이 석 근
도로동상방지층 연구단 연구단장 / 경희대 토목공학과 교수

‘도로 동상방지층 연구단’은 2008년 7월 출범해 총 4년의 연구기간 중 현재 3차연도 연구를 수행 중이다. 이번 연구의 선행연구로서 2002년부터 2005년까지 ‘현장시험을 통한 동상방지층의 설치기준 연구’를 인천대에서 수행했으며 연구의 결과로 2007년 2월 성토고 2m 이상 구간에 대한 기준이 마련됐다. 이를 통해 2007년 한 해 약 720억원의 도로건설 예산을 절감했으며 장관 방침에 의해 추가연구로서 이번 연구가 기획됐다. 이번 연구는 2m 이하 저성토부, 절토부 및 절성경계부 등을 구분해 재료별 열전도 시험, 동결깊이 예측모델 개발, 동상방지층의 구조적 역할 규명, 노상토 등급화 및 현장시험ㆍ실내 동상모사시험 등의 연구를 수행해 동상방지층의 효용성 검증을 통한 우리나라 실정에 적합한 설치 기준을 제시하고자 한다. 또한 이러한 설계 기준의 정비로 도로를 건설하는 지역에 적합한 포장단면을 제시해 그동안 무분별적으로 사용돼 왔던 동상방지층 사용에 대한 기준을 정립하게 됨으로써 국가 예산 절감효과에 기여하는 데 목표가 있다.

 1. 서론

 국내 도로포장두께 설계는 미국에서 개발된 AASHTO 설계법, 일본에서 사용하고 있는 TA설계법 등을 주로 사용하고 있다. 그러나 이들 설계법은 각국의 기준에 맞춰 개발됐기 때문에 우리나라 실정에 잘 맞지 않아 설계수명이 실제 도로수명과 차이를 보이고 있다. 특히 동결깊이의 결정에 있어 기온자료를 분석해 만든 동결지수를 근간으로 해 동결지수와 동결깊이의 상관관계식으로부터 동결깊이를 산정하고 있다.

 우리나라는 겨울철 시베리아기단의 영향으로 한랭한 북서풍이 불기 때문에 지역별 기온차가 매우 크며 봄철에는 그 영향이 약해져 기온이 상승한다. 동토지역의 지역적 기후 조건 특성으로 국내 도로분야에서는 동결융해(Freezing and thawing)로 인한 피해를 줄이기 위해 도로포장구조를 설계할 때 노상이 동결하는 것을 방지하기 위해 동상방지층(Anti-freezing layer)을 노상 위에 별도로 설치하도록 하고 있다.

 그러나 도로는 다양한 재료와 단면으로 구성된 구조물이기 때문에 계절적 및 재료 물성 특성뿐만 아니라 포장체 각 층의 구조적 적정성 또는 지지력 정도를 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 기존 동상방지층 설계법에 따르면 동상방지층은 포장체의 구조적 적정성과는 무관하게 온도조건에 따른 동결깊이에 따라 일률적으로 결정되고 있다. 이러한 동결깊이를 포장구조설계에 적용하다 보니 포장설계의 부실 내지는 과다설계의 우려가 있다.

 이번 연구에서는 현장계측(온도, 함수비 등) 및 실내 동상시험을 통해 국내 기후 환경에 의한 도로 노상토의 동결융해 특성 평가와 합리적인 설계 동결 깊이의 결정, 지하수위의 영향, 동상에 민감한 노상토의 처리 등 동상방지층에 관한 종합적인 기준안을 제시해 포장 설계 시 반영토록 하고자 한다. 현재까지 개발된 가장 우수한 포장 지지력 측정 장비 중 하나인 Falling Weight Deflectometer(FWD)를 이용해 현장조건(성토부, 절토부, 절성경계부) 및 기후조건에 따른 포장상태의 변화를 분석하고, 도로포장의 동상에 의한 파손 상태, 구조적 지지력 저하 및 계절별 지지력 변화를 파악하고자 한다. 포장 하부구조의 지지력, 재료 물성 및 동상 민감성을 고려한 노상토 분류 체계를 개발하고자 한다.

 도로 지하배수시스템 종류별 동상성능평가, 열전도 특성을 고려한 동결깊이 감소기법, 비동상성 재료의 특성 등을 고려한 다양한 동상저감기법의 효용성을 수치해석적으로 검증하고 경제성 분석을 통해 최적의 동상저감기법을 개발하고자 한다. 이러한 연구성과 도출을 위하여 국내 노상토의 수리특성을 평가하고 2차원 수분-열 해석 수치해석 프로그램을 개발해 다양한 동상저감기법의 효용성을 검증하고자 한다.

 연구대상 범위를 저성토부(2m 이하 성토부), 절토부, 절성경계부로 구분해 제시된 선행과제의 현장 계측기 및 기존 시험시설을 적극 활용해 다양한 조건에서의 현장 계측과 실내동상실험을 통한 동결융해 특성을 구명하고, 동결융해 반복에 의한 도로 노상의 공용성 저하에 따른 합리적인 대처방안을 연구하여 분석된 결과를 바탕으로 지하수위, 온도 등 다양한 조건에서의 합리적인 동상방지층의 설계기준안을 제시하고자 한다.

 

 2. 도로 동상방지층의 설치기준 개발

 경희대 이석근 교수 연구진은 도로포장재료의 물리적 특성 분석, 최근 기후를 고려한 동결지수 재산정 및 수치해석을 통한 동결 해석 연구를 진행했다.

 현재 설계법은 동결깊이의 결정에 있어 기온자료를 분석해 만든 동결지수를 근간으로 해 동결지수와 동결깊이의 상관관계식으로부터 동결깊이를 산정해 동상방지층의 두께를 일률적으로 결정한다. 그러나 실제 포장 내 토사들의 함수비는 계절적으로 변하고 있으며 포장 내 토사의 함수비는 동결깊이와 밀접한 관계를 가지고 있다. 하지만 국내의 동결깊이 산정식은 이러한 사실들을 고려하지 못하고 더욱이 포장재료들의 열역학적 특성조차 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 도로 포장재료별, 함수비, 다짐도에 따른 열역학적 특성을 열전도 시험을 통해 분석했다. 또한 동결깊이 산정에 사용하는 동결지수는 2003년 건교부에서 발표한 기준을 적용하고 있어 온난화 현상 등 변화된 최근 기후환경을 반영해 동결지수를 재산정했다. 최근 기후를 고려해 재산정된 동결지수를 도로설계에 적용할 경우 동상방지층 설치비용을 상당히 절감할 수 있다는 연구결과를 도출했다. 현재를 재산정한 동결지수를 토대로 전국동결지수작성 및 동결깊이 예측모델 개발 연구를 진행하고 있다.

 3. 도로 포장 구조체의 지지력 분석 및 등급화 연구

 한국건설기술연구원 김부일 박사 연구팀과 정문경 박사 연구팀은 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용한 포장체의 구조적 특성 분석, 포장 하부구조 지지력 평가기준 개발 및 포장 지지력에 영향을 미치는 지반인자 결정 연구를 수행했다.

 비파괴 방식에 의해 도로포장의 구조적인 능력을 측정할 수 있는 가장 효율적인 장비인 FWD는 현재 한국도로공사와 한국건설기술연구원 등이 보유하고 있다. 한편 기존의 도로 동결과 관련된 연구는 주로 동결깊이를 산정하고 동상을 저감시키는 공법 개발 위주로 수행돼 지지력 등 포장의 공용성을 고려하지 못한 연구가 대부분이었다. 따라서 이번 연구에서는 동상에 따른 포장 하부 지지력 변화를 FWD를 통해 조사ㆍ분석하고 이를 통해 동상으로 인한 도로포장의 손상을 평가해 보고자 한다. 또한 동상에 따른 포장 하부 지지력과 지반 물성과의 관계를 도출해 동상으로 인한 지지력 변화를 지반물성의 동상 민감성 측면에서 고찰하고, 최종적으로 동상의 영향을 고려한 노상토 분류 체계를 개발하고자 한다. 이와 같은 연구를 통해 궁극적으로는 동상 방지층의 구조적 효과분석을 통한 보다 합리적이고 효과적인 도로포장 설계기법 개발이 가능할 것으로 판단된다.

 4. 도로 동상저감기법 개발

 동의대 권기철 교수 연구팀은 단순히 동결깊이를 산정해 동상방지층을 절감 시키는 방법 이외에 최적의 동상저감기법을 개발해 경제성 분석을 통한 경제적 도로 건설을 위한 연구를 수행하고 있다.

 동상파괴(Frost damage)는 동결과정에서 융기, 즉 동상(Frost heaving)과 융해 시 지지력감소(Thaw weakening)로 대별된다. 특히 도로포장에서의 동상은 융해과정의 강성 감소 영향이 매우 중요해서 영구동토지역 또는 LNG 저장시설 등지에서의 동상과는 공학적으로 매우 큰 차이가 있다.

 일반적으로 잘 알려진 바와 같이 동상은 물, 온도, 재료특성이 모두 동상조건을 만족하는 경우에 발생한다. 따라서 동상저감기법 또한 수분의 영향을 차단하는 기법, 온도의 특성(특히 열전도특성)을 개선하는 방법, 비동상성 재료로 대체하는 공법으로 구분된다. 현재 우리나라에서 사용되는 방법은 성토고 2m 이상의 경우에는 동상방지층 생략, 그 외의 경우에는 비동상성 재료로 치환하는 동상방지층을 적용하고 있다. 성토고 2m 이상의 경우에도 수분저감기법, 노상토의 종류, 열전도특성 개선을 통해 기본 동상방지층의 역할을 매우 경제적으로 개선할 수 있다. 도로 지하배수시스템 종류별 동상성능평가, 열전도 특성을 고려한 동결깊이 감소기법, 비동상성 재료의 특성 등을 고려한 다양한 동상저감기법의 효용성을 수치해석으로 검증하고 경제성 분석을 통하여 최적의 동상저감기법을 개발하고자 한다. 이러한 연구 성과 도출을 위하여 국내 노상토의 수리특성을 평가하고 2차원 수분-열 해석 수치해석 프로그램을 개발해 다양한 동상저감기법의 효용성을 검증하고자 한다.

 5. 실내 동상모사시험 연구

 인천대 신은철 교수 연구팀은 실내 동결시험을 통해 동상팽창압, 동상량, 동상속도, 부동수분 등을 측정해 동상 민감성 분석을 실시했으며 대형 냉동고를 이용한 실내동사시험 시스템을 구축해 동결융해 시 침하량과 도로 포장체의 거동 및 지지력 영향 평가를 실시하고 있다. 또한 현장 도로 포장을 모사한 옥외 동상시험 시스템을 구축해 동상방지층 설치 유무에 따른 동상거동 평가를 실시하며 동상에 따른 부동수분 변화량 계측 및 대기온도에 따른 각 층별 온도 변화 및 침하량을 계측하고 있다. 이러한 연구는 향후 동상방지층의 설치기준 작성 시 이론적 뒷받침이 될 것이다.

 6. 현장계측을 통한 도로 동상 평가

 인천대 조규태 박사 연구팀, ㈜도화종합기술공사의 이윤한 연구원장 연구팀, ㈜한맥기술의 남영국 박사 연구팀은 전국 15개 현장에 저성토부, 절토부 및 절성경계부를 구분해 45곳에 온도계, 함수량계를 매설하고 저성토부 4곳에 지하수위계를 매설해 현장 계측을 실시하고 있다. 계측기는 각 포장층마다 매설해 층별 온도 및 함수비를 측정하고 있으며 동상방지층의 유무에 따른 단면을 구분해 동상방지층의 유무에 따른 계측을 통하여 동상방지층의 효용성을 분석하고 있다. 계측기 매설 현황은 다음 그림과 같다.

 

 각 매설 현장은 자동계측시스템을 구축해 각 기관 연구실에서 데이터를 전송받아 볼 수 있으며 수시로 수동 계측도 실시하고 있다. 이러한 현장 계측 데이터는 실제 도로 현장에서의 동상방지층의 효용성을 파악할 수 있으며 동상방지층 설치기준 작성을 위한 중요한 데이터로 활용될 것이다. 또한 이러한 데이터를 보다 효율적이고 적극적으로 활용하기 위해 경기대 김낙석 교수 연구팀에서 수집된 자료들의 데이터베이스를 구축하고 있다.

　

　7. 결론

 지금까지의 국내 도로포장두께 설계는 미국에서 개발된 AASHTO 설계법, 일본에서 사용하고 있는 TA설계법 등을 주로 사용하고 있다. 그러나 이들 설계법은 각국의 기준에 맞춰 개발됐기 때문에 우리나라 실정에 잘 맞지 않아 설계수명이 실제 도로수명과 차이를 보이고 있다. 특히 동결깊이의 결정에 있어 기온자료를 분석해 만든 동결지수는 30년간의 기온자료를 토대로 2003년에 작성된 동결지수를 사용하고 있어 최근 기후 변화를 제대로 반영하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 현재 도로설계 시 동상방지층은 과다설계의 우려가 있으며 이에 대한 공감대가 형성되었다.

 이러한 실정에 맞춰 본 연구단에서는 최근 기후환경을 고려한 동결지수를 재산정하고 국내 실정에 맞는 동결깊이 예측모델을 개발하고자 한다. 또한 동상방지층의 구조적 역할을 규명해 도로설계 시 이를 반영하고 최적의 동상저감기법을 제안함으로써 경제적인 도로건설을 실현하고자 한다. 현장계측을 통하여 현재 사용되고 있는 동상방지층의 효용성을 검증해 동상방지층의 설치기준을 마련함으로써 기후환경을 고려한 경제적 도로건설을 통해 향후 수조원의 국가예산을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

 　 <정리=서태원기자 taeji@>