1. 서 론
국내 도로 총연장은 1991년에 58,088km에 불과하였으나 2021년에는 113,405km로 약 20년 사이에 약 1.9배 이상 증가하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021). 교통혼잡비용은 도로상을 주행하는 차량들이 교통혼잡으로 인하여 정상속도(교통혼잡비용 추정의 기준속도) 이하로 운행하게 됨으로 발생되는 시간가치의 손실, 차량운행비의 증가와 같이 추가적으로 발생하는 총체적인 비용이다. 2019년도 국내에서 발생한 교통혼잡비용은 70.62조 원으로 추정되었다(Korea Transport Institute, 2022). 매년 막대한 금액으로 발생하는 국내 교통혼잡비용은 차량의 증가뿐만 아니라 빈번한 도로 유지보수로 인한 교통체증이 큰 비중을 차지하고 있다.
교통 정체를 최소화하기 위한 도로 급속 유지관리 방안을 찾기 위한 연구가 지속되어 왔다. 미국에서는 SHRP2를 통하여 프리캐스트 콘크리트 포장에 대한 연구를 진행하였다. 각 나라의 프리캐스트 콘크리트 포장 연구 및 시공 현황을 나타내고 간단한 시공법을 설명하였다(Sidney et al., 2013). Park(2008)은 프리캐스트 슬래브를 이용한 신설 도로 건설 및 보수 공법을 제안하였다. Kim et al.(2012)은 도로의 유지보수 최소화 및 보수시간 단축으로 교통체증을 감소하자고 지속가능한 장수명 모듈러 도로 시스템을 제안하였다.
지속가능한 장수명 모듈러 도로 시스템은 포장 모듈러 시스템과 지지 모듈러 시스템으로 구성되어 있다. 지지 모듈러 시스템은 기존 도로포장시스템의 하부구조 역할을 대신 수행하는 것이다.
Kim(2021)은 표준관입시험 결과치(N)가 7 이상인 지반에 적용 가능한 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러를 제안하였다. 2가지 형태의 지지 모듈러를 제작하여 Test-bed에 시험시공을 한 후 정하중 재하 시험을 통해 지지 모듈러의 성능을 평가하였다. 본 연구에서는 성능이 보다 우수하게 평가된 하부 곡선면을 가진 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러(Fig. 1)만 적용하여 모듈러 도로 시스템을 Test-bed에 시험시공하였다. 정하중 재하 시험을 통하여 하부 곡선면을 가진 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러에 대한 성능을 평가하였다.
2. 지지 모듈러 시스템
Kim et al.(2012)과 Kim(2021)이 언급한 바와 같이 지지 모듈러 시스템은 도로포장에 가해지는 교통하중조건 및 도로포장조건을 고려하여 기존 도로 포장의 하부구조인 기층, 보조기층, 동상방지층 및 노상을 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러로 대처하는 것이다. 지지 모듈러는 공장생산 제품으로 품질이 보장되고 공장 제작되어 도로 현장까지 운반하여 시공만 하면 된다. 따라서 기존 도로건설 및 유지보수보다 공사기간 및 공사비를 절감할 수 있는 급속시공이 가능할 것이다.
지지 모듈러의 제원은 도로포장에 작용하는 차량하중, 도로포장하중, 지반조건에 따른 침하량 및 지지력에 따라 결정된다. 차량하중은 도로교설계기준(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010)을 참고하여 1등급 교량의 기준인 DB-24를 적용하였다. 차량하중은 뒷바퀴간 거리를 하중작용의 최소거리인 4.2m로 가정하여 약 432kN으로 결정하였다(Kim, 2021).
Fig. 2는 Test-bed에 시공된 모듈러 도로 시스템을 보여주고 있다. 도로포장은 길이가 서로 다른 두 개의 철근콘크리트 슬래브가 연속으로 거치되는 형태이다. 제원은 각각 8m × 3.5m × 0.3m(L × W × H)와 3.9m × 3.5m × 0.3m(L × W × H)이다. 도로포장하중은 2개 도로포장 슬래브의 자중이고 철근콘크리트의 단위중량인 24.5kN/m3을 적용하여 도로포장하중을 계산하였다. 하부 곡선면을 가진 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러가 지지하여야 하는 총 하중은 차량하중과 도로포장하중을 합산하여 약 738kN이다.
3. 지지 모듈러 현장 성능평가
3.1 현장 성능평가 방법
현장 실험에 적용되는 재하 하중의 크기는 도로법 시행령 55조(차량 운행 제한) 기준 및 현장실험에 사용되는 포장가속시험기의 상태를 고려하여 결정하였다. 도로법 시행령 55조에 의하면 운행을 제한할 수 있는 차량의 최대 축하중은 10t(약 98kN)이며, 축 하중이 재하되는 바퀴의 상태는 복륜상태이다. Kim(2021)이 사용한 포장가속시험기는 단륜의 구조이기 때문에 최대 축 하중을 제한 범위인 98kN의 절반인 49kN으로 보았고 최대 두 배의 과적상태를 가정하여 50kN, 100kN으로 결정하였다.
Fig. 2에 보여주듯이 현장 실험에서 포장가속시험기로 재하되는 정하중에 의하여 지지 모듈러의 하부지반에 전달되는 하중 및 지지 모듈러의 침하량을 측정하기 위하여 6개의 하중계와 8개의 변위계를 설치하였다. 하중계는 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 하부에 설치하였다. 변위계는 도로포장 슬래브 하부면과 접촉하게 설치하여 도로포장 슬래브의 변위를 측정하였다.
하중을 재하하는 위치는 Fig. 3과 같이 횡방향으로 1번부터 5번까지 5개 라인으로 구분하였고 종방향은 상부(B)/중앙부(A)/하부(C)의 3개로 구분하여 총 15개 지점에 두 가지 크기의 하중, 50kN과 100kN을 재하하였다. 하중 재하순서는 중앙부(A라인)에서 1번 라인부터 시작하여 5번 라인까지 재하한 다음 상부(B라인)과 하부(C라인)순서로 총 15개 지점에 하중을 재하하였다. 먼저 하중 50kN을 15개 지점에 재하한 후 하중 100kN을 동일한 15개 지점에 재하하여 현장실험을 수행하였다. 본 연구에 적용된 지지 모듈러 시공, 계측기 설치, 하중재하를 위한 포장가속시험기 등에 대한 상세한 내용은 Kim(2021)의 연구를 참조하였다.
3.2 현장 성능평가 결과 및 분석
Fig. 3에서 동그라미로 표시된 3번 라인의 3개 지점에 하중 50kN과 하중 100kN을 재하한 경우에 대하여 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 성능을 평가하였다. Fig. 3에서 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러에 대칭적으로 설치된 하중계들과 변위계들에서 각각 측정된 계측 값들을 비교하였다.
Table 1과 Fig. 4~Fig. 7은 3개 지점(A-3, B-3, C-3)에 2개의 하중(50kN 및 100kN)을 재하한 경우 하중계 S1 및 S4에서 계측된 하중들과 변위계 L3 및 L6에서 계측된 변위들을 보여주고 있다. 하중계 S1 및 S4와 변위계 L3 및 L6은 Fig. 3의 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 상부, 즉 Ｂ라인에 설치된 계측기들이다.
Table 1.
Pressures measured on S1 & S4 and displacemnts measured in L3 & L6
B-3 지점에 하중이 재하된 경우, 하중계 S1 및 S4에서 가장 큰 하중값들이 측정되었고 변위계 L3 및 L6에서도 가장 큰 변위값들이 측정되었다. 하중재하 위치가 하중계 S1 및 S4와 변위계 L3 및 L6에서 멀어질수록 하중 및 변위가 감소하는 경향을 보였다. 하중계 S1 및 S4와 변위계 L3 및 L6에서 가장 먼 하중 재하 지점인 C-3에 하중이 재하된 경우, 하중계 S1 및 S4에서 인장력 또는 0에 근접한 압축력이 측정되었다. 변위계 L3 및 L6에서도 0에 근접한 변위 또는 인장변위가 측정되었다. 이것은 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태 지지 모듈러의 C라인 부분이 상부로 들어 올려지거나 재하된 하중이 거의 전달되지 않은 것으로 판단된다.
동일 지점에 하중을 2배, 즉 50kN에서 100kN으로 증가하여 재하한 경우, 인장 또는 계측치가 0에 근접하게 발생한 C라인을 제외하고는 동일 하중계에서 측정된 하중은 2배보다 작게 측정되는 경향을 보였다. 그러나 변위계에서 측정된 변위는 2배 이상 발생하는 경향을 보였다. 이것은 하중에 의해 지지 모듈러를 지지하는 하부지반에서 변위가 발생하여 하중계에서 측정된 하중이 2배보다 작게 측정된 것으로 판단된다.
Table 2와 Fig. 8~Fig. 11은 2 종류의 하중(50kN, 100kN)을 3개 지점(A-3, B-3, C-3)에 재하한 경우 하중계 S2 및 S5에서 계측된 하중들과 변위계 L4 및 L7에서 계측된 변위들을 보여주고 있다. 하중계 S2 및 S5와 변위계 L4 및 L7은 Fig. 3에서 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 중앙부, 즉 A라인에 위치하였다.
Table 2.
Pressures measured on S2 & S5 and displacemnts measured in L4 & L7
하중계와 변위계가 B라인(지지 모듈러 모서리부)에 설치된 경우와 상이하게 하중계 S2 및 S5와 변위계 L4 및 L7에서 측정된 하중들과 변위들은 하중재하 위치에 상관없이 거의 변화가 없는 경향을 보이고 있다. 이것은 지지 모듈러 모서리부(B-3 및 C-3)에 하중이 재하된 경우, 하중이 재하된 지점에 집중되어 하중 및 변위가 발생하였고 중앙부에서는 상대적으로 작은 하중과 변위를 발생시킨 것으로 판단된다. 하중이 지지 모듈러 중앙부(A-3)에 재하된 경우, 재하된 하중이 도로포장 슬래브에 전체적으로 분산되어 모서리부에 하중을 재하한 경우보다 작은 하중 및 변위가 발생한 것으로 판단된다.
동일 지점에 하중을 2배, 즉 50kN에서 100kN으로 증가하려 재하한 경우 동일 하중계 및 변위계에서 측정된 하중 및 변위는 거의 2배 정도로 측정되는 경향을 보였다.
Table 3과 Fig. 12~Fig. 15는 3개 지점(A-3, B-3, C-3)에 2 종류의 하중(50kN, 100kN)을 재하한 경우 하중계 S3 및 S6에서 계측된 하중들과 변위계 L5 및 L8에서 계측된 변위들을 보여주고 있다. 하중계 S3 및 S6과 변위계 L5 및 L8은 Fig. 3에서 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 하부, 즉 C라인에 설치된 계측기들이다.
Table 3.
Pressures measured on S3 & S6 and displacemnts measured in L5 & L8
하중계 S3 및 S6은 C-3 지점에 하중이 재하된 경우에 가장 큰 하중값을 나타내었다. 변위계 L5 및 L8에서도 C-3 지점에 하중이 재하된 경우에 가장 큰 변위가 발생하였다. 하중재하 위치가 하중계 S3 및 S6과 변위계 L5 및 L8에서 멀어질수록 하중 및 변위가 감소하는 경향을 보였다. 하중계 S3 및 S6과 변위계 L5 및 L8에서 가장 먼 지점인 B-3에 하중이 재하된 경우 하중계 S3 및 S3에서 인장력이 측정되었다. 변위계 L5 및 L8에서는 0에 근접한 변위가 측정되었다. 이것은 ②번과 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러의 B라인 부분이 상부로 들어 올려지거나 하중이 거의 전달되지 않은 것으로 판단된다.
동일 지점에 하중을 2배, 즉 50kN에서 100kN으로 증가하여 재하한 경우, 인장이 발생한 B라인을 제외하고는 동일 하중계 및 변위계에서 측정된 하중 및 변위는 거의 2배 정도로 측정되는 경향을 보였다.
Fig. 16에서 Fig. 19는 대칭으로 설치되어 있는 ②번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 좌측에 설치된 2개의 변위계, L1 및 L2와 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 우측에 설치된 2개의 변위계, L9 및 L10에서 측정된 변위값들을 비교하여 보여주고 있다. 전체적으로 ③번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 우측에 설치된 변위계, L9 및 L10에서의 변위가 더 크게 측정되었다. ②번 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러 좌측에 설치된 변위계, L1 및 L2에서는 양의 변위가 발생하였다. 이것은 하중이 가해지는 경우 오히려 상부 포장슬래브(또는 지지 모듈러)의 들림 현상이 발생한 것으로 판단 할 수 있다.
Table 4.
Displacemnts measured in L1, L2, L9 & L10
도로 모듈러 시스템에서 지지 모듈러의 성능평가를 위한 현장실험 결과, B-3지점에 하중을 재하하여 C-3지점의 계측기들에서 측정된 계측치들, 또는 C-3지점에 하중을 재하하여 B-3지점의 계측기들에서 측정된 계측치들은 이론적으로는 거의 동일한 하중값 또는 변위값이 측정되어야 하지만 상이한 값들이 측정되었다. 이것에 대한 원인으로는 상부 포장슬래브의 총 길이가 11.9m로 한 개의 슬래브로 제작된 것이 아니라 8m와 3.9m의 길이가 다른 두 개의 슬래브로 제작되었기 때문이라 판단된다. 2개의 상부 포장슬래브를 연결하는 부분에서 이음새 및 연결체결부(상부 포장슬래브를 지지 모듈러에 고정하는 역활)로 인하여 하중의 제대로 전달되지 않을 가능성이 있을 것으로 판단된다. 또한 지지 모듈러를 지반에 시공하면서 지반과 지지 모듈러의 사이를 쇄석으로 채웠다. 쇄석의 다짐상태 등에 따라 지반의 상태가 상이하여 계측기의 위치에 따라 하중 측정값과 변위 측정값이 서로 상이한 것으로 판단된다.
도로교설계기준(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010)에서 보면 인접한 구조물에 손상을 줄 수 있는 최대 처짐의 한계 값을 경간의 1/500의 값으로 제시하고 있다. 따라서 실제 측정된 변위값들을 최대 처짐의 한계 값 이내에 존재하였다. 또한 측정된 변위들은 1mm 미만으로 실제 도로에서 문제가 없을 정도로 발생하였다. 현장실험에서 적용된 2개의 재하 하중들과 측정된 하중값들을 비교해 보았을 때 하부 지반에 전달되는 하중은 매우 작은 것으로 판단된다. 지지 모듈러를 가진 모듈러 도로 시스템을 실제 도로현장에 적용 가능한 것으로 판단된다. 하지만 이론적으로 같은 값으로 측정되어야 하는 값들이 상이하게 발생한 원인으로 추정된 불균등한 지반 상태 및 상부 슬래브의 연결부분에 대한 대책을 수립하여 추가 실험이 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 신설 도로를 건설하는 시간 및 도로의 유지보수에 소요되는 시간을 줄이기 위한 방안으로 제안된 모듈러 도로시스템 중 하부구조인 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러를 제작하여 현장실험을 통하여 성능평가를 수행하였다. 본 연구로부터 도출된 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다.
(1) 차량하중, 상부 포장슬래브 자중, 지반조건 등을 고려한 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러와 상부 포장슬래브를 제작하여 Test-bed에 시공하였다. 상부 포장슬래브 표면의 총 15개 지점에 50kN과 100kN의 하중을 재하하여 Cross-Beam 형태의 지지 모듈러의 성능을 평가하기 위한 현장실험을 진행하였다. 지지 모듈러의 거동을 파악하기 위하여 6개의 하중계와 8개의 변위계를 설치하였다.
(2) 계측된 하중과 변위들을 비교분석한 결과, 도로교설계기준에서 정한 처짐의 허용 값(경간의 1/500) 이내로 변위가 측정되었으며, 발생한 변위도 1mm 미만으로 실제 도로 사용에 문제가 없을 정도로 발생하였다. 현장실험에서 적용된 재하 하중과 비교해 보았을 때 하부 지반에 전달되는 하중은 매우 작은 것으로 판단되었다. 지지 모듈러의 현장 적용에 문제가 있을 정도의 하중값 및 변위값들은 계측되지 않았다.
(3) 이론적으로 거의 동일한 하중 및 변위가 측정되어야 하는 계측지점에서 측정치의 차이가 발생하였다. 이러한 원인으로는 상부 포장슬래브가 한 개의 슬래브가 아닌 길이가 다른 2개의 슬래브로 연결된 형태로 거치가 되다 보니 연결 부분이 미흡하여 하중이 제대로 전달되지 않은 것으로 판단된다. 또한 지지 모듈러 하부를 쇄석으로 채웠으나 쇄석이 고르게 채워지지 못하거나 다짐 정도가 상이하여 같은 지지 모듈러 하부에서도 지지력의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 향후 상부 포장 슬래브 연결부분과 지지 모듈러 하부의 채움 부분에 대한 대책을 마련하여 추가 현장실험이 필요할 것으로 판단된다.
