) 포장설계구간 연장 결정을 위해서는 포장두께 결정이 선행되어야 하며, 포장

    두께 결정은 설계등급에 따라 이루어진다.

 

【해 설】

일정두께의 포장단면을 유지하는데 필요한 포장설계구간 연장을 결정한다. 포장단면

은 교통량 또는 하부구조의 탄성계수가 급격히 변하지 않는 한 동일단면을 유지한다.

포장단면을 짧은 구간에서 여러 번 변화시키는 것은 시공을 번잡하게 하고 시공단가를

상승시키며 시공불량을 초래할 수 있다. 포장설계구간 연장은 교통량을 우선으로 결정

하며, 동일 교통량 구간 내에서는 설계입력물성치인 노상재료의 탄성계수에 기초하여

결정한다. 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료는 선별된 재료원으로부터 획득함

으로 동일 생산된 재료의 탄성계수 차이가 크지 않다.

단면두께를 일정하게 유지하는 최소 포장설계구간 연장(기본구간)은 750m로 한다.

최소 포장설계구간은 성토부를 기준으로 하며, 절토부는 성토부의 포장단면을 적용하

는 것을 원칙으로 한다.

포장설계구간 연장 결정을 위해서는 포장두께 결정을 위한 절차가 선행되어야 한다.

포장두께 결정은 설계 입력 값으로서 노상과 입상보조기층 및 입도조정 쇄석재료에 대

한 탄성계수 결정(설계등급 1 및 설계등급 2만 해당)을 통해 이루어진다. 여기에서 노

상의 탄성계수 결정을 위해 예상 도로선형 통과구간 지역 또는 토취장에서 노상재료로

사용할 수 있는 흙 시료를 필요한 수량만큼 채취하여야 한다. 노상재료를 사용하여 탄

성계수를 결정하기 위해서는 시험굴(Test Pit)조사를 통해 충분한 양의 교란된 흙 시

료를 확보하고, 탄성계수 결정에 필요한 시험을 부록 3.「포장 하부구조 재료의 설계입

력변수 평가 시험법」에 따라 계획적으로 실시하여야 한다. 시험굴 조사는 예정 토취

장에서 최소 5개소 또는 예상 도로선형 통과구간 지역의 절토부에서 250m 간격으로

실시한다.

설계등급 1에서는 시험굴 당 최소 6개의 삼축압축시험을 위한 시편을 제작할 수 있

는 양의 흙 시료를 확보하여야 하며, 설계등급 2에서는 탄성계수 결정을 위한 기초물

성시험에 사용할 충분한 양의 흙 시료를 채취하여야 한다. 충분한 양의 흙 시료를 확

보하지 못할 경우 시편수의 감소에 따라 단면의 증가를 초래하여 비경제적인 도로설계

를 초래할 수 있음에 유의하여야 한다. 시험용 흙 재료로부터 시험굴 당 1개씩의 평균

설계 탄성계수(Eavg)가 확보되면 서로 인접한 시험굴 위치에서의 평균 설계 탄성계수를

비교하여 단면변화 여부를 결정한다.

설계등급 1에서는 아래의 절차에 따라 포장설계 단면과 포장단면 연장을 결정한다.

 

1) 하부구조 설계입력 물성 평가

 

① 설계대상 구간에서 선정 채취된 노상토 및 예상 재료원으로부터 획득된 입상 보조

    기층, 입도조정기층인 쇄석기층 재료에 대하여 삼축압축시험을 실시한다.

 

② 삼축압축시험 결과를 이용하여 하부구조 구성재료의 탄성계수를 결정한다.

 

2) 포장설계구간 연장 결정

 

① 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 대표 탄성계수를 이용하

    여 해당 기본구간(750m)에서의 포장단면을 결정한다.

 

② 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 탄성계수 변화를 검토하

    여 하나의 포장단면으로 설계하는 구간 연장을 아래의 순서에 따라 결정한다.

- 연접 설계구간과 해당 설계구간 사이 노상의 평균 탄성계수비가 세 배 미만이

  면 탄성계수가 작은 구간의 포장 단면을 연접구간까지 적용한다.

- 만일 연접 두 구간에서의 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하면 두

  구간의 평균 탄성계수를 이용하여 포장단면을 각각 달리 설계한다.

- 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하는 경우라도 하나의 구간 연장이

  750m 이하이면 별도의 설계구간으로 구분하지 않는다.

 

③ 예외조항

- 구조물과 토공 구간의 접속부 또는 흙쌓기와 흙깎기 경계 구간 등은 시공성을

  고려하여 단면두께를 달리할 수 있다.

- 불연속구간에 대한 포장단면 결정은 별도로 규정한다 (「노면 불연속구간 설

  계지침」 참조).

- 터널구간의 포장단면 결정은 별도로 규정한다(「터널내 포장설계지침」참조).

  설계등급 2에서는 아래의 절차를 이용하여 포장설계 단면과 포장단면 연장을 결정한다.

 

1) 하부구조 설계입력 물성 평가

 

① 설계대상 구간에서 선정 채취된 노상토 및 예상 재료원으로부터 획득된 입상 보조

    기층, 입도조정 쇄석기층 재료에 대하여 다짐시험과 체가름 시험 등 기초 물성시

    험을 수행한다.

 

② 기초 물성시험 결과를 이용하여 하부구조의 모델계수 k1, k2, k3를 결정한다.

 

③ 하부구조 모델계수와 20개의 응력조합(부록 3. 「포장 하부구조 재료의 설계입력

    변수 평가 시험법」 참조)을 이용하여 평균 설계 탄성계수를 결정한다.

 

2) 포장단면 연장 결정

 

① 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 평균 설계 탄성계수를

    이용하여 해당 기본 구간(750m)에서의 포장단면을 결정한다.

 

② 노상토와 입상 보조기층 및 입도조정 쇄석기층 재료의 탄성계수 변화를 검토하

    여 하나의 포장단면으로 설계하는 구간 연장을 아래의 순서에 따라 결정한다.

- 연접 설계구간과 해당 설계구간 사이의 평균 탄성계수비가 세 배 미만이면 탄

  성계수가 작은 구간의 포장단면을 연접구간까지 적용한다.

- 만일 연접 두 구간에서의 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하면 두

  구간의 대표 탄성계수를 이용하여 포장단면을 각각 달리 설계한다.

- 평균 탄성계수가 세 배 이상 차이가 발생하는 경우라도 하나의 구간 연장이

  750m 이하이면 별도의 설계구간으로 구분하지 않는다.

 

③ 예외조항

- 구조물과 토공 구간의 접속부 또는 흙쌓기와 흙깎기 경계 구간 등은 시공성을

  고려하여 단면두께를 달리할 수 있다.

- 불연속구간에 대한 포장단면 결정은 별도로 규정한다 (「노면 불연속구간 설

  계지침」참조)

- 터널구간의 포장단면 결정은 별도로 규정한다(「터널내 포장설계지침」참조).

 

 

 

 

 

 

 

 

<그림 2.1> 포장설계구간 연장 결정 절차

 

 

2.3 포장형식 결정

 

도로포장 구조 설계 초기에 적합한 포장 형식(아스팔트 콘크리트 포장 또는 시멘

트 콘크리트 포장)을 선정하도록 한다. 포장 형식 선정을 위해 공용성을 고려한

생애주기비용분석을 통해 비용 효율적인 포장형식을 결정한다.

 

【해 설】

 

 

2.3.1 포장 종류

 

도로의 포장 형식은 크게 아스팔트 포장, 콘크리트 포장 및 기타 포장 형식으로 구

분할 수 있다. 이 중 아스팔트 및 콘크리트 포장의 특성을 정리한 것이 <그림 2.2>와

<표 2.1>이다.

표층

기층

보조기층

노상

길바탕 흙

1

표층

린기층

골재보조기층

노상

길바탕 흙

2

 

<그림 2.2> 국내 포장 대표 단면 및 응력 분포도

 

구분 콘크리트 포장 아스팔트 포장

장점

⦁ 긴 공용 수명

⦁ 높은 미끄럼 저항성

⦁ 유지보수 미미

⦁ 야간 시인성이 우수

⦁ 소음/진동이 적고 평탄성 양호.

⦁ 짧은 양생 기간으로 인해 조기

   교통개방 가능

⦁ 유지보수 간편

   단점

⦁ 소음/진동 발생

⦁ 양생 기간 및 초기 균열 발생

   가능성

⦁ 보수 작업의 두려움

⦁ 수명이 짧고 잦은 유지보수가 필

   요

⦁ 낮은 미끄럼 저항성

⦁ 낮은 야간 시인성

   비고

최근에는 두 포장 형식간의 단점을 극복하려는 노력이 진행되어 장·단점

구분의 경계가 희미해짐

 

<표 2.1> 포장 형식간의 장단점 비교

 

 

2.3.2 아스팔트 콘크리트 포장

 

아스팔트 콘크리트 포장은 <그림 2.1>의 좌측 그림과 같이 표층을 골재와 아스팔트

바인더(Asphalt Binder)로 결합하여 만든 것으로 일반적으로 표층, 기층 및 보조기층

으로 이루어진다. 아스팔트 포장은 차량 하중에 의해 발생하는 응력이 포장을 구성하

는 각 층으로 전달되어 하부층으로 갈수록 점차 넓은 면적에 적게 작용하는 포장이다

( 1 2 l > l ). 아스팔트 포장 각 층의 구성과 두께는 교통 하중에 의해 발생한 응력에

충분히 견딜 수 있어야 한다. 아스팔트 포장의 구분은 다음과 같다.

 

(1) 아스팔트 시멘트(Asphalt Cement)

    원유에 포함된 혼합물들은 끓는점이 서로 달라 증류를 하고 난 후 맨 마지막에 남는

    갈색의 점탄성 재료를 아스팔트 시멘트라고 한다. 수천종 이상의 고분자 탄화수소(90

    % 이상)로 구성되어 있으며, 아직까지 정확한 화학적 구조가 규명되지 않았다. 아스팔

    트 생산 시 온도를 높이거나 진공 조건이 변할 경우, 포화 탄화수소는 그대로 있지만,

    수지나 방향족 성분은 아스팔텐으로 변하며, 아스팔텐 함량이 높을수록 딱딱한 재료가

    된다. 재료의 특성을 정의하기 위해서 침입도(Penetration) 특성, 점도(Viscosity) 특

    성, PG(Performance Grade) 등급의 기준을 적용하여 구분하고 있다.

 

(2) 웜믹스 아스팔트(Warm Mix Asphalt)

    최근 핫믹스 아스팔트 포장의 생산 및 시공시 많은 에너지 소비와 함께 대량의 탄소

    배출로 인해 환경 문제의 주범으로 인식되었다. 중온화 재료를 첨가하여 핫믹스 아스

    팔트보다 약 30~50 ℃ 정도 낮은 온도에서 생산 및 시공함으로써 에너지 절감 및 유

    해가스 배출 저감 등의 효과를 목적으로 하고 있다.

 

(3) 콜드믹스 아스팔트(Cold Mix Asphalt)

    콜드믹스 아스팔트는 일반적으로 대규모의 포장 건설에 사용하지 않고 소규모 소파

    보수나 포장 표면 보수 재료로 사용한다. 예를 들어, 아스팔트 포장에 포트홀(Pothole)

    과 같은 파손이 발생할 때 긴급 보수재료 사용하거나 실코트(Seal Coat), 슬러리씰

    (Surry Seal), 포그씰(Fog Seal)과 같은 표면 보수용 재료로 이용한다.

    개질아스팔트는 포장용 석유아스팔트의 성질을 포장의 내구성 향상을 목적으로 개선

    한 것이다. 이들에는 아스팔트에 고무, 수지 등의 고분자재료를 첨가해서 성능을 개선

    시킨 아스팔트 및 촉매제를 이용한 개질아스팔트가 있다. 아스팔트를 개질하는 방법은

    여러 가지가 있으며 사용하는 개질재의 종류와 개질방식에 따라 개질아스팔트의 특성

    변화가 매우 크다. 개질아스팔트 종류에는 개질방식에 따라 고분자 개질 아스팔트와

    화학적 개질 아스팔트, 그리고 산화 아스팔트로 크게 구분할 수 있으며, 생산방식에

    따라서도 사전배합(Pre-Mix) 생산형태와 현장배합(Plant-Mix)생산형태로 구분할 수

    있다.

 

가. 고분자 개질아스팔트(PMA ; Polymer Modified Asphalt)

기존 아스팔트에 SBS, PE, EVA 등의 고분자를 혼합하여 성능을 향상시킨 제품으로

전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 개질아스팔트이며 개질재료에 의해 두 가지로

분류될 수 있다. 그 중의 하나는 개질재료로서 고무계의 고분자재료를 첨가한 개질아

스팔트 I형은 아스팔트의 감온성 및 저온시의 취성의 개량을 위해 유동 및 마모에 대

한 저항성을 높인 재료이다. 다른 하나는 열가소성 수지와 고무를 병용한 것, 혹은 열

가소성 수지를 단독으로 사용한 고분자 재료인 개질아스팔트 II형으로 유동저항성이 높다.

 

나. 화학적 개질아스팔트

금속원소가 함유된 촉매제를 사용하여 아스팔트를 화학적으로 산화시키거나 또는 시

공 후 대기와의 산화를 촉진시키는 형태이다. 아스팔트의 경화를 급속히 진전시키는

개질방식으로 영구변형에 대한 저항성은 우수하나 균열에 취약한 특성과 사용시에 악

취 발생 등의 문제점을 갖고 있어 현재에는 제한적인 용도에서만 사용되고 있다.

 

다. 산화 아스팔트

아스팔트를 고온에서 공기와 접촉시킴으로써 재료의 스티프니스(Stiffness)가 증가시

켜 영구변형에 대한 저항성을 향상시킨 재료로써 세미블로운 아스팔트라고도 한다. 상

대적으로 딱딱하기 때문에 연약지반상의 포장 등 기층의 국부적인 변형이 예상되는 장

소에 적용하면 균열발생이 쉽다. 생산 시 점도가 높기 때문에 다짐작업을 할 때 온도

관리에 특히 주의하고 충분히 다져야 한다.

 

 

2.3.3 시멘트 콘크리트 포장

 

시멘트 콘크리트 포장은 시멘트 콘크리트 슬래브가 교통 하중으로 인한 전단이나 휨

에 저항하여 하중을 하부층의 지지력 이하로 약화시킴으로써 구조적 안정성을 유지하

는 포장형식이다. 일반적으로 표층 및 보조기층으로 구성되어 있는데, 보조기층의 역

할은 슬래브에 균등한 지지력을 주고 펌핑(Pumping) 등의 파손을 사전에 방지하며,

콘크리트 슬래브를 타설하기 위한 안전한 작업 지반을 조성해 준다. 시멘트 콘크리트

포장 종류는 일반적으로 철근 보강 및 줄눈 간격에 따라 무근 줄눈 콘크리트 포장(JPC

P : Jointed Plain Concrete Pavement), 줄눈 철근 콘크리트 포장(JRCP :　Jointed

Reinforced Concrete Pavement), 연속철근 콘크리트포장(CRCP : Continuously Rei

nforced Concrete Pavement), 포스트 텐션 콘크리트 포장(PTCP : Post-Tensioned

Concrete Pavement) 등이 있다.

 

(1) 무근 줄눈 콘크리트 포장

    무근 줄눈 콘크리트 포장은 다월바나 타이바를 제외하고는 일체의 철근 보강이 없는

    포장형태로서, 일정한 간격의 줄눈을 설치함으로써 균열의 발생 위치를 인위적으로 조

    절하고, 필요에 따라 줄눈부에 다월바를 사용하여 하중전달을 돕기도 한다. 국내는 6

    m, 미국의 텍사스는 4.5 m 간격으로 줄눈을 시공한다. 무근 콘크리트 포장에서는 줄눈

    이외의 부분에서는 철근 보강이 없으므로 줄눈부 외에 발생한 균열이 과대하게 벌어지

    는 것을 막을 수가 없기 때문에 균열 발생을 허용하지 않는다. 따라서 적절한 시기에

    줄눈을 일정한 깊이로 시공하여야 줄눈부 이외에서 균열이 발생하는 것을 예방할 수

    있다. 줄눈 콘크리트 슬래브와 보조기층 사이에 분리막을 설치하는데, 이는 마찰력을

    줄임으로써 온도변화 및 건조수축에 의한 콘크리트 슬래브의 움직임을 억제하는 구속

    력을 감소시킨다. 구속력이 줄어들면 콘크리트에 발생되는 응력도 줄어들고 따라서 균

    열의 발생도 줄일 수 있다.

 

(a) 무근 줄눈 콘크리트 포장 (b) 줄눈 철근 콘크리트 포장

(c) 연속 철근 콘크리트 포장

 

<그림 2.3> 콘크리트 포장의 종류 및 특성

 

(2) 줄눈 철근 콘크리트 포장

    무근 줄눈 콘크리트 포장의 구조적 취약부는 줄눈부이다. 시간이 경과함에 따라 줄

    눈부위의 파손(단차, 우각부 균열, 펌핑 등)으로 승차감의 저하를 초래할 수 있기 때문

    에 시멘트 콘크리트 슬래브 하부에 일정량의 종방향 철근을 설치하는 형태가 줄눈 철

    근 콘크리트 포장이다. 종방향 철근은 슬래브의 하부의 인장력에 의해 발생하는 균열

    이 과대하게 벌어지는 것을 구속하는 역할을 한다. 이 때문에 줄눈 간격을 무근 줄눈

    콘크리트보다 더 길게 할 수 있으며, 미국의 경우 약 9~18 m 마다 줄눈을 설치한다.

    하지만 철근 콘크리트 포장의 경우 무근 콘크리트 포장에 비해 줄눈간격이 길어지지

    만, 줄눈부 및 횡방향 균열부에서 구조적 파손들이 발생하는 문제점들은 여전히 안고

    있다.

 

(3) 연속철근 콘크리트 포장

    연속철근 콘크리트 포장은 종방향 철근은 줄눈 철근 콘크리트 보다 더 많은 양을 설

    치하여 횡방향 줄눈을 완전히 제거한 포장의 형태이다. 일반적으로 종방향 철근량은

    콘크리트 단면적의 0.6～0.85% 정도까지 사용한다. 철근의 위치는 각 나라, 각 지역에

    따라 다르며, 미국의 일리노이에서는 슬래브 표면에서 약 1/3 위치에 설치하고, 텍사스

    는 슬래브의 중앙에 설치한다. 연속철근 콘크리트 포장은 가능한 한 온도변화 및 건조

    수축에 의한 콘크리트 슬래브의 움직임을 막아야 하므로 콘크리트 슬래브와 보조기층

    사이에 분리막을 사용하지 않는다. 하지만 일부의 경우 얇은 아스팔트층(Bond

    Breaker)을 시공하여 층을 분리하는 경우도 있다. 연속철근 콘크리트 포장은 줄눈이

    없으므로 승차감이 좋고, 많은 중차량 교통량 하에서도 포장 수명이 다른 포장형태보

    다 길기 때문에 세계적으로 각광을 받고 있다.

 

(4) 포스트 텐션 콘크리트 포장

    외부 하중에 의해 콘크리트 슬래브의 하부에 발생하는 인장응력은 콘크리트 포장의

    균열 및 잠재적 파손이 원인이 된다. 포스트 텐션 콘크리트 포장의 개념은 슬래브 하

    부의 인장응력을 상쇄시킬 압축력을 재하하여 슬래브에서 균열이 발생 가능성을 사전

    에 차단하는 것이다. 이로써 줄눈 간격을 90~100 m 간격으로 늘릴 수 있을 뿐만 아

    니라 콘크리트 슬래브의 두께를 감소시키는 효과가 있다. 크리트 타설 후 슬래브에 압

    축력을 가하기 쉽게 하기 위해 콘크리트 슬래브와 보조기층 사이에는 비닐막을 설치하

    여 층을 분리시킨다. 이 공법은 비교적 최근에 소개된 공법으로써 미국 텍사스의 경우

    1985년에 처음 시공되었으며, 국내에도 현재 일부 구간에 시공되었다.

 

(a) 연속철근 콘크리트 포장 시공 (b) 포스트 텐션 콘크리트 포장 시공

 

<그림 2.4> 콘크리트 포장의 종류 및 특성

 

 

2.3.4 도로 포장 형식 선정 방법

 

도로 포장의 형식을 결정하는 것은 포장을 설계하는 것과 더불어 매우 중요한 사안

이다. 앞서 설명한 바와 같이 설계 대상 구간에 적합한 포장 형식을 선정하기 못한다

며 공용 수명의 단축, 국가 예산의 낭비 및 도로 이용자들의 불만을 야기할 수 있다.

때문에 도로 포장 형식이 설계 최고 책임자의 단독 혹은 일반적인 결정 과정에 준하여

결정된다면 많은 경제적 또는 구조적 문제점을 야기하게 된다. 따라서, 포장 형식결정

은 이성적이고 비용효율적인 절차를 따라 결정해야한다.

최근 건설 분야에서 생애주기비용 등과 같은 경제성 분석의 중요성이 대두되면서 포

장분야에도 활발하게 활용되고 있다. 이는 경제적이고 공학적인 측면에도 가장 우수한

포장 형식을 결정하기 위한 유용한 도구이다. 하지만, 경제성 분석이 내재하고 있는 필

수 불가결한 미래에 대한 가정, 즉 할인율, 분석기간, 유지보수 방법 등이 보다 신뢰성

있는 결정을 방해하는 요인이다. 포장형식결정은 기술적인, 경제적, 혹은 기타 요인들

을 고려해야하는 매우 복잡한 절차를 필요로 한다. 도로포장 구조 설계자들에게 사업

자 비용, 사용자비용, 포장 공용성 등이 포장형식 결정에 중요한 역할을 담당한다.

경제성 분석(생애주기비용 비교)을 바탕으로 합리적인 포장형식을 선정한다. 포장형식

별 초기공사비, 유지보수비 및 공용성 관련비용을 포함한 생애주기비용 분석을 기반으

로 하며, 아스팔트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장의 공용성 관련 비용은 포장

의 강성 및 평탄성에 따른 소음도 및 주행 쾌적성으로 결정한다. 생애주기비용 분석의

특성상 동일한 비용은 제외한다. 전반적인 포장 형식 선정과정은 <그림 2.5>에 나타

나 있고, 자세한 절차는 아래와 같다.

설계하는 대상 구간의 입력변수에 따라 각 형식별 대안을 선정한다. 이 때, 설계수명

을 만족하며 2년 이하의 수명 오차를 나타내는 설계대안을 선정한다.

생애주기비용 방법을 이용하여 각 대안의 유지보수 및 공용성을 고려한 비용을 산정

한다. 유지보수비용의 경우는 각 형식별 연간 평균 유지보수 비용을 이용하여 산정하

고 재료 및 시공비는 설계 시점의 비용을 사용한다.

두 형식의 비용을 비교하여 그 차이가 일정수준 이하일 경우는 설계자의 판단에 의

하여 선정하고 그 이상일 경우는 비용 우위에 있는 형식으로 결정한다. 이 때 판단에

사용되는 비용차이 비율은 20% 이내(열위 포장 비용/우위 포장 비용)로 한다.

 

<그림 2.5> 포장형식 선정 절차

 

 

2.4 설계등급 결정

 

(1) 도로포장 구조 설계등급은 도로의 중요도와 교통량 등에 따라 결정한다.

(2) 설계등급은 설계등급 1, 설계등급 2 및 설계등급 3으로 구분하여 각각의 설계

    등급에 따라 재료물성 및 교통량을 결정한다.

(3) 필요에 따라 설계입력변수 중 일부를 상위등급의 방법으로 결정하여 사용할

    수 있다.

 

【해 설】

본 요령에서는 도로의 중요도와 교통량 등을 감안하여 도로포장의 설계등급을 <표

2.2>와 같이 세 등급으로 구분한다. 설계등급 1의 경우 고속국도 및 일반국도와 같이

교통량 및 중차량이 많은 도로의 포장설계에 적용되며, 교통량 조사자료를 바탕으로

해당 설계구간의 AADT 혹은 AADT 중 5종 이상의 중차량 대수를 통하여 <표 2.2>와

같이 구분한다.

 

설계

등급 도로등급 설계차량대수 비고

1

고속국도 150,000대 이상 5종 이상의 중차량 대수가 50,000대 이

상일 경우에도 설계등급 1로 설계

일반국도 35,000대 이상 5종 이상의 중차량 대수가 12,000대

이상일 경우에도 설계등급 1로 설계

2

고속국도 150,000대 미만 -

일반국도 7,000대 이상

35,000대 미만 -

지방도 및 기타

도로 7,000대 이상

기타 도로는 도로법에 명시된 특별시

도, 광역시도, 시도, 군도 및 구도를

의미함

3

일반국도,

지방도 및

기타 도로

7,000대 미만

기타 도로는 도로법에 명시된 특별시

도, 광역시도, 시도, 군도 및 구도를

의미함

 

<표 2.2> 설계등급

 

설계등급별 설계는 기본적으로 동일한 개념에 의해 수행하지만 도로의 중요도에 따

라 설계에 필요한 설계입력변수(교통, 환경 및 재료물성)를 결정하는 방식에 차이가

있다. 도로의 중요도가 상대적으로 낮은 경우에는 재료물성 시험이나 교통량 정보수

집 등에 있어 상대적으로 간편하게 입력변수를 결정하게 되고, 도로의 중요도가 높을

수록 보다 많은 실내시험과 교통 특성에 대한 세밀한 정보를 필요로 한다.

<표 2.3>은 설계등급별 포장 재료의 물성 및 교통량 정량화, 설계방법을 정리한 것

이다. 설계등급 1과 2에서는 설계 해석 프로그램을 사용하며, 설계등급 3에서는 국내

의 대표적인 포장 재료와 교통 특성에 따른 표준 설계단면을 사용한다. 단 설계등급

1의 경우 포장 재료의 물성 결정 시 실내시험을 원칙으로 하나, 실내 시험기 구축 및

포장 전문 인력의 공급이 부족한 국내 여건 등을 감안하여, 설계 요령에 제시되어 있

는 포장 재료에 한하여 동일한 조건의 경우라면 데이터베이스(DB, Data Base)화 되

어 있는 제안값 및 예측방정식을 사용할 수 있다.

 

설계 등급 물성 측정 교통량 측정 설계방법

1 실내시험을 통한 재료의

물성 측정

차종별 교통량 분포 및

축하중 분포 측정 설계 해석 프로그램 사용

2

간단한 실내실험 또는

물성 데이터베이스 및

예측방정식을 사용

데이터베이스화된 축하

중별 교통량 분포 사용 설계 해석 프로그램 사용

3 포장재료의 일반적인

물성 사용

데이터베이스화된 축하

중별 교통량 분포 사용 표준 설계단면 사용

 

<표 2.3> 설계등급에 따른 포장 구조 설계

 

 

2.5 설계대안 단면 결정

 

(1) 포장형식 선정 후 각 포장의 기본설계 단면으로부터 설계대안 단면을 최소 3

    개 이상 결정한다.

 

(2) 기본설계 단면은 고속국도, 일반국도, 지방도로 구분하여 <그림 2.6>과 같이

    적용한다.

(3) 아스팔트 콘크리트 포장의 표층 재료는 아스팔트 혼합물을 사용하며, 아스팔

    트 콘크리트 포장에 사용되는 재료는 국토교통부의「도로공사표준시방서」의

    기준을 만족해야한다.

(4) 설계대안 단면은 "설계기간 동안 유지보수 없이 공용기준을 만족하는 단면"

    또는 "설계기간 동안 1회 이상의 유지보수를 포함하여 공용성 기준을 만족하

    는 단면"을 포함해야 한다.

(5) 설계입력변수는 "제3장", 설계대안 단면에 대한 구조해석은 "제4장", 공용성

    해석은 "제5장", 설계대안 단면들의 경제성 분석은 "제6장"을 통해 기준에 적

    합한 설계대안 단면들을 선정한다.

 

【해 설】

고속국도, 일반국도 및 지방도에 대한 아스팔트 콘크리트 포장의 기본 설계 단면은

<그림 2.6>과 같다.

 

설계대안 중 표층 재료는 아스팔트 혼합물을 사용한다. 표층에 사용되는 아스팔트

혼합물용 골재는 밀입도 13mm, 밀입도 19mm 또는 SMA 13mm를 사용할 수 있으며,

아스팔트의 경우 PG 58-22, PG 64-22 또는 PG 76-22를 사용할 수 있다.

또한 기층 재료는 아스팔트 혼합물 및 입도조정쇄석을 사용한다. 기층에 사용되는

아스팔트 혼합물용 골재는 40mm 이하를 사용할 수 있으며, 아스팔트의 경우 PG

58-22, PG 64-22 또는 PG 76-22를 사용할 수 있다. 기층에 사용되는 입도조정쇄

석은 국토교통부의「도로공사표준시방서」의 기준에 적합한 재료를 사용한다. 보조기

층 재료는 국토교통부의「도로공사표준시방서」의 기준에 적합한 재료를 사용한다.

설계대안 단면은 최소 3개 이상 선정하고, 경제성 분석을 통해 최적의 단면을 결정

한다. 설계대안 단면은 설계기간 동안 유지보수 없이 균열, 영구변형, 평탄성 기준을

만족하는 설계단면과 설계기간 동안 적어도 1회 이상의 유지보수를 포함하여 균열, 영

구변형, 평탄성과 같은 공용성 기준을 만족하는 설계단면을 포함해야 한다.

 

지방도 일반국도 고속국도

표층

5cm

(아스팔트 혼합물)

10cm

(아스팔트 혼합물)

12cm

(아스팔트 혼합물)

기층

10cm

(아스팔트 혼합물)

20cm

(아스팔트 혼합물) 25cm

(아스팔트 혼합물)

보조기층

20cm

(입상재료)

30cm

(입상재료)

노상층

40cm

(입상재료)

 

<그림 2.6> 아스팔트 콘크리트 포장의 기본 설계 단면

 

 

 

3. 설계 입력변수

 

 

3.1 개설

 

(1) 설계 입력변수는 포장의 최적 두께 산정을 위한 기초자료이다.

 

(2) 설계 입력변수는 설계등급 1, 설계등급 2 또는 설계등급 3으로 구분하여 적용

    한다. 단, 설계 입력변수 중에서 교통특성 및 환경특성은 설계등급에 상관없이

    동일하게 결정한다.

 

(3) 설계 입력변수는 교통량, 환경특성, 하부구조 재료물성 및 아스팔트 혼합물 재

    료물성으로 구성된다.

 

【해 설】

설계 입력변수는 공용기간 동안 예비 포장단면의 역학적 거동 및 공용성을 예측하는

데 이용되며, 설계등급에 의하여 그 정밀도가 변화한다. 교통량과 재료물성은 설계등

급에 따라 주어진 데이터베이스를 이용하거나 실제 실측 및 실험을 통하여 결정되지

만, 환경변수는 대상 구간의 기상관측소 데이터베이스를 이용하여 결정되므로 설계등

급과 무관하게 동일한 방법으로 적용한다.

 

 

3.2 설계등급 1

 

(1) 고속국도(설계AADT 150,000대 이상 또는 AADT 중 5종 이상의 중차량 대

    수가 50,000대 이상) 및 일반국도(설계AADT 35,000대 이상 또는 AADT 중

    5종 이상의 중차량 대수가 12,000대 이상)에 적용된다.

 

(2) 교통량은 현장 교통량 조사를 통하여 차종별 축하중 분포를 측정하여 사용한다.

 

(3) 하부구조 및 아스팔트 혼합물 재료물성은 실내시험을 통하여 결정하는 것이

    원칙이나, 본 요령에 제시되어 있는 포장 재료에 한하여 도로포장 구조 설계

    해석 프로그램에 포함되어 있는 물성을 활용할 수 있다.

 

 

3.2.1 교통량

 

(1) 도로포장 구조 설계에서는 교통량 산정을 위하여 차종별 축하중 분포를 이용

    한다.

 

(2) 설계등급 1에서는 원칙적으로 현장 조사를 통하여 차종별 축하중 분포를 결정

    하기 위한 입력값들을 결정한다.

 

(3) 차종별 축하중 분포에 따른 교통량을 결정하기 위한 입력값에는 초기년도 연

    평균일교통량(AADT), 차종별 구성비율, 방향분배계수, 차로분배계수, 시간별

    교통량변동률, 월별교통량변동률, 차종별 축하중 분포, 교통량증가율이 포함된다.

 

(4) 초기년도 연평균일교통량(AADT)과 차종별 구성비율은 설계구간에 대한 교통

    수요 예측자료를 사용한다.

 

(5) 방향분배계수, 차로분배계수, 월별교통량변동률, 시간별교통량변동률은 인접지

    역 교통량 통계자료를 이용한다.

 

(6) 교통량증가율은 장래교통량 예측 증가율이나 각 연도별 예측값을 사용할 수

    있다.

 

【해 설】

도로포장 구조 설계에서는 필수적으로 도로포장에 직접적으로 영향을 주는 교통조건

에 대한 결정이 필요하다. 따라서 본 장에서는 도로포장 구조 설계시 교통조건에 대한

상세한 결정 방법을 다룬다.

일반적으로 도로설계는 도로의 계획 목포년도 동안에 그 도로를 통행할 것으로 예상

되는 자동차의 연평균일교통량(AADT)을 산정하여, 서비스 수준에 따른 차로 수 결정

등과 같은 횡단구성을 설계한다. 이러한 횡단구성 설계가 이루어진 후, 포장설계를 실

시하게 되는데, 본 요령에서의 교통조건은 도로설계를 위한 계획 교통량인 연평균일교

통량(AADT) 보다 좀 더 상세한 교통조건이 필요하다. 즉, 계획교통량으로 사용하는

연평균일교통량은 1년 동안 도로의 어느 지점 또는 구간을 통행한 양방향의 총 차량

대수를 1년 동안의 일수로 나눈 교통량으로 대상 도로를 통과하는 차량들의 24시간 교

통량을 파악함으로써 교통 수요를 알기 위함이다. 이는 도로의 설계에서 고려해야 할

지역적 특성 및 시간적 특성을 충분히 포함하지 않는 수치이다. 따라서, 본 요령의 포

장 구조 설계에서는 지역적 특성 및 시간적 특성을 반영하기 위한 다음과 같은 절차를

 

 

 

 

3. 설계입력변수

 

도로포장 구조 설계 요령

수행하여 하중분포별 교통량으로 산출한다.

 

<그림 3.1> 포장설계 시 교통량 산출 절차

 

(1) 연평균일교통량(AADT)

    연평균일교통량(AADT)은 연간 총통행량을 365일로 나눈 값으로 정의한다. 포장 구

    조 설계에 사용되는 연평균일교통량은 도로 계획에서 산출된 초기년도부터 계획목포연

    도까지의 매년 평균일 교통량 중 초기년도 값을 기준으로 사용한다.

 

(2) 차종별 구성비율

    차종별 구성비율이란 국내 차종 분류 기준인 12종 분류 교통량을 연평균일교통량

    (AADT)으로 나눈 값을 의미한다. 차종별 구성비율이 필요한 이유는 차종형태별로 포

    장에 미치는 영향이 다르기 때문에, 이에 대한 차종별 교통량을 산출하여 포장의 파손

    량을 계산하여야 하기 때문이다. 즉, 차종별 구성비율은 연평균일교통량을 차종별 교

    통량으로 환산하는데 사용한다. 본 요령에서는 설계자의 판단 하에 설계하고자 하는

    도로와 비슷한 차종 패턴 지점을 결정하고, 그 지점의 교통량 현장 조사 또는 매년 발

    행되는 교통량 통계 연보를 활용하여 차종별 구성비율을 결정하도록 한다. 대상 지점

    의 교통량 현장 조사는 국토교통부에서 발간한 교통조사지침에 근거하여 12차종 분류

    에 따라 교통량을 수집하여 결정하고, 교통량통계연보 이용 시에는 대상 지점의 12차

    종별 교통량 자료로 결정한다.

 

(3) 설계차로 교통량 산출

    앞에서 산출된 차종별 연평균일교통량은 도로 내 방향 및 모든 차선을 포함한 교통량으

    로 설계 시 방향 및 차로에 대한 교통량으로 환산하여야 한다. 설계차로 교통량은 차종별

    연평균일교통량에 방향분배계수(Directional Distribution Factor)와 차로분배계수(Lane

    Distribution Factor)를 곱하여 계산한다. <식 3.1>은 차종별 설계차로 교통량 환산식이

    다.

 

<식 3.1>

 

여기서, = i 차종에 대한 설계차로 연평균일교통량

= i 차종에 대한 연평균일교통량

= 방향분배계수

= 차로분배계수

위 식에서 사용되고 있는 방향분배계수는 중방향 교통량을 전체 교통량으로 나누어

계산되고, 차로분배계수는 2차로 이상(1방향)일 경우에 차로 간 교통량 분담율로 계산

된다. 방향 및 차로 분배 계수의 적용 값은 설계자의 판단 하에 원칙적으로 다음의 표

와 같은 범위 내에서 결정하도록 하며, 설계 신뢰도를 높이기 위한 교통량 현황조사를

실시할 때는 방향 및 차로에 대한 교통량을 추가적으로 수집하여 적용한다.

 

구분 방향 분배 계수

제시값 구분 편도 차로수 차로분배계수

제시값

고속국도

일반국도

지방도

0.5~0.55

고속국도

4 0.35～0.45

3 0.45～0.55

2 0.70～0.90

일반국도,

지방도

4 0.35～0.45

3 0.60～0.70

2 0.80～0.90

 

<표 3.1> 방향 및 차로 분배 계수 범위 값

 

(4) 시간별 교통량 변동률

    시간별 교통량 변동률은 일일 교통량을 100으로 보았을 때, 각 시간대별로의 비율을

    나타낸다. 시간대별 교통량은 앞 절에서 계산된 차종별 연평균일교통량에 시간별 교통

    량 변동계수를 곱해서 계산한다. 이 값의 결정은 장시간의 교통량 조사를 통하여 얻을

    수 있는 것으로 설계등급 1에서는 교통량통계연보 내 상시조사구간의 지점 교통량 자

    료(최소 1년 이상 자료)를 이용하여 결정한다.

    이렇게 결정된 시간별 교통량 변동률을 일일 차종별 교통량에 적용하면 24시간대 별

    로 나누어 교통량을 산출할 수 있다.

 

(5) 월별 교통량 변동률

    월별 교통량 변동률은 각 월별로 월평균교통량을 연평균교통량으로 나눈 값을 의미

    한다. 이 값의 결정은 장시간의 교통량 조사를 통하여 얻을 수 있는 것으로 설계등급

    1에서는 교통량통계연보 내 상시조사구간의 지점 교통량 자료(최소 1년 이상 자료)를

    이용하여 결정한다.

    이렇게 결정된 월별교통량변동률을 일일차종별교통량에 적용하게 되면 월별 변동이

    고려된 일일차종별교통량으로 나누어 산출할 수 있다.

 

(6) 차종별 축하중 분포에 따른 교통량 산정

    축하중 분포란 전체 도로 주행 차량의 축하중

    (차종, 축종류 별)을 하중등급에 따라교통량으로 비율화한 것이다.

 

<그림 3.2> 차종별 단축(Single Axle) 축하중 분포의 예

 

앞에서 얻어진 월별에 따른 시간대별 차종 교통량에 축하중 분포를 적용하면 하중

등급별로 교통량을 산출할 수 있다. 얻어진 하중 등급별 교통량을 기초로 거동해석을

위한 손상도를 계산하게 된다. 하중 등급별 교통량 산출에 사용되는 축하중 분포는 본

요령 내 <부록 1>의 “도로 등급별(고속국도, 일반국도, 지방도) 축하중 분포”로 제시하

고 있다. 제시된 축하중 분포는 국내 도로 등급별 평균값으로 일반 설계 시 사용한다.

이와는 별도로, 설계지역의 교통하중 분포 특성을 반영하고자 할 때에는 실제 운행

하중을 측정하여 축하중 분포를 이용할 수 있다. 이러한 설계를 위한 축하중 조사는

확장구간 설계일 경우에는 확장구간 내 도로 지점에서 조사하며, 신설 구간 설계일 경

우에는 설계자 판단 하에 교통하중 조건이 비슷한 인접 도로 지점으로 조사한다.

 

빈 도

축하중(ton)

 

(7) 교통량 증가 추정 방법

    본 요령에서는 설계기간 동안 매년 연평균일교통량(AADT)의 증가를 추정하기 위한

    방법으로 <표 3.2>와 같이 일반적인 4가지 교통량 증가 추정 방법을 제시하고 있다.

    도로포장 구조 설계 시 이러한 4가지의 교통량 증가 추정 방법에 대한 적용은 설계자

    가 최초 도로계획 시 도로 용량 계산을 위해 추정한 방법을 그대로 적용하며, 특별히

    포장 구조 설계를 위한 별도의 교통량 증가 추정 방법은 없다.

    교통량 추정 방법 계산식

    증가율 미적용 'a' 년 후의 교통량 = 1.0 × 기준년도 교통량

    선형 증가율 적용 'a' 년 후의 교통량 = (1+증가율 × a ) × 기준년도 교통량

    비선형 증가율 적용 'a' 년 후의 교통량 = (1+증가율)a × 기준년도 교통량

    5년 추정교통량 적용 기준년도에서 5년 주기의 추정 교통량을 사용자가 입력한 후

    보간법을 사용하여 연도별 추정

 

<표 3.2> 시간에 따른 교통량 추정 방법

 

(8) 포장 구조 설계 시 하중 등급별 교통량 산출 예

 

절차 1. 차종별 교통량 산출

- 연평균일교통량(AADT) : 50,000대

- 설계 인접지역 또는 비슷한 도로 특성 구간의 차종별 구성 비율

  구분 1종 2종 3종 4종 5종 6종 7종 8종 9종 10종 11종 12종 합계

  구차성비종율 63.04 3.88 12.22 10.23 3.03 1.89 1.68 0.65 0.11 2.54 0.13 0.6 100

  교산통출량 31,520 1,940 6,110 5,115 1,515 945 840 325 55 1,270 65 300 50,000

 

절차 2. 설계 차로의 차종 교통량 환산

- 방향분배계수 : 0.55

- 차로분배계수 : 0.8 (편도 2차로 가정)

  2종 교통량 계산 : 1,940× 0.55 × 0.8 = 854대(소숫점이하 올림)

  구분 1종 2종 3종 4종 5종 6종 7종 8종 9종 10종 11종 12종 합계

  교산통출량 13,869 854 2,688 2,251 667 416 370 143 24 559 29 132 22,000

 

절차 3. 시간대별 교통량 산정

- 절차 2에서 얻어지는 2종 일일평균교통량 : 854대

- 월별교통량변동률

  1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

  0.91 0.88 0.99 1.03 1.02 0.99 0.92 1.01 1.08 1.1 1.08 0.99

  - 각 시간별교통량변동률(1월 기간대별 교통량 산출)

    13:00~14:00 시간대 2종 교통량 산출 : 854 × 0.91 × 7.06/100 = 55대

    시간대 2차로 산출교통량 시간대 2차로 산출교통량

    00:00~01:00 0.87 7 12:00~13:00 6.51 51

    01:00~02:00 0.57 4 13:00~14:00 7.06 55

    02:00~03:00 0.41 3 14:00~15:00 7.47 58

    03:00~04:00 0.36 3 15:00~16:00 7.57 59

    04:00~05:00 0.47 4 16:00~17:00 7.53 58

    05:00~06:00 0.91 7 17:00~18:00 7.42 58

    06:00~07:00 2.32 18 18:00~19:00 7.11 55

    07:00~08:00 4.13 32 19:00~20:00 5.07 39

    08:00~09:00 5.66 44 20:00~21:00 3.64 28

    09:00~10:00 5.65 44 21:00~22:00 2.82 22

    10:00~11:00 6.42 50 22:00~23:00 2.01 16

    11:00~12:00 6.67 52 23:00~24:00 1.34 10

 

합계 777

 

 

 

절차 4. 각 하중분포별 교통량 산출

    절차 3에서 얻은 13:00~14:00 시간대 2종 교통량 55대 중 아래와 같은 축하중 분

    포를 적용하여 하중 등급별 교통량 산출

    하중(톤) 축하2중종 분앞포축비율 하교중통별량

 

0.25 0 -

0.75 0 -

1.25 4 2

1.75 12 7

2.25 4 2

2.75 8 4

3.25 12 7

3.75 32 18

4.25 12 7

4.75 4 2

5.25 4 2

5.75 4 2

6.25 4 2

6.75 0 -

 

합계 100 55

 

 

 

절차 5. 교통량 증가율 계산

- 매년 5%씩 선형 교통량 증가시 공용 2년차 연평균일교통량(AADT) 계산

- 초기년도 연평균일교통량(AADT) : 50,000대

- 2년 공용후 증가 교통량 : 50,000+50,000×0.05 = 52,500대

- 절차 1~4 과정을 거쳐 2년차 하중등급별 차종 교통량 계산 반복

 

 

3.2.2 환경특성

(1) 환경특성은 설계등급에 관계없이 동일하게 적용한다.

(2) 환경특성은 아스팔트 콘크리트 포장층 내부온도와 보조기층 및 노상 함수량

    그리고 동결지수를 포함한다.

(3)  아스팔트 콘크리트 포장층 내부온도는 대기온도를 기초로 하여 도로포장 구조

     설계의 온도예측모형을 통해 깊이별 분포 형태로 결정한다.

(4) 보조기층 및 노상 함수량은 월평균 대기온도, 월평균누적강수량 및 노상 재료

     의 입도특성을 이용하여 도로포장 구조 설계의 함수비 예측모형을 통해 결정

     한다.

(5) 환경특성을 결정하기 위한 대기온도 및 강수량 자료는 도로포장 구조 설계 해

    석 프로그램에 저장되어 있는 기상관측소 기상자료 데이터베이스를 이용하여

    가장 인접한 1개 기상관측소 자료 또는 인접한 3개 기상관측소의 평균값을 사용

    한다.

 

【해 설】

환경특성을 결정하기 위한 대기온도 및 강수량 자료는 도로포장 구조 설계에 저장되

어 있는 기상관측소 중 설계구간에 가장 인접한 1개 기상관측소 또는 인접한 3개 기상

관측소의 평균값을 사용한다.

아스팔트 콘크리트 포장층 내부온도, 보조기층 및 노상 함수량은 기상관측소 자료를

이용하여 도로포장 구조 설계 해석 프로그램의 온도예측모형 및 함수비예측모형을 통

해 자동으로 결정된다.

동결지수는 각 기상관측소에서 제시한 대기온도 값을 사용하여 도로포장 구조 설계

해석 프로그램에 의해 자동 계산된다.

 

 

 

3.2.3 하부구조(입상) 재료물성

(1) 포장 하부구조(노상, 보조기층 및 쇄석기층)의 재료물성은 탄성계수와 포아송

    비로 한다.

(2) 설계등급 1에서는 하부구조 재료의 탄성계수를 반복삼축압축시험을 수행하여

    구한다. 반복삼축압축시험에 대한 자세한 시험절차는 <부록 3>의 “포장 하부

    구조 재료의 설계입력변수 평가 시험법”을 참조한다.

(3) 하부구조 재료의 품질기준은 국토교통부의「도로공사표준시방서」를 따른다.

(4) 도로포장 구조 설계에서는 동상방지층의 두께를 노상 동결관입 허용법을 사용

    하여 결정하며, 성토고가 노상 최종면을 기준으로 2m 이상인 성토구간에서는

    노상토의 품질기준 중 #200체 통과량이 25% 이하이고 소성지수가 10 이하

    인 경우 동상방지층을 생략할 수 있다. 다만 이외 적용대상 구분은 다음 해설

    을 따른다.

(5) 설계등급 1에서 사용하는 포아송비는 본 요령에서 제시한 대표값을 선택하여

    사용한다.

 

【해 설】

가. 하부구조 재료의 품질요건

① 하부구조(노상, 보조기층 및 쇄석기층) 재료의 품질에 대한 요구조건은 국토교

   통부의「도로공사표준시방서」를 따른다.

② 입상 보조기층 및 쇄석기층 재료는 GP 또는 GW로 분류되고, 비소성(NP)이며,

    #200체 통과량이 10% 미만인 재료를 사용한다.

 

나. 쇄석기층(입도조정기층)

① 쇄석기층을 아스팔트 콘크리트 포장 층 밑에 시공하는 경우, 교통량에 따라서

    <표 3.3>에 표시한 아스팔트 층의 최소두께를 확보해야 한다.

② 쇄석기층의 품질기준은 국토교통부의「도로공사표준시방서」를 따른다. 대표적

    인 쇄석기층재료의 입도분포는 <그림 3.3>과 같다

 

(2종+5～12종) 아스팔트 층의 최소두께 (cm)

250대 미만 5

250 ～ 1,000대 10

1,000 ～ 3,000대 15

3,000대 이상 20

 

<표 3.3> 쇄석기층 상부의 아스팔트 표층 최소 두께

 

<그림 3.3> 쇄석기층 입도분포

 

③ 설계입력변수 결정을 위한 경험모형 구성모델은

   <식 3.2>와 같은 체적응력모

   델을 적용한다.

        ∙  <식 3.2>

   여기서, E = 탄성계수 (MPa)

   θ = 체적응력( = σ1 + σ2 + σ3 ) (kPa)

   k1, k2 = 구성모델의 모델계수

   통   과중량백분율(%)

   log(입자크기), mm

   51

 

 

④ 쇄석기층 재료의 탄성계수 결정을 위한 모델계수(k1, k2) 산정 방법의 순서는

   <부록 3>에 명시하였으므로 이를 참조한다.

⑤ 국내 시료에 대한 실험결과의 일반적인 모델계수와 탄성계수의 범위는

    <표 3.4> 와 <그림 3.4>와 같다.

 

구분 범위

탄성계수 (MPa) 100 ≦ E ≦ 600

k1 계수 80 ≦ k1 ≦ 270

k2 계수 0.1 ≦ k2 ≦ 0.6

<표 3.4> 쇄석기층 재료의 탄성계수, k1 계수, k2 계수의 범위

탄성계수(

MPa)

체적응력(kPa)

 

<그림 3.4> 쇄석기층의 일반적인 탄성계수

 

다. 보조기층 재료의 탄성계수

 

① 보조기층 재료의 탄성계수는 구속응력(체적응력), 축차응력, 변형률 크기, 건조

    단위중량 변화 등의 영향을 받으며 이중 탄성계수에 미치는 영향이 큰 체적응

    력 만을 보조기층 재료의 탄성계수 결정모델 영향계수로 간주한다.

 

② 보조기층 재료의 체적응력에 따른 결정모델은 <식 3.3>과 같다. <식 3.3>에

    서 모델계수 k1, k2는 실내실험을 수행한 결과를 바탕으로 회귀분석을 통해 구한다.

 

     ∙  <식 3.3>

여기서,

E = 탄성계수 (MPa)

θ = 체적응력( = σ1 + σ2 + σ3 ) (kPa)

k1, k2 = 모델계수

 

③ 보조기층 재료의 탄성계수 결정을 위한 모델계수(k1, k2) 산정 방법의 순서는

    <부록 3>에 명시하였으므로 이를 참조한다.

 

 

라. 노상 재료의 탄성계수

 

① 국내 노상토의 탄성계수는 특성상 축차응력 뿐 아니라 구속응력의 영향을 많이

    받는다.

② 노상토의 탄성계수 결정모델은 응력조건(축차응력 및 체적응력)과 함수비의 영

   향을 고려할 수 있도록 <식 3.4>와 같이 제시한다.

 

     

    <식 3.4>

 

여기서,

 

  = 최적함수비 조건에서의 탄성계수 (MPa)

θ = 체적응력( = σ1 + σ2 + σ3 ) (kPa)

σd = 축차응력( = σ1 - σ3 ) (kPa)

k1, k2, k3, kw = 모델계수

wopt = 최적함수비 (%)

w = 함수비 (%)

 

 

③ 함수비의 영향과 관련된 모델계수 kw는 노상토의 특성에 따라

    아래의 값을 사용한다.

 

kw = -0.1417 (조립질 노상토)

-0.0574 (세립질 노상토)

 

④ 모델계수 k1, k2, k3은 반복삼축압축 실내실험 결과<부록 3>을 바탕으로 회귀

    분석을 통해 구한다. 시험방법의 자세한 내용은 <부록 3>을 참조한다.

 

마. 하부구조 포아송비

 

① 포아송비는 탄성계수와 더불어 포장 구조해석의 기본 입력물성값이다. 그러나

    하부구조 구성 재료의 포아송비는 포장 거동 특성에 탄성계수만큼 구조적으로

    영향을 주지 않을 뿐 아니라 실험적으로 결정하기가 매우 어렵다. 따라서 하부

    구조 구성 재료의 포아송비는 설계등급 1 및 설계등급 2에서 <표 3.5>에 제

    시한 대표값을 선택하여 사용한다.

 

② 하부구조 구성 재료의 포아송비 결정을 위하여 별도의 시험을 시행하지 않는다.

    구분 재료특성 포아송비 범위 대표 포아송비

 

노상토

모래질 점토 0.2 - 0.3 0.25

실트 0.3 - 0.35 0.33

조밀한 모래 0.2 - 0.4 0.3

조립 모래 0.15 0.15

세립 모래 0.25 0.25

입상 보조기층 재료 조립 사질토 또는

입상재료 0.15 0.15

 

<표 3.5> 포장 거동에 적용하는 노상토 및 입상 보조기층 재료의 포아송비

 

 

바. 동상방지층의 생략 기준

 

① 성토고 2m 이상일 경우 동상방지층을 생략할 수 있다. 단, 성토고 2m의 기준

    은 상당히 안전측으로 결정되어진 것이나 성토고 2m 이하의 구간이 불연속적

    으로 이어질 경우에는 아래와 같이 구분하여 적용한다.

 

 일반적으로 성토고가 2m 이상인 구간이 50m 이상 이어질 경우 동상방지층

   을 생략한다.

 성토고 2m 이상이 많고 부분적으로 성토고 2m 미만 구간이 존재하는 경우,

    2m 미만 구간의 연장이 30m 미만일 경우에는 동상방지층을 생략한다.

 성토고 2m 이상 구간의 연장이 30m 미만으로 존재하는 경우에는 동상방지

    층을 설치한다.

 성토고 2m 미만인 구간과 성토고 2m 이상 구간이 계속적으로 반복되며 각

    각의 연장이 30m 미만일 경우에는 동상방지층을 설치한다.

 

② 위에 해당되지 않는 구간은 「국도건설공사설계실무요령」또는 「도로설계편람」

    등에서 정한 노상 동결관입 허용법에 따라 설계방법대로 동상방지층을 설치한다.

 

③ 통로박스와 수로박스 등 구조물이 설치된 구간에서 토피고는 성토고와 의미가

    다르며, 박스 구조물 내부의 한기로 인하여 구조물 상단에서 동상이 발생할 수

     있는 점을 감안하여 별도로 대책을 수립한다.

 

④ 동상방지층 생략 시 노상지지력 계수 보정에 따른 변화를 감안하여 보조기층

    두께 별로 검토가 필요하다.

⑤ 연속된 구간이나 단계시공 혹은 구간 발주로 인해 성토고의 높이가 기준에 미

    흡할 경우 전체 구간을 기준으로 동상방지층의 설치 유무를 결정해야 한다.

 

3.2.4 아스팔트 혼합물 재료물성

 

(1) 아스팔트 혼합물의 재료물성으로 동탄성계수와 포아송비를 적용한다.

(2) 설계등급 1의 동탄성계수는 실내실험을 통하여 결정하는 것을 원칙으로 한다.

    실내실험 방법은 <부록 6>의 “아스팔트 혼합물의 동탄성계수 표준시험법”을

    이용한다. 사용하고자 하는 아스팔트 혼합물 종류가 본 요령에서 제시한 아스

    팔트 혼합물의 종류와 동일할 경우 제안된 매개변수 표를 사용하여 동탄성계

    수를 결정할 수 있다.

(3) 포아송비는 본 요령에서 제안하는 값들을 적용한다.

 

【해 설】

아스팔트 혼합물의 재료물성으로 동탄성계수와 포아송비를 사용한다.

설계등급 1에서는 상황에 따라 설계 입력변수 결정방법을 두 가지로 나눌 수 있다.

기본적으로 “아스팔트 혼합물의 동탄성계수 측정을 위한 표준시험법(부록 6 참조)”을

이용하여 아스팔트 혼합물의 동탄성계수 시험을 진행하여 결과 분석 후, 마스터곡선

매개변수를 도출하여 설계 해석 프로그램에 입력한다.

사용하고자 하는 아스팔트 혼합물이 본 요령 「2.5 절 (3)항과 (4)항에 제시된 아스

팔트 혼합물인 경우 동탄성계수 매개변수가 설계 해석 프로그램 내에 존재함으로 별도

의 시험을 수행하지 않고 설계 해석 프로그램에서 동탄성계수 산정을 자동으로 수행할

수 있다.

아스팔트 혼합물의 포아송비는 일반적으로 온도에 따라 0.15에서 0.5의 다양한 값을

보인다. 포장 구조해석 시 포아송비는 동탄성계수와 함께 아스팔트 혼합물의 주요 물

성값이지만, 구조해석 결과에 미치는 영향은 미미하다. 따라서 도로포장 구조 설계 해

석 프로그램 내에 있는 값을 그대로 적용한다.

 

 

(1) 고속국도(AADT 150,000대 미만), 일반국도(AADT 7,000대 이상 35,000대

    미만), 및 지방도/기타도로(AADT 7,000대 이상)에 적용된다. 여기서 기타도

    로라 함은 도로법에 명시된 특별시도, 광역시도, 시도, 군도 및 구도를 의미한다.

(2) 교통량은 본 요령에서 제시한 값을 이용하여 차종별 축하중 분포를 결정한다.

(3) 하부구조 및 아스팔트 콘크리트 혼합물 재료 물성은 간단한 실내실험을 통해

    재료의 기본적인 물성을 구하고, 이 값들을 설계 프로그램에 입력하여 설계

    해석 프로그램에 포함되어 있는 예측식으로부터 결정한다.

 

3.3.1 교통량

(1) 본 설계에서는 교통량 산정을 위하여 차종별 축하중 분포를 이용한다.

(2) 차종별 축하중 분포별 교통량을 결정하기 위한 입력값의 종류는 본 요령「아

    스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.1에 (3)항」과 동일하다.

(3) 초기년도 연평균일교통량 및 차종별비율은 인접지역 교통량 통계자료를 사용한다.

(4) 방향분배계수 및 차로분배계수는 국내 평균값을 사용한다.

(5) 차종별축하중, 차량속도, 시간별교통량변동률 및 월별교통량 변동률는 도로

    등급별로 본 요령에서 제시한 값을 적용한다.

(6) 교통량증가율은 장래교통량 예측 증가율이나 각 년도별 예측값을 사용할 수

    있다. 또한 본 요령에서 제안하는 교통량 증가계수를 이용할 수도 있다.

(4) 원더링분포, 축간격 및 타이어간격, 타이어압력은 설계등급과 관계없이 본 요

    령에서 제시한 값을 사용한다.

 

【해 설】

설계등급 2에서의 교통량 산정은 설계등급 1에서 제시한 산정 절차와 동일하며, 차종별

축하중분포별교통량을 결정하기 위한 입력값 결정시 본 요령에서 제시한 값을 이용한다.

 

(1) 연평균일교통량(AADT)

- 설계등급 1과 동일하게 산정한다.

(2) 차종별 구성비율

- 설계등급 1과 동일하게 산정한다.

(3) 차종별 설계차로 교통량

    설계등급 2에서의 차종별 설계차로교통량 산정 절차는 설계등급 1과 같으며,

    본 요령에서 다음과 같이 제시된 값을 이용하여 산출한다.

 

구분 방향 분배계수

제시값 구분 편도 차로수 차로 분배계수

제시값

고속국도

일반국도

지방도

0.55

고속국도

4 0.45

3 0.55

2 0.90

일반국도,

지방도

4 0.45

3 0.70

2 0.90

 

<표 3.6> 방향 및 차로 분배 계수

 

(4) 시간별 교통량 변동률

    설계등급 1과 동일한 절차에 의해서 시간별 교통량을 산출하나, 인접지역 교통량 조사를

    통한 시간별 교통량 변동률을 구하지 않고 지역 구분 및 차로 구분에 따라 다음

    의 표와 같은 변동률을 적용한다.

 

시간대

시간별 교통량

변동 계수 시간대

시간별 교통량

변동 계수

2차로 4차로이상 2차로 4차로이상

00:00 ~ 01:00 1.12 1.43 12:00 ~ 13:00 6.12 5.27

01:00 ~ 02:00 0.75 0.94 13:00 ~ 14:00 6.55 5.69

02:00 ~ 03:00 0.58 0.69 14:00 ~ 15:00 7.02 6.00

03:00 ~ 04:00 0.53 0.58 15:00 ~ 16:00 7.29 6.09

04:00 ~ 05:00 0.70 0.65 16:00 ~ 17:00 7.43 6.20

05:00 ~ 06:00 1.25 1.18 17:00 ~ 18:00 7.48 6.80

06:00 ~ 07:00 2.53 2.92 18:00 ~ 19:00 7.13 7.09

07:00 ~ 08:00 4.14 5.84 19:00 ~ 20:00 5.49 5.89

08:00 ~ 09:00 5.13 6.49 20:00 ~ 21:00 4.14 4.73

09:00 ~ 10:00 5.12 5.36 21:00 ~ 22:00 3.30 3.97

10:00 ~ 11:00 5.90 5.55 22:00 ~ 23:00 2.40 3.04

11:00 ~ 12:00 6.24 5.50 23:00 ~ 24:00 1.65 2.10

 

<표 3.7> 도시지역의 시간별 교통량 변동률

 

시간대

시간별 교통량

변동 계수 시간대

시간별 교통량

변동 계수

2차로 4차로이상 2차로 4차로이상

00:00 ~ 01:00 0.87 1.11 12:00 ~ 13:00 6.51 6.03

01:00 ~ 02:00 0.57 0.74 13:00 ~ 14:00 7.06 6.46

02:00 ~ 03:00 0.41 0.56 14:00 ~ 15:00 7.47 6.86

03:00 ~ 04:00 0.36 0.5 15:00 ~ 16:00 7.57 6.99

04:00 ~ 05:00 0.47 0.62 16:00 ~ 17:00 7.53 7.02

05:00 ~ 06:00 0.91 1.17 17:00 ~ 18:00 7.42 7.18

06:00 ~ 07:00 2.32 2.59 18:00 ~ 19:00 7.11 7.08

07:00 ~ 08:00 4.13 4.55 19:00 ~ 20:00 5.07 5.44

08:00 ~ 09:00 5.66 5.67 20:00 ~ 21:00 3.64 4.15

09:00 ~ 10:00 5.65 5.44 21:00 ~ 22:00 2.82 3.32

10:00 ~ 11:00 6.42 6.12 22:00 ~ 23:00 2.01 2.43

11:00 ~ 12:00 6.67 6.3 23:00 ~ 24:00 1.34 1.67

 

<표 3.8> 지방지역의 시간별 교통량 변동률

 

(5) 월별 교통량 변동률

    설계등급 1과 동일한 절차에 의해서 월별교통량을 산출하나, 인접지역 교통량 조사

    를 통한 월별 교통량 변동률을 구하지 않고 지역 구분 및 차로 구분에 따라 다음의 표

    와 같은 변동률을 적용한다.

 

구분 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

도시

2차로 0.91 0.88 0.99 1.03 1.02 0.99 0.92 1.01 1.08 1.10 1.08 0.99

4차로

이상 0.92 0.93 0.99 1.02 1.03 1.01 0.93 1.01 1.06 1.03 1.07 1.00

지방

2차로 0.94 0.85 0.95 1.03 1.03 0.98 0.96 1.11 1.03 1.12 1.03 0.97

4차로

이상 0.92 0.85 0.92 1.00 1.02 0.99 0.97 1.16 1.05 1.12 1.03 0.97

평균값 0.92 0.88 0.96 1.02 1.03 0.99 0.95 1.07 1.06 1.09 1.05 0.98

 

<표 3.9> 월별 교통량 변동계수

 

(6) 차종별 축하중 분포에 따른 교통량 산정

- 설계등급 1과 동일하게 산정한다.

 

(7) 장래 교통량 추정

- 설계등급 1과 동일하게 산정한다.

 

 

3.3.2 환경특성

 

본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.2」와 동일하게 적용한다.

 

(1) 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.3에 (1)항」과 동일하게 적

    용한다.

 

(2) 설계등급 2에서는 하부구조 재료의 탄성계수를 기본 물성시험과 설계 해석 프

    로그램에 포함되어 있는 상관모형을 통해 결정한다.

 

(3) 하부구조 재료의 품질기준은 국토교통부의「도로공사표준시방서」를 따른다.

 

(4) 동상방지층에 대한 물성기준은 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의

    3.2.3에 (4)항」과 동일하게 적용한다.

 

(5) 설계등급 2에서 사용하는 포아송비는 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조

    설계의 3.2.3에 (5)항」과 동일하게 적용한다.

 

【해 설】

가. 하부구조 재료의 품질요건

① 하부 구조 재료의 품질에 대한 요구조건은 국토교통부의「도로공사표준시방

    서」를 따른다.

② 입상 보조기층 및 쇄석기층 재료는 GP 또는 GW로 분류되고, 비소성(NP)이며,

    #200체 통과량이 10% 미만인 재료를 사용한다.

 

나. 쇄석기층(입도조정기층)

① 입도조정기층을 아스팔트 콘크리트 포장 층 밑에 시공하는 경우, 3.2.3(2)와 같

    이 교통량에 따라서 <표 3.3>에 표시한 최소두께를 확보해야 한다.

② 설계등급 2의 경우에는 경험모형을 적용하여 설계입력변수를 결정하며, 경험모

    형 결정을 위하여 체가름시험 및 다짐시험(D Type 또는 E Type)을 수행한다.

    쇄석기층의 입도분포는 다음 <그림 3.5>와 같다.

 

<그림 3.5> 쇄석기층 입도분포

 

다. 설계입력변수 결정을 위한 경험모형 구성모델은 <식 3.5>와 같은 체적응력모델

    을 적용한다.

 

     ∙  <식 3.5>

여기서,  = 탄성계수 (MPa)

θ = 체적응력( = σ1 + σ2 + σ3 ) (kPa)

k1, k2 = 구성모델의 모델계수

설계입력변수 결정을 위한 경험모형 구성모델계수는 <식 3.6> 및 <식 3.7>을 적용

하여 결정하며, 국내 15개 시료에 대한 실험결과의 일반적인 모델계수와 탄성계수의

범위는 <표 3.10> 와 <그림 3.4>와 같다.

 

                    

                   

<식 3.6>

 

                

              

<식 3.7>

 

통과중량백분율(%)

log(입자크기), mm

 

여기서, MDEN = 최대건조단위중량 (t/m3)

OMC = 최적함수비 (%)

CC = 곡률계수

CU = 균등계수

P4 = #4체 통과률 (%)

P200 = #200체 통과률 (%)

D50 = 50% 통과률에 해당하는 입경 (mm)

D95 = 95% 통과률에 해당하는 입경 (mm)

구분 범위

탄성계수 (MPa) 100 ≦ E ≦ 600

k1 계수 80 ≦ k1 ≦ 270

k2 계수 0.1 ≦ k2 ≦ 0.6

 

<표 3.10> 쇄석기층 재료의 탄성계수, k1 계수, k2 계수의 범위

 

<그림 3.6> 쇄석기층의 일반적인 탄성계수

 

라. 보조기층 재료의 탄성계수

① 설계등급 2에서는 보조기층 재료의 탄성계수 결정모델의 모델계수 k1, k2를 경

    험적 상관모형으로부터 결정한다.

② 경험적 상관모형은 <부록 3>에 수록하였으며, 경험적 상관모형을 적용하기 위

    해서는 다짐시험에서 결정되는 최대건조단위중량, 입도분석시험으로부터 결정

    되는 균등계수(Cu) 및 #4 체 통과량을 산정하여 입력한다.

 

마. 노상토 재료의 탄성계수 결정모델

① 설계등급 2에서는 탄성계수 결정모델의 모델계수 k1, k2, k3를 경험적 상관모형

    으로부터 결정한다.

② 상관모형은 <부록 3>에 수록하였으며, 상관모형을 적용하기 위해서는 다짐시

    험에서 결정되는 최대건조단위중량과 최적함수비, 입도분석시험으로부터 결정

    되는 균등계수(Cu) 및 #200 체 통과량을 산정하여 입력한다.

 

바. 품질기준과 경험모형의 적용 제한

    일반적으로 사용되는 노상토 및 입상보조기층 재료의 품질기준 범위 내에는 들어오지

    만, 입상재료가 아래의 경우에 해당하는 경우에는 상관모형의 적용에 신중을 기해야 한다. 

① 기초 물성이 상관모형의 예상 적용범위를 벗어나는 경우 (최소 및 최대값의 범

    위를 벗어남)

② 재료특성의 조합이 매우 특이하여 상관모형을 적용하면 오류가 발생하는 경우

    ①또는 ②에 해당하여 상관모형을 적용하기 힘든 경우에는 실험에 의하여 설계입력변

    수를 결정하는 것이 바람직하다.

 

사. 하부구조 재료의 포아송비

① 포아송비는 탄성계수와 더불어 포장 구조해석의 기본 입력물성값이다. 그러나

    하부구조 구성 재료의 포아송비는 포장 거동 특성에 탄성계수 만큼의 구조적으

    로 심각한 영향을 주지 않을 뿐 아니라 실험적으로 결정하기가 매우 어렵다.

    따라서 하부구조 구성 재료의 포아송비는 모든 설계등급(등급 1 및 등급 2)에

    서 <표 3.11>에 제시한 대표값을 선택하여 사용한다.

② 하부구조 구성 재료의 포아송비 결정을 위하여 별도의 시험을 시행하지 않는다.

 

구분 재료특성 포아송비 범위 대표 포아송비

노상토

모래질 점토 0.2 - 0.3 0.25

실트 0.3 - 0.35 0.33

조밀한 모래 0.2 - 0.4 0.3

조립 모래 0.15 0.15

세립 모래 0.25 0.25

입상 보조기층 재료 조립 사질토 또는

입상재료 0.15 0.15

 

<표 3.11> 포장 거동에 적용하는 노상토 및 입상 보조기층 재료의 포아송비

 

 

3.3.4 아스팔트 혼합물 재료물성

 

(1) 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.2.4에 (1)항」과 동일하게 적

    용한다.

 

(2) 설계등급 2에서 아스팔트 혼합물의 동탄성계수는 골재입도 종류 및 아스팔트

    바인더의 종류에 따라 설계 해석 프로그램에 입력되어 결정된다.

 

(3) 설계등급 2에서 포아송비는 0.35를 대표값으로 사용한다.

 

(4) 여기에서 정의되지 않은 새로운 아스팔트 혼합물은 기존 아스팔트 공용성 등

    급과 아스팔트 혼합물의 표준 배합설계를 비교해서 입도 및 최대입경과 유사

    하면 설계등급 1에 해당하는 시험만 수행하고 현 설계 해석 프로그램에 도입

    한다.

 

(5) 여기에서 정의되지 않는 새로운 아스팔트 혼합물은 기존 아스팔트 공용성 등

    급과 아스팔트 혼합물의 표준 배합설계를 비교해서 입도 및 최대입경과 상이

    하면 설계등급 1에 해당하는 시험을 수행할 뿐만 아니라, 모형 제안 보고서를

    제출, 설계를 운영하는 기관의 검증을 통해 설계 해석 프로그램에 모형추가

    작업을 거쳐서 도입한다.

 

【해 설】

설계등급 2에서는 동탄성계수 시험을 실시하지 않고 아스팔트 혼합물의 골재입도 종

류 및 아스팔트 종류에 따라 도로포장 구조 설계에 의해 구축된 예측방정식으로부터

동탄성계수를 결정한다. 포장 구조해석 시 포아송비는 설계등급 2에서는 0.35를 대표

값으로 사용한다.

 

설계등급 2를 이용하여 아스팔트 혼합물의 동탄성계수 예측에 필요한 입력변수는 다

음과 같다.

 

(1) 골재입도 종류

    동탄성계수 예측식에 사용하는 골재입도 종류는 다음의 표와 같다. 표층용 아스팔트

    혼합물의 골재입도 종류는 밀입도 13mm, 밀입도 19mm, SMA 13mm이며, 기층용 아

    스팔트 혼합물의 골재입도 종류는 40mm, 25mm를 기본 골재입도 종류로 사용한다.

 

혼합물의

종류

체의

호칭치수

표층용 기층용

WC-1

(밀입도 13mm)

WC-3

(밀입도

19mm)

SMA

(13mm)

BB-1

(40mm)

BB-3

(25mm)

통과질량백분율

(%)

50㎜

40㎜

30㎜

25㎜

20㎜

13㎜

10㎜

5㎜

2.5㎜

0.60㎜

0.30㎜

0.15㎜

0.08㎜

----

100

90~100

76~90

44~74

28~58

11~32

5~21

3~15

2~10

--- 100

90~100

72~90

56~80

35~65

23~49

10~28

5~19

3~13

2~8

----

100

93~90

40~55

16~30

12~23

10~18

8~15

7~14

7~12

100

95~100

80~100

70~100

55~90

40~80

30~70

17~55

10~42

5~28

3~22

2~16

1~10

--

100

90~100

71~90

56~80

45~72

29~59

19~45

7~25

5~17

3~12

1~7

 

<표 3.12> 아스팔트 혼합물의 기본 골재입도 종류

 

【주1】 여기에서 체는 각각 KS A 5101에 규정한 표준망체 53㎜, 37.5㎜, 31.5㎜, 26.5㎜,

        19㎜, 13.2㎜, 9.5㎜, 4.75㎜, 2.36㎜, 0.6㎜, 0.3㎜, 0.15㎜, 0.075㎜에 해

        당한다.

 

(2) 아스팔트 종류

    본 요령에서는 아스팔트의 공용성 등급(PG, Performance Grade) PG 58-22, PG

    64-22, PG 76-22를 아스팔트로 사용한다.

 

(3) 새로운 아스팔트 혼합물 도입절차

    새로운 아스팔트 혼합물을 도로포장 구조 설계에 도입하기 위해서는 우선

① 기존 도로포장 구조 설계에서 도입한 아스팔트 공용성 등급과 표준 배합설계와

    의 유사성을 살펴본다.

② 아스팔트 공용성등급과 표준 배합설계와 유사하면 설계등급 1에 해당하는 시험

    을 실시하고 그에 맞추어 입력변수값을 정한 후 도로포장 구조 설계에 도입한다.

③ 아스팔트 공용성 등급 또는 표준 배합설계와 상이하면 설계등급 1에 해당하는

   시험뿐만 아니라 피로손상 모형, 영구변형 모형, IRI 모형 등을 제안하고 보고

   서를 작성해 포장 구조 설계 유지관리 기관에서 승인받는 절차를 거쳐 승인을

   받은 새로운 포장 재료의 모형을 설계 해석 프로그램에 추가하는 작업을 거친

   후 도입한다.

 

<그림 3.7>은 새로운 아스팔트 혼합물의 도입 절차를 나타낸 것이다.

 

<그림 3.7> 새로운 아스팔트 혼합물의 도입 절차

 

(4) 아스팔트 공용성 등급 및 표준 배합설계와 유사한 아스팔트 혼합물

    도로포장 구조 설계에서 새로운 아스팔트 혼합물의 도입을 결정할 때 가장 중요한

    것은 아스팔트 공용성 등급과 표준 배합설계이다. 이 중에서 표준 배합설계와 유사한

    배합설계인지 확인하기 위해 최대입경 및 체 크기별 골재 통과질량백분율을 나타내는

    합성입도를 사용한다. 새로운 아스팔트 혼합물이 표준 배합설계 종류 중의 하나와 <표

    3.13>과 <표 3.14>의 오차범위 내에서 유사하다면 표준 배합설계와 동일한 물성범위를

    가지고 있는 것으로 한다. 표준 배합설계와 유사하면서 수퍼페이브(Superpave) 공용성

    등급시험을 통해 사용 아스팔트의 공용성 등급 중의 하나와 유사하다면, 설계등급 1에

    해당하는 아스팔트의 점도특성(온도-점도관계) 시험과 동탄성계수 시험 수행을 통해

    동탄성계수 주곡선식을 적용함으로써 도로포장 구조 설계에 도입할 수 있는 새로운 아

    스팔트 혼합물이 된다.

 

<표 3.13> 표층용 아스팔트 혼합물의 현장배합 오차범위

 

항 목 현장배합

오차범위

골재 체통과

질량 백분율

4.75 mm (No. 4) 이상

2.36 mm (No. 8)

600μm (No. 30), 300μm (No. 50), 150μm (No. 100)

75μm (No. 200)

±5%

±4%

±3%

±2%

아스팔트 함량 ±0.3%

 

<표 3.14> 기층용 아스팔트 혼합물의 현장배합 오차범위

 

항 목 현장배합

오차범위

골재 체통과

질량 백분율

4.75 mm (No. 4) 이상

2.36 mm (No. 8)

150μm (No. 100)

75μm (No. 200)

±8%

±5%

±4%

±2%

아스팔트 함량 ±0.3%

 

(5) 아스팔트 공용성등급 및 표준 배합설계와 상이한 아스팔트 혼합물

    새로운 아스팔트 혼합물이 아스팔트 공용성 등급과 표준 배합설계에서 <표 3.13>과

    <표 3.14>의 오차범위를 벗어나는 경우 골재구조 및 환경하중과 교통하중에 의한 아스

    팔트의 반응이 크게 달라질 수 있기 때문에 기존의 모형과 다른 결과를 가져올 수 있

 

다. 이러한 경우에는 설계등급 1에 해당되는 아스팔트의 점도 특성(온도-점도관계) 시

    험과 동탄성계수 시험뿐만 아니라 영구변형 및 피로파손 모형을 구하는 공용성 평가

    시험을 해야 한다. 또한 포장가속시험 및 2~3년간의 장기공용성 데이터 산출 등을 통해

    공용성 모형을 제안하는 보고서를 제출한다. 포장 구조 설계 유지관리기관에서 인증받

    은 후 도로포장 구조 설계 해석 프로그램에 모형을 추가하는 작업을 거침으로써 도로

    포장 구조 설계에 도입할 수 있는 새로운 아스팔트 혼합물이 된다.

 

4. 구조 해석

 

4.1 개 설

 

(1) 구조해석은 표층, 중간층, 기층에서의 수평방향 또는 수직방향 변형률과 보조

    기층 중앙, 노상 상단의 수직방향 변형률을 역학적으로 예측하기 위하여 수행

    되며, 예측된 수평방향 또는 수직방향 변형률은 공용성 해석의 주요 변수가 된다.

(2) 구조해석은 다층탄성이론에 기반한 구조해석 프로그램을 이용해서 얻어진 수

    평방향 또는 수직방향 변형률을 이용한다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 주요 공용성 기준인 영구변형, 균열 또는 평탄성은 포장

체 내의 수직방향 및 수평방향 변형률에 큰 영향을 받는다. 포장체 내에서의 변형률은

하중의 크기, 접지면적, 단면의 두께, 재료의 물성 및 환경조건에 의하여 결정되는데,

도로포장 구조 설계에서는 아스팔트 콘크리트 포장의 변형률을 예측하기 위하여 다층

탄성해석이 사용된다. 다층탄성해석은 특정조건에서의 변형률을 비교적 정확하게 예측

하는 것으로 알려져 있으나, 다양한 조건을 고려한 장기 거동을 해석하기에는 상당한

시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 포장의 장기 공용성이 중요한 인자가 되는 아스

팔트 콘크리트 포장의 설계에서는 다층탄성 해석 프로그램을 이용하여 구해진 수평방

향 또는 수직방향 변형률을 이용한다.

 

4.2 다층탄성 해석 프로그램

 

(1) 다층탄성 해석 프로그램은 선정된 설계대안의 재료물성과 두께에 대하여 주어

    진 교통하중 및 환경특성 조건에서 포장 내부의 응력, 변형률, 처짐량 등 포장

    의 거동을 계산하는 프로그램이다.

 

(2) 다층탄성 해석 프로그램은 포장층이 탄성, 등방, 균질하다는 가정을 전제로 한

    다.

 

(3) 다층탄성 해석 프로그램은 탄성모델의 중첩효과를 이용하여 다양한 축 종류

    및 축간 거리를 고려할 수 있다.

 

(4) 다층탄성 해석 프로그램을 이용한 아스팔트 콘크리트 포장의 구조해석 절차는

    해설을 따른다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 구조해석은 다층탄성 해석 프로그램을 이용하며, 설계 해

석 프로그램 내에서 교통하중에 따라 자동 수행되므로 도로포장 구조 설계 시에는 직

접적으로 요령을 참조하지 않아도 된다. 구조해석의 입력값에는 자동적으로 입력된 도

로포장을 구성하는 층의 두께와 물성, 교통하중(차간거리와 타이어 압력), 프로그램 내

자동설정 해석위치 등이 있다. 해석 프로그램 내 자동 설정된 포장 층 내의 해석위치

들에서 응력과 변형률이 산정된 후 최대응력과 최대변형률이 나타나는 한계점을 찾게

된다. 한계점에서의 응력과 변형률은 탄성계수 예측모형 및 공용성 모델의 입력변수로

사용된다. 한계점에서의 포장거동은 다음과 같다.

- 아스팔트 혼합물층에서의 수평 인장변형률 (아스팔트 혼합물의 피로균열)

- 아스팔트 혼합물층 및 포장 하부구조에서의 수직 압축변형률 (아스팔트 혼합물 및

  포장 하부구조의 영구변형)

 

4.2.1 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석 절차

도로포장 구조 설계에서 개발한 해석 프로그램 내 자동적으로 계산되는 다층탄성 해

석 프로그램은 탄성모델의 중첩효과를 이용하여 다양한 축 종류 및 축간 거리를 고려

할 수 있으며, 포장재료의 온도와 응력의 비선형성을 고려할 수 있다. 다층탄성 해석

프로그램을 이용한 아스팔트 콘크리트 포장 구조해석의 절차는 <그림 4.1>과 같다.

단계 1. 포장구조체의 총 층수 결정

단계 2. 층 두께 설정(표층, 중간층, 기층, 보조기층, 노상)

단계 3. 단계 2의 설정된 층으로부터 세부 분할층 결정

- 설계에서 개발한 다층탄성 해석 프로그램에서는 층 분할을 통하여 아스팔트 콘크

  리트 포장 층의 온도 비선형성, 보조기층의 응력 비선형성을 모사할 수 있다. 아

  스팔트 콘크리트 포장층의 아스팔트 혼합물은 온도에 민감하게 거동하는 재료이므

  로 해석 시 온도에 따른 탄성계수를 보다 정확히 결정하기 위하여 여러 개의 층

  으로 세분화 한다. 보조기층의 경우, 정확도에 따른 해석시간을 고려하여 최적의

  보조기층 분할 개수는 2개로 한다. 노상의 경우에는 깊이에 따른 응력의 변화가

  크지 않기 때문에 세부 층으로 분할하지 않고 단일 층으로 간주한다.

단계 4. 깊이별로 각 층의 물성인 탄성계수와 포아송비 입력(아스팔트 콘크리트 포장

         층: 동탄성계수, 쇄석기층 및 보조기층과 노상: 회복탄성계수)

단계 5. 교통하중의 입력(축간 및 바퀴간 거리, 타이어 압력, 타이어 면적)

단계 6. 구조해석 좌표 입력

단계 7. 다층탄성 해석 프로그램 자동 반복 계산

단계 8. 단계 6의 결과로부터 한계점에서의 손상 해석좌표 결정

단계 9. 손상 해석 좌표 중 공용성 입력변수인 한계점에서의 수평 인장변형률과 수직

         압축변형률 결정

 

 

 

4. 구조 해석

 

도로포장 구조 설계 요령

 

 

4.2.2 다층탄성 구조해석결과

 

다층탄성 해석 프로그램으로부터 구한 포장구조 해석결과는 공용성 모형의 입력 자

료로 사용된다. 아스팔트 콘크리트 포장의 구조적인 파손은 상향균열, 하향균열, 영구

변형 등이 있으며, 이를 예측하기 위해 구조해석 결과를 사용한다.

 

(1) 상향균열 해석

    다층탄성 해석 프로그램을 통해 아스팔트 콘크리트 포장의 표층 하단과 기층 하단의

    인장변형률을 산정한다. 가장 큰 인장변형률을 보이는 한계점(Critical Location)에서

    의 결과를 상향균열 예측모형에 사용하게 된다. 일반적으로 단륜일 경우 타이어 중앙

    부를 한계점으로 설정하고 반응값을 산출하며, 다축·다륜을 이용할 경우 여러 지점의

    인장변형률을 비교하여 가장 큰 값을 해석에 계산한다.

 

(2) 하향균열 해석

   다층탄성 해석 프로그램을 통해 아스팔트 콘크리트 포장 표층 상단의 인장변형률을

   산정한다. 가장 큰 인장변형률을 보이는 한계점(critical location)에서의 결과를 하향

   균열에 예측모형에 사용하게 된다. 상향균열과는 반대로 타이어 중앙부에서 가장자리

   로 이동할수록 표층 상단에서의 인장변형률은 증가한다. 하향균열 해석에서도 아스팔

   트 콘크리트 포장의 표층 상단부의 여러 지점의 인장변형률을 비교하여 가장 큰 값을

   해석에 사용한다.

 

(3) 영구변형 해석

    다층탄성 구조해석을 통해 아스팔트 콘크리트 포장의 표층과 기층, 보조기층의 세부

    분할층 중간 지점 및 노상상단에서의 연직변형률을 산정한다. 일반적으로 단륜인 경우

    타이어 중앙지점이 한계점(Critical Location)으로서 가장 큰 연직변형률을 나타내는데

    반해 다축․다륜인 경우 여러 지점에서의 연직변형률을 비교하여 가장 큰 변형률을 해석

    에 사용한다.

 

 

 

5.1 개 설

 

(1) 공용성 해석은 선정된 설계대안 포장체가 교통, 환경특성 등 주어진 조건 하

    에서 시간에 따라 공용성이 저하되는 정도를 예측하는 단계이다.

 

(2) 본 요령에서 아스팔트 콘크리트 포장의 공용성은 균열, 영구변형 및 평탄성을

    대상으로 한다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 공용성 해석은 포장체의 구조해석으로부터 얻어진 변형률

을 공용성 모델에 입력하여 상하향 피로균열, 누적영구변형량, 평탄성의 저하 정도를 예

측하는 과정이다. 피로균열의 경우, 구조해석에서 구한 인장변형률을 입력값으로 하며,

영구변형의 경우 연직 압축 변형률을 입력값으로 하여 공용성을 예측한다. 누적된 피로

균열, 영구변형, 아스팔트 콘크리트 포장 재령(Age)에 근거하여 포장 평탄성을 예측한

다. 공용기간 동안 산정한 누적피로균열, 누적영구변형 및 평탄성을 예측하여 설계기준

보다 작을 때까지 재료물성이나 포장단면을 변화하여 반복 설계를 수행한다.

 

 

5.2 공용성 예측

 

아스팔트 콘크리트 포장의 공용성 예측은 상향균열, 하향균열, 영구변형 및 평탄

성 예측모델을 이용하여 설계 해석 프로그램에서 자동으로 수행된다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 공용성 예측모델은 실내 피로균열 시험과 영구변형 시험

으로 도출한 매개변수를 사용하며, 실내시험에서 구한 매개변수에 의한 예측식과 현장

에서 측정한 상하향 피로균열 및 영구변형 공용성을 비교 분석하여 전이함수를 도출한

다. 도출된 전이함수를 고려한 예측식을 이용하여 아스팔트 콘크리트 포장의 공용성을

예측한다. 누적 상하향 피로균열율과 누적영구변형량이 설계기준을 초과할 경우에는

포장단면과 재료물성을 변화하여 설계기준을 만족시킬 때까지 계산을 반복 수행한다.

마지막으로, 산정된 누적상하향 피로균열율과 누적영구변형량이 설계기준 내에 있을

때, 피로균열과 영구변형량을 결정하며, 이때의 공용수명을 결정한다.

아스팔트 콘크리트 포장의 표면 평탄성은 국제평탄성지수(IRI, International Rough

ness Index)(m/km)로 나타내며, 포장재령, 피로균열율, 영구변형을 변수로 하는 경험

식을 통해 계산된다. 설계기준보다 작은 국제평탄성지수(IRI) 값이 산출되어야 타당한

설계가 된다.

아스팔트 콘크리트 포장 공용성은 설계 해석 프로그램 내에서 자동으로 수행된다.

 

 

5.3 피로균열

 

(1) 피로균열은 반복되는 교통하중에 의해 아스팔트 콘크리트 포장의 표층에 손상

    이 누적되어 발생하며, 아스팔트 콘크리트 포장의 공용성에 영향을 주는 주요

    한 파손 형태이다.

 

(2) 아스팔트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열율(%)로 나타내며,

    피로균열은 해석기간 동안 전체 포장면적 중 피로균열이 발생한 면적의 백분

    율로 나타낸다. 아스팔트 콘크리트 포장의 피로균열은 설계등급 1의 경우

    15% 이하, 설계등급 2의 경우 20% 이하를 설계기준으로 한다.

 

【해 설】

피로균열이 발생하는 위치에 따라 상향균열(Bottom-up crack)과 하향균열(Top-do

wn crack)로 나누며, 상향균열은 아스팔트 콘크리트 포장 층 하부에서 발생하여 상부

로 전이하고 하향균열은 표층 상부에서 발생하여 하부로 전이한다.

피로균열은 반복하중에 의해 생성되는 한계인장응력과 변형률이 발생하는 곳에서 나

타나게 된다. 피로균열은 아스팔트 콘크리트 포장 층의 강성과 교통하중 배열에 의해

크게 영향을 받으며, 한계지점에서 발생한 균열은 아스팔트 콘크리트 포장 층 전면으

로 전파된다. 선 형태로 시작되는 피로균열은 격자형태의 거북등 균열로 변화하며, 균

열 사이로 수분이 침투하여 전반적인 포장 성능을 약화시킨다.

아스팔트 콘크리트 포장의 피로균열은 마이너의 법칙(Miner's law) 근거하여 누적피

로균열 손상도를 계산한다. 계산된 누적손상도를 이용하여 예측 피로균열율을 계산하고

현장의 피로균열과 비교하여 전이함수를 도출한다. 전이함수를 고려한 피로균열 예측식

을 이용하여 피로균열율을 재 산정하고 설계기준을 만족할 때 까지 설계를 재수행한다.

아스팔트 콘크리트 포장의 피로균열은 종방향 균열, 횡방향 균열, 거북등 균열 등

하중과 연계된 모든 균열을 포함한다.

아스팔트 콘크리트 포장의 피로균열 설계기준은 피로균열율(%)로 나타내며, 피로균

열율은 공용성 해석기간 동안 전체 포장 단면적 중 피로균열이 발생한 부분의 백분율

을 나타낸다. 피로균열 설계기준은 설계등급 1의 경우 15% 이하이며, 설계등급 2의 경

우 20% 이하이다.

 

 

5.4 영구변형

 

(1) 영구변형은 아스팔트 콘크리트 및 입상재료 층에서 발생한 바퀴자국의 누적된

    변형 깊이로 나타낸다.

(2) 영구변형의 설계기준은 설계등급 1인 경우 10mm 이하이며, 설계등급 2인 경우

    15mm 이하이다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 영구변형은 하중증가에 따라 바퀴자국(Wheel path)에서

발생하며, 아스팔트 혼합물층 및 입상재료층에서 발생한 누적된 변형깊이로 나타낸다.

영구변형량은 환경조건, 층 두께, 포장재료, 교통량과 밀접한 관계가 있다.

아스팔트 콘크리트 포장의 영구변형은 영구변형 예측식을 통해 설계수명 동안의 누

적 영구변형량을 계산한다. 계산된 누적 영구변형량과 현장의 영구변형량을 비교하여

전이함수를 도출한다. 전이함수를 고려한 영구변형 예측식을 이용하여 누적 영구변형

량을 재 산정하고 설계기준을 만족할 때 까지 설계를 재 수행한다.

누적영구변형은 아스팔트 콘크리트 포장 층에서 발생한 바퀴자국의 누적된 변형 깊

이를 나타낸다. 영구변형 깊이는 포장의 평탄성과 밀접한 관계가 있으며, 수막현상 등

을 일으켜 포장의 기능적 성능을 저하시킨다. 누적 영구변형의 설계기준은 공용성 해

석기간 동안 바퀴자국에서의 최대 영구변형 깊이로 나타내며 설계등급 1의 경우 10mm

이하이며, 설계등급 2의 경우 15mm 이하이다.

 

 

5.5 평탄성

 

(1) 평탄성은 단위거리에 대한 포장 표면 단차의 누적 길이로 나타낸다.

 

(2) 평탄성의 설계기준은 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경

    우 4.0m/km 이하이다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 평탄성은 포장의 기능을 나타내는 중요한 변수이며, 평탄

성이 좋지 않은 포장은 이용자의 안정감을 해칠 뿐만 아니라 차량 운행비도 증가시킨

다. 평탄성은 차량 운행 거리에 대한 포장 표면 단차의 변화로 정의한다. 도로의 평탄

성은 국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)로 나타내며, 포장 파손도

및 포장의 재령과 밀접한 관계가 있다. 도로 평탄성은 역학적으로 규명이 어려워 대부

분 경험적인 모델을 사용하고 있다. 국내 도로포장의 시공년도 평탄성을 분석한 결과

초기 평탄성값을 1.18m/km로 정립한다.

포장의 재령, 피로균열율, 누적영구변형량을 이용하여 평탄성을 나타내는 국제평탄

성지수(IRI)의 변화량을 <식 5.1>과 같이 구한다.

               <식 5.1>

 

여기서,  = 국제평탄성지수(m/km),

Age = 포장재령(년),

RD = 영구변형(mm),

FC = 피로균열율(%).

분석 결과, 국제평탄성지수(IRI)는 아스팔트 콘크리트 포장의 재령, 피로균열, 영구변

형과 밀접한 관계가 있으며, 평탄성의 설계기준은 공용성 해석기간의 허용 평탄성지수

(IRI)로 표시하며, 설계등급 1의 경우 3.5m/km 이하이며, 설계등급 2의 경우

4.0m/km 이하이다.

 

 

6.1 일반 사항

 

설계대안 단면이 설계기준을 만족시키면 그 설계는 기술적으로 실행 가능한 대안

이 된다. 이러한 설계대안 단면들에 대해 생애주기비용분석(LCCA)을 통하여 경제

적으로 가장 유리한 대안을 선정한다.

 

【해 설】

도로포장의 시공 초기부터 공용기간 전반에 필요한 비용을 산정하여 최적의 대안을

선정할 수 있도록 도로포장 구조 설계 해석 프로그램 내에서 경제성 분석을 실시한다.

경제성 분석을 위한 설계 입력값은 분석기간 및 할인율이다.

 

 

6.2 생애주기비용 분석

 

(1) 생애주기비용분석을 수행하기 위한 분석기간은 35년으로 한다.

 

(2) 도로포장 구조 설계 해석 프로그램은 설계대안 단면에 대한 공용성기간과 유지

    보수시기를 계산하고, 이를 근거로 각 설계대안 단면에 대한 관리자 비용과 사

    용자 비용을 계산한다.

 

(3) 생애주기비용분석에는 초기투자비용과 유지관리비용이 포함된다.

 

【해 설】

설계대안 단면에 대한 공용기간 및 유지보수 시기는 도로포장 구조 설계 해석 프로

그램에서 자동으로 결정되며 이에 따라 유지보수비용이 산정된다.

도로포장 구조 설계에서는 초기투자비용 및 유지보수비용 외에 사용자 비용이 추가

로 산정되며 유지보수 운영과 작업일 수에 따라 산정된다. 사용자 비용은 도로 이용자

가 도로상태 및 보수작업으로 인하여 정상적으로 통행을 하지 못하게 되는 경우 지불

하는 비용의 합으로 차량운행비용, 운행지연비용이 포함된다.

 

(1) 초기투자비용 및 유지보수비용

    도로포장 구조 설계에서 초기투자비용은 각 설계단면의 재료비와 시공비로 구성되

    며, 유지보수비용은 유지보수전략에 따라 선택된 유지보수비용을 말한다.

 

(2) 차량운행비용

    차량운행비용은 크게 고정비용과 가변비용이 있는데, 고정비용은 차량의 운행여부와

    는 관계없이 차량을 소유하면서부터 발생하는 비용을 의미하는 것으로 차량의 감가삼

    각비, 보험금 등이 있다. 고정비용은 차량 운행과는 관계가 없으므로 정상적으로 통행

    이 어렵다 하더라도 증가하거나 감소하지 않는다. 반면에 가변비용은 차량의 운행으로

    발생하는 비용으로 연료소모비, 엔진오일비, 타이어비 등이 있다. 이 비용은 차량의 종류,

    속도, 중량뿐만 아니라 도로상태, 교통량, 보수 시 공사기간에 따라 변화하는 비용이다.

 

(3) 운행지연비용

    운행지연비용이란 도로상태가 나빠 차량의 속도 감소에 의해 발생하는 경우와 보수

    작업으로 인해 차량 운행이 지연됨으로써 운전자의 시간에 대해 발생하는 비용이다.

    통행시간을 경제적 재화처럼 화폐가치로 나타낸 것으로 시간을 비용으로 환산시키는

    개념이다. 예를 들면, 통행자의 임금수준, 이용경로나 교통수단의 선택 등을 기준으로

    평가하는 여객 시간가치, 화물의 품목에 다른 시간가치를 평가하는 화물 시간가치 등

    이 있다. 이 비용에 영향을 미치는 요소는 교통속도, 교통량, 보수시의 공사기간, 운전

    자의 시간가치 등이 있다.

 

 

 

6.3 경제성 분석 방법

 

(1) 도로포장의 종류에 따라 시공시기, 공용년수가 다르므로 대안들을 비교하려면,

    우선 기준이 되는 시점을 정하고, 이 기준으로 각 대안에 발생하는 현재 비용과

    미래 비용을 환산한다.

 

(2) 경제성 분석 단계에서는 설계 입력값인 분석기간과 할인율을 선택하고, 이를

    근거로 도로포장 구조 설계 해석 프로그램은 관리자 비용과 사용자 비용을 계

    산한다. 도로포장 구조 설계에서는 분석기간 35년, 할인율 5.5%를 기본값으로

    한다.

 

(3) 관리자 비용 및 사용자 비용은 순현재가치 (NPV, Net Present Value)로 환산

    되어 비교된다.

 

(4) 순현재가치를 비교하여 가장 경제적인 대안을 최종 설계 대안으로 결정한다.

 

【해 설】

경제성 분석의 첫 번째 단계는 설계 입력값인 분석기간과 할인율을 선택하는 것이

다. 이후 설계 해석 프로그램은 설계대안 단면에 대한 관리자 비용과 사용자 비용을

계산하게 된다. 이때에 경제성 분석의 핵심은 모든 경쟁 대안에 소요되는 비용을 어느

한 시점의 금액으로 환산하여 비교하는데 있다. 이를 공정하게 비교할 수 있도록 하는

중요한 요소 중의 하나가 할인율이다. 본 요령에서는 기본적으로 5.5%의 할인율을 적

용하며, 필요에 따라 공공투자편람과 같은 자료로 적절한 할인율을 적용할 수 있다.

물가상승률과 이자율에 의한 실질 할인율을 산출하는 방법은 <식 6.1>과 같다.

 

 할인율    물가상승율   이자율   <식6.1>

 

선정된 설계대안 단면은 공용년수가 다르므로 대안들을 비교하려면 우선 기준이 되

는 시점을 정하고, 이 기준으로 각 대안에 발생하는 비용을 현재가치로 환산해야 한

다. 이러한 현재가치의 기본 공식은 <식 6.2>와 같이 계산된다.

 

 순현재가치  초기투자비



유지보수비 사용자비용





   

 





 

<식6.2>

 

여기서,

i : 할인율

t : 분석기간 연수

마지막 단계로 설계대안 단면들의 순현재가치를 비교하여 가장 경제적인 단면을 선

정한다.

 

 

7.1 일반 사항

 

(1) 목표연도 일평균교통량 7,000대 이하인 도로 즉 도로법, 농어촌도로정비법,

    도시계획법상의 국도, 지방도, 중로이하의 도로에 적용한다.

(2) 설계방법은 교통조건(AADT, 중차량비율)과 노상조건(E)에 따른 표준적인 설

    계단면을 적용하는 카달로그 설계단면을 적용한다.

 

【해 설】

설계등급 3에서는 목포연도 연평균일교통량(AADT)이 7,000대 이하의 도로 즉 도로

법, 농어촌도로정비법, 도시계획법상의 국도, 지방도, 중로 이하의 도로에 적용한다.

각 층에 사용되는 재료는 도로공사표준시방서의 기준을 만족하는 재료를 사용한다.

이 중에서 표층용 아스팔트 혼합물의 골재입도 종류는 19mm 밀입도와 13mm 밀입도

를, 아스팔트는 PG 58-22 및 PG 64-22를 기본으로 사용한다. 기층용 아스팔트 혼합

물 골재는 40mm 이하를 사용하며, 아스팔트는 PG 58-22 및 PG 64-22를 기본으로

사용한다. 입상기층용 골재와 보조기층용 골재는 도로공사표준시방서의 기준을 만족하

는 재료를 사용한다.

설계등급 3의 카달로그 설계에서는 최소한의 입력변수를 사용하여 포장을 설계할 수

있도록 입력변수를 교통조건(AADT)과 노상조건(E)만으로 활용하여 단면 및 그래프를

제시하여 설계자가 간편하게 활용할 수 있도록 한다.

 

 

7.2 교통 조건

 

(1) 설계등급 3의 도로에서의 목표연도 연평균일교통량(AADT)이 7,000대/일 미

    만이므로 0~7,000대/일을 6단계로 구분하여 적용한다.

(2) 또한, 중차량 비율이 포장에 영향을 주는 주요변수이므로 중차량비율이 평균

    값 15%를 초과할 경우에는 교통조건을 한 단계 상향 조정한다.

 

【해 설】

교통조건은 포장에 영향을 미치는 주요변수로 설계등급 3에서는 목표연도 연평균일

교통량(AADT)인 0~7,000대/일을 6단계로 구분하여 적용하며, 분류기호로는 C1~C6을

사용한다. 또한, 중차량 비율이 포장에 영향을 주는 주요변수이므로 중차량비율이 평

균값 15%를 초과할 경우에는 교통조건을 한 단계 상향 조정한다.

 

Traffic Volume(대/일)

Traffic Class(×105 ESAL)

아스팔트 구 분

콘크리트 포장

시멘트

콘크리트 포장

~ 100 ~ 0.2 ~ 0.3 C1

101 ~ 500 0.2 ~ 2.0 0.3 ~ 3.0 C2

501 ~ 1,500 2.0 ~ 6.0 3.0 ~ 9.0 C3

1,501 ~ 3,000 6.0 ~ 10.0 9.0 ~ 15.0 C4

3,001 ~ 5,000 10.0 ~ 15.0 15.0 ~ 27.0 C5

5,001 ~ 7,000 15.0 ~ 20.0 27.0 ~ 40.0 C6

 

<표 7.1> 교통조건의 구분

 

 

7.3 노상 조건

 

설계등급 3의 도로에서는 노상조건에 대한 변수로 탄성계수를 사용하여 노상을 3

단계로 구분하여 적용한다.

 

【해 설】

노상조건은 포장에 영향을 미치는 주요변수로 국내의 노상에 대한 탄성계수의 범위

는 37.7~280MPa로 제시되고 있으나, 본 설계등급 3인 카달로그 설계에서는 탄성계수

에 따른 노상을 3단계로 구분하여 적용하며, 분류기호로는 S1~S3를 사용한다. 다음은

MR과 CBR의 상관식으로 모든 토질조건에서 적용 가능한 상관식이다.

 

MR = 17.6 × CBR0.64 <식 7.1>

여기서,

MR : 회복탄성계수 (MPa), CBR : California Bearing Ratio(%)

 

 

7.4 설계단면

 

설계등급 3의 도로에서는 위의 교통조건(C1~C6)와 노상조건(S1~S3)을 기준으

로 도로포장 구조 설계 해석 프로그램을 이용하여 작성된 다음의 아스팔트 콘크리

트 포장의 카달로그 단면표 또는 설계단면 그래프를 적용한다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장의 설계등급 3에서는 교통조건과 하부구조 재료물성은 <표

7.3>과 같은 방법에 의해서 결정하거나 <그림 7.1>과 같은 방법에 의해서 결정한다.

<표 7.3>의 세로축에서 하부구조 재료물성 등급은 탄성계수 또는 CBR에 의해서 4개의

등급으로 분류하고 가로축 교통량 등급도 5개의 등급으로 분류한다. 포장단면에서 기층

을 골재층(AGG) 또는 아스팔트 콘크리트 포장 기층(BB)을 선택하여 단면을 결정한다.

 

E (kPa) CBR 분 류

E<49,300 CBR<5 S1

49,300≤E<76,900 5≤CBR<10 S2

76,900≤E 10≤CBR S3

 

<표 7.2> 노상 조건의 구분

 

하부 재료물성 등급

- E (kPa)

- CBR

단면

(cm)

교통량 등급 : 연평균일교통량(AADT(대/일)

C1 C2 C3 C4 C5 C6

～100

101～

500

501～

1,500

1,500～

3,000

3,001~

5,000

5,001

~7,000

S1

E<49,300

CBR<5

표 층 5 5 5 5 5 5 5 5

기층(AGG) 10 - 14 - - - - -

기층(BB) - 7 - 8 10 12 13 15

보조기층 18 15 23 21 25 28 32 32

계 33 27 42 34 40 45 50 52

S2

49,300≤E<76,900

5≤CBR<10

표 층 5 5 5 5 5 5 5 5

기층(AGG) 10 - 14 - - - - -

기층(BB) - 7 - 8 10 12 13 15

보조기층 15 15 16 15 16 19 22 21

계 30 27 35 28 31 36 40 41

S3

76,900≤E

10≤CBR

표 층 5 5 5 5 5 5 5 5

기층(AGG) 10 - 14 - - - - -

기층(BB) - 7 - 8 10 12 13 15

보조기층 15 15 15 15 15 16 19 18

계 30 27 34 28 30 33 37 38

 

<표 7.3> 아스팔트 콘크리트 포장의 카달로그 단면

 

<그림 7.1> 아스팔트 콘크리트 포장의 카달로그 설계단면

 

Traffic Volume : 연평균일교통량(AADT(대/일))

 

<그림 7.2> 아스팔트 콘크리트 포장의 카달로그 설계그래프

 

Traffic Volume : 연평균일교통량(AADT(대/일))

 

 

 

8. 아스팔트 덧씌우기 포장설계

 

 

8.1 일반 사항

 

(1) 기존 아스팔트 콘크리트 포장에 신규 아스팔트 콘크리트 포장을 덧씌우기 설

    계하는 경우에 적용한다.

 

(2) 설계방법은 기존 포장 상태에 따라 설계한다.

 

(3) 설계절차는 7단계로 구성되며, <그림 8.1>을 따른다.

 

【해 설】

기존 아스팔트 포장위에 아스팔트 덧씌우기 포장 구조 설계 절차는 총 7단계로

<그림 8.1>과 같이 구성되어 있다.

 

1단계 아스팔트 덧씌우기 설계에 필요한 정보 수집

2단계 기존포장의 상태 평가 수행

3단계 아스팔트 덧씌우기 시범단면 선정

4단계 아스팔트 포장체 구조해석 수행

5단계 아스팔트 덧씌우기 포장 공용성 예측

6단계 아스팔트 덧씌우기 설계 평가 및 수정

7단계 최종 아스팔트 덧씌우기 설계 선정

 

<그림 8.1> 아스팔트 포장 상부 아스팔트 덧씌우기 포장설계 절차

 

1단계: 아스팔트 덧씌우기 설계에 필요한 정보 수집

        기존 공용중인 도로포장의 형식에 상관없이 아스팔트 덧씌우기

        포장을 수행하기 위해서는 다음과 같은 기본 정보가 필요하다.

 

 일반정보

- 공사이름 및 설명

- 설계 수명

- 기존 포장의 준공일

- 덧씌우기 포장 시공일

- 교통 개방 날짜

- 유지보수 이력

 

 위치 및 공사구간 정보

- 공사 위치 및 구간별 정보

- 도로등급

 

 분석에 필요한 정보

- 초기 평탄성

- 설계 공용성 기준 (피로균열, 소성변형, IRI)

 

 교통량

- 차종별 축별 축하중 분포 (신설 포장과 동일)

 

 환경인자

- 온도, 함수량 분포 (신설 포장과 동일)

 

 배수 특성

- 포장의 횡구배

- 배수로의 길이

 

 포장 구조 및 재료 물성

- 포장층의 개수, 재료종류, 및 두께

- 포장층간 상태

 

2단계: 기존포장의 상태 평가 수행

        덧씌우기 포장 설계시 가장 중요한 영향을 미치는 인자는 기존 포장 구조의 상태이다.

        아스팔트 덧씌우기 설계시에는 공용중인 아스팔트 포장체의 구조적/기능적 상태를 정

        확히 평가해야 한다. 공용중인 기존 포장의 기능적 상태는 포장층별 영구변형량과 피

        로균열량 및 평탄성을 측정하여 평가한다. 구조적 상태 평가를 위해서는 공용중인 기

        존 포장층의 탄성계수를 예측하고 초기조건 (현재 영구변형량 등) 정량화 하여야 한다.

        구조적 상태 평가를 위하여 비파괴 시험을 수행하고 포장체 표면의 처짐값을 측정한다.

 

3단계: 아스팔트 덧씌우기 시범 단면 선정

        기존 포장의 상태, 향후 예측 교통량, 덧씌우기 전 유지보수를 고려하여 설계자는

        시범 덧씌우기 포장 재료 및 단면을 선정한다. 덧씌우기 포장에 사용될 아스팔트 재료

        의 물성 산정방법은 신설포장의 방법에 준한다. <그림 8.2>는 아스팔트 덧씌우기 설계

        시범 단면의 예를 나타내고 있다.

 

아스팔트 덧씌우기 1 아스팔트 덧씌우기 1 아스팔트 덧씌우기 1

기존 포장체 아스팔트 덧씌우기 2 아스팔트 덧씌우기 2

기존 포장체 보조기층/CTB

기존 포장체

예시 1 예시 2 예시 3

 

<그림 8.2> 아스팔트 덧씌우기 설계 단면의 예

 

4단계: 아스팔트 포장체 구조해석 수행

        기존 포장의 상태 평가를 통해 계산된 각 포장층의 탄성계수와 아스팔트 덧씌우기

        두께 및 재료 물성을 이용하여 구조해석을 수행한다. 구조해석을 통하여 포장체 내부

        의 주요지점에서의 변형률 값을 산정한다. 원칙적으로 아스팔트 덧씌우기 포장에서 사

        용되는 구조해석 기법은 신설포장과 동일하다. <그림 8.3>은 아스팔트 덧씌우기 포장

        의 일반적 단면과 구조해석을 통해 결정되어야 하는 변형률을 나타내고 있다.

 

<그림 8.3> 아스팔트 덧씌우기 포장 구조해석

 

5단계: 아스팔트 덧씌우기 포장의 공용성 예측

        아스팔트 덧씌우기 포장 구조 설계에서는 피로균열과 소성변형을 고려하여 포장체의

        공용성을 예측한다. 4단계에서 구조해석을 통해 계산된 아스팔트 덧씌우기층 하부의

        인장변형률과 포장각층 중앙부의 압축변형률은 피로수명와 소성변형량 계산에 각각 사

        용된다. 아스팔트 덧씌우기층 하부의 피로수명과 중앙의 소성변형량은 신설포장 구조

        설계에서 제시한 예측 모형들을 통해 계산된다. 보조기층과 노상층의 소성변형량도 마

        찬가지로 신설포장 구조 설계에서 제시한 방법에 따라 계산된다.

        아스팔트 덧씌우기 포장의 공용성 평가는 정해진 설계기간동안 예측 파손량과 사용

        자가 제시한 설계 공용성 기준과의 비교를 통해 이루어진다. 예를 들어, 설계기간동안

        예측된 파손량이 주어진 기준을 초과할 경우, 설계자는 반드시 덧씌우기 포장층 두께

        및 재료를 수정하여 정해진 기준을 만족하여야 한다. 아스팔트 덧씌우기 포장 구조 설

        계를 완료하기 위하여는 피로균열과 소성변형, 그리고 평탄성에 대한 기준을 동시에

        만족시켜야 한다. 본 절차를 통해 기준을 만족시킨 후보단면들은 경제성 분석을 수행

        하여 생애주기 비용을 산정한다.

 

7단계: 최종 아스팔트 덧씌우기 설계 선정

        공용성 평가 결과와 경제성 분석 결과를 근거로 하여 최종 아스팔트 덧씌우기 설계

        를 선정하게 된다.

 

 

8.2 설계입력변수

 

(1) 설계입력변수는 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 2.4」와 같이 설

    계등급 1, 설계등급 2로 구분하여 적용한다.

 

(2) 교통조건 및 환경조건, 덧씌우기 층의 신규 아스팔트 재료물성을 위한 설계입력

    변수는 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의 3.설계입력변수 」와 동일

    하게 적용한다.

 

(3) 기존 아스팔트 층과 하부구조의 재료물성은 기존 포장층에 대하여 실시한 비

    파괴시험 결과로부터 역산하여 추정된 값을 적용한다.

 

(4) 동상방지층에 대한 물성기준은 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계의

    3.2.3에 (4)항」과 동일하게 적용한다.

 

【해 설】

기존 아스팔트 콘크리트 포장에 신규 아스팔트 콘크리트 포장을 덧씌우기 하는 경

우, 기존 포장의 재료물성을 제외하고 신설 아스팔트 포장의 설계에 적용된 설계듭급

1과 설계등급 2에 따른 설계입력변수를 결정하여 적용한다. 기존 아스팔트 층과 하부

구조의 재료물성은 현재 공용중인 기존 아스팔트 콘크리트 포장에 대해 비파괴시험을

실시하여 다음의 8.3에서와 같이 역산과정을 통해 추정된 값을 적용한다.

 

 

8.3 기존 아스팔트 콘크리트 포장의 재료물성 평가

 

(1) 덧씌우기 설계를 실시하기 전 기존 아스팔트 콘크리트 포장의 재료물성을 추

    정하기 위해 비파괴시험을 실시한다.

 

(2) 기존 아스팔트 층의 재료물성은 역산된 결과를 이용하여 해설에서와 같은 절

    차를 거쳐 보정하여 적용한다.

 

(3) 보조기층과 노상층에 대한 재료물성은 비파괴시험을 통해 역산된 탄성계수를

    그대로 적용한다.

 

【해 설】

기존 아스팔트 콘크리트 포장층의 탄성계수 추정을 위하여 일반적으로 비파괴 시험

인 FWD(Falling Weight Deflectometer) 장비를 사용한다. 다음과 같은 절차를 통하

여 포장체의 구조적 상태 평가 척도인 포장층의 탄성계수를 계산한다.

 

① 포장체 표면의 처짐값 측정 : 충격하중을 재하하여 센서위치별 처짐값 측정

 

② 포장체 각층 두께 조사 : 시험구간에서 코어채취를 통한 포장층 두께 조사

 

③ 초기 탄성계수 값과 포아송비 결정: 역산 프로그램에서 최초 처짐량을 계산

    하기 위해 이용될 초기값 결정

 

④ 탄성계수 범위의 조정 : 역산 프로그램에서 비합리적인 탄성계수 값이 선택

    되거나 계산되는 것을 방지하기 위해서 포장재료별 탄성계수의 최대/최소값

    의 범위 결정

 

⑤ 처짐량 계산 : 다층탄성 구조해석프로그램을 이용하여 처짐량 계산

 

⑥ 오차분석 : 측정된 처짐량과 계산된 처짐량의 비교를 통한 오차 분석

 

⑦ 새로운 탄성계수 결정 : ⑥의 과정에서 계산된 오차가 허용오차범위를 벗어

    날 경우 각 층의 새로운 탄성계수 결정

 

⑧ 포장층 최종 탄성계수 결정: 계산오차가 허용오차 범위안에 수렴할 경우

 

<그림 8.4>는 FWD 시험으로부터 일반적으로 얻어지는 처짐량에 대한 개략도이고,

 

<그림 8.5>는 FWD 처짐값을 이용한 포장체의 탄성계수 역산절차 흐름도이다.

 

<그림 8.4> 포장 처짐량 측정

 

<그림 8.5> 포장층 탄성계수 역산 절차

 

FWD 처짐값

FWD 하중 센서

 

FWD 시험결과를 역산하여 얻어진 탄성계수는 기존 아스팔트 층의 동탄성계수 마스

터곡선을 추정하기 위해 사용된다. 동탄성계수 마스터곡선의 기본 방정식은 S자형 곡

선(Sigmoidal Curve) 함수를 이용하여 개발되었으며, 기본 모델은 <식 8.1>과 같다.

교통하중에 의해 나타나는 누적 손상으로 인한 시간이 지남에 따라 동탄성계수는 감소

한다. 이러한 손상으로 인한 감소된 동탄성계수 마스터곡선을 예측하여 기존 아스팔트

층의 재료물성으로 입력하여야 한다. 이를 위해 현재 공용중인 아스팔트 층의 신설시

의 동탄성계수와 현재 시점에서 FWD 시험을 통해 역산된 동탄성계수와의 관계를 통해

동탄성계수 손상비를 <식 8.2>와 같이 계산한다. 신설시의 동탄성계수는 기존 아스팔

트 층의 골재입도와 바인더 등급의 정보를 바탕으로 20°C와 30Hz에 해당하는 동탄성

계수 값을 사용한다. 기존 아스팔트층의 감소된 동탄성계수 마스터곡선은 <식 8.1>의

회귀계수 중  에 계산된 동탄성계수 손상비를 반영하여 구할 수 있다 <식 8.3>.

 

*

(log (log log ) ( )

1 f c fr Log E

eβ γ η η

δ α − + − = +

+

 

< 식8.1>

 

동탄성계수 손상비     신설

 역산  × 

 

<식 8.2>

 

*

(log (log log )

( ) '

1 f c fr Log E

eβ γ η η

δ α − + − = +

+

 

< 식8.3>

 

여기서, ′   

손상비  ×  이다.

덧씌우기 설계프로그램에는 기존 포장층의 탄성계수를 역산하기 위해 국내에서 개발

된 GAPAVE 프로그램이 내장되어 있으며 FWD 시험결과를 입력하면 자동으로 역산과

정 및 보정과정이 수행되어 기존 아스팔트 콘크리트 포장의 재료물성이 계산된다. GA

PAVE 프로그램은 유한요소 구조해석과 유전자 알고리즘을 기반으로 한 역해석 프로그

램으로서, MODULUS 프로그램이나 EVERCALC 프로그램 등 가장 많이 사용되고 있

는 프로그램들과의 비교분석을 수행한 결과를 통해 보다 정확한 역해석을 수행할 수

있다는 것이 검증되었다.

 

 

8.4 구조해석 및 공용성 해석

 

(1) 덧씌우기 설계에서의 구조해석은 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장 구조 설계

    의 4.구조해석」과 동일하게 적용한다.

 

(2) 덧씌우기 설계에서의 공용성 해석 방법은 본 요령「아스팔트 콘크리트 포장

    구조 설계의 5.공용성 해석」과 동일하게 적용한다.

 

【해 설】

아스팔트 콘크리트 포장 위의 아스팔트 덧씌우기 포장 구조 설계의 절차는 신설 아

스팔트 콘크리트 포장 구조 설계와 유사하다. 덧씌우기 포장 구조 설계를 위해서는 먼

저 기존 포장의 향후 필요로 하는 잔존수명을 가정한다. 여기서 잔존수명은 덧씌우기

포장 후부터 포장 파괴까지의 시간을 의미한다. 그리고 기존 포장의 파손정도에 따라

표면 절삭을 시행할 것인지 결정하게 된다. 표면절삭을 시행하고자 할 경우에는 기존

아스팔트 층 두께에서 표면절삭 두께를 차감하여 설계에 적용한다. 아스팔트 덧씌우기

포장 두께는 가정하여 적용하며 포장두께가 필요한 잔존수명에 미치지 못하면 두께를

수정하여 다시 설계를 수행하여야 한다.

아스팔트 덧씌우기 포장 두께 및 동탄성계수, 기존 아스팔트층의 추정 동탄성계수,

하부층(보조기층 및 노상)의 탄성계수 등을 이용하여 신설포장과 동일한 구조해석을

수행한다. 구조해석7을 통하여 산정된 변형율과 포장 파손 예측 모형을 이용하여 시간

및 교통량에 따른 영구변형, 균열, 및 평탄성의 변화를 추정하게 된다. 공용기간동안

산정한 누적피로균열, 누적영구변형 및 평탄성을 예측하여 설계기준보다 작을 때까지

덧씌우기 층의 재료물성이나 포장단면을 변화하여 반복 설계를 수행한다.