1. 서 론
2. 국내·외 지오셀의 도로포장 적용 사례
3. LFWD 장비를 이용한 지오셀 현장 시험
3.1 LFWD 시험기 개요
3.2 구동 원리 및 지반반력계수 산정방법
3.3 Geocell 현장 시험 방법
3.4 Test section A 계측
3.5 Test section B 계측
3.6 Test section C 계측
3.7 Test section D 계측
3.8 Test section E 계측
3.9 Test section F 계측
4. 현장 시험 결과
4.1 보조기층 종류에 따른 아스팔트 표층 분석
4.2 보조기층 분석
5. 결 론
1. 서 론
국내 도로의 주된 문제는 표층에서 부터 작용하는 하중으로 인해 시간이 지남에 따라 균열 및 침하로 문제를 야기하고 있다. 현재 도로의 보강을 위해 쓰이는 기술은 지오그리드를 포설하는 방법, 와이어매쉬와 콘크리트 슬래브층을 활용하여 기층을 보강하는 방법 등이 개발되고 있으나 콘크리트 포설 및 양생의 시간적 제약으로 문제점이 있다. 이것을 해결하는 방법으로 지오셀을 이용하여 보강하는 공법이 있는데, 지오셀은 침식 방지, 평지 및 급경사지에서의 지반 안정화, 수로 보호, 하중 지지 및 지반 보전을 위한 구조적 보강을 위한 건설에 널리 사용된다. 지오셀은 평면 형태의 지오그리드 보강재와 달리 3차원 형태로 제작된 토목섬유 단위 셀안에 조립토를 채워서 압축 및 지지력을 증가시키는 방법이다.
기존에 지오셀을 활용한 연구 중 개구 크기가 작을수록 구조물의 침하가 작아지는 결과를 통해 지오셀 보강 지반의 안정성을 연구한 것이 있다. 이 연구에서는 초기의 보강토 시료의 경우, 하중에 따라 침하량이 선형적으로 증가하다가 곡선의 일정점 경사 이후에는 점차 감소하게 되며, 어느 한 점을 넘어서는 직선이 되는 것을 확인할 수 있었다(Mandal & Mhaiskar, 1992). 또한, Erhan & Aytug(2021)은 지오셀 높이(50, 100, 150, 200mm)와 석회 함량(3, 6, 12%)이 다양한 함수비(25, 28, 30, 32, 35%)로 다양한 수분 함량에서 비포장 도로 정착지에 대한 지오셀 높이 및 석회 안정화 효과를 알아보기 위해 연구를 진행하였으며, 대규모 평판재하시험을 설계하여 재하-침하곡선을 통해 지반의 지지력 및 탄성계수(k)가 결정되었다. 그 결과, 지오셀 높이와 석회함량은 함수비에 따라 다른 영향을 미치며, 노상 반력계수는 지오셀의 일정한 높이 이상에서 안정되었다.
따라서 본 연구에서는 현장 테스트를 통해 아스팔트 포장도로에서 보조기층에 지오셀을 사용함으로써 지지력의 향상과 기존 도로포장 공법과의 비교를 통해 그 효과를 분석하고자 한다.
2. 국내·외 지오셀의 도로포장 적용 사례
국내 지오셀을 활용한 투수성 포장의 지지력 보강 효과에 관현 연구로 Lee et al.(2012)는 지오셀을 활용한 연구결과에 의하면 도시 면적의 많은 부분을 차지하고 도로포장면은 불투수성으로 비가 오면 빗물이 배수구를 통해 신속히 배수됨으로써 도시 홍수 발생, 지하수위의 저하와 용수의 고갈 등 생태계의 불균형을 초래하고 있으며 도시지역의 열섬현상과 같은 환경문제를 발생시키고 있는데, 도시부에서 발생되는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 투수성포장이 적용되고 있으나 우수 침투로 노상이 연약화 될 것을 우려하여 차도에는 적용하지 못하고 있는 실정이며, 중량이 가벼운 차량이 통과하는 광장, 주차장 및 보도, 자전거 포장에 투수성포장이 이용되고 있다. 차도에 투수성포장을 적용하기 위한 방안으로 투수성포장 하부 층에 연약지반 보강 공법으로 활용되고 있는 지오셀 두께 1.2, 1.5mm, 깊이 120mm를 적용하여 지지력을 측정한 결과 두께 1.2mm 지오셀은 측정 위치에 따라 상이한 결과를 나타내었으며, 두께 1.5mm 지오셀은 보강 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 재하하중이 크면 클수록 그 효과는 더 큰 것으로 평가되었다. 또한, 다공성 지오셀을 이용한 지반 보강 효과에 관한 연구로는 Shin et al.(2009)이 수행하였으며, 실내시험의 결과값을 Terzaghi 공식과 Meyerhof의 공식을 이용하여 극한지지력값을 계산하고 현장시험에서 확인한 극한 지지력값과 비교하여 지오셀의 보강효과를 수행하였다. 수행 결과는 직접전단시험을 통해 지오셀의 보강효과가 내부마찰각의 증가에 영향을 미치는 것을 확인하였고, 셀의 개수가 커질수록 내부마찰각이 커짐을 확인하여 보강면적이 넓을수록 보강효과가 증가하는 것으로 확인되었다. 지지력에 미치는 영향요소 중 내부마찰각을 증가시키는 지오셀을 도로저부에 시공할 경우 내부마찰각의 증가로 지지력 또한 증가하는 것을 확인하였으며, 평판재하시험의 결과값을 통해 지오셀 보강이 극한지지력값의 증가효과에 2배 정도의 보강효과를 확인하였다. 수치해석을 통해 변형의 분포와 침하량을 확인한 결과, 침하량은 지오셀에 의해 줄어드는 결과를 보여 침하에 대한 보강효과를 확인하였다.
국외의 경우 아스팔트 포장의 기층 지오셀 보강에 대한 연구로 Rushikesh(2022)는 보강되지 않은 토질의 CBR 변화를 알아보기 위해 시험을 실시하였다. 그 결과로 도로포장 보조기층에서 지오셀을 사용하는 동안 토질의 CBR이 크게 증가하였다.
3. LFWD 장비를 이용한 지오셀 현장 시험
3.1 LFWD 시험기 개요
LFWD(Light Falling Weight Deflectometer) 장비의 경우 도로 포장 현장 또는 노반의 견고성을 평가하는데 사용된다. 측정 범위는 로드셀의 경우 최대 하중 20kN이고, 변위는 2.5mm 까지 가능하다. 또한 최대 하중, 변위값 및 해석 결과는 K 값과 E 값으로 표기가 되며 비파괴시험장비로 토양의 교란 없이 강도와 지지력을 빠르게 측정할 수 있다. 사용 방법은 낙하추(falling weight)를 자유낙하 하여 충격 하중에 의해 발생하는 처짐을 측정하고, 처짐과 하중 사이의 관계에 의한 탄성계수를 산출한다는 점은 기존 FWD와 유사하다.
Table 1.
LFWD Specifications
3.2 구동 원리 및 지반반력계수 산정방법
LFWD의 구동원리는 Fig. 3에 나타냈다. 그림을 보듯이 LFWD은 동적충격장치로 스프링-감쇠기-질량 시스템으로 구성되어 있다. 일정 낙하고에서 자유낙하하는 질량체(mF)의 충격력이 가이드 축(질량 ms)을 따라 움직일 때 재하판 질량(mg)에 침하량(z0)을 발생시킨다. 이 때 발생하는 충격 시의 스프링-감쇠기(Damper)의 역학적 거동을 Kelvin-Voigt 유동 모델로 모델링할 수 있다.
Fig. 3
Ground stiffness measurement principle of impact loading method (Korea Expressway Corporation, 2018)
오른쪽 그림은 충격 직후 지반과 충격력 사이의 역학적 거동을 스프링과 질량체 및 감쇠기로 가정한 것으로서 흙의 거동을 스프링과 감쇠기로 구성된 유동모델을 가정한 것이다. 따라서 이때의 침하량과 스프링 계수 및 감쇠비를 이용하여 지반의 강도를 추정할 수 있다.
3.3 Geocell 현장 시험 방법
본 연구는 LFWD 장비를 이용하여 도로 포장 공법 별 지지력 확인 및 비교·분석하고자 한다. 시험 부지는 A, B, C, D, E, F 로 되어있으며, 각각 차수 매트가 포함된 아스팔트 콘크리트 포장, 일반 아스팔트 콘크리트 포장과 보조기층에는 지오셀이 구성되어 있는 현장시험으로 시험 조건은 Table 2에 나타냈다. 현장시험에 사용된 하중판 지름은 300mm 이며, 재하 높이는 500mm, 계측 위치는 2.5m 간격으로 2.5, 5.0, 7.5m 위치에서 측정하였으며, 각 위치에서 4번 씩 계측하였다(Fig. 4).
Table 2.
Cases for field test
3.4 Test section A 계측
Test section A는 다음 Fig. 5와 같이 방수 매트 및 아스팔트 포장으로 설계되었으며 지반의 경우 상부로부터 아스팔트, 보조기층, 원지반으로 설계하였다. 계측은 아스팔트, 보조기층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section A에서 수행된 현장 시험 결과, 아스팔트층 2.5m 지점에서 2.47mm, 5.0m 지점에서 2.69mm, 7.5m 지점에서 2.27mm의 변위를 확인하였다. 보조기층 2.5m 지점에서는 2.53mm, 5.0m 지점에서 2.46mm, 7.5m 지점에서 2.22mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 3, 4에 나타내었다.
Table 3.
Test Section A (Asphalt)
Table 4.
Test Section A (Subbase)
3.5 Test section B 계측
Test section B는 다음 Fig. 6과 같이 방수 매트 및 아스팔트 포장, Geocell(D315*H120)과 콘크리트로 설계되었으며, 상부로부터 아스팔트, Geocell+콘크리트층, 원지반으로 설계하였다. 계측은 아스팔트와 Geocell+콘크리트층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section B에서 수행된 현장 시험 결과, 아스팔트층 2.5m 지점에서 0.42mm, 5.0m 지점에서 0.45mm, 7.5m 지점에서 0.37mm의 변위를 확인하였다. Geocell+콘크리트층 2.5m 지점에서 1.10mm, 5.0m 지점에서 1.10mm, 7.5m 지점에서 1.08mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 5, 6에 나타내었다.
Table 5.
Test Section B (Asphalt)
Table 6.
Test Section B (Geocell(D315*H120)+Concrete)
3.6 Test section C 계측
Test section C는 다음 Fig. 7을 보듯이 기존공법으로 상부로부터 아스팔트, 보조기층, 원지반으로 설계하였다. 계측은 아스팔트, 보조기층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section C에서 수행된 현장시험 결과, 아스팔트층 2.5m 지점에서 0.95mm, 5.0m 지점에서 1.00mm, 7.5m 지점에서 0.92mm의 변위를 확인하였다. 보조기층 2.5m 지점에서는 2.02mm, 5.0m 지점에서 2.11mm, 7.5m 지점에서 2.09mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 7, 8에 나타내었다.
Table 7.
Test Section C (Asphalt)
Table 8.
Test Section C (Subbase)
3.7 Test section D 계측
Test section D는 다음 Fig. 8을 보듯이 기존공법으로 상부로부터 아스팔트, Geocell(D420*H100)+콘크리트, 원지반으로 설계하였다. 계측은 2.5, 5.0, 7.5m의 위치에서 위치별 아스팔트, Geocell층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section D에서 수행된 현장 시험결과, 아스팔트층 2.5m 지점에서 0.52mm, 5.0m 지점에서 0.50mm, 7.5m 지점에서 0.59mm의 변위를 확인하였다. Geocell+콘크리트층 2.5m 지점에서 0.88mm, 5.0m 지점에서 0.83mm, 7.5m 지점에서 0.99mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 9, 10에 나타내었다.
Table 9.
Test Section D (Asphalt)
Table 10.
Test Section D (Geocell(D420*H100) + Concrete)
3.8 Test section E 계측
Test section E는 다음 Fig. 9를 보듯이 기존공법으로 상부로부터 아스팔트, Geocell(D420*H150)+콘크리트, 원지반으로 설계하였다. 계측은 계측은 아스팔트, Geocell층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section D에서 수행된 현장 시험결과, 아스팔트층 2.5m 지점에서 0.64mm, 5.0m 지점에서 0.54mm, 7.5m 지점에서 2.12mm의 변위를 확인하였다. Geocell+콘크리트층 2.5m 지점에서 0.90mm, 5.0m 지점에서 0.88mm, 7.5m 지점에서 1.03mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 11, 12에 나타내었다.
Table 11.
Test Section E (Asphalt)
Table 12.
Test Section E (Geocell(D420*H150) + Concrete)
3.9 Test section F 계측
Test section F는 다음 Fig. 10을 보듯이 상부로부터 Geocell (D420*H100)+콘크리트, 원지반으로 설계하였다. 계측은 Geocell층의 위치별(2.5, 5.0, 7.5m)로 4회, 총 12회 계측하였다.
Test section F에서 수행된 현장 시험결과, Geocell+콘크리트층 2.5m 지점에서 0.85mm, 5.0m 지점에서 0.63mm, 7.5m 지점에서 0.60mm의 변위를 확인하였다. 현장시험 결과는 Table 13에 나타내었다.
Table 13.
Test Section F (Geocell(D420*H100) + Concrete)
4. 현장 시험 결과
4.1 보조기층 종류에 따른 아스팔트 표층 분석
다양한 현장 Test section A부터 F까지의 현장 시험에 대한 결과를 분석하였다. 우선 Geocell의 유무에 따른 아스팔트 표층을 분석하기 위하여 측점 위치인 2.5, 5, 7.5m에서 측정된 ELWFD의 결과를 평균하여 값을 나타내었다. 또한 Geocell의 효과를 알아보기 위하여 기존공법으로 현장 시험 시공을 한 Test section C와 비교·분석하였으며, 그 결과는 다음 Table 14와 Fig. 11에 나타냈다.
Table 14.
Asphalt surface layer analysis results (ELFWD)
기존공법으로 현장 시험한 Test section C와 비교한 결과, 표층의 ELWFD 가 높게 나타난 시험장소는 Test section B 로 526.91MPa을 나타내었으며, 약 133.58%가 증가한 것으로 나타났다. 이때 사용된 도로공법으로는 차수매트와 아스팔트 포장 4cm, Geocell D315*H120 + 콘크리트 15cm를 사용하였다. 표층에 아스팔트 없이 시공한 Test section F 와 비교한 결과는 Test section F 가 약 59.48% 증가한 것으로 나타났다.
4.2 보조기층 분석
Test section A부터 F까지의 보조기층, 지오셀(D315*H120), 지오셀(D420*H100), 지오셀(D420*H150), 지오셀(D420*H100)에 대한 결과를 분석하였다. 표층 분석과 마찬가지로 Geocell의 유무에 따른 보조기층을 분석하기 위하여 측점 위치인 2.5, 5, 7.5m에서 측정된 ELWFD의 결과를 평균하여 값을 나타내었으며, 그 결과는 다음 Table 15와 Fig. 12에 나타냈다.
Table 15.
Subbase layer analysis results (ELFWD)
보조 기층의 결과도 마찬가지로 기존 공법으로 현장 시험한 Test section C와 비교·분석하였다. 가장 ELWFD가 높게 나타난 시험장소는 Test section D로 231.58MPa을 나타내었으며, 약 133.96%가 증가한 것으로 나타났다. 이때 사용된 지오셀로는 D420*H100 + 콘크리트 20cm를 사용하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 LFWD를 이용하여 지오셀이 포함된 도로 포장 공법에 따른 지지력을 분석하고자 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 아스팔트 포장도로에서 보조기층에 지오셀을 사용함으로써 지지력의 향상과 포장시스템의 구조적 강성이 달성되는 동시에 침하로 인한 제방의 변형을 감소시키는 것을 분석하기 위함이다.
(2) LWFD를 이용하여 기존도로 포장 공법과 여러 형태의 지오셀을 보조기층에 설치하여 비교한 결과, 표층을 기준으로 최대 133.58%가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 표층에 아스팔트를 설치하지 않고 지오셀만 설치하였을 때와 비교하면 약 59.48%가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 기존도로 포장 공법 보다 지오셀을 설치하였을 때 표층의 강성이 커지는 것으로 판단된다.
(3) 지오셀을 활용할 경우 같은 보조기층 두께(Test section C, D 비교-보조기층 20cm)를 기준으로 최대 83.56% 지지력이 증가하는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 강성이 증가함에 따라 포장 성능이 향상되어 도로 사용 수명이 길어질 것으로 판단된다. 따라서, 지오셀을 보조기층에 사용되면 아스팔트 포장도로에 더 많은 강도와 안정성을 제공한다는 결론을 내릴 수 있다.
(4) 본 연구는 국내에 국한되어 실시된 현장시험 연구로서 대상 지반의 일부 지반공학적 특성을 적용하여 도출된 결과이다. 따라서, 다른 나라 지역 특성에 확장하고 적용하기 위해서는 향후 충분한 자료의 축척과 다양한 특성에 적용하여 지오셀을 활용한 도로포장 공법을 발전시켜야 할 것으로 사료된다.
